學校教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型 | 江西省南昌市洪都中學：科學教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型：人工智能與數(shù)字畫像的協(xié)同效應(yīng)

“學校教育數(shù)字化改革實踐”

是《中國信息技術(shù)教育》雜志

2025年關(guān)注重點之一

將展示數(shù)字化賦能學校

教育教學的創(chuàng)新變革

呈現(xiàn)學校在推進教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的

亮點舉措 特色成效 示范經(jīng)驗

江西省南昌市洪都中學：科學教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型：人工智能與數(shù)字畫像的協(xié)同效應(yīng)

作者：王榮歡 江西省南昌市洪都中學

黃燕 李文兵 江西省南昌市教育評估監(jiān)測和技術(shù)推廣中心

人工智能具備海量存儲力、高頻計算力、多模態(tài)分析力和可視化呈現(xiàn)力，在中小學教育中，AI數(shù)字畫像技術(shù)在教育評估和個性化教學方面發(fā)揮著重要作用。因此，本文提出借助物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、非接觸式感知技術(shù)、多模態(tài)融合技術(shù)和教學行為分析技術(shù)，建立以學習者為中心的智聯(lián)學習環(huán)境，并通過人工智能與云計算，精準生成學習過程的數(shù)字畫像，科學解碼學習圖譜，為學校提供學生科學素養(yǎng)的全面視圖，進而適配差異化學習路徑，有效提升學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

引言

黨的二十屆三中全會指出：“教育、科技、人才是中國式現(xiàn)代化的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。”科技創(chuàng)新靠人才，人才培養(yǎng)靠教育，中小學科學教育正是聯(lián)結(jié)科教興國、人才強國、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展三大戰(zhàn)略的關(guān)鍵紐帶。筆者所在學校作為全國中小學科學教育實驗校和江西省智慧教育示范校，從AI人工智能與科學教育融合的新視域出發(fā)，利用教育大數(shù)據(jù)對師生的教學行為進行全方位、立體化的捕捉與綜合性評價，形成師生的“數(shù)字畫像”，解碼差異化學習圖譜，實現(xiàn)科學教育教學內(nèi)容和方法的智能化定制，為推動大規(guī)模個性化科學教育發(fā)展提供了新的理論視角和解決方法。

“數(shù)”“智”建構(gòu)：數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學教育體系

1.智慧校園：學校現(xiàn)代治理框架

在“十四五”規(guī)劃時期，筆者所在學校堅持人工智能與學校管理深度融合，將數(shù)字技術(shù)和數(shù)字思維應(yīng)用于教育教學的轉(zhuǎn)型升級，用智能化手段系統(tǒng)重塑現(xiàn)代學校治理體系，形成了“四層三化”的智慧校園框架（如圖1）。

圖1 智慧校園框架

2.科學教育：“一核·兩翼·多維”實施框架

學校把科學理論教學、科學實驗探究、創(chuàng)新實踐技能、國防文化氛圍、愛國主義教育相互貫通，通過創(chuàng)新課程圖譜、強化實驗教學、推動跨學科整合、實施校家社聯(lián)動等一系列行動，從教育理念、培養(yǎng)模式、培養(yǎng)過程、評價機制等方面構(gòu)建起“一核·兩翼·多維”的“1+2+N”立體多元科學教育體系（如圖2），體現(xiàn)了對新時代中國式科學教育的深刻理解。

圖2 “一核·兩翼·多維”科學教育體系

“數(shù)”“智”建模：AI數(shù)字畫像“五步成像法”

1.數(shù)據(jù)收集：多維度數(shù)據(jù)整合

（1）多渠道的數(shù)據(jù)來源

一是階段性數(shù)據(jù)。充分利用學籍系統(tǒng)、成績管理系統(tǒng)等學校現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫資源，獲取師生的基礎(chǔ)信息和學業(yè)數(shù)據(jù)。

二是過程性數(shù)據(jù)。接入在線學習平臺，捕獲師生學習時長、學習進度、互動情況等在學習過程中的行為數(shù)據(jù)，并通過社交媒體、論壇等渠道，了解師生的興趣愛好、社交關(guān)系等非學術(shù)性信息。

三是實時性數(shù)據(jù)。通過“智慧課堂”管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等手段，采集和分析師生的教學行為和表情,根據(jù)數(shù)據(jù)分析,對學生的學習行為和習慣進行干預(yù),幫助學生形成良好的行為模式和心理品質(zhì)。

（2）多樣態(tài)的采集方式

一是集中式多平臺采集。學生家庭情況、校園生活和學習環(huán)境及成長經(jīng)歷等結(jié)構(gòu)化和結(jié)果性數(shù)據(jù)，具有覆蓋面廣、標準化程度高等特點，主要通過學籍管理系統(tǒng)、學生成長檔案系統(tǒng)等多個平臺，每學年進行集中采集、整合與管理。

二是周期式物聯(lián)感知采集。學習環(huán)境、班風學風、教學過程、身心健康、學業(yè)水平和教育質(zhì)量等過程性和結(jié)果性數(shù)據(jù)，具有連續(xù)性、規(guī)范性的特點，可以通過智學網(wǎng)學業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)、電子班牌系統(tǒng)等物聯(lián)感知技術(shù)，進行周期性監(jiān)控和測量。

三是伴隨式多模態(tài)融合采集。教育教學過程中實時產(chǎn)生的課堂參與、情緒體驗、作業(yè)與考試、社會實踐、交流互動等海量數(shù)據(jù)，具有密集性、動態(tài)性、復(fù)雜性、全面性等特點，主要借助平臺采集、智慧教室錄制、動作和語音識別等多模態(tài)融合技術(shù)手段進行伴隨性采集。

（3）多步驟的數(shù)據(jù)預(yù)處理

一是篩選過濾。通過AI人工智能去除無效信息，確保數(shù)據(jù)的針對性與準確性。

二是合并去重。借助云計算比對海量學習數(shù)據(jù)，將重復(fù)的內(nèi)容合并和去重，確保數(shù)據(jù)的唯一性。

三是標準化與歸一化。根據(jù)分析和挖掘的需要，對數(shù)據(jù)進行標準化和歸一化處理，把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可測量的數(shù)值。

2.數(shù)據(jù)編碼：科學素養(yǎng)指標的量化

（1）數(shù)據(jù)分類與標識

首先要對綜合學業(yè)大數(shù)據(jù)進行細致的分類與標識，如學業(yè)數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)、教師數(shù)據(jù)。此外，還包括學生在社交媒體上的活躍度、興趣愛好等其他數(shù)據(jù)。

（2）科學素養(yǎng)指標的確定

在數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)上，通過智能建模的方式，根據(jù)科學教育的要求，進一步確定科學素養(yǎng)可量化的關(guān)鍵指標，包括傳統(tǒng)的作業(yè)完成、考試數(shù)據(jù)等學業(yè)成績，也包括學生的創(chuàng)新能力、批判性思維、問題解決能力等非傳統(tǒng)學業(yè)能力。

（3）數(shù)據(jù)編碼與標準化

最后對各類數(shù)據(jù)進行編碼和標準化處理。依照人工智能制訂數(shù)據(jù)編碼規(guī)則，有效地整合不同來源、不同格式的數(shù)據(jù)，消除數(shù)據(jù)間的量綱差異，使其可以有效地比較和分析，以便于下一步的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘。

3.特征提取：關(guān)鍵信息的智能化篩選

（1）關(guān)鍵特征識別

在數(shù)據(jù)收集與編碼完成后，運用AI算法，揭示數(shù)據(jù)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和潛在規(guī)律。通過智能比對與分析，精確提取與數(shù)字畫像目標密切相關(guān)的關(guān)鍵特征：既包含認知層次水平、創(chuàng)新思維品質(zhì)、實踐實驗?zāi)芰ΑW習興趣偏好等學生方面的特征，也包括教學風格、課堂結(jié)構(gòu)、教學效果等教師方面的特征。

（2）特征解釋與優(yōu)化

學校運用人工智能技術(shù)對提取的特征進行詳盡的分析，確保每個特征都具有清晰明確的實際含義。通過持續(xù)優(yōu)化算法和模型，提高了特征提取的精確度和效率，從而為繪制數(shù)字畫像提供了堅實的支持。

4.數(shù)據(jù)可視化：直觀洞見差異化學習圖譜

（1）視覺化呈現(xiàn)

將模型生成的師生特征用直觀的易于理解的方式進行可視化展示。可以通過精心設(shè)計的各種圖表、圖形以及交互式界面，確保數(shù)據(jù)能夠以最清晰、最吸引人的形式呈現(xiàn)出來。

（2）個性化畫像報告

基于數(shù)據(jù)可視化的結(jié)果，為師生提供個性化的畫像報告。報告要詳細展示師生的關(guān)鍵特征，解析師生的優(yōu)勢和不足，還應(yīng)結(jié)合教育領(lǐng)域的專業(yè)知識和經(jīng)驗，提供具體的改進建議和策略。

5.互動與反饋：人機交互式協(xié)同優(yōu)化

在數(shù)據(jù)可視化的過程中，要強調(diào)與師生的互動和反饋。師生也可以通過在線平臺對展示的數(shù)據(jù)和報告提出意見和建議，以多向互動的方式對數(shù)字畫像進行優(yōu)化和完善。

“數(shù)”“智”解碼：精準適配科學教育策略

1.課程建設(shè)：多元化立體課程體系

（1）學科課程群

一是分層次的課程設(shè)置。針對學生數(shù)字畫像中的學習能力和認知水平，學校設(shè)計了分層的教學計劃，提供入門級、進階級和專精級的科學課程，以滿足不同層次學生的差異化學習需求。

二是興趣導(dǎo)向的選修課。根據(jù)學生的興趣愛好和個人特長，開設(shè)航模海模、機器人技術(shù)、無人機課程等系列化選修課程。

三是學習路徑規(guī)劃。結(jié)合學生數(shù)字畫像中的目標定位和發(fā)展?jié)摿Γ瑸閷W生提供個性化的學習路徑規(guī)劃，引導(dǎo)學生有序地完成學科知識的學習和能力的提升。

（2）跨學科課程群

一是推行STEAM教育體系。通過整合科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學等領(lǐng)域的知識，設(shè)計一系列跨學科課程，培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

二是開展項目式學習。以解決實際問題為導(dǎo)向，設(shè)置創(chuàng)意設(shè)計、科學實驗、技術(shù)創(chuàng)新等常態(tài)化項目式學習活動，鼓勵學生在實踐中學習和應(yīng)用跨學科知識，提升解決問題的能力。

三是探索創(chuàng)新思維訓練。通過舉辦邏輯思維、批判性思維、創(chuàng)造力開發(fā)等創(chuàng)新思維訓練課程和工作坊，幫助學生建立跨學科的思維框架，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能。

（3）動態(tài)調(diào)整課程

學校利用大數(shù)據(jù)分析工具，實時監(jiān)測學生的學習進度、成績趨勢和反饋情況，以此為依據(jù)靈活調(diào)整課程內(nèi)容和教學方法，確保教學的針對性和有效性。學生也可以對教學內(nèi)容和方法提出建議，形成一個互動的教學環(huán)境。

2.教學提質(zhì)：多學科交叉融合

（1）個性化教學資源

根據(jù)學生的個體數(shù)字畫像，精選和整合教科書、在線教程、互動模擬實驗等豐富的科學教育教學資源，使其貼合學生的學習風格和水平。先進的智能推薦算法，為學生提供個性化的學習資源列表，針對學生的優(yōu)勢和需要改進的領(lǐng)域提供輔助。利用個性化推薦資源，學生可以高效地自主學習，并通過智能導(dǎo)航系統(tǒng)在知識圖譜中找到最合適的學習路徑。

（2）實時互動與反饋

教學行為分析系統(tǒng)通過傳感器、拾音器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭綜合采集學生課堂行為數(shù)據(jù)，學生終端和教師終端的互動可以提高學生思維活躍度，教師依據(jù)學情作出相應(yīng)調(diào)整。多模態(tài)融合技術(shù)綜合檢測和識別師生的語言、姿態(tài)、面部表情和行為舉止等信息，通過智能系統(tǒng)的即時評估功能，學生可以立即得到自己對課堂內(nèi)容掌握程度的反饋，這種以人工智能為基礎(chǔ)的實時互動教學模式為課堂注入了新的活力。

（3）科學素養(yǎng)培養(yǎng)

根據(jù)學生數(shù)字畫像呈現(xiàn)出的學生學習興趣與認知層次，學校設(shè)計了多種科學探究項目，讓學生能夠沉浸式動手進行實驗和研究，培養(yǎng)他們的觀察力、分析能力和批判性思維。同時，利用各級各類科學類競賽，貼近學生的最近發(fā)展區(qū)，激發(fā)學生科學創(chuàng)新的熱情。

3.綜合評價：多維度動態(tài)化評估范式

利用AI數(shù)字畫像技術(shù)，可以實現(xiàn)評價主體多元化、評價維度立體化、評價方式多樣化的動態(tài)評估（如圖3），教師能全面、準確地評價學生的科學學習能力，并為學生提供個性化的學習路徑規(guī)劃。

圖3 基于AI的多維度動態(tài)化評估范式

4.科學實踐：多主體高效協(xié)同聯(lián)動

（1）校館合作

學校與眾多科技館、博物館建立了合作伙伴關(guān)系，定期組織學生參觀各種主題的科學展覽，使他們能夠沉浸式體驗科學技術(shù)的最新發(fā)展。來自合作機構(gòu)的專家和科學家為學生舉辦互動式科普講座和工作坊，讓學生在輕松愉快的氛圍中學習復(fù)雜的科學概念。

（2）家校社協(xié)同

學校通過科研項目與高校及研究所搭建合作橋梁，讓學生在專業(yè)科研人員的指導(dǎo)下，進入高校實驗室，參與實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析，體驗前沿科學研究，培養(yǎng)他們的實驗技能和科研思維。科技類社會實踐成為重要紐帶，學生深入社區(qū)進行科普教育宣傳，通過互動游戲、模型演示等形式普及科學知識，提高公眾的科學素養(yǎng)。學校特別強調(diào)家校互動學習，以親子科學閱讀、家庭科學探索等家校互動學習項目，鼓勵家長參與孩子的家庭科學實驗，促進家庭成員之間的交流和學習，增進家長對科學教育的理解和支持。

結(jié)語

通過數(shù)字畫像在科學教育中的深度應(yīng)用，將學生的個性化數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，采用數(shù)字化手段對學生學習過程和成果進行全面追蹤評估，學校更精確地理解每位學生的學習狀態(tài)，設(shè)計出有效的科學教育策略。

本文作者：

王榮歡 江西省南昌市洪都中學

黃燕 李文兵 江西省南昌市教育評估監(jiān)測和技術(shù)推廣中心

文章刊登于《中國信息技術(shù)教育》2025年第4期

原標題：科學教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型：人工智能與數(shù)字畫像的協(xié)同效應(yīng)

引用請注明參考文獻：

王榮歡 黃燕 李文兵.科學教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型：人工智能與數(shù)字畫像的協(xié)同效應(yīng)[J].中國信息技術(shù)教育，2025（04）：12-15.

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