数字技术与AI开辟探究实践活动的新路径

选题背景

探究实践活动是《义务教育科学课程标准（2022年版）》倡导的学习方式。然而，在实际教学中，探究实践活动因其过程复杂与路径不确定，对师生均构成了挑战，这对小学生尤其困难。

对此，本研究利用数字技术和人工智能赋能科学探究实践课堂，通过智能化教学工具，对探究实践活动的组织、过程性数据进行追踪分析，对个性化反馈进行优化，可有效减轻教师的教学负担，降低实施的复杂程度，增强学生的认知与元认知调控能力，大大降低了科学探究实践活动的门槛。

本研究选取新课标中“物质与能量”这一主题进行教学实践。这一内容兼具概念抽象与实践门槛高的双重难点，可以为科学实践活动的实施提供参考。

教学目标

（一）科学观念：1. 准确辨识常见的能量形式，理解其形态的多样性。2. 掌握能量转化的基本规律，能阐释生活中常见能量的转化。

（二）科学思维：1. 能够运用观察记录、实验数据对能量形式的存在及转化进行分析与论证。2. 能够基于证据对初步预测进行修正，发展批判性思维与实证意识。

（三）探究实践能力：1. 在虚拟实验中，能够初步运用控制变量法探究能量转化的规律。2. 熟练操作虚拟实验平台，利用数字化工具收集和记录证据。

（四）态度责任：1. 遇到困难时，能向教师、同伴或智能助教寻求帮助、调整探究策略。2. 保持对生活中能量现象的好奇心，愿意运用所学知识进行解释并解决实际问题。

教学设计创新

（一）资源设计：生活化情境+数字化环境。充分利用生活化情境激发学习动机，借助数字化环境聚焦科学概念。课程以“灯泡发光”“烧水”等学生熟悉的日常生活现象为切入点，迅速建立学习内容与学生已有经验的联结，唤醒其探究兴趣。在此基础上，研究利用数字化的虚拟实验环境呈现知识。

（二）学习支持：“结构化引导”与“动态化支架”的协同。采用了两种学习支持策略：1. 纸质学习引导单，为学生的探究活动提供清晰的思维框架和操作流程；2. 在线探究平台动态推送个性化认知与元认知支架。二者有机协同精准响应了不同学生的个性化学习需求。

（三）过程调控：“数据驱动”与“智能反馈”的可视化闭环。传统探究教学常面临“过程难监管、反馈不及时、指导欠精准”的痛点。本课中的平台可自动收集学生的行为数据，人工智能依据预设规则进行分析并给予即时反馈。这一闭环设计使得探究过程变得可操作、可监控、可调控，从而让教学决策与学习调整更具针对性。

教学实施

课程采取线上线下相融合的混合式教学模式，以学生在智能平台上的自主探究为主，教师则扮演引导者与解惑者的角色，提供平台操作指导和关键概念点拨。平台智能体在学生探究过程中，依据其学习进度和行为表现，动态提供认知与元认知支架。

“能量”主题的课程内容有四个部分：能量的形式，能量转换，能量转换的简单应用，能量转换的复杂应用，遵循“现象观察—规律探究—实践应用”的认知路径层层递进。本文以第一部分“能量的形式”为例，详细阐述基于智能平台的POE探究教学实施流程。

（一）预测：情境导入，激活前概念

1. 教学活动。（1）情境激活：教师播放两个简短的生活视频：电热水壶烧水至沸腾、台灯被点亮。随即抛出驱动性问题：“水没有被火烧，为什么会变热沸腾”“灯泡里没有火，为什么能发光发热”？通过讨论，引导学生认识到这些现象背后是“能量”在起作用，从而引入主题—“能量的形式”。（2）前测与预测：教师播放一段“水力发电点亮灯泡”的动画，并提问：“在这段视频中，你观察到了哪些形式的能量？”学生先进行口头回答，随后在“小水滴”平台上提交自己的初步想法。此环节旨在暴露学生的前概念与潜在的认知冲突，为后续的探究与解释提供焦点。

2. 技术支持。在线平台自动记录每位学生的预测文本，为后续的对比反思提供依据。同时，嵌入的智能体以提问形式（如“我们的任务是什么”）帮助学生明确当前的学习目标。

（二）观察：虚拟实验，循证探究

1. 教学活动。（1）教师示范：教师共享屏幕，演示PhET虚拟实验室中的“能量形式和转换”模块。教师以“骑自行车发电点亮灯泡”为例，边操作边提问：“蹬自行车产生了什么能量？能量经过发电机变成了什么形式？”以此示范如何运用控制变量法进行科学探究。（2）学生自主探究：学生根据教师的示范和学习引导单的步骤，进入PhET虚拟实验室进行自主操作。学生需要通过更换不同的组件，系统地观察不同条件下能量的产生与转化现象，并将自己观察的结果记录在学习单的表格中。在此过程中，教师巡视并对个别遇到困难的学生提供指导。

2. 技术支持。（1）探究环境：平台集成的PhET虚拟实验室为学生提供了安全、可重复、可操控的探究环境。（2）智能支架：智能体实时监测学生的后台行为数据，并提供两类支架。一类元认知支架：当监测到学生在某一界面停留时间过长或操作漫无目的时，智能体会弹出提示，引导学生管理学习进度和注意力。另一类认知支架：当学生向智能体提问时，智能体会遵循“引导式”原则，通过反问或提供线索的方式给予提示（如“想一想，水龙头里流出的水，推动了什么”），而非直接告知答案。

（三）解释：整合反思，建构新知

1. 教学活动。（1）成果汇报与思维提炼：教师邀请几位学生代表上台，利用平台展示他们的实验记录，并讲解自己的探究思路与发现。教师引导全班学生进行聚集性讨论，尤其是普遍存在的迷思概念，帮助学生梳理实验逻辑，提炼科学思维方法。（2）知识测评与精准补缺：学生在平台上完成一组与本节课知识点相关的在线测验题。教师端能够即时看到全班的作答数据统计图表（正确率、错题分布等）。基于这些数据，快速定位学生共性难点并进行集中讲解，实现精准补缺。（3）反思与科学解释：在经历了探究和讨论后，学生回到平台重新回答初始预测环节提出的问题。此时，学生需要依据观察到的实验证据撰写一段科学的解释，说明能量是如何在不同形式间转化的。（4）分享交流与评估：教师组织学生进行小组分享，交流自己在本次探究中的收获与反思。教师利用平台展示部分学生的解释文本，进行点评和鼓励，强化其学习成就感与科学表达的信心。

2. 技术支持。平台辅助学生成果的展示、收集和分析学生的作答数据、记录学生最终的解释文本以供教师评估和存档。

总之，数字与人工智能技术让复杂的探究实践活动变得越来越容易实施。

（作者周少伟单位系华南师范大学教育科学学院；刘媛、邓毅怡单位系广东省佛山市南海区教育发展研究中心）

《人民教育》2025年第15-16期