编者按

2026年度科学教育数字化实验教学研讨会即将于本周日在上海市风华中学隆重开幕。本次研讨会的参会代表数量、专家和名师报告数量，以及各学科展示课、说课数量都创下了新高。其中，小学科学和中学理化生各4节展示课已经全面实现了DIS数字化实验和“赛灵格”数字化课堂的双应用。这是一个有关教育数字化转型的重要信号——经过多年的教学实践磨炼，真正行之有效的教育数字化技术方案终于浮出水面，并开始重塑科学实验和科学课堂。这同时标志着以培养学生高阶思维为代表的“思维型教学”所取得的重大胜利！根据李鼎博士的研究和论证：①阻碍思维型教学发展的主要因素就是常规实验教学手段的落后和传统科学课堂的低效；②而DIS数字化实验和“赛灵格”数字化课堂系统正是落实思维型教学目标、培养学生高阶思维的有力手段。

前言

科学教育，始终是现代教育体系中最受关注的核心领域之一。一个国家科学教育水平的高低，不仅关系到未来科技创新能力，更关系到一个民族整体的理性精神、探索能力与文明高度。然而，长期以来，人们对于科学教育的理解，往往更多停留在知识层面：学生是否掌握了公式、定律、概念，是否能够完成题目、通过考试。随着人工智能时代的到来，人们越来越清晰地意识到：真正决定科学教育成败的，并不仅仅是知识的多少，而是学生是否形成了高阶科学思维。

所谓高阶科学思维，并不是简单意义上的“会做难题”，而是学生是否能够从实验中发现规律、从数据中建立模型、从现象中抽出结构、从变量关系中理解世界万物的共享机制，最终用数学化语言表达自然规律。换言之，高阶思维的本质，是一种“对结构的认知、发现和建构的能力”。而这种能力，恰恰长期受到传统实验室和科学课堂技术条件的限制。

今天，在人工智能教育与教育数字化转型的大背景下，由上海市中小学数字化实验系统研发中心历时24年打造的DIS数字化实验系统和历时12年打造的“赛灵格”数字化课堂系统，不仅改变了实验教学手段和课堂信息流，而且正在解决科学教育所关注的两个根本问题，即“规律如何被学生看见”“思维如何在课堂中生成”。两者联合重构的科学课堂，正在从传统的“知识传递场”，逐渐转变为“认知结构生成场”。这对于培养学生高阶思维、推动科学教育现代化，无疑具有深远意义。

一、科学教育目标体系概述

1.1 学生的科学素养

科学教育首先承担着培养学生科学素养的重要使命。所谓科学素养，不仅包括对科学知识的了解，更包括科学精神、理性态度、证据意识、实验意识，以及对自然规律的尊重与探索。真正的科学素养，不是背诵结论，而是养成并保持一种以主动的观察、实验、分析和求证为核心的认知方式。

1.2 学生的知识技能

科学教育当然离不开知识与技能。但传统的科学教育往往偏重知识、忽略技能。这导致广大学生普遍在掌握基本科学概念方面表现尚可，但在实验操作能力、数据分析能力、数学表达能力等方面差强人意，因此难以领会科学精神，更遑论掌握一定的科学探究方法了。写到这里，很多读者就会意识到：这就是高分低能和高学历低创造力的根源。

但即便科学教育达成传统的有关知识技能的目标，其实离国家当前对学生科学素养的培养目标仍有距离——因为，从知识技能到高阶思维，尚需做根本性的转换和提升。

1.3 学生的思维品质与高阶思维

近年来，我国教育界越来越重视学生思维品质的培养。在把“思维培养”从传统的“知识教学”中突出出来的过程中，陕西师范大学胡卫平教授的“思维型教学”理论贡献最为卓著。胡卫平教授基于深入的教育心理学研究，强调课堂不仅要传授知识，更要培养学生的批判性思维、创造性思维与问题解决能力。上述概念作为其“思维型教学”理论的核心，有着极为坚实的认知心理学基础：

表征学生科学素养的，是一系列的能力要素。包括建模能力、变量关系分析能力、因果机制理解能力、系统性思维能力、数学化表达能力等。这些能力要素所对应的心理过程，正是胡卫平教授所强调的高阶思维。

经过胡卫平教授等专家学者的多年努力，我国科学教育已经开始了从“知识中心课堂”走向“思维中心课堂”的历史性转变。广大科学教育工作者也逐渐形成了如下共识：科学学习真正重要的，不是记住多少公式，而是学生能否经历“规律生成”的过程。

二、科学教育目标的落实

2.1 传统路径

长期以来，科学教育主要依靠教师讲授、课本阅读、黑板推导、传统实验、习题训练等实施，最终以各级各类考试完成其终结性评价。这种路径在知识普及方面发挥了重要作用，但在思维，尤其是高阶思维培养方面存在明显局限，主要表现为实验教学流于形式，而科学课堂则效率低下。

传统实验由于受限于人工测量和记录、离散数据、低精度判读、缺乏实时反馈等问题，导致学生往往只能看到实验现象，却难以真正看到规律形成过程。因此，许多学生会产生一种错觉：公式仿佛是老师“给出来”的，而不是从自然现象中“生长出来”的。传统实验的局限，让学生失去了“从殊相中捕捉共相”“以数理融通完成对物质世界的数学化”的关键经历，也缺席了科学最重要的高阶思维——归纳法、演绎法和模型法的训练。

而在传统课堂中，教师真正能看到的，其实只有举手、作业、考试、少量课堂反馈。而真正重要的大部分认知过程，长期处于“黑箱”状态。比如，学生什么时候困惑？哪个知识点开始掉队？为什么突然失去兴趣？哪种讲法最有效？哪类错误最顽固？教师通常只能靠经验猜、靠考试事后发现。这导致传统教育被严重的“信息滞后”“信息不全”和“低分辨率”所局限。

尽管“培养高阶思维”已经成为广泛共识，但传统实验和传统课堂的持续影响，让高阶思维培养仍然面临巨大困难，尤其缺乏真正可操作的课堂实现路径。

而这，恰恰是数字化课堂技术能够发挥巨大作用的地方。

2.2 数字化转型与人工智能加持下的高阶思维培养路径

高阶思维培养是一个前所未有的教育革新，必然需要仰赖创新的教学工具体系。由上海市中小学数字化实验系统研发中心研发的DIS数字化实验系统和“赛灵格”数字化课堂系统，正是随着上海教育数字化转型的深入推进获得验证的，与人工智能伴生同行的高阶思维培养利器。

DIS数字化实验系统通过各类传感器、数据采集器与软件平台，实现了实验数据实时采集、实验过程动态呈现、数据分析与模型构建、多学科实验支持。它不仅提升了实验效率，更重要的是改变了实验的认知方式。传统实验中，学生看到的是数量有限的“结果点”； 而DIS数字化实验中，学生则能够看到基于海量数据的“过程曲线”。不仅如此，学生借助DIS还能够直观看到变量如何变化、曲线如何生成、规律如何显现、初始条件如何影响过程和结果，等等。在DIS的软件体系中，数学不再只是纸面公式，而开始成为常规工具和现实世界规律的表达语言。DIS数字化实验系统最为可贵之处，在于能够在完成上述工作的同时记录操作者的操作行为，从而为借助“从行为到思维”的分析模型揭示学生的科学学习心理过程奠定了坚实基础。

“赛灵格”数字化课堂系统，是上海市中小学数字化实验系统研发中心为适应上海市教育数字化转型需求开发的智能化科学课堂教学系统。该系统能够实时收集学生学习数据、实现课堂数据共享、支持师生互动，并能够自动记录课堂全方位、全过程的数据。2018年，“赛灵格”系统荣获世界教具联合会创新产品奖。随后，该系统在上海近600所学校广泛应用，其上海版本——“赛课堂”系统在四年以前就已经被列入上海教育数字化转型“三个助手”市级平台，并在小学科学、小学自然、初中科学、初高中物理、初高中化学等关键科学学科中获得深度应用。凭借前所未有的课堂数据收集与分析能力和互动功能，“赛灵格”/“赛课堂”系统等于让课堂第一次拥有了“学习显微镜”、“过程记录仪”和“信息实时共享和反馈平台”。随着教学口碑的积累，上海的很多学校甚至将该系统的应用推向了语文、体育、艺术课等非科学课堂场景，收到了意想不到的好评。

有了DIS和“赛灵格”，就意味着师生在课堂第一次能够同时“看见实验过程”，并“看见学习过程”。看见，是记录、分析和反馈的基础，更是学生的科学思维，尤其是高阶思维可观测、可分析、可研究的前提。

三、DIS +“赛灵格”在助力科学教育、培植高阶思维方面的独特贡献

3.1 让规律形成过程真正“可见”

DIS数字化实验最大的价值，不只是实验数字化，而是规律可视化。它使学生能够直接看到数据连续变化、曲线动态生成、模型逐渐形成，并能够快速锁定变化的原因，在明确因果关系的质性基础上完成变化幅度的量化分析。借助DIS数字化实验，学生不再只是“记住规律”，而是真正经历了让“规律从现象中生长出来”的过程。这种体验，是高阶科学思维形成的关键。

3.2 让学习过程真正“可观测”

“赛灵格”数字化课堂的重要突破，在于它能够实时完成师生、生生之间的教学互动，并完整记录上述互动过程。过去，教师只能看到最终答案； 现在，教师能够看到学生的思考路径、认知停顿、错误演化、学生之间的相互协作等。这意味着整个教育界所期盼的高阶思维终于开始从“不可见”走向了“可研究”！有了“赛灵格”数字化课堂系统，课堂不再只是知识传递的空间，而逐渐成为完成认知过程的空间。

3.3 推动课堂从“知识教学”走向“基于认知结构生成的思维型教学”

DIS数字化实验与“赛灵格”数字化课堂的深层价值，在于它们共同推动课堂发生范式转型——传统课堂关注“教师讲了什么”，而DIS+“赛灵格”则让课堂更关注“学生的认知结构如何生成”。

数字化实验负责让规律显现；数字化课堂负责让思维过程显现。两者结合，使科学课堂第一次有可能真正实现数据驱动、科学建模、结构化知识提炼，最终导向高阶思维的生成。而人工智能的加入，更令学生在掌握知识的同时，拥有了发现规律、分析系统和理解复杂世界的能力。而这，正是未来科学教育最核心的使命。

结语

上海市中小学数字化实验系统研发中心在经历了24年的扎实探索和勇敢实践之后，认识到人工智能时代的教育数字化转型，绝不仅仅是课堂设备的更新，更不仅仅是教学形式的改变，而是在于必须解决看到“规律如何形成”与“思维如何生成”问题。

DIS数字化实验与“赛灵格”数字化课堂的组合，正在推动科学教育从传统的知识教学，逐渐走向认知结构生成与高阶思维培养的新阶段。本次研讨会上两者的普及应用，昭示着一个由学生主导发现规律、建构模型、形成高阶思维的科学课堂——认知生成场，正在不远处向我们招手。

预祝2026科学教育数字化实验教学研讨会圆满成功！

参考文献

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胡卫平,李霞．指向核心素养的的思维型课堂五讲[M]．上海:上海科技教育出版社,2025

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