構建適應人工智能時代的科學教材體系：挑戰、現狀與研發策略

摘要： 人工智能的應用將對科學教育場景產生深遠影響，勢必對科學教材的建設帶來挑戰。只有在教學目標、教材內容、呈現形式、過程性評價等方面作出必要改變才能適應時代發展。目前，適用于科學教育的數字教學平臺多已接入人工智能。然而，科學教師的數智技能、數智化科學教育資源和教材的研發存在一定的滯后性。為優化科學教育生態，保障科學教材研發質量，應組建協同合作的教材研發團隊，在搭建教材內容框架時整合人工智能素養，設計智能化科學教學工具包，根據教材使用場景打造智適應教學平臺，從而構建整合人工智能的科學教材體系。

關鍵詞：人工智能；科學教育；科學教材；教材研發

人工智能的發展正在快速改變著我們的生活方式。人工智能時代，我們需要充分認識人工智能給教育發展帶來的挑戰和機遇。科學課程是培養創新型人才的基礎性、實踐性課程，運用人工智能助力科學教育是科學課程發展的必然趨勢。科學教材的編寫模式也將因此作出調整。《義務教育科學課程標準（2022年版）》提出要做到“信息技術與科學教學的深度融合，校外學習與校內學習的相互促進，原有資源和生成性資源的綜合使用，線上學習與線下學習的有效整合”。筆者嘗試討論人工智能等技術對科學教材編寫帶來的挑戰，提出數智時代可行的科學教材體系研發策略。

一、人工智能對科學教材編寫帶來的挑戰

人工智能時代，人類對已有知識的學習將從兩個方面實現突破。一方面是由計算機代替人來承擔知識記憶存儲等任務，另一方面是借助人工智能不斷提升人的學習能力。教學活動要逐步從知識記憶訓練向知識搜索、知識應用轉變。教師需要掌握一定的人工智能技術，優化、創新、變革課堂教學實踐，利用人工智能精準識別學生知識掌握的情況和個性化的學習需求，推薦適合他們的學習內容和路徑，為他們提供多樣化的學習資源和更多的學習機會，從而增強他們的學習興趣，提高他們的自主學習能力。人工智能時代，課程形態要作出適應性轉變（見表1）^[1]。

要適應課程形態的轉變，科學教材應該從以下四個方面作出調整，促進課堂教學與智能技術進行全要素、全過程深度融合，助力教育數字化智能化轉型。

一要立足科學核心素養，深刻思考什么知識最有價值、什么能力最為關鍵。在人工智能的學習環境下，具有基于個體經驗和情感提出問題尤其是原創性觀點的能力顯得彌足珍貴，要著重培養學生主動參與知識創造和創新的能力，建設具有創新性和批判性思維的復合型人才隊伍。科學教材一方面要有效地呈現與鏈接與時俱進的、動態發展的和不斷演進的科學知識，體現科學思維方法，指導科學探究實踐；另一方面，要梳理和整合人工智能素養，構建更具彈性、適應性和可持續性的科學課程內容，鼓勵學生獨立思考、解決問題和創造性表達，在知識廣化的基礎上促進知識的深化，在知識廣化和深化的基礎上實現新知識的構建。

二要以發展和動態的眼光研發數字化、智能化教材。在教材編寫中，重新定位學生、教師、人工智能三大主體的角色，充分挖掘人機協同的優勢，考慮如何應用技術實現信息傳遞、知識獲取、教與學的緊密連接，為科學教學提供更為豐富的師生、生生以及學生和學習內容之間的動態互動形式，支持學生的多元需求和個性化發展。

三要整合人工智能，以豐富的、不斷更新的數智化教學資源作為教材不可或缺的重要呈現形式。遵循可視化、形象化、生動性、立體化、交互式等彰顯技術優勢的原則，重構課程新生態，使教材能夠隨著技術的發展而發展，伴隨師生的成長而成長，成為個性化教學的優良載體和友好伙伴。

四要將構建基于交互的過程性評價體系作為教材編寫的關鍵環節。為優化基于科學探究與實踐的過程性評價，教材編者可利用人工智能做好交互設計，建立更為全面的、多元化的評價體系，提高評價的精準化，幫助教師更好地了解學生的學習過程和能力發展情況，助力學生全面發展和個性成長。

二、科學教育中應用人工智能的現狀分析

隨著技術的不斷進步和政策的持續支持，面向教師的人工智能工具日益普及。人工智能在教育中的應用不僅優化了教師的資源利用，提高了教學效率，還能助力學生取得更多學習成果^[2]。在我國的科學教育中，人工智能得到了一定的應用，且具有擴大化的趨勢。但是，人工智能工具之間缺乏數據共享、兼容度低，科學教師、課程教材研究者的數智素養尚待提高，制約人工智能在科學教學中的應用。

（一）人工智能在科學教育中廣泛應用且發展迅速

1.一些適用于科學教育的數字教學平臺已接入了人工智能

從一些科學數字化教材和教學平臺的使用情況來看，人工智能已應用于科學教材、教學資源、課堂教學、實驗材料、教學評價之中，其功能正在迅速擴展。目前，眾多數字教學平臺如人民教育出版社出版的科學數字教材、vbook科學教學平臺、希沃教學平臺等都應用了人工智能，它們在教學資源提供、智能化備課、學習評價等方面發揮著重要作用，但在智能化表現上仍有提升空間。

2.智慧學習型軟件和小程序在科學課堂上得到應用

圖片識別、語音識別等智能軟件在科學教學中得到廣泛應用。例如，引導學生用圖片識別工具認識植物，用語音識別工具做科學記錄。一些生產數字化實驗工具的公司為工具配備了智能軟件，在科學實驗中師生用這些軟件自動記錄數據并進行分析。例如，使用傳感器采集溫度、距離、聲音、光照、電流、磁性等數據并自動分析數據。有的科學教師將科學課程與信息科技課程結合起來，引導學生參與融合人工智能的項目式學習活動，讓學生對項目產品進行編程，實現一些自動化的功能^[3]。

3.生成式人工智能和大數據的應用發展迅速

很多科學教師已經在教學中應用豆包、Kimi、文心一言等生成式人工智能工具。聯合國教科文組織發布的《教育與研究領域生成式人工智能指南》建議，將生成式人工智能工具使用者起步年齡設置為13歲^[4]，但實際上，在科普科幻寫作、繪圖和小視頻制作等跨學科教學中，小學生也在使用生成式人工智能進行創作。人工智能與大數據支持下的智適應教育系統日趨完善，已能實現智能化管理教學資源、個性化設計學習路徑、創建虛擬實驗室和模擬歷史場景、自適應學習、智能推薦、智能分析與反饋等功能，在助力探究式學習、跨學科融合、參與式學習和個性化學習等方面具有明顯優勢^[5]。據統計，海外智適應教育已普及至近3億人群^[6]。目前，我國一些團隊研發的專門面向教師的智能化備課工具和課堂教學評價工具，已逐漸鋪開使用。

（二）科學教育中應用人工智能存在的問題

人工智能在科學教育中的應用雖然進展迅速，但仍面臨諸多挑戰，如科學教師的數智素養、數智化科學教育資源和教材等滯后于人工智能技術的發展速度。

1.教師的數智素養需要提升

新一代人工智能的發展，正在重塑教師專業的能力基座。數智素養是智能時代教師所需要具備的能力和素養。教師需要在教學設計中主動思考如何整合人工智能，為學生提供切實有效的學習方法。教師需要審慎地思考并選擇人工智能在自身教學過程中的嵌入深度，批判性地思考“人工智能將如何影響教育中的知識權力”等問題。目前，科學教師的教學理念落后于人工智能發展速度，對于教育智能化轉型重要程度的認識不到位，自身運用人工智能技術優化課堂教學組織模式的能力薄弱，這些都將限制人工智能在解決教學問題中的效用發揮。科學教師亟須從教育創新發展的實際出發，厘清人工智能技術在教與學變革中的核心效用，提升教學勝任力。

2.數智資源建設尚不能滿足教學需要

現有的支持科學教學的平臺“智能化”水平有限。現有的科學實驗材料中，有少量數字化的實驗工具，但多以采集數據為主。各方面研發的數字化產品多局限于從技術應用的視角去解決教學中的有限問題，同質化傾向明顯，難以滿足個性化需求，遑論實現學生自我成長。因此，人工智能技術對于教與學的“變革”作用未得到充分彰顯。

3.人工智能尚未納入科學教材的研發過程

教材是連接師生和教學的橋梁。目前的科學教材仍以紙質教材為主，雖然有數字教材，但智能化水平不高。盡管人工智能已經成為一些科學教師在備課中經常應用甚至依賴的手段，但是目前尚缺少能引領教師主動利用人工智能技術優化課堂教學，積極有效運用數智教學平臺、資源、工具等實現創新型課堂教學模式的教材。構建人工智能與教學深度融合的科學教材體系，推進科學教材數字化、智能化轉型，是教材編寫出版部門面對的重要任務。

三、整合人工智能的科學教材體系研發策略

2017年國務院印發《新一代人工智能發展規劃》提出分三步走實現人工智能發展目標。第三步是到2030年，人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，使我國成為世界主要人工智能創新中心，智能經濟、智能社會取得明顯成效。智能社會需要智能教育，教育從形式上正在向“基于人工智能”“結合大量用戶數據”“針對個體差異性”提供適合個體特征的智適應教育轉化。教材作為教育教學實施的重要載體，編寫的全鏈條必然也應隨著人工智能的發展、教育智能化及個性化的發展而革新。未來，要構建立體化的整合人工智能的教材體系，做好頂層設計，保證在教材編寫的全鏈條中充分運用人工智能（如圖1）。

（一）組建協同合作的教材研發團隊

編研教材需要協同合作的研發團隊。要開發融合人工智能的科學教材，應基于科學課程內容領域、科學教材的編研方法、科學教學的方式方法和教材研發的技術手段，建立“四合一”的科學教材研發團隊。

第一，組建學科專家團隊。科學課程內容包括物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程等多個領域，需要來自各領域的科學家、科研工作者或者從事過相關領域科學研究工作的科普工作者等學科專家共同參與。學科專家具有扎實的專業功底，掌握相關領域的科學知識體系，熟悉科學研究方法，具有專家思維和一定的跨學科理解力，能對教材的科學性和結構體系的完整性進行把關。

第二，組建編輯團隊。科學教材的研發過程具有一定的規律性。科學教材的編輯出版具有嚴格規范的流程，需要建立具有學習和研究能力，理解科學課程內容，具有一定的教育學、心理學素養，熟悉科學教材研發流程，具有較強的文字加工能力的教材編輯團隊。教材編輯團隊是教材研發的核心，擅長整合其他專家團隊資源，及時采納各方面意見，使教材研發、后續的完善和支持工作得以順利開展。

第三，組建教學專家團隊。科學教學倡導探究式、啟發式、項目式等教學方法。教學方案要適應不同年段學生的認知水平和技術應用水平。因此，需要將優秀的科學教研人員和教師納入教材研發的教學專家團隊，將學科專家的知識和方法轉化為學生可以參與學習和理解的教學素材，并在教材的持續使用中不斷地創造和豐富適宜的教材資源。

第四，組建技術支持團隊。整合人工智能的科學教材需要多方面技術人員的支持。其中，美術設計和插圖繪制等技術人才，使紙質教材內容的靜態呈現和在數字化環境中的動態呈現，做到科學、真實、直觀、生動，符合大眾審美；數智技術人才，熟悉數字教材和人工智能的發展狀況，能夠根據各方面團隊人員的需要，優化教材在數智化方面的表現。

（二）在搭建教材內容框架時整合人工智能素養

促進學生發展的核心素養的內涵是隨著時代的發展而不斷發展的。未來的科學教學要面對具備認知智能的人工智能的挑戰與沖擊，教師在開展科學探究與實踐教學時不能只停留于引導學生的認知發展，還需要適當使用人工智能。因此，核心素養的內涵中需要整合人工智能素養。必然地，在搭建科學教材結構框架時，也應該整合人工智能素養。人工智能素養不僅是對人工智能的理解和應用，幫助人們選擇合適的數智工具并合理使用，更是一種全面的、與時俱進的技術和知識體系^[7]。科學教材可以從知識、思維、應用和態度責任等方面整合人工智能素養，保證在科學教學過程中實現相關培養目標（見表2）。

（三）設計智能化科學教學工具包

要著力打造智能化的自適應科學教學平臺，這類平臺以紙質教科書、教師教學用書、活動手冊和科學觀察、實驗和制作的資源作為準確合理的基礎數據，以能夠不斷自我成長的備課、課堂教學、學生自學和教學評價為底層邏輯，形成立體化的科學教學工具包。

教材要實現“紙數融合”，需要具有明確的標識，以指引學生調取平臺上的資源進行學習。這樣，隨著平臺的成長，紙質教材融合的數智資源也就生長出新的功能。紙質教材也應能激發和指導學生選擇性地參與融合人工智能的項目式學習活動。

現在較為廣泛應用于科學課堂之中的科學教學具材料，以探究與實踐過程中需要的操作性材料為主，鮮少配有具數據讀取功能的傳感器材料和配套軟件。目前，一些學校單獨采購了一些相關材料，但價格較貴且軟件系統互相屏蔽。以智適應學習平臺為紐帶，為平臺研發分析實驗數據的功能，可以為平臺配備多種智能化數字工具。例如，在測量小車的運動時，使用測量時間和距離的傳感器；在為校園植物掛標識牌的教學中，利用機器學習軟件，建立校園植物博物館；在研究太陽能熱水器的原理時，使用溫度傳感器的感溫探頭元件。

智能化科學教材離不開計算機這一載體。為了更便捷地開展能夠進行數據和資源傳輸與分享的合作式的科學探究與實踐，需要在課堂上配備智能化自適應學習機。學習機可以與數智工具相連接，獲取和分析數據；可以登錄智適應教學平臺，調取教科書、活動手冊資源，讓學生看到其他小組的數據、支持教師給出的指令和評價意見等。

（四）根據教材使用場景打造智適應教學平臺

現有的一些教學平臺具有調取與上傳資源、互動教學、協作學習、自主學習、學習過程管理與評價等功能^[8]。科學智能化自適應教學平臺是適用于教育教學真實情境的智能教學工具，能夠幫助教師引導學生進行深度思維加工，實現深度教學。教材研發團隊可以從真實的教學情境入手，根據科學探究與實踐的教學過程和規律，分為備課、課堂上的教與學、學生自學和教學評價等幾個板塊進行設計。教師可以在備課板塊進行學情分析，在既有教案基礎上生成更適合的教案。課堂上的教與學板塊又可分別細化。教師可以使用教案控制教學節奏，為學生提供學習資源，獲取學生觀察實驗的相關數據，記錄學生行為表現，對學生進行實時反饋等。學生可以輸入并分析實驗數據，利用資源自主學習，進行組內和組間交流與評價，也可以根據需要隨時查閱資料。對于自學板塊，學生可以課前和課后學習中使用。設計教學評價板塊，需要明確核心素養的評價量表，挖掘科學情境并設置能充分表征各項素養的問題方法，設置合理的問題梯度，使之可以支持學生的個性化評價和教師教學的自我評價。

為使各個板塊既相對獨立又靈活兼容，智適應教學平臺應該具備上傳功能、分析功能、成長功能和數智人功能等。第一，具備上傳功能。科學教師個體的教學經驗和教學能力是不斷發展的，科學教師團隊的教研成果也是不斷積累的。教師及其團隊使用上傳功能，能夠不斷豐富科學教學資源和活動設計，使教學更加有效；學生也可以看到自身的成長軌跡，按照個性化學習路徑開展自主學習。第二，具備分析功能。利用分析功能，可以分析科學觀察實驗中獲得的各方面的數據，助力教學評一體化：在教學過程中，全方位、全過程采集學生的學習數據，掌握學生在構建科學知識、實施科學探究過程中的表現，同時觀察學生在科學學習中的情緒變化、心理傾向乃至個性特征等方面的情況，為教師教學提供量化數據，進一步診斷教師在教學中的不足之處。第三，具備成長功能。當前，生成式人工智能廣泛應用于智能寫作、代碼生成、有聲閱讀、新聞播報、語音導航、影像修復等領域，自動合成文本、語音、圖像、視頻等技術正在推動互聯網數字內容生產的變革^[9]。智適應教學平臺也需要使用生成式人工智能，利用平臺最初的基礎資源、師生上傳累積的資源，將聽、說、讀、寫等有機結合起來，利用功能不斷豐富的Kimi、文心一言、訊飛星火等AI平臺的基礎數據，實現平臺的智慧增長。第四，具備數智人功能。為了使師生更好地管理自身行為，平臺應為教師提供“AI助教”，滿足教師的智適應教學體驗；為學生提供“AI教師”，指導學生個性化學習。

教育的形式正在從傳統教育、互聯網教育、應用智能工具向部分智適應教育、高級智適應教育、完全智適應教育的方向演進。為了研發適應時代要求的、促進學生核心素養的整合人工智能的科學教材，在科學教材研發過程中，我們需要探索具有科學學科特色的人類智慧與機器智慧相結合的“人—機智慧教與學方式”，開展科學智適應教學平臺的研究。為把握學生的整體發展狀況，還可以探索建立智適應教學平臺與智慧校園的交流通道。另外，人工智能的使用有賴于教師的設計能力和教學智慧。科學學習倡導真實的體驗，教師要設計真實的、引導學生親身經歷的科學探究與實踐活動，在這個過程中，引導學生學習科學知識，培養科學技能，形成對自然、科學的好奇、追問與質疑。需要注意的是不能讓技術完全取代教師在課堂上的角色，尤其是情感交流和精神傳承，要注重培養學生的家國情懷、堅強的意志品質和良好的人文精神，在促進學生核心素養發展的基礎上使用人工智能。

參考文獻

[1] 李曉雅.以ChatGPT為代表的生成式人工智能對課程形態的影響[J].終身教育研究，2023（3）：16-20.

[2] 蘭國帥，宋帆.人工智能教育應用：智能工具、優勢挑戰與未來發展[J/OL].閱江學刊.https：//doi.org/10.13878/j.cnki.yjxk.20240805.002.

[3] 連陽梅，林祺，張春蜜.人工智能在小學科學技術與工程領域教學中的應用[J].教育與裝備研究，2022（5）：23-26.

[4] 李曉曉，謝忠新.運用生成式人工智能創新教學互動的策略[J].中小學數字化教學，2024（8）：9-13.

[5] 孫眾.生成式人工智能對課堂教學的變革影響[J].中小學數字化教學，2024（8）：5-8.

[6] 灼識投資咨詢有限公司.2024中國人工智能教育藍皮書［EB/OL］.（2024-08-07）[2025-01-07].https：//www.sgpjbg.com/baogao/170980.html.

[7] 張靜蓓，虞晨琳，蔡迎春.人工智能素養教育：全球進展與展望[J].圖書情報知識，2024（3）：15-24.

[8] 許建梅，何紅，肖澤豪.研究性教學視角下智能教學平臺的比較分析[J].中國醫學教育技術，2022（12）：690-695.

[9] 中國信息通信研究院.人工智能白皮書：2022年[EB/OL].（2022-04-12）[2025-01-07].http：//www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/202204/P020220412613255124271.pdf.

責任編輯：祝元志