選題背景

探究實踐活動是《義務教育科學課程標準（2022年版）》倡導的學習方式。然而，在實際教學中，探究實踐活動因其過程復雜與路徑不確定，對師生均構成了挑戰(zhàn)，這對小學生尤其困難。

對此，本研究利用數(shù)字技術和人工智能賦能科學探究實踐課堂，通過智能化教學工具，對探究實踐活動的組織、過程性數(shù)據(jù)進行追蹤分析，對個性化反饋進行優(yōu)化，可有效減輕教師的教學負擔，降低實施的復雜程度，增強學生的認知與元認知調(diào)控能力，大大降低了科學探究實踐活動的門檻。

本研究選取新課標中“物質(zhì)與能量”這一主題進行教學實踐。這一內(nèi)容兼具概念抽象與實踐門檻高的雙重難點，可以為科學實踐活動的實施提供參考。

教學目標

（一）科學觀念：1. 準確辨識常見的能量形式，理解其形態(tài)的多樣性。2. 掌握能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律，能闡釋生活中常見能量的轉(zhuǎn)化。

（二）科學思維：1. 能夠運用觀察記錄、實驗數(shù)據(jù)對能量形式的存在及轉(zhuǎn)化進行分析與論證。2. 能夠基于證據(jù)對初步預測進行修正，發(fā)展批判性思維與實證意識。

（三）探究實踐能力：1. 在虛擬實驗中，能夠初步運用控制變量法探究能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律。2. 熟練操作虛擬實驗平臺，利用數(shù)字化工具收集和記錄證據(jù)。

（四）態(tài)度責任：1. 遇到困難時，能向教師、同伴或智能助教尋求幫助、調(diào)整探究策略。2. 保持對生活中能量現(xiàn)象的好奇心，愿意運用所學知識進行解釋并解決實際問題。

教學設計創(chuàng)新

（一）資源設計：生活化情境+數(shù)字化環(huán)境。充分利用生活化情境激發(fā)學習動機，借助數(shù)字化環(huán)境聚焦科學概念。課程以“燈泡發(fā)光”“燒水”等學生熟悉的日常生活現(xiàn)象為切入點，迅速建立學習內(nèi)容與學生已有經(jīng)驗的聯(lián)結，喚醒其探究興趣。在此基礎上，研究利用數(shù)字化的虛擬實驗環(huán)境呈現(xiàn)知識。

（二）學習支持：“結構化引導”與“動態(tài)化支架”的協(xié)同。采用了兩種學習支持策略：1. 紙質(zhì)學習引導單，為學生的探究活動提供清晰的思維框架和操作流程；2. 在線探究平臺動態(tài)推送個性化認知與元認知支架。二者有機協(xié)同精準響應了不同學生的個性化學習需求。

（三）過程調(diào)控：“數(shù)據(jù)驅(qū)動”與“智能反饋”的可視化閉環(huán)。傳統(tǒng)探究教學常面臨“過程難監(jiān)管、反饋不及時、指導欠精準”的痛點。本課中的平臺可自動收集學生的行為數(shù)據(jù)，人工智能依據(jù)預設規(guī)則進行分析并給予即時反饋。這一閉環(huán)設計使得探究過程變得可操作、可監(jiān)控、可調(diào)控，從而讓教學決策與學習調(diào)整更具針對性。

教學實施

課程采取線上線下相融合的混合式教學模式，以學生在智能平臺上的自主探究為主，教師則扮演引導者與解惑者的角色，提供平臺操作指導和關鍵概念點撥。平臺智能體在學生探究過程中，依據(jù)其學習進度和行為表現(xiàn)，動態(tài)提供認知與元認知支架。

“能量”主題的課程內(nèi)容有四個部分：能量的形式，能量轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換的簡單應用，能量轉(zhuǎn)換的復雜應用，遵循“現(xiàn)象觀察—規(guī)律探究—實踐應用”的認知路徑層層遞進。本文以第一部分“能量的形式”為例，詳細闡述基于智能平臺的POE探究教學實施流程。

（一）預測：情境導入，激活前概念

1. 教學活動。（1）情境激活：教師播放兩個簡短的生活視頻：電熱水壺燒水至沸騰、臺燈被點亮。隨即拋出驅(qū)動性問題：“水沒有被火燒，為什么會變熱沸騰”“燈泡里沒有火，為什么能發(fā)光發(fā)熱”？通過討論，引導學生認識到這些現(xiàn)象背后是“能量”在起作用，從而引入主題—“能量的形式”。（2）前測與預測：教師播放一段“水力發(fā)電點亮燈泡”的動畫，并提問：“在這段視頻中，你觀察到了哪些形式的能量？”學生先進行口頭回答，隨后在“小水滴”平臺上提交自己的初步想法。此環(huán)節(jié)旨在暴露學生的前概念與潛在的認知沖突，為后續(xù)的探究與解釋提供焦點。

2. 技術支持。在線平臺自動記錄每位學生的預測文本，為后續(xù)的對比反思提供依據(jù)。同時，嵌入的智能體以提問形式（如“我們的任務是什么”）幫助學生明確當前的學習目標。

（二）觀察：虛擬實驗，循證探究

1. 教學活動。（1）教師示范：教師共享屏幕，演示PhET虛擬實驗室中的“能量形式和轉(zhuǎn)換”模塊。教師以“騎自行車發(fā)電點亮燈泡”為例，邊操作邊提問：“蹬自行車產(chǎn)生了什么能量？能量經(jīng)過發(fā)電機變成了什么形式？”以此示范如何運用控制變量法進行科學探究。（2）學生自主探究：學生根據(jù)教師的示范和學習引導單的步驟，進入PhET虛擬實驗室進行自主操作。學生需要通過更換不同的組件，系統(tǒng)地觀察不同條件下能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，并將自己觀察的結果記錄在學習單的表格中。在此過程中，教師巡視并對個別遇到困難的學生提供指導。

2. 技術支持。（1）探究環(huán)境：平臺集成的PhET虛擬實驗室為學生提供了安全、可重復、可操控的探究環(huán)境。（2）智能支架：智能體實時監(jiān)測學生的后臺行為數(shù)據(jù)，并提供兩類支架。一類元認知支架：當監(jiān)測到學生在某一界面停留時間過長或操作漫無目的時，智能體會彈出提示，引導學生管理學習進度和注意力。另一類認知支架：當學生向智能體提問時，智能體會遵循“引導式”原則，通過反問或提供線索的方式給予提示（如“想一想，水龍頭里流出的水，推動了什么”），而非直接告知答案。

（三）解釋：整合反思，建構新知

1. 教學活動。（1）成果匯報與思維提煉：教師邀請幾位學生代表上臺，利用平臺展示他們的實驗記錄，并講解自己的探究思路與發(fā)現(xiàn)。教師引導全班學生進行聚集性討論，尤其是普遍存在的迷思概念，幫助學生梳理實驗邏輯，提煉科學思維方法。（2）知識測評與精準補缺：學生在平臺上完成一組與本節(jié)課知識點相關的在線測驗題。教師端能夠即時看到全班的作答數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表（正確率、錯題分布等）?；谶@些數(shù)據(jù)，快速定位學生共性難點并進行集中講解，實現(xiàn)精準補缺。（3）反思與科學解釋：在經(jīng)歷了探究和討論后，學生回到平臺重新回答初始預測環(huán)節(jié)提出的問題。此時，學生需要依據(jù)觀察到的實驗證據(jù)撰寫一段科學的解釋，說明能量是如何在不同形式間轉(zhuǎn)化的。（4）分享交流與評估：教師組織學生進行小組分享，交流自己在本次探究中的收獲與反思。教師利用平臺展示部分學生的解釋文本，進行點評和鼓勵，強化其學習成就感與科學表達的信心。

2. 技術支持。平臺輔助學生成果的展示、收集和分析學生的作答數(shù)據(jù)、記錄學生最終的解釋文本以供教師評估和存檔。

總之，數(shù)字與人工智能技術讓復雜的探究實踐活動變得越來越容易實施。

（作者周少偉單位系華南師范大學教育科學學院；劉媛、鄧毅怡單位系廣東省佛山市南海區(qū)教育發(fā)展研究中心）

《人民教育》2025年第15-16期