《“虚实共生：基于AI智能体的高中生物实验探究式学习路径构建与实践验证》开题报告

《“虚实共生：基于AI智能体的高中生物实验探究式学习路径构建与实践验证》开题报告

1. 选题背景与意义

背景：

高中生物实验受限于设备/周期，如DNA提取、生态演替，学生探究深度不足。生成式AI，如LLM、虚拟仿真技术成熟，但缺乏与生物学科核心素养，如科学思维、探究能力的系统整合。

意义：

教学革新：构建“AI智能体引导+实体实验”双轨模式，破解实验教学瓶颈。

能力培养：通过AI动态生成探究任务，发展学生假设设计、数据分析等高阶思维。

2. 研究目标与内容

目标：① 开发高中生物AI智能体系统，含知识图谱、探究任务生成模块；② 设计3类虚实融合实验课例，微观观察/长周期实验/风险实验；③ 实证检验对科学探究能力提升效果。

内容：梳理高中生物必修实验难点，按新课标要求；构建生物概念关系图谱，如“光合作用-能量转换-影响因素”；开发AI智能体对话逻辑，引导提问-方案优化-误差分析。

3. 文献综述：

AI+教育：参考《AIED》（2023）中智能体促进自主探究的“脚手架理论”。

生物实验教学：分析虚拟实验应用现状（张荣华，2022），指出交互性不足缺陷。

关键突破点：现有工具多为预设程序，需强化生成式AI对开放性探究的支持。

4. 研究方法

基于LLaMA-3微调生物领域模型，接入实验传感器实时数据。使用Unity开发AR虚拟实验场景，如细胞分裂动态模拟。

在2所中学开展对照教学，实验组：AI智能体支持；对照组：传统模式。测评工具：科学探究能力量表（SPCS）+ 实验报告质性分析。

5. 创新点

提出“AI智能体驱动的探究循环”：问题生成→假设迭代→虚实验证→结论反思。将生物传感器数据，如pH值、温度，实时输入AI模型，支持实验决策。利用AI分析学生对话日志，自动评估科学推理水平。

6. 预期成果

开源AI智能体系统，含生物知识图谱数据库。3套虚实融合实验课程包，含教学设计/AR资源。1篇SCI/SSCI论文；实验教学有效性实证报告。为“人工智能+学科”教育应用提供范式参考。

7. 研究计划