【摘 要】中小學(xué)科學(xué)教育在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才、實(shí)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(xué)科學(xué)教育經(jīng)歷從局限到聯(lián)通的教育時(shí)空轉(zhuǎn)換、從片面到豐富的內(nèi)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(shí)的中小學(xué)科學(xué)教育卻面臨著教育場(chǎng)所窄化、內(nèi)容適度性失衡、評(píng)價(jià)體系單一等挑戰(zhàn)。因此，本文構(gòu)建“虛實(shí)聯(lián)通”的教育場(chǎng)所、打造“精準(zhǔn)貼切”的教育內(nèi)容以及構(gòu)建“多元立體”的教育評(píng)價(jià)體系等策略，實(shí)現(xiàn)中小學(xué)科學(xué)教育的重塑，促進(jìn)高素質(zhì)創(chuàng)新科技型人才隊(duì)伍的建設(shè)。

【關(guān)鍵詞】人工智能；中小學(xué)；科學(xué)教育；教育重塑

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)關(guān)鍵變量。就中小學(xué)而言，科學(xué)教育是以自然科學(xué)內(nèi)容為主，以提高青少年科學(xué)素養(yǎng)為導(dǎo)向，以培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備人才為目標(biāo)，發(fā)展個(gè)體及群體科學(xué)素養(yǎng)的教育教學(xué)活動(dòng)，是推動(dòng)教育、科技和人才高水平融合發(fā)展的關(guān)鍵著力點(diǎn)[1]。

人工智能是新一輪科技革命的重要驅(qū)動(dòng)力，為教育現(xiàn)代化帶來了更多可能性。習(xí)近平總書記在第一屆國際人工智能與教育大會(huì)賀信中強(qiáng)調(diào)：“中國高度重視人工智能對(duì)教育的深刻影響，積極推動(dòng)人工智能和教育的深度融合，促進(jìn)教育革新。”人工智能已逐漸深入到教育領(lǐng)域，分析當(dāng)前中小學(xué)科學(xué)教育面臨的變革和挑戰(zhàn)，對(duì)未來中小學(xué)科學(xué)教育的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

人工智能時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育的變革

法國社會(huì)學(xué)家皮埃爾·布迪厄以“場(chǎng)域”概念來定義“各種位置之間存在的客觀關(guān)系的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，或一個(gè)構(gòu)型”[2]。這種“網(wǎng)絡(luò)”或“構(gòu)型”會(huì)隨著歷史和現(xiàn)實(shí)、實(shí)際和可能發(fā)生變化。隨著人工智能深入教育場(chǎng)域，中小學(xué)科學(xué)教育的現(xiàn)實(shí)環(huán)境發(fā)生改變，科學(xué)教育的時(shí)空、主體、資源、載體等也隨之產(chǎn)生變革。

1．科學(xué)教育時(shí)空從局限到聯(lián)通

人工智能的發(fā)展為中小學(xué)科學(xué)教育帶來了革新，打破了傳統(tǒng)教育時(shí)空的有限性，突破固定的場(chǎng)所和時(shí)間?？茖W(xué)教育空間從校內(nèi)走向校外、從實(shí)體走向虛實(shí)結(jié)合、從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)。通過跨媒體智能搭建全息化的科學(xué)教育空間，突破物理時(shí)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(xué)知識(shí)以直觀化、立體化的形式呈現(xiàn)，供學(xué)生全面且有效地理解。中小學(xué)科學(xué)教育能夠借助全息成像設(shè)備、智能傳感器等基本工具實(shí)現(xiàn)跨時(shí)間聯(lián)動(dòng)，呈現(xiàn)過去的和預(yù)測(cè)的未來科學(xué)探究項(xiàng)目，供學(xué)生投身學(xué)習(xí)與研究，讓學(xué)生掙脫時(shí)間不可逆的枷鎖，實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育由“關(guān)注此時(shí)此刻”向“體驗(yàn)過去、現(xiàn)在、未來”的轉(zhuǎn)變。

2．科學(xué)教育內(nèi)容從片面到豐富

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

3．科學(xué)教育主體從一元到多元

數(shù)智時(shí)代發(fā)展背景下，科學(xué)教育的主體將從單一化向多元化、層級(jí)性向平等性、排他性向合作性轉(zhuǎn)變。首先，技術(shù)讓跨越時(shí)空得以實(shí)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(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培育構(gòu)建師資團(tuán)隊(duì)。ChatGPT、Sora等生成式人工智能可作為通用的任務(wù)助理[3]，為師生提供智能輔助，在減輕教師負(fù)擔(dān)的同時(shí)，為學(xué)生提供豐富的智能輔導(dǎo)。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(quán)威地位逐漸崩塌，助力師生關(guān)系由“垂直型”向“民主型”轉(zhuǎn)變。逐漸豐富的科學(xué)教育資源可有效減少學(xué)生的資源競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，助力構(gòu)建合作型的“生生”主體關(guān)系。

4．科學(xué)教育載體從單一到多樣

人工智能在傳統(tǒng)教學(xué)的語言、行動(dòng)和活動(dòng)等基礎(chǔ)載體上加以補(bǔ)充信息虛擬載體，實(shí)現(xiàn)教育載體的多樣化。機(jī)器感知識(shí)別、自然語言處理理解等技術(shù)的發(fā)展為科學(xué)教育提供了豐富多樣的具象化載體。大量豐富的網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)科學(xué)教育相關(guān)知識(shí)進(jìn)行展示和解讀，是教育內(nèi)容發(fā)布和傳遞的載體。人工智能打造近乎真實(shí)的VR模擬科學(xué)教育情境，綜合運(yùn)用語言文字、音頻、視頻和智能終端等載體，創(chuàng)建仿真實(shí)踐、創(chuàng)設(shè)歷史文化情境、開展互動(dòng)參與的科學(xué)活動(dòng)，為學(xué)生科學(xué)知識(shí)、科學(xué)能力、科學(xué)態(tài)度的全面提升構(gòu)筑平臺(tái)。

人工智能時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育面臨的挑戰(zhàn)

人工智能逐步深入教育領(lǐng)域，給教育場(chǎng)所、教育內(nèi)容、教育評(píng)價(jià)體系等方面注入了新的活力。在帶來教育變革的同時(shí)，也對(duì)中小學(xué)科學(xué)教育提出了新的挑戰(zhàn)。

1．科學(xué)教育現(xiàn)實(shí)場(chǎng)所窄化

在生物識(shí)別、知識(shí)圖譜、人機(jī)交互、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的支持下，中小學(xué)科學(xué)教育中虛擬課堂或智能全息環(huán)境比重將加大，現(xiàn)實(shí)教育場(chǎng)所呈現(xiàn)窄化的趨勢(shì)。然而，真人、真物呈現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)所才是科學(xué)教育的最終歸宿。智能技術(shù)為學(xué)生提供虛擬仿真感知，卻無法使之親歷實(shí)踐，缺乏現(xiàn)場(chǎng)感。中小學(xué)科學(xué)教育作為以自然科學(xué)為主，涵蓋科學(xué)技術(shù)、科學(xué)社會(huì)學(xué)等豐富內(nèi)容的綜合學(xué)科，離不開人與人直接交往的親身實(shí)踐。學(xué)校過分依賴人工智能在中小學(xué)科學(xué)教育中構(gòu)建的虛擬教育場(chǎng)所而忽視了現(xiàn)實(shí)場(chǎng)所的重要性，反而導(dǎo)致中小學(xué)生科學(xué)觀念偏失和科技創(chuàng)新能力缺乏。

2．科學(xué)教育內(nèi)容適度性失衡

教育生態(tài)學(xué)認(rèn)為，處于生態(tài)圈的每個(gè)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(huì)導(dǎo)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(shù)構(gòu)建豐富而多元的知識(shí)庫，大量科學(xué)教育內(nèi)容匯集到科學(xué)教育課堂，超出了中小學(xué)生可接受范圍，導(dǎo)致學(xué)生接受能力與接受量之間失衡，造成學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷加大。優(yōu)質(zhì)的科學(xué)教育內(nèi)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(xué)科學(xué)教育內(nèi)容的呈現(xiàn)重知識(shí)輕實(shí)踐、重普適輕個(gè)性，缺乏精確篩選和提供，未能以契合學(xué)生的思維方式和接受能力的形式表征，無法滿足學(xué)生的多樣化和個(gè)性化發(fā)展需求，科學(xué)教育內(nèi)容作為中小學(xué)科學(xué)教育“生態(tài)圈”的因子之一無法發(fā)揮其預(yù)期作用，導(dǎo)致教育實(shí)際效果與科學(xué)教育要求失配。

3．科學(xué)教育評(píng)價(jià)體系單一化

目前中小學(xué)科學(xué)教育評(píng)價(jià)體系單一，側(cè)重于對(duì)知識(shí)掌握、具體問題解決等顯性因子的評(píng)判和反饋，缺乏對(duì)思維形成、探究能力等隱性因子的準(zhǔn)確評(píng)判，難以全面、精準(zhǔn)和立體地展現(xiàn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)各方面的發(fā)展?fàn)顩r。此外，目前普適性、籠統(tǒng)性的評(píng)價(jià)模式側(cè)重對(duì)學(xué)生普遍共有表現(xiàn)的考量，缺乏針對(duì)不同發(fā)展水平學(xué)生的個(gè)性化評(píng)價(jià)及針對(duì)學(xué)生不同發(fā)展階段的多樣化評(píng)價(jià)體系，難以對(duì)每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果做出精準(zhǔn)、個(gè)性的評(píng)價(jià)反饋。科學(xué)、準(zhǔn)確的反饋結(jié)果是教師和學(xué)生查漏補(bǔ)缺，改進(jìn)自我的“向?qū)А?。單一的評(píng)價(jià)體系難以準(zhǔn)確反映涵蓋知識(shí)、思維、實(shí)踐能力等多方面的科學(xué)教育培育效果，因而難以為學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)做出積極指引。

人工智能時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育的重塑

隨著人工智能在中小學(xué)科學(xué)教育中的深入，中小學(xué)科學(xué)教育需要通過構(gòu)建“虛實(shí)聯(lián)通”的教育場(chǎng)所、打造“精準(zhǔn)貼切”的教育內(nèi)容以及構(gòu)建“多元立體”的教育評(píng)價(jià)體系來重塑中小學(xué)科學(xué)教育，為科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.構(gòu)建“虛實(shí)聯(lián)通”的教育場(chǎng)所，深化學(xué)生科學(xué)探究的真實(shí)體驗(yàn)

虛擬教育場(chǎng)所是現(xiàn)實(shí)場(chǎng)所的補(bǔ)充與延伸，應(yīng)使虛擬之境無限趨近現(xiàn)實(shí)，最大程度打破虛實(shí)教育場(chǎng)所之間的壁壘。首先，以現(xiàn)實(shí)中真實(shí)科學(xué)探究場(chǎng)景為原型，借助VR、AR、MR等技術(shù)打造沉浸式教學(xué)情景，以不同實(shí)際科學(xué)探究場(chǎng)景角色為參照，通過3D max角色建模構(gòu)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(jié)合科學(xué)教師的指導(dǎo)與配合，最大化程度提升虛擬教育場(chǎng)所中學(xué)生實(shí)踐體驗(yàn)的臨場(chǎng)感和人際情感感知的真實(shí)性。

其次，與兼具科學(xué)氛圍和教育功能的科學(xué)研究院所、科技企業(yè)及農(nóng)林牧實(shí)踐基地等現(xiàn)實(shí)場(chǎng)所合作，實(shí)現(xiàn)課堂虛擬科學(xué)教育場(chǎng)景與真實(shí)社會(huì)的聯(lián)動(dòng)。在科學(xué)素養(yǎng)具象化的場(chǎng)景中，喚醒中小學(xué)生在虛擬場(chǎng)景的體驗(yàn)感知，實(shí)現(xiàn)其虛實(shí)場(chǎng)景中體驗(yàn)感聯(lián)通的同時(shí)，還可促使學(xué)生進(jìn)一步靈活運(yùn)用和全面內(nèi)化科學(xué)知識(shí)，提升創(chuàng)新意識(shí)和能力。此外，學(xué)生可將所學(xué)的科學(xué)知識(shí)與探究方法靈活運(yùn)用于生活實(shí)際問題的解決，養(yǎng)成科學(xué)探究興趣和習(xí)慣，促進(jìn)科學(xué)知識(shí)和思維行動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)日常式科學(xué)學(xué)習(xí)。

2.打造“精準(zhǔn)貼切”的教育內(nèi)容，滿足學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的個(gè)性化需求

根據(jù)謝爾福德 （Shelford） 的耐度定律，學(xué)生的承受力和耐受度是有限的。當(dāng)科學(xué)教育內(nèi)容施加給學(xué)生時(shí)，一旦超過了學(xué)生的承受力和耐受度就會(huì)適得其反。因此，科學(xué)教育內(nèi)容的提供不在多，而在“精準(zhǔn)”。首先，設(shè)立智能初步篩選同教師人工二次篩選相結(jié)合的模式，借助多元數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)中小學(xué)生現(xiàn)有科學(xué)知識(shí)水平、認(rèn)知水平、科學(xué)技能習(xí)得等情況進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和分析，結(jié)合教師在教學(xué)過程中的觀察和記錄，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組和分層，在分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用人工智能分析和再造的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)不同層組學(xué)生的接受能力與學(xué)習(xí)方式偏好，提供貼切的科學(xué)內(nèi)容和相匹配的訓(xùn)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(xué)生的學(xué)習(xí)思維、科學(xué)興趣、行為偏好，結(jié)合中小學(xué)科學(xué)教育重在實(shí)踐、融合的特點(diǎn)，構(gòu)建關(guān)注大概念、實(shí)驗(yàn)探索、跨學(xué)科探究的科學(xué)內(nèi)容模塊，滿足學(xué)生的發(fā)展需求。

3.構(gòu)建“多元立體”的教育評(píng)價(jià)體系，推動(dòng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)漸進(jìn)提升

有學(xué)者指出：“富于計(jì)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?！盵5]一方面，借助人工智能實(shí)施伴隨式數(shù)據(jù)采集，持續(xù)性、全方位、全過程地收集學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，細(xì)致地、全面地記錄學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)與實(shí)施科學(xué)探究的表現(xiàn)，為學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)提供完善的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。另一方面，建立以高素養(yǎng)科學(xué)教師為主的多元主體智囊團(tuán)，根據(jù)人工智能提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)定性評(píng)價(jià)中的復(fù)雜隱性的要素理性分析，針對(duì)不同發(fā)展水平的學(xué)生作出個(gè)性化評(píng)價(jià)。充分收集和采納教師、家長和同學(xué)的多元評(píng)價(jià)與意見，實(shí)現(xiàn)人機(jī)共同論證，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)多元化和立體化。此外，可構(gòu)建學(xué)段銜接式評(píng)價(jià)模式，借助人工智能針對(duì)每位學(xué)生設(shè)立電子檔案袋，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與更新，收納中小學(xué)生不同學(xué)段完整的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。在前一學(xué)段的反饋基礎(chǔ)上更新評(píng)價(jià)維度與標(biāo)準(zhǔn)，確保教育評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性與完整性，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)階段性提升。

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編 輯：仲玉維