智能技術如何賦能科學教育

技術賦能的科學探究實踐，指的是借助數(shù)字化、網絡化的探究學習工具和環(huán)境，為科學探究學習各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)全過程的支持，使課堂環(huán)境下難以實施的探究學習活動得以實施，從而增進探究學習的效果。

科學教育具有提升全民科學素質、筑牢建設創(chuàng)新型國家根基的基礎性作用。近百年來科學技術飛速發(fā)展，科學教育范式也發(fā)生了多次改變，總體上呈現(xiàn)了從“知識取向”到“探究取向”的轉變，讓學生開展探究學習已成為世界各國科學教育的主旋律。教育部等十八部門《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》指出，“以學生為本，因材施教，推進基于探究實踐的科學教育”。

隨著數(shù)字技術的快速發(fā)展，特別是虛擬仿真技術的日益成熟，以可視化、交互性、網絡化等方式呈現(xiàn)的探究學習環(huán)境，在某種程度上能夠化解探究學習開展的困難和障礙。

情境創(chuàng)設，激發(fā)學生探究發(fā)現(xiàn)的興趣

在科學教育中，任何有效的教學都始于對學生已有經驗的充分挖掘和利用，引導學生從科學世界向生活世界的回歸。探究學習的情境創(chuàng)設，應能夠體現(xiàn)科學知識發(fā)現(xiàn)的過程、應用的條件以及科學知識在生活中的意義與價值。

借助技術，如通過視頻、動畫、游戲或模擬等呈現(xiàn)有吸引力的問題情境，利于引發(fā)學生的探究興趣和學習動機；能夠幫助學生按照知識產生的脈絡開展認知活動，從而幫助學生深刻理解科學課程中的知識和內容，發(fā)展學生的科學思維能力；有利于幫助學生基于實驗設計、探索、觀察、測量等探究活動，不斷思考和修正知識應用的條件，靈活地遷移和應用學到的知識。情境創(chuàng)設還能夠引發(fā)學生在學習中產生比較強烈的情感共鳴，增強學生的情感體驗，使學習成為一種包括情感體驗在內的綜合性活動，從而增強學生探究實踐過程中的情感體驗，這對于學生學習效果的提升具有積極意義。

學生的自主性是探究學習的核心和關鍵，而科學的發(fā)展歷程一直都是通過一代代科學家不斷探索發(fā)現(xiàn)未知世界、更新科學知識的過程，探索世界是科學活動的本質。一直以來，學校課堂上的科學教育難以讓學生真正地進行探索發(fā)現(xiàn)，即使是實驗課，也多為驗證性科學實驗，規(guī)范的實驗儀器、實驗材料、實驗步驟，相差不多的實驗現(xiàn)象和實驗結果，在實驗過程中一旦發(fā)生意外，往往會產生實驗儀器損壞甚至其他更嚴重的安全事故。

數(shù)字化探究學習環(huán)境能夠借助多媒體手段再造物質世界，從而給學生創(chuàng)設可以在課堂上進行探究發(fā)現(xiàn)的空間。學生可以在網上借助網絡公共數(shù)據(jù)庫、教學資源庫、數(shù)字圖書館、數(shù)字博物館等獲得豐富的探究學習資源；借助數(shù)字化實驗平臺、模擬仿真和建模軟件等探究學習環(huán)境，通過操縱調整參數(shù)獲得數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建構知識；在虛擬世界中，學生可以在浩渺的太空，也可以在南極大陸，甚至在細胞等微觀世界里進行探索。在技術環(huán)境的支持下，學生按照自己的先前理解，按照自己的知識水平，憑借自己的興趣，按照自己的步調進行個性化學習。

融匯資源，賦能學生深度參與探究實踐

學生開展學習的過程中，如果只是盲目的探索，那么學生對科學方法和科學規(guī)律很難有深入的認識。比較枯燥的公式和定理，通過信息技術能夠變?yōu)樯鷦佑腥さ膭赢嫼鸵曨l，能夠再現(xiàn)科學知識發(fā)現(xiàn)時的場景，將宏觀世界和微觀世界的物質以可視化的方式呈現(xiàn)出來。

如何保證科學演示的科學性，是教學實踐中需要注意的問題。由于技術的限制，很多時候對自然科學現(xiàn)象的模擬與真實的科學現(xiàn)象之間是不對等的，特別是在視角、觀感上有時候差異較大。而對于學生來講，由于沒有身臨其境的經驗，有時就會存在一定的誤讀，從而導致迷思概念甚至錯誤概念的形成。如何避免出現(xiàn)這樣的問題？首先在科學演示動畫設計制作的過程中，需要科學教師和軟件技術人員通力合作，通過充分溝通最大限度地保證演示動畫的科學性；然后在學生使用科學演示動畫進行學習的過程中，要收集學生的知識理解情況，發(fā)現(xiàn)錯誤認識時能夠給予及時矯正。

科學家在科學研究的過程中，都是通過科學儀器來進行數(shù)據(jù)的收集，進而通過數(shù)據(jù)分析來獲得研究結果?？茖W測量方法是科學研究中最重要的手段和技術，教會學生科學地使用測量工具是培養(yǎng)學生形成良好的科學實踐能力的基本要求?？茖W教育中，一直以來都是通過實驗課的開設來培養(yǎng)學生科學儀器的使用技能和實驗方法的掌握。在很多學生的頭腦中，科學儀器就是刻度尺、天平、酒精燈、試管等實驗儀器，其實在科學研究實踐中，科學儀器種類多樣、數(shù)量很大，測量檢驗的方法也有很多。受限于學校教育的環(huán)境和條件，或者出于安全因素的考慮，很多科學儀器不能讓學生動手去操作，無法進行實驗探究。借助數(shù)字化技術，可以突破這樣的限制，那些科學家們當前正在使用的科學儀器與工具，學生也可以“觸手可及”。最典型的應用就是傳感器技術在科學教育中的應用。在當前的科學研究中，科學家使用大量傳感器來獲取大氣、土壤、海洋中的各種數(shù)據(jù)。隨著技術的發(fā)展和成本的降低，傳感器技術進入學校，成為數(shù)字化實驗室中最重要的實驗儀器。

科學知識是通過社會性建構而形成的，學生需要參與社會交往活動來建立和完善他們對科學現(xiàn)象的理解。借助信息技術工具，與異地同伴進行分享、交流和協(xié)作，發(fā)表探究學習心得、體會，能夠增強探究學習效果。在基于網絡的探究學習環(huán)境中，通過各種實時或非實時的通信工具，有助于實現(xiàn)更大范圍上的溝通與對話，甚至能夠將科學家、家長、社區(qū)人員等課堂之外的人納入到探究學習協(xié)商交流活動中。

評價反饋，伴隨學生科學探究全過程

探究學習需要有明確的學習目標，但不是單純地理解與掌握科學知識。學生使用證據(jù)來解釋、回答要探究的問題并形成研究報告，往往是探究學習中常用的評價方式。探究學習過程中學生能否理解科學的含義并對科學價值形成自己的認識，在科學探究報告中往往可以體現(xiàn)出來。

技術賦能的探究實踐，應當鼓勵學生通過多種形式來呈現(xiàn)探究學習的成果：可以用文字處理軟件撰寫報告；可以用演示文稿軟件制作發(fā)言提綱；還可以讓學生拍攝短視頻并發(fā)布，表達自己對知識的理解。這都是讓學生體驗成功的重要階段，學生把自己的學習成果——探究學習活動計劃、收集的有關資料、學習過程記錄、學習成果總結等，以匯報會的形式展示出來。在科學論證方面，圖片、視頻的說服力要比語言文字更強，提倡多樣化的數(shù)據(jù)格式，有利于培養(yǎng)學生使用證據(jù)進行科學論證的能力，也能夠提升學生進行多媒體表達的技能。

在探究學習環(huán)境中嵌入評價模塊，教師可以對學生學習過程進行跟蹤、評價和實時反饋，從而實現(xiàn)伴隨式評價。借助人工智能技術，通過預先設計的基于證據(jù)的評價模型，對學生學習的探究路徑進行分析，對學生學習過程中的一些關鍵性成果進行評定，并給予學生及時的反饋，或給予學生學習支架的支持，根據(jù)過程記錄情況和伴隨式評價結果，最后能夠對學生的整個探究學習項目給予等級評定。

從情境的創(chuàng)設開始，技術的有效使用能夠引發(fā)學生的探究興趣、激發(fā)學生的學習動機；多樣的探究工具能夠幫助學生進行探索發(fā)現(xiàn)；通過圖文聲像并茂的多媒體手段可以進行生動形象的科學演示；通過數(shù)字化的測量工具可以進行測量檢驗；借助同步或異步交流技術可以隨時隨地開展協(xié)商交流活動；嵌入式評價技術能夠真實記錄學生的探究學習活動過程，開展伴隨式評價并及時給學生反饋以引導探究活動的順利開展。由此可見，智能技術為科學教育探究實踐的開展搭建了一個可實施的空間，從而實現(xiàn)學習方式的變革。

（作者系杭州師范大學中國教育現(xiàn)代化研究院研究員、經亨頤教育學院教育技術學系主任）

《中國教育報》2024年02月03日第4版