依托生成式人工智能优化小学科学探究教学的实践案例

武进区礼河实验学校             贺礼

小学科学课程注重探究实践与生活化学习，但日常教学普遍存在备课素材匮乏、分层探究设计难、课后个性化辅导不足、学生课外探究缺少指引等现实难题。本文以小学中年级《物体的沉浮》一课为教学载体，立足生成式人工智能工具开展人机协同教学实践，围绕课前备课、课中探究、课后拓展三大教学环节，规范、合规运用AI破解科学课堂痛点，梳理应用路径、教学成效与AI使用风险防控策略，落实立德树人教育目标，探索生成式人工智能赋能小学科学常态化教学的可行模式。

一、案例背景与问题提出

（一）教学现实问题

本人执教小学3-4年级科学，在长期《物体的沉浮》单元教学中发现四类教学痛点：

备课资源单一：教材配套教具有限，自制实验素材的创意、拓展科普素材搜集耗时久，教师个人备课难以兼顾趣味素材、生活化实验方案、前沿科普知识；

探究活动难分层：班级学生动手能力、认知水平差异大，统一实验任务无法兼顾学困生基础实操与优等生拓展探究，手工设计分层探究方案工作量巨大；

课后探究断层：小学生家庭探究缺少专业指导，家长科学知识储备不足，学生课后小实验大多流于形式，难以形成长效探究习惯；

课堂评价片面化：传统评价只关注实验结果，缺少针对探究过程、思维逻辑的个性化点评，教师单人难以完成全班精细化评价。

（二）应用依据

遵照《生成式人工智能应用指引》，坚持问题导向、以人为本原则，严守AI教育应用伦理边界，不使用AI替代学生动手实验与自主思考，以人机协同为核心思路，借助生成式AI工具辅助教学设计、资源开发、分层任务设计、课后答疑，规避技术滥用带来的思维惰性、隐私泄露等风险。

二、生成式人工智能在本课时教学中的应用设计与实施

本案例以苏教版小学科学三年级下册《物体在水中的沉与浮》完整教学周期（课前—课中—课后）为应用场景，分三阶段落地AI辅助教学。

（一）课前阶段：AI辅助精细化备课，丰富生活化实验资源

传统备课仅依托教材与教参，实验素材局限于石块、塑料块。利用生成式AI分步完成备课优化：指令1：结合三年级学生认知特点，围绕物体沉浮知识点，设计10种取材于家庭废旧物品的探究材料清单，标注材料获取渠道、实验安全注意事项，AI生成包含橡皮泥、矿泉水瓶、土豆、泡沫盒、回形针等生活化素材方案，区分课堂分组实验与家庭自备材料，大幅降低实验耗材成本；指令2：针对学困生、中等生、优等生三个层级，分别设计对应沉浮探究任务，学困生侧重观察记录，中等生完成变量对比实验，优等生自主探究“改变物体形状改变沉浮”拓展实验，AI快速生成三层探究学案初稿，教师结合本班学情二次修改定稿，解决分层备课耗时难题；指令3：生成3段适合小学生的趣味科普小故事（轮船、潜水艇沉浮原理），控制语言浅显易懂，用于课堂导入，精简优化后作为课堂激趣素材。伦理管控：所有AI生成内容由教师审核筛选，剔除不合理方案，杜绝直接照搬AI教案，保留教师教学设计主导权。

（二）课中阶段：人机协同探究，AI充当课堂辅助助教

课堂40分钟教学分为激趣导入、分组实操、研讨总结三部分，AI不替代学生动手操作，仅作为辅助工具：疑难即时答疑：学生分组实验时频繁提问“为什么实心铁下沉，铁做的轮船能漂浮？”，教师借助AI实时调取通俗化科普解释，转化为儿童化语言现场讲解，避免因教师科普储备不足无法答疑；实验数据汇总：各小组填写沉浮实验记录表后，教师将各组数据录入AI，AI自动汇总全班实验数据、生成简易对比图表，直观展示实验共性规律，节省课堂统计时间；差异化随堂点拨：学困生小组实验受阻时，教师用AI生成阶梯式引导提问（先问：橡皮泥整块放入水中是什么状态？再问：捏成碗状后发生了什么变化？），依托提问引导自主思考，严禁AI直接给出实验答案，守住学生自主探究底线。

（三）课后阶段：AI赋能个性化拓展，打通课内外科学探究

分层课后作业生成：依托班级学情，利用AI一键生成三级课后探究任务：学困生完成“家中5种物品沉浮小调查”；中等生探究“盐水改变土豆沉浮”；优等生查阅潜水艇原理，自制简易潜水艇模型，教师微调任务细节后发布；

AI居家答疑闭环：建立班级科学探究答疑规则，学生居家做实验遇到疑问，由家长陪同使用AI工具提问，AI给出引导式提示而非现成结论，教师每日抽查AI答疑记录，纠正AI科普误区；个性化作业评语：收集学生实验报告单、手工作品描述，批量导入AI生成个性化评语初稿，教师逐条修改完善，聚焦探究过程、思维亮点，实现全班精细化评价。

三、案例实施成效

（一）课堂教学层面

实验素材从传统6种拓展至16种，全部依托生活废弃物，实现全员分组动手实验，解决器材短缺难题；分层探究落地后，班级学困生实验参与率从62%提升至95%，优等生探究深度明显提升；课堂答疑效率提升，原本挤占总结环节的零散提问被高效化解，课时重难点落地更加扎实。

（二）学生素养层面

学生课后家庭科学实验完成率由不足40%提升至88%，多名学生自主完成潜水艇、浮沉子手工制作，在校内科学作品展参展；学生能主动从生活中发现沉浮现象，科学探究兴趣与实证思维稳步提升。

（三）教师成长层面

生成式AI将教师从素材搜集、繁杂文案工作中解放，备课时间缩短40%，教师重心转向课堂学情观察、学生思维引导，实现从“资料整理者”向“探究引导者”转型。

四、生成式人工智能应用的风险防控与伦理规范

遵照应用指引，本案例落地中建立三条AI使用边界，防范技术负面影响：

严控使用权限，杜绝学生直接依赖AI代做实验：课堂实验、家庭探究必须学生亲手操作，AI仅提供思路引导，严禁学生用AI代写实验报告、直接获取实验结果，避免弱化动手与独立思考能力；严守数据隐私底线：不向AI上传学生姓名、家庭住址、学情隐私等敏感信息，作业评价仅上传实验内容文本，规避学生数据泄露风险；教师终审制度：所有AI生成教案、习题、科普内容必须经过教师审核修正，依托科学课标与立德树人要求剔除错误、功利化内容，坚持教师教学主导地位，技术始终作为辅助工具。

五、案例反思与优化方向

（一）现存不足

部分AI生成的科普内容存在知识点细节偏差，需要教师提前校验；少数自控力弱的学生存在借AI偷懒、跳过实验直接抄写结论的问题。

（二）后续优化措施

建立本校科学AI素材资源库，教师筛选优质AI生成资源归档使用，减少重复校对工作量；制定班级AI使用公约，明确科学实验禁用AI代答结论，依托小组互评监督学生探究过程；拓展应用场景，将生成式AI应用于植物生长、光的传播等其他科学单元教学，形成系列化AI辅助科学教学案例。

六、结语

生成式人工智能为小学科学探究教学提供了全新助力，在严守教育伦理、规范使用边界的前提下，能够高效破解素材不足、分层困难、课后辅导薄弱等教学痛点。作为小学科学教师，要坚持人机协同、生本优先的原则，让AI服务于学生科学素养培育而非替代学习，依托技术赋能生活化科学探究，落实立德树人根本任务，推动小学科学课堂提质增效。