人工智能时代中小学科学教育：变革、挑战与重塑

【摘 要】中小学科学教育在培养高素质创新人才、实现国家的科技创新中发挥着重要的作用。随着人工智能的发展，中小学科学教育经历从局限到联通的教育时空转换、从片面到丰富的内容拓展、从一元到多元的主体变化、从单一到多样的载体革新。然而，现实的中小学科学教育却面临着教育场所窄化、内容适度性失衡、评价体系单一等挑战。因此，本文构建“虚实联通”的教育场所、打造“精准贴切”的教育内容以及构建“多元立体”的教育评价体系等策略，实现中小学科学教育的重塑，促进高素质创新科技型人才队伍的建设。

【关键词】人工智能；中小学；科学教育；教育重塑

【中图分类号】G434 【文献标志码】A

【论文编号】1671-7384（2024）08-005-03

在百年未有之大变局下，创新人才尤其是科技创新人才越来越成为决定国家竞争优势的一个关键变量。就中小学而言，科学教育是以自然科学内容为主，以提高青少年科学素养为导向，以培养科技创新后备人才为目标，发展个体及群体科学素养的教育教学活动，是推动教育、科技和人才高水平融合发展的关键着力点[1]。

人工智能是新一轮科技革命的重要驱动力，为教育现代化带来了更多可能性。习近平总书记在第一届国际人工智能与教育大会贺信中强调：“中国高度重视人工智能对教育的深刻影响，积极推动人工智能和教育的深度融合，促进教育革新。”人工智能已逐渐深入到教育领域，分析当前中小学科学教育面临的变革和挑战，对未来中小学科学教育的发展有着深远的意义。

人工智能时代中小学科学教育的变革

法国社会学家皮埃尔·布迪厄以“场域”概念来定义“各种位置之间存在的客观关系的一个网络，或一个构型”[2]。这种“网络”或“构型”会随着历史和现实、实际和可能发生变化。随着人工智能深入教育场域，中小学科学教育的现实环境发生改变，科学教育的时空、主体、资源、载体等也随之产生变革。

1．科学教育时空从局限到联通

人工智能的发展为中小学科学教育带来了革新，打破了传统教育时空的有限性，突破固定的场所和时间。科学教育空间从校内走向校外、从实体走向虚实结合、从静态走向动态。通过跨媒体智能搭建全息化的科学教育空间，突破物理时空限制，形成由文字、视听、味触觉信息等组成的综合性的“心象”，让科学知识以直观化、立体化的形式呈现，供学生全面且有效地理解。中小学科学教育能够借助全息成像设备、智能传感器等基本工具实现跨时间联动，呈现过去的和预测的未来科学探究项目，供学生投身学习与研究，让学生挣脱时间不可逆的枷锁，实现科学教育由“关注此时此刻”向“体验过去、现在、未来”的转变。

2．科学教育内容从片面到丰富

人工智能的发展能够突破科学教育资源的有限性，消除科学教育资源的“孤岛效应”，缓解教育资源分布失衡的难题。教育时空的打破可使科学教育资源实现校际、区际甚至国际间输送与整合，弥补了偏远地区教育资源短缺的现状。人工智能赋能科学教育创建嵌入式、融合多门学科知识的科学教育情景，促使科学教育内容体系打破以往森严的学科壁垒，有效弥合了学科间知识的鸿沟，帮助学生深入挖掘科学学科与其他学科内容的相关性，实现知识“内化于心、外化于形”，最终在解决复杂的科学创新实践中提升科学素养。

3．科学教育主体从一元到多元

数智时代发展背景下，科学教育的主体将从单一化向多元化、层级性向平等性、排他性向合作性转变。首先，技术让跨越时空得以实现，将处于不同空间的教师、专业人员、家长等成员“聚集”到课堂，为学生科学素养的培育构建师资团队。ChatGPT、Sora等生成式人工智能可作为通用的任务助理[3]，为师生提供智能辅助，在减轻教师负担的同时，为学生提供丰富的智能辅导。其次，多元化教师的聚集与智能化教师的介入，使传统教师的“上位”权威地位逐渐崩塌，助力师生关系由“垂直型”向“民主型”转变。逐渐丰富的科学教育资源可有效减少学生的资源竞争关系，助力构建合作型的“生生”主体关系。

4．科学教育载体从单一到多样

人工智能在传统教学的语言、行动和活动等基础载体上加以补充信息虚拟载体，实现教育载体的多样化。机器感知识别、自然语言处理理解等技术的发展为科学教育提供了丰富多样的具象化载体。大量丰富的网络资源对科学教育相关知识进行展示和解读，是教育内容发布和传递的载体。人工智能打造近乎真实的VR模拟科学教育情境，综合运用语言文字、音频、视频和智能终端等载体，创建仿真实践、创设历史文化情境、开展互动参与的科学活动，为学生科学知识、科学能力、科学态度的全面提升构筑平台。

人工智能时代中小学科学教育面临的挑战

人工智能逐步深入教育领域，给教育场所、教育内容、教育评价体系等方面注入了新的活力。在带来教育变革的同时，也对中小学科学教育提出了新的挑战。

1．科学教育现实场所窄化

在生物识别、知识图谱、人机交互、扩展现实等技术的支持下，中小学科学教育中虚拟课堂或智能全息环境比重将加大，现实教育场所呈现窄化的趋势。然而，真人、真物呈现的现实场所才是科学教育的最终归宿。智能技术为学生提供虚拟仿真感知，却无法使之亲历实践，缺乏现场感。中小学科学教育作为以自然科学为主，涵盖科学技术、科学社会学等丰富内容的综合学科，离不开人与人直接交往的亲身实践。学校过分依赖人工智能在中小学科学教育中构建的虚拟教育场所而忽视了现实场所的重要性，反而导致中小学生科学观念偏失和科技创新能力缺乏。

2．科学教育内容适度性失衡

教育生态学认为，处于生态圈的每个因子与其他生物物种或生态环境都有相互作用的适度范围，一旦超出适度范围就会导致最适度原则失衡，甚至引起生态系统的巨变[4]。智能技术构建丰富而多元的知识库，大量科学教育内容汇集到科学教育课堂，超出了中小学生可接受范围，导致学生接受能力与接受量之间失衡，造成学生认知负荷加大。优质的科学教育内容混杂在大量堆积的信息中，难以最大程度发挥出作用。此外，中小学科学教育内容的呈现重知识轻实践、重普适轻个性，缺乏精确筛选和提供，未能以契合学生的思维方式和接受能力的形式表征，无法满足学生的多样化和个性化发展需求，科学教育内容作为中小学科学教育“生态圈”的因子之一无法发挥其预期作用，导致教育实际效果与科学教育要求失配。

3．科学教育评价体系单一化

目前中小学科学教育评价体系单一，侧重于对知识掌握、具体问题解决等显性因子的评判和反馈，缺乏对思维形成、探究能力等隐性因子的准确评判，难以全面、精准和立体地展现学生科学素养各方面的发展状况。此外，目前普适性、笼统性的评价模式侧重对学生普遍共有表现的考量，缺乏针对不同发展水平学生的个性化评价及针对学生不同发展阶段的多样化评价体系，难以对每一位学生的学习过程和学习结果做出精准、个性的评价反馈。科学、准确的反馈结果是教师和学生查漏补缺，改进自我的“向导”。单一的评价体系难以准确反映涵盖知识、思维、实践能力等多方面的科学教育培育效果，因而难以为学生后续的学习做出积极指引。

人工智能时代中小学科学教育的重塑

随着人工智能在中小学科学教育中的深入，中小学科学教育需要通过构建“虚实联通”的教育场所、打造“精准贴切”的教育内容以及构建“多元立体”的教育评价体系来重塑中小学科学教育，为科技创新人才培养奠定坚实的基础。

1.构建“虚实联通”的教育场所，深化学生科学探究的真实体验

虚拟教育场所是现实场所的补充与延伸，应使虚拟之境无限趋近现实，最大程度打破虚实教育场所之间的壁垒。首先，以现实中真实科学探究场景为原型，借助VR、AR、MR等技术打造沉浸式教学情景，以不同实际科学探究场景角色为参照，通过3D max角色建模构建具有立体化形象和真人言语、行为与表情的数字人，以发挥自然人的“分身”作用，结合科学教师的指导与配合，最大化程度提升虚拟教育场所中学生实践体验的临场感和人际情感感知的真实性。

其次，与兼具科学氛围和教育功能的科学研究院所、科技企业及农林牧实践基地等现实场所合作，实现课堂虚拟科学教育场景与真实社会的联动。在科学素养具象化的场景中，唤醒中小学生在虚拟场景的体验感知，实现其虚实场景中体验感联通的同时，还可促使学生进一步灵活运用和全面内化科学知识，提升创新意识和能力。此外，学生可将所学的科学知识与探究方法灵活运用于生活实际问题的解决，养成科学探究兴趣和习惯，促进科学知识和思维行动化，实现日常式科学学习。

2.打造“精准贴切”的教育内容，满足学生科学学习的个性化需求

根据谢尔福德 （Shelford） 的耐度定律，学生的承受力和耐受度是有限的。当科学教育内容施加给学生时，一旦超过了学生的承受力和耐受度就会适得其反。因此，科学教育内容的提供不在多，而在“精准”。首先，设立智能初步筛选同教师人工二次筛选相结合的模式，借助多元数据分析技术对中小学生现有科学知识水平、认知水平、科学技能习得等情况进行准确识别和分析，结合教师在教学过程中的观察和记录，对学生进行分组和分层，在分析数据的基础上，利用人工智能分析和再造的优势，根据不同层组学生的接受能力与学习方式偏好，提供贴切的科学内容和相匹配的训练模式。其次，通过智能收集、教师日常观察和师生交流，分析中小学生的学习思维、科学兴趣、行为偏好，结合中小学科学教育重在实践、融合的特点，构建关注大概念、实验探索、跨学科探究的科学内容模块，满足学生的发展需求。

3.构建“多元立体”的教育评价体系，推动学生科学素养渐进提升

有学者指出：“富于计算力的人工智能擅长处理定量的信息，而富于创造力的人类更擅长处理定性的信息。”[5]一方面，借助人工智能实施伴随式数据采集，持续性、全方位、全过程地收集学生的科学学习数据，细致地、全面地记录学生运用科学知识与实施科学探究的表现，为学业评价提供完善的基础性数据。另一方面，建立以高素养科学教师为主的多元主体智囊团，根据人工智能提供的基础数据，对定性评价中的复杂隐性的要素理性分析，针对不同发展水平的学生作出个性化评价。充分收集和采纳教师、家长和同学的多元评价与意见，实现人机共同论证，实现评价多元化和立体化。此外，可构建学段衔接式评价模式，借助人工智能针对每位学生设立电子档案袋，实时监测与更新，收纳中小学生不同学段完整的评价数据。在前一学段的反馈基础上更新评价维度与标准，确保教育评价的准确性与完整性，促进学生科学素养阶段性提升。

参考文献

郑永和，张登博，王莹莹，等. 基础教育阶段的科学教育改革：需求、问题与对策[J]. 自然辩证法研究，2023，39（10）： 11-17.

布迪厄，华康德.实践与反思：反思社会学导引[M].李猛，李康，译. 北京：中央编译出版社，2004： 133-134＋136＋149.

张洪忠，黄民烈，张伟男，等. ChatGPT的技术逻辑、社会影响与传播学未来[J]. 江西师范大学学报（哲学社会科学版），2023，56（2）： 24-31.

陈旗敏. 教育生态学视野下的课堂教学[J]. 内蒙古师范大学学报（教育科学版）， 2008（1）： 109-111.

王作冰. 人工智能时代的教育革命[M]. 叶光森，整理. 北京：北京联合出版公司，2017：153.

编 辑：仲玉维