AI賦能，破壁虛實——智慧平臺助力小學科學備課新探

為貫徹落實國家教育數字化戰略行動，持續深入推進信陽市國家中小學智慧教育平臺應用推廣工作，宣傳并分享在平臺應用過程中涌現的創新思路與典型做法，平臺將對2025年國家中小學智慧教育平臺應用優秀案例征集活動中評選出的優秀案例進行展播，歡迎大家收看。

【摘要】

本案例針對小學科學教學中存在的“現象抽象難演示、實驗危險難操作、科學原理難理解”等核心痛點，系統闡述了如何依托國家中小學智慧教育平臺，利用AI功能進行高效、精準、安全的備課實踐。案例通過利用AI進行學情前測、智能檢索與生成教學資源、調用虛擬實驗規避風險、設計分層探究任務等具體措施，構建了一套“以學定教、虛實結合、探究驅動”的智慧備課模式。實踐表明，該模式顯著提升了教師的備課效率與教學質量，有效激發了學生的科學興趣，化解了教學難點，并培養了學生的模型思維與探究能力，為在科學學科中深度融合國家平臺與AI技術提供了可復制的路徑。

【關鍵詞】

智慧中小學平臺；AI賦能；科學備課；虛擬實驗。

智慧平臺輔助教學的應用背景

（一）傳統教學模式的困境

傳統的小學科學教學模式在長期實踐中暴露出諸多深層困境，核心在于其“以知識為中心”的導向，異化了科學探究的本質。首先，課堂大多呈現為“教師講授、學生靜聽”的灌輸式格局，科學被簡化為需要背誦的靜態結論。即便開展實驗，也常淪為驗證已知結果的程式化步驟，學生缺乏提出真問題、設計解決方案的機會，科學思維訓練嚴重不足。其次，學生角色被動化，

成為知識的“接收器”，其好奇心和內在學習動機在單調的聽講與記憶中逐漸消磨。同時，教學評價體系單一，過度依賴紙筆測驗，忽視了學生在探究過程、合作能力與科學態度等方面的表現。

這些困境直接導致了備課環節，教師深陷于搜尋優質教學資源、設計創新活動、準備復雜實驗的繁重勞動中，精力耗竭，難以兼顧學生的個體差異與時代發展的新要求。

（二）教育信息化發展的需求

國家積極推動教育數字化轉型，強調依托現代技術手段全面提升教育質量。國家中小學智慧教育平臺整合了多學科、多學段的優質資源，為教師和學生提供了強有力的支撐。特別是AI技術的深度融入，為實現科學備課和精準教學創造了全新可能。依托國家中小學智慧教育平臺，結合AI賦能的教學實踐，教師不僅能夠適應教育信息化發展要求，更能把原本艱澀難懂的知識轉化為生動、直觀的體驗，真正實現提質增效，走向精準化、科學化的教學新形態。

目標與思路

（一） 具體目標：

1.學生層面：激發并保持學生的科學好奇心和探究欲，培養其像科學家一樣思考的能力，具體包括：

a.能自主提出3個以上與生活相關的科學問題；

b.能設計并實施至少2種科學實驗方案；

c.能運用圖標分析數據并得出結論；

d.能解決2類以上真實情境中的科學問題。

2.教師層面：將教師從重復性事務中解放，推動角色轉型為“探究活動的設計者、組織者和引導者”，實現：

a.備課時間減少30%以上；

b.設計并實施5種以上探究活動類型（如項目式學習、跨學科整合）；

c.教師專業幸福感評分提升20%（基于前期調研基準）。

3.課堂層面：構建以學生為中心、高度互動、充滿探究精神的“智慧課堂”，達成：

a.課堂互動頻次提升50%（通過互動工具記錄）；

b.學生高階思維問題占比達40%（基于課堂觀察量表）；

c.100%學生獲得個性化學習支持（如分層任務單）。

4.生態層面：形成“AI賦能增效、教師主導引領、學生主體參與”的協同教學模式，推動：

a.家校社協同育人機制覆蓋率逐年提升；

b.區域科學教育資源共享率提高；

c.建立學生科學素養動態監測體系。

（二）研究思路與方法：

本案例遵循“數據分析—資源構建—活動設計—評價反饋”的閉環思路。以國家中小學智慧平臺為主要技術環境，充分利用其AI分析、智能檢索、虛擬仿真、資源生成四大核心功能，將備課流程從傳統的“資源堆砌”轉變為“數據驅動的智能化設計”。通過定性觀察與定量數據對比，評估備課成效。

具體措施

（一）數據分析，以學定教：AI學情診斷，精準定位教學目標

教師在備課階段，通過國家中小學智慧教育平臺的 AI 分析工具，輸入課程章節內容（如“小學五年級科學《火山噴發》”）， 系統會結合課程標準與歷史學情數據，生成詳細的教學目標建議。具體流程如下：

1. 生成課前問卷：教師向AI助教發布指令：“生成一份小學五年級《火山噴發》課前調查問卷，AI快速生成問卷并通過平臺分發至學生端。（如圖1和圖2）

圖1 AI發布指令

圖2 AI生成課前問卷

2.分析學情數據：系統自動分析結果，生成學情報告（如圖3）

a.78%的學生認為火山噴發只有危害（利弊認知偏差）；

b.僅15%能說出‘板塊運動’（成因理解不足）；

c.對‘巖漿房’‘火山通道’等結構普遍陌生（概念模糊）。

圖3 學生學情數據分析

基于此，教師將教學重難點精準定位為“理解火山成因的板塊運動機制”和“辯證分析火山的利與弊”。

3.分層設定教學目標：教師參考平臺《義務教育科學課程標準（2022版）》解讀模塊，明確核心素養要求，并結合學情分層設定目標。

a.基礎目標（面向全體）：能描述火山的主要結構（如巖漿房、火山口）；

b.進階目標（可選）：能解釋火山噴發的版塊運動成因，并舉例說明其利弊；

c.高階目標（拓展）：能設計簡單的火山監測小實驗（如用蘇打粉模擬噴發）。

(二）資源建構，虛實結合：教學資源生成

1.個性化資源：平臺搜索相關資源

在智慧平臺“資源”頁面右上角運用“AI搜索”，可檢索出平臺關于主題的所有資源。以《火山噴發》教學為例，教師輸入“火山噴發”，搜索AI 系統會呈現教學設計、圖片、教學視頻等相關素材，教師可將需要的資源保存到我的資源庫以便后期整合利用。（如圖4）

圖4 平臺資源搜索展示

2.AI賦能教學備課——央館AI科學實驗室

打開人工智能教育--央館AI科學實驗--科學教師助手--實驗方案設計，對用戶輸入的主題和年級參數，自動匹配符合教學目標的趣味實驗方案。例如輸入：火山噴發實驗，AI會自動生成3個火山噴發的實驗方案供你選擇，直接支持引用、編輯調整或重新生成。選定后一鍵輸出完整方案，高效快捷。（如圖5、圖6）

圖5、6 央館AI科學實驗室

更多AI助手里面的模擬問答項目，我們可以內置教學場景的模擬，可預判課堂教學各個環節及課后復習階段可能出現的典型問題，以便及時做好答復。

例如輸入：模擬火山噴發實驗課堂問題，AI會自動生成小學生可能會提出的5-10個問題及相應解釋（如圖7）

圖7 央館AI科學實驗室模擬火山噴發實驗出現的課堂問題

央館AI科學實驗室里面的配備科學圖像解析模塊，能夠將專業術語轉化成符合小學生認知的解釋，助力抽象科學概念具象化教學。央館AI科學實驗應用，聚焦小學科學實驗教學，提供多項AI教學工具和新課標必做實驗課程資源，涵蓋實驗備課及教學多個場景。為小學科學教師提供智能化實驗教學支持，助力實驗教學增質增效。（如圖8）

圖8 央館AI科學實驗室的科學圖像解析模塊

央館AI科學實驗室配備的科學實驗課程有大量的實驗課程，涵蓋整個小學階段科學課程資源，可供教師選擇使用。（如圖9、圖10）

圖9 央館AI科學實驗室的實驗課程展示

圖10 火山噴發課程具體展示

3.線上集體備課實現資源互動、共享主備教師在平臺上創建教研組內的備課任務，上傳初步的教學設計、課件、學情分析報告等。組內成員共同完成本科時的教研活動。（如圖11-14）

圖11、12、13、14 智慧平臺線上集體備課

在討論過程中，教師可直接將平臺資源庫或自己本地的優質資源（如動畫、實驗視頻、互動鏈接）一鍵插入到共享教案中，構建豐富的教學資源包。經過多輪研討后，主備教師可綜合大家意見，形成共識版本的最終教案。教師使用最終版的“智慧教案”上課，并可利用平臺的課堂互動工具收集實時學情數據。備課組可基于課堂數據和評課反饋，在原有教案基礎上進行復盤和反思，并生成新的優化版本，為下一輪教學提供更優質的起點。

（三） 分層探究設計，構建沉浸式學習情景

分層任務設計： 基于學情數據，指令騰訊元寶AI：“圍繞火山主題，設計三個層次的小組探究任務：A基礎組（成因探究）、B進階組（類型與分布）、C拓展組（火山與人類文明）。并為每個任務提供核心問題與資源指引。”（如圖15）

圖15 騰訊元寶AI指令分層任務設計

也可借助央館AI科學實驗--項目設計，設計依據教學主題智能生成項目式學習方案，涵蓋驅動問題設計探究、任務分解及多元評價體系構建。例如輸入：幫我設計一個火山噴發的項目式教學，會自動生成火山噴發模擬實驗項目方案。（如圖16）

圖16 央館AI實驗室生成項目式學習方案

生成問題鏈：為引導學生深度思考，指令AI：“圍繞‘火山是地球的災難還是福音？’這一核心辯題，設計一個引導式問題鏈。”AI生成的問題鏈邏輯清晰，成為課堂討論的主線。

VR沉浸體驗：通過AR學院APP的VR技術構建逼真的火山噴發情境，改變傳統教學模式。將課本上靜態的火山知識轉化為令人震撼的動態經歷，極大地激發了他們的科學探究興趣。VR讓危險的自然現象得以安全再現，實現了從知識灌輸到深度體驗的教學轉變，有效培養了學生的科學素養和探索精神。（如圖17）

圖17 AR學院APP的VR沉浸體驗

虛擬實驗室： 通過使用“火山噴發模擬器”，師生在教學過程中放棄存在安全風險的實物模擬實驗，轉而調用“虛擬科學實驗室”中的“模擬火山噴發” 模塊。該模塊允許學生安全地調整巖漿粘稠度、氣體含量等參數，觀察不同類型的虛擬噴發，深刻理解其成因。（模擬器網址https://app-6eyr2mf1b94x.appmiaoda.com）（見圖18）

圖18 火山噴發模擬器的虛擬實驗室

央館AI科學實驗室創作科普劇：針對科普劇創作需求，根據輸入主題輸入：火山噴發科普劇，AI會自動生成《火山的秘密》科普劇劇本。不僅對課本知識進行鞏固和延申，還大大激發了孩子們的積極性。（如圖19）

圖19 指令央館AI科學實驗室創作科普劇

（四）智能課件與評價輔助

將以上確定的資源與活動設計整合，指令智慧平臺——人工智能教育欄——希沃AI：“基于以上學情、資源和活動設計，生成一份《火山噴發》的PPT課件大綱。”AI迅速輸出包含教學目標、情境導入、虛實探究、辯論賽、總結拓展等環節的清晰框架。（如圖20、21、22）

圖20、圖21、圖22 智慧平臺——希沃，整合資源，生成教學課件

2.智慧平臺工具助力個性化備課

教師可以整合教學資源，利用智慧平臺工具——“互動課件編輯器”進行編輯，做出契合本班學情的個性化課件。以《火山噴發》一課為例，為契合大班教學及縣城孩子的認知特點，我們在前期搜集和AI生成的教學課件的基礎上，于多媒體工具欄中插入裁剪后的教學視頻、預設鏈接或思維導圖，還也插入平臺提供的配套練習題。題目類型豐富，能按班級情況選擇難度，主觀題可自動批改且附名師視頻解析。（如圖23和圖24）

圖23 智慧平臺工具——互動課件編輯器插入資源展示

圖24 智慧平臺工具——互動課件編輯器編輯資源展示

還可以使用豆包及其他AI工具，針對抽象的“層狀火山”和“盾形火山”概念，我們可以指令AI：“生成一張對比圖，清晰展示層狀火山與盾形火山在外形、巖漿粘稠度和噴發方式上的差異。”AI生成的圖解簡潔明了，可直接嵌入課件。（見圖25）

圖25 指令豆包生成輔助性圖片

教學活動結束后，師生都可以使用央館AI科學實驗室針對學生活動作品進行“實驗結果評估”。“實驗效果評估”會對每一位同學學習完這節科學實驗課后做的實驗流程圖做出科學合理的評估，以起到檢驗學生對本節課掌握情況。（如圖26、27）

圖26、圖27 央館AI科學實驗室對本節課實驗結果進行評估也可指令騰訊元寶AI“設計一份本課的小組合作學習評價量表，從資料搜集、合作探究、成果展示三個維度進行描述性評價。”從而完善教學評價環節。

圖28 指令騰訊元寶AI出一份本課的小組合作學習評價量表

取得成效

通過系統化推進AI技術與科學教學的深度融合，改革在教師發展、學生成長、課堂效能三個層面取得了實質性成效。

1、教師層面：從“經驗型”到“智慧型”的專業躍升

（1）備課效率倍增，創意空間釋放：教師備課時間顯著縮短，尤其是資源搜集與基礎設計環節耗時減少約50%以上。教師得以將節約出的精力投入到學情分析、活動創新與個性化指導中，備課質量實現質的飛躍。

（2）專業能力拓展，角色成功轉型：AI作為“超級助手”，輔助教師輕松駕馭跨學科內容與前沿知識。教師角色從“知識的權威講授者”穩固地轉變為“探究活動的設計師、學生思維的引導者”，專業自信與幸福感大幅提升。

2、學生層面：從“被動聽講”到“主動探究”的素養蛻變

（1）科學興趣與參與度空前高漲：生動形象的AI生成資源與互動性強的虛擬實驗，將抽象知識轉化為可感知、可操作的探索游戲，學生課堂參與度提升超過80%，學習內驅力被有效激活。

（2）科學思維與實踐能力扎實提升：在AI支持的“提出問題-設計方案-分析數據”的完整探究鏈條中，學生的批判性思維、動手能力與解決問題能力得到系統性訓練。超過90%的教師反饋，學生“像科學家一樣思考”的行為表現明顯增強。

3、課堂層面：從“標準化”到“個性化”的生態重構

（1）探究式學習成為課堂新常態：傳統“滿堂灌”模式被徹底打破，課堂中用于學生自主、合作、探究的時間占比從不足30%提升至70%以上，形成了“師生互動、生生互動、人機互動”的智慧學習新樣態。

（2）規模化因材施教成為可能：基于AI分析的差異化任務推送，確保了資優生“吃得飽”、后進生“跟得上”。課堂關注點從“教學的進度”轉向“每一個學生的成長”，實現了在班級授課制下的個性化關懷。

AI賦能小學科學教學改革，其成效遠不止于“提效減負”，更在于它系統性地催生了一種高參與、高互動、高探究性的科學課堂新生態，為核心素養的落地和科學教育的優質均衡發展提供了強大動力與可靠路徑。

結論及展望

本案例的創新之處在于，系統化地將國家中小學智慧教育平臺的AI功能深度融入科學備課的全流程，形成了 “AI診斷學情—智能構建資源—虛擬化解風險—數據驅動設計” 的特色模式。它成功地將抽象的、危險的地學現象轉化為可感知、可交互、可探究的學習內容，有效突破了教學瓶頸。

未來，我們將進一步探索平臺AI在生成性評價、跨學科項目式學習，如結合語文、美術創作“火山主題”作品等方面的應用潛力。同時，我們也呼吁平臺能持續豐富虛擬實驗庫，并開放更多AI定制接口，讓教師能創造更具個性化的智慧課堂，最終實現大規模因材施教。

參考文獻

1. 國家中小學智慧教育平臺(2023)《教師操作指南》。

2. 教育部(2022)《義務教育科學課程標準（2022年版）》北京師范大學出版社。

案例實踐單位：固始縣第九小學

案例主持人：張 柱

案例成員：高瓊 高丹陽 胡春潔 黃喻婷

案例指導：河南曹建國專家指導團隊