基于教育人工智能支持的跨學科融合模式研究

汪京坪

摘? 要 分析STEM跨學科融合式教育的基本含義和形成過程，提出將人工智能技術應用于STEM跨學科融合式教育模式的基本思路，以期為我國人工智能+教育的發展提供參考。

關鍵詞 教育人工智能;STEM;跨學科融合式教育;項目學習

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）17-0010-03

0? 引言

人工智能+的理念逐漸向教育領域滲透，應用人工智能技術的教育教學工作能夠有效避免應試教育學生綜合素質難以穩定發展的問題，為跨學科融合式教育奠定堅實基礎，降低教師和學生的教學負擔與學習壓力，促使學生各項學科能力、技能以及德智體美勞全面發展。

1? 教育人工智能的相關界定

人工智能（AI）是將人工思維與信息化技術相結合，在網絡平臺的支持下，系統各項功能可真正實現基于人們思維的轉變，以提供多元化服務。與此同時，在智能開發理論、神經網絡算法、模糊控制理論的支持下，人工智能基本可以模仿出與人們思維相關聯的各項行為任務以及思維任務等，此類智能體系將隨著技術的拓展真正實現縱向延伸，擴大人工智能的邊緣范疇。對于教育事業來講，教育人工智能體系的建設與應用進一步將學科專業與智能技術、信息技術等進行整合，并以教師、學生為載體，結合不同教育因素，界定出不同教學背景下學科內容與學生學習訴求之間的關聯性，進一步強化教學效用，為課程教學改革的推進提供理論支撐。

2? STEM跨學科融合式教育概述

2.1? STEM跨學科融合式教育的基本含義

STEM是科學、技術、數學、工程四門重要學科的英文首字母縮寫，主要關注對學科之間的互通性、融合性。從STEM跨學科融合式教育的本質看，盡管四個內容均屬于一門相對獨立的學科，但是STEM跨學科融合式教育中的融合并不是將這四門學科進行簡單疊加，而是將四門學科中的重點、核心實施有效整合。從STEM跨學科融合式教育對于教育事業的重要性來看，這種教育模式能夠利用學科上的整合，有效提升學生的跨學科素養，也就是使學生具備應用科學、技術、工程、數學等知識應對客觀世界實際問題的能力，確保學生具備較高的實踐水平和一定的創新能力。

2.2? STEM跨學科融合式教育的形成

從STEM跨學科融合式教育的形成架構來看，這種教育模式主要歷經了四個重要時期。

首先是分學科課程時期，每一門學科彼此之間是相互分離的，具有較強的獨立性，知識內容存在較大的碎片化特點，也就是說學科與學科之間并不具備較高的關聯。

其次是多學科重組時期，這個時期學生可以從每一門相互獨立的學科中獲得不同的技能和知識，挖掘這些知識與技能中的互通點，找出它們之間的共同主體，所以說多學科時期是學科之間關聯性的著手時期，能夠將部分碎片化的知識內容實施重組。

再次是學科深層交叉時期，需要學生從兩門及兩門以上的學科中學習知識和技能，同時，此類知識與技能具有較高的關聯性，對關聯性的重視度大幅高于多學科重組時期。

最后是跨學科融合時期，也就是STEM跨學科融合式教育的最終時期，該時期主要將項目或實際問題作為發展的驅動力，高度重視不同學科之間的關聯性，利用不斷解決問題、完成項目的形式，使學生在實際體驗中獲得更多的知識，提升發現問題、解決問題的能力，獲取更多的實踐操作經驗，確保學生能夠利用復合式手段應對客觀世界的種種挑戰。

STEM跨學科融合式教育的前三個時期其實是一個形成基礎的過程，而最后的跨學科融合時期是真正融合的時期，不僅能夠有效保留不同學科之間的基本特點，而且將這些學科進行靈活化、多邊化的交叉與融合，有效推動學科發展。圖1所示為STEM跨學科融合式教育的四個形成時期。

3? 現代教育人工智能技術背景下STEM跨學科融合式教育發展的新路徑

立足于教育人工智能技術當下對教育領域的積極性推動作用，以STEM跨學科融合式教育的內在含義為出發點，提出以教育人工智能技術為背景的STEM跨學科融合式教育發展新路徑，希望能夠有效提升STEM跨學科融合式教育的融合性。

3.1? 現代教育人工智能技術背景下STEM跨學科融合式教育發展應遵循的原則

3.1.1? 教育內容的關聯性及趣味性? STEM跨學科融合式教育強調學生的實踐能力，使學生在實踐的過程中獲得更多的知識和技能，應用跨學科的復合型手段解決現實世界中的客觀問題，培養學生綜合型、立體化思維模式和與時俱進的創新思想。鑒于此，在STEM跨學科融合式教育內容設計時期，首先需要加強對學生興趣的重視，提升學生對于跨學科學習的積極性，注重教育內容中的趣味元素，將教學中枯燥無味、煩瑣復雜的內容結合到現實世界當中，融入學生的實際生活中，使學生充分體會到知識源自生活，理清自己學習知識的出發點，繼而學習更多的知識和技能，以此解決生活中遇到的種種困難和問題;其次，STEM跨學科融合式教育的核心在于教育內容之間的關聯性，所以教育內容的設計必須充分考慮關聯性原則。現實中的問題往往不是運用單一的學科知識就可以得到解決，因此，學生在解決問題的過程中可以提升跨學科素養、多維度審視問題的能力。

3.1.2? 教育目標的靈活性與多層性? STEM跨學科融合式教育與我國教育部新課程改革“因人而異，因材施教，培優補差”的教育理念高度吻合，對不同水平、性格、文化、性別、外貌、身體素質的學生一視同仁。立足于STEM跨學科融合式教育中的針對性理念，學科目標的構建必須具有層次性，個體差異較大的學生所達到的最終教學目標是不同的。然而，這種不同點又不是完全的不同，教學目標依然具有常規性教學模式中的普適性。與此同時，STEM跨學科融合式教育對學生的創新意識、創新能力極為關注，突出學生創造性思維、創新性思想的發展，教育目標明確合理且具有層次性，繼而使學生按階完成教育目標，形成一個系統化的教育目標體系，這與我國《高等院校創新創業教育發展指導建議》有著較高的匹配度。除此之外，STEM跨學科融合式教育目標還具有較強的靈活性，應充分認識到課堂教學目標的不可確定性，課堂中教師面對的是具有各種各樣屬性、特點的學生，所以教學目標必須具有靈活性，教師需要具備根據實際情況及時調整教學目標的能力。

3.2? 現代教育人工智能技術背景下STEM跨學科融合式教育模式構建的思路與過程

以STEM跨學科融合式教育內涵和設計原則為出發點，充分綜合教育人工智能技術，以項目學習基本模式為框架，從教學環境、教學內容、教學目標等多個方面提出現代教育人工智能技術背景下STEM跨學科融合式教育模式構建的思路與過程。

3.2.1? 學習活動設計的基本思路? STEM跨學科融合式教育的核心是跨學科知識、技能的整合、綜合應用與實踐，因此，教學內容應具有較高的可實施性，學習任務應以小組合作學習探討模式為主，完成既定項目或解決既定問題。依照項目學習的基本框架，本研究將STEM跨學科融合式教育定義為“擇優選取學習項目—構建項目規劃—落實項目規劃—制作作品”四個發展時期，并且每一個環節之間具有較高的關聯性：在進行學習項目擇優選取以前，教師需要充分應用人工智能技術，為學生構建并呈現出較為真實的學習環境;學生在獲得一定的情境體驗后，在真實的環境下挖掘其中存在的問題，并擬定出解決問題的基本方案，創建項目規劃;在項目規劃書創建完成以后，學生展開激烈的小組討論，對其中的缺點和不足進行分析處理，繼而完成最終版項目規劃書;最后，以小組為單位，學生共同制作項目作品。

3.2.2? 應用人工智能技術構建良好教學環境? 教學環境作為影響教師教學效果、學生學習質量的重要因素，是一個由各種不同主體組成的復合型系統，其中包括社會心理環境、物理客觀環境等。在進行STEM跨學科融合式教育教學活動設計過程中，將人工智能技術充分融入教學設計內，需要加強對物理設備以及時空環境的設計，如教室當中的課桌、課椅、燈光、溫度、教學工具等。在人工智能技術的支持下，一方面，教室中的燈光、溫度能夠隨著室外光線和溫度強弱的變化自行改變，使室內光線、溫度始終保持在與人體最匹配、最適宜的水平，為學生提供一個舒適、溫馨、穩定的教學環境，大幅提高學生的學習質量和效率;另一方面，人工智能技術能夠通過智能化的處理分析，對學生的桌椅進行隨時調節，為學生的交流討論提供便利。

4? 結語

綜上所述，人工智能技術作為近年來計算機信息技術高速發展的重要產物，對各行各業的影響逐漸加深，教育領域也不例外。將人工智能技術應用到STEM跨學科融合式教育的實際開展過程中，不僅能夠為學生、教師構建一個良好的教學環境，更能幫助STEM跨學科融合式教育模式的實現，并取得理想的教學效果。

參考文獻

[1]閆志明，唐夏夏，秦旋，等.教育人工智能（EAI）的內涵、關鍵技術與應用趨勢：美國《為人工智能的未來做好準備》和《國家人工智能研發戰略規劃》報告解析[J].遠程教育雜志，2017，35（1）：26-35.

[2]陳凱泉，沙俊宏，何瑤，等.人工智能2.0重塑學習的技術路徑與實踐探索：兼論智能教學系統的功能升級[J].遠程教育雜志，2017，35（5）：40-53.

[3]張坤穎，張家年.人工智能教育應用與研究中的新區、誤區、盲區與禁區[J].遠程教育雜志，2017，35（5）：54-63.

[4]陳凱泉，何瑤，仲國強.人工智能視域下的信息素養內涵轉型及AI教育目標定位：兼論基礎教育階段AI課程與教學實施路徑[J].遠程教育雜志，2018，36（1）：61-71.