课题名称：人工智能辅助下小学中段科学实验学习效果的实践研究

课题名称：人工智能辅助下小学中段科学实验学习效果的实践研究

关键词：人工智能辅助；科学实验学习效果

课题级别： 一般课题

立项编号：2025-ZJKYB-X02-138

立项单位：中原区育红小学

负责人：张鹏

在当前教育信息化快速发展的背景下，人工智能技术逐渐渗透到教育教学的各个领域。小学科学课程作为培养学生科学观念、科学思维、探究实践和态度责任的重要学科，其教学方式和学习效果一直是教育研究的重点。小学中段学生（三年级至四年级）正处于好奇心和探究热情旺盛的时期，科学实验是激发他们学习兴趣和科学思维的关键环节。然而，传统科学实验教学存在诸多局限，如资源实验有限、实验操作复杂、学生个体差异难以兼顾等，学生的学习效果不理想。
  人工智能技术的应用为解决科学实验教学的相关问题提供了新的思路。通过虚拟实验、智能辅导、数据分析、实时反馈等功能，人工智能可以为学生提供更多个性化的学习体验，同时为教师提供教学反馈，及时调整教学节奏和方法。因此，本课题旨在探索人工智能辅助下的小学中段科学实验教学，分析其对学生学习效果的影响，为小学科学实验课堂的开展和优化提供实践依据。

2017年，国家颁布新一代人工智能规划，计划在人工智能领域达到全球先进水平，我国的人工智能发展由此进入新时期。今年以来，AI大模型应用飞速发展，生成式人工智能进入大众视野，特别是在教育领域，生成式人工智能得到了广大教师和学生的青睐，在知识获取、图像生成、视频生成方面，变得更加轻松和容易。
  人工智能的飞速发展引起了我校课题组教师的广发关注与学习。我校自2016起，以编程教育为切入点，对人工智能在中小学教育的应用领域开始研究。在我校学生培养方面，我校长期致力于培养人工智能在中小学普及所需基础算法能力，近几年在全省乃至全国的各类赛事中，取得了优异的成绩，学生具备一定的算法基础和代码编程能力。
  我校科学课程类型丰富，部分内容复杂且较为抽象，实验资源及材料有限，在实验中相关数据及信息的处理也具有一定的滞后性，无法实时反馈学生在实验过程中所遇到的问题及状态，导致教师对学生课中及课后的学情把握不够准确。因此，结合我校现状与学生的已有水平，我校科学教师及信息科技教师经过多次交流研讨，决定合作成立课题组，试图用人工智能解决小学科学实验课堂中存在的实际问题。

1.通过利用人工智能技术，筛选——优化——整合小学中段科学实验课程资源和工具，结合不同实验，设计教学。
2.通过实践研究，评估人工智能辅助实验教学对学生实验学习效果（科学观念、科学思维、探究实践和态度责任等方面）的影响。
3.整合并优化人工智能辅助小学中段实验教学的途径，形成适合一线教师的案例集，提升科学实验课堂效果。

1.人工智能辅助小学中段科学实验教学资源的开发和整合。
利用智能语音和图像识别技术开发智能辅助工具，整合教学资源，如：AI编程、虚拟仿真实验、交互实验、闯关游戏等，创建沉浸式学习环境，提供丰富的实验场景和操作指导，帮助学生解决实验中的问题。
2.开展人工智能辅助下科学实验课的实践研究，进行教学效果评估与分析。
选取实验班和对照班，设计合理的实验方案。在实验班开展人工智能辅助下的科学实验教学活动，记录学生的学习过程和表现；在对照班采用传统教学方法，对比分析两组学生在科学实验学习效果上的差异。
通过问卷调查、课堂观察、测试、访谈等方式，收集学生对人工智能辅助教学的反馈和学习效果数据，评估人工智能辅助教学对学生科学实验的兴趣、动手能力、科学观念、科学思维等方面的影响，分析实验数据，总结人工智能辅助教学的优势和不足，提出改进建议。
3.优化与推广教学途径，促进人工智能辅助科学实验教学的应用。
根据实践研究结果，优化人工智能辅助小学科学实验教学的策略和模式，形成一套可推广的教学案例集，为一线教师提供参考和借鉴。

在本课题中，采用多种研究方法相结合的方式，确保研究的全面性和深入性，具体如下：
1.文献分析法
通过广泛的搜集文献资料与学习与分析，覆盖国内外信息科技及小学科学实验教学领域，聚焦人工智能辅助教学方面的研究成果。为课题提供了坚实的理论基础，为将人工智能技术有效融入小学科学实验教学提供了明确的指导思路。
2.问卷调查法
为了解小学生在科学实验中的实践情况，课题组开展了全面调查，收集了大量真实数据和文字资料。通过分析数据，评估人工智能对学生科学实验兴趣、动手能力、科学观念和科学思维的影响，总结其优势与不足，并提出改进建议。
3.课堂观察法
通过深入课堂，详细记录教师运用人工智能工具开展实验教学的全过程，包括教学环节、学生互动、技术使用情况等。结合课堂观察，分析人工智能如何优化教学流程、解决学生学习问题，为后续教学改进提供直观依据，确保研究紧密贴合教学实际。
4.案例分析法
通过分析多个小学科学实验教学案例，我们采用定量和定性分析方法，细致统计并分析了大量数据，得出科学结论。这些结论为课题研究提供数据支持，总结了人工智能辅助教学的优劣，为未来教学实践提供了有益参考。

第一阶段：前期准备阶段(2025.5 )
进行课题前期的准备工作，通过文献分析、研究，结合教学中的实际问题，课题组交流讨论并确定课题研究的方向、研究内容和研究方法，做好课题立项申报准备，成立课题研究小组，深入课题研究相关理论，确定人员分工，并对课题的可行性进行论证，并撰写开题报告。
第二阶段：中期实施阶段（2025.6—2026.3）
①研究小组全员学习人工智能相关技术，了解科学实验的一般流程及注意事项。
②搜集相关学习资料，设计学生对人工智能和科学实验掌握情况的相关问卷。
③小组成员发放问卷，并整理分析问卷情况，形成分析报告。
④通过对资料的分析研究和实际调研，结合教学实际，梳理出可以与人工智能相结合的实验主题。
⑤开展校级人工智能项目实践活动，组织学生创作相关的人工智能作品；组织学生比赛，筛选出适合科学实验课堂的人工智能作品。
⑥开展人工智能辅助下的实验教学的课堂达标评优活动，评选出优秀的课例，组织科学教师课例分享、经验交流等活动。
⑦通过对前期完成的课题资料的整理，形成课题的中期报告。
⑧通过参加实验抽测和科技运动会，检测学生个性化学习效果和学习素养的提升情况。
⑨针对学生的学习效果，整合并优化人工智