數(shù)字化背景下中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培育路徑研究

科學(xué)素養(yǎng)是21世紀(jì)公民的核心能力，也是基礎(chǔ)教育改革的重點(diǎn)任務(wù)。2021年6月，《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021一2035年）》強(qiáng)調(diào)：“實(shí)施青少年科學(xué)素質(zhì)提升行動(dòng)，推進(jìn)信息技術(shù)與科學(xué)教育深度融合”。2023年5月，《基礎(chǔ)教育課程教學(xué)改革深化行動(dòng)方案》提出“科學(xué)素養(yǎng)提升行動(dòng)\"和\"數(shù)字化賦能行動(dòng)”，要求“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科普活動(dòng)與數(shù)字化資源建設(shè)，充分利用數(shù)字化賦能基礎(chǔ)教育”，以促進(jìn)青少年科學(xué)素養(yǎng)的形成與發(fā)展。2025年，教育部辦公廳印發(fā)的《中小學(xué)科學(xué)教育工作指南》指出：“要數(shù)字化賦能科學(xué)教育發(fā)展，聚焦科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐和態(tài)度責(zé)任四個(gè)方面的核心素養(yǎng)培育”。

在數(shù)字化背景下，中小學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培育不僅是教育現(xiàn)代化的核心任務(wù)，更是關(guān)乎國(guó)家創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)力以及個(gè)體適應(yīng)未來(lái)社會(huì)需求的重要舉措。本文基于新時(shí)代科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)的戰(zhàn)略需求，系統(tǒng)探究中小學(xué)生科學(xué)素質(zhì)培育的實(shí)施路徑，旨在為新時(shí)代科學(xué)教育育人體系提供參考。在科學(xué)教育中，數(shù)字化技術(shù)賦能提升中小學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，能夠有效培育出一大批具有科學(xué)家潛質(zhì)、立志投身科學(xué)研究事業(yè)的青少年。這不僅能為教育強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)、人才強(qiáng)國(guó)的建設(shè)注入源源不斷的活力，還能為全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家筑牢根基，提供堅(jiān)實(shí)的人才支撐與智力保障。

一、中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培育中面臨的問(wèn)題

（一）城鄉(xiāng)之間科學(xué)教育的資源配置不平衡

在我國(guó)推進(jìn)教育高質(zhì)量發(fā)展的進(jìn)程中，城鄉(xiāng)教育呈現(xiàn)出“分科趨同、綜合分化\"的新態(tài)勢(shì)。通過(guò)持續(xù)加大教育投入，城鄉(xiāng)學(xué)校在語(yǔ)文、數(shù)學(xué)等分科課程的教學(xué)質(zhì)量差異已顯著縮小，硬件資源配置逐步實(shí)現(xiàn)\"校校通”\"班班通”。然而，以科學(xué)探究、勞動(dòng)實(shí)踐為代表的綜合類課程卻成為新的教育短板。

鄉(xiāng)村學(xué)校由于專業(yè)師資匱乏、實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺、課程設(shè)計(jì)能力薄弱等問(wèn)題，學(xué)生在科學(xué)思維培養(yǎng)、實(shí)踐創(chuàng)新能力發(fā)展等方面落后于城市學(xué)生。實(shí)驗(yàn)室作為科學(xué)教育的重要依托，其儀器設(shè)備和耗材配置直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。但在廣大農(nóng)村及教育薄弱地區(qū)，普遍存在科學(xué)教育場(chǎng)所不足、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、教具教材匱乏等突出問(wèn)題。這些地區(qū)的科學(xué)教育經(jīng)費(fèi)長(zhǎng)期高度依賴財(cái)政專項(xiàng)撥款和社會(huì)捐贈(zèng)，尚未形成穩(wěn)定、可持續(xù)的多元資金保障體系。

在科學(xué)傳播陣地建設(shè)方面，相較于城市依托博物館、科技館等固定場(chǎng)館開(kāi)展科普教育，鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，尤其是貧困邊遠(yuǎn)地帶，主要依靠“科普大篷車\"和\"流動(dòng)科技館\"的形式提供科普服務(wù)。這種流動(dòng)科普模式雖能在一定程度上緩解基層科普資源短缺的問(wèn)題，但存在服務(wù)頻次有限、內(nèi)

容更新滯后等現(xiàn)實(shí)困境。

（二）科學(xué)教育師資力量薄弱

中小學(xué)科學(xué)教師存在師資缺口大、兼任教師比例高、專業(yè)水平參差不齊等問(wèn)題。師資結(jié)構(gòu)性短缺與跨學(xué)科教學(xué)成為普遍現(xiàn)象之間存在矛盾，且教師專業(yè)化程度呈現(xiàn)梯度化差異，尤其是小學(xué)階段學(xué)科背景錯(cuò)位現(xiàn)象較為顯著。在小學(xué)科學(xué)教師中，專業(yè)背景為文科的居多，且大多數(shù)教師的專業(yè)背景與科學(xué)學(xué)科并無(wú)關(guān)聯(lián)。

2021年下半年，教育部科學(xué)教學(xué)專委會(huì)對(duì)全國(guó)31個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）的小學(xué)科學(xué)教師隊(duì)伍現(xiàn)狀展開(kāi)調(diào)研，結(jié)果顯示“超過(guò)七成的小學(xué)科學(xué)教師為兼任教師\"“他們?cè)趯I(yè)素養(yǎng)方面明顯遜色于專任教師”。有研究依據(jù)第七次全國(guó)人口普查和中國(guó)教育統(tǒng)計(jì)年鑒的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)小學(xué)科學(xué)教師2017年至2027年的供需變化進(jìn)行估算發(fā)現(xiàn)，\"2017年至2023年，年均師資缺口高達(dá)12.8萬(wàn)人；2023年后師資缺口雖逐年縮小，但到2027年仍將存在大約3.5萬(wàn)人的師資缺口”

此外，偏遠(yuǎn)地區(qū)的科學(xué)教師普遍面臨系統(tǒng)性培訓(xùn)資源匱乏的結(jié)構(gòu)性矛盾。盡管國(guó)家智慧教育平臺(tái)已初步構(gòu)建起科學(xué)教育在線培訓(xùn)體系，但存在課程模塊碎片化、學(xué)科針對(duì)性不足等問(wèn)題。與此同時(shí)，實(shí)體培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)嚴(yán)重滯后，縣域?qū)用嫒狈ΤB(tài)化教研機(jī)制，校本研修活動(dòng)大多流于形式。有調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，“將近四分之一的小學(xué)科學(xué)教師每年參加教材培訓(xùn)的次數(shù)為0，未參與過(guò)每學(xué)期教研組活動(dòng)的教師占比達(dá) 33.7%⁹ ，這一結(jié)果深刻反映出教師培訓(xùn)供給與教學(xué)實(shí)踐需求之間存在深度錯(cuò)配。

（三）科學(xué)課程與活動(dòng)吸引力不足

當(dāng)前基礎(chǔ)教育階段，科學(xué)教師的專業(yè)發(fā)展面臨三重困境。其一，學(xué)科跨界整合素養(yǎng)存在系統(tǒng)性缺失，教師難以突破分科主義框架下的認(rèn)知局限。其二，實(shí)踐性知識(shí)結(jié)構(gòu)失衡，在開(kāi)發(fā)層級(jí)化探究活動(dòng)、設(shè)計(jì)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方案等方面，教師呈現(xiàn)出明顯的專業(yè)能力斷層。其三，受傳統(tǒng)考評(píng)機(jī)制的影響，超過(guò)半數(shù)的教師存在教學(xué)創(chuàng)新惰性，教學(xué)模式趨于同質(zhì)化。

PISA2015報(bào)告顯示，在科學(xué)課堂中，“講授教學(xué)的使用頻率高于指導(dǎo)式教學(xué)、探究式教學(xué)”。單一的講授教學(xué)方式在科學(xué)素養(yǎng)培育方面存在明顯局限，學(xué)生難以對(duì)科學(xué)家精神形成更深人的價(jià)值認(rèn)同。脫離實(shí)踐場(chǎng)域的知識(shí)傳授模式，無(wú)法構(gòu)建完整的“假設(shè)一驗(yàn)證一反思\"能力閉環(huán)，導(dǎo)致學(xué)生科學(xué)探究能力的結(jié)構(gòu)性缺陷長(zhǎng)期存在。在科學(xué)精神塑造方面，以標(biāo)準(zhǔn)化答案為導(dǎo)向的教學(xué)過(guò)程，壓縮了學(xué)生實(shí)證思維和批判性思維的生長(zhǎng)空間，使得學(xué)生的探索精神和實(shí)踐能力薄弱，不利于科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、數(shù)字化技術(shù)為中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培育帶來(lái)的機(jī)遇

（一）破解“復(fù)雜實(shí)驗(yàn)做不好、危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)不敢做難題

涉及強(qiáng)酸強(qiáng)堿、高溫高壓等危險(xiǎn)操作的實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期存在安全隱患，許多學(xué)校因此選擇放棄開(kāi)展此類實(shí)驗(yàn)。而虛擬實(shí)驗(yàn)借助仿真技術(shù)，讓學(xué)生能夠在屏幕上“動(dòng)手操作”。例如，濃硫酸稀釋實(shí)驗(yàn)可轉(zhuǎn)化為虛擬操作流程，學(xué)生在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中掌握規(guī)范操作要點(diǎn)。當(dāng)學(xué)生使用虛擬滴管將濃硫酸緩緩加人水中時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示錯(cuò)誤操作可能帶來(lái)的危險(xiǎn)后果，但不會(huì)實(shí)際造成傷害。如此，學(xué)生不僅掌握了規(guī)范操作方法，還能安全地體驗(yàn)錯(cuò)誤操作的危險(xiǎn)性。這種方式既保障了安全，又能讓學(xué)生真正理解實(shí)驗(yàn)規(guī)范的重要性，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的邊界。

此外，就微觀粒子運(yùn)動(dòng)、天體運(yùn)行規(guī)律等抽象科學(xué)概念而言，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以直觀呈現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)用三維建模與動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，將這些抽象概念具象化。北京景山學(xué)校開(kāi)展的“VR技術(shù)在航天科技教育中應(yīng)用的實(shí)踐研究項(xiàng)目”，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，以“愛(ài)國(guó)主義教育 +VR 編程 + 未來(lái)場(chǎng)景設(shè)計(jì) + 跨學(xué)科知識(shí)運(yùn)用\"為目標(biāo)，以科技活動(dòng)開(kāi)展和社團(tuán)研究為形式，體現(xiàn)了科學(xué)教育的綜合性與創(chuàng)新性。這種技術(shù)賦能下的認(rèn)知重構(gòu)，使復(fù)雜的科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為可操作的探究對(duì)象。虛擬實(shí)驗(yàn)解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的技術(shù)困境，這表明數(shù)字化不僅是工具的革新，更是科學(xué)素養(yǎng)培育范式的根本性轉(zhuǎn)變。虛擬實(shí)驗(yàn)憑借其沉浸式、交互性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生打開(kāi)了一扇全新的科學(xué)之窗，為培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)科技社會(huì)發(fā)展的創(chuàng)新人才奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）突破資源地域限制

國(guó)家中小學(xué)智慧教育平臺(tái)借助數(shù)字化技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)科學(xué)教育資源的無(wú)差別覆蓋，讓偏遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)生也能像城市學(xué)生一樣接觸到前沿科學(xué)知識(shí)。“國(guó)家中小學(xué)智慧教育平臺(tái)匯聚中小學(xué)資源8.8萬(wàn)條，覆蓋中小學(xué)教材65個(gè)版本共565冊(cè)”，此外還有豐富的課外材料供學(xué)生課后學(xué)習(xí)，有力地支撐了學(xué)生的全面發(fā)展。

云南楚雄彝族自治州大姚縣金龍明德小學(xué)的學(xué)生利用人工智能設(shè)計(jì)出一款名為“數(shù)理核桃農(nóng)場(chǎng)\"的小游戲，該游戲獲得了由中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)和騰訊公司主辦的一場(chǎng)游戲開(kāi)發(fā)比賽的最高獎(jiǎng)。這正是數(shù)字化打破地域壁壘、實(shí)現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)普惠培育的有力證明。數(shù)字化技術(shù)激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)探索科學(xué)的熱情，通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)，科學(xué)教育不再是“一線城市的特權(quán)”。這一變革打破了地域與資源的壁壘，讓教育公平不再遙不可及。曾經(jīng)只能在書本上想象的科學(xué)世界，如今能夠被真切感知，激發(fā)了無(wú)數(shù)孩子心中的科學(xué)夢(mèng)想。

三、數(shù)字化背景下中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培育的路徑探析

（一）深度建構(gòu)數(shù)字化教育資源體系

首先，需注重資源整合，建立區(qū)域共享的“科學(xué)教育資源庫(kù)\"是整合資源的關(guān)鍵舉措。科普視頻憑借生動(dòng)形象的畫面，能夠?qū)⒊橄蟮目茖W(xué)知識(shí)直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生。例如，利用動(dòng)畫展示地球公轉(zhuǎn)與四季更替的原理，有助于學(xué)生理解復(fù)雜的天文現(xiàn)象。虛擬實(shí)驗(yàn)室打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可隨時(shí)進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)操作。像化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的危險(xiǎn)反應(yīng)，在虛擬環(huán)境中能夠安全地反復(fù)嘗試，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和步驟的理解。跨學(xué)科課程則實(shí)現(xiàn)了科學(xué)與數(shù)學(xué)、語(yǔ)文、藝術(shù)等學(xué)科的融合。例如，在學(xué)習(xí)植物生長(zhǎng)時(shí)，結(jié)合語(yǔ)文寫作描繪植物的形態(tài)變化，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)測(cè)量生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，借助藝術(shù)手法繪制植物圖譜，以此培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的能力。

其次，要加強(qiáng)校企合作，積極引入科技企業(yè)資源，這能極大豐富教育內(nèi)容。航天仿真實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生仿佛置身宇宙，親身體驗(yàn)航天器發(fā)射、太空漫步等場(chǎng)景，激發(fā)他們對(duì)航天科學(xué)的熱愛(ài)與探索欲望。AI編程工具能夠鍛煉學(xué)生的邏輯思維和編程能力，使其掌握未來(lái)科技發(fā)展必備的技能。例如，學(xué)生可以利用編程工具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的科學(xué)模擬程序，展示物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（二）創(chuàng)新\"虛實(shí)結(jié)合\"的科學(xué)教學(xué)模式

其一，教師可開(kāi)展AI互動(dòng)教學(xué)。對(duì)話式人工智能，如ChatGPT，能夠輔助學(xué)生進(jìn)行自主探究。在設(shè)計(jì)橋梁模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以向人工智能咨詢橋梁設(shè)計(jì)的原理、不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及材料選擇等問(wèn)題。人工智能會(huì)根據(jù)學(xué)生的提問(wèn)，提供詳細(xì)的解答和建議，引導(dǎo)學(xué)生深人思考實(shí)驗(yàn)步驟和可能出現(xiàn)的問(wèn)題，幫助他們自主完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，進(jìn)而培養(yǎng)獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力。

其二，采用混合式學(xué)習(xí)模式。線上預(yù)習(xí)與線下實(shí)踐相結(jié)合的混合式學(xué)習(xí)模式效果顯著。以“虛擬實(shí)驗(yàn)加速鐵釘生銹觀察 + 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)記錄”為例，學(xué)生先通過(guò)線上虛擬實(shí)驗(yàn)快速觀察鐵釘在不同環(huán)境下生銹的過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有初步了解，明確觀察重點(diǎn)。線下再進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，親自操作并記錄鐵釘生銹的時(shí)間、顏色變化、銹跡形態(tài)等詳細(xì)數(shù)據(jù)，對(duì)比線上虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加深對(duì)鐵生銹原理的理解，提高實(shí)踐操作能力和數(shù)據(jù)記錄分析能力。

（三）協(xié)同優(yōu)化科學(xué)教育生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

其一，著力推動(dòng)校外實(shí)踐基地的課程化建設(shè)，學(xué)校可與科普基地聯(lián)動(dòng)。各級(jí)各類學(xué)校與科技館、高校實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)研學(xué)項(xiàng)目意義重大。“太空探索夏令營(yíng)\"便是很好的范例，學(xué)生在科技館中參觀真實(shí)的航天設(shè)備模型，玲聽(tīng)專業(yè)講解，了解航天發(fā)展歷程和前沿技術(shù)。在高校實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可與科研人員交流互動(dòng)，參與簡(jiǎn)單的太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如模擬太空環(huán)境下植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，拓寬科學(xué)視野，近距離感受科學(xué)研究的氛圍與魅力，激發(fā)對(duì)科學(xué)研究的向往。

其二，加強(qiáng)對(duì)家庭科學(xué)教育的專業(yè)化支持，鼓勵(lì)家庭成員共同參與科學(xué)小發(fā)明。各類短視頻App可推送一些家庭科學(xué)小實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)親子共學(xué)。例如，“自制彩虹\"實(shí)驗(yàn)，利用光的折射原理，通過(guò)手電筒、水杯、鏡子等簡(jiǎn)單材料，讓孩子在家中制造出彩虹現(xiàn)象。家長(zhǎng)和孩子一起動(dòng)手操作，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中交流討論，不僅增強(qiáng)了親子關(guān)系，還能讓孩子在輕松愉快的氛圍中學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)對(duì)科學(xué)的興趣，將科學(xué)教育延伸到家庭日常生活中。

四、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化轉(zhuǎn)型正重塑科學(xué)教育的底層邏輯，教師需要借助系統(tǒng)性工程構(gòu)建科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)新范式。具體而言，要構(gòu)建數(shù)字化科學(xué)教育資源體系，整合各方優(yōu)質(zhì)資源，并強(qiáng)化校企合作；創(chuàng)新“虛實(shí)結(jié)合\"的教學(xué)模式，充分發(fā)揮AI互動(dòng)教學(xué)和混合式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)；推進(jìn)校內(nèi)外協(xié)同生態(tài)建設(shè)，加強(qiáng)與科普基地的聯(lián)動(dòng)，并鼓勵(lì)家庭積極參與。通過(guò)這些舉措，形成全方位、多層次的科學(xué)教育網(wǎng)絡(luò)，為中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培育創(chuàng)造良好條件，為未來(lái)社會(huì)培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的科學(xué)人才注人強(qiáng)大動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1」郝琦蕾，李佩玲.基于中小學(xué)科學(xué)教育培育科學(xué)家精神：價(jià)值、困境與路徑[J].中小學(xué)科學(xué)教育，2024（06）：18-24.

[2]王海濤，劉永東．四種科學(xué)課堂教學(xué)方法對(duì)PISA2015科學(xué)表現(xiàn)影響的探析與啟示[J].上海教育科研，2019（03）：34-38.

[3]吳砥，陳旭.智慧教育平臺(tái)的典型特征、應(yīng)用成效與發(fā)展路向[J].人民教育，2024（05）：61-64.