人工智能技术驱动的高中生物教学模式创新与实践研究

前言：

高中生物教学长期面临抽象概念难理解、实验条件受限及学生差异显著等问题。传统讲授式教学难以满足学生个性化需求，而人工智能技术的介入为解决相关挑战提供了可能。智能教学工具能够模拟复杂实验过程，AI 辅助系统可精准分析学情，虚拟仿真环境则能突破时空限制。本文分别探讨人工智能技术在不同教学环节中的应用价值，为构建高效、精准的生物课堂提供理论支撑与实践参考。

一、融合智能教学工具，优化生物实验教学模式

借助人工智能的生物实验教学是一种新型的生物实验教学形式，其中的虚拟仿真能够真实的再现实验过程，而三维模型能够真实还原微观的生物结构，机器学习可以智能分析实验结果[1]。智能工具的应用一定程度上解决了传统生物实验教学中实验耗时耗材、实验现象难观的现象。智能实验系统一般具有交互式的操作界面，学生通过拖拉、缩放等交互形式对实验进行多角度观测实验现象，系统能够即时记录学生观察操作全过程，并生成观测分析结果；实验教师通过实验系统的观测数据，及时对学生实验的设计和操作进行指导。

以“孟德尔的豌豆杂交实验”为例，教师可通过让学生使用智能育种模拟软件，提供豌豆性状的遗传数据库，学生随意选择亲本的性状组合，软件可即时统计出子代的基因型及表现型比。学生在虚拟实验中，还可更改不同的条件参数，如杂交代数、样本数目等，从而生成对应的遗传图及统计数据。其中，在观察F2 代性状分离比的活动时，可根据自己要求，滑动样本数量调节杆，清晰地观察到样本数目愈多，实际比例就越趋近3:1 这一理论数值。软件也配有诊断错误的功能，即在学生提出假设出现孟德尔定律之外的结果，则可提醒有逻辑问题的可能，以此引导学生反思。

二、构建 AI 辅助系统，提升个性化学习效果

AI 辅导系统主要是通过大数据分析、机器智能来准确分析、诊断学生的学习状态、做出有针对性的辅导。通过对学生在答题过程中、测试后、通过在线学习的记录等收集学生的学习数据，从而建立学生的学习档案[2]。通过对相应数据的分析，了解每个学生在哪部分知识存在问题，为学生智能推送适合他们的学习资料及练习题等；通过自然语言处理让 AI 系统进行问题的理解并提供准确、适当的解答，还可进行知识的扩充。AI系统可以自动跟踪、了解学生的学习进度和掌握水平，及时调整教学的进度与形式等。

在本节课的教学“DNA 是主要遗传物质”这一模块中，AI 辅助系统效果良好。课前，AI 辅助系统进行诊断测试，把不同学习需求的学生分成不同的模块，分别对碱基互补配对不扎实、易混淆格里菲斯和艾弗里的实验结论以及对赫尔希-蔡斯实验结论的证据辨别不清晰的类型学生实施差缺补漏。对于掌握碱基互补配对不够的，提供DNA 结构的交互模型供学生操作，学生可用旋转、解体等手段看清楚碱基互补配对的过程；对于掌握实验证据不清晰的，提供对比表格，将各个经典实验的重点区别罗列出来；对要强化重点知识的学生提供由浅入深的题型组合，使学生慢慢树立起知识链。课后，给学生提供具有不同颜色的个性化知识结构图，标明每个知识点学生的掌握情况并提出建议学生进行针对性的复习。

三、创新虚实结合课堂，增强学生探究能力

虚实结合的生疑授课方式则是将 VR 与传统教学方式进行融合的授课方式，让学生既可以进行虚拟环境中的探索操作，又可以在实体课堂中与教师、学生讨论和交流。虚拟环境可以打破传统课堂的时间和空间因素，展现微观世界的生物过程，体现一些传统课堂中不易实现的情境与过程，可以使学生与教师及同伴之间的沟通交流得以发挥。授课教师对学生的问题进行即时反馈，启发学生进行总结、发散与反思。教学内容适用于相对抽象、微观尺度或者是存在一定风险的生物学教学内容，可以让学生体会到学习的乐趣，提升学生自身的科学探究素养。

对“基因指导蛋白质的合成”教学的重点和难点是脱氧核糖核酸(dNucleotide，即DNA)如何转录出核糖核酸(rNucleotide，即 mRNA)、核糖核苷酸如何翻译出多肽链。该微课对过程进行虚拟，一方面为了能够生动形象地再现过程；另一方面还为了省去做复杂示教模型的时间。在实操课上，教师指导学生运用配套教具对核糖体翻译 mRNA 过程进行复盘。“走进”细胞核，用磁贴模拟解开 DNA 双螺旋结构，RNA 聚合酶沿着DNA链不断复制，观察 mRNA 生长情况，调节视野和观察角度。结合上面的操作和 VR 教学，原核细胞和真核细胞的转录和翻译的差别也迎刃而解。

总结：

本文探讨了人工智能技术在高中生物教学中的多元应用价值，可知智能工具提升了实验教学的可操作性，AI 系统实现了精准的学情诊断，虚实课堂则拓展了科学探究的维度。三者协同作用，不仅解决了传统教学的痛点，更培养了学生的科学思维与创新能力。未来教师需进一步探索智能技术与课程标准的深度融合，同时关注技术应用中的伦理问题，推动生物教学向智能化、个性化方向发展。

参考文献：

[1] 杨彬侠. 人工智能背景下提高高中生物教学效率的策略[J]. 启迪与智慧(上),2024,(07):30-32.

[2]陈霖.人工智能背景下提升高中生物教学效率的路径探究[J].天天爱科学(教育前沿),2023,(11):58-60.