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(shù)字化戰(zhàn)略行動，持續(xù)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(xiàn)的創(chuàng)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(yōu)秀案例征集活動中評選出的優(yōu)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(xiàn)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(tǒng)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(diào)用虛擬實驗規(guī)避風險、設計分層探究任務等具體措施，構(gòu)建了一套“以學定教、虛實結(jié)合、探究驅(qū)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(zhì)量，有效激發(fā)了學生的科學興趣，化解了教學難點，并培養(yǎng)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(shù)提供了可復制的路徑。

【關(guān)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(tǒng)教學模式的困境

傳統(tǒng)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(zhì)。首先，課堂大多呈現(xiàn)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(tài)結(jié)論。即便開展實驗，也常淪為驗證已知結(jié)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(nèi)在學習動機在單調(diào)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(tài)度等方面的表現(xiàn)。

這些困境直接導致了備課環(huán)節(jié)，教師深陷于搜尋優(yōu)質(zhì)教學資源、設計創(chuàng)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(fā)展的新要求。

（二）教育信息化發(fā)展的需求

國家積極推動教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，強調(diào)依托現(xiàn)代技術(shù)手段全面提升教育質(zhì)量。國家中小學智慧教育平臺整合了多學科、多學段的優(yōu)質(zhì)資源，為教師和學生提供了強有力的支撐。特別是AI技術(shù)的深度融入，為實現(xiàn)科學備課和精準教學創(chuàng)造了全新可能。依托國家中小學智慧教育平臺，結(jié)合AI賦能的教學實踐，教師不僅能夠適應教育信息化發(fā)展要求，更能把原本艱澀難懂的知識轉(zhuǎn)化為生動、直觀的體驗，真正實現(xiàn)提質(zhì)增效，走向精準化、科學化的教學新形態(tài)。

目標與思路

（一） 具體目標：

1.學生層面：激發(fā)并保持學生的科學好奇心和探究欲，培養(yǎng)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(guān)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(shù)據(jù)并得出結(jié)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(zhuǎn)型為“探究活動的設計者、組織者和引導者”，實現(xiàn)：

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(yè)幸福感評分提升20%（基于前期調(diào)研基準）。

3.課堂層面：構(gòu)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(tài)層面：形成“AI賦能增效、教師主導引領(lǐng)、學生主體參與”的協(xié)同教學模式，推動：

a.家校社協(xié)同育人機制覆蓋率逐年提升；

b.區(qū)域科學教育資源共享率提高；

c.建立學生科學素養(yǎng)動態(tài)監(jiān)測體系。

（二）研究思路與方法：

本案例遵循“數(shù)據(jù)分析—資源構(gòu)建—活動設計—評價反饋”的閉環(huán)思路。以國家中小學智慧平臺為主要技術(shù)環(huán)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(tǒng)的“資源堆砌”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)據(jù)驅(qū)動的智能化設計”。通過定性觀察與定量數(shù)據(jù)對比，評估備課成效。

具體措施

（一）數(shù)據(jù)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(jié)內(nèi)容（如“小學五年級科學《火山噴發(fā)》”）， 系統(tǒng)會結(jié)合課程標準與歷史學情數(shù)據(jù)，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(fā)布指令：“生成一份小學五年級《火山噴發(fā)》課前調(diào)查問卷，AI快速生成問卷并通過平臺分發(fā)至學生端。（如圖1和圖2）

圖1 AI發(fā)布指令

圖2 AI生成課前問卷

2.分析學情數(shù)據(jù)：系統(tǒng)自動分析結(jié)果，生成學情報告（如圖3）

a.78%的學生認為火山噴發(fā)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(jié)構(gòu)普遍陌生（概念模糊）。

圖3 學生學情數(shù)據(jù)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(yǎng)要求，并結(jié)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(jié)構(gòu)（如巖漿房、火山口）；

b.進階目標（可選）：能解釋火山噴發(fā)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(jiān)測小實驗（如用蘇打粉模擬噴發(fā)）。

(二）資源建構(gòu)，虛實結(jié)合：教學資源生成

1.個性化資源：平臺搜索相關(guān)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(guān)于主題的所有資源。以《火山噴發(fā)》教學為例，教師輸入“火山噴發(fā)”，搜索AI 系統(tǒng)會呈現(xiàn)教學設計、圖片、教學視頻等相關(guān)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(shù)，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(fā)實驗，AI會自動生成3個火山噴發(fā)的實驗方案供你選擇，直接支持引用、編輯調(diào)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(nèi)置教學場景的模擬，可預判課堂教學各個環(huán)節(jié)及課后復習階段可能出現(xiàn)的典型問題，以便及時做好答復。

例如輸入：模擬火山噴發(fā)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(fā)實驗出現(xiàn)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?qū)I(yè)術(shù)語轉(zhuǎn)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(zhì)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(fā)課程具體展示

3.線上集體備課實現(xiàn)資源互動、共享主備教師在平臺上創(chuàng)建教研組內(nèi)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(nèi)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(yōu)質(zhì)資源（如動畫、實驗視頻、互動鏈接）一鍵插入到共享教案中，構(gòu)建豐富的教學資源包。經(jīng)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(shù)據(jù)。備課組可基于課堂數(shù)據(jù)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(yōu)化版本，為下一輪教學提供更優(yōu)質(zhì)的起點。

（三） 分層探究設計，構(gòu)建沉浸式學習情景

分層任務設計： 基于學情數(shù)據(jù)，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(jù)教學主題智能生成項目式學習方案，涵蓋驅(qū)動問題設計探究、任務分解及多元評價體系構(gòu)建。例如輸入：幫我設計一個火山噴發(fā)的項目式教學，會自動生成火山噴發(fā)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(shù)構(gòu)建逼真的火山噴發(fā)情境，改變傳統(tǒng)教學模式。將課本上靜態(tài)的火山知識轉(zhuǎn)化為令人震撼的動態(tài)經(jīng)歷，極大地激發(fā)了他們的科學探究興趣。VR讓危險的自然現(xiàn)象得以安全再現(xiàn)，實現(xiàn)了從知識灌輸?shù)缴疃润w驗的教學轉(zhuǎn)變，有效培養(yǎng)了學生的科學素養(yǎng)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(fā)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(zhuǎn)而調(diào)用“虛擬科學實驗室”中的“模擬火山噴發(fā)” 模塊。該模塊允許學生安全地調(diào)整巖漿粘稠度、氣體含量等參數(shù)，觀察不同類型的虛擬噴發(fā)，深刻理解其成因。（模擬器網(wǎng)址https://app-6eyr2mf1b94x.appmiaoda.com）（見圖18）

圖18 火山噴發(fā)模擬器的虛擬實驗室

央館AI科學實驗室創(chuàng)作科普劇：針對科普劇創(chuàng)作需求，根據(jù)輸入主題輸入：火山噴發(fā)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(fā)了孩子們的積極性。（如圖19）

圖19 指令央館AI科學實驗室創(chuàng)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(fā)》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(jié)拓展等環(huán)節(jié)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(fā)》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(fā)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(jié)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(jié)果評估”。“實驗效果評估”會對每一位同學學習完這節(jié)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(jié)課掌握情況。（如圖26、27）

圖26、圖27 央館AI科學實驗室對本節(jié)課實驗結(jié)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(huán)節(jié)。

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(tǒng)化推進AI技術(shù)與科學教學的深度融合，改革在教師發(fā)展、學生成長、課堂效能三個層面取得了實質(zhì)性成效。

1、教師層面：從“經(jīng)驗型”到“智慧型”的專業(yè)躍升

（1）備課效率倍增，創(chuàng)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(huán)節(jié)耗時減少約50%以上。教師得以將節(jié)約出的精力投入到學情分析、活動創(chuàng)新與個性化指導中，備課質(zhì)量實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

（2）專業(yè)能力拓展，角色成功轉(zhuǎn)型：AI作為“超級助手”，輔助教師輕松駕馭跨學科內(nèi)容與前沿知識。教師角色從“知識的權(quán)威講授者”穩(wěn)固地轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤骄炕顒拥脑O計師、學生思維的引導者”，專業(yè)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(yǎng)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(zhuǎn)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(nèi)驅(qū)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(shù)據(jù)”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(tǒng)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(xiàn)明顯增強。

3、課堂層面：從“標準化”到“個性化”的生態(tài)重構(gòu)

（1）探究式學習成為課堂新常態(tài)：傳統(tǒng)“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(tài)。

（2）規(guī)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(yōu)生“吃得飽”、后進生“跟得上”。課堂關(guān)注點從“教學的進度”轉(zhuǎn)向“每一個學生的成長”，實現(xiàn)了在班級授課制下的個性化關(guān)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(tǒng)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(tài)，為核心素養(yǎng)的落地和科學教育的優(yōu)質(zhì)均衡發(fā)展提供了強大動力與可靠路徑。

結(jié)論及展望

本案例的創(chuàng)新之處在于，系統(tǒng)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(gòu)建資源—虛擬化解風險—數(shù)據(jù)驅(qū)動設計” 的特色模式。它成功地將抽象的、危險的地學現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可感知、可交互、可探究的學習內(nèi)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(jié)合語文、美術(shù)創(chuàng)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(xù)豐富虛擬實驗庫，并開放更多AI定制接口，讓教師能創(chuàng)造更具個性化的智慧課堂，最終實現(xiàn)大規(guī)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