数字化如何让科学教育有趣又有效

　　科学教育是布局未来的教育。近年来，各地中小学探索多种方式以推进科学教育，更好地促进学生全面发展。数字时代，如何发挥数字化教育资源优势，塑造科学教育新动能、新优势？为此，智慧教育专刊邀请读者围绕“中小学科学教育如何用好数字化资源”这一话题进行探讨，敬请关注。——编者

　　【观点】

　　资源数字化是新时代科学教育必然要求

　　许启军

　　推进资源数字化是推动科学教育普及和提高的重要途径之一。

　　资源数字化是扩大科学教育资源覆盖面的突破口。当前，科学教育区域发展不均衡，科学教育资源也尚未得到有效整合，特别是农村地区，学校科学教育基础设施和师资不足，实验室设备、实验耗材和教学工具更新难、更新慢，影响了科学教育的推广普及。推进科学教育资源数字化，让在线课程、仿真实验这些多模态的教育资源通过互联网广泛传播，能使偏远地区和资源匮乏的学校都能访问到高质量的科学教育资源，而且复制和分发成本也远低于传统的教育资源，有助于缩小教育差距。

　　当然，在推进资源数字化的过程中，也要持续加强农村学校的网络接入和终端设备配置，确保师生能无障碍获取并利用科学教育资源。

　　资源数字化是师生共同成长的双引擎。在基础教育阶段，“复杂实验做不好，抽象实验不好做，危险实验不敢做”一直困扰着学校，而且课堂上的实验大多是验证性实验，规定的实验器具、方法和步骤，相差不多的实验现象和实验结果，难以让学生真正地进行探索发现。而虚拟现实、增强现实等技术的应用，把受限于环境或设备等无法进行的实验进行模拟演示，各种微观、抽象以及现实中不可见的现象学生都可以“触手可及”，借助模拟仿真和建模软件等探究学习环境，学生通过操纵调整参数获得数据、发现规律、建构知识，最重要的是反复操作也都不会产生物品消耗。

　　资源数字化也能倒逼教师学习和提升数字素养与技能。在山区学校，很多信息技术、生物、小学科学的教师都是从其他学科转岗而来，那么教师可以通过在线课程和数字平台进行持续的专业培训，与同行交流、分享经验，有利于教师扩大专业知识储备，提升教学水平和教育智慧。

　　资源数字化符合智能时代人才培养需求。智能时代，技术迭代发展，科学教育也需紧跟时代发展，同时我们培养的学生面对的将是未知的问题和挑战。科学资源数字化的推进利于学校、教研机构、科研部门、企业及全社会群策群力、协同推进，实现科学教育数字化资源的动态化、多元化、互动化的良性发展，从而满足新时代人才培养需要。数字化科学教育资源不仅要内容涵盖丰富的主题、格式和类型，满足不同需求的师生，还要适时更新，保证科学教育的时效性和前沿性。同时，资源的技术标准、存储方式和访问方法等也都要随着技术进步不断优化和升级，提升师生参与度。

　　资源数字化已经成为科学教育不可或缺的重要一环，不仅为科学教育提供了前所未有的便利，更推动着科学教育模式的创新与变革。从发展趋势看上，在未来，我们希望科学教育数字化资源实现大规模的开放共享，能够更方便、更可靠、更可持续性获得，形成多元化、个性化的资源库，作为科学教育个性化学习和因材施教的基础，延展教与学的方式等，从而助力我国科学教育快速发展。（作者系陕西省石泉县电化教育中心副主任）

　　【建言】

　　打破科学无法触摸的困境

　　陈伟浓

　　华东师范大学崔允漷教授曾指出，当前科学教育存在的最大问题是教师用不科学的方法教科学，学生用不科学的方法学科学，如物理不碰物（物体），学生不会相信物之理；化学不见化（变化），就不能叫“化之学”；生物不懂生（生命），细胞、遗传等都考得出来，却没有生命观念。为此，可以借助数字化资源的优势，让“科学”开展科学教育成为可能。

　　嵌入多模态学习内容。虽说科学源于生活，但是又与当前学生的生活距离较远，尤其是抽象化的科学知识对学生来说，既枯燥无趣又难以理解。在教学中，教师可以用照片、模具、音频、视频等多模态媒介要素，让相关科学知识和原理的呈现更加真实。教师也可以利用虚拟仿真等数字化资源将深奥的科学原理和抽象的概念具象化，帮助学生形象地理解科学概念和原理。如在学习生物学时，通过增强现实技术，学生可以将细胞结构的3D模型投影到课桌上，从各个角度进行观察和学习。

　　加入沉浸式学习方式。通过增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术构建高度互动和沉浸式的虚拟科学环境，使海市蜃楼、日食、万有引力等“遥不可及”的科学现象在学生眼前上演，让学生近距离接触、观察，并促进学生全身心投入地感受科学魅力。如从能量守恒定律的角度探讨和学习地球大气层中产生的闪电，是一个非常复杂的系统问题，学习过程中学生很难准确或全面把握这一系统问题，而现实中更不可能通过经历该现象来研究闪电的能量守恒定律问题，而数字化资源让学习这一常见但不可及的科学问题成为可能，且能够引导学生用心感受大自然带来的科学魅力。

　　融入可视化学习体验。在科学教育学习过程中，教师需要运用多种数字化形式记录学生科学学习过程，通过多元数据使学生的科学学习体验和思维可视化。在科学探究活动中对数据的处理是培养学生分析、科学推理能力的好契机，教师借助可视化数据呈现方式，不仅有助于学生养成科学的数据分析和推理能力，而且有利于帮助学生构建科学概念，理解科学原理，提升学生科学学习质量和科学素养。（作者系杭州师范大学附属中学校长）

　　提升科学教育数字资源针对性

　　于英华

　　首先分享一个案例：在观看相关科学影像资源时，教师帮助学生扫清字词障碍，辅导学生组织语句，有效地听懂、看懂、理解科学现象，此时这位教师更多承担的是语文教师的角色。

　　当前，数字化资源在科学教育的应用中，科学教育词汇所占的比重并不大，但仍有相当一部分学生反馈“学不明白”。如果学生不能凭借已有的语言能力来学习科学知识，不能解释和说明所学到的科学知识，那么，科学教育就会出现“看热闹”的尴尬境地。

　　科学教育是复杂的，涉及多个学科。因此，在以数字化资源推进科学教育过程中，需要各学科教师的协同努力，组建跨学科教学团队，通过组建综合性教学资源推进科学教育落到实处。在推进科学教育中各科教师需要针对不同年级的学生，将数字化资源转为更适合不同年龄和认知水平的学生的“再加工”资源，用适合他们年龄和认知水平的多种资源来丰富教学，才能使学生们浸润其中，乐学、善学。如数字化资源的翻译工作需要语言类教师的主动参与；音乐教师在数字化资源中选择适合的篇章，将内容充实到课程之中；美术教师把内容美化、立体化、具象化……各科教师要承担不同的角色参与到科学教育的具体教学细节中。

　　教师跨学科“再加工”的数字化资源，不仅要重视学习对象的针对性，还要重视学习成效的针对性。组建数字化资源时，教师需要有意识地规划资源使用途径，根据科学教育主题、教学需求、使用要求等，把数字资源分割成若干小体量，构建易于组合的颗粒化学习片段，形成知识点模块组合、主题任务模块组合、学习阶段模块组合等多维度模块结构，构建可拆解、可组合的立体的教学资源，有侧重的融合供给为学生提供有针对性、实用性强的学习内容，使孩子们获得更加灵活、个性化和实践性强的学习体验。（作者单位系北京经济管理职业学院培训学院）

　　【探索】

　　对话式人工智能激活科学课堂

　　李宇龙

　　在学校四年级《建造倍力桥》一课中，笔者大胆尝试，将生成式人工智能纳入教学过程。其具体过程为使用ChatGPT（聊天机器人程序）工具，通过自主问答让学生探究倍力桥的稳固性，并在人工智能的指导下亲自搭建倍力桥木制模型。

　　课程效果测评结果显示，使用“对话式人工智能+学生动手实践”的教学方式效果远高于“视频授课+学生动手实践”与“传统讲授法”的教学效果。

　　在对话式人工智能辅助教学的课堂中，学生通过与人工智能进行一对一的问答，主动地发现问题、提出疑问、解决问题，结合人工智能指导下的模型组装，学生的参与度达到了“1+1>2”的效果。学生成为学习的主体，教师扮演辅助者、引导者和资源提供者的角色，最大限度地激发了学生的主观能动性，与教师讲授为主的传统教学有了质的区别。通过本案例，笔者总结了对话式人工智能在小学科学教育中应用的一些思考。

　　首先，个性化教学是对话式人工智能的主要优势。通过对话式人工智能，教师能够为每个学生定制个性化的学习路径，激发了学生的学习热情。教师要善于引导学生与人工智能进行对话，通过不断重复“提出问题—解决问题”的过程，使学生获得个性化的发展与针对性的提升。

　　其次，互动性是提升学习成效的核心，对话式人工智能能够提供频繁的互动机会，使学生能够在学习过程中保持高度的参与度。在高度互动的学习环境中，学生能与人工智能进行有效的交流，还能在同伴之间建立合作关系，共同探索和学习。

　　最后，教师角色的转变对于实现教学效果至关重要。在对话式人工智能辅助的教学模式中，教师不再是单向的知识传递者，而是成为学生的引导者和协助者。这就要求教师不仅需要具备一定的学科知识，还需要能够熟练地使用人工智能工具，并能够根据学生的反馈调整教学策略。

　　对话式人工智能在小学科学教育中的应用提供了一种新的教学模式，这种模式通过增强个性化学习、互动性和教师角色的转变，以及持续的评估和反馈，为提高教学效果和学生学习体验提供了新的可能性。随着技术的不断进步和教育理念的更新，这种教学模式有望在未来得到更广泛的应用。（作者系四川师范大学在读研究生、成都市天府三中实习教师）

　　数字化巧解科学实验难题

　　王浩

　　科学教育是培养学生观察、实验、探究和创新等综合能力的关键领域，其中实验教学是小学科学教育的重要组成部分。通过实验，学生可以直观地理解科学原理，培养观察能力和实践能力。

　　数字化资源众多，选用什么资源为学校科学教育实验服务？我们学校组织教师对现有资源平台进行调研和使用分析后，确定了依托中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统优化学校科学教育实验。

　　该服务系统提供了丰富的实验资源，包括3D、VR仿真操作等，教师可以根据教学内容选择合适的虚拟实验。如学校开展青岛版科学四年级下册第6课《声音的传播》这节课中，需要验证声音的传播需要空气，传统实验设备很难实现理想效果。虚拟实验教学服务系统提供了闹钟、真空罩和抽气泵。在虚拟实验中，学生把闹钟放入真空罩中，用抽气泵抽取真空罩中的空气，随着空气含量的不断变少，听到的声音也会越来越小；平台提供的可视化数据，实时显示真空罩中空气的含量。声音的变化、数据的跳动让学生直观感受到声音传播需要空气，教学效果显著。

　　虚拟实验提升了学生科学学习兴趣，如何加深感官体验，提升科学实验学习的效果？目前，学校采用“虚拟实验+传统实验”协同教学模式，实现优势互补。如在开展铁钉生锈的实验时，课上教师利用虚拟实验教学服务系统里的时间加速功能，把时间加速到2万倍以加快实验进程，使学生快速观察到铁钉生锈的过程，提高课堂效率；课下学生利用传统实验室观察铁钉生锈的过程并做好记录，既充分发挥虚拟实验教学的优势，又确保学生获得真实的实验体验。

　　虚拟实验教学的高度互动性和可视化特点，提高了学生的学习兴趣和积极性；传统实验教学则强调实物操作和感官体验，有助于学生形成直观、深刻的印象，并培养学生的实践能力和动手能力。因此，教师需要根据教学内容和学生特点，将两者有机结合，让学生在虚拟环境中进行理论学习和模拟操作，再在传统实验室中进行实物操作和验证。（作者单位系山东省邹城市太平镇秦庄小学）

　　【大家谈】

　　四川省南充市蓬安县相如第二小学校教师黄军：在科学课教学活动中，教师运用数字化资源、利用现代化教学设备，展现课堂教学，激发学生学习科学的热情。同时，引导学生积极动手参与科学探究，通过对科学的探索，动手、动眼、动脑实践，能够得到与数字化资源库里的内容一致或基本吻合的结果。即便得到大相径庭的结果，也是一种收获。因此，教师在运用数字化资源开展科学教育时，也要注重学生实践能力的培养，为其提供足够的动手实践机会。

　　福建省龙岩市儿童保育院教师丘丽娣：中小学科学教育中数字化资源的有效应用需要注重资源整合与筛选、创新教学方式等，这都和教师教学能力有直接关系。因此，需要开展专门的教研活动，通过跨学科、跨校组队，从活动设计、组织实施、活动评价等方面进行集体备课，确保数字化资源运用效果。

　　河北省邯郸市冀南新区太平学校教师郭涛:数字资源助力中小学科学教育，教师需要重点关注3个方面：一是利用数字资源激发学生的学习兴趣。如通过播放有趣的科学视频、动画等，吸引学生注意力。二是借助数字化资源突破教学难点。教师需要根据学生认知发展规律和知识掌握情况，针对理解有难度的科学知识，借用数字手段、数字资源将其形象化、具体化，帮助学生更好地理解和掌握。三是培养学生自主学习能力。为学生提供优质的在线学习资源，培养他们的自主学习能力和科学探究精神。

　　山东省济宁市微山县两城镇南薄小学教师王秀健：一些贫困地区和农村地区，数字资源与科学教育的结合为其开展科学教育提供了更多途径和方式，但也带来了新的问题，教师的数字化资源利用能力是其中不可忽视的问题之一。如数字化资源利用能力不足，无法合理融入教学；过于依赖数字化资源，可能会导致学生更多地依赖电子设备和网络，而忽视了对书本和基础知识的学习。

　　新疆喀什市第五中学教师刘继龙：以我在一线的应用视角来看，引导中小学生科学利用数字化资源开展科学教育教师需要重视制定使用规则、有效演示使用等，从而确保科学教育的成效，同时培养学生资源筛选、团队协作等能力。除此之外，教师还需要提升学生规范使用数字资源的自我管理意识和个人信息保护意识。

　　江苏省沭阳县九年制学校辅导员、社区教育中心主任沂涛：乡村教师要提升对数字技术的理解与使用的意识，通过优质微课、“虚拟实验”平台、在线问答、虚拟学习共同体等形式，为家庭和社会教育资源相对缺乏的乡村学生提供开展科学学习的场景。