摘要：数智技术是大中小学科学教育一体化建构的重要抓手。数智技术具有破除跨学段科学教育的教学割裂、打通跨学段学生个性化发展通道、推动跨学段科学教育的资源共享，从而推动大中小学科学教育一体化的重要价值。然而，数智技术如何有效赋能大中小学科学教育一体化建构却面临着诸多难点。具体而言，包括跨学段信息如何转化为有效教学、精准化进阶如何内嵌于学生主体、云上资源如何推动具身科学探究等问题。为了突破这些难点，开展科学教师数智化教学转化能力提升行动、搭建“个性化+协同化”的科学学习进阶模式、设计“虚实融通”的科学教育资源化用路径是数智技术赋能大中小学科学教育一体化建构的实践取径，为大中小学科学教育一体化建构提供一种全新的思路。

2025年，教育部等七部门印发的《关于加强中小学科技教育的意见》要求“纵向贯通基础教育各学段，横向统筹科学、技术、工程、数学等学科资源，并有效对接高等教育需求，推进大中小学一体化设计”。这本质上是将小学、中学、大学的科学教育视作有机的整体，使不同学段的科学教育各有侧重又递进衔接，以整体育人理念形成教育合力，提升科学教育育人质效。有研究认为，科学教育一体化应关注科学教育与历史发展、生活体验、自我成长的关联性，强调学生在一体化中理解并实践科学。也有研究认为，科学教育一体化是指各学段科学教学的一体化与学生各维度科学素养的一体化，强调科学建模教学、跨学科教学、科教融合是科学教育一体化的重要路径。还有研究从主体协同、目标衔接、学习进阶及培养通道四个方面出发，阐述学段衔接的大科学教育新格局。这些研究揭示了大中小学科学教育一体化的关键在于跨学段中教学的一体化、学生素养发展的一体化、资源运用的一体化。可见，已有研究针对大中小学科学教育的一体化建构提出了借鉴性意见，却忽视了一个重要抓手——数智技术，尤其是人工智能（AI）、大数据的发展对科学教育带来的变革性影响。人工智能技术有助于打造“ 虚实 融合”的科学教育新场域 ，其中教育智能体可以赋能学生自主科学探究、个性化科学论证学习和科学思维水平智能诊断 ，多模态大模型能够对科学 教育的数字资源建设、实验探究过程和素养评价体系提供有效支持 。但数智技术是否可以成为大中小学科学教育一体化建构的重要抓手和有力支撑，仍是一个缺乏深度探究的议题。因此，本研究以跨学段中教学设计、学生素养发展、资源运用为大中小学科学教育一体化的建构维度，以数智技术为一体化的建构抓手，旨在探究数智技术赋能科学教育一体化建构的可能性与可行性，为大中小学科学教育一体化建构提供一种全新思路。

一、数智技术赋能大中小学科学教育一体化建构的逻辑

面对大中小学科学教育的学段割裂现象，数智技术所具有的强大数据处理能力、虚拟建构能力、个性化支持能力有助于化解这一现象，成为科学教育一体化建构的重要抓手。

（一）跨学段信息整合：破除跨学段科学教育的教学割裂

大中小学不同学段之间科学教育的脱节割裂突出表现为培养目标、育人模式、评价标准等方面的非统一性、非系统性、非接续性，造成不同 学段之间的科学教育无法产生连贯的教育影响。究其根本，在于大中小学各阶段之间的信息（包括 知识、数据、证据、经验）没有产生协同育人效应。数智技术为实现科学教育跨学段的信息整合提供了重要机遇。

第一，数智技术构建科学教育跨学段的动态信息库，实现培养目标的衔接性。利用大数据技术，可系统性采集各学段科学教学的多模态信息，构建一个动态的、系统的科学教学信息库。再利用人工智能技术对这些纵向信息进行深度分析，把握各学段科学教育培养目标之间的内在联系与递进逻辑，结合各学段的基本特性，提炼出各学段科学教育相互独立但相互衔接的培养目标。科学教师亦可在缺乏教研共同体的情况下，借助这一动态信息库和人工智能的推荐与分析，自行整合各学段信息，完成科学教育跨学段育人目标的自主衔接。第二，数智技术搭建覆盖各学段科学教育的虚拟教学社区，实现育人模式的协同进阶。数智技术有利于学生通过科学重演及深加工、精加工与多维加工活动，实现科学的深度学习，推动教育实践向场景化、业务化、机制化和组织化协同发展的新视域拓展，有助于创新科学教育育人模式。师生可利用数智技术搭建覆盖各学段科学教育的虚拟教学社区，重构各学段科学教育的交互边界与时空边界。第三，数智技术建构科学教育跨学段的进阶式评价模型，推动评价标准的统一性与接续性。数智技术可提升教育评价的“数字化”“综合性”“过程性”“反馈性”，以更科学和客观的方式评价学生的发展状态。教师和学生应积极利用智能体，为其“投喂”不同学段科学教育的评价标准，以及学生的日常表现和考试成绩，构建跨学段的科学素养进阶式评价模型，生成属于每个学生的个性化评价档案，将所有评价数据纳入其中，并伴随学生升入下一学段。

（二）精准化进阶培养：打通跨学段学生个性化发展通道

当前各学段割裂分化的科学教育培养模式难以识别与培养拔尖创新人才，其原因在于跨学段学生个性化发展需求没有被满足，无法高效开展拔尖创新人才培养的奠基工程。大数据、人工智能等数智技术为破解这一问题，提供了操作的可能性。

其一，数智技术构建学生科学素养的动态发展画像，识别学生发展的个性化需求。面对各学段学生科学素养相互割裂的现状，构建跨学段的、连续性的学生科学素养的动态发展画像至关重要。学生动态发展画像可记录与支撑更精准多层的个性化学习，为学生在跨学段科学教育的科学素养识别与培养中提供技术基础。教师可根据新课标中的科学素养标准，并结合学生科学兴趣、个性化能力，分类分阶地描摹出独属于每个学生的科学素养动态发展画像，尤其对于具有一定科学天赋和强烈兴趣的学生。其二，数智技术建构学生的适应性学习过程，为学生提供针对性强、吸引力强的科学学习体验。适应性学习是指学生在学习过程中，根据外在环境和资源的变化，主动调整身心从而实现内外学习环境的平衡，是科学教育中培养学生科学素养的一种重要方式。教师利用多模态异构数据采集、学科知识图谱、认知诊断模型可系统性描述与总结学生的行为、认知与情感，了解学生的知识掌握程度和学习风格，为学生提供科学教育的个性化学习支持服务，满足学生的适应性学习需求。智能辅导系统为中小学生提供适应性学习辅导和个性化支持，强调了为学习者定制教学内容和反馈的重要性，促进更有效、更有吸引力的科学学习体验。其三，数智技术营造学生科学探究的适配环境，满足学生个性化、容错性的环境需求。科学教育的实施需要适配的教育环境，推动学生科学探究心智技能的培养。有研究指出，智慧学习环境下的学情智能诊断、富媒体资源与情景感知、按需推送资源与认知工具、实时数据分析、评价智慧化等有助于支持学生科学探究心智技能的形成。同时，教师可利用人工智能和元宇宙等技术构建科学探究的虚拟场馆、各类科学探究游戏，为学生搭建沉浸式、探究式、游戏式的科学学习环境。

（三）多元化资源融通：推动跨学段科学教育的资源共享

当前大中小学科学教育资源难以流通，学校教育外的科学教育资源难以进入学校，限制了大中小学科学教育的一体化建构。其主要原因在于多元资源的融通与转化，面临着现实操作的多方难题。数智技术为化解这些现实难题，提供了重要机遇。

首先，数智技术整合大中小学、科研院所、 校外场馆的优质资源，构建科学教育云上资源库。利用人工智能的强大算力与数据处理能力，汲取各方优质资源进行数字化加工，形成系统的科学教育资源库。比如，整合大学的虚拟仿真实验室、科学纪录片、科学史、科学教育名师名课、科学教育教学案例，再对这些资源进行智能化标记与分类，结合大中小学科学教育内容与目标，构建系统完整的科学教育云上资源库。其次，数智技术打通虚实壁垒，搭建虚实相融的资源共享平台。利用数智技术可建构虚实融合的合作教学空间、交互教学空间、智能教学空间 ，为科学教育提供虚实相融的资源共享空间。再次，数智技术构建可持续性的科学教育资源共享生态，推动科学教育资源的持续优化和迭代。利用智能体和大数据等技术，对科学教育云上资源库的使用情况和反馈信息进行大数据分析，为资源库的优化和迭代提供数据依据。

二、数智技术赋能大中小学科学教育一体化建构的难点

尽管数智技术可有效推动大中小学科学教育的一体化建构，但在实践转化中依旧存在诸多难点。其主要表现为数据赋能与有效教学之间、进阶培养与学生主体之间、云上资源与具身探究之间的张力问题。

（一）信息转化之难：跨学段信息如何转化为有效教学

信息如何赋能教学，是数智时代下教育的重要议题。对科学教育而言，数智技术可整合跨学段的各种信息，推动教学的跨学段整合与连贯。在实践中，欲将这些信息转化为提升教学质量的重要支撑，科学教师面临着难以有效理解和运用跨学段信息的现实困境。

第一，科学教师的知识结构集中于单一学段，无法连贯地理解跨学段的科学教育知识。对科学教师而言，其教学内容主要为某学段某年级的科学知识，而非其他学段的科学知识。尽管数智技术在整合、分类与呈现各类科学知识上具有显著优势，但科学教师对其的理解与内化则需要一定的时间，甚至难以理解和内化，限制了科学教师将其转化为科学教学实践。第二，跨学段科学教育信息的课堂情景化适配之难。科学教育跨学段协同进阶的培养目标、育人模式、评价标准，是大中小学科学教育的理想蓝图。这个理想蓝图如何与科学课堂情境相互适配，成为影响科学教育的重要助力，并非易事。例如，数字化建设不足的科学课堂、数字素养较低的科学教师、不同学情和风格的科学课堂，都是影响跨学段科学教育信息适配科学课堂情境的因素。究其原因，在于科学课堂是一个充满复杂性的实践场域，去情境化的科学教育信息转化为教学动力存在“水土不服”的困境。第三，科学教师对跨学段科学信息的判断与选择之难。比如，高中科学课堂中，科学教师既需要根据学情诊断教学的问题点，也需要找到与大学科学教育的衔接点，还需要找到激发学生兴趣的探索点，从而实现丰富信息的教学转化，这对科学教师而言并非易事。尤其在科学教育实践中，专门的科学教师较为匮乏。《中国科学教育发展报告（2025）》显示，全国小学科学教师中兼任教师比例超七成，专职率仅29.90%，且超过70%为非理工科背景。这严重制约了科学教育的一体化建构。根本上来说，这个困境在于推动大中小学科学教育一体化建构的科学教师的教育素养不足。

（二）进阶培养之难：精准化进阶如何内嵌于学生主体

数智技术有助于打通跨学段科学教育中学生的个性化发展通道，为科学学习的进阶培养赋能。就学生而言，其所搭建的动态发展画像、适应性学习过程、适配学习环境等在较大程度上内 嵌于学生主体，激活学生科学学习的主体性，推动学生科学素养的进阶，依旧面临着技术与学生主体之间的多重张力结构。

一方面是“ 数据驱动”与“ 自主驱动”之间的张力。在学生科学学习过程中，人工智能等技术具有优秀的数据诊断与分析能力，尤其针对学生在不同学段的个性化学习风格、学习经验进行智能分析，能有效地驱动学生科学素养的进阶培养。但其根本上仍依赖于学生对科学探究的兴趣与热情，即强大的自我驱动，这是学生在跨学段科学学习中保持科学热情的关键因素。面对初高中的升学压力，学生在小学学段树立的科学学习动力和热情可能受到阻碍，数据的驱动力并不能在源头上解决这一问题。同时，学生作为“ 未竟的主体”，其能否独立自主地解读与应用相关数据，并将其转化为自身学习所需的知识与材料，是值得考量的问题。因此，如何在数据驱动的基础上，完成学生科学学习的自我驱动，仍是科学教育一体化建构的难点。

另一方面是“ 数据规训”与“自主发展”之间的张力。对于学生科学素养的培养而言，基于数据的精准预测固然具有一定科学性，但也在无形中“规训”了学生发展的方向。这与强调自主探究、不确定性甚至风险的科学探究相异。大数据化的教育测评狭隘地测评了人的发展与教育，把教育过程、学习行为标准化，导致对教育价值与意义的认知简单化，造成对学生作为人的发展的内在性、唯一性与完整性的忽略。当学生科学素养的进阶培养成为数据直接左右的确定性结果，这个过程本身也被异化为一种“数据规训”，不利于学生科学精神和科学志趣的培养。尤其在科学探究与创新中，往往需要学生的“灵光乍现”与“天马行空”的想象力，“数据规训”无疑弱化了这种非确定性、涌现性的存在。所以说，在数智技术驱动学生的精准化进阶培养的过程中，如何控制技术本身对学生主体性、生命性的规训与异化，是需要思考的重要问题。

（三）资源化用之难：云上资源如何推动具身科学探究

探究与实践是科学教育的重要教学方式，有助增强学生的具身参与，激活学生的具身认知，形成科学探究能力、技术与工程实践能力以及自主学习能力。这意味着丰富的科学教育云上资源应推动学生具身性的科学探究与实践，而非虚拟与现实相对立，造成学生认知发展的身心割裂。罗斯指出：“ 在建构主义认知图景之外，存在对我们日常生活与经验至关重要的现象 —— 感受性、被触动性与激情。这些现象不仅是人类存在的核心，更是学习得以可能的前提条件。” 具身认知理论强调认知过程中的具身性、嵌入性与生成性。然而，丰富的云上资源与科学探究的具身性、嵌入性、生成性之间存在矛盾，阻碍着这个目标的达成。

其一，“去身体化”的云上资源与科学探究具身性之间的矛盾。从当前的人工智能和元宇宙技术来看，构建一个完全沉浸式的可具身操作的科学探究与实践的虚拟环境还难以实现。在科学教学实践中，丰富的云上资源往往以视频、音频、文本或者“机师”的形式出现。如何将这些视频、 音频、文本转化为推动学生具身科学探究的有效动力，如何让“机师”与“人师”相辅相成促进学生的具身科学探究，是教学实践中的一大难点。其根本原因，一方面是“去身体化”的云上资源提供的视觉和听觉被简化和失真，难以充分激活视觉和听觉的认知功能；另一方面是“去身体化”的云上资源无法提供其他真实的感官刺激，没有与其他生理感知能力产生认知联动。其二，“去情境化”的云上资源与科学探究嵌入性之间的矛盾。 基于具身认知理论，学生科学素养的培养内嵌于某种科学探究与实践的情境之中。但数智技术将科学知识、科学现象从复杂的自然情境中抽离出来，转化为被简化的、被控制的数据或模型，无法生成适合学生科学探究与实践的真实情境。因为不论是仿真的科学实验还是虚拟现实技术带来的沉浸式科学体验，本质上都是一种理想化的模型，无法产生真实情境对学生认知的独特作用。其三，“弱互动性”的云上资源与科学探究生成性之间的矛盾。生成性强调认知是在“行动—感知”循环系统中生成的，强调学生在探究与实践中的互动性。对学生而言，从被动观看到主动探究之间存在多重难点。云上资源本身不会产生教育意义，而是依托于精巧的教学设计，教师将云上资源转化为充分激活学生互动性的科学探究与实践并非易事。精巧的画面、闪动的界面、频繁的弹窗等容易造成学生认知超载，使其沉溺于技术与信息本身，分散对科学探究与实践的注意力和兴趣，也妨碍了正常的师生互动。

三、数智技术赋能大中小学科学教育一体化建构的取径

如果说数智技术是驱动大中小学科学教育一体化建构的重要力量，那么发挥数智技术的育人性而非异化性，则是实现这一过程的根本路径。对学生而言，教师是联结虚拟与现实、引导学生协作探究、发挥数智技术育人性的关键主体。我们应开展科学教师数智化教学转化能力提升行动，以系统性思维推动科学教师专业发展，提升教师开发与设计科学学习进阶和“ 虚实融通”教学模式的素养与能力。

（一）开展科学教师数智化教学转化能力提升行动

面对数智技术赋能大中小学科学教育一体化建构的难点，其中最为关键的是发挥科学教师的中介性作用，即教师是数智技术、科学教育、学生之间实现有效联结的根本。正如有研究指出，人工智能在科学教育中的应用面临着教师的准备和专业发展这一大挑战。 因而，大中小学科学教育一体化的第一要义是推动科学教师的专业发展，提高科学教师的数智化教学转化能力，以充分将数智技术所提供的信息转化为有效教学。我们应积极开展聚焦数智化教学转化能力提升的大中小学科学教师专业发展一体化行动，构建系统化的科学教师专业发展支持体系。

首先，明确科学教师数智化教学转化能力的构成要素，即科学素养、教学素养和数智素养。科学素养和教学素养是科学教师应掌握的基础性素养，数智素养是指科学教师将数智技术赋能教学的素养。教师科学素养包含科学精神与科学情意、科学认知与科学教育能力、科学方法与技术。教师教学素养指科学教师掌握的基本教学知识与技能。数智素养指人机协同背景下融合数据素养和AI素养的统称，包含基本数智知识与技能、高阶数智思维能力、数智信念与伦理。其次，组建由中小学科学教师、教研员、教育技术专家、大学专家共同构成的跨学段“数智培训与交流共同体”。一是利用共同体平台的可跨界性，围绕科学素养、教学素养和数智素养，推动科学教育跨学段协同备课研课，定期开展相关讲座和培训活动。二是创建适用于大中小学科学教师专业发展的资源库，为科学教师提供不同学段的丰富学习资源，打开科学教师的视野，优化科学教师的专业知识结构。三是打造供科学教师自主创造与分享的线上交流平台，鼓励教师围绕教学实践中的现实问题与技术难点，进行科学教学的创新实践、反思总结与交流分享。四是为科学教师提供可直接使用的丰富技术工具，并配套相关讲解视频，降低科学教师使用数智技术的技术门槛。再次，改革 大中小学科学教师评价与激励制度。将中小学教师积极参与数智培训、运用数智技术、创新教学 实践、分享教学案例等纳入教师评价指标体系；将大学科学教师积极参与中小学科学教师培训、开发中小学科学教师使用的技术工具、开展中小 学科学教育讲座、开发中小学科普资源等纳入其评价指标体系中。

（二）搭建“ 个性化+协同化”的科学学习进阶模式

在个性化、精准化的科学学习进阶中，学生无法单一地处理“数据驱动”与“自主驱动”、“数据规训”与“ 自主发展”之间的张力问题，而应转向共同体中寻求主体性力量的激活。因为真正 的主体性其实是基于主体间的交往、承认与共鸣产生的。 换言之，片面单一地强调个性化和精准化易陷入主体性异化的困境，构建“ 个性化 + 协 同化”的科学学习进阶模式是化解这一困境的有效路径。用个性化的支持保障每个学生学习进阶中的发展需求，用协同化的支持化解学生学习进阶中的可能障碍。

首先，围绕科学核心概念与跨学科概念构建学习进阶模型。以义务教育阶段为例，围绕“ 物质的结构与性质”等13个核心概念及“物质与能量”“系统与模型”“结构与功能”“稳定与变化”4个跨学科概念形成“经验—关联—系统—整合—迁移”五大层级水平的学习进阶模型。同 时应建构高中与大学的学习进阶模型，以数字化手段整合，建构大中小学一体化的科学学习进阶模型。其次，以大中小学一体化的科学学习进阶模型为蓝本，创建学生科学素养的动态发展画像和适应性学习环境，支持学生的个性化发展。可运用个性化学习平台、智能辅导系统、虚拟现实模拟、数据分析与预测模型，以及自适应评估工具为学生提供个性化的学习体验与反馈。最后，在科学探究与实践中，加入团队协作任务，激活生生之间、师生之间、机生之间的交往、承认与共鸣，实现个性化的知识内化与协作化的社会性建构。例如，在科学模型的建构中，围绕模型的本质、模型的功能、模型使用、模型评估、模型修改以及建构新模型的进阶矩阵，设计科学模型的协作探究项目。其首先以学生的个性化学习为前提，让学生积累基础性知识和提出相关疑惑；再通过生生、师生、机生的共同建构、评估、优化模型的协作探究，一方面回答学生个性化学习时的疑惑，另一方面完成模型评估、模型修改、建构新模型的能力进阶，促进高阶科学思维的发展。

（三）设计“ 虚实融通”的科学教育资源化用路径

在大中小学科学教育一体化的建构中，有效地将各学段的丰富云上资源转化为推动科学探究与实践的关键在于实现虚拟与现实的融通，用云上资源“ 增强”而非“ 代替”，实现学生科学探究与实践中的具身性、嵌入性与生成性。

第一，厘清云上资源和科学探究与实践两者的教学定位，确定“ 虚实融通”的科学教育理念。丰富的云上资源具有“去身体性”“去情境性”“弱 互动性”，尽管虚拟现实和增强现实等技术可以在一定程度上缓释这些不足，但终究无法代替科学探究与实践的育人功能。教师应将这些资源确定为科学教学的辅助性资源或前置性资源，为学生提供基础性和背景性知识以促进理解、拓展视野、科学预演等，为学生开展科学探究与实践提供支持。科学探究与实践则是科学教学的根本方式，强调学生的具身参与和认知激活，注重对现实问题的发现与解决，培养学生的科学研究能力、实践能力和创新能力。第二，构建“虚实融通”的跨学段科学资源支持体系。围绕某一科学核心概念，开发跨学段的智能化资源筛选和匹配系统，为教师和学生提供适配的教学资源。建立大中小学科学教育“虚实融通”教学设计的模板库，为不同学段的科学教育提供相应的软件、教案、实验等资源。第三，结合科学教育内容，开发多元化的“虚实融通”模式。针对不同的科学核心概念与学生的年龄特征开发“虚实融通”的教学设计模式，如“实验预演—实验操作—云端复盘”模式、“提出问题—虚拟探究—实践验证” 模式、“项目开发—方案设计—AI辅助探究—成果展示与评估”模式等。例如，围绕高中物理“机械能及其守恒定律”内容，开发“实验预演—实验操作—云端复盘”的教学模式。在实验预演环节，利用大学教育技术专家或教育科技公司开发的虚拟仿真实验，让学生提前了解实验器材、实验流程、实验现象，并在观看预演实验中思考“动能和势能是如何相互转化的？能量守恒的条件是什么？”等问题。在实验操作环节，利用数智技术辅助学生完成实验操作与数据分析，回答之前的问题。在云端复盘环节，借助人工智能对实验操作进行回放分析，对标大中小学科学教育资源库的相关信息和数据，引导学生自我评估与小组评估实验过程与结论，促进学生的反思与优化。

究其根本而言，以数智技术推动大中小学科学教育一体化建构的关键在于，如何发挥数智技术的育人性。在这个意义上，数智技术赋能大中小学科学教育一体化建构并非简单的技术应用或资源堆砌，而是要以教师的教与学生的学为核心，在数智技术的赋能下实现跨学段科学教育在目标、内容、方法、评价等维度的有机融通和贯通。这不仅需要技术开发者、研究者、教育者等多方主体之间的协同与互动，为数智技术与科学教育深度融合提供技术支持与理论指导，更为重要的是学生的深度参与和主体性的激发，形成“ 技术 - 教育 - 主体”三者有机联动的教育生态。这才是数智时代下大中小学科学教育一体化建构、推动科学教育服务教育强国建设的根本依托。