中美在线与混合教学模式在科学教育中的比较研究

摘 要 信息技术的快速发展促进了中美科学教育的创新，尤其是在线与混合教学模式的出现，不仅显著提升了教育资源的可达性，还增强了教学的灵活性。通过对比分析中美科学教育领域内在线与混合教学模式的实施策略和多样化实践及其成效，进一步探讨了这些教学策略的实施效果和科技创新在教学中的应用及其局限性。这些成果有望为在线与混合教学模式的进一步应用提供新的视角，并推动科学教育的可持续发展。

关键词 科学教育；在线与混合教学；信息技术

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）19-0-04

0 引言

21世纪信息技术的快速发展不仅引领了全球范围内的产业革命，也给教育带来深刻变革[1]。尤其是作为全球最大的两个经济体的中美两国及其教育市场，它们的科学教育体系在吸纳技术进步方面展现出显著且值得深入探讨的特征。在线与混合教学模式作为教育技术创新的前沿，已经在众多学校和教育机构中得到了广泛应用。近年来，学术界对在线与混合教学模式展开了深入研究，并取得了丰富的成果[2]。但在中美两国科学教育的具体应用和实施方面，尤其是在技术驱动的背景下，仍然需要更多的研究来深入探讨其差异和特点。

本文通过深度比较分析中美两国在线与混合教学模式的实施和成果，提供一个全面的科学教育在线与混合教学模式的比较框架，并探讨两国在科学教育的技术驱动下所展现的优势与挑战，以及各自的教育策略和实践经验。希望本文能为教育工作者和政策制定者提供有益的参考，帮助他们更好地利用技术优势，提升科学教育的质量。

1 中美科学教育中信息技术的应用现状

随着信息技术的不断发展和普及，中美两国在科学教育领域都在积极探索如何有效地融合并应用这些技术。这场由技术驱动的教育变革不仅彻底改变了传统的教学模式，而且为学生创造了一个丰富多元的学习环境。

1.1 信息技术的应用

在美国，信息技术在科学教育中应用已经成为一种普遍现象。各类先进的教育技术设备，如智能黑板和VR/AR实验室，已经成为许多中小学和大学的标配。例如，在生物学和地理学课程中，教师利用智能黑板上的数据可视化工具展示复杂的数据集，如基因表达模式或气候变化数据。此外，政策的推动在这方面也发挥了关键作用，美国国家科学基金会（NSF）资助的一系列项目进一步促进了教育技术的应用[3]。NSF资助了一个名为“Cyber-Physical Systems in Education”（教育中的网络物理系统）项目，该项目旨在将网络物理系统（CPS）技术引入中学的STEM（科学、技术、工程和数学）课程。

相对而言，我国的科学教育在信息技术的应用上展现出了一种后发制人且快速发展的特点。随着“互联网+教育”政策的实施，我国的中小学和大学开始大量采用教育技术[4]。数字化教材已在众多学校投入使用，这些教材通常搭载了互动模拟、视频和自我测试工具。例如，人教版数字教材通过提供丰富的互动内容，帮助学生深入理解复杂的科学概念。借助人工智能技术，部分学校和教育机构开发了智能教学助手，比如智能教学助手与学生智能学伴，能够根据学生的学习行为和反馈提供个性化的学习建议。同时，为满足远程学习的需求，一些政府机构、行业协会、院校和科研机构推出了在线实验平台。例如，教育部基础教育司推出的“全国中小学实验在线平台”使学生可以在线进行物理、化学和生物实验。

1.2 在线与混合教学平台与工具的多样化应用

在美国，多个在线教育平台，如Coursera、edX和Khan Academy，为不同阶段的学习者提供丰富的科学课程资源，涵盖了科学教育的多个领域。以Khan Academy为例，该平台针对K-12阶段学生推出了丰富的科学教育资源，覆盖生物学、化学、物理学等领域，允许学生在互动式环境中探索细胞结构、化学反应和牛顿的运动定律等科学概念。另外，多所大学和研究机构利用Coursera或edX平台提供专题讲座或研讨会，同时，NASA与Coursera的合作为学生提供了一系列关于太空探索的课程，并开启了与太空科学家交流的机会。

在我国，线上平台如学堂在线和网易云课堂与多所顶尖大学合作，提供了丰富且高质量的科学教育资源。例如，网易云课堂中的特定化学课程通过提供3D分子结构模型和化学反应动画，允许学生从微观角度探究化学键和反应机制。同时，一些生物学课程在学堂在线提供的虚拟工具，使学生得以深入探索动植物细胞、组织或器官的内部结构。此外，一些天文学课程在平台上提供的虚拟天文台使学生可以选择不同的望远镜，观察太阳系、恒星或星系，并深入了解其基本特性。在数据科学方面，学堂在线为学生提供了在线编程和数据分析工具，支持在线编写代码，进行数学建模或数据可视化。

1.3 技术应用于科学教育的趋势与发展

随着技术飞速进步，中美科学教育迎来新的机

遇与挑战。尤其是人工智能和大数据技术，它们极

大增强了教育个性化的可能性，主要表现在以

下几个方面。

1）智能化作业与测验：人工智能技术使得教育平台能量身定制作业和测验，如检测到学生化学方程式解题困难时，系统会提供额外练习。

2）学习路径推荐：基于大数据分析，平台推荐符合学生兴趣和成绩的学习路径，如对生物技术感兴趣者可能收到基因编辑课程推荐。

3）实时反馈与辅导：先进平台提供学生学习的实时反馈和辅导，如在物理实验模拟中，系统实时分析并给出建议或纠正。

4）虚拟助教与聊天机器人：利用人工智能技术开发的虚拟助教和聊天机器人能够为学生提供24/7不间断的学科答疑服务。

5）数据驱动的课程设计：通过学生学习数据分析，教育者优化课程内容和方法。

此外，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术也为科学实验和模拟带来新可能。

1）物理学模拟：VR用于光学折射、电磁场模拟等，帮助学生直观理解物理概念。

2）地理与地球科学：AR技术使学生能够在真实的地形模型上覆盖虚拟的地质、气候或生态信息，增强学习体验。

3）宇宙与天文学：VR使学生在真实地形上覆盖虚拟地质、气候信息，增强学习体验。

4）环境科学与生态学：借助AR技术，在真实环境中叠加虚拟生态信息，进行实地学习。

这些技术应用使科学教育更生动高效，提升了学生理解科学概念的能力，增强了学习兴趣，也为教师提供了更多教学工具和方法。

2 中美科学教育的比较分析

中美两国作为全球教育的领军者，在科学教育领域均积极探索科技的应用，但由于文化、经济和政策环境的显著差异，两国在技术应用、在线与混合教学实践，以及应对各类挑战上呈现出不同的特点和路径。

2.1 中美科技应用在教育领域的差异分析

美国在科学教育技术应用上展现出明显的先发

优势。多年来，从中小学到大学，美国的教育机构一直积极探索新技术在教学过程中的应用，并经历了几个标志性的发展阶段。

1）2000年代智能教室与交互式黑板：如Promethean和SMART Board在中小学普及，成为科教新标准。

2）2000—2010年，数字教科书与在线资源：数

字教科书和资源，如Discovery Education，在中小

学科学教育中起着重要作用。

3）2010年代在线实验模拟：科罗拉多大学博尔德分校推出的PhET Interactive Simulations为学生提供免费科学和数学模拟实验。

4）2010年代编程与机器人教育：编程平台如

Scratch和Tynker，教育机器人如Lego Mindstorms

和Sphero在科教中应用。

5）2010年代虚拟现实与增强现实：Google的

Expeditions推动VR在中小学科学教育中应用，

AR应用如SkyView也深受关注。

6）2010—2020年3D打印与创客空间：一些

学校建立创客空间，引入3D打印技术，促进学生科学创造。

7）2020年代远程学习与视频会议：如Zoom和

Microsoft Teams等工具在中小学远程教学中广泛应用。

相比之下，我国的在线教育虽然起步较晚，但发展迅猛，得益于政府的大力支持和庞大的学生基数，其发展经历了以下几个阶段。

1）2010年代国家级在线教育平台：2014年，我国推出了学堂在线平台，与清华大学、北京大学等顶尖高校合作，为学生提供大量的免费在线

课程。

2）2010年代智能教室与交互式黑板：中国的中

小学也开始广泛采用交互式黑板和智能教室设备。

3）2010年代编程与机器人教育：编程教育和机器人教育在我国中小学受到了广泛关注。

4）2010—2020年，虚拟实验与模拟：一些教育

技术公司为中小学生提供了丰富的虚拟实验和模拟体验。

5）2020年后远程学习与视频会议：远程教学在

我国得到了广泛应用。

6）2020年后AI助教与智能教育平台：AI技术

在我国教育领域得到了广泛应用。

7）2020年后数字教科书与在线资源：我国教

育部门推广了数字教科书的使用。

2.2 在线与混合教学的实践经验与成果

中美两国在推进在线与混合教学方面都积累了丰富的经验和取得了显著的成效，尽管两国在教育模式上存在某些共通之处，但在实践的深度和广度上却呈现出明显的差异。

2.2.1 以学生为中心的美国实践与自主学习策略

在美国，在线与混合教学模式更侧重于增强学生的实践经验和自主学习能力。这种教学策略主要通过以下几种方式实现。

1）实验和实践项目：例如，麻省理工学院的“研究机会计划”（UROP），这类项目旨在激发学生的科学研究兴趣和能力。

2）夏令营和工作坊：如NASA的夏令营为学生提供了实地考察和实验研究的机会。

3）在线模拟和虚拟实验：借助于工具如PhET Interactive Simulations，学生能在非实验室环境中进行科学实验。

4）学生科研竞赛：如Intel ISEF，激励学生培养科研兴趣和竞争力。

5）翻转课堂：学生通过课前自学理论，然后在

课堂上进行讨论和实践。

6）实习和合作教育：美国东北大学的合作教育

项目，将理论学习与实际工作经验结合起来。

2.2.2 我国的知识传授与实践能力协调发展策略

虽然我国的在线教育更注重知识的传授，但现阶段已经逐渐转向实践和项目化的教学模式。这一趋势主要体现在以下几方面。

1）STEM教育：将STEM教育融入中小学阶段，

重视培养学生的实践能力。

2）学科竞赛和实践活动：科学实验和创新竞赛逐渐成为教学的常态。

3）校企合作：学校与企业的合作为学生提供了实际的科研和技术开发经验。

4）创客空间：通过提供设备和工具，激发学生的创新能力。

5）课程改革：实施探究式学习和项目导向学习模式。

6）教师培训：强化对教师在新教学模式下的能力和技能培训。

7）国际合作：引入国际先进的教学模式和方法，如IB课程。

总体来说，中美两国在在线与混合教学模式的应用方面都取得了显著成效，丰富了教学方法，提高了教育质量，并为未来教育的发展奠定了坚实

基础。

3 中美应对在线与混合教学挑战的策略

分析

在线与混合教学模式的推广和应用伴随着一系列挑战，中美两国均采取了多种策略来应对这些挑战，尽管两国的方法存在一定的相似性，但在某些关键方面也展现出不同的特征和侧重点。

3.1 美国：强化教师能力与技术支持

美国的教育机构在确保科学教育质量和效果方面采取了多种策略，包括提供教师培训、技术支持，并与技术公司合作开发教育工具。具体体现在以下几方面。

1）教师培训与专业发展：如ISTE提供的专业在线教学技巧和方法培训，以增强教师的在线教学能力。

2）技术支持：通过设置技术支持部门或帮助平台，为教师和学生提供实时的技术协助，保障在线教学的顺畅进行。

3）技术合作：教育机构与Google、Apple和

Microsoft等技术公司合作，利用其教育工具如

Google Classroom、Microsoft Teams for Educa-tion等。

4）建设在线平台与资源库：通过构建如EdX、

Coursera等在线教育平台，提供丰富的在线课程和教学资源。

5）学生反馈与评估：可以借助如Course

Evaluations等学生反馈和评估系统，收集学生的

反馈，以优化教学方法。

6）教育社区与协作：通过构建如Edcamp、Teach-Meet等在线教育社区，促进教师之间的经验和资源分享。

3.2 我国：政策引导与技术保障

我国通过政策的引导和制定一系列支持措施，鼓励学校和企业合作，以推动在线科学教育的发展。具体体现在以下几个方面。

1）在线平台建设：建立了类似于EdX、Cours-

era的在线教育平台和资源库，以支持混合教学的实施。

2）学生反馈收集：运用学生反馈和评估系统及

时了解学生对在线课程的感受和建议，以优化教学。

3）教育的社区与协作：推动教师间的协作和分享，建立如MOOC、微课程共享平台等教育社区，分享经验和资源；

4）创新与研发的鼓励：通过组织创新创业大

赛、设立科技研发基金等措施，激励学校和企业进行在线教育技术的研发和创新。

4 结束语

本文深入探讨了中美科学教育中信息技术驱动下的在线与混合教学优势与挑战。通过比较两国的实践与策略，揭示了两国适应新时代学习需求的优势及面临的挑战。研究发现，尽管这些教学模式为学生提供了更大的灵活性和更丰富的资源，但也存在一定的弊端。研究分析这些问题，为国际教育界提供洞见，帮助理解在线与混合教学模式在科学教育中的应用，为其发展和完善指明方向。

5 参考文献

[1] 马婧，金妍池，杨阳，等.教育元宇宙：互联网教育新形态的系统建构与实践应用[J].现代教育技术，2023，33（7）：99-107.

[2] 甘健侯，杨宇，赵波.创新混合教学模式，推进高等教育在线教学改革[J].学术探索，2017（4）：140-144.

[3] Wang Feng， Hannafin M J. Design-based researchand technology-enhanced learning environments[J].Educational technology research and develop-

ment，2005，53（4）：5-23.

[4] 陈丽，唐雪萍.国家“互联网+教育”战略的政策导向分析[J].电化教育研究，2023，44（7）：5-12，36.

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.

*项目来源：郑州师范学院本课教学改革项目“跨学科视角下研学旅行在科学教育教学中的融合与探索”（项目号：

JXGGYB-232333）；郑州市社会科学调研课题“基于科技创新的郑州市科学教育资源提升策略研究”（项目号：ZSLX2024

0037）；河南省教育科学规划2024年度一般课题“新质生产力视角下河南省科学教育专业公费师范生培养机制研究”（项目号：

2024YB0249）。

作者简介：平原野，讲师；席伟，通信作者，博士，讲师。