数智赋能小学科学探究:创新思维培育的框架建构与实践路径

摘要

2025年1月，中共中央、国务院印发《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》，要求完善拔尖创新人才发现和培养机制，着力加强创新能力培养[1]。其中，创新思维是创新能力的关键要素。同时，该《纲要》也明确提出加强科学教育，指出科学教育不应停留于知识传授层面，而要真正聚焦学生科学核心素养的系统培育。在《义务教育科学课程标准（2022年版）》中，科学课程要培养的学生核心素养包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面，创新思维恰是科学思维的重要组成部分[2]。

2025年10月，教育部等七部门发布的《关于加强中小学科技教育的意见》指出中小学阶段是培养学生科学兴趣、创新意识和实践能力的重要时期，进一步明确了在科学探究中培育创新思维的必要性与可行性[3]。

与此同时，生成式人工智能与数智教学平台等数智技术正快速进入教育领域。国务院《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》明确要求将人工智能融入教育教学全过程[4]；教育部等五部门发布的《“人工智能+教育”行动计划》强调要着力推动智能技术与育人本质的深度融合，培养学生的智能素养、创新思维和健全人格[5]。目前，上海数字教学系统的普及应用，DeepSeek、“扣子”“豆包”等工具的有效使用，以及数字化平台的数据实时采集、思维可视化呈现功能，为数智技术赋能小学科学探究提供了有利条件。

然而，技术工具的简单堆砌和强制并不能带来教学改进。如何将生成式人工智能与数智平台有机融入小学科学探究实践，提高学生探究的主导性、互动性与生成性，有效培育其创新思维？这是待解决的核心议题。本研究围绕小学科学探究实践中创新思维的表征提炼、数智技术赋能框架建构与单元实践展开，旨在形成可操作的方式。

在数智技术迅速融入课堂的改革之际，当前小学科学探究实践教学的实际样态存在三个方面的困境。

其一，教师主导有余，学生主体探究不足。探究式学习以建构主义学习理论为根基，旨在引导学习者在真实的问题情境中通过与环境的交互主动建构知识与技能，教师应从“知识的传授者”转变为“学习的促进者”[6]。在这一理论框架下，学生的主体性是探究学习得以成立的逻辑前提。在小学科学探究实践中，唯有赋予学生自主提出问题、设计方案、得出结论的权利，创新思维才有萌发的土壤。

然而，现实教学实践与这一理论预期之间形成了矛盾。研究指出，在探究式教学实践中，教师对其引导作用的认识性偏差导致“控制式探究”与“放任式探究”的失衡现象，中小学科学课堂探究式教学面临的首要挑战也正是“预设流程与课堂生成性之间的失衡”[7]。许多教师在实践层面为确保教学进度和知识传递逻辑的完整性，往往高结构地设计探究过程，预设完整的问题链与标准的操作步骤，这种“形似神散”的探究与建构主义所倡导的“真实问题情境下的意义建构”之间难以平衡。学生在探究中依旧承担“按指令操作”的角色，大量缺失其自主发现与表达的空间，不利于创新思维的萌发。以“简单电路”教学为例，教师直接给出“如何让两个小电珠变亮”的具体问题及实验步骤，学生只需按电路图连接即可得出预设结论，缺少自主提出问题、设计方案进行问题解决的机会，以致创新思维几乎没有显现。

 其二，探究流程预设有余，课堂生成互动不足。探究教学的本质特征之一是开放性与生成性。建构主义学习理论强调，知识的建构是在动态的、社会性的互动过程中形成的，学生的顿悟、非常规尝试和认知冲突是产生深度学习的契机[8]。为此，探究课堂应是一个充满不确定性的认知探险场域，学生的生成性回答和意外发现是推进教学的重要资源。

现实中，师生对探究结论的追求却胜于对探究过程的关注。有研究通过对小学科学教学案例的深入剖析发现，素养维度目标微观不统一、教师要兼顾多向度实践理性等因素，使教师在实践中常常陷入“追求探究过程开放性”与“确保结论确定性”的两难境地[9]。当学生涌现的新观点偏离教师预设的结论方向时，教师往往缺乏捕捉与引导的意识，宝贵的生成性资源被轻易错过。同伴之间的深度互动也因课堂时间的局限，缺少基于证据的质疑、补充与迭代优化。就如在“种子发芽”实验中，有学生观察到光照条件下种子反而发芽缓慢，提出“光是否抑制发芽”的假设，这偏离了教师预设的结论方向，教师便以“这并非普遍现象”予以搪塞。这种对生成性发现的忽视，同样压制了学生创新思维的萌发。

其三，技术工具形式有余，赋能思维发展不足。教育技术应当以促进深度学习与思维外显为核心目标。将信息技术引入教学，其核心价值在于帮助学生突破认知边界，实现思维的可视化与深度加工。有研究表明，生成式人工智能能够有效提供步骤化指导和即时反馈，帮助学生在与智能系统的交互中生成新思路、解决复杂问题[10]。然而，这一理论预期在现实中遭遇了严峻挑战。有研究明确指出，当前人工智能等现代信息化技术在教育领域的课堂实践中仍存在使用时机模糊、功能边界不清，以及技术与教学融合流于表层等问题[11]。信息技术与教学的深度融合之所以困难，一个重要原因在于许多实践者往往把技术、环境与人等关键因素孤立地进行分析，而实际上课堂教学却是一个整体。

小学科学探究实践中技术的应用常停留在数据采集与结果展示的装饰层面，这与技术应以促进思维外显与深度学习为目标的理念形成了矛盾，有研究者将此类现象概括为“数字教育悬浮化”，即技术的实际使用效果与预期的建设目标之间存在显著偏差[12]。即便教师使用了生成式人工智能，也仅将其作为信息查询工具，未能嵌入学生的设计、决策、反思等关键思维环节，这样非但无法解决技术的表层化问题，反而可能加剧学生对技术的依赖，抑制其创新思维的发展。例如，课堂中教师善用数字化平台收集全班实验数据并生成统计图表，却未利用这些数据对不同学生的猜想进行差异化反馈或启发式追问，学生提交的方案也未被有效地组织为互评资源。技术嵌入不能触及探究的关键节点，难以真正促进思维的生成。

这三个难题均反映了一个根本矛盾：科学教师们总想让探究过程按提前设计好的步骤，稳稳当当、可控地进行，可真正的创新行为是灵活发散、不断涌现新想法的，两者在逻辑上难以兼容。传统的教学理念与方法很难在保证探究效果的同时，让学生充分探索、自然产生新的观点与想法。本研究中所采用的数智技术融合，并不是要取代教师，而是通过生成式人工智能的开放式对话及数字平台的实时数据展示和互动功能，打造一个更开放、自由的学习氛围，让课堂交流和学生思考不再受限制，为科学探究实践中创新思维的培育提供新的技术路径。

（一）核心概念界定

本研究涉及以下核心概念。数智技术，指在小学科学探究实践中应用的上海数字教学系统、生成式人工智能（如“扣子”“豆包”）、可视化软件等。小学科学探究，则基于《义务教育科学课程标准（2022年版）》与相应解读文本被界定为科学探究与技术工程实践两类。创新思维，即学生在科学探究实践中表现出的多元性、新颖性和实用性，能从不同视角分析与思考问题，能提出与众不同的观点或方法，且所提出的观点或方法对解决问题具有实际可行的价值。

（二）创新思维“三维”行为表征量表构建

前文所揭示的“教师主导有余、探究流程预设、技术应用表层化”三个困境，一个潜在的原因在于教师对科学探究实践过程中学生到底需要形成哪些创新思维行为表现缺乏明确、可观察的判断依据，导致教师无法精准捕捉学生创新思维的涌现。这一识别工具的缺失，致使教师因缺乏判断依据而只能依靠预设流程完成教学，加剧了技术应用停留于结果展示层面的困境。

为此，研究组基于《义务教育科学课程标准（2022年版）》，参考北京师范大学中国教育创新研究院关于创新素养的研究成果[13]，系统梳理各年段科学探究实践素养的目标指向，构建了“三维”创新思维行为表征量表。量表并非简单的行为罗列，而是将评价焦点从教师对标准答案的判定转移到学生对多元、新颖、实用思维的自我比较与同伴互评。量表通过明确界定“多元性、新颖性、实用性”的行为表现，提供了可观察、可比较、可讨论的锚点，使课堂的生成性互动从随意发散转变为有据可循的思维碰撞，也为后续数智技术的嵌入提供了明确的依据。

针对科学探究与技术工程实践两类不同路径，研究组分别制定了《小学科学探究中创新思维行为表征量表》（表1）和《小学科学技术与工程实践中创新思维行为表征量表》（表2），按低、中、高三个年段描述具体行为表现。

表1　小学科学探究中创新思维行为表征量表

表2　小学科学技术与工程实践中的创新思维行为表征量表

（三）数智赋能科学探究的“技术—流程”融合框架

“三维”量表虽然明确了创新思维的行为表征，但如何让这些表征在课堂上真正落地仍需具体的技术与操作路径。因此，探究流程需要嵌入一个技术框架，将量表中的表征转化为可实时采集、可即时反馈、可互动讨论的教学实践。框架的设计逻辑主要体现在以下三个方面。

一是针对“教师主导有余”问题，需要在“构思与设计”等思维量大的环节嵌入AIGC智能体，其设计初衷是替代教师的“唯一性指导者”角色。智能体通过开放式的生成性对话，依据每名学生的实时输入给予差异化回应，从而将探究路径从“预设”转向“师、生、机协同生成”，让学生自主界定问题、发展思维。

二是针对“课堂互动不足”问题，充分利用上海数字教学系统“三个助手”的数据收集与互评功能，使其成为连通所有学生思维的“公共空间”。全班学生的猜想、方案、作品等均可实时汇聚与可视化呈现，学生据此展开基于证据的质疑、补充与改进，将课堂互动从“教师—学生”的单向模式转变为“学生—数据—学生”的多向结构。

三是针对“技术表层化”问题，借助数字化平台的可视化功能将评价从“结果判定”转向“过程诊断”。技术表层化的症结在于技术仅服务于最终结论的呈现，而未介入学生思维发展过程。框架需在关键探究环节嵌入平台的数据采集功能，将学生的猜想记录、方案演变等过程性痕迹自动汇聚为可视化的个体思维发展轨迹。教师据此识别思维难点，学生据此调整学习方式，技术由此成为支撑深度反思与精准干预的过程性工具。

基于上述设计逻辑，研究组对上海数字教学系统、生成式人工智能、可视化软件进行了功能调研与匹配，形成“小学科学探究实践数智技术框架”（表3），为数智技术支持的小学科学探究实践的设计提供参考。

表3　小学科学探究实践数智技术框架

（一）研究成效

本次研究发现，在“数智技术与科学探究流程”框架的辅助下，数智技术能够有机融入小学科学探究实践的过程。在提升学生创新思维的同时，教师专业能力与课堂生态也获得了较好的发展。

一是，学生的创新思维表征显著增强。在数智技术的全程赋能下，学生的科学探究不再局限于固定流程的机械完成，其创新思维的多元性、新颖性与实用性均得到明显提升。从个体样本来看，学生A的创新思维在多元性、新颖性、实用性三个维度均实现了显著进阶，其星级评价呈现明显提升态势。从全班整体数据来看，全体学生均呈现出一致的正向发展趋势。由此可见，数智赋能科学探究能够有效突破传统课堂预设流程的束缚，释放学生的发散思维与生成性思维，实现小学生科学创新思维的培育。

二是，教师教学方式与技术融合能力得到提升。以创新思维量表为指引，教师厘清了探究教学中培育创新思维的关键要素。在“数智技术—探究流程”框架的辅助下，教师能够根据探究环节精准选择数智工具，推动技术应用与探究内容逐步走向有机融合。

三是，课堂教学生态发生积极转变。数智技术有机嵌入科学探究实践后，课堂呈现出积极现象，如学生敢于提出非常规问题、乐于借助技术交流奇思妙想、在数据支撑下客观评估等。探究的主导权逐步从教师向学生转移，其生成性与互动性也得到了提升。

（二）研究反思与挑战

本次研究也发现了新的教学问题。

其一，数字化互评的直观感知缺失。以“腐烂”单元的课堂互评环节为例，数字化平台虽然丰富了学生的交流内容，但部分学生过度关注平台的数据结果，反而忽略了真实的实验观察、亲身感受与直观体验。这说明，过度依赖技术的数据呈现，有可能让学生丢掉科学探究中很重要的直观感知和过程体验。因此，如何平衡数字化数据分析与真实实验体验，是后续优化教学框架时需要重点解决的问题。

其二，数智技术与探究教学融合的“度”较难把握。以“生物的启示”单元教学实践为例，智能体虽为学生提供了“一对一”的个性化方案，对于仿生物品创造的实用性论证与后续的实际操作很有帮助，但也可能因智能体设置的问题支架过多，在一定程度上影响了学生创新思维的发散，对思维成果的新颖性与多元性形成了些许约束。基于此，如何在保留适度探究支架的同时，调整数智技术的介入程度，为学生留出充足的生成性探究与试错空间，是需要在后续实践中研究的问题。