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摘要：通过探讨中小学科学教育中存在的问题，剖析人们对于素质教育与“应试教育”关系的认知误区，阐明正确认识素质教育与落实科学教育的关系，指出人工智能（artificial intelligence, AI）在中小学科学教育中的恰当运用，有望成为驱动教育变革的关键力量。AI技术不应仅仅被视作知识的简单灌输工具。借助AI技术，可以更好地整合优质科学教育资源，分布式建设和评估科学教育资源；能够切实解决科学教育资源分配失衡、生源选拔机制欠精准及科学师资培训资源稀缺等关键问题。AI技术在教育中的应用，可以更好地引导教师和学生深入学习研究，激发师生潜能，并获取教与学的相关数据，为教育领域带来革命性的变革，从而推动中国科学教育迈向更高层次。

关键词：人工智能；科学教育；素质教育

本文目录结构

一、素质教育与“应试教育”引发的矛盾

（一）素质教育和“应试教育”的认知误区

（二）束缚在素质教育的认知误区的危险

（三）纳入素质教育范畴的“应试教育”有利于科学教育

二、解决矛盾应与时俱进，推动教育高质量发展

三、AI助力中国式科学教育的进阶之路

（一）利用AI技术破解科学教育资源不平衡问题

（二）利用AI解决创新型生源选拔问题，使科学教育受到高度重视

（三）借助AI技术优化科学师资培训体系，提升教育水准

四、展望

       习近平总书记指出，要坚持优先发展教育事业。教育是国之大计、党之大计。教育兴则国家兴，教育强则国家强。要坚持把优先发展教育事业作为推动党和国家各项事业发展的重要先手棋，突出教育的基础性、先导性、全局性地位和作用。当总书记号召在教育“双减”中做好科学教育加法之后，全国学校在科学实施“双减”政策方面取得了显著进展：义务教育阶段学科类培训机构数量大幅度下降，大规模学科类培训无序发展趋势基本得到遏制；学生作业负担和校外培训负担下降；根据教育部数据，全国20多万所义务教育阶段学校普遍开展课后服务，自愿参加课后服务的学生比例由“双减”前的50%左右提升到目前的91.9%。

       但是，我们仍需清楚地看到，我国人才培养的现状与时代对人才培养的需求之间，存在较大的差距。许多问题值得我们进一步思考。

       尽管大规模无序的学科培训已得到有效遏制，但地下私教活动依然猖獗，其带来的经济负担是否更加沉重？利用现代信息平台，在线补课大量涌现，虽然经济些，但是如果针对性差、以灌输为主，是否真的值得？当应试观念深入人心，中小学科学教育的推广无疑面临重重挑战。

       此外，基于传统理念、地域差别和社会竞争压力的束缚，我国中小学教育仍面临着诸多挑战。农村及偏远地区教育资源匮乏，师资力量分布不均，导致与升学考试关联度不高的科学课程被忽视。在保障升学选拔公平性的背景下，笔试作为主要选拔模式，使得教育工作者和家长过于侧重知识传授，这一现象短期难以改变。物理、化学、生物学等科学类课程中，传统的灌输式教学仍然占据相当比例；以学生为中心的探究式、项目式等教学方法的大面积科学有效应用难以推行。所有问题的症结何在？解决途径何在？时不我待，亟待我们深入探讨。

一、素质教育与“应试教育”引发的矛盾
（一）素质教育和“应试教育”的认知误区

       谈及强化科学教育，必先解决素质教育与“应试教育”的矛盾问题。因为只有冲出“应试教育”的束缚，才可能真正落实素质教育。而素质教育生态下的科学教育，才能保证学生全面提升科学素养，并发掘出大批富有创新意识、责任感和大视野的拔尖人才。

       大众口中的素质教育与“应试教育”，似乎是一对反映我国教育体系中两种教育宗旨的、难以调和的矛盾体。2020年，某中学的一本升学率为95.34%，尽管这一成绩并不低，但与家长们的期望和三年前的录取分数线相比，高考成绩的相对下降引起了家长们的不满。他们认为，学校推行的素质教育可能影响了学生的应试能力，导致了高考成绩的不理想。校长回应：为自己倡导素质教育的做法道歉，会及时作出整改措施，譬如延长晚自习时间、组建尖子班等。就此，有人指出：素质教育和“应试教育”并不矛盾，换句话说，分数和德智体美劳全面发展并不是对立面，关键在于如何在取得分数的基础上开展素质教育。有人说：与其说这是素质教育的失败，倒不如说只是在“唯分数论”的社会环境下，素质教育在分数上打不过“应试教育”。上述所有做法和说法，都是将素质教育和“应试教育”置于对立面。“在取得分数的基础上开展素质教育”的说法是本末倒置，而应该是：真正的素质教育是包括教育学生如何更好地以正确的态度应对考试，让学生能够掌握学习和研究的方法，考得好成绩。

       素质教育未得到足够重视，原因在于大众对其与应试教育的关系存在误解。人们难以认识到素质教育中应试教育的必要性，也不明白素质教育并非排斥考试；更有甚者，将素质教育简单理解为减轻学生负担，避免给予压力。

       就“素质”和“应试”本身含义而言，二者并不构成矛盾。教育过程中，考试只是所有环节中的一个。素质教育理应涵盖品格、知识、艺术等多个领域，同时贯穿于课堂教育、课外活动及“应试教育”等各个环节之中。全面素质提高了，当然能考出理想的成绩。由此可见，被束缚在素质教育和“应试教育”的认知误区中，才会将二者视为矛盾。

（二）束缚在素质教育的认知误区的危险

       加强新时代中小学科学教育，培育具有科学家潜质和科研热情的青少年，是我国在国际竞争中赢得战略主动的关键所在，需提前规划、切实推进。《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》明确指出，要塑造立德树人新格局，培养担当民族复兴大任的时代新人；同时，强化基础教育，夯实全面提升国民素质的战略基点。素质教育致力于学生的全面发展，涵盖德、智、体、美、劳等各个领域，尤其注重实践能力和科学素养的培养。它深入学生的内心世界，点燃他们的好奇心、探求欲、责任感和道德感，保证科学教育的正确方向。

       “应试教育”过分强调考试成绩，侧重知识的灌输与记忆，这不仅限制了学生对知识的深入探索与灵活应用，还忽视了他们个性的成长和创新潜能的激发，导致学生在应试的重压下身心疲惫，逐渐丧失学习兴趣。众多家长和学生在“应试教育”的洪流中奋力抗争，无数灵魂在这“内卷”的漩涡中苦苦挣扎。学生们学习积极性低迷，甚至丧失了继续学习的热情，导致难以在未来社会中稳固立足。

       错误的“应试教育”观念在许多人心中根深蒂固，与国家倡导的素质教育理念存在明显偏差。若不帮助人们走出认知误区、教育强国建设规划纲要的落实难以推行的话，其后果将十分严重。

（三）纳入素质教育范畴的“应试教育”有利于科学教育

       基于AI的多元评价技术的日渐发展和国家人才需求的导向，应积极促进教育评价体系随着时代和科学技术的发展不断演进，推动“应试教育”逐步纳入素质教育范畴。在素质教育理念指导下，教育部“智慧教育示范区”已试点知识图谱分析系统，可同时追踪学生的知识点掌握度（应试维度）与项目协作能力（素质维度），证明两者可量化兼容。

       纳入素质教育范畴的“应试教育”有利于科学教育，主要体现在以下几个方面。

1. 有助于学生构建更加完善的知识体系。科学教育依赖数学、物理、化学等学科严密的逻辑体系，只有引导学生深入学习、实践研究、合作讨论，加之教师的指导，才能确保学生真正掌握基础概念与核心原理，构建自己良好的学科知识体系。

2. 符合科技创新人才培育的递进模型。科技创新人才必须具备足够的、持续的好奇心，需要开拓的视野和敏锐的洞察力。这些基本素质的养成需要打破应试观念的束缚。然而，也应看到，许多诺贝尔奖得主（如杨振宁、居里夫人等）在青少年时期已通过系统性学习打下了深厚的知识基础，这为后续创新提供了必要条件。事实验证了扎实的知识储备对科学创新的支撑作用。科技创新遵循“好奇心强善质疑—知识内化善思考—跨领域方法迁移善联想—韧性探索直至突破性创新”的递进规律。

3. 契合基础教育阶段学生的效率优势。认知科学研究表明，在12至18岁这个年龄段，青少年的前额叶皮层突触修剪达到高峰，这与工作记忆容量的显著提升密切相关，表明这一时期是工作记忆发展的黄金时期。上海市浦东教育发展研究院在初中科学课堂探索中，同时关注三个维度的实践——操作性探究、理论性探究和社会性探究，最终实现课程宗旨。学生自己探索的知识更有活力，也更具有迁移性。这充分证明了知识强化和素质拓展存在着显著的协同效应。研究揭示了大脑默认模式网络（default mode network，DMN）在创造性思维中的关键作用，以及它与负责逻辑推理的大脑前额叶皮层之间的动态协同机制。大脑不同部分的协同工作能够产生创造性思维。因此，在基础教育阶段，将激活前额叶的知识强化训练与激活默认网络的开放性探究相结合，能够有效地提升神经网络的连接密度，进一步发挥学生的效率优势，为他们的全面发展打下坚实的基础。

4. 助力知识训练与开放性探究有机融合。在传统的学习模式中，知识训练通常被视为一种相对封闭、系统的学习过程，而开放性探究则强调自主性与创新性。然而，这两者并非水火不容，实际上可以实现有机融合。通过知识训练，学生能够建立起扎实的知识基础，这为开放性探究提供了必要的理论支撑。例如，在学习物理定律时，系统的知识训练让学生熟悉各种公式和定理，当他们在进行开放性探究实验，如探索新型能源的转化效率时，这些知识就成了分析数据、构建模型的关键要素。同时，开放性探究又能反过来深化知识训练的效果。在探究过程中，学生会遇到各种新问题，促使他们重新审视已有的知识体系，填补其中的空白，进一步巩固和拓展知识。这种相互促进的关系，使得知识训练与开放性探究的结合能够培养出既具有深厚知识底蕴，又具备创新思维和实践能力的复合型人才，为他们未来的学术研究和职业发展奠定坚实的基础。

二、解决矛盾应与时俱进，推动教育高质量发展

       解决教育领域矛盾，关键在于充分利用中国特色社会主义国家的独特优势。此举能更有效地整合各方资源，激发积极性，为科学教育的蓬勃发展注入强劲动力。只有充分发挥国家优势，依托创新科技力量，方能成功开辟出一条具有中国特色的科学教育进阶之路，使我国更快地成为教育强国。

       探索中国式科学教育的进阶之路，需深刻认识到，教育之本不仅在于知识的传递，更在于能力的锤炼与价值观的培育。因此，我们需要构建一个全面的教育体系。这个体系应当能够激发学生的创新精神，培养他们的实践能力，同时也要注重培养学生的社会责任感和集体主义精神。

       为了实现这一目标，我们团队在多年的研究与实践的基础上，充分利用现代信息技术，传播现代教育理念，传播科学精神、科学方法、科学知识和科学文化。例如，我们采取了线上线下相结合的策略，并取得了显著的成效。在实体活动中，笔者深入中小学，例如在北京市海淀区中关村第一小学，与学生进行面对面的交流和互动。通过使用日常物品如漏勺、塑料管、吹风机等进行实验，将抽象的物理知识直观地呈现出来，让学生在亲身体验中领略科学的魅力，极大地激发了学生对科学的兴趣和好奇心，培养了学生的科学素养。这种实体活动形式拉近了科学与学生的距离，为学生提供了近距离接触科学的机会。同时，团队还利用网络平台进行线上直播，通过视频直播等方式，将科学实验和讲解呈现给更广泛的受众。线上直播打破了时间和空间的限制，让更多人能够接触到优质的教育资源，扩大了教育的覆盖面和影响力。

       通过这些活动，不仅激发了学生对科学的兴趣，还创新了教学方式。用简单易懂的语言和生动有趣的实验，将复杂的科学知识讲解得通俗易懂，为教师提供了新的教学思路和方法，推动了教学方式的创新。

       2024年上海市科普作家协会召开了“从‘吴姥姥现象’看‘新质科普力’”吴於人科普作品研讨活动。上海科普作家协会理事长吴家睿指出：当前科普工作着眼于与科技创新紧密联系并且协同作用，共同支撑新质生产力发展。我们把这些支撑新质生产力发展的科普活动和功能统称为“新质科普力”。营造有利于创新活动的生态环境，推广科技前沿的新技术、新知识，促进科技成果的转移转化，提升创新体系中相关人员以及广大人民群众的科学素质。着眼于培养具有科学素养、创新能力、国际视野的新质生产力接班人，基于创新科技理念，利用创新媒介与技术手段，营造现代教育生态的教育能力，何尝不能称之为新质教育力？

三、AI助力中国式科学教育的进阶之路

       AI+教育的理念虽早已提出，但在实际应用层面的进展却显著滞后于工业、交通、医疗、军事等诸多领域。众多相关论文大多局限于学生个体知识学习的浅层次应用探讨，如简单的投喂式问题解决、个性化学习路径规划、智能辅导与答疑系统、学习效果评价及反馈机制，以及教学资源的优化配置与推荐等；基于教师教学场景的应用，如混合教学模式的优化：AI技术的应用与效果评估等。然而，针对全国范围内AI+教育如何促进教育公平、全面贯彻落实素质教育，以及构建面向未来的科学教育生态等深层次问题的研究与探讨，却显得尤为稀缺。经过和人工智能专家的深入讨论，我们得出的结论是：教育触及人的思维深处、行为模式及精神世界的广阔天地，其内在的复杂性与特殊性，使得大数据难以尽揽其全，大模型也难以精准雕琢。今天，我们认为可以从科学教育切入，利用新质教育力，打开中国科学教育、科技、人才后备队伍选拔的新纪元。

（一）利用AI技术破解科学教育资源不平衡问题

     中国地广人多，各地经济基础差距较大，教育资源、教育观念、教育模式等差别一时难以消除。教育资源平衡的问题，仅凭财政拨款、人员调配及规定号召等手段，难以从根本上得到解决。

令人欣慰的是，中国移动互联网广泛覆盖，乡村学校的网络条件也得到了坚实的保障。建设国家科学教育网，提供优秀教育资源供师生在线学习，已经具备良好的物质基础。

1. 构建基于分布式教育区块链网络的AI教育资源平台，推动全民科学教育的发展。在科学教育和素质教育中，区块链技术可以发挥重要作用，尤其是在保障数据安全方面。区块链技术的去中心化特性确保了数据的分布式存储和管理，通过不可篡改的分布式账本，极大地提升了数据的安全性，降低了被非法篡改或丢失的风险。同时，其加密技术和哈希算法能够确保学生的学习记录、成绩、综合素质评价等数据的不可篡改和防伪造，为教育数据的真实性和完整性提供了有力保障。区块链技术凭借其透明性和可追溯性，使得数据的流转过程对学生、教师及教育管理者而言一目了然，且在此过程中个人隐私得到了有效保护。这种机制不仅提升了教育管理的效率，还增强了教育过程的公正性和可信度。区块链技术能够打造出一个既安全又可信的教育生态系统，为科学教育与素质教育的蓬勃发展奠定坚实的技术基石。

      当前网络上虽不乏丰富的创意实验资源，但信息繁杂、质量良莠不齐，导致读者容易迷失方向，有价值的信息常被埋没。因此，我们需设计去中心化的教育资源确权与共享机制，并构建基于分布式教育区块链网络的AI教育资源平台，以筛选出优质课程供学习者选择。通过上下联动，共同推动教育资源的共建共享，从而有效缓解教育资源分配不均的问题。

2. 推动先进教学实践装备的应用研究，建设虚实融合的元认知学习研究场域。先进的教学实践装备无疑是提升教学水平、拓宽师生视野的关键利器。AI技术与先进教学实践装备的深度融合，如同催化剂一般，能够激发科学教育的创意灵感，催生出更多创新的教学应用。例如，AI驱动的虚拟实验、AI远程真实实验以及远程创新实验交流。

3. 利用AI技术促进教师教学研究成果的交流与推广。教师的教学研究是提升教育质量的重要环节。智能平台搭载AI技术，为教师精心打造教学研究学术期刊与作者的交流桥梁，显著加速了学术信息的流通与共享进程。例如，AI技术高效梳理研究成果，精准匹配相关文献，助力教师快速聚焦研究方向，进一步加快学术交流节奏。同时，凭借强大的数据分析能力，AI精准预判研究趋势，为教师提供建设性洞见，助力其紧握前沿脉搏，提升研究境界。

4. 搭建AI平台促进学生研究性学习成果的交流。研究性学习、跨学科学习及科技创新课题的交流，对于培育学生的创新能力与综合素养至关重要。AI技术织就全国性交流平台，让学生得以展示研究成果、深度对话、相互启迪，携手共赴成长与进步之旅。借助AI智能推荐、交流系统，平台能依据学生兴趣及研究方向，精准推送相关研究成果与课题，点燃学生的学习热情，激发创新思维。此外，AI还提供个性化在线辅导和答疑，及时解决学生的研究难题。

5. 利用AI技术实现教育资源的精准配置。通过大数据分析技术，可以精准评估各地教育资源的需求与缺口，进而实现教育资源的优化配置。例如，AI依据学生的学业成绩、学习进度及习惯，量身定制个性化学习计划和教学资源推荐，确保每位学生都能获取符合自身需求的教育资源。同时，AI智能监测系统实时追踪教育资源使用情况，为教育部门提供精确的数据支撑，助力优化资源配置，有效缓解教育资源不均衡的问题。

（二）利用AI解决创新型生源选拔问题，使科学教育受到高度重视

       生源选拔是教育和人才培养的核心环节，AI技术的融入为高等教育机构带来了更高效、精确的解决策略。借助教育资源大平台，AI在教育评估和个性化学习、学生行为如科学学习研究、团队合作以及成果交流等领域的大数据分析结果，高校能够扩展考核的维度，深入探究考生的多方面信息，包括课外活动和社会实践等，从而实现全面而精准的评估。这有助于选拔出不仅学业成绩优异，而且具备科技创新潜力的综合素质较高的学生。

（三）借助AI技术优化科学师资培训体系，提升教育水准

       随着人工智能技术的迅猛发展，教育领域正迎来前所未有的变革机遇。并非所有教师都能轻松适应这一变革。不少教师担忧AI的教育“灌输”功能，害怕失去对知识的独占地位和对学生的引导权。提升教师对未来人工智能社会中教师角色的认识十分重要。针对当前科学师资培训的现状和挑战，首要任务是强化教师的AI素养教育。通过精心设计的系统性课程，教师可以深入理解和掌握AI技术的原理和应用，利用AI技术来实现精准化的师资培训也是一个重要的方向。例如，通过构建在线教育平台，提供丰富多样的培训资源和实践案例，如智能推荐系统来匹配适合教师的课程内容、个性化学习路径的设计以及科技创新教育课程的开发等。这些措施将有助于教师更好地掌握AI技术在科学教学中的应用，进而显著提升科学教育的整体水平。

四、展望

      随着AI技术的不断发展和创新，其在科学教育领域的应用将更加广泛和深入。期待我国率先建设国家科学教育算力网络，制定教育专用大模型训练标准，建立学科知识嵌入规范，开发开源教育算法库，构建开发者生态社区。期待借助AI技术赋能中小学科学教育，进一步实现科学教育资源的公平分配，让每一个学生，无论身处城市还是乡村，都能享受到优质的科学教育。AI个性化学习系统能够精确匹配学生需求，点燃学习热情，挖掘创新潜能，从而培养出大批具备创新精神和实践能力的科技新星。

       当前，在国家大力推进教育强国建设的背景下，科学教育作为培养创新人才的重要基础，得到了充分重视，并通过成立全国中小学科学教育专家委员会，确保科学教育政策的精准实施和教育改革的有效推进。我们有理由相信，在各方的共同努力下，中国的科学教育将迎来更加美好的明天。这不仅将为提升国家的科技竞争力和综合国力作出更大的贡献，还将确保科学教育的公平性。

参考文献：
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