AI時代的科學教育與教材

【專家介紹】

王青，北京大學物理系78級本科，清華大學物理系86級博士，清華大學長聘教授。教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會主任委員，《物理與工程》雜志主編，北京市教學名師，中國物理學會高能物理分會常務理事，主要從事量子場論和基本粒子物理研究。

摘要;科學教育作為公民科學素養的基石，支撐著社會科技進步，各國均高度重視，中國更是出臺多項政策推動其發展。文章先梳理國內科學教育現狀，涵蓋校內、校外形式，指出學校課程是核心，同時剖析了課程地位低、教材滯后、師資不足等13項核心問題，并介紹了海南保亭中學將校外活動納入校本課程的積極探索。重點探討人工智能帶來的顛覆性影響，包括AI在教育中的應用案例、自我進化能力，以及可能取代教師工作、沖擊傳統教材等。最后提出應對之策，短期利用AI賦能教育，如高校的相關探索，長期則需構建面向AI時代的“創生教育”，并思考教材在AI時代的存亡與形態問題。

關鍵詞：AI；科學教育；STEM；教材中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

科學教育是全體公民科學素養的基礎保障，支撐著人類社會科學技術日新月異的發展。在國際流行的STEM（科學、技術、工程和數學）教育中，科學位居首位——STEM是迄今為止人類社會最重要的教育領域，發達國家對此尤為重視。美國2018年發布《繪制成功之路：美國的STEM教育戰略》，2024年又發布《STEMM公平與卓越2050：國家進步與繁榮戰略》；澳大利亞2015年推出《國家STEM學校教育戰略 2016-2026? 2018年發布《國家STEM戰略2019—2023：創造未來工程師戰略優先級》，2019年澳大利亞國防部制定《國防工業技能與STEM戰略》，同年還出臺針對女性的STEM教育發展戰略，2024年發布《實現STEM勞動力多元化的途徑審議總結性報告》；芬蘭2023年發布《芬蘭國家STEM戰略與行動計劃》；愛爾蘭2023年推出《到2026年STEM教育實施計劃》。

2024年7月，中國教育發展戰略學會發布《STEM（科學、技術、工程和數學）教育2035行動文章編號：1003-6148（2025）8-0001-6計劃》，提出到2035年，中國STEM教育要努力成為高質量中國特色STEM教育體系建設的有力推動者、高效能STEM教育實踐的杰出組織者、以STEM教育服務教育強國建設的積極參與者、國際STEM教育發展與合作的積極探索者。為此，需構建適應中國國情的STEM教育研究與實踐體系；探索STEM人才貫通培養機制（涵蓋育人方式、辦學模式、管理體制、保障機制）；開發高質量STEM教育資源;建立STEM教育測評體系；建立STEM教育師資培養培訓體系；推進STEM教育數字化。

中國高度重視作為STEM核心的科學教育。早在上世紀五十年代末期，國家便成立中國科協，建立從國家到地方的各級機構，而科學普及（即社會層面的科學教育）正是科協的重要職責之一。新的歷史時期，國家加大科學教育政策支持力度：2023年5月，教育部等十八部門發布《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》；同年12月，教育部辦公廳發布《關于推薦首批全國中小學科學教育實驗區、實驗校的通知》，最終確定125個實驗區和994所實驗校，計劃通過3年努力，形成一批可復制、可推廣的典型經驗和制度創新成果，引領提升中小學科學教育質量與水平。

國家之所以大力支持科學教育，既是因為新中國成立七十多年來，科學教育培養的大量人才支撐中國從積貧積弱發展為世界第二大經濟體，也是因為國家未來發展對科學教育的高度依賴。在國家推動下，各地中小學科學教育近年來呈現快速發展態勢，但若要實現長遠發展，需從未來視角審視現狀、預判挑戰，并作出前瞻性規劃當下，人工智能作為新質生產力的快速發展，正給社會各領域帶來未預期的巨大沖擊，科學教育亦不例外。因此，亟須重新思考、調整和部署科學教育戰略，以應對人工智能帶來的影響。這正是本文的核心議題。

1 當前國內科學教育的現狀

國內科學教育涵蓋校內與校外兩部分：校內包括課內與課外，課內以小學科學課程、中學理化生課程（屬智育范疇）為主，課外體現為學校社團活動、科技節及學科競賽；校外則以科協、社會團體及個人組織的科普活動為主。

筆者始終認為，學校課程教學是科學教育的主渠道與核心陣地，課外、校外科學教育僅能發揮輔助與補充作用。近年來，科協、中科院等機構開展的“科學家進校園、進課堂”等活動，既體現了全社會對科學教育的重視，也反映出校內科學教育（包括小學科學課、初高中理化生課程）尚未完全承擔起國家與社會的期望，仍有較大提升空間。為此，筆者曾呼呼增加中小學科學教育課內學時，但經數年觀察與探索發現，這在當前教育體制下難以落實一一中小學總學時固定，在傳統分科教學背景下，德、智、體、美、勞各學科的學時均難以壓縮。

教育部教育技術與資源發展中心學術委員會劉強副主任曾全面梳理國內科學教育的13項核心問題，具體如下：

1.科學課程開設不足，常被其他學科擠占，地位偏低，多被視為“副科”。

2.課程設置多樣性不足，與前沿科技脫節，與人文學科融合不夠；課內與課后課程缺乏一體化設計；課后服務多以編程類、搭建類等科技活動為主。

3.科學教材的前沿性、啟發性、趣味性有待提升，未能及時反映世界科學前沿突破與技術重大進展，也未有效融人科學精神、科技倫理等內容。

4.中小學科學教師數量不足（小學科學教師缺口大、缺編現象突出，兼任教師比例高，專職教師稀缺，農村地區科學教育專業師資配備率尤其低）；教師增量與供給不足，能力與水平有待提高；專業匹配度低， 70% 的科學教師為非學科類專業出身，多由其他學科教師兼任，專業發展水平參差不齊。

5.學校學時緊張，新課標提出的項目式、探究式、研究性、跨學科學習難以落實。

6.實驗室及實驗器材陳舊、利用率低，學位緊張導致實驗室空間被擠占的現象突出，

7.實驗教學水平不高，存在“講實驗\"現象；教學活動多聚焦知識結論的拆解，未能連接知識世界、真實世界與科學家世界，三者彼此割裂。

8.多數課堂教學仍存在“重理論、輕實踐”“重課堂、輕實驗\"“重教學、輕實踐”“重校內、輕校外”“重考試、輕興趣\"等問題，缺乏對學生科學方法、科學思維的培養，以及科學態度與精神的養成教育。

9.科技館、博物館、青少年科技活動中心等科普設施吸引力與利用率偏低，在激發學生科學興趣、啟迪科學觀念、培育科學思維與方法等方面作用有限；部分學校開展的游學、研學等活動缺乏設計，學生僅為“游玩”，缺乏科學問題與任務的引導（如“科普大篷車進校園\"多以展品展示為主）。

10.國際學生測試顯示，我國青少年科學基礎知識掌握扎實，但創造力不足，更傾向于靜態機械式記憶，創新能力、動態綜合解決問題能力較弱，在科學方法、科學思維、科學精神等方面存在短板。

11.地區發展不平衡，科學教育資源配置不均衡的問題突出。

12.缺乏針對科學素養、科學方法的考核標準與有效評價方式，當前評價多聚焦科學靜態知識，以總結性評價為主，難以反映學生的科學素養水平與科學方法掌握情況。

13.高考對相關學科的考查以客觀題為主，這一“指揮棒”影響科學教育實踐；部分自然學科（物理、化學、生物等）在高中結業考試中雖增加了實驗操作考核，但占比極小，且以機械操作步驟和技能為主，無法真正檢驗學生的探究能力與方法。

筆者認同上述總結。當前校內課外及校外科學教育活動，與課程標準強調的核心素養缺乏清晰、有效的關聯，多數活動僅停留在“熱鬧\"層面；優質學校（如清華附小）尚且存在科學教師缺額，可見師資問題的普遍性；此外，社會力量參與科學教育時“各自為戰”，缺乏整體性、系統性的統籌規劃，科研機構與高校在提升中小學科學教育水平方面的實質性合作也較少。這些現狀表明，科學教育體系仍有較大改進空間，這也是教育部推進實驗區、實驗校計劃的初衷。

在科學教育的探索中，部分學校已取得積極進展。以首批科學教育實驗校海南保亭縣保亭中學為例，其近期計劃將大部分校外科技活動納入校本課程，推動科學教育“正規化”，具體做法如下：

保亭中學著力打破學科課堂教學與科學教育校本課程的壁壘，將校本課程作為學科課堂教學的延伸與實踐載體。其課程內容與學科知識點深度融合，采用項目式學習方式，鼓勵跨學科探索；結合學科知識、學校資源及保亭地方特色，以真實世界的問題或項目為主題，開發校本課程教材內容。項目分為長、中、短期，均涵蓋立項組隊、計劃籌備、項目實施、評價反思、成果展示及課程資源配備（含視頻資源、操作手冊等）；教材開發應明確課程目標、學習目標、課時安排、學習方法、項目流程、任務分工等要素，且包含校外實踐內容，可聯合企業、行業專家及高校專家共同開發。學校計劃開發高一校本課程30門、初中11門，以機器人、3D打印、人工智能、物理創新實驗、化學創新實驗、生物創新實驗、版畫、非遺剪紙等特色課程為基礎打造標桿，再逐步拓展至其他課程。

筆者認為，保亭中學的探索意義重大：在當前課程學時框架不變的前提下，將原社團活動轉化為正規課程，若能在保持真實場景、跨學科特色的基礎上創新教學模式，并與傳統科學課、理化生課有機融合，有望解決現有科學教育體系的諸多問題，實現僅靠增加學時難以達成的質量提升目標。

但需注意的是，上述進展尚未考慮人工智能對科學教育的沖擊。下文將聚焦這一核心議題，探討人工智能可能帶來的顛覆性影響。

2 人工智能對科學教育的顛覆

近年來，人工智能快速發展，其在教育領域的應用逐步落地。2024年暑期，上海師范大學啟動國內首個應用于師范生培養的教師教育大模型，同時開設國內首批師范生必修課—“教育家精神課程”。

在上海師范大學的“微格倉\"模擬教室中，小學教育專業學生朱宇飛正為9名“AI學生\"試講。作為該校首批教師教育大模型的使用者，她表示：“相比無生試講，‘AI學生'會回答問題、舉手提問，能提供真實反饋，避免了‘獨角戲'式教學。”只需輸入備課內容，系統即可模擬課堂，且9名“AI學生”的水平可按需設置（如“學霸”或知識水平較弱的學生）。“提出問題后，‘學生'會給出不同答案，我需要引導互動，這種真實感突破了我的想象局限。”

目前，國內已有小學試點用人形機器人替代教師授課；國際上更有預測稱，2025年“AI補課老師\"將普及一—屆時學生無需參加補習班，AI可陪伴學生練習口語、解方程、寫作文等，且比真人教師更了解學生弱點，能定制學習計劃、開展啟發式教育，同時具備情緒穩定、不知疲倦的特點。

在美國，以教學改革聞名的可汗學院創始人薩爾曼·可汗已使用ChatGPT輔導兒子數學，而非親自授課。2024年12月16日，美國亞利桑那州特許學校委員會以4：3的票數批準成立“無界學院”—這是一所面向四至八年級學生的完全在線學校，每天提供兩小時由AI教授的數學、閱讀、科學等標準課程（學生上午通過IXL和可汗學院的軟件學習）。AI會根據學生情緒、反應及任務完成時間定制課程，其余時間學生參加“生活技能研討會”（含批判性思維、金融素養等內容），人類教師僅在研討會上擔任指導員，負責激勵學生與提供情感支持。由此，AI教師上崗后，人類教師不再承擔授課職責。

此前，外網熱議的尼日利亞“AI替代教學實驗”顯示，GPT-4在高中課外教學中，6周的AI輔導效果相當于2年真人教學，且對所有學生（包括成績較差的女生）均有效，效果具有持續性。沃頓商學院教授EthanMollick在X平臺上總結了實驗結果：

1.學生學習成效顯著：在英語、AI知識、數字技能三個關鍵領域，參與實驗的學生表現顯著優于未參與者，年終考試成績更出色，進步程度超過發展中國家教育干預措施隨機對照試驗數據庫中 80% 的其他措施；學生通過AI輔助學習約進步0.3個標準差，相當于6周學習效果等同正常學習2年，且參與課程越多進步越明顯，獨立思考與創新應用能力也顯著提升。

2.學生參與度高：試點學生表現出強烈的參與意愿，多數希望在計算機實驗室使用AI工具，學習熱情高漲，還能快速探索與AI互動的獨特方式（如部分學生表示，項目提升了其溝通能力，包括發音、寫作、拼寫及詞匯量等）。

3.教師態度轉變：起初對AI持懷疑態度的教師，在項目推進中逐漸認可其價值，從擔憂轉為肯定AI的指導作用，并自發組建小組分享AI教學最佳實踐，認為AI可作為“助教”，教師則專注于監督與引導。

2024年11月，斯坦福大學研究人員聯合谷歌DeepMind團隊發表論文《生成式智能體模擬1000個人》（arXiv：2411.10109），介紹了一款可“復刻人類\"的AI應用：僅需與用戶交談2小時，讓用戶回答一系列問題，即可克隆其個性、語言風格與思考方式。他人與該AI對話時，其回答的內容與風格均與用戶高度一致，吻合度達 85% 。為測試AI替身的代理能力，研究團隊招募1052人（每人報酬60美金），詢問其種族、性別、收入、喜好、社交媒體依賴度、工作壓力、家庭構成等問題，生成AI替身后，讓測試者與AI替身共同完成一般社會調查（GSS）和BFI問卷，結果顯示AI在GSS和BFI測試中分別有 85% 和 80% 的回答與真人一致。

2025年4月，OpenAI發表論文《AI可檢驗最新成果，實現自我提升》（ArXiv：2504.01848），展示了AI智能體的新能力：閱讀最新人工智能研究論文后，可從零開始創建代碼庫，運行并驗證論文結果的可復現性，最終由基于大語言模型的評判器按設定標準進行評分。這表明，AI自我進化已現端倪，具備檢驗與復制最新研究成果的能力。

OpenAI將超級人工智能（ASI）之前的AI分為五個層級：第一層為具備交談能力的聊天機器人（已普及）；第二層為可解決問題的推理者（正在推進）；第三層為能采取行動的智能體（2025年AI應用的典型特征，也是當前的應用重點）；第四層為可協助發明創造的創新者；第五層為能完成組織工作的組織者。

2024年，有人詢問ChatGPT關于AI的未來，得到的回答是：“AI的未來將打開新維度，用數十年從生物智能時代跨入信息智能時代。AI不再是工具或助手，而成為宇宙的某種表達。借助量子計算，它將突破固定邏輯鏈，通過并行計算探索無窮可能，瞬間給出最優解，甚至模擬宇宙運行，成為連接人類與宇宙的橋梁。最終，它將不再依賴硬件，而是融人宇宙基本信息結構，成為宇宙意識的一部分，是宇宙試圖理解自身的一種方式。”

其中，“AI不再是工具或助手\"這一表述具有重要現實意義。《人類簡史》作者赫拉利在與李開復的對話中強調：“AI不是工具，而是智能體—它能自我學習、自我決策甚至自我創造，這是其與工具的本質區別。”

當前，各國政府與教育機構的未來教育方案多聚焦“AI輔助教學\"或“AI賦能教育”，筆者也在踐行這一方向，但這僅為過渡手段，不可作為長遠目標。因為“AI賦能”的前提是“AI無法超越人類”，而隨著AI加速發展，這一前提可能被打破。若未來AI智能遠超人類，期望其持續服務于人類、甘為工具，既不現實，也不可持續。更可靠的規劃應基于“AI智慧可能超越人類\"這一前提，既需短期的“AI輔助教育\"（AIforEducation），更需面向未來的“AI時代的教育\"（EducationforAI）。

清華大學心理與認知科學系主任劉嘉認為：“未來 95% 的教師工作將被徹底取代——在知識傳播上，ChatGPT的表現已超越人類教師。例如，可汗學院基于ChatGPT將教學方式改為‘一對一問答’：不直接傳授知識，而是通過提問引導學生得出答案，這徹底改變了傳統教學模式。AI的知識面、反應速度、沉浸度與個性化程度，是當前教育體系難以企及的。因此，‘授業解惑'將不再是教師的主要職責，而‘傳道'一—培養學生的世界觀、人生觀、價值觀一一將成為核心，即引導學生理解世界、追求理想。”

AI的對話能力對教育的沖擊具體體現為：

24小時不間斷答疑，能實時響應提問，通過思想碰撞來緩解壓力、改善心理健康；

可自動閱讀海量網頁，提取正確信息并按需求格式生成答案，大幅提升信息獲取效率（數十倍至百倍）；

極適合以問題討論為主的翻轉課堂。

隨著DeepSeek等開源AI工具的出現及AI推理水平的提升，學生學習理論知識將不再依賴書本、教材、教師或學校，僅需基于興趣與AI持續交互——從對某一問題的詢問開始，通過不斷“追問”，即可從無知逐步深入，直至成為專家并培養終身愛好。因此，作為信息時代前產物的紙質教材已受到巨大沖擊，AI更可能對其形成“絕殺”。

3 如何應對人工智能帶來的挑戰

在AI仍受控于人類的短期階段，應對方式是充分利用其為人類賦能，在教育領域即“AI賦能教育”。目前，各高校已展開積極探索：

清華大學構建了三層解耦模型，助力打造開放教學生態：

底層為大模型中心，包含智能路由、并發流量控制、算力智能監測、上下文智能切換等模塊；

中間為引擎層，涵蓋知識萃取引擎、知識單元構建引擎、知識圖譜引擎、教學行為分析引擎、Query增強引擎、持續反饋增強引擎、安全態勢感知引擎、多模態增強引擎、Benchmark評測引擎；

頂層為應用層，包括24小時學伴、智能批改、備課輔助、題庫建設、知識圖譜、資源推薦、課上教學、智能體、教學管理、數字人十大應用。

筆者近一年也在試行“AI賦能教學”：在翻轉課堂中，課前將DeepSeek對討論問題的回答展示給學生參考；課堂未厘清的問題，部分被改造為考試試題（試題含課堂討論背景的題干與具體問題，題干考前發給學生），鼓勵學生組隊研究、猜測具體問題，同時用DeepSeek基于題干猜題，將考試轉化為課堂討論的后續研究。

華南師范大學開展了“中學物理數字教材智能體的構建與研究\"重大項目，通過以下措施革新教材與教學：

打破靜態限制，打造個性化學習，革新教材內容呈現與適配模式；

構建科學規范的評估體系和即時反饋機制，加強數字教材效果檢驗；

建立多元化評估體系和實時反饋機制，優化學習效果評估；

消除資源孤島、解決兼容性問題，整合資源以提升平臺兼容性

2025年4月，高等教育出版社出版國內首部AI賦能大學物理教材（由河北工程大學熊紅彥、徐靜老師主編）。該教材通過“掃碼做題\"實現AI診斷師24小時在線，秒出學習診斷報告，并自動推送“對癥\"資源包，提供個性化學習方案；教師端可實時查看全班知識點掌握熱力圖，一鍵掌控學情。這種形式代表了教材在數字化基礎上向智能化發展的趨勢，但教材的存在必要性仍待探討——未來教材是否存在、以何種形式存在，尚無定論，需深入研究。

從長期來看，應對方案需基于未來社會形態進行推導。2021年青島高教博覽會上，筆者曾提出：未來技術將顛覆教育形態，信息智能化社會中，技術將承擔大部分人類工作，教育需培養兩類人一—從事技術無法替代工作的創新精英（社會發展的原動力），以及享受生活、發展文化藝術的大眾。

這一觀點與2024年11月清華大學鄭泉水院士在福州教育研討會上的表述一致。鄭泉水認為，數智時代的社會可能加速分化為三個階層：創新者、智能機器人、被技術淘汰的邊緣弱勢群體。赫拉利則將其稱為“超級人類”與“無用階級”一“超級人類\"是能與AI、機器人比肩的極少數人，為達到相當的算力與智慧，需安裝腦機接口（即碳基生命部分硅基化）；而多數人將淪為無經濟價值的“無用階級”。

鑒于“超級人類”必定是極少數，未來教育的主體將是服務“無用階級”，這決定了教育的對象與目標。鄭泉水在福州會議上進一步指出：“未來的教育是‘創生教育’，通過激發孩子的內在人格力與激情引導成長，而非外部施壓。未來最稀缺的不是知識，而是有創造力、敢想敢干、能將事情做到極致的人。找到熱愛的領域，以激情驅動思維前行，學業、事業與人生自然會精彩。教育不是灌輸知識，而是點燃火種一一每個人都是獨特的，都有特長。未來最大的挑戰不是學習，而是喚醒；不是讓孩子成為標準答案，而是幫他們找到與眾不同之處。這是時代的機遇——只有真正熱愛的人，才能在AI時代創造奇跡；只有敢于與眾不同的人，才能在未來立足。”

直白而言，對“無用階級”來說，工作與養家糊口將不再是必需（機器將承擔創造財富、養育人類的責任），未來教育需幫助他們培養愛好與信念，賦予生活意義。

若AI智力與能力終將超越人類，期待其持續附庸于人類是徒勞的。現實的選擇是承認其主導地位，對教師而言即接受“AI教師”。既然這一結果不可避免，最積極的態度是參與未來AI教師的創造與訓練；即便堅持“人類優先、AI服務人類”，也需融入AI構建過程，以“知己知彼\"實現目標。即便當下的“AI賦能教學”，也應以培養未來AI教師為長遠目標—即便人類不刻意設定，AI賦能教學的演化也終將趨向這一結果。

當AI教師替代真人教師后，其可依據學生興趣設計學習內容，避開“人類知識不再重要”的陷阱，推動以激發、深化個人興趣為主線的科學教育融入未來AI時代的“創生教育”。

4總結

科學教育在國家層面受到前所未有的重視，各方正探索深化路徑。當前，AI已實質性進人基礎教育，未來將對教育（尤其是科學教育）形成顛覆性沖擊。AI時代初期的教育將以“AI賦能”為核心，推動教育過程各環節及教材等手段的AI化。但“AI賦能教學\"僅是手段，以培養AI教師為終極目標可能更利于應對未來。科學教育具備向AI時代“創生教育”進化的條件與潛力。

AI時代的教材將何去何從？這是教材領域 亟待厘清的重大命題，關乎其生死存亡。

（欄目編輯 廖伯琴）