基于人工智能的高中生物虚拟实验教学模式构建及效果分析

摘要：在智能时代背景下，人工智能技术正在以深刻视角改变传统高中生物教学，重新塑造课堂教学新生态。在此背景下，教师如何以清晰视角认识人工智能技术在高中生物虚拟实验中的价值，是人工智能技术得以应用于课堂教学的重要前提。本文将探寻基于高中生物虚拟实验教学模式构建的路径，分析最终的实施成效，旨在开展高质量生物虚拟实验教学活动。

关键词：人工智能；高中生物；虚拟实验；教学模式

引言：《教育强国建设规划纲要（2024年—2035年）》指出，教育领域要以数字化发展为导向，促使人工智能技术促进教育发展。《关于加快推进教育数字化的意见》提出要推进教育智能化发展，以人工智能技术赋能教育变革的方式，已经成为教育改革的实践方向。生物学是一门学科实践性较强的科目，而实验教学是生物教学的核心，教师要借助人工智能技能赋能的手段，明确虚拟实验教学改革创新的方向，真正达成生物学科预期的育人目标。

一、拓宽多元实验空间，重塑生活实验场域

在传统生物学科实验教学中，教师选择的教学场景具有一定局限性，难以达成预期教学效果。人工智能技术在高中生物实验教学中的应用，可以帮助教师突破单一物质场所的局限性，将生物学科实验的场景拓展到多元化的虚拟情境中，丰富学生的学习体验，将教学中的各个要素全部融入，充分实现物理空间、信息空间与虚拟实验空间的深度融合，重新塑造教学新形态。设备充足的物理空间是教师开展实验教学活动的主要场所，可以让学生在实验体验感知、具体操作的过程中，培养良好学科核心素养^[1]。在人工智能技术赋能高中生物虚拟实验教学中，教师要积极寻求技术创新与教学融合的结合点，将AI智能化导师、智能学伴等先进技术手段融入教学，真正发挥技能赋能的内在育人价值。

以浙科版高一生物必修一《光合色素的提取与分离》一课为例，这一课涉及实验教学，学生需要了解光合色素的种类以及提取方法，在参与实验探究期间培养良好问题解决能力、逻辑思维能力等。在物理空间重构层面，教师可以结合学生在实验期间可能会遇到的色素提取不充分、层析结果不明显等各类问题，融入智能化研磨器、微量液体处理机器人、自动化层析设备、AI伴学导师等人工智能技术赋能的辅助教学工具，让学生在技术支持下，顺利完成各类实验操作，提高实验结果的准确性，达成实验活动的最终学习目标。

二、促进多主体协同，构建师生互动模式

人工智能技术在生物学科实验教学中的应用，将会重塑教育系统的结构与形态，让师生彼此之间实现身份的转换与升级，让师生之间的良好互动成为开展高质量生物虚拟实验教学的桥梁。以人工智能技术赋能高中生物虚拟实验教学模式的构建，可以让教师、人工智能技术、学生等多元主体协同共进，在虚拟实验的情境中各自发挥自身的优势，提升虚拟实验教学的质量。在高中生物虚拟实验教学中，教师、人工智能技术、学生将会分别扮演不同角色，教师要挖掘人工智能技术的优势特点，践行以学生为本的教学理念，促进学生对所学知识的理解与应用，在虚拟实验教学中培养学生的学科核心素养。

以浙科版高一必修一《生物大分子以碳链为骨架》一课为例，在此单元学习中，学生将学习到糖类、脂质、蛋白质等营养物质。教师可以结合学生的课堂所学知识，为学生开展健康管理实验，学生需要借助人机协同的手段，探究午餐中包含的三大营养物质，识别物质中营养成分的含量。而在师生互动层面，教师不能完全依赖人工智能技术的应用，而是要强化自身对学生情感认知的支持，提升学生的实践探索能力。具体而言，在“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”的虚拟实验中，教师可以在融入人工智能技术的同时，为学生融入生命伦理、生态责任、科学态度教育等，实现以技术赋能的导向下，思政教育与生物学科实验教学的融合渗透，达成虚拟实验教学的成果。

三、健全智能评价模式，践行因材施教理念

教学评价是高中生物实验教学的重要组成部分，具备引导、鼓励、调控等作用。在开展教学评价活动期间，教师可以充分借助人工智能技术的优势特点，构建智能化知识图谱、智能化认知诊断图、多模态学习分析结构，构建出以多元主体为主导、以过程评价为核心的智慧评价模式，结合学生的实际发展需求、兴趣爱好、学习风格等方面的差异，让每个学生都能实现自身的个性化发展，真正发挥教学评价的作用^[2]。在开展评价活动期间，教师要设置以数据为驱动的指标评价方式，结合实验教学目标设置评价任务，使得教学评价从单纯考量学生的学习成果，转化成为探寻学生的学科核心素养发展情况。

以浙科版高一生物必修一《细胞质中有多种细胞器》一课为例，教师可以为学生开展探究植物细胞质壁分离与复原实验，这一实验需要学生借助实验探究的方式，理解细胞的质壁分离与复原原理，从微观视角去理解生命的本质。在实验结果的评价环节，教师可以在人工智能技术赋能的支持下，基于实验教学目标、学生学习数据等，生成评价任务、评价指标等，依据学生在实验过程中的保险情况进行精准化、智能化的评估，从客观全面的角度反映学生的实验效果，提升评价结果的目标性。

四、实验效果分析

在基于人工智能技术开展虚拟实验教学活动期间，教学效果体现在三个层面。第一层面，虚拟实验空间可以拓展学生的操作机会，在光合色素的提取与分离实验中，借助人工智能技术辅助工具，学生的实验成功率提升约为25%，色素层析的效果得以显著提升。第二层面，人机协同的互动模式可以增强学生的学习主动性，学生对糖类、脂肪、蛋白质的检测准确度较传统教学提升18%。第三层面，智能评价系统将会实现精准范库，在细胞质壁分离与复原实验中，系统能够识别学生的操作偏差，为学生推送个性化建议，使得学生的实验报告得分平均提升12%，这一模式的应用，可以促进学生学科实验能力与核心素养的发展。

结束语：综上所述，在数字化转型背景下，人工智能技术在教育领域的应用，逐渐成为高中生物教师提升实验教学质量的得力助手。为了让人工智能技术持续发展其内在应用价值，教师要借助该项技术的优势，为学生创设出数字化学习环境，让学生在技术赋能的虚拟实验情境中，完成对所学知识的理解和应用。基于人工智能的高中生物虚拟实验教学模式的构建，可以让学生借助即时、精准的智慧反馈突破实验重难点，实现各项能力的全面提升。

参考文献：

[1]罗杰媛.AI辅助高中生物生态模型构建的实践研究——以人教版高中生物选择性必修二“生物与环境”为例[J].中国基础教育资源库(中学版),2025,24(03): 91-94. 

[2]李俊蕊,刘娴,范丽仙.指向核心素养发展的AI赋能高中生物学教学模式研究——以“DNA的复制”为例[J].中学教学参考,2026,(05):99-103.