數(shù)字化如何讓科學(xué)教育有趣又有效

【觀點(diǎn)】

資源數(shù)字化是新時代科學(xué)教育必然要求

許啟軍

推進(jìn)資源數(shù)字化是推動科學(xué)教育普及和提高的重要途徑之一。

資源數(shù)字化是擴(kuò)大科學(xué)教育資源覆蓋面的突破口。當(dāng)前，科學(xué)教育區(qū)域發(fā)展不均衡，科學(xué)教育資源也尚未得到有效整合，特別是農(nóng)村地區(qū)，學(xué)?？茖W(xué)教育基礎(chǔ)設(shè)施和師資不足，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、實(shí)驗(yàn)耗材和教學(xué)工具更新難、更新慢，影響了科學(xué)教育的推廣普及。推進(jìn)科學(xué)教育資源數(shù)字化，讓在線課程、仿真實(shí)驗(yàn)這些多模態(tài)的教育資源通過互聯(lián)網(wǎng)廣泛傳播，能使偏遠(yuǎn)地區(qū)和資源匱乏的學(xué)校都能訪問到高質(zhì)量的科學(xué)教育資源，而且復(fù)制和分發(fā)成本也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的教育資源，有助于縮小教育差距。

當(dāng)然，在推進(jìn)資源數(shù)字化的過程中，也要持續(xù)加強(qiáng)農(nóng)村學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)接入和終端設(shè)備配置，確保師生能無障礙獲取并利用科學(xué)教育資源。

資源數(shù)字化是師生共同成長的雙引擎。在基礎(chǔ)教育階段，“復(fù)雜實(shí)驗(yàn)做不好，抽象實(shí)驗(yàn)不好做，危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)不敢做”一直困擾著學(xué)校，而且課堂上的實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，規(guī)定的實(shí)驗(yàn)器具、方法和步驟，相差不多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，難以讓學(xué)生真正地進(jìn)行探索發(fā)現(xiàn)。而虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的應(yīng)用，把受限于環(huán)境或設(shè)備等無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬演示，各種微觀、抽象以及現(xiàn)實(shí)中不可見的現(xiàn)象學(xué)生都可以“觸手可及”，借助模擬仿真和建模軟件等探究學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生通過操縱調(diào)整參數(shù)獲得數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建構(gòu)知識，最重要的是反復(fù)操作也都不會產(chǎn)生物品消耗。

資源數(shù)字化也能倒逼教師學(xué)習(xí)和提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。在山區(qū)學(xué)校，很多信息技術(shù)、生物、小學(xué)科學(xué)的教師都是從其他學(xué)科轉(zhuǎn)崗而來，那么教師可以通過在線課程和數(shù)字平臺進(jìn)行持續(xù)的專業(yè)培訓(xùn)，與同行交流、分享經(jīng)驗(yàn)，有利于教師擴(kuò)大專業(yè)知識儲備，提升教學(xué)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(shù)迭代發(fā)展，科學(xué)教育也需緊跟時代發(fā)展，同時我們培養(yǎng)的學(xué)生面對的將是未知的問題和挑戰(zhàn)?？茖W(xué)資源數(shù)字化的推進(jìn)利于學(xué)校、教研機(jī)構(gòu)、科研部門、企業(yè)及全社會群策群力、協(xié)同推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)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(xué)教育資源不僅要內(nèi)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(xué)教育的時效性和前沿性。同時，資源的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、存儲方式和訪問方法等也都要隨著技術(shù)進(jìn)步不斷優(yōu)化和升級，提升師生參與度。

資源數(shù)字化已經(jīng)成為科學(xué)教育不可或缺的重要一環(huán)，不僅為科學(xué)教育提供了前所未有的便利，更推動著科學(xué)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(xué)教育數(shù)字化資源實(shí)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(xué)教育個性化學(xué)習(xí)和因材施教的基礎(chǔ)，延展教與學(xué)的方式等，從而助力我國科學(xué)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(xué)無法觸摸的困境

陳偉濃

華東師范大學(xué)崔允漷教授曾指出，當(dāng)前科學(xué)教育存在的最大問題是教師用不科學(xué)的方法教科學(xué)，學(xué)生用不科學(xué)的方法學(xué)科學(xué)，如物理不碰物（物體），學(xué)生不會相信物之理；化學(xué)不見化（變化），就不能叫“化之學(xué)”；生物不懂生（生命），細(xì)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(xué)”開展科學(xué)教育成為可能。

嵌入多模態(tài)學(xué)習(xí)內(nèi)容。雖說科學(xué)源于生活，但是又與當(dāng)前學(xué)生的生活距離較遠(yuǎn)，尤其是抽象化的科學(xué)知識對學(xué)生來說，既枯燥無趣又難以理解。在教學(xué)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(guān)科學(xué)知識和原理的呈現(xiàn)更加真實(shí)。教師也可以利用虛擬仿真等數(shù)字化資源將深奧的科學(xué)原理和抽象的概念具象化，幫助學(xué)生形象地理解科學(xué)概念和原理。如在學(xué)習(xí)生物學(xué)時，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以將細(xì)胞結(jié)構(gòu)的3D模型投影到課桌上，從各個角度進(jìn)行觀察和學(xué)習(xí)。

加入沉浸式學(xué)習(xí)方式。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)構(gòu)建高度互動和沉浸式的虛擬科學(xué)環(huán)境，使海市蜃樓、日食、萬有引力等“遙不可及”的科學(xué)現(xiàn)象在學(xué)生眼前上演，讓學(xué)生近距離接觸、觀察，并促進(jìn)學(xué)生全身心投入地感受科學(xué)魅力。如從能量守恒定律的角度探討和學(xué)習(xí)地球大氣層中產(chǎn)生的閃電，是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)問題，學(xué)習(xí)過程中學(xué)生很難準(zhǔn)確或全面把握這一系統(tǒng)問題，而現(xiàn)實(shí)中更不可能通過經(jīng)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(xué)習(xí)這一常見但不可及的科學(xué)問題成為可能，且能夠引導(dǎo)學(xué)生用心感受大自然帶來的科學(xué)魅力。

融入可視化學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在科學(xué)教育學(xué)習(xí)過程中，教師需要運(yùn)用多種數(shù)字化形式記錄學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)過程，通過多元數(shù)據(jù)使學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和思維可視化。在科學(xué)探究活動中對數(shù)據(jù)的處理是培養(yǎng)學(xué)生分析、科學(xué)推理能力的好契機(jī)，教師借助可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，不僅有助于學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和推理能力，而且有利于幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念，理解科學(xué)原理，提升學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)質(zhì)量和科學(xué)素養(yǎng)。（作者系杭州師范大學(xué)附屬中學(xué)校長）

提升科學(xué)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(guān)科學(xué)影像資源時，教師幫助學(xué)生掃清字詞障礙，輔導(dǎo)學(xué)生組織語句，有效地聽懂、看懂、理解科學(xué)現(xiàn)象，此時這位教師更多承擔(dān)的是語文教師的角色。

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

科學(xué)教育是復(fù)雜的，涉及多個學(xué)科。因此，在以數(shù)字化資源推進(jìn)科學(xué)教育過程中，需要各學(xué)科教師的協(xié)同努力，組建跨學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊(duì)，通過組建綜合性教學(xué)資源推進(jìn)科學(xué)教育落到實(shí)處。在推進(jìn)科學(xué)教育中各科教師需要針對不同年級的學(xué)生，將數(shù)字化資源轉(zhuǎn)為更適合不同年齡和認(rèn)知水平的學(xué)生的“再加工”資源，用適合他們年齡和認(rèn)知水平的多種資源來豐富教學(xué)，才能使學(xué)生們浸潤其中，樂學(xué)、善學(xué)。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(nèi)容充實(shí)到課程之中；美術(shù)教師把內(nèi)容美化、立體化、具象化……各科教師要承擔(dān)不同的角色參與到科學(xué)教育的具體教學(xué)細(xì)節(jié)中。

教師跨學(xué)科“再加工”的數(shù)字化資源，不僅要重視學(xué)習(xí)對象的針對性，還要重視學(xué)習(xí)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(xué)教育主題、教學(xué)需求、使用要求等，把數(shù)字資源分割成若干小體量，構(gòu)建易于組合的顆粒化學(xué)習(xí)片段，形成知識點(diǎn)模塊組合、主題任務(wù)模塊組合、學(xué)習(xí)階段模塊組合等多維度模塊結(jié)構(gòu)，構(gòu)建可拆解、可組合的立體的教學(xué)資源，有側(cè)重的融合供給為學(xué)生提供有針對性、實(shí)用性強(qiáng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使孩子們獲得更加靈活、個性化和實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。（作者單位系北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院培訓(xùn)學(xué)院）

    【探索】

對話式人工智能激活科學(xué)課堂

李宇龍

在學(xué)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(xué)過程。其具體過程為使用ChatGPT（聊天機(jī)器人程序）工具，通過自主問答讓學(xué)生探究倍力橋的穩(wěn)固性，并在人工智能的指導(dǎo)下親自搭建倍力橋木制模型。

課程效果測評結(jié)果顯示，使用“對話式人工智能+學(xué)生動手實(shí)踐”的教學(xué)方式效果遠(yuǎn)高于“視頻授課+學(xué)生動手實(shí)踐”與“傳統(tǒng)講授法”的教學(xué)效果。

在對話式人工智能輔助教學(xué)的課堂中，學(xué)生通過與人工智能進(jìn)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(jié)合人工智能指導(dǎo)下的模型組裝，學(xué)生的參與度達(dá)到了“1+1>2”的效果。學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，教師扮演輔助者、引導(dǎo)者和資源提供者的角色，最大限度地激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性，與教師講授為主的傳統(tǒng)教學(xué)有了質(zhì)的區(qū)別。通過本案例，筆者總結(jié)了對話式人工智能在小學(xué)科學(xué)教育中應(yīng)用的一些思考。

首先，個性化教學(xué)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?yàn)槊總€學(xué)生定制個性化的學(xué)習(xí)路徑，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。教師要善于引導(dǎo)學(xué)生與人工智能進(jìn)行對話，通過不斷重復(fù)“提出問題—解決問題”的過程，使學(xué)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(xué)習(xí)成效的核心，對話式人工智能能夠提供頻繁的互動機(jī)會，使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過程中保持高度的參與度。在高度互動的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生能與人工智能進(jìn)行有效的交流，還能在同伴之間建立合作關(guān)系，共同探索和學(xué)習(xí)。

最后，教師角色的轉(zhuǎn)變對于實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果至關(guān)重要。在對話式人工智能輔助的教學(xué)模式中，教師不再是單向的知識傳遞者，而是成為學(xué)生的引導(dǎo)者和協(xié)助者。這就要求教師不僅需要具備一定的學(xué)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(xué)生的反饋調(diào)整教學(xué)策略。

對話式人工智能在小學(xué)科學(xué)教育中的應(yīng)用提供了一種新的教學(xué)模式，這種模式通過增強(qiáng)個性化學(xué)習(xí)、互動性和教師角色的轉(zhuǎn)變，以及持續(xù)的評估和反饋，為提高教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)提供了新的可能性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和教育理念的更新，這種教學(xué)模式有望在未來得到更廣泛的應(yīng)用。（作者系四川師范大學(xué)在讀研究生、成都市天府三中實(shí)習(xí)教師）

數(shù)字化巧解科學(xué)實(shí)驗(yàn)難題

王浩

科學(xué)教育是培養(yǎng)學(xué)生觀察、實(shí)驗(yàn)、探究和創(chuàng)新等綜合能力的關(guān)鍵領(lǐng)域，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是小學(xué)科學(xué)教育的重要組成部分。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀地理解科學(xué)原理，培養(yǎng)觀察能力和實(shí)踐能力。

數(shù)字化資源眾多，選用什么資源為學(xué)?？茖W(xué)教育實(shí)驗(yàn)服務(wù)？我們學(xué)校組織教師對現(xiàn)有資源平臺進(jìn)行調(diào)研和使用分析后，確定了依托中央電化教育館虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化學(xué)?？茖W(xué)教育實(shí)驗(yàn)。

該服務(wù)系統(tǒng)提供了豐富的實(shí)驗(yàn)資源，包括3D、VR仿真操作等，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇合適的虛擬實(shí)驗(yàn)。如學(xué)校開展青島版科學(xué)四年級下冊第6課《聲音的傳播》這節(jié)課中，需要驗(yàn)證聲音的傳播需要空氣，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)理想效果。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)提供了鬧鐘、真空罩和抽氣泵。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)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(shí)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(xué)生直觀感受到聲音傳播需要空氣，教學(xué)效果顯著。

虛擬實(shí)驗(yàn)提升了學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)興趣，如何加深感官體驗(yàn)，提升科學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的效果？目前，學(xué)校采用“虛擬實(shí)驗(yàn)+傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”協(xié)同教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。如在開展鐵釘生銹的實(shí)驗(yàn)時，課上教師利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)里的時間加速功能，把時間加速到2萬倍以加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，使學(xué)生快速觀察到鐵釘生銹的過程，提高課堂效率；課下學(xué)生利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室觀察鐵釘生銹的過程并做好記錄，既充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，又確保學(xué)生獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高度互動性和可視化特點(diǎn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)則強(qiáng)調(diào)實(shí)物操作和感官體驗(yàn)，有助于學(xué)生形成直觀、深刻的印象，并培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和動手能力。因此，教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)，將兩者有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和模擬操作，再在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)物操作和驗(yàn)證。（作者單位系山東省鄒城市太平鎮(zhèn)秦莊小學(xué)）

    【大家談】

    四川省南充市蓬安縣相如第二小學(xué)校教師黃軍：在科學(xué)課教學(xué)活動中，教師運(yùn)用數(shù)字化資源、利用現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備，展現(xiàn)課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的熱情。同時，引導(dǎo)學(xué)生積極動手參與科學(xué)探究，通過對科學(xué)的探索，動手、動眼、動腦實(shí)踐，能夠得到與數(shù)字化資源庫里的內(nèi)容一致或基本吻合的結(jié)果。即便得到大相徑庭的結(jié)果，也是一種收獲。因此，教師在運(yùn)用數(shù)字化資源開展科學(xué)教育時，也要注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，為其提供足夠的動手實(shí)踐機(jī)會。

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

河北省邯鄲市冀南新區(qū)太平學(xué)校教師郭濤:數(shù)字資源助力中小學(xué)科學(xué)教育，教師需要重點(diǎn)關(guān)注3個方面：一是利用數(shù)字資源激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如通過播放有趣的科學(xué)視頻、動畫等，吸引學(xué)生注意力。二是借助數(shù)字化資源突破教學(xué)難點(diǎn)。教師需要根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律和知識掌握情況，針對理解有難度的科學(xué)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(xué)生更好地理解和掌握。三是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的在線學(xué)習(xí)資源，培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)探究精神。

山東省濟(jì)寧市微山縣兩城鎮(zhèn)南薄小學(xué)教師王秀健：一些貧困地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)，數(shù)字資源與科學(xué)教育的結(jié)合為其開展科學(xué)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(xué)；過于依賴數(shù)字化資源，可能會導(dǎo)致學(xué)生更多地依賴電子設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，而忽視了對書本和基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。

    新疆喀什市第五中學(xué)教師劉繼龍：以我在一線的應(yīng)用視角來看，引導(dǎo)中小學(xué)生科學(xué)利用數(shù)字化資源開展科學(xué)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?？茖W(xué)教育的成效，同時培養(yǎng)學(xué)生資源篩選、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力。除此之外，教師還需要提升學(xué)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(hù)意識。

    江蘇省沭陽縣九年制學(xué)校輔導(dǎo)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(shù)的理解與使用的意識，通過優(yōu)質(zhì)微課、“虛擬實(shí)驗(yàn)”平臺、在線問答、虛擬學(xué)習(xí)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(xué)生提供開展科學(xué)學(xué)習(xí)的場景。

《中國教育報(bào)》2024年05月09日第4版