支架式教学策略支持AIGC融入小学科学探究活动的路径分析

摘要：本文以武汉市某小学科学教育校本课程“解剖水葫芦”为例，分析了科学核心素养与教学内容和教学资源的对应关系，并依据学习者特征和教学资源，设计了一种支架式教学策略支持下AIGC融入科学教学的应用路径。教学实验结果表明，AI教师能够激发学生学习兴趣，提高知识留存率，强化探究能力。

关键词：小学科学教育；AIGC；支架式教学；科学探究能力

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）15-0082-04

引言

生成式人工智能（ArtificialIntelligenceGeneratedContent，AIGC）赋能的AI教师能够快速解答学生在探究过程中遇到的难题或能够在主题场景中进行实时互动，将所学知识用于真实生活中，促进学生的潜在能力向实际能力转化。[1]支架式教学可为学生探究活动提供必要的支持与引导，支架式教学策略支持下的AI教师可以协助学生更好地理解科学现象和原理，助力知识构建、内化和输出。[2]因此，本研究选择武汉市某小学四年级科学教育校本课程“解剖水葫芦”，设计支架式教学策略支持AI教师融入科学探究活动的应用途径，并以四年级两个平行班作为研究对象，探究对比两个班学生科学探究能力的差异，分析支架式教学策略支持下AIGC融入科学探究活动对学生能力的影响。

教学内容与目标分析

1.教学内容

教师以学校旁边的一条小河里水葫芦泛滥现象引入，引导学生思考水葫芦在生态系统中的角色和功能，探讨其对其他生物种类的影响，进而思索湿地植物在地球水循环和生态系统平衡中的重要作用。引入AI教师、实验记录单作为支架，支持学生自主分层次探究水葫芦的结构，深入了解水葫芦的外部形态、内部结构、生长环境、防治方法等。解剖水葫芦实验可帮助学生了解水葫芦的特征、作用、漂浮秘密等。学生在了解水葫芦的相关知识后，可以进一步探究湿地植物的净化过程，即通过调查报告、实验探究、可视化呈现植物净化水质的过程，以发展科学思维和探究实验能力，增强环保意识和社会责任感。[3]

2.教学目标分析（如下页表1）

应用路径探析

1.学习者特征分析

四年级学生对周围的事物充满好奇，对生活中的科学现象表现出浓厚的兴趣，具有强烈的探索欲望。同时，经过小学三年的学习，学生已经掌握一定的科学基础知识，但对于一些较为抽象的概念，理解水平还停留在表面，更倾向学习与实际生活紧密相关的科学知识。由于四年级学生观察和分析实验结果的能力有限，为增加科学探究的趣味性，笔者设计了支架式教学策略支持AI教师进行科学教学，以实时回答学生科学探究过程中遇到的问题，促进学生的知识内化。

2.教学资源分析

本节课采用华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心团队研制的AI教师，并结合星火大模型、三维数字人、视频追踪等技术，生成具有学校IP的“小英”老师，她支持文字、语音提问，即时理解提问意图，生成准确答案，使用语音合成技术讲解问题答案，为学生提供个性化的学习体验。[4]

在本节课中，教师共设计五份记录单，为不同层次的学生提供个性化的学习方案。

记录单一：水葫芦自主学习单，记录想要了解的问题，小组交流，提炼关键性问题并向AI教师提问，培养学生的科学思维和发散思维。

记录单二：解剖水葫芦学习单，分离水葫芦的各部分。水葫芦的叶柄膨大如葫芦，但大多数学生都不知道“葫芦状的部位”是什么，此时学生需要借助AI教师，认识、记录水葫芦各分部的名称，如叶柄、茎、叶、根等。

记录单三：分类湿地植物，学生向AI教师寻求帮助。

记录单四：学生完成湿地植物净水过程模型设计图，在完成过程中，可以向AI教师提问，了解设计图的基本模式。

记录单五：观察、检测和记录湿地植物的净水过程。学生需收集污水池、沉淀池及净水池数据，如温度、酸碱度、溶解氧、鱼类活动及水质类别等参数，学生可以借助AI教师甄别水质净化效果。

3.教学实施过程（如下图）

（1）吸引与联想：创设真实情境，激发深度思考

真实情境能够激发学生的学习兴趣和探究欲望，因此情境式教学是培养学生核心素养的有效途径之一。[5]教师播放预先录制的视频，直观展示学校旁边小河里繁殖的大量水葫芦，并介绍小河的水质情况，激发学生思考生物与环境的关系。在该环节中，教师以记录单一为牵引，引导学生与“小英”老师积极互动。例如，学生可向“小英”老师提问：①水葫芦是湿地植物吗？②水葫芦有什么作用？③水葫芦为什么可以漂浮在水面？④水葫芦是否可食用？学生根据互动情况填写自主学习单，借助互动内容实现认知的初步建构。

（2）探究与体验：剖析内部构造，构建特征网络

在该环节，教师会展示水葫芦实物，并讲解、解剖步骤，而“小英”老师则带领学生认识水葫芦及其构造。为丰富学习体验，在该环节中让学生亲自动手解剖水葫芦，观察其横、纵切面，并将水葫芦构造以及切面特点记录在实验记录单上，以帮助学生构建知识的内在联系，提升其探究实践能力。

（3）联系与解释：发掘深层关联，归纳要素功能

在本环节中，以记录单二和三为牵引，融合AI教师搭建学习支架。学生通过讨论、交流更好地认识了水葫芦的构造，并引发对水葫芦漂浮在水面与自身结构有关的思考，从而理解结构与功能的关系。通过给湿地植物分类，学生了解到金鱼藻、狐尾藻、黑藻等沉水植物，水葫芦、四角菱、芜萍等漂浮植物，睡莲、水鳖、荇菜等浮叶植物，香蒲、梭鱼草、美人蕉等挺水植物，水生鸢尾、灯心草、半边莲等湿生植物。

（4）迁移与应用：聚焦实际需求，延展知识脉络

“湿地植物能够净化水质，那么如何净化湖泊的水质呢？你能制作一个模型模拟水质净化过程吗？”教师抛出本环节的学习任务，并播放实拍视频《南湖水的治理过程》，引导学生了解污水净化的过程。学生动手制作一个湿地植物水葫芦净水器，并观察和记录净水器的运行情况，完成记录单四；净水模型包括污水收集器皿、沉淀池和植物净化池。沉淀池是一个净水器，学生可以自主选择制作材料完成净水器制作（向AI教师提问，获取活性炭、石英砂、过滤纱布等材料的功能）。由于水葫芦的净化能力很强，植物净化池里放多少水葫芦合适？是不是越多越好？学生可以借助AI教师获得这类问题的答案。

（5）反思与升华：立足核心素养，共筑绿色生态

在课程尾声，学校生态保护社团发出“长江大保护小卫士”招募令，邀请志愿者参与长江湿地生态保护活动，制订植物净水方案，并完成记录单五。此任务立足学生科学素养的生成，能够有效检验学生自主学习情况、科学概念掌握情况以及科学实践探究情况。同时，借助AI教师实时反馈、持续学习的优点，驱动学生深化科学知识的认知，培养创新思维与自主学习能力。

应用效果分析

1.研究工具

为进一步验证支架式教学融入AIGC的探究效果，研究团队在武汉市某小学随机选取四年级两个平行班，分别作为对照班与实验班开展实验，课前采用问卷星发放问卷，测量两个班学生的知识基础，课后从知识留存率和探究能力两个方面评价教学效果。为避免前测对后测产生“练习效应”影响，前后测题目均围绕“解剖水葫芦”这一知识点设置10道客观题，内容不同但难度相似，每题10分。探究能力部分采用Likert五点量表测量学生的探究能力，包含提出问题、猜想假设、制订计划、实验实施和结论解释五个维度，每个维度均设置4道题目，共计20题。所采用的Likert五点量表包含从“完全不符”到“完全符合”五种不同程度的选项，学生从中选择符合其自身认知事实的答案，分值对应1～5分。采用可靠性分析与主成分分析分别测量量表的信度与效度，其中Cronbach’s alpha为0.954，KMO为0.872，表明量表的信效度较高。

在课程结束后，共回收104份问卷，其中实验班52份、对照班52份，回收率100%，剔除无效问卷后得到103份，有效率99.03%，将数据录入SPSS 27.0进行独立样本T检验，分别得出组统计量、T检验结果、方差齐性检验结果等分析结果。

2.研究结果

（1）知识留存率

由无重复双因素方差分析可知，对照班均值56.59分，实验班均值54.77分，p=0.52＞0.05，前测成绩不存在显著差异，说明实验班与对照班具有同质性。课后实验班的知识留存率（M=69.21）提升幅度大于对照班（M=61.68），说明支架式教学支持的AIGC能够为科学课程带来更好的教学效果。可能的原因有：①AI教师提供更快速、具体的知识反馈，帮助学生及时识别和修正错误，促进知识的巩固与记忆，有助于提升知识留存率；②支架式教学融入AIGC增强课堂交互性和学生参与度，借助概念解释、探究实践与思维培养等课堂环节，提高学生对学习内容的兴趣和投入。

（2）探究能力

如表2所示，五个维度的研究结果表明，实验班得分均高于对照班，p值均低于0.05，存在显著性差异。

①提出问题方面。AI教师在教学过程中起到了积极的引导作用，为学生提供个性化的支持和反馈，有助于学生更好地理解和探索水葫芦的基本特征，增强提出问题的能力。

②猜想假设方面。AI教师采用的启发式方法能够激发学生思考与探究，实验班学生能够发散思维，猜想水葫芦的生长状态与水质净化功能之间的内在联系。

③制订计划方面。AI教师清晰的陈述逻辑能够支撑学生构建认知支架，明确解剖水葫芦实验的基本步骤，引导学生在制订计划的过程中优化学习策略，深化知识点的理解程度。

④实验实施方面。AI教师能够提供标准化的操作步骤和指导，帮助学生遵循科学原理设计出合理且有效的实验方案。

⑤结论解释方面：支架式教学与AI教师的融合，可创建支持性的学习环境，穿插于探究过程的概念和原理指导，帮助学生输出完整的知识脉络体系，合理解释实验结果。

总结

本课以水葫芦为例，沿着“激发—感知—内化—建模—输出”这一教学主线，按照“吸引与联想”“探究与体验”“联系与解释”“迁移与应用”“反思与升华”五个教学环节，深入剖析了支架式教学融入AI教师的路径。支架式教学强调学生的主体地位，借助于AI教师和实验观察单，调动了学生的积极性，使学生主动建构知识，发展自主探究和主动学习的能力，为终身学习奠定了基础。

参考文献：

[1]李白杨，白云，詹希旎，等.人工智能生成内容（AIGC）的技术特征与形态演进[J].图书情报知识，2023，40（01）：66-74.

[2]钟正，冯思佳，曹兰.体验式教学理念下全景技术融入语文教学的路径分析——以《故宫博物院》为例[J].中国信息技术教育，2022（22）：72-75.

[3]韩淑娴.顺学而导，让学生成为知识的主动建构者——以苏教版教材六年级下册“确定位置”为例[J].数学大世界（中旬刊），2022（10）：14-16.

[4]钟正，刘健，杨晓路，等.人工智能时代如何培养拔尖创新人才[J].湖南教育：D版，2023（09）：30-33.

[5]冯吉兵，张国良，靳帅贞，等.中小学教师虚拟实验教学能力提升的对策研究——基于技术接受度测评[J].中国电化教育，2022（07）：120-126+133.

第一作者简介：张璐（1986.12—）女，汉族，湖北武汉人，本科，一级教师，小学科学专职教师。

基金项目：2022年湖北省武汉市汉阳区教师个人课题立项“基于小学科学教学中实践经验建构的研究”。