构建适应人工智能时代的科学教材体系：挑战、现状与研发策略

摘要：人工智能的应用将对科学教育场景产生深远影响，势必对科学教材的建设带来挑战。只有在教学目标、教材内容、呈现形式、过程性评价等方面作出必要改变才能适应时代发展。目前，适用于科学教育的数字教学平台多已接入人工智能。然而，科学教师的数智技能、数智化科学教育资源和教材的研发存在一定的滞后性。为优化科学教育生态，保障科学教材研发质量，应组建协同合作的教材研发团队，在搭建教材内容框架时整合人工智能素养，设计智能化科学教学工具包，根据教材使用场景打造智适应教学平台，从而构建整合人工智能的科学教材体系。关键词：人工智能；科学教育；科学教材；教材研发人工智能的发展正在快速改变着我们的生活方式。人工智能时代，我们需要充分认识人工智能给教育发展带来的挑战和机遇。科学课程是培养创新型人才的基础性、实践性课程，运用人工智能助力科学教育是科学课程发展的必然趋势。科学教材的编写模式也将因此作出调整。《义务教育科学课程标准（2022年版）》提出要做到“信息技术与科学教学的深度融合，校外学习与校内学习的相互促进，原有资源和生成性资源的综合使用，线上学习与线下学习的有效整合”。笔者尝试讨论人工智能等技术对科学教材编写带来的挑战，提出数智时代可行的科学教材体系研发策略。一、人工智能对科学教材编写带来的挑战人工智能时代，人类对已有知识的学习将从两个方面实现突破。一方面是由计算机代替人来承担知识记忆存储等任务，另一方面是借助人工智能不断提升人的学习能力。教学活动要逐步从知识记忆训练向知识搜索、知识应用转变。教师需要掌握一定的人工智能技术，优化、创新、变革课堂教学实践，利用人工智能精准识别学生知识掌握的情况和个性化的学习需求，推荐适合他们的学习内容和路径，为他们提供多样化的学习资源和更多的学习机会，从而增强他们的学习兴趣，提高他们的自主学习能力。人工智能时代，课程形态要作出适应性转变（见表1）[1]。要适应课程形态的转变，科学教材应该从以下四个方面作出调整，促进课堂教学与智能技术进行全要素、全过程深度融合，助力教育数字化智能化转型。一要立足科学核心素养，深刻思考什么知识最有价值、什么能力最为关键。在人工智能的学习环境下，具有基于个体经验和情感提出问题尤其是原创性观点的能力显得弥足珍贵，要着重培养学生主动参与知识创造和创新的能力，建设具有创新性和批判性思维的复合型人才队伍。科学教材一方面要有效地呈现与链接与时俱进的、动态发展的和不断演进的科学知识，体现科学思维方法，指导科学探究实践；另一方面，要梳理和整合人工智能素养，构建更具弹性、适应性和可持续性的科学课程内容，鼓励学生独立思考、解决问题和创造性表达，在知识广化的基础上促进知识的深化，在知识广化和深化的基础上实现新知识的构建。二要以发展和动态的眼光研发数字化、智能化教材。在教材编写中，重新定位学生、教师、人工智能三大主体的角色，充分挖掘人机协同的优势，考虑如何应用技术实现信息传递、知识获取、教与学的紧密连接，为科学教学提供更为丰富的师生、生生以及学生和学习内容之间的动态互动形式，支持学生的多元需求和个性化发展。三要整合人工智能，以丰富的、不断更新的数智化教学资源作为教材不可或缺的重要呈现形式。遵循可视化、形象化、生动性、立体化、交互式等彰显技术优势的原则，重构课程新生态，使教材能够随着技术的发展而发展，伴随师生的成长而成长，成为个性化教学的优良载体和友好伙伴。四要将构建基于交互的过程性评价体系作为教材编写的关键环节。为优化基于科学探究与实践的过程性评价，教材编者可利用人工智能做好交互设计，建立更为全面的、多元化的评价体系，提高评价的精准化，帮助教师更好地了解学生的学习过程和能力发展情况，助力学生全面发展和个性成长。二、科学教育中应用人工智能的现状分析随着技术的不断进步和政策的持续支持，面向教师的人工智能工具日益普及。人工智能在教育中的应用不仅优化了教师的资源利用，提高了教学效率，还能助力学生取得更多学习成果[2]。在我国的科学教育中，人工智能得到了一定的应用，且具有扩大化的趋势。但是，人工智能工具之间缺乏数据共享、兼容度低，科学教师、课程教材研究者的数智素养尚待提高，制约人工智能在科学教学中的应用。（一）人工智能在科学教育中广泛应用且发展迅速1.一些适用于科学教育的数字教学平台已接入了人工智能从一些科学数字化教材和教学平台的使用情况来看，人工智能已应用于科学教材、教学资源、课堂教学、实验材料、教学评价之中，其功能正在迅速扩展。目前，众多数字教学平台如人民教育出版社出版的科学数字教材、vbook科学教学平台、希沃教学平台等都应用了人工智能，它们在教学资源提供、智能化备课、学习评价等方面发挥着重要作用，但在智能化表现上仍有提升空间。2.智慧学习型软件和小程序在科学课堂上得到应用图片识别、语音识别等智能软件在科学教学中得到广泛应用。例如，引导学生用图片识别工具认识植物，用语音识别工具做科学记录。一些生产数字化实验工具的公司为工具配备了智能软件，在科学实验中师生用这些软件自动记录数据并进行分析。例如，使用传感器采集温度、距离、声音、光照、电流、磁性等数据并自动分析数据。有的科学教师将科学课程与信息科技课程结合起来，引导学生参与融合人工智能的项目式学习活动，让学生对项目产品进行编程，实现一些自动化的功能[3]。3.生成式人工智能和大数据的应用发展迅速很多科学教师已经在教学中应用豆包、Kimi、文心一言等生成式人工智能工具。联合国教科文组织发布的《教育与研究领域生成式人工智能指南》建议，将生成式人工智能工具使用者起步年龄设置为13岁[4]，但实际上，在科普科幻写作、绘图和小视频制作等跨学科教学中，小学生也在使用生成式人工智能进行创作。人工智能与大数据支持下的智适应教育系统日趋完善，已能实现智能化管理教学资源、个性化设计学习路径、创建虚拟实验室和模拟历史场景、自适应学习、智能推荐、智能分析与反馈等功能，在助力探究式学习、跨学科融合、参与式学习和个性化学习等方面具有明显优势[5]。据统计，海外智适应教育已普及至近3亿人群[6]。目前，我国一些团队研发的专门面向教师的智能化备课工具和课堂教学评价工具，已逐渐铺开使用。（二）科学教育中应用人工智能存在的问题人工智能在科学教育中的应用虽然进展迅速，但仍面临诸多挑战，如科学教师的数智素养、数智化科学教育资源和教材等滞后于人工智能技术的发展速度。1.教师的数智素养需要提升新一代人工智能的发展，正在重塑教师专业的能力基座。数智素养是智能时代教师所需要具备的能力和素养。教师需要在教学设计中主动思考如何整合人工智能，为学生提供切实有效的学习方法。教师需要审慎地思考并选择人工智能在自身教学过程中的嵌入深度，批判性地思考“人工智能将如何影响教育中的知识权力”等问题。目前，科学教师的教学理念落后于人工智能发展速度，对于教育智能化转型重要程度的认识不到位，自身运用人工智能技术优化课堂教学组织模式的能力薄弱，这些都将限制人工智能在解决教学问题中的效用发挥。科学教师亟须从教育创新发展的实际出发，厘清人工智能技术在教与学变革中的核心效用，提升教学胜任力。2.数智资源建设尚不能满足教学需要现有的支持科学教学的平台“智能化”水平有限。现有的科学实验材料中，有少量数字化的实验工具，但多以采集数据为主。各方面研发的数字化产品多局限于从技术应用的视角去解决教学中的有限问题，同质化倾向明显，难以满足个性化需求，遑论实现学生自我成长。因此，人工智能技术对于教与学的“变革”作用未得到充分彰显。3.人工智能尚未纳入科学教材的研发过程教材是连接师生和教学的桥梁。目前的科学教材仍以纸质教材为主，虽然有数字教材，但智能化水平不高。尽管人工智能已经成为一些科学教师在备课中经常应用甚至依赖的手段，但是目前尚缺少能引领教师主动利用人工智能技术优化课堂教学，积极有效运用数智教学平台、资源、工具等实现创新型课堂教学模式的教材。构建人工智能与教学深度融合的科学教材体系，推进科学教材数字化、智能化转型，是教材编写出版部门面对的重要任务。三、整合人工智能的科学教材体系研发策略2017年国务院印发《新一代人工智能发展规划》提出分三步走实现人工智能发展目标。第三步是到2030年，人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平，使我国成为世界主要人工智能创新中心，智能经济、智能社会取得明显成效。智能社会需要智能教育，教育从形式上正在向“基于人工智能”“结合大量用户数据”“针对个体差异性”提供适合个体特征的智适应教育转化。教材作为教育教学实施的重要载体，编写的全链条必然也应随着人工智能的发展、教育智能化及个性化的发展而革新。未来，要构建立体化的整合人工智能的教材体系，做好顶层设计，保证在教材编写的全链条中充分运用人工智能（如图1）。（一）组建协同合作的教材研发团队编研教材需要协同合作的研发团队。要开发融合人工智能的科学教材，应基于科学课程内容领域、科学教材的编研方法、科学教学的方式方法和教材研发的技术手段，建立“四合一”的科学教材研发团队。第一，组建学科专家团队。科学课程内容包括物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程等多个领域，需要来自各领域的科学家、科研工作者或者从事过相关领域科学研究工作的科普工作者等学科专家共同参与。学科专家具有扎实的专业功底，掌握相关领域的科学知识体系，熟悉科学研究方法，具有专家思维和一定的跨学科理解力，能对教材的科学性和结构体系的完整性进行把关。第二，组建编辑团队。科学教材的研发过程具有一定的规律性。科学教材的编辑出版具有严格规范的流程，需要建立具有学习和研究能力，理解科学课程内容，具有一定的教育学、心理学素养，熟悉科学教材研发流程，具有较强的文字加工能力的教材编辑团队。教材编辑团队是教材研发的核心，擅长整合其他专家团队资源，及时采纳各方面意见，使教材研发、后续的完善和支持工作得以顺利开展。第三，组建教学专家团队。科学教学倡导探究式、启发式、项目式等教学方法。教学方案要适应不同年段学生的认知水平和技术应用水平。因此，需要将优秀的科学教研人员和教师纳入教材研发的教学专家团队，将学科专家的知识和方法转化为学生可以参与学习和理解的教学素材，并在教材的持续使用中不断地创造和丰富适宜的教材资源。第四，组建技术支持团队。整合人工智能的科学教材需要多方面技术人员的支持。其中，美术设计和插图绘制等技术人才，使纸质教材内容的静态呈现和在数字化环境中的动态呈现，做到科学、真实、直观、生动，符合大众审美；数智技术人才，熟悉数字教材和人工智能的发展状况，能够根据各方面团队人员的需要，优化教材在数智化方面的表现。（二）在搭建教材内容框架时整合人工智能素养促进学生发展的核心素养的内涵是随着时代的发展而不断发展的。未来的科学教学要面对具备认知智能的人工智能的挑战与冲击，教师在开展科学探究与实践教学时不能只停留于引导学生的认知发展，还需要适当使用人工智能。因此，核心素养的内涵中需要整合人工智能素养。必然地，在搭建科学教材结构框架时，也应该整合人工智能素养。人工智能素养不仅是对人工智能的理解和应用，帮助人们选择合适的数智工具并合理使用，更是一种全面的、与时俱进的技术和知识体系[7]。科学教材可以从知识、思维、应用和态度责任等方面整合人工智能素养，保证在科学教学过程中实现相关培养目标（见表2）。（三）设计智能化科学教学工具包要着力打造智能化的自适应科学教学平台，这类平台以纸质教科书、教师教学用书、活动手册和科学观察、实验和制作的资源作为准确合理的基础数据，以能够不断自我成长的备课、课堂教学、学生自学和教学评价为底层逻辑，形成立体化的科学教学工具包。教材要实现“纸数融合”，需要具有明确的标识，以指引学生调取平台上的资源进行学习。这样，随着平台的成长，纸质教材融合的数智资源也就生长出新的功能。纸质教材也应能激发和指导学生选择性地参与融合人工智能的项目式学习活动。现在较为广泛应用于科学课堂之中的科学教学具材料，以探究与实践过程中需要的操作性材料为主，鲜少配有具数据读取功能的传感器材料和配套软件。目前，一些学校单独采购了一些相关材料，但价格较贵且软件系统互相屏蔽。以智适应学习平台为纽带，为平台研发分析实验数据的功能，可以为平台配备多种智能化数字工具。例如，在测量小车的运动时，使用测量时间和距离的传感器；在为校园植物挂标识牌的教学中，利用机器学习软件，建立校园植物博物馆；在研究太阳能热水器的原理时，使用温度传感器的感温探头元件。智能化科学教材离不开计算机这一载体。为了更便捷地开展能够进行数据和资源传输与分享的合作式的科学探究与实践，需要在课堂上配备智能化自适应学习机。学习机可以与数智工具相连接，获取和分析数据；可以登录智适应教学平台，调取教科书、活动手册资源，让学生看到其他小组的数据、支持教师给出的指令和评价意见等。（四）根据教材使用场景打造智适应教学平台现有的一些教学平台具有调取与上传资源、互动教学、协作学习、自主学习、学习过程管理与评价等功能[8]。科学智能化自适应教学平台是适用于教育教学真实情境的智能教学工具，能够帮助教师引导学生进行深度思维加工，实现深度教学。教材研发团队可以从真实的教学情境入手，根据科学探究与实践的教学过程和规律，分为备课、课堂上的教与学、学生自学和教学评价等几个板块进行设计。教师可以在备课板块进行学情分析，在既有教案基础上生成更适合的教案。课堂上的教与学板块又可分别细化。教师可以使用教案控制教学节奏，为学生提供学习资源，获取学生观察实验的相关数据，记录学生行为表现，对学生进行实时反馈等。学生可以输入并分析实验数据，利用资源自主学习，进行组内和组间交流与评价，也可以根据需要随时查阅资料。对于自学板块，学生可以课前和课后学习中使用。设计教学评价板块，需要明确核心素养的评价量表，挖掘科学情境并设置能充分表征各项素养的问题方法，设置合理的问题梯度，使之可以支持学生的个性化评价和教师教学的自我评价。为使各个板块既相对独立又灵活兼容，智适应教学平台应该具备上传功能、分析功能、成长功能和数智人功能等。第一，具备上传功能。科学教师个体的教学经验和教学能力是不断发展的，科学教师团队的教研成果也是不断积累的。教师及其团队使用上传功能，能够不断丰富科学教学资源和活动设计，使教学更加有效；学生也可以看到自身的成长轨迹，按照个性化学习路径开展自主学习。第二，具备分析功能。利用分析功能，可以分析科学观察实验中获得的各方面的数据，助力教学评一体化：在教学过程中，全方位、全过程采集学生的学习数据，掌握学生在构建科学知识、实施科学探究过程中的表现，同时观察学生在科学学习中的情绪变化、心理倾向乃至个性特征等方面的情况，为教师教学提供量化数据，进一步诊断教师在