张宏玲　任翔

摘要：随着人工智能技术的快速发展，其在教育领域的应用逐渐深入。本文聚焦初高中生物学实验教学的衔接问题，基于AI赋能的理论基础和实践需求，以“自然选择与进化”为例，从理论研究、教学设计、教学实施、实验研究、资源建设五个维度系统构建AI赋能初高中生物学实验教学衔接的应用策略，实现学生在不同学段间学科知识、实验内容、能力发展上的梯度衔接，为生物学实验教学的跨学段整合提供实践路径。

近年来，随着初高中生物学课程标准的相继颁布，跨学段教学衔接成为基础教育改革的重要方向，其中实验教学作为生物学核心素养培养的关键载体，其系统性衔接尤为重要。高中生物学课程标准强调科学探究能力的进阶培养，但高中与初中实验教学存在一年的时间断层，加之内容难度与学生认知能力的差异，导致学生在初高中衔接阶段的探究能力发展受限。目前，初高中生物学实验教学仍存在断层问题，如实验设计梯度不足、探究深度割裂、教学方式单一等^[1]。以“进化论”为例，受限于进化过程的不可直接观察性、长期性以及模拟实验的复杂性，该主题的教学常面临实证困难。这导致部分学生对进化论中的不同观点缺乏科学鉴别能力，甚至对物种的进化机制(如自然选择、突变积累等)存在认知误区^[2]。与此同时，人工智能(AI)技术正深度赋能教育变革，其在个性化学习、智能实验方案生成、动态可视化(如实验动画、数字人讲解)及微课资源开发等方面展现出独特优势^[3]。因此，本文立足新课标要求，以“自然选择与进化”主题为例，开展初高中相关实验教学的学习进阶方案设计，结合AI技术(如图片生成视频、网页实验模拟器),探索初高中生物学实验教学的进阶式衔接模式，以解决教学断层问题，推动核心素养的跨学段贯通培养，并为人工智能技术与实验教学衔接的融合提供实践范例。

首先对初高中生物学课程标准和人教版初高中生物学教材内容进行了对比分析，梳理出初高中与“自然选择与进化”主题密切相关的实验内容，主要包括以下两个模拟实验(表1)。

学段	书册	实验主题	教材页码
初中	八年级下册	模拟保护色的形成过程	29页
高中	必修2 遗传与变异	探究自然选择对种群基因频率变化的影响	112页

在确定了相关实验内容之后，通过以下5个维度(图1)开展AI技术赋能初高中生物学实验教学衔接的应用研究，具体手段和内容阐述如下：

1 理论研究赋能(智能文献与课标分析)

利用DeepSeek、 ChatGPT、 Kimi等工具，自动检索和总结学术文献，对比初高中课程标准和教材内容，提炼核心异同点，生成文献综述框架或研究建议。

以DeepSeek为例，输入提示词：“你好!请基于初中生物学八年级下册‘模拟保护色的形成’和高中必修2《遗传与变异》‘探究自然选择对种群基因频率变化的影响’两个模拟实验，对课程标准和教材内容进行对比分析，提炼核心异同点，用表格的形式进行展示。”

图1 AI赋能初高中生物实验教学衔接的5个维度

DeepSeek回复：“以下是基于初中(八年级下册)生物学实验‘模拟保护色的形成’与高中(必修2)实验‘探究自然选择对种群基因频率变化的影响’的课标及教材对比分析表。”基于人工智能与教师批判性思考补充，从实验目标、学科核心素养、方法设计、数据要求和跨学科关联等维度提炼两个实验的核心异同点(表2)。

对比维度	初中实验：模拟保护色的形成	高中实验：探究自然选择对基因频率的影响
课程定位	生物学(八年级下册) 生物的多样性及适应性	高中生物学(必修2) 生物的进化与适应
课标要求	通过模拟实验，理解生物对环境的适应性(生命观念)	运用数学模型分析自然选择对种群基因频率的影响(科学思维)
实验目标	观察保护色对生存率的影响 理解适应性是长期演化的结果	掌握基因频率的计算方法 理解自然选择是进化的动力
核心素养指向	生命观念(适应与进化) 科学探究(观察与描述)	科学思维(模型与推理) 社会责任(生态保护意识)
实验设计	定性模拟：彩色纸片与背景匹配度对“捕食”的影响 变量：纸片颜色、背景颜色	定量模拟：用数学公式计算选择压力下的基因频率变化 变量：显隐性基因频率、选择系数
数据处理	统计不同颜色纸片的存活数量(百分比)	计算p和q的基因频率，验证Hardy-Weinberg平衡
技术工具	手工操作(剪刀、彩纸、计时器)	计算器/Python脚本自动计算 虚拟实验室(如PhET仿真)
跨学科关联	地理：环境与生物分布的关系 美术：色彩与背景匹配	数学：概率与统计(p2+2pq+q2=1) 信息技术：数据建模
认知层级差异	现象观察：聚焦“是什么”(保护色的作用)	机制探究：聚焦“为什么”(基因频率如何变化)
AI技术赋能 空间	Runway生成保护色动物动态视频辅助理解	GitHub Copilot生成基因频率计算代码、NB实验室模拟种群进化

2 教学设计赋能(智能实验方案优化)

利用DeepSeek、豆包等工具，根据进阶表自动优化实验步骤，生成初中至高中的梯度设计，完善衔接实验方案。

以豆包为例，输入提示词：“你好!请基于初中生物学八年级下册实验‘模拟保护色的形成’和高中必修2中实验‘探究自然选择对种群基因频率变化的影响’两个模拟实验，进行简要的实验教学设计。要求注重进阶分析和衔接设计，以表格的形式输出，字数控制在500字以内。”

豆包回复如下(表3):

项目	初中“模拟保护色的形成”	高中“探究自然选择对种群基因 频率变化的影响”	进阶与衔接
目标	直观感受保护色形成，初识自然选择，提升观察分析能力	计算基因频率，分析自然选择对其的影响，明确性状与基因频率关联，增强逻辑与实验设计能力	从宏观现象到微观基因层面，初中为高中打基础，高中深化认知
材料	彩色布料、各色小纸片、镊子、记录纸	初中材料加A/a基因卡片、计算器、统计表	高中增加基因相关工具，实现从性状到基因研究的进阶
步骤	(1)布料为环境，撒纸片模拟猎物；(2)定时“捕食”,记剩余数量；(3)重复多次，分析结果	(1)回顾初中，设定纸片代表A/a; (2)算初始基因频率，模拟“捕食”,重复多代；(3)分析频率变化	高中在初中基础上增加频率计算和多代观察，从现象到定量分析，回顾初中实现衔接
评价	操作规范、记录准确，能描述保护色形成及自然选择作用	基因操作正确、频率计算准，能分析影响及推理，反思实验	评价从现象描述到定量分析进阶，衔接点为对自然选择作用的理解深化

3 教学实施赋能(虚拟数字人教师)

利用即梦AI、剪映、D-ID、 HeyGen等工具，可以制作实验操作讲解动画、微课，扮演“AI导师”实时解答学生问题，从而助力实验教学普适化。例如，利用即梦AI的图生视频功能和剪映的配音功能可生成达尔文介绍自然选择学说的视频(图2)。

图2 利用即梦AI和剪映生成的视频

4 实验研究赋能(代码生成与数据分析)

利用通义灵码、DeepSeek等工具，可自动生成实验数据处理脚本，模拟复杂实验现象(如保护色形成、遗传概率计算),并可视化数据结果(图表、动态演示)。

以通义灵码为例，输入提示词：“你好!请帮我制作一个网页，模拟初中生物学桦尺蠖保护色形成的动态过程。”在初次生成的基础上，可进一步追加提示：“非常好!深色个体和浅色个体的颜色与数量需要更精确化，请修订网页。”生成的网页模拟器如图3所示，并可在此基础上通过追加提示进行完善。

针对高中“自然选择对种群基因频率变化的影响”这一进阶内容，可采用以下提示词：“你好!请进一步帮我生成模拟‘自然选择对种群基因频率变化的影响’的动态网页。内容设定如下：桦尺蠖的体色受一对等位基因S和s控制，黑色S对浅色s是显性的。在19世纪中叶以前，桦尺蠖几乎都是浅色型的，该种群中S基因的频率低于5%。到了20世纪中叶，黑色型的桦尺蠖却成了常见的类型，S基因的频率上升到95%以上。假设1870年，桦尺蠖种群的基因型频率为SS 10%, Ss 20%, ss 70%,S基因的频率为20%。由于树干变黑不利于浅色桦尺蠖的生存，使种群中浅色个体每年减少10%,黑色个体每年增加10%。请计算第2至10年间，该种群每年的基因型频率各是多少?每年的基因频率是多少?请动态模拟这个过程。”生成的网页模拟器如图4所示。

图3 通义灵码根据提示词生成的保护色形成过程模拟器

5 资源建设赋能(资源库与云端共享平台)

未来可通过构建资源库和云端共享平台，整合实验教学素材、虚拟仿真案例及AI分析工具，形成多维度衔接资源体系。利用Runway、 NB实验室(虚拟实验室)等工具，可生成3D实验流程动画，开发交互式虚拟实验，自动适配不同学段的教学需求。教师可一键调用标准化教案，学生可通过虚拟数字人进行互动学习，实现跨学段、跨层级的资源高效流通与个性化赋能，推动教学资源从“静态存储”向“动态协同”升级。

本文以“自然选择”主题为例，通过AI赋能的五个维度，系统构建了初高中生物学实验教学衔接的应用方案。实践表明，智能工具可在理论分析、教学设计、实施优化等各环节精准辅助教学，既保持教师主导作用，又充分发挥AI的个性化支持优势。此外，教师和研究者可通过追加提示词，不断丰富和完善AI的输出内容，从而赋能初高中实验衔接教学。通过动态可视化与智能交互，AI有效弥合了学段间的认知断层，实现从现象观察到机制探究的能力进阶。然而，AI输出内容的科学性和适配性仍需教师审慎判断，需结合教学目标和学情适度利用。本研究不仅为生物学实验教学改革提供了智能化解决方案，也为科学应用AI促进跨学段教学衔接提供了规范化实践参考。未来需进一步探索教师与AI的协同边界，推动智能技术与核心素养培养的深度融合，促进教育数字化转型的可持续发展。

图4 通义灵码根据提示词生成的基因频率变化模拟器

来源：张宏玲,任翔.AI赋能初高中生物学实验教学衔接的应用[J].生物学教学,2026,51(7)64-67.