中美在線與混合教學(xué)模式在科學(xué)教育中的比較研究

摘 要 信息技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了中美科學(xué)教育的創(chuàng)新，尤其是在線與混合教學(xué)模式的出現(xiàn)，不僅顯著提升了教育資源的可達(dá)性，還增強(qiáng)了教學(xué)的靈活性。通過(guò)對(duì)比分析中美科學(xué)教育領(lǐng)域內(nèi)在線與混合教學(xué)模式的實(shí)施策略和多樣化實(shí)踐及其成效，進(jìn)一步探討了這些教學(xué)策略的實(shí)施效果和科技創(chuàng)新在教學(xué)中的應(yīng)用及其局限性。這些成果有望為在線與混合教學(xué)模式的進(jìn)一步應(yīng)用提供新的視角，并推動(dòng)科學(xué)教育的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 科學(xué)教育；在線與混合教學(xué)；信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）19-0-04

0 引言

21世紀(jì)信息技術(shù)的快速發(fā)展不僅引領(lǐng)了全球范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)革命，也給教育帶來(lái)深刻變革[1]。尤其是作為全球最大的兩個(gè)經(jīng)濟(jì)體的中美兩國(guó)及其教育市場(chǎng)，它們的科學(xué)教育體系在吸納技術(shù)進(jìn)步方面展現(xiàn)出顯著且值得深入探討的特征。在線與混合教學(xué)模式作為教育技術(shù)創(chuàng)新的前沿，已經(jīng)在眾多學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)在線與混合教學(xué)模式展開了深入研究，并取得了豐富的成果[2]。但在中美兩國(guó)科學(xué)教育的具體應(yīng)用和實(shí)施方面，尤其是在技術(shù)驅(qū)動(dòng)的背景下，仍然需要更多的研究來(lái)深入探討其差異和特點(diǎn)。

本文通過(guò)深度比較分析中美兩國(guó)在線與混合教學(xué)模式的實(shí)施和成果，提供一個(gè)全面的科學(xué)教育在線與混合教學(xué)模式的比較框架，并探討兩國(guó)在科學(xué)教育的技術(shù)驅(qū)動(dòng)下所展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，以及各自的教育策略和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。希望本文能為教育工作者和政策制定者提供有益的參考，幫助他們更好地利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升科學(xué)教育的質(zhì)量。

1 中美科學(xué)教育中信息技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，中美兩國(guó)在科學(xué)教育領(lǐng)域都在積極探索如何有效地融合并應(yīng)用這些技術(shù)。這場(chǎng)由技術(shù)驅(qū)動(dòng)的教育變革不僅徹底改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，而且為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)豐富多元的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1.1 信息技術(shù)的應(yīng)用

在美國(guó)，信息技術(shù)在科學(xué)教育中應(yīng)用已經(jīng)成為一種普遍現(xiàn)象。各類先進(jìn)的教育技術(shù)設(shè)備，如智能黑板和VR/AR實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)成為許多中小學(xué)和大學(xué)的標(biāo)配。例如，在生物學(xué)和地理學(xué)課程中，教師利用智能黑板上的數(shù)據(jù)可視化工具展示復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，如基因表達(dá)模式或氣候變化數(shù)據(jù)。此外，政策的推動(dòng)在這方面也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助的一系列項(xiàng)目進(jìn)一步促進(jìn)了教育技術(shù)的應(yīng)用[3]。NSF資助了一個(gè)名為“Cyber-Physical Systems in Education”（教育中的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)）項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在將網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）技術(shù)引入中學(xué)的STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）課程。

相對(duì)而言，我國(guó)的科學(xué)教育在信息技術(shù)的應(yīng)用上展現(xiàn)出了一種后發(fā)制人且快速發(fā)展的特點(diǎn)。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”政策的實(shí)施，我國(guó)的中小學(xué)和大學(xué)開始大量采用教育技術(shù)[4]。數(shù)字化教材已在眾多學(xué)校投入使用，這些教材通常搭載了互動(dòng)模擬、視頻和自我測(cè)試工具。例如，人教版數(shù)字教材通過(guò)提供豐富的互動(dòng)內(nèi)容，幫助學(xué)生深入理解復(fù)雜的科學(xué)概念。借助人工智能技術(shù)，部分學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)開發(fā)了智能教學(xué)助手，比如智能教學(xué)助手與學(xué)生智能學(xué)伴，能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和反饋提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議。同時(shí)，為滿足遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的需求，一些政府機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會(huì)、院校和科研機(jī)構(gòu)推出了在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。例如，教育部基礎(chǔ)教育司推出的“全國(guó)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)在線平臺(tái)”使學(xué)生可以在線進(jìn)行物理、化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)。

1.2 在線與混合教學(xué)平臺(tái)與工具的多樣化應(yīng)用

在美國(guó)，多個(gè)在線教育平臺(tái)，如Coursera、edX和Khan Academy，為不同階段的學(xué)習(xí)者提供豐富的科學(xué)課程資源，涵蓋了科學(xué)教育的多個(gè)領(lǐng)域。以Khan Academy為例，該平臺(tái)針對(duì)K-12階段學(xué)生推出了豐富的科學(xué)教育資源，覆蓋生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域，允許學(xué)生在互動(dòng)式環(huán)境中探索細(xì)胞結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)和牛頓的運(yùn)動(dòng)定律等科學(xué)概念。另外，多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)利用Coursera或edX平臺(tái)提供專題講座或研討會(huì)，同時(shí)，NASA與Coursera的合作為學(xué)生提供了一系列關(guān)于太空探索的課程，并開啟了與太空科學(xué)家交流的機(jī)會(huì)。

在我國(guó)，線上平臺(tái)如學(xué)堂在線和網(wǎng)易云課堂與多所頂尖大學(xué)合作，提供了豐富且高質(zhì)量的科學(xué)教育資源。例如，網(wǎng)易云課堂中的特定化學(xué)課程通過(guò)提供3D分子結(jié)構(gòu)模型和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)畫，允許學(xué)生從微觀角度探究化學(xué)鍵和反應(yīng)機(jī)制。同時(shí)，一些生物學(xué)課程在學(xué)堂在線提供的虛擬工具，使學(xué)生得以深入探索動(dòng)植物細(xì)胞、組織或器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，一些天文學(xué)課程在平臺(tái)上提供的虛擬天文臺(tái)使學(xué)生可以選擇不同的望遠(yuǎn)鏡，觀察太陽(yáng)系、恒星或星系，并深入了解其基本特性。在數(shù)據(jù)科學(xué)方面，學(xué)堂在線為學(xué)生提供了在線編程和數(shù)據(jù)分析工具，支持在線編寫代碼，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模或數(shù)據(jù)可視化。

1.3 技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)教育的趨勢(shì)與發(fā)展

隨著技術(shù)飛速進(jìn)步，中美科學(xué)教育迎來(lái)新的機(jī)

遇與挑戰(zhàn)。尤其是人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，它們極

大增強(qiáng)了教育個(gè)性化的可能性，主要表現(xiàn)在以

下幾個(gè)方面。

1）智能化作業(yè)與測(cè)驗(yàn)：人工智能技術(shù)使得教育平臺(tái)能量身定制作業(yè)和測(cè)驗(yàn)，如檢測(cè)到學(xué)生化學(xué)方程式解題困難時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提供額外練習(xí)。

2）學(xué)習(xí)路徑推薦：基于大數(shù)據(jù)分析，平臺(tái)推薦符合學(xué)生興趣和成績(jī)的學(xué)習(xí)路徑，如對(duì)生物技術(shù)感興趣者可能收到基因編輯課程推薦。

3）實(shí)時(shí)反饋與輔導(dǎo)：先進(jìn)平臺(tái)提供學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)反饋和輔導(dǎo)，如在物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析并給出建議或糾正。

4）虛擬助教與聊天機(jī)器人：利用人工智能技術(shù)開發(fā)的虛擬助教和聊天機(jī)器人能夠?yàn)閷W(xué)生提供24/7不間斷的學(xué)科答疑服務(wù)。

5）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的課程設(shè)計(jì)：通過(guò)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析，教育者優(yōu)化課程內(nèi)容和方法。

此外，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)也為科學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬帶來(lái)新可能。

1）物理學(xué)模擬：VR用于光學(xué)折射、電磁場(chǎng)模擬等，幫助學(xué)生直觀理解物理概念。

2）地理與地球科學(xué)：AR技術(shù)使學(xué)生能夠在真實(shí)的地形模型上覆蓋虛擬的地質(zhì)、氣候或生態(tài)信息，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3）宇宙與天文學(xué)：VR使學(xué)生在真實(shí)地形上覆蓋虛擬地質(zhì)、氣候信息，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4）環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)：借助AR技術(shù)，在真實(shí)環(huán)境中疊加虛擬生態(tài)信息，進(jìn)行實(shí)地學(xué)習(xí)。

這些技術(shù)應(yīng)用使科學(xué)教育更生動(dòng)高效，提升了學(xué)生理解科學(xué)概念的能力，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，也為教師提供了更多教學(xué)工具和方法。

2 中美科學(xué)教育的比較分析

中美兩國(guó)作為全球教育的領(lǐng)軍者，在科學(xué)教育領(lǐng)域均積極探索科技的應(yīng)用，但由于文化、經(jīng)濟(jì)和政策環(huán)境的顯著差異，兩國(guó)在技術(shù)應(yīng)用、在線與混合教學(xué)實(shí)踐，以及應(yīng)對(duì)各類挑戰(zhàn)上呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)和路徑。

2.1 中美科技應(yīng)用在教育領(lǐng)域的差異分析

美國(guó)在科學(xué)教育技術(shù)應(yīng)用上展現(xiàn)出明顯的先發(fā)

優(yōu)勢(shì)。多年來(lái)，從中小學(xué)到大學(xué)，美國(guó)的教育機(jī)構(gòu)一直積極探索新技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用，并經(jīng)歷了幾個(gè)標(biāo)志性的發(fā)展階段。

1）2000年代智能教室與交互式黑板：如Promethean和SMART Board在中小學(xué)普及，成為科教新標(biāo)準(zhǔn)。

2）2000—2010年，數(shù)字教科書與在線資源：數(shù)

字教科書和資源，如Discovery Education，在中小

學(xué)科學(xué)教育中起著重要作用。

3）2010年代在線實(shí)驗(yàn)?zāi)M：科羅拉多大學(xué)博爾德分校推出的PhET Interactive Simulations為學(xué)生提供免費(fèi)科學(xué)和數(shù)學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)。

4）2010年代編程與機(jī)器人教育：編程平臺(tái)如

Scratch和Tynker，教育機(jī)器人如Lego Mindstorms

和Sphero在科教中應(yīng)用。

5）2010年代虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：Google的

Expeditions推動(dòng)VR在中小學(xué)科學(xué)教育中應(yīng)用，

AR應(yīng)用如SkyView也深受關(guān)注。

6）2010—2020年3D打印與創(chuàng)客空間：一些

學(xué)校建立創(chuàng)客空間，引入3D打印技術(shù)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)造。

7）2020年代遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)與視頻會(huì)議：如Zoom和

Microsoft Teams等工具在中小學(xué)遠(yuǎn)程教學(xué)中廣泛應(yīng)用。

相比之下，我國(guó)的在線教育雖然起步較晚，但發(fā)展迅猛，得益于政府的大力支持和龐大的學(xué)生基數(shù)，其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。

1）2010年代國(guó)家級(jí)在線教育平臺(tái)：2014年，我國(guó)推出了學(xué)堂在線平臺(tái)，與清華大學(xué)、北京大學(xué)等頂尖高校合作，為學(xué)生提供大量的免費(fèi)在線

課程。

2）2010年代智能教室與交互式黑板：中國(guó)的中

小學(xué)也開始廣泛采用交互式黑板和智能教室設(shè)備。

3）2010年代編程與機(jī)器人教育：編程教育和機(jī)器人教育在我國(guó)中小學(xué)受到了廣泛關(guān)注。

4）2010—2020年，虛擬實(shí)驗(yàn)與模擬：一些教育

技術(shù)公司為中小學(xué)生提供了豐富的虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬體驗(yàn)。

5）2020年后遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)與視頻會(huì)議：遠(yuǎn)程教學(xué)在

我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。

6）2020年后AI助教與智能教育平臺(tái)：AI技術(shù)

在我國(guó)教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

7）2020年后數(shù)字教科書與在線資源：我國(guó)教

育部門推廣了數(shù)字教科書的使用。

2.2 在線與混合教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與成果

中美兩國(guó)在推進(jìn)在線與混合教學(xué)方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和取得了顯著的成效，盡管兩國(guó)在教育模式上存在某些共通之處，但在實(shí)踐的深度和廣度上卻呈現(xiàn)出明顯的差異。

2.2.1 以學(xué)生為中心的美國(guó)實(shí)踐與自主學(xué)習(xí)策略

在美國(guó)，在線與混合教學(xué)模式更側(cè)重于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和自主學(xué)習(xí)能力。這種教學(xué)策略主要通過(guò)以下幾種方式實(shí)現(xiàn)。

1）實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐項(xiàng)目：例如，麻省理工學(xué)院的“研究機(jī)會(huì)計(jì)劃”（UROP），這類項(xiàng)目旨在激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣和能力。

2）夏令營(yíng)和工作坊：如NASA的夏令營(yíng)為學(xué)生提供了實(shí)地考察和實(shí)驗(yàn)研究的機(jī)會(huì)。

3）在線模擬和虛擬實(shí)驗(yàn)：借助于工具如PhET Interactive Simulations，學(xué)生能在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

4）學(xué)生科研競(jìng)賽：如Intel ISEF，激勵(lì)學(xué)生培養(yǎng)科研興趣和競(jìng)爭(zhēng)力。

5）翻轉(zhuǎn)課堂：學(xué)生通過(guò)課前自學(xué)理論，然后在

課堂上進(jìn)行討論和實(shí)踐。

6）實(shí)習(xí)和合作教育：美國(guó)東北大學(xué)的合作教育

項(xiàng)目，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)。

2.2.2 我國(guó)的知識(shí)傳授與實(shí)踐能力協(xié)調(diào)發(fā)展策略

雖然我國(guó)的在線教育更注重知識(shí)的傳授，但現(xiàn)階段已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向?qū)嵺`和項(xiàng)目化的教學(xué)模式。這一趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）STEM教育：將STEM教育融入中小學(xué)階段，

重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

2）學(xué)科競(jìng)賽和實(shí)踐活動(dòng)：科學(xué)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新競(jìng)賽逐漸成為教學(xué)的常態(tài)。

3）校企合作：學(xué)校與企業(yè)的合作為學(xué)生提供了實(shí)際的科研和技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

4）創(chuàng)客空間：通過(guò)提供設(shè)備和工具，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5）課程改革：實(shí)施探究式學(xué)習(xí)和項(xiàng)目導(dǎo)向?qū)W習(xí)模式。

6）教師培訓(xùn)：強(qiáng)化對(duì)教師在新教學(xué)模式下的能力和技能培訓(xùn)。

7）國(guó)際合作：引入國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)模式和方法，如IB課程。

總體來(lái)說(shuō)，中美兩國(guó)在在線與混合教學(xué)模式的應(yīng)用方面都取得了顯著成效，豐富了教學(xué)方法，提高了教育質(zhì)量，并為未來(lái)教育的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)

基礎(chǔ)。

3 中美應(yīng)對(duì)在線與混合教學(xué)挑戰(zhàn)的策略

分析

在線與混合教學(xué)模式的推廣和應(yīng)用伴隨著一系列挑戰(zhàn)，中美兩國(guó)均采取了多種策略來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，盡管兩國(guó)的方法存在一定的相似性，但在某些關(guān)鍵方面也展現(xiàn)出不同的特征和側(cè)重點(diǎn)。

3.1 美國(guó)：強(qiáng)化教師能力與技術(shù)支持

美國(guó)的教育機(jī)構(gòu)在確保科學(xué)教育質(zhì)量和效果方面采取了多種策略，包括提供教師培訓(xùn)、技術(shù)支持，并與技術(shù)公司合作開發(fā)教育工具。具體體現(xiàn)在以下幾方面。

1）教師培訓(xùn)與專業(yè)發(fā)展：如ISTE提供的專業(yè)在線教學(xué)技巧和方法培訓(xùn)，以增強(qiáng)教師的在線教學(xué)能力。

2）技術(shù)支持：通過(guò)設(shè)置技術(shù)支持部門或幫助平臺(tái)，為教師和學(xué)生提供實(shí)時(shí)的技術(shù)協(xié)助，保障在線教學(xué)的順暢進(jìn)行。

3）技術(shù)合作：教育機(jī)構(gòu)與Google、Apple和

Microsoft等技術(shù)公司合作，利用其教育工具如

Google Classroom、Microsoft Teams for Educa-tion等。

4）建設(shè)在線平臺(tái)與資源庫(kù)：通過(guò)構(gòu)建如EdX、

Coursera等在線教育平臺(tái)，提供豐富的在線課程和教學(xué)資源。

5）學(xué)生反饋與評(píng)估：可以借助如Course

Evaluations等學(xué)生反饋和評(píng)估系統(tǒng)，收集學(xué)生的

反饋，以優(yōu)化教學(xué)方法。

6）教育社區(qū)與協(xié)作：通過(guò)構(gòu)建如Edcamp、Teach-Meet等在線教育社區(qū)，促進(jìn)教師之間的經(jīng)驗(yàn)和資源分享。

3.2 我國(guó)：政策引導(dǎo)與技術(shù)保障

我國(guó)通過(guò)政策的引導(dǎo)和制定一系列支持措施，鼓勵(lì)學(xué)校和企業(yè)合作，以推動(dòng)在線科學(xué)教育的發(fā)展。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）在線平臺(tái)建設(shè)：建立了類似于EdX、Cours-

era的在線教育平臺(tái)和資源庫(kù)，以支持混合教學(xué)的實(shí)施。

2）學(xué)生反饋收集：運(yùn)用學(xué)生反饋和評(píng)估系統(tǒng)及

時(shí)了解學(xué)生對(duì)在線課程的感受和建議，以優(yōu)化教學(xué)。

3）教育的社區(qū)與協(xié)作：推動(dòng)教師間的協(xié)作和分享，建立如MOOC、微課程共享平臺(tái)等教育社區(qū)，分享經(jīng)驗(yàn)和資源；

4）創(chuàng)新與研發(fā)的鼓勵(lì)：通過(guò)組織創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大

賽、設(shè)立科技研發(fā)基金等措施，激勵(lì)學(xué)校和企業(yè)進(jìn)行在線教育技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文深入探討了中美科學(xué)教育中信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的在線與混合教學(xué)優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)。通過(guò)比較兩國(guó)的實(shí)踐與策略，揭示了兩國(guó)適應(yīng)新時(shí)代學(xué)習(xí)需求的優(yōu)勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，盡管這些教學(xué)模式為學(xué)生提供了更大的靈活性和更豐富的資源，但也存在一定的弊端。研究分析這些問(wèn)題，為國(guó)際教育界提供洞見，幫助理解在線與混合教學(xué)模式在科學(xué)教育中的應(yīng)用，為其發(fā)展和完善指明方向。

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DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.

*項(xiàng)目來(lái)源：鄭州師范學(xué)院本課教學(xué)改革項(xiàng)目“跨學(xué)科視角下研學(xué)旅行在科學(xué)教育教學(xué)中的融合與探索”（項(xiàng)目號(hào)：

JXGGYB-232333）；鄭州市社會(huì)科學(xué)調(diào)研課題“基于科技創(chuàng)新的鄭州市科學(xué)教育資源提升策略研究”（項(xiàng)目號(hào)：ZSLX2024

0037）；河南省教育科學(xué)規(guī)劃2024年度一般課題“新質(zhì)生產(chǎn)力視角下河南省科學(xué)教育專業(yè)公費(fèi)師范生培養(yǎng)機(jī)制研究”（項(xiàng)目號(hào)：

2024YB0249）。

作者簡(jiǎn)介：平原野，講師；席偉，通信作者，博士，講師。