人工智能时代科学教师如何适应教育变革

曾宝俊：苏州大学实验学校特级教师，教育部小学科学课程标准修订组核心成员、教育部第二届课程与教材专家委员会委员，基础教育国家级教学成果奖评审委员，全国优秀科技辅导员。秉持在课堂上落实儿童“带着走”的能力的教学理念，坚信科学教育不仅仅是传授知识，更是要培养学生的科学思维方法、科学探究能力和科学态度与责任感，注重学生的主体性，倡导让学生在实践中探索科学、发现科学、享受科学。“精于心而简于形”，鼓励学生提出问题，独立思考，主张将科学与其他学科进行跨学科整合，以拓宽学生的视野和知识面。“理趣交融”，用幽默风趣的语言和生动的例子来引导学习科学、爱上科学。

当下，人工智能（AI）在社会各领域得到广泛应用，改变着人类的生产、生活方式。在人工智能生成内容（AIGC）技术应用背景下，科学教师面临的教学环境和需求发生了显著变化。AIGC技术的快速发展为教师提供了丰富的教学资源和工具，同时也要求教师在教学方式和角色定位上进行调整，以更好地利用这些技术提高教学效能。众所周知，教师是课堂教学的核心要素，任何形态的教育教学，要取得预期的理想成效，教师都是最为关键的因素。笔者作为科学教师，深知当下教师的“知”不再权威，教师的“能”也显单薄。科学教师如何应对智能技术引发的教学变革？我们应该与时俱进，重塑知能结构，建构新型学习共同体，研发新课程。在课堂上，要确立新型师生关系，促进学生能力与素养发展。

一、建立对科学教育的新认识

AI改变科学课堂乃至科学教育生态。具体来说，AIGC技术的应用正在影响科学教育，冲击着传统的科学知识观、学习主体观和教育环境观。对此，教师需要有新的更深刻的认识。

（一）重新认识科学知识

课堂是传递科学知识的场所。围绕着学生的生长，教师以知识为载体，在传递知识的过程中，引导学生发展科学思维，培养科学能力，涵养科学态度，培育科学品质。AIGC技术出现以后，科学知识正在经历一场从静态、孤立，到动态、关联和跨界的深刻变革。数字技术的“比特传播性”使得知识更加网络化、可视化、具身化，这为教与学带来了无限可能。对学生来说，知识的本质变得更为个性化、开放和灵活。因此，科学教师需要转变角色，不仅要传授知识，更要引导学生理解科学知识的产生、发展和应用过程。课堂上传递知识的价值是让学生发现自我，追求个性的解放。学生获取知识的方式可以突破物理时空限制。

（二）重新认识学习主体

特级教师钱梦龙提出“教师为主导、学生为主体、训练为主线”教学主张，强调学生在学习过程中的主体性。人工智能时代，学生的主体性会得到进一步拓展。学生可以借助多种智能工具和平台，自主、便捷地获取丰富的科学知识。例如教学中，学生可以随时向“豆包”提问，请Kimi帮助分析表格，让百度助手协助处理数据。在人工智能的助力下，学生在科学学习中的主体地位更加凸显。学生可以利用智能工具进行独立探索、实践操作，甚至与全球范围内的专家和同龄人进行交流和合作。这种变化不仅提升了学生的学习效率和兴趣，而且促进了他们创新能力和科学素养的培养。教师不再仅仅是知识的传递者，更是学生学习科学的引导者和合作伙伴。教师需要掌握先进的教育理念和技术，帮助学生筛选、整合和利用智能工具提供的信息，引导学生深入思考和探索。

（三）重新认识科学教育环境

传统的教学环境下，学生个体被束缚于封闭、狭窄的教室之中。智能技术的应用为科学教育提供了更加开放、多元和互动的环境。在线实验室、虚拟仿真、智能教学系统等新型教育形式不断涌现，为科学教师提供了丰富的教学资源和手段。基于波普尔（Karl Popper）的“三个世界”理论，可将学习环境分为三种样态，即物理学习环境和虚拟学习环境，以及现实世界与虚拟世界融合的学习环境。新的科学教育环境观更加注重与学生的现实世界链接，更加注重主体性和实践性，提倡学生主动参与科学学习，更加注重思维方向，强调在情境中镶嵌概念，以实验、探究和合作等方式来发现和掌握知识。智能技术的应用也为科学教育的环境建设提供了更多可能性，使得科学教育更加生动、有趣和高效。同时，科学教育环境也变得更加个性化和智能化，便于教师根据学生的学习需求和兴趣特点为其提供定制化的服务。

二、研判AIGC技术对教师的影响并积极应对

AIGC技术的应用对科学教师影响深远。教师可从个体、群体和课程设计三个层面进行分析并采取应对措施。

（一）形塑多层复合型知能结构

智能时代，知识领域的交叉融合越来越深入，教师需要具备跨学科的知识结构，以便更好地指导学生跨学科学习。当下的教师专业素养在知识结构上已经不同于过去。它不再局限于“学科知识+教育学知识”的传统模式，而是强调多层复合的结构特征。具体表现为：教学要素的改变、教学结构的优化、教学时空的调整、教学方式的变革及各类教学资源的整合。AIGC技术应用越来越普遍，科学教师要不断更新和拓展自己的知识领域。例如，教师需要了解和掌握AIGC的基本原理、应用场景及发展趋势，以便更好地将其融入科学教学中。科学教师应用AIGC技术，需要具备相应的技术能力，包括数据分析、机器学习、深度学习等技能，以及利用AIGC进行课程设计和教学实施的能力。在AIGC的辅助下，科学教师需要转变传统的教学思维，从注重知识传授转向注重学生的能力培养和思维发展。这要求科学教师具备创新思维、跨界思维等多元思维能力。科学教师的这种知能结构不仅包括系统的学科知识，而且涵盖数字化教学技能、数据分析能力、课程创新与设计思维及科学伦理知识等多个层面，因而被称为“多层复合型知能结构”。

（二）构建共生发展型学习共同体

智能技术介入科学教育场域，让整个科学教育系统发生解构，出现了结构性的变化。教师作为教育生态中核心关键要素，面对AI课堂中虚拟化、碎片化、无中心化的教学，容易产生“数字化”焦虑与“技术化”恐慌。随着技术的不断发展，教师需要终身学习，不断更新自己的知识和技能，以适应时代变化。AIGC技术的应用促使科学教师加强协作，共同探索和应用新技术。教师以共同备课、研讨交流等方式，组建相互支持、共同成长的学习共同体。AIGC技术为科学教师提供了丰富的教学资源和学习机会。教师以共享优质教学资源、交流教学心得等方式，实现资源的优化配置和高效利用。AIGC技术的应用推动了科学教师的专业发展。教师参与技术培训、课题研究等活动，提升专业素养和教学能力，进一步推动学习共同体的发展。

（三）研发生本个性化科学课程

科学教师在面对多样化的学习需求和快速变化的教育环境时，需要具备课程研发能力。在AIGC技术的辅助下，科学教师可以根据学生的学习需求和兴趣设计课程。教师以引入生动有趣的案例、设计互动性强的学习任务等方式，激发学生的学习兴趣。

AIGC技术可以模拟真实的实验场景和过程，为科学教师开发实践性课程提供有力支持。教师可以开展虚拟实验，模拟仿真，让学生在实践中学习和掌握知识。例如，在教学“杠杆”知识时，笔者借助Kimi设计了三种学习方案，即融合AI的讲授式教学、探究式教学和项目式学习。

1.融合AI的讲授式教学方案

笔者利用AI制作图文并茂、生动有趣的课件和动画，帮助学生直观理解杠杆的三个点（用力点、支点、阻力点）和杠杆的工作原理。应用智能技术收集学生的学习数据，分析学生的掌握程度和学习难点，有利于获得精准有效的教学建议。

2.探究式教学方案

笔者借助AI创设虚拟实验环境，引导学生自主探究杠杆的平衡条件和实际应用。同时，利用智能导师系统，为学生提供个性化的指导和支持，帮助他们解决探究过程中遇到的问题。

3.项目式学习方案

笔者设计了以“杠杆”为主题的项目任务，如制作简易杠杆工具、研究杠杆在日常生活中的应用等。利用智能技术为学生提供教学所需的资源和工具，如3D打印模型、模拟软件等。利用项目管理平台，监控项目进度，提供个性化的反馈和建议，帮助学生顺利完成项目任务。

笔者利用AI推荐算法，基于学生个体差异，如知识基础、学习能力、兴趣偏好等，为他们定制不同的学习路径。Kimi向学生推荐适合他们的学习资源、练习和拓展内容。同时，利用学校里的AI助教系统，为学生提供实时的学习反馈和解答疑惑。AI平台根据学生的学习进度和表现，自动调整教学难度和节奏，以满足不同学生的需求。AI助教系统能够为学生提供实时的反馈，帮助学生及时纠正错误，提高效率。笔者根据学生的反馈和表现，及时调整教学策略和方法，提高教学质量。

对不同的班级采用不同的教学方案，笔者发现传统讲授式较难适应学生的个体差异和需求。采用探究教学法和项目式学习的方式教学能够更好地体现学生的主体地位和个性化发展：对于头脑灵活敢于挑战的学习小组来说，探究式教学法更适合他们；而对于理性思考和自主性比较强的学习小组来说，项目式学习则是他们展示风采的平台。笔者根据教学内容和学生特点灵活选择或综合运用这些学习方案，以促进学生全面发展。

同时，笔者还借助Kimi等智能教学工具践行“生本个性化”教育理念，为每个学生提供定制化的学习支持和资源。例如，笔者让学生与“豆包”或Kimi对话，模拟科学实验或探索科学现象，从而培养学生的实践能力和创新思维。这利于教师根据学生的实际情况和兴趣特点，设计出既有趣又有启发性的科学课程。AIGC技术具有跨学科整合的特点，教师可以用其将不同学科的知识进行有机融合。科学教师可以利用AIGC技术将其他学科的内容引入科学教学中，拓宽学生的知识视野和思维领域。

三、应用AIGC技术为教学赋能

智能技术推动着教育场域变革，作为教育核心要素之一的教师也应该主动求变，面对新的机遇和挑战。教师应从以下几个方面对应科学课堂教学变革。

（一）确立共在对话型师生关系改进教学方法

从本质上讲，教育是教育主客体之间的对话与敞亮，是一种存在之交流。在共在对话型师生关系中，笔者鼓励学生积极参与讨论、提出问题和分享观点，使其从被动变为主动，学习更加投入。笔者不像以往那样预设对话进程，而是真正敞亮自己，与学生发生思维碰撞，进而产生新的话题，使问题向纵深发展，这就是“共在性”。

AIGC技术为师生提供了更多的互动机会和平台。在技术的辅助下，教师和学生可以实时在线交流、讨论和协作，进行紧密沟通和联系。这种共在对话型的师生关系的建立有助于营造积极的学习氛围，提高学生的参与度和兴趣。学生在与教师的互动中能够更深入地理解科学概念，解决问题。例如，在教学“生物进化论”时，笔者问“为什么某些物种会在进化过程中逐渐消失”，引导学生从不同角度思考并分享自己的观点。笔者鼓励学生积极对话，发表见解，从而建立起师生间对话的基础。

接下来，笔者让学生依据自己的思考和观点与AI对话，向AI求助：如何验证观点？其间，笔者组织学生分组讨论或合作实验，让他们在共同完成任务的过程中相互学习、相互启发。在小组讨论中，笔者鼓励学生发表意见，同时倾听他人的观点。笔者也发表观点，引导学生学会尊重和理解不同的想法。确立共在对话型师生关系在教育实践中具有深远的意义，特别是在科学教育领域中。这种师生关系的建立有助于营造更为民主、平等、开放的教学环境，促进师生之间的深度交流和互动。

此外，在共在对话型师生关系中，笔者还利用智能技术来增强师生之间的对话和互动。例如，利用Kimi在线学习平台的社交媒体工具建立学习社群，让学生在课后继续与教师和其他同学进行交流和讨论。笔者借此及时了解学生的学习情况，反馈意见，为其提供个性化的指导和帮助。同时，学生也能在更宽松、自由的环境中表达想法，与教师建立起更加平等、亲密的关系。

在确立共在对话型师生关系的过程中，教师还应注重培养学生的批判性思维和创新能力。如在教学“珍惜水资源”过程中，学生根据一份我国各省水资源分布数据表格分析求解。表格中江苏的水资源量在全国处于中等水平。有学生问“豆包”软件：江苏的水资源为什么匮乏？也有学生问“豆包”：江苏的水资源为什么比别的省份丰富？“豆包”根据学生的提问分别给出了截然相反的结论。笔者将不同结论直接呈现给学生。学生陷入沉思：都是智能软件给出的结论，到底相信谁？这时，笔者引导学生针对图标重新提出科学问题：江苏的水资源状况如何，江苏在全国范围内属于水资源匮乏还是丰富的省份？有哪些证据？学生也意识到提问方式和甄别答案的重要性。如此互动，学生不仅可以更好地掌握科学知识，而且能提升批判性思维和解决问题的能力。

在科学课堂上，教师可以利用AIGC技术展示虚拟实验或模拟场景，并邀请学生参与讨论和分析。教学的时空界域、知识的存在样态、主体的角色地位发生了系统性变革，这就需要采用动态生成、非线性、集成式、网格化、数字化的思考和表达方式来诠释新的师生关系。教师引导学生对科学问题进行深入探究和反思，鼓励他们提出新的假设和解决方案，可以帮助他们养成独立、自主的学习习惯。这将进一步促进师生之间的对话和交流，营造更加积极、健康的学习氛围。

（二）借助AIGC技术引导学生科学探究

AIGC技术为学生提供了丰富的科学资源和工具，帮助他们更好地进行科学探究。教师可以使用平台的智能推荐、数据分析等功能，根据学生的兴趣和需求，提供个性化的学习路径和探究方向。科学教师不再仅仅是科学知识的传递者，而是需要与学生共同探索、发现和理解科学知识。教师要学会利用智能工具和平台，引导学生参与科学探究活动，培养他们的科学思维和解决问题的能力。科学教师要做学生学习科学的引导者和合作伙伴。教师要教会学生有效使用智能工具和平台，筛选和评估信息的真实性和可靠性，从而培养学生的自主学习能力和批判性思维。

例如，笔者利用百度文库助手平台开展了一项关于生物多样性的科学探究活动。在活动开始前，笔者首先借助学校智能教学系统，对学生的前置知识进行了了解和分析，制订了有针对性的教学计划和任务。

在探究活动中，笔者引导学生利用“形色识物”App进行生物多样性数据的收集和分析。学生借助在线平台，观察并记录了不同生态系统中物种的种类和数量，并利用智能软件对收集到的数据进行处理和分析。在这个过程中，笔者不仅提供了必要的指导和支持，而且鼓励学生提出问题和假设，引导他们深入思考和探究。

随着活动的深入，学生开始发现一些有趣的现象和规律，例如某些物种在不同生态系统中的分布和数量存在差异。笔者借此机会，引导学生进一步探讨这些现象背后的成因，帮助他们建立对生物多样性的深刻认识和理解。

在整个探究过程中，笔者始终与学生保持紧密互动，鼓励他们表达观点和想法，同时也给予他们充分的自主权和选择权。这种个性化的学习体验能够激发学生的学习兴趣和探究欲望，使他们更加主动地参与到科学学习中来。同时，AIGC技术还能根据学生的学习反馈和表现，及时调整学习内容和难度，确保学生的学习效果。

（三）挖掘AIGC平台潜能助力学生成人成才

AIGC技术在科学教学中的应用给学生带来了前所未有的学习体验，极大地促进了学生多方面能力的发展。教师可以用Kimi设计更具创新性和互动性的活动，提高教学效率。例如，笔者让学生与“豆包”或Kimi对话，模拟科学实验或探索科学现象，培养学生的实践创新能力。

应用AIGC技术开展科学教学能提高学生的信息素养和数字化学习能力，使他们能够更好地适应数字时代的需求。AIGC技术的应用，让学生置身于数字化学习的前沿。例如，笔者利用AIGC平台为学生提供大量的在线学习资料，如交互式电子书、3D科学模型库等。这些资源不仅开阔了学生的知识视野，而且让他们在浏览、筛选和整合信息的过程中，逐渐提升了信息素养。此外，AIGC技术平台还能根据学生的学习进度和兴趣，智能推荐相关的学习内容和练习题，使学生的学习更加个性化和高效。

AIGC技术辅助教学有利于培养学生的科学探究能力和创新精神。AIGC技术的应用丰富了虚拟实验室、数据分析工具等创新教学工具。在虚拟实验室中，学生可以不受时间、地点和实验条件限制，随时随地参与实验探究。例如，在物理教学中，笔者让学生利用AIGC技术进行虚拟电路实验，探究电路的工作原理。这种探究方式不仅让学生更加深入地理解了科学知识，而且激发了他们的探究兴趣和创新精神。此外，AIGC平台还具有强大的数据分析功能，能帮助学生从大量的实验数据中提取有价值的信息，进而提出新的观点和想法。学生利用AIGC技术参与虚拟实验、数据分析等活动，能够更深入地了解科学现象和规律，并尝试提出新的观点和想法。

AIGC技术的应用还促进了学生间的合作与交流。在科学探究的过程中，学生需要分组进行实验、分析和讨论。AIGC平台为学生提供了在线协作工具，如实时聊天室、共享文档等，支持其随时随地交流和协作。在线协作提高了学生的团队合作效率，还让他们学会了如何与他人有效地沟通。同时，AIGC平台还具有成果展示和分享功能，支持学生在完成学习任务后，将成果展示给同伴和教师，从而得到更多的反馈和建议。展示和分享也有助于学生提高表达能力，增强信心。教师引导学生对科学问题进行深入探究和自主学习，将进一步促进师生对话和交流，形成更加积极、健康的学习氛围。

AIGC技术的应用对科学教学产生了深远的影响。科学教师应积极学习并应用AIGC技术，将其用于教学，确立共在对话型师生关系，引导学生科学探究，促进学生全面发展。

责任编辑：祝元志