基于生成式人工智能的初中信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G633.67 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1005-6009（2025）31-0023-03

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”明確將“計(jì)算思維”和“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”作為核心素養(yǎng)的重要組成部分，強(qiáng)調(diào)通過真實(shí)性學(xué)習(xí)和探究性實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵路徑，其價(jià)值在于引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)或模擬的情境中主動(dòng)質(zhì)疑、深人探究、驗(yàn)證猜想，從而深刻理解學(xué)科原理并發(fā)展高階思維。

生成式人工智能的動(dòng)態(tài)內(nèi)容生成與交互能力，為深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題思維培養(yǎng)提供了有力工具。生成式人工智能的教育價(jià)值在于，其能夠創(chuàng)設(shè)復(fù)雜情境、提供即時(shí)反饋、支持個(gè)性化探究路徑。本文以蘇科版初中信息科技學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，聚焦學(xué)生問題思維的培養(yǎng)過程，從目標(biāo)設(shè)計(jì)、情境創(chuàng)設(shè)、過程引導(dǎo)、跨學(xué)科應(yīng)用到評(píng)價(jià)反饋全環(huán)節(jié)，探究生成式人工智能與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的策略及其對(duì)學(xué)生問題發(fā)現(xiàn)、分析、解決、遷移能力的影響。

一、激發(fā)問題意識(shí)：生成式人工智能賦能實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)

新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)“真實(shí)性學(xué)習(xí)”，要求創(chuàng)設(shè)能引發(fā)認(rèn)知沖突、激發(fā)探究欲望的真實(shí)情境。生成式人工智能可以高效構(gòu)建貼近現(xiàn)實(shí)、蘊(yùn)含問題的復(fù)雜場景，將抽象技術(shù)原理賦予具象化認(rèn)知，有效喚醒學(xué)生的好奇心與問題意識(shí)。

以蘇科版八年級(jí)《物聯(lián)網(wǎng)的傳感技術(shù)》教學(xué)為例，教師可設(shè)定“智慧校園安防系統(tǒng)\"主題，利用生成式人工智能動(dòng)態(tài)構(gòu)建可視化的三維校園安防場景，讓學(xué)生直接觀察紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測人員軌跡、異常行為觸發(fā)報(bào)警等過程，以動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)的方式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)關(guān)注現(xiàn)象背后的邏輯。虛實(shí)融合的情境降低了抽象原理的認(rèn)知門檻，提供了豐富的問題觸點(diǎn)。有學(xué)生在觀察后提出了“環(huán)境因素（如強(qiáng)光、溫度）是否會(huì)影響紅外傳感器的靈敏度”這一具有探究價(jià)值的問題，這為后續(xù)的深度探究奠定了堅(jiān)實(shí)的認(rèn)知與思維基礎(chǔ)。

二、深化問題探究：生成式人工智能提供結(jié)構(gòu)化問題鏈的支持

“問題解決導(dǎo)向\"在于通過精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷分析問題、解決問題的思維過程。生成式人工智能的模擬與反饋功能為學(xué)生深度思維的培養(yǎng)提供了有力支撐。

蘇科版七年級(jí)“數(shù)據(jù)的傳輸過程\"實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是“理解數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊话氵^程與協(xié)議”。教師圍繞核心任務(wù)“探究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊话氵^程”，利用生成式人工智能設(shè)計(jì)分層遞進(jìn)的問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生逐步深化思維。在基礎(chǔ)問題階段，教師提出“數(shù)據(jù)包在局域網(wǎng)中是如何傳輸?shù)摹保龑?dǎo)學(xué)生借助技術(shù)工具生成的動(dòng)態(tài)路徑圖進(jìn)行觀察、描述傳輸現(xiàn)象，從而建立初步感知。該階段注重學(xué)生對(duì)問題的觀察與描述。在進(jìn)階問題階段，教師提出“哪些因素會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)傳輸速度”，引導(dǎo)學(xué)生利用生成式人工智能模擬不同帶寬條件下的傳輸對(duì)比，通過對(duì)比分析、歸納推理，得出“帶寬與延遲呈負(fù)相關(guān)”等結(jié)論。該階段關(guān)注學(xué)生對(duì)因素的分析和推理。在拓展問題階段，教師提出“如何優(yōu)化路由策略”，借助生成式人工智能提供TCP/IP協(xié)議的一般工作過程動(dòng)態(tài)圖，輔助學(xué)生理解原理，并嘗試遷移應(yīng)用。該階段關(guān)注學(xué)生的原理遷移與應(yīng)用能力。

在這個(gè)過程中，生成式人工智能的核心貢獻(xiàn)在于將抽象的、不可見的過程變得可視、可交互，使學(xué)生能夠親手操作、即時(shí)觀察結(jié)果、分析因果關(guān)系，極大地促進(jìn)了學(xué)生分析性思維和邏輯推理能力的發(fā)展。教師的關(guān)鍵作用在于圍繞知識(shí)點(diǎn)來設(shè)計(jì)問題鏈，并適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察、對(duì)比、歸納和解釋，避免學(xué)生停留于表面的技術(shù)操作或直接獲取預(yù)設(shè)答案，確保技術(shù)服務(wù)于深度思維訓(xùn)練。

三、促進(jìn)問題遷移：生成式人工智能助力綜合應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

生成式人工智能在方案框架構(gòu)建與優(yōu)化迭代方面的功能，為學(xué)生的問題遷移、方案構(gòu)思與完善過程提供了有力的認(rèn)知支架。

以蘇科版八年級(jí)\"智慧農(nóng)場\"物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目要求學(xué)生綜合運(yùn)用溫濕度監(jiān)測、光線監(jiān)測、土壤溫濕度監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)智能化農(nóng)場管理系統(tǒng)。教師設(shè)定核心任務(wù)為“智能農(nóng)場環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。在此任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，生成式人工智能可輔助學(xué)生初步構(gòu)建系統(tǒng)方案框架，思考系統(tǒng)層次與核心功能模塊。（1）在感知層，部署各類傳感器，要求學(xué)生進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，引導(dǎo)學(xué)生思考“針對(duì)農(nóng)場不同區(qū)域（如大棚、露天種植區(qū)、倉儲(chǔ)區(qū)），需要監(jiān)測哪些關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)”“為什么這些參數(shù)至關(guān)重要”。（2）在傳輸層，設(shè)計(jì)穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將感知層采集的數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用層，引導(dǎo)學(xué)生思考“在農(nóng)場復(fù)雜環(huán)境中（可能距離遠(yuǎn)、有遮擋），選擇哪種網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)（如Wi-Fi，LoRa，NB-IoT等）更可靠、更節(jié)能”，遷移評(píng)估不同通信技術(shù)的使用場景等，借助生成式人工智能模擬不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或拓?fù)湓谔囟ㄞr(nóng)場環(huán)境下的信號(hào)覆蓋、傳輸延遲和能耗情況，輔助學(xué)生驗(yàn)證傳輸方案設(shè)計(jì)的可行性。（3）在應(yīng)用層，引導(dǎo)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚、存儲(chǔ)、分析，并進(jìn)行可視化展示，基于規(guī)則或模型進(jìn)行智能決策（如自動(dòng)控制設(shè)備），同時(shí)借助生成式人工智能模擬在不同環(huán)境數(shù)據(jù)輸入下系統(tǒng)的響應(yīng)行為和執(zhí)行結(jié)果，幫助學(xué)生完善方案的設(shè)計(jì)。

生成式人工智能在此環(huán)節(jié)中不僅提供知識(shí)資源，更幫助學(xué)生初步建立了知識(shí)間的邏輯關(guān)聯(lián)，有助于學(xué)生識(shí)別復(fù)雜問題中的多維度要素，理解其相互影響的關(guān)系，從單一技術(shù)點(diǎn)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性的復(fù)雜問題求解思維。

四、引導(dǎo)問題反思：生成式人工智能完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程性評(píng)價(jià)

在初中信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)問題解決過程的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。生成式人工智能能夠動(dòng)態(tài)采集、分析實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，為師生提供及時(shí)的、精準(zhǔn)的反饋，促進(jìn)學(xué)生對(duì)自身思維過程、策略選擇及問題解決效果進(jìn)行元認(rèn)知反思。

以蘇科版七年級(jí)“小型互聯(lián)系統(tǒng)的搭建及故障排除\"實(shí)驗(yàn)為例，該章節(jié)知識(shí)點(diǎn)涵蓋對(duì)小型互聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)備認(rèn)識(shí)、架構(gòu)理清、模型搭建及故障排除等。教師可借助生成式人工智能聚焦學(xué)生問題解決思維的軌跡與質(zhì)量。在教學(xué)過程中，教師通過實(shí)時(shí)采集學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上的操作數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的思維誤區(qū)或技能薄弱點(diǎn)；結(jié)合自然語言處理技術(shù)，分析學(xué)生討論記錄中的關(guān)鍵詞，發(fā)現(xiàn)學(xué)生問題分析的重點(diǎn)。例如，學(xué)生在搭建小型局域網(wǎng)時(shí)反復(fù)出現(xiàn)交換機(jī)端口配置失誤，生成式人工智能會(huì)即時(shí)推送微課視頻或交互式引導(dǎo)提示，幫助學(xué)生修正操作邏輯。此外，針對(duì)學(xué)生提出的不同解決方案，如“使用靜態(tài)路由替代動(dòng)態(tài)路由”，生成式人工智能可調(diào)用案例庫中的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒咐峁├碚撘罁?jù)與優(yōu)化建議，支持其對(duì)解決方案進(jìn)行批判性反思和優(yōu)化。

基于生成式人工智能的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)評(píng)價(jià)能夠捕捉傳統(tǒng)評(píng)價(jià)難以觸及的思維過程細(xì)節(jié)，提供客觀的、及時(shí)的、個(gè)性化的反饋，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己問題解決路徑的優(yōu)勢與不足，讓教師精準(zhǔn)把握教學(xué)的干預(yù)點(diǎn)，從而提升教學(xué)效果。

實(shí)踐表明，生成式人工智能通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境、支持深度探究、促進(jìn)綜合應(yīng)用和賦能過程性評(píng)價(jià)，為初中信息科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生問題思維能力的培養(yǎng)提供了有效支持，展現(xiàn)了技術(shù)工具在降低認(rèn)知負(fù)荷、提供探究支架、促進(jìn)思維可視化方面的積極作用。

當(dāng)然，實(shí)踐中也出現(xiàn)了一些問題，如部分學(xué)生過度依賴技術(shù)工具生成的預(yù)設(shè)框架，滿足于框架填充，缺乏獨(dú)立構(gòu)思和批判性質(zhì)疑精神，部分教師缺乏引導(dǎo)學(xué)生對(duì)技術(shù)解決方案進(jìn)行價(jià)值判斷和倫理反思的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。這些都對(duì)教師的角色轉(zhuǎn)型提出了更高要求從知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃葘W(xué)習(xí)的引導(dǎo)者、問題情境的設(shè)計(jì)者和思維發(fā)展的促進(jìn)者。未來，我們需持續(xù)探索技術(shù)與教學(xué)目標(biāo)、高階思維培養(yǎng)的適配機(jī)制，構(gòu)建以學(xué)生問題思維發(fā)展為中心的可持續(xù)支持體系。

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責(zé)任編輯：周小濤