基于人工智能技术的非遗产品创新设计实验教学范式探究

摘要

针对中小学人工智能教学工具化、浅表化与素养转化难的问题，应用先进的人工智能技术，构建了“数智六阶”实验教学模式，依托AIGC、VR等技术，设计了自驱式的非遗实验教学模式。该模式以浏阳花炮为载体，通过虚拟仿真、人机协同与创意迭代，实现从科学认知到创新实践的能力进阶，培育学生的跨学科思维与智能素养，为非遗活态传承与智能教育融合提供可推广的实践路径。

Graphical abstract

关键词

人工智能 / “数智六阶” / 非遗产品设计 / 实验教学 / 浏阳花炮

2025年4月25日，习近平总书记在主持中共中央政治局第二十次集体学习时强调“推进人工智能全学段教育和全社会通识教育，源源不断培养高素质人才”，为新时代教育数字化转型指明了方向。AI教学应用在教师准备度、基础设施与AI素养等方面存在显著挑战，导致技术往往停留于工具层面，难以转化为深度学习支持与迁移能力培养的机制^［1］。若缺乏明确学习目标与过程性支架^［2］，智能与沉浸式工具易使学习停留于感知层面，并在安全管理、价值导向与课堂秩序等方面带来潜在风险。鉴于此，以浏阳花炮这一国家级非遗项目为载体，具体应用路径如图1所示，依托“数智六阶”模型（文化认知—技术理解—创意思维—AI融汇—智能设计—创新生产），构建融合虚拟现实（VR）、AIGC等技术的实验教学新模式^［3］。该模式遵循“认知筑基—思维进阶—价值实现”的进阶逻辑，先通过沉浸式场景将抽象的物理化学原理具象化，再以人机协同拓展认知边界^［4］，最终通过智能设计实践培育创新能力，实现从“知识传授”到“素养培育”的转变，为非遗活态传承与智能教育融合提供可推广的实践路径。

1 构建“数智六阶”，确立进阶式实验教学目标

依据《义务教育课程方案（2022年版）》及相关学科课标，针对中小学生认知发展的差异性，将教学学段细化为小学高年级（5~6年级）与初中阶段（7~9年级），确立进阶式素养培育目标。探究摒弃传统单一知识灌输，以“数智课堂实验教学六阶模型”为脚手架，具体模型架构如图2所示，结合浏阳花炮非遗项目的跨学科特性，将课时目标解构为“认知与理解”“思维与融汇”“设计与生产”3个递进层级，旨在实现学生创意观念、创新思维、AI实践与文化自信的自驱循环。

1.1 构筑认知基石：构建具象化的科学与技术图景

科学层面，引导学生透彻理解黑火药爆炸的氧化还原机制与金属焰色反应；技术层面，依托VR沉浸式交互，让学生在虚拟环境中自主“拆解花炮”，直观捕捉微观反应动态。通过科学原理与数字工具的双重解构，帮助学生透过现象看本质，实现从感性“看热闹”到理性“懂门道”的认知蜕变。

1.2 促进思维进阶：人机协同下的创意生成与转化

学生利用AIGC提取非遗符号，通过驾驭提示词逻辑与参数微调，精准掌控图像风格。在此过程中，学生化身数字创意负责人，与AI协作生成兼具美学价值与物理规律的创意草图。这不仅让技术服务于艺术，更让学生深入理解AI赋能非遗传承的逻辑，切实提升跨学科创新思维。

1.3 推动价值实现：虚拟仿真验证与工程化落地

引导学生利用3D建模将创意转化为具备物理属性的参数模型，通过虚拟仿真实验，依据烟雾遮挡率等数据反馈，对设计进行反复迭代与修正。这不仅是制作，更是验证，打通了从“创意构想”到“实体产出”的路径，最终输出经得起推敲的预演视频或实体作品，完成严谨的工程化闭环。

2 践行“数智六阶”，非遗实验进课堂

探究面向小学高年级与初中阶段设计的全流程贯通的非遗实验进课堂路径。针对小学高年级，侧重“审美感知”与“信息意识”，引导学生在3个任务中建立对非遗的感性认知与数字初探；针对初中阶段，则聚焦“科学思维”与“计算思维”，要求在同一流程中深化对微观原理的剖析及基于数据的工程化迭代，实现从“感性体验”到“理性探究”的深度转化。

2.1 基础实验：文化情境感知与技术体验

尊重学生顺应认知的规律，以定性实验先行，构建学生对非遗与技术的整体感知框架，解决“懂什么”与“用什么”的问题。

【实验任务1】“云游花炮厂”：虚拟时空的定性探究。

针对学生的安全认知特点，实验规避了高危的火药实操，转而利用VR全景技术构建“数字孪生”车间。学生佩戴设备以第一视角“进入”虚拟工厂，通过虚拟手柄拆解并组装药柱、引信等核心部件。在“焰色反应”模块，学生通过选取不同的金属元素球（锶、钡、铜等）置于虚拟药室，直观观察并记录对应的色彩变化，具体实验记录如表1所示。这种将抽象化学原理转化为可视化的“颜色匹配游戏”，有效建立了学生对浏阳花炮非遗技艺的直观感知。

2.2 拓展实验：AI辅助的创意生成与变量控制

创意转化环节是数智课堂区别于传统手工课的核心所在，更是创新思维的进阶枢纽，重点解决“精准表达”与“自驱修正”的问题。

【实验任务2】“数字烟火设计师”：基于AIGC的变量控制。

实验教学重心由“技艺模仿”转向“人机协同”，学生身份转化为“数字烟火设计师”。实验摒弃传统手绘模式，开展基于AIGC的“变量控制”探究，具体创意生成与变量控制记录如表2所示。学生需提取类似“步步高升”这样的文化符号，将其转化为AI提示词（Prompt）。通过控制形容词变量（如“绚丽”VS“极简”）或参数权重，观察生成图像的视觉差异。此过程不仅降低了美术技能门槛，更重点培养了学生利用数字化工具精准调控创意输出的计算思维，并记录提示词迭代过程，以筛选最优实验方案。

2.3 实验输出：虚拟设计中的创意思维训练

设计将聚焦高阶创新与工程实践能力的融合，直面创意转化。教学重点转向物理规律、工程规范与设计意图的协同约束，引导学生在工程逻辑下自驱创意方案，完成从艺术构想到工程实现的系统转化。

【学习任务3】“虚拟燃放演练”：基于数据的迭代优化。

进入“虚拟燃放演练”环节，将优选方案导入物理仿真引擎，进行定量模拟。学生在实验中将视觉创意转化为具体的物理参数（发射角度、药量等），系统实时反馈燃放高度、覆盖面积及烟雾遮挡率等关键数据。若数据未达标（如高度不足存在安全隐患），学生返回修正参数，具体仿真数据反馈与迭代过程见表3。这种“设计—模拟—反馈—修正”的闭环迭代，让学生在零成本的虚拟试错中习得严谨的工程思维，最终确认的模型可经3D打印转化为实体结构，完成从虚拟创意到工程落地的跨越。

3 深耕“数智六阶”：自驱式创新路径可复制

3.1 数智化实验教学：课堂启蒙的技能化

从浏阳花炮非遗项目走进小学高年级和初中年级课堂的实验教学中发现，中小学阶段正是数字素养与实验能力培养的关键期。通过引入虚拟现实（VR）等技术，项目将花炮的物理化学原理、焰色反应等抽象知识具象化，学生通过虚拟场景学习这些原理，可大大提升对烟花文化的理解。采用数智化实验教学模式有效弥补了传统教学中与实践脱节的问题，让学生在借助AIGC生成创意设计中完成从知识接收到技能培养的转变^［5］，亦为今后的创新学习奠定坚实基础。

3.2 跨学龄实验衔接：进阶式教学体系化

进阶式实验体系推动实验教学从单点实施走向整体建构，为学生形成稳定、连续的科学探究能力提供了结构化支撑。通过VR、虚拟仿真与创意设计工具的协同应用，不同学段的实验内容在目标、方法和评价上形成递进关系，有效避免了重复学习或断层教学的问题。围绕同一非遗实验主题，项目通过分层设计教学任务，使学生在小学阶段侧重体验与理解，在初中阶段逐步深化原理认知与技术应用，在连续学习中实现能力进阶，满足连贯实践中跨学龄实验衔接的现实需求。

3.3 自驱式创新激励：创意思维的延展化

实验教学通过分步骤指令修正，进一步激励了学生的自驱式创意思维。借助实时数据反馈和个性化学习指导，学生能够清晰了解自己的学习进度与优势，从而自主调整学习策略和创作方向。AIGC等智能工具的应用，不仅提升了学生的AI技术应用能力^［6］，也帮助他们在创新设计过程中不断优化方案、解决问题。通过人机协同的学习模式，学生逐渐从模仿转向创新，形成了自我驱动的学习方式，在实践中拓展了创意思维，有效提升了自主学习能力，为未来的学习和职业发展提供了持续的创新动力。

信息技术为初中物理循证教学提供了强大的支持，从实验设计、数据采集、数据分析到学习评价，都展现了其独特的优势。数字化实验设备的精确性和效率，以及信息技术的个性化学习支持，为学生提供了更丰富的学习体验，促进了学生科学思维和核心素养的发展。随着信息技术的不断发展，其在循证教学中的应用将更加广泛，将为提高物理教学效果和学生学习成果做出更大的贡献。

参考文献

[1] 李玉顺，韩梦莹.教育强国背景下人工智能赋能教育教学创新：未来图景，实践路径与风险审思［J］.中国电化教育， 2025（08）：13-21.

[2] 张洁，苗永岱.数字化游戏学习的沉浸调节支架模型构建［J］.电化教育研究，2025，46（04）：65-72.

[3] 刘晓茜，李曦明，何人可.基于交互虚拟现实技术视域下非遗文化数字化传承与创新［J］.艺术工作，2022（01）：93-98.

[4] 于素梅，王晓燕.教育数字化背景下学校体育本质再认识［J］.上海体育大学学报，2025，49（08）：1-10.

[5] 申晓燕.AIGC技术在数字媒体设计及其教学中的应用研究［J］.玩具世界，2024（09）：189-192.

[6] Park Y S.Creative and critical entanglements with AI in art education［J］.Studies in Art Education，2023，64（04）：406-425.

[7] 上接第 136 页）

[8] 3.3　提高自主能力，促进思维发展

[9] 物理课堂教学的目的是让学生通过问题、证据、解释、交流等过程，学习物理规律、应用物理规律。物理规律的得出过程必须是在学生自主参与课堂教学的情况下完成的，这样才能有效培养学生的观察和实验能力、推理和分析能力、思维和创新能力等物理学科核心素养。现代化实验教学鼓励学生主动参与学习过程，提高自主学习能力。信息技术平台给学生提供了丰富的实践机会，如物理实验设计和模拟等，让学生能够在实践中提高创新能力和动手能力。比如，学生可以根据自己的兴趣和需求，在物理学习中，选择自己感兴趣的课题进行深入探索和学习；信息技术平台支持学生自主绘制物理模型，如光的反射模型、电磁场模型，提高学生的建模能力；学生可以根据个人学习程度调整自己的学习进度和难度，通过互动式的学习体验，激发学习兴趣和动机。总之，现代教学技术手段可以帮助学生构建实时互动反馈的学习评价体系，适应多元需求，支持个性学习，提高自主学习能力，促进思维发展，培养学生的核心素养，为学生未来的学习和发展奠定坚实的基础。

[10] 结语

基金资助

湖南省普通高等学校教学改革研究项目“课程思政融入设计艺术专业教学的体系化探索及实践”(HNJG-20230384)

长沙理工大学研究生教学改革立项项目“基于生成式AI的设计艺术专业硕士核心课程建设及教学范式变革”(CLYJSJG24002)