AI技术赋能初中生物低成本实验教学的应用策略研究

其他学科教学来源:《山东教育》中学刊查看次数:8发布日期:2025-08-27

山东省烟台经济技术开发区第四初级中学   王军凤

随着人工智能（AI）技术的迅猛发展和在教育领域的应用日益广泛，AI技术赋能已经成为引领新一轮教育教学改革的关键力量。在初中生物教学中，实验教学是培养学生科学素养和实践能力的重要环节。然而，传统实验教学长期受制于耗材成本高、设备维护难、安全风险大等现实因素，极大限制了实验教学的广泛开展。

AI技术的发展为破解这一难题提供了新思路，通过技术赋能实现“虚实结合、智能替代”的新型实验教学模式，能够有效缓解目前初中生物实验教学面临的种种现实问题，对于增强学生学习体验感、提升实验教学质量具有积极意义。AI技术赋能初中生物实验教学主要表现在：一是AI技术的引入，可以突破传统实验教学的时间和空间限制，学生可以随时随地开展实验活动，提高实验的便捷性和灵活性。二是AI技术可以有效破解实验成本过高的问题，以模拟真实实验场景的方式呈现实验过程，在有效降低实验成本的同时，提高实验的安全性。三是AI技术可以通过预设程序自主完成实验的准备、组织、操作以及讲解等全流程工作，删繁就简，能够极大地提升教学效率。四是AI技术可以根据学生的实验操作情况，有针对性地提供个性化的学习资源、实验指导和学习反馈。

一、AI技术赋能初中生物低成本实验教学的可行性策略

目前，AI技术在初中生物实验教学中的应用探索，主要体现在虚拟仿真实验、智能实验指导和实验数据分析等方面。

（一）虚拟仿真实验

VR虚拟仿真技术在教学中的应用为生物教学改革提供了新的渠道。使用AI技术构建高仿真的虚拟实验环境和3D生物模型库（如人体器官、细胞结构）等，学生可以在计算机或移动设备上进行各种生物实验，在直观、立体、生动的人机互动过程中，巩固对知识的掌握。例如，VR虚拟仿真实验为人体消化系统实验带来革新。它能以3D动态形式逼真地还原口腔、胃肠等消化器官的结构，模拟食物消化吸收全过程。学生佩戴设备后，可“置身”人体内部观察消化器官的微观变化，突破传统实验的空间与标本限制，避免真实操作风险，使抽象知识具象化，有效激发学习兴趣，加深理解记忆，显著提升教学效果与学习效率。

（二）智能实验指导系统

开发智能实验助手APP，为学生提供实验步骤指导、实验数据记录、实验报告生成等支持，帮助学生更好地完成实验任务。在初中生物实验教学中，存在一些周期长、步骤繁多的实验，需要投入大量的精力记录数据及进行比照分析。许多学生在实验过程中因为时间跨度大、任务复杂而忽略或遗漏了某些环节与细节，从而导致实验数据出现偏差。例如，学生在探究植物根的生长的实验中，从植物的挑选、幼根生长的观察到新叶的萌发，每一个环节都需要认真观察、详细记录。但在实际教学中，许多学生因为遗漏数据而导致实验结果出现偏差。智能实验指导系统能够自动标记分生区长度，并在根尖发霉或测量中断时及时预警，有效纠偏，进而使得实验结果更加准确科学。

（三）构建实验数据分析与可视化工具

利用AI技术对数据进行分析处理，生成直观的图表，让学生更加直观地理解抽象晦涩的生物知识以及实验现象和数据背后的生物学原理，降低知识难度，提升教学效率。例如，在金鱼藻光合作用实验中，传统实验存在数据采集滞后（学生需手动记录气泡数，不易操作且误差率高）、抽象理解困难（无法直观建立“光照强度—pH值—氧气量”的动态关系）、实验周期冗长（完成不同光照条件下的数据对比需3—4课时）等问题。利用AI技术可以实时分析并展示光照强度与氧气产生速率的关系曲线，通过将瞬时微观现象转化为持续可视的数据流，光合作用这类抽象概念的教学效率提升了2—3倍，同时通过预设认知冲突和AR解析，显著提升了学生对复杂生物机制的理解深度。

（四）打造个性化学习路径推荐系统

由于学生的知识体系、学习方式、能力需求各有不同，结合学生特点量身定制教育方案，成为提升学习效果的重要路径。但仅依靠传统的“一刀切”的课堂教学模式，教师很难结合每个学生的实际给予精准的指导。AI技术可以根据学生的实验操作记录，绘制学生成长数字画像，构建个性化学习路径，有针对性地发现学生的学习短板，为他们推送学习资源，帮助他们更好地理解实验原理，掌握实验技能，提高实验效率。比如，在讲授《植物细胞的基本结构观察》的课程时，借助AI技术开发的操作行为识别系统、知识缺陷分析系统、资源对应推荐系统，可以实时检测物镜位置/载玻片状态、关联错误操作与知识点缺失，并动态推送AR辅助对焦训练、显微操作微课、智能标记的示范视频等学习资源，从而提高实验操作的规范性和成功率。

二、AI技术赋能初中生物实验教学的效果评估

为了评估上述策略的实际效果，我们进行了为期一个学期的教学实验。实验组采用AI技术赋能的实验教学策略（以下称为“AI辅助组”），对照组采用传统实验教学方法（以下称为“传统实验组”）。从反应层面的师生使用体验、学习层面的知识掌握度、行为层面的实验操作规范性以及成果层面的教学成本与效率四个维度进行了对照分析。对照结果显示，AI辅助组学生在实验操作技能和数据分析能力方面提升更为明显；AI技术的沉浸式应用显著提升了学生对生物实验的参与热情与探究兴趣；AI技术的深度整合显著提高了初中生物实验教学效率；实验成本明显降低，实验失败率和耗材浪费明显减少，操作安全性实现突破性提升。

上述实践案例表明，AI技术通过虚实互补（VR辅助实体观察）、人机协同（APP优化记录流程）、数据赋能（画像驱动分层教学）三大路径，能够有效降低实验成本，提高实验效率，优化实验效果，推动实验教学创新，实现低成本实验教学的提质增效。

随着科学技术的不断进步和探索创新的不断深入，AI技术的融入会带来更加智能化和个性化的初中实验教学体验，让学生在现实实验环境中叠加虚拟信息，获得更加沉浸式的学习体验。同时我们也清醒地认识到，尽管AI技术在初中生物实验教学中展现出巨大潜力和积极的使用效益，但在实际应用中仍面临诸多挑战。比如，如何更好地平衡AI技术与传统教学方法，如何更好地提升教师的数字化素养，如何将AI技术有机融入现有初中生物实验教学体系中，开发更多低成本、易获取的轻量级AI教学工具，建立区域性AI实验资源共享平台等，都是需要不断探索解决的问题。

 

 

 

 

 

 

 

（《山东教育》2025年7、8月第21、22期）