人工智能賦能高中生物學(xué)科實驗教學(xué)策略的創(chuàng)新與實踐

《教育強國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024—2035年）》明確提出要以教育數(shù)字化開辟發(fā)展新賽道、塑造發(fā)展新優(yōu)勢，促進人工智能助力教育變革。《關(guān)于加快推進教育數(shù)字化的意見》提出全面推進智能化，促進人工智能助力教育變革。以人工智能賦能教學(xué)變革，已然成為教育改革的重要路徑[1]。生物學(xué)是一門具有較強實踐性的學(xué)科，高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實踐經(jīng)歷。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版2020年修訂）明確，要“充分利用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率”，要求教師充分利用以“互聯(lián)網(wǎng) + ”為代表的教育技術(shù)，以開展多種形式的主動學(xué)習(xí)活動，提高教學(xué)效果。而實驗教學(xué)是高中生物學(xué)教學(xué)重要的組成部分，借助人工智能賦能生物學(xué)科實驗教學(xué)應(yīng)充分認(rèn)識人工智能應(yīng)用的價值，明確實驗教學(xué)變革的方向與路徑，通過人工智能與實驗教學(xué)的深度融合，賦能生物學(xué)科實驗教學(xué)的提質(zhì)增效，落實生物學(xué)科的育人價值[2]。文章立足智能時代，對人工智能賦能高中生物學(xué)科實驗教學(xué)的價值與策略進行探究，以期為相關(guān)生物學(xué)科實驗教學(xué)的設(shè)計與實施提供一定理論借鑒與實踐參考，促進高中生物學(xué)科實驗教學(xué)的智慧化、數(shù)字化變革。

一、賦能多元實驗空間融通，實現(xiàn)生物實驗場景重塑

傳統(tǒng)生物學(xué)科實驗教學(xué)具有一定的場景局限。而人工智能的應(yīng)用能推動高中生物學(xué)科實驗教學(xué)突破單一的物質(zhì)場所，將生物學(xué)科實驗教學(xué)由單一的物理環(huán)境延伸至多元的虛擬環(huán)境，賦能教育的全要素、全過程和全領(lǐng)域，實現(xiàn)了物理空間、信息空間與虛擬空間的深度融合，打造了智慧教學(xué)新形態(tài)[3]。

其一，重構(gòu)物理空間。物理空間是學(xué)生開展生物學(xué)科實驗的主要場所，能夠支持學(xué)生在體驗感知、實踐操作與反思總結(jié)中發(fā)展生物核心素養(yǎng)。在生物學(xué)科實驗教學(xué)中，教師應(yīng)積極推進智能教學(xué)設(shè)備建設(shè)與革新，將AI導(dǎo)師、智能學(xué)伴嵌入生物學(xué)科實驗教學(xué)，為生物學(xué)科實驗教學(xué)創(chuàng)新持續(xù)賦能。以高中生物人教版必修一教材中“綠葉中色素的提取和分離實驗”的教學(xué)為例，該實驗需要學(xué)生了解葉綠體結(jié)構(gòu)色素的提取與分離的實驗原理和方法，并在實驗中得到實驗技能、問題解決能力等的形成與發(fā)展。在物理空間重構(gòu)上，教師可以針對學(xué)生在實驗過程中可能遇到的色素提取不充分、層析結(jié)果不清晰等問題，引入智能研磨儀、微量液體處理機器人、自動化層析裝置、智能AI導(dǎo)師等智能化設(shè)備，讓學(xué)生在人工智能支持下開展更加智能、精準(zhǔn)的實驗操作，提升生物學(xué)科實驗的精確性、效率以及數(shù)據(jù)可視化水平。

其二，拓展信息空間。人工智能在生物學(xué)科實驗教學(xué)中的應(yīng)用推進了各類教育平臺的銜接，推動了線上信息化實驗空間的打造。在生物學(xué)科實驗教學(xué)中，教師可以運用“互聯(lián)網(wǎng) + 教育”平臺組織生物學(xué)科實驗教學(xué)活動，通過促進不同系統(tǒng)平臺、用戶群體等的互聯(lián)互動構(gòu)建更加開放、靈活的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓信息互通、資源共享、成果互認(rèn)成為可能[4]。依舊圍繞“綠葉中色素的提取和分離實驗”的教學(xué)展開。學(xué)生在實驗開始前需要提前了解實驗?zāi)繕?biāo)、流程、操作方法以及智能設(shè)備操作要點等，以更加主動、高效地參與到生物學(xué)科實驗中。為此，教師可以開展基于線上平臺的前置性學(xué)習(xí)，在實驗開始前提前為學(xué)生推送微課視頻、預(yù)習(xí)學(xué)案、實驗方案等資源，支持學(xué)生在信息空間內(nèi)開展前置性學(xué)習(xí)，提前了解實驗相關(guān)要點，進而為后續(xù)實驗活動的高效開展打好知識基礎(chǔ)、做好心理準(zhǔn)備。

其三，創(chuàng)建虛擬空間。人工智能與虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、數(shù)字孿生等技術(shù)融合，推動了高度仿真的虛擬教學(xué)空間的構(gòu)建，能夠讓學(xué)生在安全、可控的環(huán)境中開展生物學(xué)科實驗，實現(xiàn)生物學(xué)科實驗教學(xué)從“在線”向“在場”躍遷。比如：人教版高中生物選擇性必修三中的“DNA的粗提取與鑒定”實驗材料成本高、實驗步驟煩瑣、微觀過程不可見，因此教師可以嘗試通過人工智能與虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實的結(jié)合構(gòu)建沉浸式虛擬實驗空間，促進生物學(xué)科實驗創(chuàng)新。具體而言，對于不可逆的關(guān)鍵步驟，比如未預(yù)冷酒精、氯化鈉濃度設(shè)置錯誤等，教師可以指導(dǎo)學(xué)生在VR場景中進行體驗，幫助學(xué)生認(rèn)識錯誤實驗操作對實驗結(jié)果的影響，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、細致的實驗態(tài)度。

二、賦能多主體協(xié)同互動，構(gòu)建“師一機一生”互動結(jié)構(gòu)

人工智能在生物學(xué)科實驗教學(xué)中的應(yīng)用引發(fā)了教育系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重塑，促進了師生角色轉(zhuǎn)化，讓“師一機一生”深度協(xié)同成為生物學(xué)科實驗教學(xué)新的互動形態(tài)。教師開展生物學(xué)科實驗教學(xué)應(yīng)以人工智能賦能人機共生、人機協(xié)作的“共創(chuàng)”模式的構(gòu)建，讓教師、人工智能、學(xué)生構(gòu)成新的互動網(wǎng)絡(luò)，在“師一機一生”立體化、場景化互動中充分發(fā)揮各自獨特優(yōu)勢，推動高效生物學(xué)科實驗課堂的構(gòu)建[5]。

在生物學(xué)科實驗教學(xué)中，教師、智能機器、學(xué)生分別有著不同的優(yōu)勢與角色。教師應(yīng)以人工智能賦能互動方式轉(zhuǎn)變，以形成“師一機一生”三元互動結(jié)構(gòu)，以構(gòu)建以生為本的高效實驗課堂，助力學(xué)生完成生物知識的內(nèi)化整合、實踐應(yīng)用與遷移創(chuàng)新，促進學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。在生物學(xué)科實驗教學(xué)中，人工智能承擔(dān)著AI導(dǎo)師、智能學(xué)伴等角色，是標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)的高效處理者，需要運用知識傳遞、內(nèi)容講解、個性化反饋、自動化評估等功能與教師、學(xué)生相互“取長補短”，實現(xiàn)更高層次的交互、協(xié)作與共融。教師則不僅要做創(chuàng)造性任務(wù)的主導(dǎo)者，也需要為學(xué)生提供情感支持、價值引領(lǐng)、批判性思維培養(yǎng)等服務(wù)，和學(xué)生一同參與到知識探索、研討以及問題解決實踐中。學(xué)生作為生物學(xué)科實驗教學(xué)的主體，承擔(dān)著學(xué)習(xí)者、參與者、創(chuàng)造者等多種角色，需要主動參與到互動與實驗中，以逐步完成從知識向能力、能力向素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。以人教版高中生物必修一“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”的實驗教學(xué)為例，該實驗被安排在“糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”的理論知識之前，需要學(xué)生從生活經(jīng)驗出發(fā)，對生活中常吃的食物進行探究，檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)。在“師一機”協(xié)同上，教師可以借助人工智能輔助編寫教學(xué)計劃、自動化生成教案，將自身從重復(fù)性、機械性的事務(wù)中解放出來，將更多的時間與精力投入情感交流、價值引領(lǐng)以及創(chuàng)造性教學(xué)上，以推動生物學(xué)科實驗教學(xué)的提質(zhì)增效[。在“生一機”互動方面，學(xué)生應(yīng)與AI導(dǎo)師、智能學(xué)伴進行思維鏈?zhǔn)綄υ挘屓斯ぶ悄芨鶕?jù)學(xué)生表現(xiàn)進行智能糾偏和實驗路徑優(yōu)化，促進學(xué)生對生物學(xué)科實驗知識、操作技能的理解、內(nèi)化與表征，指導(dǎo)學(xué)生循序漸進地進入深度實驗狀態(tài)。

比如：在跨學(xué)科拓展活動“健康管理”中，教師可以指導(dǎo)學(xué)生通過人機協(xié)同識別自己午餐中的三大營養(yǎng)物質(zhì)，并通過關(guān)聯(lián)自身唾液淀粉酶活性、人工智能輔助分析等進行食譜調(diào)整與優(yōu)化，幫助學(xué)生形成跨學(xué)科學(xué)習(xí)、人機互動學(xué)習(xí)的意識，提升學(xué)生生物實踐能力。在“師一生”互動方面，教師應(yīng)強化自身情感支持、價值引領(lǐng)等工作，通過引導(dǎo)性提問和評論充分展現(xiàn)自身的人文關(guān)懷、智慧以及創(chuàng)造力，推動健康、和諧師生關(guān)系的構(gòu)建，促進學(xué)生全面發(fā)展。具體而言，在“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實驗中，教師可以通過師生交流互動引入生命倫理、生態(tài)責(zé)任、科學(xué)態(tài)度教育等，比如在脂肪實驗中介紹健康中國戰(zhàn)略、在規(guī)范實驗流程中介紹嚴(yán)謹(jǐn)求實等科學(xué)態(tài)度，實現(xiàn)思政教育與生物學(xué)科實驗教學(xué)的融合滲透，豐富實驗教學(xué)的內(nèi)涵。

三、賦能智能評價模式構(gòu)建，落實大規(guī)模因材施教

評價是高中生物學(xué)科實驗教學(xué)重要的組成部分，具有引導(dǎo)、激勵、調(diào)控、反饋、總結(jié)等多種功能。在生物學(xué)科實驗教學(xué)評價中，教師應(yīng)借助人工智能的動態(tài)知識圖譜構(gòu)建、智能認(rèn)知診斷、多模態(tài)學(xué)習(xí)分析功能，構(gòu)建主體多元、內(nèi)容豐富、形式多樣、注重過程的智慧評價模式，以根據(jù)學(xué)生需求、興趣、學(xué)習(xí)風(fēng)格實施個性化評價、即時評價、精準(zhǔn)評價，落實評價的“指揮棒”作用。

第一，設(shè)置評價指標(biāo)。教師應(yīng)運用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的指標(biāo)設(shè)置方式，對接教學(xué)目標(biāo)設(shè)置評價任務(wù)、生成評價指標(biāo)，促進評價從對知識掌握程度的量化考核轉(zhuǎn)向?qū)W(xué)生素養(yǎng)發(fā)展與潛能的增值探索。以人教版高中生物必修一“探究植物細胞質(zhì)壁分離與復(fù)原實驗”的教學(xué)評價為例，該實驗需要學(xué)生通過實驗探究植物細胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原，讓學(xué)生從微觀角度理解生命本質(zhì)，理解生命的物質(zhì)觀。在實驗評價中，教師應(yīng)在人工智能的支持下，基于教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生數(shù)字畫像智能生成評價任務(wù)、評價指標(biāo)，支持各評價主體根據(jù)學(xué)生的實驗過程與結(jié)果表現(xiàn)對學(xué)生的生物學(xué)科實驗學(xué)習(xí)進行評估，提升評價的目標(biāo)性、客觀性和全面性。

第二，強化過程評價。在人工智能支持下，教師應(yīng)進行靜默式數(shù)據(jù)監(jiān)測與伴隨式數(shù)據(jù)采集，跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進度、監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，深入了解學(xué)生的行為模式、能力水平以及興趣點。同時，采集教學(xué)全場域數(shù)據(jù)，進行課堂、實驗室、家庭等多場景數(shù)據(jù)的匯聚融合，豐富評價主體。依托多源數(shù)據(jù)，即可結(jié)合學(xué)生數(shù)字畫像開展過程評價，生成動態(tài)學(xué)習(xí)報告，及時反饋學(xué)習(xí)結(jié)果，以幫助學(xué)生了解自身的進步與不足，提升評價的即時性、高效性與客觀性[7]。比如：在“探究植物細胞質(zhì)壁分離與復(fù)原實驗”的評價中，教師可以對學(xué)生預(yù)處理、操作、觀察、拓展實驗環(huán)節(jié)進行觀察，并運用線上學(xué)習(xí)平臺整合學(xué)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息收集數(shù)據(jù)、互動數(shù)據(jù)、線上答題數(shù)據(jù)等，讓學(xué)生通過智能學(xué)習(xí)平臺接收實時反饋，幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識自己在實驗過程中的優(yōu)勢與短板。同時，借助基于數(shù)據(jù)的過程性評價，教師還得以提高學(xué)生的實驗參與度，讓學(xué)生更加積極、主動地參與學(xué)習(xí)，推動高效實驗課堂的構(gòu)建。

第三，重視結(jié)果應(yīng)用。在生物學(xué)科實驗教學(xué)評價中，教師應(yīng)以人工智能賦能循證評價模式的構(gòu)建，通過高效個性化評價實現(xiàn)大規(guī)模因材施教，推動學(xué)生的多元、全面發(fā)展。在實驗結(jié)果應(yīng)用中，教師應(yīng)借助人工智能進行大數(shù)據(jù)分析，識別學(xué)生在生物學(xué)科實驗中的困惑與難點，分析學(xué)生在知識掌握、技能應(yīng)用、學(xué)習(xí)習(xí)慣等方面的優(yōu)劣勢，并結(jié)合學(xué)生的實驗軌跡為學(xué)生量身定制個性化實驗方案，精準(zhǔn)推送多模態(tài)資源，滿足學(xué)生差異化的學(xué)習(xí)需要，持續(xù)激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動機，幫助學(xué)生循序漸進地突破自身的“最近發(fā)展區(qū)”。比如：教師可以在人工智能支持下精準(zhǔn)識別實驗流程認(rèn)識不清晰的學(xué)生，并從“互聯(lián)網(wǎng) + 教育”平臺中整合相關(guān)微課資源、實驗方案、趣味視頻、知識框架等，輔助學(xué)生進行知識體系的構(gòu)建，幫助學(xué)生梳理實驗流程，并深化學(xué)生對實驗原理的認(rèn)知與理解，促進學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

結(jié)束語

總而言之，在教育改革和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，人工智能逐漸成為高中生物學(xué)科實驗教學(xué)改革創(chuàng)新的重要工具。為實現(xiàn)人工智能的廣泛、深度應(yīng)用，教師應(yīng)以人工智能賦能教育結(jié)構(gòu)與方式的優(yōu)化，為學(xué)生打通物理、信息與虛擬空間，推動課前、課中、課后學(xué)習(xí)的深度聯(lián)通，支持學(xué)生在真實生動的實驗情境中，基于“師一機一生”三元互動結(jié)構(gòu)開展實驗學(xué)習(xí)，支持學(xué)生逐步開展前置性學(xué)習(xí)、實驗準(zhǔn)備、實驗操作、實驗反思等活動，并讓學(xué)生依托即時、精準(zhǔn)的智慧評價突破實驗重難點，實現(xiàn)多元、全面的發(fā)展。人工智能在高中生物學(xué)科實驗教學(xué)中的應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實意義，但技術(shù)依賴導(dǎo)致的教育主體工具化、算法偏見導(dǎo)致的倫理風(fēng)險、人類情感邊界難以逾越以及信息數(shù)據(jù)安全風(fēng)險等仍需要相關(guān)教育工作者關(guān)注與重視。在高中生物學(xué)科實驗教學(xué)中，教師要理性審視人工智能的價值與局限，通過人工智能的科學(xué)應(yīng)用推進生物學(xué)科實驗教學(xué)的提質(zhì)增效，落實生物學(xué)科的育人價值。

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