基于代理式人工智能編程的虛擬探究實驗開發——以小學科學“晝夜交替現象”課程為例

近幾年，教育部從課程標準到使用指南密集出臺了多個政策文件，旨在加強中小學人工智能教育。本期專題集合了科技教育專家與多位一線教師的思考與實踐，以期共同促進人工智能在教育領域的應用，為發展學生核心素養貢獻智慧。

文_曹舒旻1 李英文2 李風翼2

（1.珠海高新區永豐小學；2.北京師范大學未來教育學院）

摘要：針對小學科學課程虛擬實驗開發中存在的技術門檻高、教學適配性不足的普遍問題，本研究以教科版小學《科學》“晝夜交替現象”為例，探索基于代理式人工智能編程平臺Qoder的解決路徑，旨在為一線教師提供清晰、可操作的開發方法論，為同類工具的研發提供兼具科學性與易用性的實踐參考。

關鍵詞：人工智能　實驗工具開發　晝夜交替　虛擬探究實驗

問題提出

2025年4月，教育部等九部門在《關于加快推進教育數字化的意見》中提出“探索‘人工智能＋教育’應用場景新范式”[1]，《中小學科學教育工作指南》亦強調“利用智能裝備為科學教學創設沉浸式學習環境”“探索虛擬仿真和計算機建模等科學教學新模式”[2]。在此政策導向下，虛擬探究實驗作為融合情境創設與交互體驗的教學工具，教育價值日益凸顯。大量研究表明，虛擬探究實驗能有效激發學生的學習動機[3]，并在提升教育體驗、增強學習效果與改善學習態度方面，比傳統課堂具有顯著優勢[4-5]。其能構建更符合認知機制的學習環境[6]，尤其在呈現宏觀或微觀現象、突破實驗條件限制等方面展現出獨特優勢。

當前主流的虛擬探究實驗（如PhET、Gizmos）多由專業編程團隊開發，缺乏一線教學實踐，所開發出的資源往往只能基于教學大綱進行通用化設計，無法精準對接具體的教學需求。而擁有強大代碼生成能力的通用大模型（如DeepSeek）的興起，為教師自主開發教學工具提供了可能，但這類通用大模型往往以結構化提示詞作為開發指令，在面對科學現象的動態模擬等復雜項目時存在困難。自然語言與編程語言的對接壁壘使其難以系統性地完成多步驟的復雜項目。而代理式人工智能（Agentic AI）編程將大語言模型與實際開發工具深度結合，能很好地解決此類問題。其以智能體為核心，借助智能體理解開發者的自然語言，自動化分解復雜任務，并使用工具鏈完成具體編程任務。這一開發新范式可以支撐復雜任務的精細化構建，同時以其低門檻、高準確度的開發優勢，鼓勵一線教師自主開發貼合自身教學需求的工具。

本研究聚焦于探索代理式人工智能編程如何深度賦能學科教師，以Qoder為工具，結合“晝夜交替現象”課例，系統演示其協助構建虛擬實驗的完整路徑，從而提煉出可遷移、可復現的關鍵經驗，為教師自主創作適配學情的探究工具提供直接參考。

虛擬探究實驗的開發

01

開發的理論基礎

教育心理學家約翰·斯威勒提出的認知負荷理論指出[7]，學習過程中的認知負荷可分為內部認知負荷、外部認知負荷與關聯認知負荷3類。其中內部認知負荷由學習材料本身的復雜性和學習者的先前經驗決定，外部認知負荷則源于學習材料的呈現方式和教學設計，關聯認知負荷是指為促進知識建構而投入的認知資源。在小學科學“晝夜交替現象”課程教學中，學生面臨的核心認知難點在于“地球、太陽的相對運動關系具有抽象性，晝夜交替的成因涉及自轉、公轉等多個關聯變量”，這些內容超出了小學生的直觀認知范圍，導致內部認知負荷和關聯認知負荷較高。傳統教學通過實物模型演示或視頻的方式呈現，往往難以在學生表達觀點時及時根據學生的假設進行調整，也難以清晰展現動態變化過程，影響學習效果。為此，本研究涉及的虛擬探究工具的開發以認知負荷理論為指導，借助代理式人工智能編程優化內容呈現與交互，將抽象天體運動轉化為可視化動態模擬，以降低外部認知負荷；支持學生對模型進行即時操作與假設驗證，并通過突出晨昏線移動等關鍵變量，引導其將認知資源集中于理解核心運行機制，從而有效促進關聯認知加工，助力科學概念的深度建構。

02

開發流程

開發流程遵循目標錨定—邏輯構建—界面設計—效果檢驗的核心邏輯，如圖1所示。

圖1　代理式人工智能編程輔助虛擬探究實驗開發流程

明確開發目的　“晝夜交替現象”是教科版小學《科學》6年級上冊第二單元“地球的運動”的第二課，教學工具的設計需立足課程實際、貼合教學需求，并進行綜合考量。從課程標準看，《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確要求學生“能借助動畫演示或動手制作簡單模型，模擬地球、月球和太陽的相互關系，解釋相關自然現象的成因”，這為虛擬實驗的功能定位與設計方向提供了根本遵循；就教材內容而言，本節課以晝夜交替自然現象為核心，引導學生從現象出發推測成因、提出假設，并進一步探究假設的合理性，這一探究邏輯決定了虛擬實驗的核心探究路徑；從學情特點分析，6年級學生正處于具體運算向形式運算過渡的關鍵時期，思維仍在一定程度上依賴具體事物與直觀模型，自主構建動態空間關系的能力相對薄弱，這要求虛擬實驗強化動態可視化與直觀引導。基于上述分析，本虛擬探究實驗工具的開發目的明確為：通過建構動態可視化模型，幫助學生直觀厘清地球運動與晝夜現象的內在關聯，引導其系統梳理晝夜交替的各類可能假設，掌握借助模擬實驗驗證假設的科學方法，最終在主動探究過程中建構正確的科學概念。

構建教學交互邏輯　基于POE（預測—觀察—解釋）教學策略構建本虛擬實驗工具的教育交互邏輯，形成“問題引導—假設提出—實驗驗證—結論辨析”的完整探究鏈條。課堂初始，教師提出核心探究問題：“為什么會有晝夜交替現象？可能與哪些天體有關？”引導學生初步關聯太陽、地球兩大核心天體。隨后，教師總結過渡，聚焦天體運動形式，并追問：“天體一般存在自轉和公轉運動，在什么情況下地球會出現晝夜交替現象呢？”鼓勵學生深入思考并形成各自的假設。在此基礎上，學生借助虛擬實驗探究工具開展假設驗證，通過工具呈現的不同假設對應現象差異，對比分析并修正初步認知。學生結合實驗反饋再次觀察梳理，明確各種可能的晝夜交替假設，進而辨析出合理假設及其內在成因，最后由教師進行總結提煉，理清晝夜交替產生的核心條件與科學結論。

設計實驗界面　“晝夜交替現象”課程的教學內容抽象性強、需動態感知，因此界面設計需兼顧“支撐探究流程”與“降低認知負擔”兩大核心目標，確定實驗載體核心框架為“三維動態模擬＋變量控制面板”。從認知負荷理論出發，需剔除無關信息，聚焦核心變量，避免學生注意力分散；從適配交互邏輯看，界面需能精準承載假設呈現、實驗驗證等關鍵環節，助力探究鏈條落地。基于此，在核心模擬場景處構建簡化的太陽系局部模型，僅保留太陽、地球兩大核心天體，通過不同顏色直觀區分晝夜區域，規避無關信息帶來的額外認知負荷；在假設模型設計上兼顧“以太陽為中心”和“以地球為中心”2種認知視角，預設6種核心假設，精準匹配交互邏輯中假設驗證的關鍵環節，方便學生對比不同假設下的現象差異。此外，輔助功能模塊設置了運行速度、運行時間調節功能，滿足學生反復觀察、深入探究的需求，進一步聚焦自轉、公轉等核心變量與晝夜現象的關聯，確保學生的認知資源集中于探究過程本身，助力其高效完成假設驗證與概念建構。

設定提示語內容　使用人工智能編程工具編寫虛擬實驗探究工具時，可以嘗試多種工具，以Qoder為代表的代理式人工智能編程工具，將大模型深度集成于集成開發環境（IDE），具備理解項目上下文、自主規劃開發任務的核心能力，其核心優勢集中在自然語言交互與全流程自動化。因此，提示語的精準設定成為銜接開發需求與Qoder執行的核心，提示語內容需明確學科要求、功能要求、交互要求與呈現要求，具體示例如下。

● 開發要求：開發一款講解“晝夜交替現象”的虛擬探究實驗工具，幫助學生通過自主操作探究晝夜交替的成因。

● 學科知識要求：地球自西向東自轉，自轉周期約24小時，地球圍繞太陽公轉周期約為365天。

● 工具頁面結構設計要求：首頁設置標題與導航，引導學生進入“猜想選擇”頁面；分組展示“太陽圍繞地球運動”和“地球圍繞太陽運動”兩類科學假說（具體如表1所示）；為每一種假說配置獨立的動態模擬場景，所有場景統一包含天體模型、光照系統、交互控制面板及運動軌跡可視化模塊，以保障探究過程的完整性與一致性。

將上述提示語輸入Qoder，生成基于web的虛擬實驗原型，保存為HTML格式，點擊即可在瀏覽器中打開使用，初次開發的實驗界面示例如圖2所示。

圖2　Qoder生成的晝夜交替虛擬實驗界面示例

檢驗實驗效果　在這一階段，需檢驗網頁中模型的運行效果是否符合設計要求。初次開發效果不佳，且存在以下問題。①操作不夠簡便：在首頁中直接解釋了晝夜交替現象，文字過多；操作按鍵需要下拉才能找到；“猜想探究”會跳轉至新的界面，各個猜想之間操作較為復雜。②模型實現效果弱：沒有出現晨昏線，地球晝夜交替現象無法區分。③地球是純色球體，自轉效果無法區分，沒有達到教學要求。

將發現的問題整理為有針對性的提示語，再次輸入Qoder進行優化，核心改進如下。

● 參數優化：增強晝夜區域顏色對比度；改進光照效果，朝向太陽的一面被金黃色光籠罩，背向太陽的一面呈現暗色；為地球添加紋理圖案，提升自轉辨識度。

● 界面優化：所有6個模擬場景可以在同一頁面切換顯示，左右分欄布局，當前選中項有高亮顯示；右側演示區有動畫展示、控制面板、猜想說明。

● 交互功能：“光照開關”控制太陽光照效果；“速度控制”減速或加速運行速度；“時間計數器”顯示模擬運行的時間；“重置”按鈕可恢復初始速度和時間。

此外，在改進過程中需要保持多輪對話，可以利用Qoder的時間線功能對不同版本的細節進行調整。多次改進后界面如圖3所示，這個版本已能達到初始的設計目的和要求。

圖3　優化后的晝夜交替虛擬實驗界面示例

代理式人工智能編程教學建議

虛擬實驗的開發與應用是一項系統化教學設計，為確保真正服務于學生科學素養的深度發展，其設計需遵循學生的認知習慣，更要使技術成為破解教學難點、支撐科學思維發展的認知支架。。

01

錨定教學核心，強化虛擬實驗的教學指向

開發虛擬實驗工具時，教師需精準錨定教學核心難點，確保技術功能服務于核心概念的深度理解與探究目標達成。工具應引導學生超越表層觀察，通過整合界面信息、處理實驗數據完成意義建構，實現從零散觀察到系統分析的認知躍遷。以“晝夜交替現象”教學工具設計為例，需超越天體運動動態演示，緊扣成因解釋的探究本質，支持學生自主調整變量、觀察關聯變化，將抽象因果推理轉化為可操作、可驗證的過程。同時，工具需作為可視化支架，搭建推理的共同思維錨點，讓內隱推理顯性化，聚焦核心科學邏輯展開討論。

02

選定恰當概念，發揮虛擬實驗的有效作用

代理式人工智能編程工具的技術特性與科學概念內在邏輯存在適配差異，其更擅長模擬機制清晰、變量關系明確的概念（如物理運動、地理現象等），而對多尺度、非線性相互作用的復雜生命系統（如心臟跳動、植物生長），易出現信息缺失、偏離科學本質的問題，難以滿足教學需求。因此，設計選用時需揚長避短，依托虛擬實驗在變量控制、過程模擬與理想化驗證方面的優勢，探究確定性規律；對復雜生命概念，應以實體觀察和動手實驗為基礎，將代理式人工智能編程虛擬工具作為前期引導或難點可視化輔助，與實體實踐互補，促進學生理解概念的本質。

03

匹配交互方式，適應數字時代的學習習慣

虛擬實驗交互設計需貼合學生日常數字產品使用習慣，采用拖拽控制、滑塊調節、點擊即時反饋等通用操作邏輯，降低工具陌生感。界面設計需聚焦核心觀察變量，減少無關干擾，降低外在認知負荷。在此基礎上，可適度融入游戲化元素，通過即時成就反饋、階梯式挑戰關卡或敘事性任務，驅動學生主動反復試錯、系統觀察與策略性反思，深度參與科學探究全過程[8]。

總結與展望

代理式人工智能編程為創新探究式教學模式提供了全新路徑。本文以“晝夜交替現象”課程為例，呈現了依托代理式人工智能編程開發虛擬探究實驗的全流程。研究梳理了技術與教學融合的核心要點，同時為小學科學教師提供了低代碼、高效能的虛擬實驗開發方案，助力教師以前沿技術為載體，精準賦能學生科學概念建構與探究能力的協同發展。

未來可進一步優化虛擬探究實驗，增強動態交互與個性化支持。如根據學生在探究過程中的操作軌跡、假設提出情況，自動生成差異化引導與實驗進階任務，使其更貼合不同認知水平學生的探究需求；建立完善的教師培訓制度與資源共享空間，讓更多教師掌握代理式人工智能編程開發虛擬實驗的方法，將靈活的教學構思注入技術工具，推動“小眾嘗試”走向“普遍應用”。

參考文獻

[1] 教育部，中央網信辦，國家發展改革委，等．關于加快推進教育數字化的意見[Z]．教辦〔2025〕3號，2025-04-11

[2] 教育部辦公廳．中小學科學教育工作指南[Z]．教監管廳〔2025〕1號，2025-01-14．

[3] 鄭婭峰．虛擬科學探究學習：內涵、價值與實施框架[J]．現代遠程教育研究，2024，36（5）：16-24．

[4] Wu W L,Hsu Y,Yang Q F,et al.A spherical video-based immersive virtual reality learning system to support landscape architecture students’ learning performance during the COVID-19 era[J]. Land, 2021，10(6):561.

[5] 陳憶濃，張玉雙．虛擬仿真實驗教學對本科生外語學習績效的影響機制研究[J]．外語電化教學，2022（3）：52-57．

[6] 潘云鶴．人工智能2．0與教育的發展[J]．中國遠程教育，2018（5）：5-8，44，79．

[7] Sweller J, Van Merri?nboer J J G, Paas, F. Cognitive architecture and instructional design[J]. Educational Psychology Review,1998, 10(3): 251–296.

[8] Zhang F, Brynildsrud H, Papavlasopoulou S, et al. Where inquiry-based science learning meets gamification: a design case of Experiverse[J]. Behaviour and Information Technology, 2025, 44(5): 1099-1121.

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來源 | 《中國科技教育》2026-2

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜