智能技术如何赋能科学教育

　　技术赋能的科学探究实践，指的是借助数字化、网络化的探究学习工具和环境，为科学探究学习各个环节实现全过程的支持，使课堂环境下难以实施的探究学习活动得以实施，从而增进探究学习的效果。

    科学教育具有提升全民科学素质、筑牢建设创新型国家根基的基础性作用。近百年来科学技术飞速发展，科学教育范式也发生了多次改变，总体上呈现了从“知识取向”到“探究取向”的转变，让学生开展探究学习已成为世界各国科学教育的主旋律。教育部等十八部门《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》指出，“以学生为本，因材施教，推进基于探究实践的科学教育”。

    随着数字技术的快速发展，特别是虚拟仿真技术的日益成熟，以可视化、交互性、网络化等方式呈现的探究学习环境，在某种程度上能够化解探究学习开展的困难和障碍。

    情境创设，激发学生探究发现的兴趣    在科学教育中，任何有效的教学都始于对学生已有经验的充分挖掘和利用，引导学生从科学世界向生活世界的回归。探究学习的情境创设，应能够体现科学知识发现的过程、应用的条件以及科学知识在生活中的意义与价值。

    借助技术，如通过视频、动画、游戏或模拟等呈现有吸引力的问题情境，利于引发学生的探究兴趣和学习动机；能够帮助学生按照知识产生的脉络开展认知活动，从而帮助学生深刻理解科学课程中的知识和内容，发展学生的科学思维能力；有利于帮助学生基于实验设计、探索、观察、测量等探究活动，不断思考和修正知识应用的条件，灵活地迁移和应用学到的知识。情境创设还能够引发学生在学习中产生比较强烈的情感共鸣，增强学生的情感体验，使学习成为一种包括情感体验在内的综合性活动，从而增强学生探究实践过程中的情感体验，这对于学生学习效果的提升具有积极意义。

    学生的自主性是探究学习的核心和关键，而科学的发展历程一直都是通过一代代科学家不断探索发现未知世界、更新科学知识的过程，探索世界是科学活动的本质。一直以来，学校课堂上的科学教育难以让学生真正地进行探索发现，即使是实验课，也多为验证性科学实验，规范的实验仪器、实验材料、实验步骤，相差不多的实验现象和实验结果，在实验过程中一旦发生意外，往往会产生实验仪器损坏甚至其他更严重的安全事故。    数字化探究学习环境能够借助多媒体手段再造物质世界，从而给学生创设可以在课堂上进行探究发现的空间。学生可以在网上借助网络公共数据库、教学资源库、数字图书馆、数字博物馆等获得丰富的探究学习资源；借助数字化实验平台、模拟仿真和建模软件等探究学习环境，通过操纵调整参数获得数据、发现规律、建构知识；在虚拟世界中，学生可以在浩渺的太空，也可以在南极大陆，甚至在细胞等微观世界里进行探索。在技术环境的支持下，学生按照自己的先前理解，按照自己的知识水平，凭借自己的兴趣，按照自己的步调进行个性化学习。

    融汇资源，赋能学生深度参与探究实践    学生开展学习的过程中，如果只是盲目的探索，那么学生对科学方法和科学规律很难有深入的认识。比较枯燥的公式和定理，通过信息技术能够变为生动有趣的动画和视频，能够再现科学知识发现时的场景，将宏观世界和微观世界的物质以可视化的方式呈现出来。    如何保证科学演示的科学性，是教学实践中需要注意的问题。由于技术的限制，很多时候对自然科学现象的模拟与真实的科学现象之间是不对等的，特别是在视角、观感上有时候差异较大。而对于学生来讲，由于没有身临其境的经验，有时就会存在一定的误读，从而导致迷思概念甚至错误概念的形成。如何避免出现这样的问题？首先在科学演示动画设计制作的过程中，需要科学教师和软件技术人员通力合作，通过充分沟通最大限度地保证演示动画的科学性；然后在学生使用科学演示动画进行学习的过程中，要收集学生的知识理解情况，发现错误认识时能够给予及时矫正。

    科学家在科学研究的过程中，都是通过科学仪器来进行数据的收集，进而通过数据分析来获得研究结果。科学测量方法是科学研究中最重要的手段和技术，教会学生科学地使用测量工具是培养学生形成良好的科学实践能力的基本要求。科学教育中，一直以来都是通过实验课的开设来培养学生科学仪器的使用技能和实验方法的掌握。在很多学生的头脑中，科学仪器就是刻度尺、天平、酒精灯、试管等实验仪器，其实在科学研究实践中，科学仪器种类多样、数量很大，测量检验的方法也有很多。受限于学校教育的环境和条件，或者出于安全因素的考虑，很多科学仪器不能让学生动手去操作，无法进行实验探究。借助数字化技术，可以突破这样的限制，那些科学家们当前正在使用的科学仪器与工具，学生也可以“触手可及”。最典型的应用就是传感器技术在科学教育中的应用。在当前的科学研究中，科学家使用大量传感器来获取大气、土壤、海洋中的各种数据。随着技术的发展和成本的降低，传感器技术进入学校，成为数字化实验室中最重要的实验仪器。    科学知识是通过社会性建构而形成的，学生需要参与社会交往活动来建立和完善他们对科学现象的理解。借助信息技术工具，与异地同伴进行分享、交流和协作，发表探究学习心得、体会，能够增强探究学习效果。在基于网络的探究学习环境中，通过各种实时或非实时的通信工具，有助于实现更大范围上的沟通与对话，甚至能够将科学家、家长、社区人员等课堂之外的人纳入到探究学习协商交流活动中。

    评价反馈，伴随学生科学探究全过程    探究学习需要有明确的学习目标，但不是单纯地理解与掌握科学知识。学生使用证据来解释、回答要探究的问题并形成研究报告，往往是探究学习中常用的评价方式。探究学习过程中学生能否理解科学的含义并对科学价值形成自己的认识，在科学探究报告中往往可以体现出来。

    技术赋能的探究实践，应当鼓励学生通过多种形式来呈现探究学习的成果：可以用文字处理软件撰写报告；可以用演示文稿软件制作发言提纲；还可以让学生拍摄短视频并发布，表达自己对知识的理解。这都是让学生体验成功的重要阶段，学生把自己的学习成果——探究学习活动计划、收集的有关资料、学习过程记录、学习成果总结等，以汇报会的形式展示出来。在科学论证方面，图片、视频的说服力要比语言文字更强，提倡多样化的数据格式，有利于培养学生使用证据进行科学论证的能力，也能够提升学生进行多媒体表达的技能。

    在探究学习环境中嵌入评价模块，教师可以对学生学习过程进行跟踪、评价和实时反馈，从而实现伴随式评价。借助人工智能技术，通过预先设计的基于证据的评价模型，对学生学习的探究路径进行分析，对学生学习过程中的一些关键性成果进行评定，并给予学生及时的反馈，或给予学生学习支架的支持，根据过程记录情况和伴随式评价结果，最后能够对学生的整个探究学习项目给予等级评定。

    从情境的创设开始，技术的有效使用能够引发学生的探究兴趣、激发学生的学习动机；多样的探究工具能够帮助学生进行探索发现；通过图文声像并茂的多媒体手段可以进行生动形象的科学演示；通过数字化的测量工具可以进行测量检验；借助同步或异步交流技术可以随时随地开展协商交流活动；嵌入式评价技术能够真实记录学生的探究学习活动过程，开展伴随式评价并及时给学生反馈以引导探究活动的顺利开展。由此可见，智能技术为科学教育探究实践的开展搭建了一个可实施的空间，从而实现学习方式的变革。

编辑：李国栋