AI赋能，破壁虚实——智慧平台助力小学科学备课新探

为贯彻落实国家教育数字化战略行动，持续深入推进信阳市国家中小学智慧教育平台应用推广工作，宣传并分享在平台应用过程中涌现的创新思路与典型做法，平台将对2025年国家中小学智慧教育平台应用优秀案例征集活动中评选出的优秀案例进行展播，欢迎大家收看。

【摘要】

本案例针对小学科学教学中存在的“现象抽象难演示、实验危险难操作、科学原理难理解”等核心痛点，系统阐述了如何依托国家中小学智慧教育平台，利用AI功能进行高效、精准、安全的备课实践。案例通过利用AI进行学情前测、智能检索与生成教学资源、调用虚拟实验规避风险、设计分层探究任务等具体措施，构建了一套“以学定教、虚实结合、探究驱动”的智慧备课模式。实践表明，该模式显著提升了教师的备课效率与教学质量，有效激发了学生的科学兴趣，化解了教学难点，并培养了学生的模型思维与探究能力，为在科学学科中深度融合国家平台与AI技术提供了可复制的路径。

【关键词】

智慧中小学平台；AI赋能；科学备课；虚拟实验。

智慧平台辅助教学的应用背景

（一）传统教学模式的困境

传统的小学科学教学模式在长期实践中暴露出诸多深层困境，核心在于其“以知识为中心”的导向，异化了科学探究的本质。首先，课堂大多呈现为“教师讲授、学生静听”的灌输式格局，科学被简化为需要背诵的静态结论。即便开展实验，也常沦为验证已知结果的程式化步骤，学生缺乏提出真问题、设计解决方案的机会，科学思维训练严重不足。其次，学生角色被动化，

成为知识的“接收器”，其好奇心和内在学习动机在单调的听讲与记忆中逐渐消磨。同时，教学评价体系单一，过度依赖纸笔测验，忽视了学生在探究过程、合作能力与科学态度等方面的表现。

这些困境直接导致了备课环节，教师深陷于搜寻优质教学资源、设计创新活动、准备复杂实验的繁重劳动中，精力耗竭，难以兼顾学生的个体差异与时代发展的新要求。

（二）教育信息化发展的需求

国家积极推动教育数字化转型，强调依托现代技术手段全面提升教育质量。国家中小学智慧教育平台整合了多学科、多学段的优质资源，为教师和学生提供了强有力的支撑。特别是AI技术的深度融入，为实现科学备课和精准教学创造了全新可能。依托国家中小学智慧教育平台，结合AI赋能的教学实践，教师不仅能够适应教育信息化发展要求，更能把原本艰涩难懂的知识转化为生动、直观的体验，真正实现提质增效，走向精准化、科学化的教学新形态。

目标与思路

（一） 具体目标：

1.学生层面：激发并保持学生的科学好奇心和探究欲，培养其像科学家一样思考的能力，具体包括：

a.能自主提出3个以上与生活相关的科学问题；

b.能设计并实施至少2种科学实验方案；

c.能运用图标分析数据并得出结论；

d.能解决2类以上真实情境中的科学问题。

2.教师层面：将教师从重复性事务中解放，推动角色转型为“探究活动的设计者、组织者和引导者”，实现：

a.备课时间减少30%以上；

b.设计并实施5种以上探究活动类型（如项目式学习、跨学科整合）；

c.教师专业幸福感评分提升20%（基于前期调研基准）。

3.课堂层面：构建以学生为中心、高度互动、充满探究精神的“智慧课堂”，达成：

a.课堂互动频次提升50%（通过互动工具记录）；

b.学生高阶思维问题占比达40%（基于课堂观察量表）；

c.100%学生获得个性化学习支持（如分层任务单）。

4.生态层面：形成“AI赋能增效、教师主导引领、学生主体参与”的协同教学模式，推动：

a.家校社协同育人机制覆盖率逐年提升；

b.区域科学教育资源共享率提高；

c.建立学生科学素养动态监测体系。

（二）研究思路与方法：

本案例遵循“数据分析—资源构建—活动设计—评价反馈”的闭环思路。以国家中小学智慧平台为主要技术环境，充分利用其AI分析、智能检索、虚拟仿真、资源生成四大核心功能，将备课流程从传统的“资源堆砌”转变为“数据驱动的智能化设计”。通过定性观察与定量数据对比，评估备课成效。

具体措施

（一）数据分析，以学定教：AI学情诊断，精准定位教学目标

教师在备课阶段，通过国家中小学智慧教育平台的 AI 分析工具，输入课程章节内容（如“小学五年级科学《火山喷发》”）， 系统会结合课程标准与历史学情数据，生成详细的教学目标建议。具体流程如下：

1. 生成课前问卷：教师向AI助教发布指令：“生成一份小学五年级《火山喷发》课前调查问卷，AI快速生成问卷并通过平台分发至学生端。（如图1和图2）

图1 AI发布指令

图2 AI生成课前问卷

2.分析学情数据：系统自动分析结果，生成学情报告（如图3）

a.78%的学生认为火山喷发只有危害（利弊认知偏差）；

b.仅15%能说出‘板块运动’（成因理解不足）；

c.对‘岩浆房’‘火山通道’等结构普遍陌生（概念模糊）。

图3 学生学情数据分析

基于此，教师将教学重难点精准定位为“理解火山成因的板块运动机制”和“辩证分析火山的利与弊”。

3.分层设定教学目标：教师参考平台《义务教育科学课程标准（2022版）》解读模块，明确核心素养要求，并结合学情分层设定目标。

a.基础目标（面向全体）：能描述火山的主要结构（如岩浆房、火山口）；

b.进阶目标（可选）：能解释火山喷发的版块运动成因，并举例说明其利弊；

c.高阶目标（拓展）：能设计简单的火山监测小实验（如用苏打粉模拟喷发）。

(二）资源建构，虚实结合：教学资源生成

1.个性化资源：平台搜索相关资源

在智慧平台“资源”页面右上角运用“AI搜索”，可检索出平台关于主题的所有资源。以《火山喷发》教学为例，教师输入“火山喷发”，搜索AI 系统会呈现教学设计、图片、教学视频等相关素材，教师可将需要的资源保存到我的资源库以便后期整合利用。（如图4）

图4 平台资源搜索展示

2.AI赋能教学备课——央馆AI科学实验室

打开人工智能教育--央馆AI科学实验--科学教师助手--实验方案设计，对用户输入的主题和年级参数，自动匹配符合教学目标的趣味实验方案。例如输入：火山喷发实验，AI会自动生成3个火山喷发的实验方案供你选择，直接支持引用、编辑调整或重新生成。选定后一键输出完整方案，高效快捷。（如图5、图6）

图5、6 央馆AI科学实验室

更多AI助手里面的模拟问答项目，我们可以内置教学场景的模拟，可预判课堂教学各个环节及课后复习阶段可能出现的典型问题，以便及时做好答复。

例如输入：模拟火山喷发实验课堂问题，AI会自动生成小学生可能会提出的5-10个问题及相应解释（如图7）

图7 央馆AI科学实验室模拟火山喷发实验出现的课堂问题

央馆AI科学实验室里面的配备科学图像解析模块，能够将专业术语转化成符合小学生认知的解释，助力抽象科学概念具象化教学。央馆AI科学实验应用，聚焦小学科学实验教学，提供多项AI教学工具和新课标必做实验课程资源，涵盖实验备课及教学多个场景。为小学科学教师提供智能化实验教学支持，助力实验教学增质增效。（如图8）

图8 央馆AI科学实验室的科学图像解析模块

央馆AI科学实验室配备的科学实验课程有大量的实验课程，涵盖整个小学阶段科学课程资源，可供教师选择使用。（如图9、图10）

图9 央馆AI科学实验室的实验课程展示

图10 火山喷发课程具体展示

3.线上集体备课实现资源互动、共享主备教师在平台上创建教研组内的备课任务，上传初步的教学设计、课件、学情分析报告等。组内成员共同完成本科时的教研活动。（如图11-14）

图11、12、13、14 智慧平台线上集体备课

在讨论过程中，教师可直接将平台资源库或自己本地的优质资源（如动画、实验视频、互动链接）一键插入到共享教案中，构建丰富的教学资源包。经过多轮研讨后，主备教师可综合大家意见，形成共识版本的最终教案。教师使用最终版的“智慧教案”上课，并可利用平台的课堂互动工具收集实时学情数据。备课组可基于课堂数据和评课反馈，在原有教案基础上进行复盘和反思，并生成新的优化版本，为下一轮教学提供更优质的起点。

（三） 分层探究设计，构建沉浸式学习情景

分层任务设计： 基于学情数据，指令腾讯元宝AI：“围绕火山主题，设计三个层次的小组探究任务：A基础组（成因探究）、B进阶组（类型与分布）、C拓展组（火山与人类文明）。并为每个任务提供核心问题与资源指引。”（如图15）

图15 腾讯元宝AI指令分层任务设计

也可借助央馆AI科学实验--项目设计，设计依据教学主题智能生成项目式学习方案，涵盖驱动问题设计探究、任务分解及多元评价体系构建。例如输入：帮我设计一个火山喷发的项目式教学，会自动生成火山喷发模拟实验项目方案。（如图16）

图16 央馆AI实验室生成项目式学习方案

生成问题链：为引导学生深度思考，指令AI：“围绕‘火山是地球的灾难还是福音？’这一核心辩题，设计一个引导式问题链。”AI生成的问题链逻辑清晰，成为课堂讨论的主线。

VR沉浸体验：通过AR学院APP的VR技术构建逼真的火山喷发情境，改变传统教学模式。将课本上静态的火山知识转化为令人震撼的动态经历，极大地激发了他们的科学探究兴趣。VR让危险的自然现象得以安全再现，实现了从知识灌输到深度体验的教学转变，有效培养了学生的科学素养和探索精神。（如图17）

图17 AR学院APP的VR沉浸体验

虚拟实验室： 通过使用“火山喷发模拟器”，师生在教学过程中放弃存在安全风险的实物模拟实验，转而调用“虚拟科学实验室”中的“模拟火山喷发” 模块。该模块允许学生安全地调整岩浆粘稠度、气体含量等参数，观察不同类型的虚拟喷发，深刻理解其成因。（模拟器网址https://app-6eyr2mf1b94x.appmiaoda.com）（见图18）

图18 火山喷发模拟器的虚拟实验室

央馆AI科学实验室创作科普剧：针对科普剧创作需求，根据输入主题输入：火山喷发科普剧，AI会自动生成《火山的秘密》科普剧剧本。不仅对课本知识进行巩固和延申，还大大激发了孩子们的积极性。（如图19）

图19 指令央馆AI科学实验室创作科普剧

（四）智能课件与评价辅助

将以上确定的资源与活动设计整合，指令智慧平台——人工智能教育栏——希沃AI：“基于以上学情、资源和活动设计，生成一份《火山喷发》的PPT课件大纲。”AI迅速输出包含教学目标、情境导入、虚实探究、辩论赛、总结拓展等环节的清晰框架。（如图20、21、22）

图20、图21、图22 智慧平台——希沃，整合资源，生成教学课件

2.智慧平台工具助力个性化备课

教师可以整合教学资源，利用智慧平台工具——“互动课件编辑器”进行编辑，做出契合本班学情的个性化课件。以《火山喷发》一课为例，为契合大班教学及县城孩子的认知特点，我们在前期搜集和AI生成的教学课件的基础上，于多媒体工具栏中插入裁剪后的教学视频、预设链接或思维导图，还也插入平台提供的配套练习题。题目类型丰富，能按班级情况选择难度，主观题可自动批改且附名师视频解析。（如图23和图24）

图23 智慧平台工具——互动课件编辑器插入资源展示

图24 智慧平台工具——互动课件编辑器编辑资源展示

还可以使用豆包及其他AI工具，针对抽象的“层状火山”和“盾形火山”概念，我们可以指令AI：“生成一张对比图，清晰展示层状火山与盾形火山在外形、岩浆粘稠度和喷发方式上的差异。”AI生成的图解简洁明了，可直接嵌入课件。（见图25）

图25 指令豆包生成辅助性图片

教学活动结束后，师生都可以使用央馆AI科学实验室针对学生活动作品进行“实验结果评估”。“实验效果评估”会对每一位同学学习完这节科学实验课后做的实验流程图做出科学合理的评估，以起到检验学生对本节课掌握情况。（如图26、27）

图26、图27 央馆AI科学实验室对本节课实验结果进行评估也可指令腾讯元宝AI“设计一份本课的小组合作学习评价量表，从资料搜集、合作探究、成果展示三个维度进行描述性评价。”从而完善教学评价环节。

图28 指令腾讯元宝AI出一份本课的小组合作学习评价量表

取得成效

通过系统化推进AI技术与科学教学的深度融合，改革在教师发展、学生成长、课堂效能三个层面取得了实质性成效。

1、教师层面：从“经验型”到“智慧型”的专业跃升

（1）备课效率倍增，创意空间释放：教师备课时间显著缩短，尤其是资源搜集与基础设计环节耗时减少约50%以上。教师得以将节约出的精力投入到学情分析、活动创新与个性化指导中，备课质量实现质的飞跃。

（2）专业能力拓展，角色成功转型：AI作为“超级助手”，辅助教师轻松驾驭跨学科内容与前沿知识。教师角色从“知识的权威讲授者”稳固地转变为“探究活动的设计师、学生思维的引导者”，专业自信与幸福感大幅提升。

2、学生层面：从“被动听讲”到“主动探究”的素养蜕变

（1）科学兴趣与参与度空前高涨：生动形象的AI生成资源与互动性强的虚拟实验，将抽象知识转化为可感知、可操作的探索游戏，学生课堂参与度提升超过80%，学习内驱力被有效激活。

（2）科学思维与实践能力扎实提升：在AI支持的“提出问题-设计方案-分析数据”的完整探究链条中，学生的批判性思维、动手能力与解决问题能力得到系统性训练。超过90%的教师反馈，学生“像科学家一样思考”的行为表现明显增强。

3、课堂层面：从“标准化”到“个性化”的生态重构

（1）探究式学习成为课堂新常态：传统“满堂灌”模式被彻底打破，课堂中用于学生自主、合作、探究的时间占比从不足30%提升至70%以上，形成了“师生互动、生生互动、人机互动”的智慧学习新样态。

（2）规模化因材施教成为可能：基于AI分析的差异化任务推送，确保了资优生“吃得饱”、后进生“跟得上”。课堂关注点从“教学的进度”转向“每一个学生的成长”，实现了在班级授课制下的个性化关怀。

AI赋能小学科学教学改革，其成效远不止于“提效减负”，更在于它系统性地催生了一种高参与、高互动、高探究性的科学课堂新生态，为核心素养的落地和科学教育的优质均衡发展提供了强大动力与可靠路径。

结论及展望

本案例的创新之处在于，系统化地将国家中小学智慧教育平台的AI功能深度融入科学备课的全流程，形成了 “AI诊断学情—智能构建资源—虚拟化解风险—数据驱动设计” 的特色模式。它成功地将抽象的、危险的地学现象转化为可感知、可交互、可探究的学习内容，有效突破了教学瓶颈。

未来，我们将进一步探索平台AI在生成性评价、跨学科项目式学习，如结合语文、美术创作“火山主题”作品等方面的应用潜力。同时，我们也呼吁平台能持续丰富虚拟实验库，并开放更多AI定制接口，让教师能创造更具个性化的智慧课堂，最终实现大规模因材施教。

参考文献

1. 国家中小学智慧教育平台(2023)《教师操作指南》。

2. 教育部(2022)《义务教育科学课程标准（2022年版）》北京师范大学出版社。

案例实践单位：固始县第九小学

案例主持人：张 柱

案例成员：高琼 高丹阳 胡春洁 黄喻婷

案例指导：河南曹建国专家指导团队