“學(xué)校教育數(shù)字化改革實(shí)踐”

是《中國(guó)信息技術(shù)教育》雜志

2025年關(guān)注重點(diǎn)之一

將展示數(shù)字化賦能學(xué)校

教育教學(xué)的創(chuàng)新變革

呈現(xiàn)學(xué)校在推進(jìn)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的

亮點(diǎn)舉措 特色成效 示范經(jīng)驗(yàn)

江西省南昌市洪都中學(xué)：科學(xué)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(xué)

黃燕 李文兵 江西省南昌市教育評(píng)估監(jiān)測(cè)和技術(shù)推廣中心

人工智能具備海量存儲(chǔ)力、高頻計(jì)算力、多模態(tài)分析力和可視化呈現(xiàn)力，在中小學(xué)教育中，AI數(shù)字畫像技術(shù)在教育評(píng)估和個(gè)性化教學(xué)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(xué)行為分析技術(shù)，建立以學(xué)習(xí)者為中心的智聯(lián)學(xué)習(xí)環(huán)境，并通過(guò)人工智能與云計(jì)算，精準(zhǔn)生成學(xué)習(xí)過(guò)程的數(shù)字畫像，科學(xué)解碼學(xué)習(xí)圖譜，為學(xué)校提供學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面視圖，進(jìn)而適配差異化學(xué)習(xí)路徑，有效提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

引言

黨的二十屆三中全會(huì)指出：“教育、科技、人才是中國(guó)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(xué)科學(xué)教育正是聯(lián)結(jié)科教興國(guó)、人才強(qiáng)國(guó)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展三大戰(zhàn)略的關(guān)鍵紐帶。筆者所在學(xué)校作為全國(guó)中小學(xué)科學(xué)教育實(shí)驗(yàn)校和江西省智慧教育示范校，從AI人工智能與科學(xué)教育融合的新視域出發(fā)，利用教育大數(shù)據(jù)對(duì)師生的教學(xué)行為進(jìn)行全方位、立體化的捕捉與綜合性評(píng)價(jià)，形成師生的“數(shù)字畫像”，解碼差異化學(xué)習(xí)圖譜，實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育教學(xué)內(nèi)容和方法的智能化定制，為推動(dòng)大規(guī)模個(gè)性化科學(xué)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(dòng)的科學(xué)教育體系

1.智慧校園：學(xué)?，F(xiàn)代治理框架

在“十四五”規(guī)劃時(shí)期，筆者所在學(xué)校堅(jiān)持人工智能與學(xué)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(xué)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，用智能化手段系統(tǒng)重塑現(xiàn)代學(xué)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(xué)教育：“一核·兩翼·多維”實(shí)施框架

學(xué)校把科學(xué)理論教學(xué)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究、創(chuàng)新實(shí)踐技能、國(guó)防文化氛圍、愛國(guó)主義教育相互貫通，通過(guò)創(chuàng)新課程圖譜、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)、推動(dòng)跨學(xué)科整合、實(shí)施校家社聯(lián)動(dòng)等一系列行動(dòng)，從教育理念、培養(yǎng)模式、培養(yǎng)過(guò)程、評(píng)價(jià)機(jī)制等方面構(gòu)建起“一核·兩翼·多維”的“1+2+N”立體多元科學(xué)教育體系（如圖2），體現(xiàn)了對(duì)新時(shí)代中國(guó)式科學(xué)教育的深刻理解。

圖2 “一核·兩翼·多維”科學(xué)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(lái)源

一是階段性數(shù)據(jù)。充分利用學(xué)籍系統(tǒng)、成績(jī)管理系統(tǒng)等學(xué)?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)資源，獲取師生的基礎(chǔ)信息和學(xué)業(yè)數(shù)據(jù)。

二是過(guò)程性數(shù)據(jù)。接入在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，捕獲師生學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、學(xué)習(xí)進(jìn)度、互動(dòng)情況等在學(xué)習(xí)過(guò)程中的行為數(shù)據(jù)，并通過(guò)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(xué)術(shù)性信息。

三是實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)。通過(guò)“智慧課堂”管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等手段，采集和分析師生的教學(xué)行為和表情,根據(jù)數(shù)據(jù)分析,對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和習(xí)慣進(jìn)行干預(yù),幫助學(xué)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(tái)采集。學(xué)生家庭情況、校園生活和學(xué)習(xí)環(huán)境及成長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)，主要通過(guò)學(xué)籍管理系統(tǒng)、學(xué)生成長(zhǎng)檔案系統(tǒng)等多個(gè)平臺(tái)，每學(xué)年進(jìn)行集中采集、整合與管理。

二是周期式物聯(lián)感知采集。學(xué)習(xí)環(huán)境、班風(fēng)學(xué)風(fēng)、教學(xué)過(guò)程、身心健康、學(xué)業(yè)水平和教育質(zhì)量等過(guò)程性和結(jié)果性數(shù)據(jù)，具有連續(xù)性、規(guī)范性的特點(diǎn)，可以通過(guò)智學(xué)網(wǎng)學(xué)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電子班牌系統(tǒng)等物聯(lián)感知技術(shù)，進(jìn)行周期性監(jiān)控和測(cè)量。

三是伴隨式多模態(tài)融合采集。教育教學(xué)過(guò)程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生的課堂參與、情緒體驗(yàn)、作業(yè)與考試、社會(huì)實(shí)踐、交流互動(dòng)等海量數(shù)據(jù)，具有密集性、動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性、全面性等特點(diǎn)，主要借助平臺(tái)采集、智慧教室錄制、動(dòng)作和語(yǔ)音識(shí)別等多模態(tài)融合技術(shù)手段進(jìn)行伴隨性采集。

（3）多步驟的數(shù)據(jù)預(yù)處理

一是篩選過(guò)濾。通過(guò)AI人工智能去除無(wú)效信息，確保數(shù)據(jù)的針對(duì)性與準(zhǔn)確性。

二是合并去重。借助云計(jì)算比對(duì)海量學(xué)習(xí)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(biāo)準(zhǔn)化與歸一化。根據(jù)分析和挖掘的需要，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理，把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的數(shù)值。

2.數(shù)據(jù)編碼：科學(xué)素養(yǎng)指標(biāo)的量化

（1）數(shù)據(jù)分類與標(biāo)識(shí)

首先要對(duì)綜合學(xué)業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的分類與標(biāo)識(shí)，如學(xué)業(yè)數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)、教師數(shù)據(jù)。此外，還包括學(xué)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(xué)素養(yǎng)指標(biāo)的確定

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

（3）數(shù)據(jù)編碼與標(biāo)準(zhǔn)化

最后對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和標(biāo)準(zhǔn)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(lái)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?。宏P(guān)鍵信息的智能化篩選

（1）關(guān)鍵特征識(shí)別

在數(shù)據(jù)收集與編碼完成后，運(yùn)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(guò)智能比對(duì)與分析，精確提取與數(shù)字畫像目標(biāo)密切相關(guān)的關(guān)鍵特征：既包含認(rèn)知層次水平、創(chuàng)新思維品質(zhì)、實(shí)踐實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、學(xué)習(xí)興趣偏好等學(xué)生方面的特征，也包括教學(xué)風(fēng)格、課堂結(jié)構(gòu)、教學(xué)效果等教師方面的特征。

（2）特征解釋與優(yōu)化

學(xué)校運(yùn)用人工智能技術(shù)對(duì)提取的特征進(jìn)行詳盡的分析，確保每個(gè)特征都具有清晰明確的實(shí)際含義。通過(guò)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(jiān)實(shí)的支持。

4.數(shù)據(jù)可視化：直觀洞見差異化學(xué)習(xí)圖譜

（1）視覺(jué)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(jìn)行可視化展示。可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)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(lái)。

（2）個(gè)性化畫像報(bào)告

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

5.互動(dòng)與反饋：人機(jī)交互式協(xié)同優(yōu)化

在數(shù)據(jù)可視化的過(guò)程中，要強(qiáng)調(diào)與師生的互動(dòng)和反饋。師生也可以通過(guò)在線平臺(tái)對(duì)展示的數(shù)據(jù)和報(bào)告提出意見和建議，以多向互動(dòng)的方式對(duì)數(shù)字畫像進(jìn)行優(yōu)化和完善。

“數(shù)”“智”解碼：精準(zhǔn)適配科學(xué)教育策略

1.課程建設(shè)：多元化立體課程體系

（1）學(xué)科課程群

一是分層次的課程設(shè)置。針對(duì)學(xué)生數(shù)字畫像中的學(xué)習(xí)能力和認(rèn)知水平，學(xué)校設(shè)計(jì)了分層的教學(xué)計(jì)劃，提供入門級(jí)、進(jìn)階級(jí)和專精級(jí)的科學(xué)課程，以滿足不同層次學(xué)生的差異化學(xué)習(xí)需求。

二是興趣導(dǎo)向的選修課。根據(jù)學(xué)生的興趣愛好和個(gè)人特長(zhǎng)，開設(shè)航模海模、機(jī)器人技術(shù)、無(wú)人機(jī)課程等系列化選修課程。

三是學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃。結(jié)合學(xué)生數(shù)字畫像中的目標(biāo)定位和發(fā)展?jié)摿Γ瑸閷W(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃，引導(dǎo)學(xué)生有序地完成學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)和能力的提升。

（2）跨學(xué)科課程群

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

二是開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，設(shè)置創(chuàng)意設(shè)計(jì)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)創(chuàng)新等常態(tài)化項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)，提升解決問(wèn)題的能力。

三是探索創(chuàng)新思維訓(xùn)練。通過(guò)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(xùn)練課程和工作坊，幫助學(xué)生建立跨學(xué)科的思維框架，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。

（3）動(dòng)態(tài)調(diào)整課程

學(xué)校利用大數(shù)據(jù)分析工具，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、成績(jī)趨勢(shì)和反饋情況，以此為依據(jù)靈活調(diào)整課程內(nèi)容和教學(xué)方法，確保教學(xué)的針對(duì)性和有效性。學(xué)生也可以對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法提出建議，形成一個(gè)互動(dòng)的教學(xué)環(huán)境。

2.教學(xué)提質(zhì)：多學(xué)科交叉融合

（1）個(gè)性化教學(xué)資源

根據(jù)學(xué)生的個(gè)體數(shù)字畫像，精選和整合教科書、在線教程、互動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)等豐富的科學(xué)教育教學(xué)資源，使其貼合學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格和水平。先進(jìn)的智能推薦算法，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源列表，針對(duì)學(xué)生的優(yōu)勢(shì)和需要改進(jìn)的領(lǐng)域提供輔助。利用個(gè)性化推薦資源，學(xué)生可以高效地自主學(xué)習(xí)，并通過(guò)智能導(dǎo)航系統(tǒng)在知識(shí)圖譜中找到最合適的學(xué)習(xí)路徑。

（2）實(shí)時(shí)互動(dòng)與反饋

教學(xué)行為分析系統(tǒng)通過(guò)傳感器、拾音器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭綜合采集學(xué)生課堂行為數(shù)據(jù)，學(xué)生終端和教師終端的互動(dòng)可以提高學(xué)生思維活躍度，教師依據(jù)學(xué)情作出相應(yīng)調(diào)整。多模態(tài)融合技術(shù)綜合檢測(cè)和識(shí)別師生的語(yǔ)言、姿態(tài)、面部表情和行為舉止等信息，通過(guò)智能系統(tǒng)的即時(shí)評(píng)估功能，學(xué)生可以立即得到自己對(duì)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(shí)時(shí)互動(dòng)教學(xué)模式為課堂注入了新的活力。

（3）科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)

根據(jù)學(xué)生數(shù)字畫像呈現(xiàn)出的學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與認(rèn)知層次，學(xué)校設(shè)計(jì)了多種科學(xué)探究項(xiàng)目，讓學(xué)生能夠沉浸式動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，培養(yǎng)他們的觀察力、分析能力和批判性思維。同時(shí)，利用各級(jí)各類科學(xué)類競(jìng)賽，貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，激發(fā)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新的熱情。

3.綜合評(píng)價(jià)：多維度動(dòng)態(tài)化評(píng)估范式

利用AI數(shù)字畫像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)主體多元化、評(píng)價(jià)維度立體化、評(píng)價(jià)方式多樣化的動(dòng)態(tài)評(píng)估（如圖3），教師能全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)能力，并為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃。

圖3 基于AI的多維度動(dòng)態(tài)化評(píng)估范式

4.科學(xué)實(shí)踐：多主體高效協(xié)同聯(lián)動(dòng)

（1）校館合作

學(xué)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(xué)生參觀各種主題的科學(xué)展覽，使他們能夠沉浸式體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)的最新發(fā)展。來(lái)自合作機(jī)構(gòu)的專家和科學(xué)家為學(xué)生舉辦互動(dòng)式科普講座和工作坊，讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中學(xué)習(xí)復(fù)雜的科學(xué)概念。

（2）家校社協(xié)同

學(xué)校通過(guò)科研項(xiàng)目與高校及研究所搭建合作橋梁，讓學(xué)生在專業(yè)科研人員的指導(dǎo)下，進(jìn)入高校實(shí)驗(yàn)室，參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，體驗(yàn)前沿科學(xué)研究，培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)技能和科研思維?？萍碱惿鐣?huì)實(shí)踐成為重要紐帶，學(xué)生深入社區(qū)進(jìn)行科普教育宣傳，通過(guò)互動(dòng)游戲、模型演示等形式普及科學(xué)知識(shí)，提高公眾的科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)校特別強(qiáng)調(diào)家?；?dòng)學(xué)習(xí)，以親子科學(xué)閱讀、家庭科學(xué)探索等家?；?dòng)學(xué)習(xí)項(xiàng)目，鼓勵(lì)家長(zhǎng)參與孩子的家庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)家庭成員之間的交流和學(xué)習(xí)，增進(jìn)家長(zhǎng)對(duì)科學(xué)教育的理解和支持。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)字畫像在科學(xué)教育中的深度應(yīng)用，將學(xué)生的個(gè)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(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和成果進(jìn)行全面追蹤評(píng)估，學(xué)校更精確地理解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，設(shè)計(jì)出有效的科學(xué)教育策略。

本文作者：

王榮歡 江西省南昌市洪都中學(xué)

黃燕 李文兵 江西省南昌市教育評(píng)估監(jiān)測(cè)和技術(shù)推廣中心

文章刊登于《中國(guó)信息技術(shù)教育》2025年第4期

原標(biāo)題：科學(xué)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(qǐng)注明參考文獻(xiàn)：

王榮歡 黃燕 李文兵.科學(xué)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(guó)信息技術(shù)教育，2025（04）：12-15.

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