智能教學系統在STEAM教育活動中的技術探究

孫玉彤

摘要：目前對STEAM教育的研究大多集中在理論層面，因為其實質性的活動開展還存在著真實情境創設耗費大量人力物力、多方協作難獲取、多方評價工作量繁多等方面的問題。人工智能技術支持下的智能教學系統涵蓋了多種技術，可有效解決教育教學中的難題，因而本文嘗試以智能教學系統的虛擬現實、智能應答、智能測評三項技術為例，從理論上論證智能教學系統在STEAM教學活動中的應用。

關鍵詞：智能教學系統;STEAM教育;虛擬現實;智能感應;智能測評

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2019）23-0104-03

● STEAM教育

1.概念

2007年，Rider-Bertrand提出“STEM教育是有目的地整合各學科的教學和學習方法，學生將從中發現并獲得能在學術和現實背景中運用的概念、能力以及科學、技術、工程和數學思維等，以提高在21世紀的全球競爭力”。隨后，美國學者在此基礎上增加了“Arts”（藝術），自此形成了STEAM教育。

STEAM教育的重心是強調找尋不同學科知識之間的關聯，從而整合這五門學科，教會學生綜合運用各科的知識及思維方式解決實際問題。

2.意義

目前，我國正處于社會經濟發展轉型的重要階段，亟須創新來提供持久穩定的發展競爭力。創新型人才是輸出創新力的中堅力量，打破學科界限、實現跨學科融合的STEAM教育是培養創新型、綜合型人才的有效教育模式，開展STEAM教育對培養國家發展所需的創新型人才和促進教育教學改革都具有重要意義。

3.STEAM教學活動的特點

STEAM教育的跨學科教學理念及要求決定了其活動開展應當基于生活經驗及實踐活動，它在某種程度上與“基于項目的學習”（Project-based learning，PBL）相吻合，因而目前多數的STEAM教學活動都是以PBL的方式開展的。此活動開展的方式具有以下幾個重要特征。

（1）情境體驗性

STEAM教育認為知識是學習者與學習環境互動所建構的產物，而非來自外部的灌輸，因而其活動常置于具體的情境中開展，讓學生在情境中動腦思考、動手操作，在親身參與的過程中構建知識體系。STEAM教育希望學生在習得結果性知識的同時還能在具體的情境體驗中感悟過程性知識，建立知識與具體生活問題的連接，學會知識的情境化應用，懂得根據不同的背景及情況選擇合適的知識加以應用從而解決問題，獲得社會性成長，避免出現空有理論知識卻無法學以致用的情況。盡管這種情境體驗的特點可以帶來諸多的教學優勢，但是在實際的活動開展中實現“情境體驗”卻并非易事，有些情境的構建需要耗費較大的財力物力，且可重復利用性差，這對經費有限的學校及機構而言是開展STEAM教育活動的巨大障礙。

（2）多方協作

在STEAM教育活動中，學生遇到的問題數量多，牽涉領域廣，這就需要教師與相應領域的專家提供有針對性的協助。在解決項目問題的過程中，不同小組的學生采用的是不同的解決路徑，由于他們的能力水平和知識水平不同，他們可能遇到的問題、困難也不盡相同，這就需要教師針對學生的需求和困難提供及時的知識和技術支持，這在很大程度上加大了教師的工作壓力。此外，有的問題涉及的是專業領域的知識，單純依靠教師的協助是遠遠不夠的，還需要領域專家提供相應的支持，但是要獲得這樣的支持是較為困難而且常常是延遲的，無法及時解決學生疑惑。

（3）多元評價

教學評價方式很大程度上取決于教學目標的設立。STEAM教育不同于以往的傳統教育，其教學目標不再是希望學生掌握某一學科的知識，而是強調在實際的探索活動中促進學生習得跨學科知識，獲得實踐、問題解決、創新及協作等多方面的能力。教學目標的改變意味著教學評價方式也隨之改變：余勝泉[1]等人認為應當由原先單一的評價方式轉變為多元評價主體的、形成性的、面向學習過程的評價;張文蘭[2]則認為評價方式的多元，不單單體現在評價主體上，也應當體現在其他維度上，需要在原有的傳統評價方式上融合“定性與定量評價、形成性與總結性評價、個人與小組評價”等多種方式形成新型的多元性評價方式;趙慧臣[3]也認為STEAM的評價方式應當是多元化的、注重過程的。從這些觀點中不難看出，在STEAM教育中一般不是單純地使用“考試”來評測學生的知識掌握情況及教師的教學效果，這在一定程度上對教師的工作能力及相關評價輔助設備提出了更高的要求。

● 滿足STEAM教學活動重要特征要求的ITS

1.智能教學系統

智能教學系統（ITS，Intelligent Tutoring System）是一種借助于人工智能技術，讓計算機扮演教師角色實施個別化教學，向不同需求、不同特征的學習者傳授知識、提供指導的適應性學習支持系統。[4]其目的是通過計算機輔助教師進行教學工作，減輕教師工作負擔，并提出最佳教學計劃。目前ITS的架構被分為以下四個模塊：①專家模塊，主要解決教什么的問題，負責提供教學內容，給出引導性問題指導學生學習，評價學習效果;②學生模塊，主要解決誰在學的問題，負責了解學習者的學習特征及知識掌握程度;③導師模塊，主要解決怎么教的問題，根據教學內容，提出針對性教學策略;④智能人機接口模塊，主要負責輸入使用者的操作及輸出系統數據資源等，實現人機高效交互。

2.ITS中輔助STEAM教學活動開展的技術

（1）虛擬現實

虛擬現實技術是一種新型的人工智能技術，其與ITS的充分融合能夠有效地支持ITS服務于STEAM教學活動的情境創設環節。在傳統教學活動中，情境創設主要采用文字、語言、圖像、視頻以及實物展示等方式，其中，實物展示最接近于現實，然而受限于成本高、創設難度大、可重復利用率低等問題，它較難實現實物展示的全方位普及。而虛擬現實技術能夠有效模擬現實環境，并通過各類傳感設備，將用戶投放到該環境中，實現用戶與模擬環境的自然交互。在教學活動中，教師可以利用虛擬現實技術模擬構建各種真實環境，為學生提供各種傳統技術難以實現的情境體驗。學生可以借助頭盔、手柄等工具，接收虛擬場景中的各種信息并獲得感官刺激，實現與虛擬現實場景的交互，獲得逼真的學習體驗。虛擬現實技術不僅保留了實物展示的真實性，而且所需費用更低，可重復利用性更強，通過這種進階學習的方式，可以化抽象為具體，有效引導學生學習STEAM課程蘊含的科學文化知識。例如，在STEAM課堂中涉及化學實驗的分子講解時，可通過虛擬現實技術構建分子結構，將抽象的分子活動過程轉化為具體的可感可觸的形象，更好地幫助學生理解實驗的原理，降低其知識建構的難度，加深記憶，提高學習興趣。

（2）智能應答

智能應答技術是一種基于自然語言處理、知識推理、文本語音和圖像分析等方法而實現的智能技術，在ITS中能夠有效扮演多領域的專家，是ITS及時解答學生疑惑的重要技術支撐。STEAM教學活動中的大多數“驅動性問題”都沒有固定的解決途徑，需要學生自行構思、探索，在這個過程中必定會遇到許多難題，在現有條件下學生一般只能求助于課程教師或者上網查找資料，但教師可能由于課程小組較多無法兼顧或者問題涉及較多專業領域知識無法及時解答，而網上資料繁雜需要學生花費很多的時間與精力在收集與篩選上，且網上過于豐富的學習資料還容易導致學生分心致使學習行為偏離既定的學習目標，這在很大程度上降低了學生的學習效率，消磨了學生的學習熱情，造成學生的學習倦怠現象。而在智能應答的支持下，學生僅需要向ITS輸入問題，ITS便能自動通過分析問題的詞法、語法，提取問題關鍵，而后在資料庫中搜索答案并直接回答學生的問題。

（3）智能測評

融合了智能測評技術的智能教學系統，具備了記錄、判斷學生學習效果的能力，能夠有效處理STEAM教學活動中的海量數據，為學生提供全面的可視化評價，并為教師改進教學提供參考，有力地促進STEAM教育活動形成閉環。教學評價不僅能夠及時反映學生的學習進度及學習活動開展情況，而且還能夠反映教師的教學質量及學生的學習效果，有助于教師與學生及時調整學習活動，避免背離學習目標，也有助于教師收獲經驗，完善教學方法，因此教學評價是整個STEAM教學中極其重要的一環。STEAM教育的教學目標決定了其評價方式應當多元化，而多元化的評價方式無疑需要收集、處理、分析、統計大量的教學數據，工作量十分龐大，而整合了智能測評技術的ITS能夠通過智能人機接口模塊收集學生學習過程中的各類學習數據，基于系統預先設計的學習算法、大數據分析、云計算等進行自主智能評估，形成真實、客觀、高效、可靠的測評結果。同時，在智能測評系統的支持下，ITS也強調動態實時的學習行為跟蹤及個性化的即時反饋。ITS的智能測評功能能夠有效減少教師的工作量，極大地減輕教師的負擔，確保教師可以把精力更多地放在關注學生以及教學活動本身上，也有助于教師反思STEAM教學活動中的不足并形成教學改進策略，從而更高質量地開展STEAM教育。

● 總結

虛擬現實、智能應答、智能測評等人工智能技術在ITS中的整合有助于拓寬并加深ITS在教育教學中的應用，有助于解決STEAM教育活動開展過程中遇到的困難，使ITS能更好地配合STEAM教育的高效開展，助力STEAM教育的推廣與發展。

參考文獻：

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（04）：13-22.

[2]張文蘭，張思琦，林君芬，等.網絡環境下基于課程重構理念的項目式學習設計與實踐研究[J].電化教育研究，2016，37（02）：38-45+53.

[3]趙慧臣.美國北卡羅來納州中學STEM學校的教學設計及其啟示[J].中國電化教育，2017（02）：47-54.

[4]陳天云，張劍平.智能教學系統（ITS）的研究現狀及其在中國的發展[J].中國電化教育，2007（02）：95-99.