數(shù)字化如何讓科學教育有趣又有效

【觀點】

資源數(shù)字化是新時代科學教育必然要求

許啟軍

推進資源數(shù)字化是推動科學教育普及和提高的重要途徑之一。

資源數(shù)字化是擴大科學教育資源覆蓋面的突破口。當前，科學教育區(qū)域發(fā)展不均衡，科學教育資源也尚未得到有效整合，特別是農村地區(qū)，學?？茖W教育基礎設施和師資不足，實驗室設備、實驗耗材和教學工具更新難、更新慢，影響了科學教育的推廣普及。推進科學教育資源數(shù)字化，讓在線課程、仿真實驗這些多模態(tài)的教育資源通過互聯(lián)網廣泛傳播，能使偏遠地區(qū)和資源匱乏的學校都能訪問到高質量的科學教育資源，而且復制和分發(fā)成本也遠低于傳統(tǒng)的教育資源，有助于縮小教育差距。

當然，在推進資源數(shù)字化的過程中，也要持續(xù)加強農村學校的網絡接入和終端設備配置，確保師生能無障礙獲取并利用科學教育資源。

資源數(shù)字化是師生共同成長的雙引擎。在基礎教育階段，“復雜實驗做不好，抽象實驗不好做，危險實驗不敢做”一直困擾著學校，而且課堂上的實驗大多是驗證性實驗，規(guī)定的實驗器具、方法和步驟，相差不多的實驗現(xiàn)象和實驗結果，難以讓學生真正地進行探索發(fā)現(xiàn)。而虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術的應用，把受限于環(huán)境或設備等無法進行的實驗進行模擬演示，各種微觀、抽象以及現(xiàn)實中不可見的現(xiàn)象學生都可以“觸手可及”，借助模擬仿真和建模軟件等探究學習環(huán)境，學生通過操縱調整參數(shù)獲得數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建構知識，最重要的是反復操作也都不會產生物品消耗。

資源數(shù)字化也能倒逼教師學習和提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。在山區(qū)學校，很多信息技術、生物、小學科學的教師都是從其他學科轉崗而來，那么教師可以通過在線課程和數(shù)字平臺進行持續(xù)的專業(yè)培訓，與同行交流、分享經驗，有利于教師擴大專業(yè)知識儲備，提升教學水平和教育智慧。

資源數(shù)字化符合智能時代人才培養(yǎng)需求。智能時代，技術迭代發(fā)展，科學教育也需緊跟時代發(fā)展，同時我們培養(yǎng)的學生面對的將是未知的問題和挑戰(zhàn)。科學資源數(shù)字化的推進利于學校、教研機構、科研部門、企業(yè)及全社會群策群力、協(xié)同推進，實現(xiàn)科學教育數(shù)字化資源的動態(tài)化、多元化、互動化的良性發(fā)展，從而滿足新時代人才培養(yǎng)需要。數(shù)字化科學教育資源不僅要內容涵蓋豐富的主題、格式和類型，滿足不同需求的師生，還要適時更新，保證科學教育的時效性和前沿性。同時，資源的技術標準、存儲方式和訪問方法等也都要隨著技術進步不斷優(yōu)化和升級，提升師生參與度。

資源數(shù)字化已經成為科學教育不可或缺的重要一環(huán)，不僅為科學教育提供了前所未有的便利，更推動著科學教育模式的創(chuàng)新與變革。從發(fā)展趨勢看上，在未來，我們希望科學教育數(shù)字化資源實現(xiàn)大規(guī)模的開放共享，能夠更方便、更可靠、更可持續(xù)性獲得，形成多元化、個性化的資源庫，作為科學教育個性化學習和因材施教的基礎，延展教與學的方式等，從而助力我國科學教育快速發(fā)展。（作者系陜西省石泉縣電化教育中心副主任）

    【建言】

打破科學無法觸摸的困境

陳偉濃

華東師范大學崔允漷教授曾指出，當前科學教育存在的最大問題是教師用不科學的方法教科學，學生用不科學的方法學科學，如物理不碰物（物體），學生不會相信物之理；化學不見化（變化），就不能叫“化之學”；生物不懂生（生命），細胞、遺傳等都考得出來，卻沒有生命觀念。為此，可以借助數(shù)字化資源的優(yōu)勢，讓“科學”開展科學教育成為可能。

嵌入多模態(tài)學習內容。雖說科學源于生活，但是又與當前學生的生活距離較遠，尤其是抽象化的科學知識對學生來說，既枯燥無趣又難以理解。在教學中，教師可以用照片、模具、音頻、視頻等多模態(tài)媒介要素，讓相關科學知識和原理的呈現(xiàn)更加真實。教師也可以利用虛擬仿真等數(shù)字化資源將深奧的科學原理和抽象的概念具象化，幫助學生形象地理解科學概念和原理。如在學習生物學時，通過增強現(xiàn)實技術，學生可以將細胞結構的3D模型投影到課桌上，從各個角度進行觀察和學習。

加入沉浸式學習方式。通過增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）技術構建高度互動和沉浸式的虛擬科學環(huán)境，使海市蜃樓、日食、萬有引力等“遙不可及”的科學現(xiàn)象在學生眼前上演，讓學生近距離接觸、觀察，并促進學生全身心投入地感受科學魅力。如從能量守恒定律的角度探討和學習地球大氣層中產生的閃電，是一個非常復雜的系統(tǒng)問題，學習過程中學生很難準確或全面把握這一系統(tǒng)問題，而現(xiàn)實中更不可能通過經歷該現(xiàn)象來研究閃電的能量守恒定律問題，而數(shù)字化資源讓學習這一常見但不可及的科學問題成為可能，且能夠引導學生用心感受大自然帶來的科學魅力。

融入可視化學習體驗。在科學教育學習過程中，教師需要運用多種數(shù)字化形式記錄學生科學學習過程，通過多元數(shù)據(jù)使學生的科學學習體驗和思維可視化。在科學探究活動中對數(shù)據(jù)的處理是培養(yǎng)學生分析、科學推理能力的好契機，教師借助可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，不僅有助于學生養(yǎng)成科學的數(shù)據(jù)分析和推理能力，而且有利于幫助學生構建科學概念，理解科學原理，提升學生科學學習質量和科學素養(yǎng)。（作者系杭州師范大學附屬中學校長）

提升科學教育數(shù)字資源針對性

于英華

首先分享一個案例：在觀看相關科學影像資源時，教師幫助學生掃清字詞障礙，輔導學生組織語句，有效地聽懂、看懂、理解科學現(xiàn)象，此時這位教師更多承擔的是語文教師的角色。

當前，數(shù)字化資源在科學教育的應用中，科學教育詞匯所占的比重并不大，但仍有相當一部分學生反饋“學不明白”。如果學生不能憑借已有的語言能力來學習科學知識，不能解釋和說明所學到的科學知識，那么，科學教育就會出現(xiàn)“看熱鬧”的尷尬境地。

科學教育是復雜的，涉及多個學科。因此，在以數(shù)字化資源推進科學教育過程中，需要各學科教師的協(xié)同努力，組建跨學科教學團隊，通過組建綜合性教學資源推進科學教育落到實處。在推進科學教育中各科教師需要針對不同年級的學生，將數(shù)字化資源轉為更適合不同年齡和認知水平的學生的“再加工”資源，用適合他們年齡和認知水平的多種資源來豐富教學，才能使學生們浸潤其中，樂學、善學。如數(shù)字化資源的翻譯工作需要語言類教師的主動參與；音樂教師在數(shù)字化資源中選擇適合的篇章，將內容充實到課程之中；美術教師把內容美化、立體化、具象化……各科教師要承擔不同的角色參與到科學教育的具體教學細節(jié)中。

教師跨學科“再加工”的數(shù)字化資源，不僅要重視學習對象的針對性，還要重視學習成效的針對性。組建數(shù)字化資源時，教師需要有意識地規(guī)劃資源使用途徑，根據(jù)科學教育主題、教學需求、使用要求等，把數(shù)字資源分割成若干小體量，構建易于組合的顆?；瘜W習片段，形成知識點模塊組合、主題任務模塊組合、學習階段模塊組合等多維度模塊結構，構建可拆解、可組合的立體的教學資源，有側重的融合供給為學生提供有針對性、實用性強的學習內容，使孩子們獲得更加靈活、個性化和實踐性強的學習體驗。（作者單位系北京經濟管理職業(yè)學院培訓學院）

    【探索】

對話式人工智能激活科學課堂

李宇龍

在學校四年級《建造倍力橋》一課中，筆者大膽嘗試，將生成式人工智能納入教學過程。其具體過程為使用ChatGPT（聊天機器人程序）工具，通過自主問答讓學生探究倍力橋的穩(wěn)固性，并在人工智能的指導下親自搭建倍力橋木制模型。

課程效果測評結果顯示，使用“對話式人工智能+學生動手實踐”的教學方式效果遠高于“視頻授課+學生動手實踐”與“傳統(tǒng)講授法”的教學效果。

在對話式人工智能輔助教學的課堂中，學生通過與人工智能進行一對一的問答，主動地發(fā)現(xiàn)問題、提出疑問、解決問題，結合人工智能指導下的模型組裝，學生的參與度達到了“1+1>2”的效果。學生成為學習的主體，教師扮演輔助者、引導者和資源提供者的角色，最大限度地激發(fā)了學生的主觀能動性，與教師講授為主的傳統(tǒng)教學有了質的區(qū)別。通過本案例，筆者總結了對話式人工智能在小學科學教育中應用的一些思考。

首先，個性化教學是對話式人工智能的主要優(yōu)勢。通過對話式人工智能，教師能夠為每個學生定制個性化的學習路徑，激發(fā)了學生的學習熱情。教師要善于引導學生與人工智能進行對話，通過不斷重復“提出問題—解決問題”的過程，使學生獲得個性化的發(fā)展與針對性的提升。

其次，互動性是提升學習成效的核心，對話式人工智能能夠提供頻繁的互動機會，使學生能夠在學習過程中保持高度的參與度。在高度互動的學習環(huán)境中，學生能與人工智能進行有效的交流，還能在同伴之間建立合作關系，共同探索和學習。

最后，教師角色的轉變對于實現(xiàn)教學效果至關重要。在對話式人工智能輔助的教學模式中，教師不再是單向的知識傳遞者，而是成為學生的引導者和協(xié)助者。這就要求教師不僅需要具備一定的學科知識，還需要能夠熟練地使用人工智能工具，并能夠根據(jù)學生的反饋調整教學策略。

對話式人工智能在小學科學教育中的應用提供了一種新的教學模式，這種模式通過增強個性化學習、互動性和教師角色的轉變，以及持續(xù)的評估和反饋，為提高教學效果和學生學習體驗提供了新的可能性。隨著技術的不斷進步和教育理念的更新，這種教學模式有望在未來得到更廣泛的應用。（作者系四川師范大學在讀研究生、成都市天府三中實習教師）

數(shù)字化巧解科學實驗難題

王浩

科學教育是培養(yǎng)學生觀察、實驗、探究和創(chuàng)新等綜合能力的關鍵領域，其中實驗教學是小學科學教育的重要組成部分。通過實驗，學生可以直觀地理解科學原理，培養(yǎng)觀察能力和實踐能力。

數(shù)字化資源眾多，選用什么資源為學校科學教育實驗服務？我們學校組織教師對現(xiàn)有資源平臺進行調研和使用分析后，確定了依托中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統(tǒng)優(yōu)化學?？茖W教育實驗。

該服務系統(tǒng)提供了豐富的實驗資源，包括3D、VR仿真操作等，教師可以根據(jù)教學內容選擇合適的虛擬實驗。如學校開展青島版科學四年級下冊第6課《聲音的傳播》這節(jié)課中，需要驗證聲音的傳播需要空氣，傳統(tǒng)實驗設備很難實現(xiàn)理想效果。虛擬實驗教學服務系統(tǒng)提供了鬧鐘、真空罩和抽氣泵。在虛擬實驗中，學生把鬧鐘放入真空罩中，用抽氣泵抽取真空罩中的空氣，隨著空氣含量的不斷變少，聽到的聲音也會越來越??；平臺提供的可視化數(shù)據(jù)，實時顯示真空罩中空氣的含量。聲音的變化、數(shù)據(jù)的跳動讓學生直觀感受到聲音傳播需要空氣，教學效果顯著。

虛擬實驗提升了學生科學學習興趣，如何加深感官體驗，提升科學實驗學習的效果？目前，學校采用“虛擬實驗+傳統(tǒng)實驗”協(xié)同教學模式，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。如在開展鐵釘生銹的實驗時，課上教師利用虛擬實驗教學服務系統(tǒng)里的時間加速功能，把時間加速到2萬倍以加快實驗進程，使學生快速觀察到鐵釘生銹的過程，提高課堂效率；課下學生利用傳統(tǒng)實驗室觀察鐵釘生銹的過程并做好記錄，既充分發(fā)揮虛擬實驗教學的優(yōu)勢，又確保學生獲得真實的實驗體驗。

虛擬實驗教學的高度互動性和可視化特點，提高了學生的學習興趣和積極性；傳統(tǒng)實驗教學則強調實物操作和感官體驗，有助于學生形成直觀、深刻的印象，并培養(yǎng)學生的實踐能力和動手能力。因此，教師需要根據(jù)教學內容和學生特點，將兩者有機結合，讓學生在虛擬環(huán)境中進行理論學習和模擬操作，再在傳統(tǒng)實驗室中進行實物操作和驗證。（作者單位系山東省鄒城市太平鎮(zhèn)秦莊小學）

    【大家談】

    四川省南充市蓬安縣相如第二小學校教師黃軍：在科學課教學活動中，教師運用數(shù)字化資源、利用現(xiàn)代化教學設備，展現(xiàn)課堂教學，激發(fā)學生學習科學的熱情。同時，引導學生積極動手參與科學探究，通過對科學的探索，動手、動眼、動腦實踐，能夠得到與數(shù)字化資源庫里的內容一致或基本吻合的結果。即便得到大相徑庭的結果，也是一種收獲。因此，教師在運用數(shù)字化資源開展科學教育時，也要注重學生實踐能力的培養(yǎng)，為其提供足夠的動手實踐機會。

    福建省龍巖市兒童保育院教師丘麗娣：中小學科學教育中數(shù)字化資源的有效應用需要注重資源整合與篩選、創(chuàng)新教學方式等，這都和教師教學能力有直接關系。因此，需要開展專門的教研活動，通過跨學科、跨校組隊，從活動設計、組織實施、活動評價等方面進行集體備課，確保數(shù)字化資源運用效果。

河北省邯鄲市冀南新區(qū)太平學校教師郭濤:數(shù)字資源助力中小學科學教育，教師需要重點關注3個方面：一是利用數(shù)字資源激發(fā)學生的學習興趣。如通過播放有趣的科學視頻、動畫等，吸引學生注意力。二是借助數(shù)字化資源突破教學難點。教師需要根據(jù)學生認知發(fā)展規(guī)律和知識掌握情況，針對理解有難度的科學知識，借用數(shù)字手段、數(shù)字資源將其形象化、具體化，幫助學生更好地理解和掌握。三是培養(yǎng)學生自主學習能力。為學生提供優(yōu)質的在線學習資源，培養(yǎng)他們的自主學習能力和科學探究精神。

山東省濟寧市微山縣兩城鎮(zhèn)南薄小學教師王秀健：一些貧困地區(qū)和農村地區(qū)，數(shù)字資源與科學教育的結合為其開展科學教育提供了更多途徑和方式，但也帶來了新的問題，教師的數(shù)字化資源利用能力是其中不可忽視的問題之一。如數(shù)字化資源利用能力不足，無法合理融入教學；過于依賴數(shù)字化資源，可能會導致學生更多地依賴電子設備和網絡，而忽視了對書本和基礎知識的學習。

    新疆喀什市第五中學教師劉繼龍：以我在一線的應用視角來看，引導中小學生科學利用數(shù)字化資源開展科學教育教師需要重視制定使用規(guī)則、有效演示使用等，從而確保科學教育的成效，同時培養(yǎng)學生資源篩選、團隊協(xié)作等能力。除此之外，教師還需要提升學生規(guī)范使用數(shù)字資源的自我管理意識和個人信息保護意識。

    江蘇省沭陽縣九年制學校輔導員、社區(qū)教育中心主任沂濤：鄉(xiāng)村教師要提升對數(shù)字技術的理解與使用的意識，通過優(yōu)質微課、“虛擬實驗”平臺、在線問答、虛擬學習共同體等形式，為家庭和社會教育資源相對缺乏的鄉(xiāng)村學生提供開展科學學習的場景。

《中國教育報》2024年05月09日第4版