智能技術(shù)如何賦能科學(xué)教育

技術(shù)賦能的科學(xué)探究實(shí)踐，指的是借助數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的探究學(xué)習(xí)工具和環(huán)境，為科學(xué)探究學(xué)習(xí)各個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全過程的支持，使課堂環(huán)境下難以實(shí)施的探究學(xué)習(xí)活動得以實(shí)施，從而增進(jìn)探究學(xué)習(xí)的效果。

科學(xué)教育具有提升全民科學(xué)素質(zhì)、筑牢建設(shè)創(chuàng)新型國家根基的基礎(chǔ)性作用。近百年來科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，科學(xué)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(zhuǎn)變，讓學(xué)生開展探究學(xué)習(xí)已成為世界各國科學(xué)教育的主旋律。教育部等十八部門《關(guān)于加強(qiáng)新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》指出，“以學(xué)生為本，因材施教，推進(jìn)基于探究實(shí)踐的科學(xué)教育”。

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

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

在科學(xué)教育中，任何有效的教學(xué)都始于對學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)的充分挖掘和利用，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)世界向生活世界的回歸。探究學(xué)習(xí)的情境創(chuàng)設(shè)，應(yīng)能夠體現(xiàn)科學(xué)知識發(fā)現(xiàn)的過程、應(yīng)用的條件以及科學(xué)知識在生活中的意義與價值。

借助技術(shù)，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(xué)生的探究興趣和學(xué)習(xí)動機(jī)；能夠幫助學(xué)生按照知識產(chǎn)生的脈絡(luò)開展認(rèn)知活動，從而幫助學(xué)生深刻理解科學(xué)課程中的知識和內(nèi)容，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力；有利于幫助學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、探索、觀察、測量等探究活動，不斷思考和修正知識應(yīng)用的條件，靈活地遷移和應(yīng)用學(xué)到的知識。情境創(chuàng)設(shè)還能夠引發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的情感共鳴，增強(qiáng)學(xué)生的情感體驗(yàn)，使學(xué)習(xí)成為一種包括情感體驗(yàn)在內(nèi)的綜合性活動，從而增強(qiáng)學(xué)生探究實(shí)踐過程中的情感體驗(yàn)，這對于學(xué)生學(xué)習(xí)效果的提升具有積極意義。

學(xué)生的自主性是探究學(xué)習(xí)的核心和關(guān)鍵，而科學(xué)的發(fā)展歷程一直都是通過一代代科學(xué)家不斷探索發(fā)現(xiàn)未知世界、更新科學(xué)知識的過程，探索世界是科學(xué)活動的本質(zhì)。一直以來，學(xué)校課堂上的科學(xué)教育難以讓學(xué)生真正地進(jìn)行探索發(fā)現(xiàn)，即使是實(shí)驗(yàn)課，也多為驗(yàn)證性科學(xué)實(shí)驗(yàn)，規(guī)范的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)步驟，相差不多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)過程中一旦發(fā)生意外，往往會產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)儀器損壞甚至其他更嚴(yán)重的安全事故。

數(shù)字化探究學(xué)習(xí)環(huán)境能夠借助多媒體手段再造物質(zhì)世界，從而給學(xué)生創(chuàng)設(shè)可以在課堂上進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)的空間。學(xué)生可以在網(wǎng)上借助網(wǎng)絡(luò)公共數(shù)據(jù)庫、教學(xué)資源庫、數(shù)字圖書館、數(shù)字博物館等獲得豐富的探究學(xué)習(xí)資源；借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺、模擬仿真和建模軟件等探究學(xué)習(xí)環(huán)境，通過操縱調(diào)整參數(shù)獲得數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建構(gòu)知識；在虛擬世界中，學(xué)生可以在浩渺的太空，也可以在南極大陸，甚至在細(xì)胞等微觀世界里進(jìn)行探索。在技術(shù)環(huán)境的支持下，學(xué)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(diào)進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)。

融匯資源，賦能學(xué)生深度參與探究實(shí)踐

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

如何保證科學(xué)演示的科學(xué)性，是教學(xué)實(shí)踐中需要注意的問題。由于技術(shù)的限制，很多時候?qū)ψ匀豢茖W(xué)現(xiàn)象的模擬與真實(shí)的科學(xué)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(xué)生來講，由于沒有身臨其境的經(jīng)驗(yàn)，有時就會存在一定的誤讀，從而導(dǎo)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(xué)演示動畫設(shè)計(jì)制作的過程中，需要科學(xué)教師和軟件技術(shù)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(xué)性；然后在學(xué)生使用科學(xué)演示動畫進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中，要收集學(xué)生的知識理解情況，發(fā)現(xiàn)錯誤認(rèn)識時能夠給予及時矯正。

科學(xué)家在科學(xué)研究的過程中，都是通過科學(xué)儀器來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析來獲得研究結(jié)果?？茖W(xué)測量方法是科學(xué)研究中最重要的手段和技術(shù)，教會學(xué)生科學(xué)地使用測量工具是培養(yǎng)學(xué)生形成良好的科學(xué)實(shí)踐能力的基本要求?？茖W(xué)教育中，一直以來都是通過實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)來培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)儀器的使用技能和實(shí)驗(yàn)方法的掌握。在很多學(xué)生的頭腦中，科學(xué)儀器就是刻度尺、天平、酒精燈、試管等實(shí)驗(yàn)儀器，其實(shí)在科學(xué)研究實(shí)踐中，科學(xué)儀器種類多樣、數(shù)量很大，測量檢驗(yàn)的方法也有很多。受限于學(xué)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(xué)儀器不能讓學(xué)生動手去操作，無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。借助數(shù)字化技術(shù)，可以突破這樣的限制，那些科學(xué)家們當(dāng)前正在使用的科學(xué)儀器與工具，學(xué)生也可以“觸手可及”。最典型的應(yīng)用就是傳感器技術(shù)在科學(xué)教育中的應(yīng)用。在當(dāng)前的科學(xué)研究中，科學(xué)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(shù)的發(fā)展和成本的降低，傳感器技術(shù)進(jìn)入學(xué)校，成為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室中最重要的實(shí)驗(yàn)儀器。

科學(xué)知識是通過社會性建構(gòu)而形成的，學(xué)生需要參與社會交往活動來建立和完善他們對科學(xué)現(xiàn)象的理解。借助信息技術(shù)工具，與異地同伴進(jìn)行分享、交流和協(xié)作，發(fā)表探究學(xué)習(xí)心得、體會，能夠增強(qiáng)探究學(xué)習(xí)效果。在基于網(wǎng)絡(luò)的探究學(xué)習(xí)環(huán)境中，通過各種實(shí)時或非實(shí)時的通信工具，有助于實(shí)現(xiàn)更大范圍上的溝通與對話，甚至能夠?qū)⒖茖W(xué)家、家長、社區(qū)人員等課堂之外的人納入到探究學(xué)習(xí)協(xié)商交流活動中。

評價反饋，伴隨學(xué)生科學(xué)探究全過程

探究學(xué)習(xí)需要有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，但不是單純地理解與掌握科學(xué)知識。學(xué)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(xué)習(xí)中常用的評價方式。探究學(xué)習(xí)過程中學(xué)生能否理解科學(xué)的含義并對科學(xué)價值形成自己的認(rèn)識，在科學(xué)探究報告中往往可以體現(xiàn)出來。

技術(shù)賦能的探究實(shí)踐，應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生通過多種形式來呈現(xiàn)探究學(xué)習(xí)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(xué)生拍攝短視頻并發(fā)布，表達(dá)自己對知識的理解。這都是讓學(xué)生體驗(yàn)成功的重要階段，學(xué)生把自己的學(xué)習(xí)成果——探究學(xué)習(xí)活動計(jì)劃、收集的有關(guān)資料、學(xué)習(xí)過程記錄、學(xué)習(xí)成果總結(jié)等，以匯報會的形式展示出來。在科學(xué)論證方面，圖片、視頻的說服力要比語言文字更強(qiáng)，提倡多樣化的數(shù)據(jù)格式，有利于培養(yǎng)學(xué)生使用證據(jù)進(jìn)行科學(xué)論證的能力，也能夠提升學(xué)生進(jìn)行多媒體表達(dá)的技能。

在探究學(xué)習(xí)環(huán)境中嵌入評價模塊，教師可以對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行跟蹤、評價和實(shí)時反饋，從而實(shí)現(xiàn)伴隨式評價。借助人工智能技術(shù)，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的基于證據(jù)的評價模型，對學(xué)生學(xué)習(xí)的探究路徑進(jìn)行分析，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的一些關(guān)鍵性成果進(jìn)行評定，并給予學(xué)生及時的反饋，或給予學(xué)生學(xué)習(xí)支架的支持，根據(jù)過程記錄情況和伴隨式評價結(jié)果，最后能夠?qū)W(xué)生的整個探究學(xué)習(xí)項(xiàng)目給予等級評定。

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

（作者系杭州師范大學(xué)中國教育現(xiàn)代化研究院研究員、經(jīng)亨頤教育學(xué)院教育技術(shù)學(xué)系主任）

《中國教育報》2024年02月03日第4版