人工智能助力科学课主题情境创设

科学课程标准提出，小学科学课程要面向全体学生，立足素养发展，倡导设计他们喜闻乐见的科学活动，创设愉快的教学氛围，突出他们的主体地位，利用学校、家庭、社区的各种资源，创设良好的学习情境。当前，科学课情境教学存在的问题主要表现为：主题情境同一化，忽视了学生个性化学习需求；主题情境形式化，忽视了学生主动性学习需求；主题情境浅表化，忽视了学生具身性学习需求。

当学生所学知识较为复杂时，技术所创造的媒体情境将有助于他们对知识的理解。人工智能的应用可以进一步优化学习环境，借助多种智慧技术的融合，使学习环境趋于真实化和情境化。

一、基于生成式人工智能，创设个性化主题情境

生成式人工智能是一种能够根据提示生成文本、图像、音频、视频等内容的人工智能技术。比较有代表性的生成式人工智能有“ChatGPT”“文小言”“豆包”“讯飞星火”等。生成式人工智能可以为学生提供个性化的学习路径，为教学提供个性化的主题情境，主要包括两大路径。

路径一：结合学习主题，生成感兴趣的主题情境

首先，教师需在课前让学生与生成式人工智能进行简单对话，生成式人工智能通过分析学生的回答，建立他们的兴趣档案，如兴趣爱好、学习风格、学科偏好等。其次，教师向学生出示将要学习的这节课或这个单元的学习主题，让他们根据相应的学习主题，借助生成式人工智能创设自己感兴趣的主题情境，可以是视频也可以是图片或文字。例如，在“怎样放得更大”内容教学中，对于热爱阅读科学历史的学生，教师可与生成式人工智能“豆包”进行对话，让“豆包”生成相应的内容档案。学生可结合教师出示的“显微镜”学习主题，向“豆包”提出要求，系统随即生成一个“列文虎克与显微镜”的主题情境，学生在这个情境中探索显微镜的基本原理和发展历史（如图1左）。如果学生对生成的内容不满意或者理解有困难，还可以输入反馈意见，从而实时调整主题情境的呈现形式（如图1右）。

路径二：根据学习需求，创设相应的AI智能体

学生根据生成式人工智能的数字人功能（“豆包”的“AI智能体”），融合学习需求，创设相应的科学家人物，每名学生都可以向这位科学家提出自己感兴趣的问题。例如，在“认识棱镜”内容教学中，教师先向学生介绍本节课将要学习的主题“光的色散及其发现者牛顿”，再引导他们使用“豆包”的“AI智能体”功能，完成“牛顿AI智能体”的创建（点击“创建”按钮，在名称中输入“牛顿”，设定描述输入“牛顿在做光的色散实验”，点击“创建智能体”按钮），之后，学生就可以与“牛顿”通过文字或语音电话等形式进行对话（如图2）。有的学生问“牛顿”的年龄，有的学生问“牛顿”的兴趣爱好等，每名学生与“牛顿”的对话都不尽相同，满足了他们个性化的学习需求。

“AI智能体”可以根据学习需求的不同随时创建，如当学习到单摆的知识时，可以创建“伽利略AI智能体”。由此可见，生成式人工智能不仅可以快速、个性化地创设主题情境，还可以实现古今连线对话，极大地激发了学生的学习兴趣和探究热情。

二、基于元宇宙学习平台，创设互动性主题情境

元宇宙是一个虚拟的、与现实世界相互融合的数字世界，通常被描述为一个由VR、AR、AI等多种技术构建而成的沉浸式空间。人们可以通过虚拟现实设备或其他数字接口进入元宇宙虚拟世界，以数字化的身份进行社交互动、游戏娱乐、商业交易、教育培训、艺术创作等。应用在教育领域，学生可以在元宇宙中与其他用户进行实时的社交互动且不受地域的限制，如聊天、合作、实验等。

例如，“环境与我们”单元学习中，学生要了解人类面临的环境问题，初步掌握一些解决环境问题的方法，树立保护环境、节约资源的意识。教师可基于浙江大学开发的元宇宙教学平台“Unity”，创设一个“参加**市环境保护会议”的单元主题情境。学生作为受邀嘉宾，分析该市面临的实际环境问题，并提出相应的解决措施。学生可在“Unity”平台上选择自己的着装，包括鞋子类型、上衣类型、裤子类型等（如图3）。随后便可以前往开会的场所，并按键盘上相关字母键控制角色的前进方向，接着输入相同的会议数字编号，进入会议室场景。通过上述互动性主题情境的创设，学生的学习热情被激发。

三、基于虚拟现实技术，创设沉浸式主题情境

VR是一种利用计算机模拟产生一个三维的虚拟世界，为用户提供沉浸式体验的技术，沉浸感主要通过高分辨率的图像、逼真的音效和自然的人机交互方式来实现。VR能够让用户在虚拟环境中自由探索、观察和互动，感受身临其境的体验，并通过创造各种奇幻、科幻或现实中难以实现的场景和体验，激发用户的想象力和创造力。VR在小学科学教学中具有广阔的应用前景。

传统的小学科学教学中，面对微观结构、宏观现象、时空限制等科学知识，教师一般采用图文、视频的形式进行概念性讲解，知识缺乏生动性和立体性。教师通过将VR技术融入课堂，能够较好地实现空间和时间的拓展，使学生看到平时看不到的抽象物质（电、磁场等）、微观结构（细胞、分子等）以及一些宏观现象（四季更替、陨石撞击等）。对于一些因客观条件限制而难以进行的实验，如“认识人体消化器官”的活动，传统课堂受条件限制，只能进行模拟实验，而借助VR学生可以不受空间限制，进入人体内部身临其境地观察消化系统各器官的结构，沉浸式体验消化运动及其原理，让知识“活起来”。

课程标准倡导情境教学，教师可基于VR技术，结合课程主题，创设主题情境。以“月球——地球的卫星”内容为例，教师可利用VR技术代替常规的图片学习，创设登月科考情境，让学生以“小宇航员”的视角，跟随“嫦娥五号”开展活动。

师：从古至今，人们一直在努力探索月球，也取得了很多成果。“神舟十九号”载人飞行任务新闻发布会上发言人介绍，确定2030年前实现中国人登陆月球的目标，工程全线正在全面推进各项研制建设工作。作为未来的科学家和工程师，我们也不能落后，今天就借助一个超厉害的工具——VR，带我们登陆月球表面。如果你能近距离观察月球，你最想探索月球的什么秘密？

生：我想去月球背面看看有没有外星人。

生：我想去环形山里面看一看。

生：我想研究月球上能不能种植物。

知识在情境中产生，并应用在情境中。课堂伊始，教师赋予学生“小宇航员”的身份，使其带着使命飞往月球进行科研考察。VR提供的沉浸式体验（如图4），大大激发了学生对月球探索的热情。真实的情境也使学生后续的探究分享更加言之有物。

结语

针对传统小学科学情境教学中存在的不足，教师基于生成式人工智能、元宇宙学习平台、虚拟现实技术等人工智能手段，创设个性化、互动性、沉浸式主题情境，既凸显了人工智能时代小学科学情境创设的时代性，也丰富了主题情境创设的视角。

需要说明的是，在基于人工智能技术创设小学科学主题情境的过程中，教师的引导作用是不可或缺的。此外，虽然人工智能技术可以实现个性化学习，但不可避免的是，学生作为初学者在学习过程中会遭遇各种各样困难，合作探究学习可以为他们提供及时的交流机会，促进他们自发地解决问题。

（作者单位：浙江省杭州市卖鱼桥小学教育集团）

参考文献

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[3]张慕华，刘紫依，李妍.沉浸式虚拟现实赋能科学教育能有效提升学生的学习结果吗？——基于2011—2022年国内外44篇实证论文的元分析[J].现代教育技术，2024（06）.