前 言

长期以来，中学课堂中的实验教学大多采取预设步骤的方式：学生按照规定的程序进

行器材组装、数据记录，并最终验证既有的科学结论。这样的实验虽然规范，但更多是重

复前人的设计，而并非真正的科学探究。学生在实验操作中往往缺乏自主探索的空间，因

而难以培养严谨的科学思维与动手能力。实验课程的根本目标，应当是让学生通过实验探

索获取知识，而不仅仅是验证已有的结论。然而，传统实验的程序化操作恰恰导致了这一

目标难以实现。

人工智能技术的兴起为实验教学提供了新的解决方案。早在20 年前，机器人进入学

校课堂时，国内外的教育者就开始思考如何将其应用于学科实验，并进行了许多有益的尝

试。编者曾受邀参与乐高教育科学模块的审定工作，其中的理念正与本书的理念高度一致：

通过引入机器人和人工智能技术，实验教学不再局限于传统的固定程序，而是能让学生主

动进行实验设计，发挥潜能，培养探索精神。

然而，对于普通学科教师而言，编程始终是一道难以跨越的门槛。传统的编程方式主

要分为两类：代码式编程（如Python）和图形化编程。图形化编程在最初推广时，旨在降

低入门门槛，面向非专业人员。但在实际教学中，当程序复杂度提高时，即便是图形化编程，

也需要长期训练与专业知识支撑，因而在跨学科应用中仍面临诸多挑战。人工智能的出

现，极大地降低了编程难度，使编程不再仅是专业技能，而逐渐成为一种普遍可用的工具。

基于此，我们提出了一种新的方法：将人工智能与图形化编程结合，应用于教师培训

和实验设计之中。实践表明，这一方法不仅帮助普通学科教师有效突破了编程障碍，还为

他们提供了跨学科开展实验探究的途径。多年来，我们在试点学校推广与应用这一模式，

获得了广泛认可与积极评价。

基于此，编者将相关经验与成果整理成本书。本书不仅可以提供一个简单可行的实验

设计方法，更希望帮助广大教师提升科学素养，激发科学探究兴趣，从而推动学科教学的

创新与发展。希望本书所提供的技术能够得到更广泛的应用与推广，为中国教育的改革与

进步贡献力量。

由于编者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请读者批评、指正。

编者

2026 年4 月