交叉学科视角下小学科学的创新教学实践

【摘要】本文以AI计算模拟种群增长作为案例，探讨了利用生成式AI在小学科学教学中的创新应用。文章强调了AI在科学研究中的重要性，并阐述了其在小学科学教育中的应用背景和意义。通过跨学科的单元设计，课程结合生物学、数学和计算机科学，AI工具模拟种群的增长，加深对生物学原理的理解，培养学生的计算思维和科学探究能力。【关键词】AI模拟；大模型；自动化编程当今时代，人工智能（AI）技术正以其前所未有的速度和规模渗透到各个领域，其中之一便是科学教育。AIforScience，即人工智能在科学研究中的应用，已经成为一个跨学科交叉的新趋势。在小学科学教学中，AI的应用背景和意义尤为突出。小学生正处于好奇心和探索欲望最为强烈的时期。AI技术的引入可以极大地激发他们对科学的兴趣和热情。通过AI辅助的科学实验和模拟，学生能够在安全的虚拟环境中探索自然界的奥秘，体验科学探究的过程，这不仅能够增强他们的学习体验，还能够培养他们的科学思维和问题解决能力。用AI计算模拟“生物与环境的相互作用”单元整体设计生物学是一门实验科学，需要严谨的实验设计和数据分析得出大多数结论。然而，生物与环境的关系研究往往耗时且复杂，实验结果的获取需要较长时间。AI计算模拟提供了一种快速获取结果的有效途径。通过模拟，我们可以在短时间内预测生物种群增长、环境变化等复杂现象。AI作为工具，能够加速科学探究，帮助学生和研究人员快速获得实验数据，是解决生物与环境问题的重要辅助手段。1.单元学习目标在单元整体设计上，课程结合生物学、数学和计算机科学，为学生提供了一个跨学科学习的机会，培养他们的计算思维和科学探究能力。学生将学习使用AI工具来模拟种群增长、明确生物与环境的关系，这不仅加深了对生物学原理的理解，还能发展创新和创造力，在提升技术应用能力的同时，掌握科学思维和科学探究的方法，并倡导落实生物安全的社会责任。2.单元内容分析在信息科技方面，学生将通过生活中的实例，体验算法的存在，并学习用自然语言、流程图等方式描述算法。在科学课程方面，学生将探索生物与环境之间的密切联系，理解生物如何适应环境的变化，并认识到生物对环境的影响。综合这两个学科课程标准，本单元的学习内容将围绕“身边的算法”和“生物与环境的相互作用”展开，旨在培养学生的数字素养、科学探究能力，培养他们的实践能力和创新思维。3.单元内容跨学科设计框架本单元以“计算思维”为核心（图1），围绕“分析问题与抽象建模”“求解问题与总结迁移”“算法与自动化”三个维度展开。通过四个课时，我们将信息科技与生物学的知识点相结合。第一课时“用AI计算：模拟生物种群的增长”将引导学生运用计算思维，对真实的生物种群增长问题进行抽象简化与数学建模，并在算法设计和自动求解中亲历问题解决的过程。第二课时将深入探讨“初探国门生物安全”，通过AI计算模拟，让学生建立J型和S型曲线，并探索这一曲线在生物学中的实际意义。第三课时“用AI计算：探究生物与环境的相互作用”，让学生通过AI技术模拟生物与环境之间的复杂关系，分析环境变化对生物的影响，以及生物如何适应环境变化。第四课时“用AI计算：实验生态系统的动态平衡结合项目”实践DIY生物与环境的科学游戏，让学生动手实践，通过实验来探索生态系统的平衡机制，实现知识的总结迁移。4.学习者分析在本单元的学习中，五年级学生将基于他们已有的数学基础、简单的抽象思维能力和小组合作经验，进一步发展跨学科学习能力。他们需要将数学知识与生物学概念相结合，学习种群增长的基本概念，并将其应用于实际问题。面对新知学习、实践应用和迁移应用的挑战，我们将采取分步骤教学、实际案例研究、小组合作和反馈修正的策略，以帮助学生克服困难，有效地将知识应用于新的情境中。用AI计算模拟种群增长的教学实施本课程通过分析问题、求解问题和总结迁移，引导学生进行形式化、模型化和自动化的思考，以系统化的方式进行总结和迁移。以兔子种群数量为例，教师介绍了J型曲线和兔子数列模型，让学生通过AI自动计算和修改科学假设来探究种群增长。课程还拓展到大肠杆菌繁殖等新问题，强调在资源有限的环境下S型曲线的应用。1.教学内容分析教学从“分析问题”开始，让学生理解澳大利亚野兔种群问题的重要性和复杂性。接着，“构建模型”阶段引入兔子数列模型，帮助学生学习如何将现实世界的生物学问题抽象成数学模型。在“算法求解”环节，通过流程图算法，学生将学习如何设计和实施求解过程。教学内容进一步延伸到“自动化实现”，鼓励学生将算法转化为可执行的代码，体验编程的实际应用。最后，在“AI帮助生成代码”部分，学生将接触AI辅助编程，学习如何利用AI技术修正模型，并通过S型和J型曲线理解种群增长的不同模式。2.学习的重点和难点本单元的学习重点在于培养学生的计算思维，特别是抽象与建模的能力。学生通过兔子数列的计算与分析，深入理解并应用计算思维中分析问题的关键步骤。此外，动手实践是学习的重点之一，学生将学习如何运用AI生成代码，通过程序验证算法，实现自动化计算，并在与AI的多轮交互中不断迭代优化解决方案。本单元的学习难点主要集中在理解种群增长的J型曲线和S型曲线，以及将这些科学概念与AI技术相结合进行自动化计算和模型改进。学生需要通过科学探究的方式，理解这两种曲线背后的生态学原理，并能够运用AI生成代码，通过程序进行验证，实现计算思维中的自动化计算。此外，学生还需通过修改科学假设后的模型改进探究，将所学知识迁移应用到新的类似问题中，提高综合应用能力。3.学习活动学习活动的组织将围绕“国门生物安全用AI计算模拟种群增长”的任务主线展开。活动从“问题引入”开始，让学生了解生物种群增长趋势与国门生物安全的关系。接着，在“分析问题”阶段，学生将学习如何将种群增长问题抽象并建模。在“求解问题”环节，学生将从模型转向算法描述，并利用AI进行自动化计算。在“改进探究”阶段，学生将修改科学假设，用AI进行模拟探究。最后，在“总结迁移”环节，学生将总结问题解决方法，并准备将所学知识迁移应用到其他情境中。4.教学流程在本次课程中，我们通过一系列精心设计的环节，引导学生从实际案例出发，逐步抽象出数学模型，并最终实现自动化求解。课程的核心是探讨种群增长问题，特别是J型和S型增长曲线。（1）课程引入环节。我们以小明在国外游玩时因携带一束花而被海关扣留的情境作为引子，引入国门生物安全的主题。我们强调了生物安全管理的重要性，并以18世纪澳大利亚野兔泛滥的案例为例，让学生思考兔子种群增长趋势及其对生态安全的影响。学生在观看视频的过程中，将思考并讨论兔子增长趋势和种群增长对生态安全的影响。（2）抽象建模环节。我们通过生动的案例引导学生理解野兔种群的增长规律。从初始条件出发，即初始时刻有一对成年野兔，教师讲解每对成年野兔每月都会产生一对小野兔的生长规则；通过图表展示不同时间点的种群变化，帮助学生直观理解种群数量的变化过程。接着，教师引导学生进行讨论，鼓励他们思考如何用数学模型表示这一增长规律，并计算出第n个月时的种群数量，如图2。（3）求解算法环节。我们引导学生通过流程图来设计一个算法，用以计算兔子种群的增长。学生将按照流程图的步骤，从初始化开始，逐步推导出每个月的兔子数量，直到得出第n个月的总兔子数。我们鼓励学生思考算法背后的数学原理，即斐波那契数列，并探讨其在现实世界中的应用，如图3。（4）实现自动化求解环节。我们将向学生展示如何利用AI技术将流程图转换为Python程序，以自动化求解兔子种群增长问题。首先，教师解释流程图的逻辑，并指导学生如何用自然语言描述算法。然后，教师示范如何与AI互动，输入提示语让AI生成Python代码，并解释代码的工作原理。最后，教师引导学生如何将AI计算的结果可视化，并在Moodle平台（学校内部网络讨论平台）上分享讨论。（5）模型优化环节。我们将引导学生通过AI的辅助来理解非理想环境下种群增长的S型曲线。教师介绍S型曲线，解释其与J型曲线的区别，并引导学生如何在AI的帮助下，根据现实条件如资源限制和天敌存在等因素，调整模型参数来模拟兔子种群的增长趋势。（6）课程总结环节。我们将总结本次课程内容，回顾从实际案例出发，逐步抽象出数学模型的过程。分析了J型增长的条件与特点，通过AI辅助，将种群增长模型转化为算法，并最终实现自动化求解。学生通过与AI的互动，模拟了非理想环境下的S型曲线增长，体验了从问题到模型再到算法的完整过程，并在线上平台交流了模拟结果，有效提升了他们的数学建模和问题解决技能。5.教学评价本课程的教学评价体系综合了课堂活动参与、小组互动讨论和课后作业三个部分，以全面评估学生的学习成效。其中，课堂活动参与占评价的40%，重点考查学生在“学生活动二”中连一连流程图的完成情况，以及“学生活动三”（图4）中对AI计算模拟兔子增长的探究结果分享。小组互动讨论占评价的30%，通过“学生活动四”中在环境资源有限条件下的AI交互探究结果分享，评价学生在小组合作中的表现和贡献，以及他们对科学假设的理解和模型改进的能力。课后作业占评价的30%，学生需完成“迁移应用新问题”的作业，探究大肠杆菌菌群分裂趋势。创新特色与总结反思本节课的特色体现在跨学科教学的深度融合，具体表现为：“AIforScience”强调了人工智能在科学研究中的应用，促进了科学与技术的交叉融合；运用大模型进行自动化编程展示了如何通过先进的AI模型简化编程过程，提高效率；突出科学思维与计算思维，强调了在教学中培养学生的双重思维方式，以适应未来社会的需求；生生互动与快速反馈的教学评价通过互动讨论和即时反馈，增强了学生的参与感和学习动力，提升了教学效果。这四个特色共同构建了一个创新、互动和高效的学习环境。1.AIforScience是跨学科交叉教学新趋势AIforScience作为跨学科交叉教学的新趋势，正逐渐改变着科学教育的面貌。通过结合生物学与信息科技，本教学单元以国门生物安全为背景，引入兔子种群增长趋势的问题，激发学生对生物与环境相互作用的兴趣。教学过程中，生物教师和AI教师的协同合作，为学生提供了一个互动性强、反馈迅速的学习环境。学生在探究兔子种群增长趋势的同时，还能通过AI计算模拟，深入理解J型曲线和S型曲线，进一步逼近真实问题。2.运用大模型进行自动化编程运用大模型进行自动化编程是本节课的又一亮点。教师带领学生在VSCode编辑器上编辑，其AI聊天区提供了即时的编程辅助和问题解答，帮助开发者快速解决编码难题。代码编辑区展示了如何通过自然语言描述或流程图输入，学生用自然语言输入关键信息，如将流程图直接截频发送给AI，并提出需求“根据流程图将兔子增长趋势可视化出来”。之后，AI能够理解并转化为具体的程序，实现自动化编程和可视化输出，解决了学生不会编程的难题。如图5。3.课程突出科学思维与计算思维的融合在分析问题环节，学生学习如何进行抽象和建模，抓住问题的核心，排除非关键细节，形成兔子增长的数学模型，并将其转化为流程图，这是科学思维中构建假设和模型的过程。求解问题时，学生设计算法，用自然语言与AI交互，将科学思维中的规律识别与计算思维中的算法描述相结合，实现自动化编程。通过这样的教学设计，学生不仅能够掌握科学