教育数字化是教育现代化的基本内涵和显著特征。当前，数智技术发展速度快，辐射范围广，影响程度深，正深刻推动着科学教育教学模式创新、供给升级、生态重塑，成为我国科学教育高质量发展的重要突破口。中小学科学教育作为培养科技创新人才的重要基础，是实现高水平科技自立自强的关键之举，需要顺应数智教育发展大势，抢抓科技赋能发展先机，把科技优势融入科学教育。

中小学科学教育是建设教育强国、实现高水平科技自立自强的基础性工程。以人工智能（AI）、大数据、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等为代表的数智技术正在推动科学教育领域发生深刻变革。习近平总书记在主持二十届中共中央政治局第五次集体学习时强调：“要进一步推进数字教育，为个性化学习、终身学习、扩大优质教育资源覆盖面和教育现代化提供有效支撑。”[1]教育部等十八部门联合印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》（教监管〔2023〕2号）提出：“探索利用人工智能、虚拟现实等技术手段改进和强化实验教学。”[2]在这样的背景之下，系统阐释数智技术助推中小学科学教育改革的价值意蕴及现实挑战，深入探讨其赋能中小学科学教育高质量发展的实践路径，具有重要的理论和现实意义。

数智技术助推中小学科学教育改革的价值意蕴

1推进课程教学模式创新

数智技术的深度应用从三个维度促进传统科学教育教学形态变革。一是知识流动方式的革新。数智技术突破时空边界的限制，改变师生间的互动方式，推动课程教学从“单向传授”转向“多维交互”，形成线上线下深度融合的立体化教学模式。中小学校可以运用翻转课堂开展科学教育，课前利用数智化资源自主学习，课中开展数据驱动的精准教学，从而提升科学教育质量。二是知识呈现方式的革新。教师可以借助AR技术构建虚实融合的教学场景，并利用虚拟教学系统模拟真实科学现象发生的情境，把科学知识和概念以更加生动的形式呈现出来，使学习更加直观和具有趣味性，助力学生培养科学思维和习惯。三是知识生成方式的革新。学生可以使用数智工具开展科学实验，运用AI算法自动采集和分析数据，生成相关图表和报告，大大提高学习效能。

2助推科学教育供给升级

数智技术能够实现科学教育“精准匹配”“因材施教”。在中小学科学教育中，利用人工智能和大数据分析技术，持续监测学生科学类课程的学业表现、认知发展及素养提升轨迹，精准诊断学生的学习状况，提供个性化的学习路径及资源推荐。如此，科学教育资源就能实现精准供给，区域间科学教育资源配置差距也能缩小。例如，构建知识图谱，把科学类课程内容分解成模块化知识点，再结合知识图谱的结构化关系与学生行为数据，预测学生的认知路径，并自动匹配适合的学习资源。北京市海淀区开发构建学业诊断平台，对收集到的数据开展多维交叉训练分析，优化诊断结果呈现形式，以满足学生、教师和教学管理者的差异化需求。珠海中山大学附属中学与中山大学国家超算广州中心合作，依托信息学与人工智能教学平台，为学生提供了优质学习资源及学情诊断分析，也为教学提供了精准依据，助力教师因材施教。

3推动科学教育生态重塑

依托数智技术构筑协同育人体系，能够有效整合中小学校、科研院所、科技企业等多元主体资源，构建科学教育良好生态，促使科学教育从“学校课堂”转向“跨界融合”。运用数智技术既可以开发虚实融合的教学系统、智能的可视化实验平台及跨学科的项目式课程，营造沉浸式的教学场景，也可以通过动态系统建模与情境交互设计，把抽象科学原理解构为具象化探究任务。例如，中国科学技术馆与百度联合开发的“科技馆智能体”，利用百度文心大模型技术，整合科普知识数据和交互式AI能力，不仅能为科技馆里的观众提供基础信息、导览等服务，还能随时为各地的青少年解答科学问题，让科普知识和服务触手可及。福建省福州市利用智慧校园综合管理系统推进全市科学教育资源共享，鼓励中小学校建设虚拟仿真实验室、智能实验室等，并成立青少年创新学院，联合科技馆、高校、科研院所等，研发普适性、提高性、拔尖性的多层次科学课程体系，以满足不同学生需求。

数智技术助推中小学科学教育改革的现实挑战

1数智技术应用面临均衡性挑战

数智技术赋能科学教育的前提是需要技术资源的支撑。随着数智技术的更新迭代加快，城乡之间的数智技术资源差距仍然普遍存在。发达地区拥有丰富的数智技术资源，能够运用最新的技术成果，在科学教育资源方面具有先天优势。而欠发达地区数智技术资源的更新换代周期较慢，一些地区数智硬件设备严重不足、数智技术基础设施不健全，新技术、新设备与科学教育要求的技术条件不匹配，使得城乡存在一定的数智技术资源差距。此外，城乡在科学教育观念、数智技术应用能力等方面的差距较大。发达地区教师容易获取最新的数智技术资源，并将其运用于科学教育教学活动；而欠发达地区教师在新技术培训和应用方面的学习资源往往相对匮乏，一些教师甚至不会使用数智工具进行课程教学，数智技术运用能力较为薄弱。

2数智技术应用面临适配性困境

数智技术对科学教育各要素、各场域产生了深刻影响，但是对于数智技术的过度依赖或使用不当可能会导致与科学教育目标和价值的偏离。科学教育旨在培养学生科学素养和创新实践能力，如果盲目依赖数智技术，可能会导致学生被智能工具影响，产生惰性思维，减少自主思考和动手实践，不利于批判性思维和问题解决能力的培养。此外，由于数智技术本身的算法漏洞和技术瓶颈，智能工具可能会产生错误知识和不良信息，对学生的科学认知及价值观念产生消极影响。例如，程序性的算法会使得数智工具提供的科学问题解决方案千篇一律，一些看似逻辑自洽的应答会与现实经验相矛盾。如果学生盲目相信“技术万能”，而忽视了科学思维的养成，就会与科学教育的目标和价值相背离。

3数智技术应用面临主体性隐忧

教师和学生是科学教育的主体，数智技术的“拟人化”渗透可能会引发科学教育主体缺失的隐忧。数智技术以相对固化的、规定性的程序和指令工作，师生动动手指就能解决科学问题或知识疑惑，进而出现“机器代替教师”等争议，使得教师在科学教育中的主体地位受到机器的挑战。同时，机器应答规则使得科学教育需要遵循相对固定的教学程序和步骤，可能会抑制教师的创造性教学。对于学生而言，科学教育本应是激发想象、不断探究的实践活动，数智技术介入后，学生可能会遵循技术程序思维去进行科学实践活动，科学问题的思考过程、实践过程趋向机械化，学生甚至会陷入技术算法的逻辑漏洞之中，降低创新创造的动力。可见，技术的便捷性容易引发部分师生产生学习惰性，使其在科学教育中过度依赖该项技术，忽视师生作为教学主体的主观能动作用。

温州科技高中数字化课堂

数智技术赋能中小学科学教育改革的实践路径

1构建个性化育人体系

数智技术正在改变科学教育的实施方式，关键在于精确诊断学习需求，为科学类课程教师提供有针对性的教学建议，注重“一人一策”的精准指导，进而构建个性化育人体系。一是运用数智技术实现个性化学习供给。借助AI学情分析系统，实时监测学生科学类课程的课堂表现与作业数据，知晓学生对知识点的掌握程度，自动生成契合其当前能力水平的学习任务。中小学校可以建设智慧课程平台，助力构建动态更新的学生学习能力画像，并依据学生学习特点动态生成符合个体需求的学习资源。二是运用数智技术打造沉浸式的科学教育情境。中小学校可以利用AR/VR技术打造科学探究的虚拟实验室，营造像“纳米材料结构观察”“宇宙飞船观测太空”之类的虚拟场景，让学生能够身临其境地进行科学体验，帮助学生将科学概念具象化，进而激发学生进行科学探究的内驱力。三是运用数智技术培养学生创造力。借助智能系统，实时监测学生在科学探究中的专注度、挫折感等情绪信号，及时向教师推送“情感预警”并提示干预策略。当学生提出天马行空的创意假设时，系统会根据跨学科知识库生成引导性问题，这样既保护创新思维，又培养实证精神。通过数智技术进行教学创新，不仅能够依靠数据分析持续改进教学方案，还能保护学生的个性特点，真正实现因材施教，助力学生全面发展。

2探索新型教学模式

数智技术借助人工智能、虚拟仿真等工具，打破学科间的知识壁垒，把原本分散的数学、科学、艺术等学科知识整合起来，以推动科学教育教学方式从“单向传授”转向“沉浸式探究”。首先，将科学原理具象化。例如，借助VR眼镜让学生“进入”分子的世界去观察化学反应，用AR投影于课桌上构建太阳系模型，把抽象概念变为直观的立体场景，既能解决实验器材不够的情况，又能让学习像探险那样充满趣味。其次，帮助学生智能导学。利用智能系统实时监测学生的学习状况，精确分析学生的学习风格和学习特点，自动推荐个性化的学习资源和任务，形成动态梯级难度，提升学生学习成就感，培养学生的科学思维和创新实践能力。再次，促进跨学科学习。科学教育需要建立不同学科知识之间的关联。学生通过数智技术能够整合多学科知识，并解决复杂科学问题，这一实践过程有助于培养学生跨学科思维。最后，加强团队协作探究。科学探究往往需要团队协作，运用数智技术能够实现远程协作、虚拟协作。中小学生可以通过数据共享与共同训练等方式锻炼团队协作能力。因此，科学教育需要打破传统课堂教学模式，将科学知识灌输转化成创新实践能力培养，让科学类课程教学更加贴近学生生活，更加生动有趣。

3完善评价反馈机制

在数智时代，科学教育评价需要从结果性评价转向过程性评价，使评价更全面、反馈更及时。其一，采集多模态学习数据。中小学校可以运用智能技术全面采集学生学习信息，记录科学实践活动的学习和反馈情况，形成学生数智学习和成长记录袋，为科学教育评价提供可见数据。其二，运用数据进行综合评价。依据科学教育对中小学生的核心素养要求，运用智能系统对学生科学学习过程进行诊断和分析，并形成学生学习分析报告。其三，依据诊断结果改进教学。教师与智能系统共同诊断学生学习过程，针对学生学习接受情况，及时调整教学任务，帮助学生消化和吸收教学内容；学生可以运用智能系统进行学习状况摸底，弄清楚自身课程知识掌握情况，进而依据智能算法推送的学习资源进行进阶式学习。其四，构建多元主体评价体系。教师、家长、校外科技辅导员等多主体可通过智能系统参与到学生科学教育评价过程当中，对学生科学探究活动进行指导、点评、互动和反馈，共同帮助学生改进科学探究方案，构建起多主体、多视角和立体化的评价体系。可见，数智技术能够赋能多主体进行科学教育评价，使科学教育评价更契合真实的科学教育情境，有助于教师实时掌握学情并优化教学策略，还能使学生得到个性化的成长指导，从而达成“以评促学、以评促教”的教育目标。

4推进保障体系建设

教师是科学教育改革的关键执行者，其技术运用能力与教育理念的更新，直接影响改革成效。可依托数智技术，围绕教师研修、平台搭建、协同备课、跨区域教研等方面推动构建科学教育保障体系。第一，构建数智化教师研修体系。利用AI驱动的虚拟教研室、智能诊断工具及动态知识图谱，帮助教师建立对科学教育的系统认知，精准找出自身知识结构的不足，并运用智能推荐算法获得定制成长方案，持续增强专业能力。第二，搭建“政府—学校—企业”合作平台。发挥多方协同优势，依托数智技术建立区域科学教育资源共享平台，汇聚跨区域的精品课程包、虚拟实验室及学情分析工具等，形成安全可靠的科学教育资源库。第三，推广云端协同备课。借助智能系统对科学教育优秀教案库、虚拟实验素材库及课堂效果预测模型等加以分析、整合，使不同学科教师能够在线协作、共同进行教学设计，并结合智能系统分析，不断完善教学资源建设和优化教学方案。第四，开展跨区域网络教研。利用数智技术搭建虚拟教学场景，打造“云端教研室”，支持城乡教师协同联动，共同训练和使用智能教研平台，提高城乡教师科学类课程教学能力。因此，建立立体化保障体系，既要重视教师个人能力的逐步培养，也要强化多元主体的协同创新，实现从“单兵作战”到“协同作战”的转变。

科学教育数字化转型是科学教育高质量发展的基础保障，也是科技创新人才培养的重要依托[3]。数智技术为中小学科学教育发展提供了新动能，在其有力支持下，科学教育在教学场景、教学要素及教育模式等方面实现重构和革新。一方面，数智技术赋能中小学科学教育教学模式创新，塑造科学教育新生态。另一方面，数智技术应用也面临均衡性挑战、适配性困境、主体性隐忧等。运用数智技术赋能中小学科学教育提质升级，不仅需要构建个性化育人体系、探索新型教学模式、完善评价反馈机制、推进保障体系建设，还要注重内容与形式协同创新，回归科学教育本质，激发中小学生创新潜能，培养其终身学习能力。

参考文献：
[1]习近平.论教育[M].北京：中央文献出版社，2024：232.
[2]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[J].中华人民共和国教育部公报，2023（5）：20-24.
[3]郑永和，张登博，苏洵,等.科学教育数字化转型：内涵、样态与挑战[J].中国电化教育，2025（1）：54-61.

基金项目：教育部校外教育培训监管司委托课题“普通高校实验室及科研资源支撑中小学科学教育探索研究”（2025JGSKT008）。

作者：蒋灵斌，北京科技大学。

来源: 中国青少年科技教育工作者协会