【摘 要】中小學科學教育在培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才、實現(xiàn)國家的科技創(chuàng)新中發(fā)揮著重要的作用。隨著人工智能的發(fā)展，中小學科學教育經(jīng)歷從局限到聯(lián)通的教育時空轉換、從片面到豐富的內容拓展、從一元到多元的主體變化、從單一到多樣的載體革新。然而，現(xiàn)實的中小學科學教育卻面臨著教育場所窄化、內容適度性失衡、評價體系單一等挑戰(zhàn)。因此，本文構建“虛實聯(lián)通”的教育場所、打造“精準貼切”的教育內容以及構建“多元立體”的教育評價體系等策略，實現(xiàn)中小學科學教育的重塑，促進高素質創(chuàng)新科技型人才隊伍的建設。

【關鍵詞】人工智能；中小學；科學教育；教育重塑

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）08-005-03

在百年未有之大變局下，創(chuàng)新人才尤其是科技創(chuàng)新人才越來越成為決定國家競爭優(yōu)勢的一個關鍵變量。就中小學而言，科學教育是以自然科學內容為主，以提高青少年科學素養(yǎng)為導向，以培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備人才為目標，發(fā)展個體及群體科學素養(yǎng)的教育教學活動，是推動教育、科技和人才高水平融合發(fā)展的關鍵著力點[1]。

人工智能是新一輪科技革命的重要驅動力，為教育現(xiàn)代化帶來了更多可能性。習近平總書記在第一屆國際人工智能與教育大會賀信中強調：“中國高度重視人工智能對教育的深刻影響，積極推動人工智能和教育的深度融合，促進教育革新。”人工智能已逐漸深入到教育領域，分析當前中小學科學教育面臨的變革和挑戰(zhàn)，對未來中小學科學教育的發(fā)展有著深遠的意義。

人工智能時代中小學科學教育的變革

法國社會學家皮埃爾·布迪厄以“場域”概念來定義“各種位置之間存在的客觀關系的一個網(wǎng)絡，或一個構型”[2]。這種“網(wǎng)絡”或“構型”會隨著歷史和現(xiàn)實、實際和可能發(fā)生變化。隨著人工智能深入教育場域，中小學科學教育的現(xiàn)實環(huán)境發(fā)生改變，科學教育的時空、主體、資源、載體等也隨之產(chǎn)生變革。

1．科學教育時空從局限到聯(lián)通

人工智能的發(fā)展為中小學科學教育帶來了革新，打破了傳統(tǒng)教育時空的有限性，突破固定的場所和時間。科學教育空間從校內走向校外、從實體走向虛實結合、從靜態(tài)走向動態(tài)。通過跨媒體智能搭建全息化的科學教育空間，突破物理時空限制，形成由文字、視聽、味觸覺信息等組成的綜合性的“心象”，讓科學知識以直觀化、立體化的形式呈現(xiàn)，供學生全面且有效地理解。中小學科學教育能夠借助全息成像設備、智能傳感器等基本工具實現(xiàn)跨時間聯(lián)動，呈現(xiàn)過去的和預測的未來科學探究項目，供學生投身學習與研究，讓學生掙脫時間不可逆的枷鎖，實現(xiàn)科學教育由“關注此時此刻”向“體驗過去、現(xiàn)在、未來”的轉變。

2．科學教育內容從片面到豐富

人工智能的發(fā)展能夠突破科學教育資源的有限性，消除科學教育資源的“孤島效應”，緩解教育資源分布失衡的難題。教育時空的打破可使科學教育資源實現(xiàn)校際、區(qū)際甚至國際間輸送與整合，彌補了偏遠地區(qū)教育資源短缺的現(xiàn)狀。人工智能賦能科學教育創(chuàng)建嵌入式、融合多門學科知識的科學教育情景，促使科學教育內容體系打破以往森嚴的學科壁壘，有效彌合了學科間知識的鴻溝，幫助學生深入挖掘科學學科與其他學科內容的相關性，實現(xiàn)知識“內化于心、外化于形”，最終在解決復雜的科學創(chuàng)新實踐中提升科學素養(yǎng)。

3．科學教育主體從一元到多元

數(shù)智時代發(fā)展背景下，科學教育的主體將從單一化向多元化、層級性向平等性、排他性向合作性轉變。首先，技術讓跨越時空得以實現(xiàn)，將處于不同空間的教師、專業(yè)人員、家長等成員“聚集”到課堂，為學生科學素養(yǎng)的培育構建師資團隊。ChatGPT、Sora等生成式人工智能可作為通用的任務助理[3]，為師生提供智能輔助，在減輕教師負擔的同時，為學生提供豐富的智能輔導。其次，多元化教師的聚集與智能化教師的介入，使傳統(tǒng)教師的“上位”權威地位逐漸崩塌，助力師生關系由“垂直型”向“民主型”轉變。逐漸豐富的科學教育資源可有效減少學生的資源競爭關系，助力構建合作型的“生生”主體關系。

4．科學教育載體從單一到多樣

人工智能在傳統(tǒng)教學的語言、行動和活動等基礎載體上加以補充信息虛擬載體，實現(xiàn)教育載體的多樣化。機器感知識別、自然語言處理理解等技術的發(fā)展為科學教育提供了豐富多樣的具象化載體。大量豐富的網(wǎng)絡資源對科學教育相關知識進行展示和解讀，是教育內容發(fā)布和傳遞的載體。人工智能打造近乎真實的VR模擬科學教育情境，綜合運用語言文字、音頻、視頻和智能終端等載體，創(chuàng)建仿真實踐、創(chuàng)設歷史文化情境、開展互動參與的科學活動，為學生科學知識、科學能力、科學態(tài)度的全面提升構筑平臺。

人工智能時代中小學科學教育面臨的挑戰(zhàn)

人工智能逐步深入教育領域，給教育場所、教育內容、教育評價體系等方面注入了新的活力。在帶來教育變革的同時，也對中小學科學教育提出了新的挑戰(zhàn)。

1．科學教育現(xiàn)實場所窄化

在生物識別、知識圖譜、人機交互、擴展現(xiàn)實等技術的支持下，中小學科學教育中虛擬課堂或智能全息環(huán)境比重將加大，現(xiàn)實教育場所呈現(xiàn)窄化的趨勢。然而，真人、真物呈現(xiàn)的現(xiàn)實場所才是科學教育的最終歸宿。智能技術為學生提供虛擬仿真感知，卻無法使之親歷實踐，缺乏現(xiàn)場感。中小學科學教育作為以自然科學為主，涵蓋科學技術、科學社會學等豐富內容的綜合學科，離不開人與人直接交往的親身實踐。學校過分依賴人工智能在中小學科學教育中構建的虛擬教育場所而忽視了現(xiàn)實場所的重要性，反而導致中小學生科學觀念偏失和科技創(chuàng)新能力缺乏。

2．科學教育內容適度性失衡

教育生態(tài)學認為，處于生態(tài)圈的每個因子與其他生物物種或生態(tài)環(huán)境都有相互作用的適度范圍，一旦超出適度范圍就會導致最適度原則失衡，甚至引起生態(tài)系統(tǒng)的巨變[4]。智能技術構建豐富而多元的知識庫，大量科學教育內容匯集到科學教育課堂，超出了中小學生可接受范圍，導致學生接受能力與接受量之間失衡，造成學生認知負荷加大。優(yōu)質的科學教育內容混雜在大量堆積的信息中，難以最大程度發(fā)揮出作用。此外，中小學科學教育內容的呈現(xiàn)重知識輕實踐、重普適輕個性，缺乏精確篩選和提供，未能以契合學生的思維方式和接受能力的形式表征，無法滿足學生的多樣化和個性化發(fā)展需求，科學教育內容作為中小學科學教育“生態(tài)圈”的因子之一無法發(fā)揮其預期作用，導致教育實際效果與科學教育要求失配。

3．科學教育評價體系單一化

目前中小學科學教育評價體系單一，側重于對知識掌握、具體問題解決等顯性因子的評判和反饋，缺乏對思維形成、探究能力等隱性因子的準確評判，難以全面、精準和立體地展現(xiàn)學生科學素養(yǎng)各方面的發(fā)展狀況。此外，目前普適性、籠統(tǒng)性的評價模式側重對學生普遍共有表現(xiàn)的考量，缺乏針對不同發(fā)展水平學生的個性化評價及針對學生不同發(fā)展階段的多樣化評價體系，難以對每一位學生的學習過程和學習結果做出精準、個性的評價反饋?？茖W、準確的反饋結果是教師和學生查漏補缺，改進自我的“向導”。單一的評價體系難以準確反映涵蓋知識、思維、實踐能力等多方面的科學教育培育效果，因而難以為學生后續(xù)的學習做出積極指引。

人工智能時代中小學科學教育的重塑

隨著人工智能在中小學科學教育中的深入，中小學科學教育需要通過構建“虛實聯(lián)通”的教育場所、打造“精準貼切”的教育內容以及構建“多元立體”的教育評價體系來重塑中小學科學教育，為科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定堅實的基礎。

1.構建“虛實聯(lián)通”的教育場所，深化學生科學探究的真實體驗

虛擬教育場所是現(xiàn)實場所的補充與延伸，應使虛擬之境無限趨近現(xiàn)實，最大程度打破虛實教育場所之間的壁壘。首先，以現(xiàn)實中真實科學探究場景為原型，借助VR、AR、MR等技術打造沉浸式教學情景，以不同實際科學探究場景角色為參照，通過3D max角色建模構建具有立體化形象和真人言語、行為與表情的數(shù)字人，以發(fā)揮自然人的“分身”作用，結合科學教師的指導與配合，最大化程度提升虛擬教育場所中學生實踐體驗的臨場感和人際情感感知的真實性。

其次，與兼具科學氛圍和教育功能的科學研究院所、科技企業(yè)及農(nóng)林牧實踐基地等現(xiàn)實場所合作，實現(xiàn)課堂虛擬科學教育場景與真實社會的聯(lián)動。在科學素養(yǎng)具象化的場景中，喚醒中小學生在虛擬場景的體驗感知，實現(xiàn)其虛實場景中體驗感聯(lián)通的同時，還可促使學生進一步靈活運用和全面內化科學知識，提升創(chuàng)新意識和能力。此外，學生可將所學的科學知識與探究方法靈活運用于生活實際問題的解決，養(yǎng)成科學探究興趣和習慣，促進科學知識和思維行動化，實現(xiàn)日常式科學學習。

2.打造“精準貼切”的教育內容，滿足學生科學學習的個性化需求

根據(jù)謝爾福德 （Shelford） 的耐度定律，學生的承受力和耐受度是有限的。當科學教育內容施加給學生時，一旦超過了學生的承受力和耐受度就會適得其反。因此，科學教育內容的提供不在多，而在“精準”。首先，設立智能初步篩選同教師人工二次篩選相結合的模式，借助多元數(shù)據(jù)分析技術對中小學生現(xiàn)有科學知識水平、認知水平、科學技能習得等情況進行準確識別和分析，結合教師在教學過程中的觀察和記錄，對學生進行分組和分層，在分析數(shù)據(jù)的基礎上，利用人工智能分析和再造的優(yōu)勢，根據(jù)不同層組學生的接受能力與學習方式偏好，提供貼切的科學內容和相匹配的訓練模式。其次，通過智能收集、教師日常觀察和師生交流，分析中小學生的學習思維、科學興趣、行為偏好，結合中小學科學教育重在實踐、融合的特點，構建關注大概念、實驗探索、跨學科探究的科學內容模塊，滿足學生的發(fā)展需求。

3.構建“多元立體”的教育評價體系，推動學生科學素養(yǎng)漸進提升

有學者指出：“富于計算力的人工智能擅長處理定量的信息，而富于創(chuàng)造力的人類更擅長處理定性的信息。”[5]一方面，借助人工智能實施伴隨式數(shù)據(jù)采集，持續(xù)性、全方位、全過程地收集學生的科學學習數(shù)據(jù)，細致地、全面地記錄學生運用科學知識與實施科學探究的表現(xiàn)，為學業(yè)評價提供完善的基礎性數(shù)據(jù)。另一方面，建立以高素養(yǎng)科學教師為主的多元主體智囊團，根據(jù)人工智能提供的基礎數(shù)據(jù)，對定性評價中的復雜隱性的要素理性分析，針對不同發(fā)展水平的學生作出個性化評價。充分收集和采納教師、家長和同學的多元評價與意見，實現(xiàn)人機共同論證，實現(xiàn)評價多元化和立體化。此外，可構建學段銜接式評價模式，借助人工智能針對每位學生設立電子檔案袋，實時監(jiān)測與更新，收納中小學生不同學段完整的評價數(shù)據(jù)。在前一學段的反饋基礎上更新評價維度與標準，確保教育評價的準確性與完整性，促進學生科學素養(yǎng)階段性提升。

參考文獻

鄭永和，張登博，王瑩瑩，等. 基礎教育階段的科學教育改革：需求、問題與對策[J]. 自然辯證法研究，2023，39（10）： 11-17.

布迪厄，華康德.實踐與反思：反思社會學導引[M].李猛，李康，譯. 北京：中央編譯出版社，2004： 133-134＋136＋149.

張洪忠，黃民烈，張偉男，等. ChatGPT的技術邏輯、社會影響與傳播學未來[J]. 江西師范大學學報（哲學社會科學版），2023，56（2）： 24-31.

陳旗敏. 教育生態(tài)學視野下的課堂教學[J]. 內蒙古師范大學學報（教育科學版）， 2008（1）： 109-111.

王作冰. 人工智能時代的教育革命[M]. 葉光森，整理. 北京：北京聯(lián)合出版公司，2017：153.

編 輯：仲玉維