人工智能與科普教育深度融合新路向

摘 要 人工智能和科普教育融合是當前教育教學發展的重要趨勢之一，符合國家政策客觀要求、科普教育內在需求以及學生素養核心訴求，有助于推動科技創新、提高公眾科學素養，促進社會的數字化轉型。基于深度學習理論和“經驗之塔”理論，結合Unity 3D和3ds Max技術工具設計并實現量子理論典型觀點科普作品。在人工智能的支持下，此作品能夠提供個性化的學習路徑，而虛擬現實則賦予學生沉浸式的學習體驗。為有效檢驗學生對科普作品的接受度，從技術接受模型的感知有用性、感知易用性、態度、意愿四個維度進行分析，結果表明，學生接受度整體情況和各維度情況均較好，學生可以獲得更深層次的沉浸感、更真實的臨場感、更豐富的體驗感。為了更好地深度融合人工智能與科普教育，未來仍需從三方面著手：一是創設多元智能科普教育場所；二是支持學習主體情感交互體驗；三是注意人工智能技術倫理問題。

關鍵詞 人工智能；量子理論；科普教育；深度學習理論；“經驗之塔”理論；Unity 3D；3ds Max；虛擬現實技術

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0001-06

1 人工智能與科普教育深度融合的必要性

1.1 國家政策客觀要求

近年來，我國不斷深化教育綜合改革。2017年，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，強調發展智能教育，利用智能技術構建新型教育體系[1]。2018年，教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，指出積極推進“互聯網+教育”發展，將互聯網技術深度融入教育領域，以改進教育內容和教學方法，加快教育現代化和教育強國建設[2]。2019年，中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》，將“加快信息化時代教育變革”列為十大戰略任務之一，強調“統籌建設一體化智能化教學、管理與服務平臺”的重要性[3]。2022年，《教育部關于發布〈教師數字素養〉教育行業標準的通知》要求扎實推進國家教育數字化戰略行動，提升教師利用數字技術優化、創新和變革教育教學活動的意識、能力和責任[4]。人工智能的快速發展已經成為國家戰略的一部分，深度融合人工智能與科普教育能夠促進科技創新與提升競爭力，有助于提高公眾的數字素養，推動社會的數字化轉型。

1.2 科普教育內在需求

科學技術是第一生產力，是提升國家實力的關鍵。人工智能科普教育不僅能夠通過新穎的形式和渠道傳播人類已掌握的科學技術知識，而且能提升學生的科學素養，為新時代教育強國建設提供人才儲備，從而促進精神文明和物質文明的發展，為科教興國戰略的實施奠定基礎[5]。科普教育在傳遞和普及科學知識以及深度融合人工智能方面有三個內在需求。

1.2.1 跟上科技進步

人工智能技術的快速發展使得科普教育必須跟上時代，虛擬現實技術的加持可以為科普教育提供更加直觀和沉浸的體驗方式，以便將最新的科學和技術知識傳遞給公眾。

1.2.2 提高科學素養

深度融合人工智能和科普教育可以幫助公眾提高科學素養，以便更好地理解現代社會和未來的發展趨勢。

1.2.3 培養創新思維

科普教育不僅要傳授知識，還應該培養創新思維和問題解決能力。人工智能與科普教育深度融合，可以幫助學生學習如何應用人工智能技術解決實際問題，這對于培養創新人才至關重要。

1.3 學生素養核心訴求

深度融合人工智能和科普教育可以滿足學生素養核心需求。

1.3.1 提高解決問題的能力

人工智能技術的應用通常需要解決復雜的問題，而虛擬現實技術可以將這些問題以生動的方式呈現，使學生通過模擬和實驗，提高解決問題的能力，這種能力不僅在科學領域有用，在日常生活中也具有重要價值。

1.3.2 培養批判性思維

深度融合人工智能的科普教育能夠培養有獨立思考能力、會分析評估推理的學生，還能營造有利于思維發展的智能環境，激發學生的主動學習意識和創新精神，促進初級學生從“潛力股”和新手向擁有高階思維的優秀和杰出人才發展[6]。

1.3.3 實際應用和職業發展

學生如果對于學習內容有更高的投入度和學習動機，深度融合人工智能和科普教育就可以為學生提供更多機會，讓學生明確人工智能科普教育的實際應用與自身職業發展的相關性，更好地為未來的職業發展做準備。

綜上所述，人工智能與科普教育深度融合的必要性體現在多個方面：國家政策客觀要求深化人工智能與教育的結合，科普教育內在需求驅使深度融合人工智能技術，學生素養核心訴求強調深度融合對學生解決問題能力、批判性思維與實際應用和職業發展的積極影響。因此，人工智能與科普教育深度融合有助于推動科技創新，提高公眾科學素養，促進社會的數字化轉型。

本文以“薛定諤的貓”“波粒二象性”“測不準原理”三個量子理論典型觀點科普作品的設計為例，分析人工智能與科普教育深度融合新路向。

2 量子理論典型觀點科普作品的理論基礎與開發工具

2.1 理論基礎

2.1.1 “經驗之塔”理論

美國著名教育家戴爾提出的“經驗之塔”理論，把學習得到的經驗按抽象程度不同分為三大類十個層次，強調教育教學應從具體經驗出發，逐步進入抽象經驗，對量子理論科普作品開發具有多方面的啟示[7]。

1）搭建塔的底部——“做的經驗”。可以通過文字、圖片、語音的形式向學生介紹量子理論典型觀點簡介，使學生對量子理論有所了解、獲得直接經驗。

2）筑牢塔的中部——“觀察的經驗”。學生可以在虛擬現實場景中以第一人稱視角進行漫游，體驗觀察的經驗。

3）升華塔的頂部——“抽象的經驗”。充分調動學生的語言和思維邏輯，使得直接經驗轉化為抽象符號，根據界面提示親自動手進行操作、獲得結論，體驗“做的經驗”，切身體驗和思考科學知識。

研究通過虛擬現實技術開發科普作品，使量子理論知識的科普變得更加有效、交互性更強，較好地體現了自下而上、從具體到抽象的經驗發展過程。

2.1.2 深度學習理論

將傳統教學中的知識點連接起來，將靜態學習轉化成動態學習，這是深度學習的知識層；在動態學習過程中建構認知結構，通過深度學習將聯接的結構變換應用于解決實際問題，這是深度學習的應用層；最終指向深度學習的思維層，培養具有專家型思維、問題解決思維與創新性思維的人才[8]。深度學習致力于真實情境中的實踐，真實情境就是為了打通知識世界和符號世界與生活世界的聯系，幫助學生搭建思維可視化的橋梁[9]。

胡航等[10]在深度學習技術研究中提出的S-ACIG模型包含覺知、調和、歸納和遷移四個階段。其中，覺知是學習的入口，重在給學生提供真實的情境，學生可以參與、感知、體驗和理解學習內容；調和主要在內化的基礎上進行，學生開始構建認知結構；歸納是對調和結果逐漸統一的反思和整理過程，形成合理的認知結構；遷移是學生將形成的穩定圖式遷移到不同情境和問題解決中，并不斷修正和改良已有模式。

2.2 開發工具

2.2.1 Unity 3D

Unity 3D以其高交互性、跨平臺性、便捷性和高具身感特點，逐漸成為當今世界的主流開發引擎，支持Maya、3ds Max等多種建模軟件的資源導入，使用者可以像在真實世界中一樣控制物體、進行互動，從而獲得學習過程中的沉浸式體驗。Unity 3D開發的科普作品要先讓學生明確學習流程，從概念初識、新知講解、歸納總結到鞏固練習，具體的展示環節可以讓學生漫游參觀場景、親自操作、觀察結果等，得到進一步的知識經驗重構。

2.2.2 3ds Max

3ds Max是基于PC端的動畫制作、三維建模和渲染軟件，易學、易用，建模動畫功能強大，可以為研究開發的量子理論科普作品創建一個逼真的虛擬世界場景。例如，在“薛定諤的貓”的展示中，設計UI界面、添加鼠標點擊事件、編寫交互代碼，學生點擊蓋子即可觀察毒氣瓶釋放與否以及貓是否存活的結果，讓學生通過在虛擬現實空間中的操作了解“薛定諤的貓”“波粒二象性”“測不準原理”這三個量子理論的典型觀點，開拓學生的思維、激發學生學習興趣的同時，彌補傳統科普方式的不足。

3 量子理論典型觀點科普作品的設計與實現

3.1 設計理念與原則

3.1.1 設計理念

在教育領域，人工智能的引入帶來眾多機遇，在取得重大成果的同時引發了對一個關鍵問題的深刻思考：如何實現人工智能與科普教育的深度融合？此問題關系到如何充分利用人工智能技術提升科普教育的質量和普及度，更好地滿足社會和學生的需求。因此，在設計科普內容時，首先要考慮緊密融合人工智能與虛擬現實，增強彼此的功能，為學生提供更智能、更沉浸、更個性化的應用場景，以實現量子理論典型觀點的科普目標。學生通過完成展示“薛定諤的貓”“波粒二象性”“測不準原理”典型觀點的任務，既能夠理解科普目的，又能夠領悟量子理論的深刻啟示。其次，應該平衡科普過程的難易度與學生的技能水平，確保學生能夠在科普活動中獲得更深層次的沉浸感。最后，為了確保學生在科普過程中輕松愉快地獲取知識與技能，必須及時對學生的掌握程度進行評價反饋，形成積極的學習循環，促使學生形成全面的科學知識和價值觀。

3.1.2 設計原則

以深度學習理論和戴爾的“經驗之塔”理論為科普作品設計的理論基礎，遵守以下設計原則。

1）秉持教育性與娛樂性相融合的原則。寓教于樂是學生在科普過程中感受到快樂，在快樂中達到既定學習目的的關鍵要素。在設計的過程中要找到教育性和娛樂性的契合點，才能豐富學生的探索和創新空間。

2）符合學習者特征原則。研究設計的量子理論典型觀點科普作品的適用對象是大學生，他們具有抽象思維能力，能夠獨立思考、分析和解決問題。因此，虛擬場景要近乎真實，界面要簡潔明了，科普知識要清晰明確、具有連續性。

3）建立合理反饋原則。教育新理念強調因材施教，正向合理的反饋會激發學生的學習動機，使其做出正確的選擇并豐富自身的情感體驗。

3.2 功能需求與設計

通過將量子理論知識與Unity虛擬現實游戲引擎相結合，設計一款能夠充分利用人工智能和虛擬現實技術優勢的科普作品，能夠有效彌補傳統科普方式的不足。功能需求主要包括三個方面。

1）保證場景逼真性。通過采用三維建模技術，以真實空間場景為基礎，創建逼真的模型，確保場景的高度仿真。

2）增強聲音沉浸感。通過為科普作品添加聲音元素，能夠提升學生的學習沉浸感。

3）實現即時答題反饋。通過設計答題功能，使學生能夠及時獲得反饋，促進學習效果。

通過對學生特征和功能需求的深入分析，完成量子理論典型觀點科普作品的功能設計，如圖1所示。

量子理論典型觀點科普作品開發主要使用Unity 3D游戲引擎工具開發量子理論典型觀點的科普作品，完成“薛定諤的貓”“波粒二象性”“測不準原理”三個量子理論典型科學觀點的展示，主要包括典型觀點簡介、典型觀點展示、典型觀點啟示、典型觀點問答四個功能模塊。在完成相關的分析、設計以及獲得相關理論和技術支持后，進行量子理論典型觀點科普作品的開發與制作，其界面呈現如圖2所示。

3.3 科普作品實現

研究根據量子理論典型觀點科普作品制作需要，利用3ds Max制作場景模型，并借助Unity 3D進行虛擬仿真環境下“薛定諤的貓”“波粒二象性”“測不準原理”三個量子理論典型科學觀點的展示。量子理論典型觀點科普作品包括初級界面，量子力學典型觀點簡介、展示、啟示、問答模塊的實現。

3.3.1 初始界面

在場景中添加Canvas畫布，用于擺放初始界面所有的GUI元素，同時配合使用EventSystem事件系統。學生打開執行文件exe后首先進入主界面，點擊任何一個菜單標題后進入相應功能模塊，同時有彈框引導學生操作，按鍵盤Esc鍵可以退出程序。

3.3.2 簡介模塊

在Canvas下添加簡介界面，添加Image、Text、Button等控件，使用迅捷文字轉語音軟件播放內容，掛載UIPanelBase腳本并添加動畫效果。

3.3.3 展示模塊

展示模塊包括“薛定諤的貓”“波粒二象性”“測不準原理”三個內容，學生可以在近乎真實的場景中漫游、觀看視頻等，學習理論知識，同時可以根據提示點擊按鈕進行操作、觀察結果、得出結論。

設置UI元素、使用迅捷文字轉語音軟件、掛載腳本等，從Assets資源中分別將“薛定諤的貓”“波粒二象性”“測不準原理”場景拖拽到Hierarchy面板中，對場景進行調整。創建Canvas，擺放測不準原理所有的GUI元素，添加粒子系統、點擊事件等；添加組件提示“點擊屏幕拖拽調整視角”和“WASD向前后左右運動”，編寫代碼實現在場景中行走和相機跟隨運動功能。如“薛定諤的貓”的設計，給箱子最上面的蓋子Cube掛載OpenDown腳本，使學生可以根據界面提示點擊箱子的蓋子觀察毒氣瓶和貓的狀態，出現隨機結果。當打開蓋子出現的結果是“毒氣釋放，貓死了”，如圖3所示。

3.3.4 啟示模塊

在Canvas下創建多個組件并設置，添加On Click點擊事件、掛載相應腳本、添加Do Tween動畫等。啟示模塊主要實現的功能是用文字結合語音的方式向學生科普基于以上三個量子理論給予的啟示。

3.3.5 問答模塊

問答模塊一共包括五道題目，主要通過鼠標點擊事件功能實現，包括題目、選項、得分計算、彈框動畫顯示等；根據學生選擇答案的正誤播放音效、計算得分，可以幫助學生鞏固理論知識、增強學習信心。

4 量子理論典型觀點科普作品的成效、局限與展望

4.1 成效

研究采用問卷調查法對開發的量子理論典型觀點科普作品進行成效檢驗，參考Davis F D[11]在1989年編制的預測學生技術接受程度的量表，改編學生量子理論典型觀點科普作品接受度量表，分為感知有用性、感知易用性、態度、意愿四個維度，各維度下設三個小題，如表1所示。感知有用性和感知易用性被認為是影響學生態度和意愿的主要因素，學生的態度和意愿最終決定學生的使用行為[11]。調查共回收問卷222份，剔除無效問卷后，共獲得有效問卷199份。該量表的信度系數為0.904（＞0.9），如表2所示。使用KMO和Bartlett檢驗對調查問卷進行效度驗證，結果如表3所示。KMO值為0.871（＞0.8），內部一致性和效度均良好。

4.1.1 接受度整體情況分析

使用SPSS19.0對調查問卷結果進行統計分析，如表4所示，研究對象的科普作品接受度范圍在1.330～5.000，均值為3.945＞3。分析結果表明，學生量子理論典型觀點科普作品接受度整體屬于中等偏上水平。在各維度得分方面，感知有用性、態度和意愿三個維度得分均較高，分別為4.060、4.057和4.070，感知易用性得分為3.593。可以看出，量子理論典型觀點科普作品能夠帶給學生新奇的科普體驗，讓學生學到量子理論的相關知識、感受樂趣并獲得滿足感，愿意接受并繼續學習量子理論，同時把此科普作品推薦給其他學生；然而，受限于新技術的局限性和陌生感，在感知易用性方面稍有欠缺，學生認為量子理論科普作品各個環節的操作較為容易，仍存在較大的改善空間。

4.1.2 接受度各維度情況

問卷的矩陣量表中選項A代表完全不同意，B代表不同意，C代表中立，D代表同意，E代表完全同意，從四個維度對問卷結果進行頻數分析的結果如表5所示。

在感知有用性維度方面，有49.25%的學生完全同意、35.18%的學生同意“量子理論科普能帶給我新奇的科普體驗”；37.19%的學生完全同意、42.70%的學生同意“量子理論科普能讓我學到量子理論的相關知識，并且帶來樂趣”；此外，39.20%的學生完全同意、37.19%的學生同意“量子理論科普完成后能給我帶來滿足感”。總體而言，絕大多數學生認為量子理論科普是有用的。

在感知易用性方面，超過一半學生認為量子理論科普作品易用；在態度方面，絕大多數學生對量子理論典型觀點科普作品持積極態度；在意愿方面，大多數學生表示愿意繼續使用這類量子理論典型觀點科普作品進行學習，并愿意分享給其他學生。

同時，對量子理論典型觀點科普作品接受度各個維度做了相關性分析，如表6所示。各個維度間均存在顯著的正相關關系，各個維度并非獨立存在，而是相互作用、相互促進。具體來看，學生量子理論典型觀點科普作品接受度中的感知有用性與態度、意愿兩個維度的相關性最強，感知易用性維度與態度、意愿兩個維度的相關性較強，可以通過提升科普作品開發的有用性和易用性提升學生對于科普教育的學習態度與學習意愿。

4.2 局限與展望

4.2.1 科普作品開發局限

隨著時代的發展，人工智能在各領域的應用前景愈發廣泛。虛擬現實技術的引入不僅提升了科普作品的沉浸感和互動性，還以其舒適的操作環境、隨時可用和安全無風險的特性，在量子理論科普作品的開發中發揮了重要作用。量子理論帶來了深刻的思維變革，人們對這類知識的科普需求不斷增加，因此開發一個幫助學生了解和熟悉量子理論的科普作品具有重要意義。但研究仍存在一定局限性。

1）未能實現更豐富的答題功能。科普作品只利用Unity 3D的功能設置了選擇題，未能連接數據庫達到數據的讀取與存儲，從而設置更完整的題型和交互。

2）沒有對量子理論典型觀點所涉及的公式進行解釋。在量子理論的科普中，公式無疑是不可或缺的元素。比如，對薛定諤的貓所涉及的薛定諤方程的關鍵部分進行解釋，有助于學生更全面地理解科學思維。然而，過于依賴公式可能難以實現科學知識的最佳傳播效果。

4.2.2 人工智能與科普教育深度融合展望

人工智能為科普教育提供了更為豐富的呈現方式和操作手段，有效提升了學生對知識的感知有用性和感知易用性，使得學生能夠更深度地沉浸于知識的學習應用和內化吸收，具有實踐應用和技術創新等多重價值[12]。

展望未來，人工智能與科普教育的深度融合仍需從三方面著手。

1）創設多元智能科普教育場所。通過先進的人工智能算法提升虛擬現實環境的智能化，將虛擬現實與人工智能深度結合，構建高仿真度的具身學習情境，創造沉浸式、多感官互動體驗，增強學生的臨場感和具身感，從而提升科普教育作品的感知有用性和感知易用性。

2）支持學習主體情感交互體驗。通過建立學生與虛實融合的雙重空間之間的通路，提升學習過程中的真實感，未來可以通過人工智能技術幫助學生更好地接受技術交互行為，促進知識經驗習得和深度認知加工。

3）注意人工智能技術倫理問題。需要明確人工智能和教育融合的邊界，確保融合能夠真正促進教育教學的有效變革[13]。

5 結束語

人工智能與科普教育的深度融合之路任重而道遠，在理論和實踐層面，亟須在已有研究成果的基礎上，探索新形勢下人工智能與科普教育融合的發展歷程及現階段面臨的問題，構建人工智能與科普教育的深度融合路徑，并指明未來人工智能教育的發展方向。

6 參考文獻

[1] 國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[A/OL].（2017-07-20）[2023-10-15].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2] 教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[A/OL].（2018-4-18）[2023-10-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[3] 中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》[A/OL].（2019-02-23）[2023-10-16].http：//www.gov.cn/zhengce/2019-02/23/content_5367987.htm.

[4] 教育部關于發布《教師數字素養》教育行業標準的通知[A/OL].（2022-12-02）[2023-10-18].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/202302/t20230214_1044634.html.

[5] 趙飛龍，鐘錕，劉敏.人工智能科普教育探究：以初中“語音合成”課為例[J].現代教育技術，2018，28（5）：5-11.

[6] 李謙.面向全體學生的創造力和批判性思維教學：OECD《培養學生的創造力和批判性思維》概述[J].上海教育科研，2020（3）：51-55.

[7] 李建榮，孔素真.虛擬現實技術在教育中的應用研究[J].實驗室科學，2014，17（3）：98-100，103.

[8] 胡航，李雅馨.深度學習：是什么？怎么做？[J].中國信息技術教育，2020（1）：85-87.

[9] 何詩雨，高欣玉，胡航.意象圖式：思維可視化技術學科應用的重要方法[J].西南大學學報（自然科學版），2022，44（6）：37-48.

[10] 胡航，李雅馨，郎啟娥，等.深度學習的發生過程、設計模型與機理闡釋[J].中國遠程教育，2020（1）：54-61，77.

[11] Davis F D， Bagozzi R P， Warshaw P R. User Accep- tance of Computer Technology： A Comparison of Two Theoretical Models[J].Management Science，1989，35（8）：982-1003.

[12] 魯文娟，金一強.基于智能手機的Vuforia+Unity3D增強現實技術方案及其教育應用[J].現代教育技術，2017，27（5）：19-25.

[13] 曾文婕，周子儀，黃甫全.人工智能與課堂教學深度融合的新路向：以“AI全科教師主講課堂開發”為例[J].教師教育學報，2021，8（4）：38-47.

*項目來源：西南大學研究闡釋黨的二十大精神專項項目（重點專項）“中國式教育現代化的內涵、外延與建設路徑”（基金編號：SWU2209044）。

作者簡介：胡航，博士，副教授，西南大學教師教育學院卓越教學中心主任、博士生導師。