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例析人工智能驱动的生成式探究学习

中图分类号：G633.91文献标识码：B

ChatGPT等生成式人工智能（AIGC）的相继出现，为教学带来了新的机遇与挑战。部分学者通过对AIGC进行问答测试，提出对生成式人工智能的使用建议：情境问题的应用需要依靠教师的指导。[

1教材分析及设计思路

“发酵工程为人类提供多样化生物产品”是沪科技版普通高中教科书《生物学·选择性必修生物技术与工程》第1章第2节中的内容。本节内容中，学生能够达成“如何从小作坊走向工业标准化”的学习目标，但对有关工业发酵的流程、发酵过程的调控、发酵罐的结构与发酵产品的应用等内容仍缺乏真实的体验。教师单纯以讲授的方式进行教学难以调动学生的学习热情并发展其深度思维。已有相关研究表明，采用项目式教学策略能够取得良好的课堂教学效果。[2]

笔者以“生成式探究学习模型”为基础进行教学设计，该模型包括六个环节：激发、任务、对话、迁移、结论和评价[3；以“青蒿酸的工业化生产”为案例创设情境。学生通过与AIGC进行对话，构建青蒿酸工业发酵流程，并在新情境中完成开放性任务、在知识的迁移中多角度地参与社会议题，最终通过评价完善设计方案。具体教学流程如图1所示。

（1）能够以青蒿酸的发酵生产为实例，结合实验室微生物培养与生产实践，基于结构与功能观、物质与能量观等生命观念，分析发酵工程的重要环节，构建工业发酵流程。

（2）能够以青蒿酸的规模化生产为目的，结合技术思维和工程学思维，设计发酵罐的基本模型，实现发酵过程的调控。

（3）能够结合科学研究与已学知识，初步构想相关发酵产品的工业生产原理与流程，提升利用所学知识跨学科解决实际问题的能力。

3.1激发与任务

教师展示情境资料：青蒿素通过释放高剂量的自由基杀死隐藏于红细胞内的恶性疤原虫，被世界卫生组织称为“治疗疤疾的最大希望”。由于青蒿素人工合成工艺复杂、成本高且毒副作用大，不能将其作为药物使用。故需要直接从黄花蒿中提取，但黄花蒿仅夏天生长且生长期短，因此原料受到季节与地域的双重限制。

教师提供资料并展示青蒿素在细胞中的合成途径：FPP—青蒿酸—二氢青蒿酸一青蒿素[4，科学家通过多次基因改造获得了能够高水平合成青蒿酸的酿酒酵母菌株，进而实现了青蒿酸到青蒿素的高效转化。教师基于以上信息提出关键问题：如何利用现代发酵技术为人类提供多样化产品？接着教师明确本节课的任务：①构建利用现代化发酵技术生产青蒿酸的流程；②初步构想一种发酵产品工业化生产原理与流程，创造正面的社会效益。

设计意图：教师以青蒿素为案例激发学生的研究热情与解决社会性问题的动力。

3.2.1构建实验室中获取青蒿酸的流程

学生结合情境资料与已学知识，尝试设计实验室合成青蒿酸的流程。学生在讨论中说出必要步骤，并在教师的引导下尝试构建流程图（见图2）。

设计意图：学生通过构建流程图，激活已学知识，初步构建实验室的发酵流程，为后续梳理工业发酵流程做铺垫。

3.2.2构建青蒿酸的工业发酵流程

教师提供部分实践资料（见表1）。学生结合资料利用AIGC展开人机对话，构建工业发酵获取的青蒿酸流程图（见图3）。

设计意图：学生通过分析实践资料，借助AIGC进行人机对话，提出解决问题的方法，明确需要增设的环节，构建发酵工程的基本流程，发展自身的工程学思维，为后续发酵罐的设计奠定基础。

3.2.3设计发酵罐，生成模式图

教师引导学生基于青蒿酸工业发酵的流程与原理，让学生以小组为单位合作设计发酵罐并实现对发酵过程的调控。学生讨论并梳理出以下设计要点：①需要有能够及时监测发酵罐内部温度与溶氧的装置；②需要有能够及时监测与控制发酵罐内部pH的装置；③需要有接种口、补料口和放料口以实现酵母的接种、营养基质的添加与发酵产物的获取；④需要消除发酵罐中的泡沫；⑤需要由计算机系统自动收集、分析以上信息并优化控制。

设计意图：教师在此过程中应关注学生工程学思维与技术思维的发展，运用AIGC将学生的设计思路快速转换为模式图，激发学生的学习兴趣和成就感，发展其利用所学知识跨学科解决实际问题的能力。

教师引导学生小组初步构想发酵产品的工业化生产流程，创造正面的社会效益。在此过程中教师还需要提供社会需求和生产实际相关的资料，并利用多渠道为学生提供产品的设计方向信息，引导各学生小组独立探究设计方向。之后，教师介绍评价量表（见表2），并提示学生尝试使用AIGC进行设计，以此鼓励学生增大产品的选择范围。

设计意图：教师利用多渠道为学生提供产品的设计方向信息，鼓励学生关注社会问题，综合运用所学知识，结合AIGC搜集相关资源，在新情境中提出解决问题的方案，从而提升团队协作能力与创新实践能力。

学生小组进行总结汇报，在此过程中，一个小组提出：可利用秸秆和大型商超、水果店、厨余垃圾中的蔬果制备工业酒精，选择的工程菌