AI动态建模在初中生物“血液循环路径”课堂教学中的应用

初中生物“血液循环路径”教学存在循环动态关系复杂、血液功能抽象等认知难点，传统教学依赖静态图示难以突破时空限制。AI 动态建模技术通过多维度动态模拟与交互式设计，将心脏搏动、血流方向等过程可视化，为突破教学瓶颈提供新思路。

一、理论基础：AI 动态建模与初中生物教学的融合（一）AI 动态建模的技术特征与教育价值

AI 动态建模以流体动力学与三维重建算法为核心，通过动态数据更新、多维可视化及交互式参数调控构建高仿真生物模型。其教育价值在于将抽象概念（如血液循环路径）具象化为三维血管网络动态模型，结合血流动力学仿真展示血流方向与压力变化，突破传统静态图示的时空限制，支持多参数自主探究，显著提升教学效率与深度理解能力。

（二）苏科版教材“血液循环路径”的教学目标与难点

苏科版八年级上册“人体内物质的运输”单元聚焦血液循环系统的核心知识，要求学生掌握体循环与肺循环的路径、血液成分变化及其生理意义。教材通过解剖图谱与流程图呈现血液循环框架，但学生常面临两大认知障碍。其一循环路径的时空动态关系复杂，心脏搏动与血管分支的协同机制难以直观理解；其二血液成分变化（如氧气与二氧化碳含量）与功能关联抽象，缺乏动态关联的认知支撑。传统教学依赖二维图示与口头描述，难以突破空间动态模拟的瓶颈，导致学生对“动脉血→静脉血”转化机制的理解碎片化[1]。

（三）AI 动态建模与课程标准的契合性

课标强调技术深化生命观念，培养科学思维与探究能力。AI 建模通过虚拟实验平台可视化血液循环动态场景（心脏收缩、瓣膜开闭等），契合“结构与功能观”“物质与能量观”。如调节血管狭窄观察血流阻力，理解血压调节，强化知识内化并培养探究能力。融入流体力学等跨学科知识，推动教学从知识传授向能力培养转型。

二、技术实践：AI 动态建模在血液循环教学（一）基于多模态数据的血液循环动态建模

AI 动态建模整合教材文本、解剖图谱与生理参数（如血压、血流速度）等多源数据，构建高精度血液循环模型。三维血管网络重建采用深度学习分割算法，从医学影像中自动提取动脉、静脉与毛细血管的空间结构，生成可交互的三维模型[2]。血流动力学模拟基于 Navier-Stokes 方程，通过流体仿真技术动态展示血流方向、流速分布及压力变化，例如在肺循环中模拟氧气扩散与二氧化碳排出过程。建模过程中，系统自动优化血管弹性参数与血流阻力关系，确保模拟结果符合生理学规律，为教学提供科学依据。

（二）教学场景的交互式设计

虚拟实验平台支持学生自主操控变量，如调整血管直径、模拟高血压或贫血状态，实时观察血流阻力、血压及组织供氧量的变化[3]。例如，在“高血压病理模拟”任务中，学生通过滑动条改变动脉血管弹性参数，系统自动生成血流速度与血压波动曲线，对比正常与异常状态的心脏负荷差异。路径追踪功能结合AR 技术，将红细胞运动轨迹叠加至真实解剖图谱，关键节点（如心室收缩、瓣膜开闭）通过动态标注与语音讲解强化记忆。此外，系统内置智能引导机制，当学生操作偏离预设路径时，自动触发提示信息，帮助纠正认知偏差。

（三）个性化学习支持

自适应反馈系统通过分析学生操作数据（如路径绘制错误率、参数调节响应时间），生成个性化学习报告并推送针对性资源。例如，对混淆体循环与肺循环的学生，系统推荐“心脏搏动节奏”微课视频，结合心脏模型拆分动画解析左右心室功能差异。游戏化任务设计以“红细胞冒险之旅”为主题，设置关卡任务（如穿越肺泡毛细血管、躲避血小板聚集区），学生在闯关中完成路径记忆与功能理解。任务积分与排行榜机制激发学习动机，同时融入知识闯关反馈，如错误路径选择时弹出“氧气运输失败”警示，引导学生反思机制原理[4]。

三、教学实证：AI 建模对学习效果的影响分析

（一）实验设计与实施

选取苏科版八年级两个平行班（各 45 人）开展对照实验。实验班采用 AI 动态建模教学，涵盖虚拟实验、交互式建模与游戏化任务；对照班采用传统PPT 讲解与板书演示。实验周期为 4 周，每周 2 课时，教学内容覆盖血液循环路径、心脏功能及血液成分变化。实验前进行前测（血液循环路径绘制与血液功能选择题），实验后通过后测（路径绘制准确性、案例分析论述）与课堂观察评估学习效果。

（二）学习成效评估

实验班血液循环路径绘制正确率提升 32% ，85%学生能完整标注体循环、肺循环路径及肺泡毛细血管等关键结构；“氧气扩散驱动因素”解释完整度达 90% ，显著高于对照班 65% 。设计“运动后血液循环变化”案例时创新性得分提升 40% ，部分学生提出合理假设；90%学生主动参与虚拟实验，交互频率较传统教学提高2.3 倍。

（三）教学反馈与优化建议

学生反馈表明，85%认为AI 模型“帮助理解动态过程”，尤其认可AR 路径追踪与参数调控功能。但部分学生反映操作界面复杂，需简化交互逻辑（如增加一键复位按钮）。教师反思发现，建模参数（如血液黏度）与教材知识点的映射讲解不足，例如未明确血管弹性与血压的定量关系，导致部分学生机械记忆参数而忽视原理。后续教学中，通过增设“参数调节原理”微专题，结合心脏模型拆解动画，有效提升了知识迁移能力。

四、结论与展望

AI 动态建模通过多维动态模拟与智能交互显著提升学生对血液循环路径的时空认知与功能理解，实验数据证实其突破传统教学抽象局限、促进知识内化与高阶思维发展的有效性。未来需开发轻量化建模工具支持课堂实时交互，结合物理流体力学仿真与医学临床案例构建跨学科教学模式，并基于学习行为数据构建动态评价模型追踪能力发展。该技术为生物学教育革新提供路径，推动教学向精准化、智能化转型，培养学生科学素养与创新能力。

参考文献：

1]王晓静.利用血液循环路线棋突破血液循环教学[J].实验教学与仪器,2022,39(11):16-17.

[2]路晓萍.基于网络学习空间支持的初中生物教学设计与实践——以《血液循环》为例[J].中国新通信,2021,23(13):201-202.

[3]王春喜,刘锐.初中生物学模型制作类跨学科实践活动教学策略——以血液循环模型的建构为例[J].基础教育课程,2025(02):56-64.

[4]张文颖,张敏.初中生物学具身教学情境的构建——以“血液循环的途径”为例[J].中学生物教学,2024(20):31-33.