人工智能背景下STEM教育的現(xiàn)狀與發(fā)展

徐義昊

（南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106）

美國提出的STEM教育模式有效推動了學(xué)科融合，對信息化時代教育變革產(chǎn)生了深刻的影響。21世紀(jì)是信息化時代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)作為一個分支逐步走進(jìn)大眾視野，促進(jìn)各行業(yè)的信息化變革。

2015年3月，美國連接在校教育和職業(yè)生涯的期刊《技術(shù)》出版了STEM教育專題[1]，指出：“當(dāng)STEM教育的重要性和價值已經(jīng)成為教育改革和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要部分時，STEM教育就會成為今天的創(chuàng)新、明天的成功了。”可見，STEM教育雖然是一種新興的教育模式，但實現(xiàn)了教育的跨學(xué)科性，引導(dǎo)學(xué)生主動思考、解決問題，已經(jīng)在教育改革中產(chǎn)生了巨大影響。同時，人工智能的崛起為教育改革提供了技術(shù)上的支持，人工智能具有跨界融合、創(chuàng)新驅(qū)動、重塑結(jié)構(gòu)、尊重人性、開放生態(tài)和連接一切等特征，在理念上與STEM教育高度契合[2]。近年來，“人工智能+教育”理念的提出，更加明確地將人工智能與教育改革連接在一起，借助人工智能的圖像識別、語音識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，構(gòu)建信息化教育平臺，完善STEM教育策略，推動STEM教育模式的發(fā)展，實現(xiàn)學(xué)生主動探究、思考、創(chuàng)新的教育目標(biāo)，讓教育貼近實際，實現(xiàn)真正的跨學(xué)科融合。

1 人工智能背景下的STEM教育模式

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）4門學(xué)科的英文首字母縮寫，意指改變傳統(tǒng)單一學(xué)科分門別類的教育模式，針對實際問題的復(fù)雜性、融合性，鼓勵學(xué)生對不同學(xué)科知識進(jìn)行思考融合，自主探究實際問題的解決方法，有效地解決問題，從而實現(xiàn)4門學(xué)科的跨界融合，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、自主學(xué)習(xí)、探索創(chuàng)新、交流互動的綜合素養(yǎng)。

STEM教育模式改變傳統(tǒng)教育觀念，跨學(xué)科性是其最大的特點，因而這種模式下的教育不再以簡單、直接的單學(xué)科問題為學(xué)生的考查方式，而是采用實際問題，以實際問題為引線，借助實際問題的多學(xué)科混合性、多變性、復(fù)雜性，鼓勵學(xué)生自主思考，將問題合理劃分，對問題中遇到的瓶頸自主探究學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生在解決實際問題中靈活結(jié)合并運用多種學(xué)科知識的能力。

STEM教育模式中，科學(xué)是學(xué)科融合預(yù)期的主要成份，而同時科學(xué)又作為教育的技術(shù)支持，為STEM教育的發(fā)展提供平臺、探索方向。人工智能作為計算科學(xué)的重要領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)是STEM教學(xué)的重點內(nèi)容。信息化時代背景下，人工智能技術(shù)日益成為一種探索世界的工具，只有掌握了信息化的新興技術(shù)，才能適應(yīng)時代的發(fā)展，借人工智能看世界，實現(xiàn)教育的跨學(xué)科融合。在STEM教育模式中，人工智能技術(shù)不僅是學(xué)生解決實際問題應(yīng)掌握的工具與方法，更是STEM教育的支持者，借助人工智能技術(shù)為教育提供實踐平臺，讓學(xué)生必要的自主學(xué)習(xí)更便捷，合理推薦學(xué)習(xí)資源，實時監(jiān)測與反饋，用大數(shù)據(jù)分析與處理，進(jìn)而幫助教育工作者制定完善的教學(xué)策略。由此可見，人工智能等新興技術(shù)在促進(jìn)教育模式的變革、為教育發(fā)展探索方向的同時，也成為教育工作的重要領(lǐng)域，人工智能與STEM教育相輔相成，共同發(fā)展。

2 人工智能背景下STEM教育的現(xiàn)狀

從STEM教育的發(fā)展形勢上看，大致可以分為分科課程階段、多學(xué)科階段、學(xué)科間階段以及跨學(xué)科階段。前3個階段旨在提高學(xué)生科學(xué)知識素養(yǎng)，儲備學(xué)科基礎(chǔ)知識；跨學(xué)科階段則是STEM教育的核心，使各學(xué)科知識交接融合，致力于解決實際問題，可以真正實現(xiàn)學(xué)生的綜合教育[3]。但STEM教育提出時間較晚，并且政策相對不完善，在實踐中難免遇到瓶頸，例如，學(xué)生在實踐中知識儲備不足卻缺少相應(yīng)的詳細(xì)解答平臺，新教學(xué)模式下教師對學(xué)生應(yīng)該如何有效地管理等，而人工智能技術(shù)恰恰可以為STEM教育的實踐提供有力的外部支持。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)逐漸掀起傳統(tǒng)模式變革的浪潮，教育行業(yè)雖然有其構(gòu)成與理念的復(fù)雜性，但也隨著技術(shù)的推進(jìn)一點點變革與發(fā)展，不斷實踐新的教育理念，以期實現(xiàn)素質(zhì)教育、高效教育。

2.1 提供優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源

STEM教育鼓勵學(xué)生獨立思考問題，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，解決問題中需要將各學(xué)科知識融合，多視角地看問題，而基于問題的融合性，自主探究的過程往往也是理解新知識的過程，相比于不斷詢問教師，一個優(yōu)質(zhì)智能答疑系統(tǒng)更具便捷性、高效性。基于語音識別的語言測評輔導(dǎo)軟件的使用，不僅實現(xiàn)了學(xué)生問題的實時答疑，也鍛煉了語言表達(dá)能力，實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的目標(biāo)。“作業(yè)幫”“小猿搜題”等軟件，基于圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)了書面內(nèi)容的精確識別，并及時根據(jù)問題給出指導(dǎo)思路及解答方案。同時，人工智能技術(shù)通過大數(shù)據(jù)分析學(xué)生學(xué)習(xí)方向與興趣，借助智能平臺，推薦優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源，讓學(xué)習(xí)的途徑便捷化，減輕資源尋找的壓力，為STEM教育理念的實現(xiàn)提供途徑。

2.2 實現(xiàn)“做中學(xué)”

人工智能技術(shù)作為現(xiàn)代科學(xué)的重要組成，顯然應(yīng)當(dāng)成為STEM教育的重要內(nèi)容，而在實踐中要想達(dá)到STEM教育的預(yù)期效果，人工智能技術(shù)是一個必不可少的工具。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)逐漸深入STEM教育，而人工智能與3D打印的結(jié)合則實現(xiàn)了操作的自動化，借助智能平臺系統(tǒng)，學(xué)生可以自己動手操作，在做中學(xué)，不但提高了學(xué)生的動手能力，同時技術(shù)知識在實踐中慢慢積累，達(dá)到更好的教學(xué)效果。而Jimu Robot等STEM教育智能編程機(jī)器人，通過邏輯編程學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在人工智能平臺中學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，數(shù)學(xué)與科學(xué)相結(jié)合，充分體現(xiàn)了STEM教育的跨學(xué)科性與創(chuàng)新性。

2.3 實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效管理

STEM教育創(chuàng)新了教育模式，將教育的重點從單學(xué)科知識的運用轉(zhuǎn)移到了跨學(xué)科的融合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思考的綜合素養(yǎng)，教師職能從教育的主導(dǎo)者向引領(lǐng)者、監(jiān)督者變化，使得教師可以將更多的精力投入到對學(xué)習(xí)過程的監(jiān)督，而學(xué)習(xí)過程的質(zhì)量恰恰也是STEM教育能否成功的關(guān)鍵。基于人臉識別的智能管理平臺將教師與人工智能結(jié)合，通過攝像機(jī)捕捉、檢測人臉信息，完成課堂考勤、課堂監(jiān)測，實現(xiàn)了課堂的高效管理，及時、實時發(fā)現(xiàn)學(xué)生問題，實現(xiàn)STEM教育中“重過程”的理念，將課堂狀態(tài)納入測評范圍，監(jiān)督學(xué)生自主探索，而不是最后單單看一個學(xué)習(xí)結(jié)果。

3 STEM教育未來發(fā)展的建議

STEM教育的提出，旨在改變教育單學(xué)科的“灌輸式”教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高獨立探索能力，將不同學(xué)科知識整合起來，真正發(fā)揮知識的實際作用。但教育模式的改變也不是一朝一夕就能實現(xiàn)，往往需要不斷嘗試來發(fā)現(xiàn)弊端，完善相應(yīng)政策，逐步讓STEM教育達(dá)到預(yù)期效果。針對當(dāng)前STEM教育模式的弱項，提出一些合理的建議，希望人工智能背景下的STEM教育實現(xiàn)預(yù)期的成果，真正做到跨學(xué)科融合與綜合素質(zhì)培養(yǎng)。

3.1 培養(yǎng)綜合素質(zhì)的同時重視知識學(xué)習(xí)

人工智能等信息化技術(shù)的應(yīng)用，為課堂各式各樣的實踐提供了基礎(chǔ)，學(xué)生動手能力的提高得到了保障，但卻存在過于看重實踐的問題，課堂內(nèi)容著重在如何動手操作來實現(xiàn)預(yù)期效果，而忽視了相關(guān)知識的記憶。教育應(yīng)該合理運用技術(shù)條件，將實踐與學(xué)習(xí)相結(jié)合，主張自主學(xué)習(xí)，探究實踐的原理與本質(zhì)，充分發(fā)揮人工智能時代的信息化特點，針對實踐中的問題積極思考并尋求解答，在實踐的同時加強(qiáng)知識的學(xué)習(xí)，才能達(dá)到將科學(xué)與技術(shù)結(jié)合的目標(biāo)。

3.2 培養(yǎng)優(yōu)秀的師資隊伍

STEM教育要做到跨學(xué)科教學(xué)，雖然人工智能技術(shù)已經(jīng)可以完成部分教師職能的替代，但教師仍是主要引導(dǎo)者，AI技術(shù)只能起到輔助作用，這就對教師的個人素養(yǎng)要求很高。首先，跨學(xué)科代表著一個問題不能用單一學(xué)科知識解讀，各學(xué)科老師同臺上課顯然不合實際，這就對STEM教育下教師的知識儲備要求很高。其次，作為一種先進(jìn)的教學(xué)理念，如何設(shè)計教學(xué)方案、課堂問題來啟發(fā)學(xué)生主動思考并且具體實踐，是每個STEM工作者必須面臨的問題，這就需要教師啟發(fā)式的理念與素養(yǎng)。針對這一問題，可以充分發(fā)揮人工智能的替代作用，減輕教師教學(xué)不必要的負(fù)擔(dān)，使得教師有更多的精力來提升個人能力，同時開展線上培訓(xùn)，共享優(yōu)質(zhì)資源，加速STEM教育領(lǐng)域優(yōu)秀師資隊伍的形成。

3.3 完善評價體系，重視學(xué)習(xí)過程

STEM教育不同于傳統(tǒng)教育，其重在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生動手能力與創(chuàng)新能力，并提高知識水平，如果教學(xué)仍以最終結(jié)果為評價的唯一指標(biāo)，則勢必導(dǎo)致畸形發(fā)展。教育應(yīng)借助人工智能等高新技術(shù)，對上課過程實時監(jiān)控反饋，通過大數(shù)據(jù)對學(xué)生行為以及心理綜合分析，因材施教，推薦個性化教育資源，將解決問題這一學(xué)習(xí)的過程納入考核范圍，才能真正對學(xué)生的綜合素養(yǎng)做出考察，避免STEM教育的畸形發(fā)展。