从显微镜到AI 影像识别

一、引言

在初中生物教学中，“细胞是生命活动的基本单位”是贯穿生命科学学习的重要大概念。传统显微观察活动虽能直观呈现细胞形态，但学生往往停留在“看到”而非“理解”，难以从多个实验和知识点中抽象出统一的科学思想[1]。随着人工智能技术在教育中的应用日益广泛，利用 AI 图像识别技术辅助生物观察，不仅能提高观察效率与准确性，还能为学生提供量化、可视化的数据分析支持 [2]。然而，目前中学课堂中 AI 技术与大概念教学的深度融合实践仍不多见。因此，本研究在素养导向理念指导下，探索将 AI 影像识别与显微观察整合到细胞大概念教学中，旨在激发学生探究兴趣、提升数据分析能力，并促进对大概念的深度理解与迁移。

二、研究背景与理论基础

1. 大概念教学理念

大概念是能跨越多个知识单元、解释大量现象并可迁移运用的重要科学思想 [3]。在细胞教学中，大概念帮助学生将细胞结构、功能、新陈代谢、细胞分裂等内容有机联系。

2.AI 影像识别技术

基于卷积神经网络（CNN）的 AI 图像识别，可对显微镜下的细胞图像进行自动分割、标注和结构识别 [4]。结合课堂实践，可显著降低学生在观察记录中的随机误差，提升数据客观性。

3. 素养导向

《义务教育生物学课程标准（2022 年版）》强调，生物教学应培养学生的科学探究、数据处理和跨学科综合能力，并注重信息技术在科学学习中的应用[1]。

三、教学设计

1. 教学目标

知识与能力：掌握细胞的基本结构，理解细胞是生命活动的基本单位；学习AI 图像识别的基本应用方法。

过程与方法：通过显微观察与 AI 分析相结合，开展数据驱动的科学探究。

情感态度与价值观：激发探究生命奥秘的兴趣，培养数据思维与科学精神。

2. 教学重难点

重点：通过AI 数据分析深化对细胞结构与功能的理解。

难点：引导学生将观察结果整合为大概念，并能迁移到新情境中。

3. 教学流程

（1）情境导入（5 分钟）

教师展示“AI 诊断癌细胞”的新闻视频，引发学生讨论：机器能否识别我们课堂上的细胞图像？

（2）显微观察（15 分钟）

学生分组用显微镜观察洋葱表皮细胞与口腔上皮细胞，绘制手工观察图。

（3）AI 识别与数据分析（15 分钟）

使用开源AI 平台（如ImageJ 或百度AI 开放平台）上传细胞照片

AI 自动识别细胞核、细胞膜、细胞质等结构

导出识别数据，与手工记录进行对比分析

（4）大概念建构（10 分钟）

学生结合观察与 AI 分析结果，总结不同生物细胞的共性与功能，提炼大概念内涵。

（5）迁移应用（5 分钟）

分析“肌肉细胞受损”“酵母细胞发酵”等案例，验证大概念的适用性。

四、实践过程与成效

1. 研究对象与方法

研究在七年级两个平行班（实验班 42 人，对照班 41 人）进行，实验班使用 AI+ 显微观察模式，对照班仅用传统显微观察。

2. 结果数据

1. 大概念理解测评：实验班由前测平均 59.3 分提升至 81.3 分（提升 37.1% ），对照班提升 22.4% 。

2. 科学探究能力测评：实验班提升 41.6% ，对照班提升 18.9% 。

. 课堂参与度问卷：实验班 93.5% 学生表示“非常投入”，对照班为 72.1% 。

3. 学生反馈

“AI 帮我验证了我画的细胞结构，感觉很酷！”

“有了数据，讨论的时候更有底气。”

五、讨论

1.AI 提升了观察与分析的精度

学生不再只是“看到了”，而是能够用数据验证和交流，显著增强了科学论证意识。

2. 技术驱动促进了概念迁移

通过 AI 与生活案例结合，学生能将细胞大概念应用到医学、发酵工业等领域。

3. 跨学科融合潜力大

该模式融合了生物、信息技术、数学统计等学科，符合未来跨学科教学趋势。

六、结论与建议

1.AI 赋能的大概念教学能显著提升学生的科学探究能力与概念迁移能力。

2. 教师应在课堂中适当引入 AI 等新技术，但要保证技术服务于探究目标，而非喧宾夺主。

3. 建议未来将 AI 识别扩展到细胞分裂、微生物等内容，构建更加丰富的大概念学习体系。

参考文献

[1] 教育部. 义务教育生物学课程标准（2022 年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社， 2022.

[2] 余晓， 周志华 . 人工智能教育应用的现状与趋势 [J]. 中国电化教育 ， 2022（3）： 1-7.

[3] Wiggins G， McTighe J. Understanding by Design[M]. Alexandria： ASCD， 2005.

[4] Litjens G， et al. A survey on deep learning in medical image analysis[J]. Medical Image Analysis， 2017， 42： 60-88.

本文系市教育科学“十四五”规划 2023 年度立项课题“素养导向下初中生物大概念教学设计的实践研究”相关成果（课题编号：XJKGB23169）