生成式AI支持下的STEAM游戲化教學(xué)設(shè)計研究

一、引言

2025年4月，教育部等九部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)教育數(shù)字化的意見》，明確提出“促進(jìn)人工智能助力教育變革”，指出要推動課程、教材、教學(xué)數(shù)字化變革，將人工智能技術(shù)融人教育教學(xué)全要素全過程，探索“人工智能 + 教育”應(yīng)用場景新范式。游戲化學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生主動探究、完成學(xué)習(xí)目標(biāo)的重要方式，STEAM教育理念也契合于小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)。本課題以小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)為切人點，在教學(xué)過程中引人DeepSeek輔助教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)設(shè)基于游戲化學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，依托于STEAM教育理念和生成式AI建構(gòu)游戲化教學(xué)模式，以提高學(xué)生的課堂互動性和科學(xué)素養(yǎng)。

二、生成式AI、STEAM教育與游戲化學(xué)習(xí)概述

游戲化學(xué)習(xí)是把游戲化元素（如積分、徽章、排行榜、關(guān)卡等）及機(jī)制（如競爭、合作、反饋等）應(yīng)用到教學(xué)中[2，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)效果的教學(xué)方式。這種以學(xué)生為中心、寓教于樂的教學(xué)方式，有助于學(xué)生在游戲中會溝通、合作，能夠提高學(xué)生解決問題的能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

STEAM教育是以科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）、數(shù)學(xué)（Mathematics）為核心，實現(xiàn)多學(xué)科融合的教學(xué)模式。該模式以項目式學(xué)習(xí)與實踐活動并重的方法來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力。

STEAM教育方式打破了以往分科教學(xué)的局限性，在教學(xué)過程中更加強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題的能力，更好地解決了培養(yǎng)創(chuàng)新人才的問題

DeepSeek是基于Transformer架構(gòu)的多模態(tài)認(rèn)知系統(tǒng)，可以根據(jù)STEAM教育需要自動生成科學(xué)探究的情境、個性化學(xué)習(xí)任務(wù)，以及多維度反饋，其教育創(chuàng)新價值表現(xiàn)為利用自然語言交互分析學(xué)生的認(rèn)知特點，動態(tài)生成跨學(xué)科學(xué)習(xí)項目，用邏輯推理引擎對學(xué)生提出的問題進(jìn)行追問分析，將探究的過程可視化地呈現(xiàn)出來，并在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的思維能力；基于多智能體的協(xié)作模式形成人機(jī)共育的環(huán)境，形成“ AI+ 游戲化”的教與學(xué)的范式。

（一）游戲化學(xué)習(xí)與STEAM教育深入融合

游戲化學(xué)習(xí)和STEAM教育有著天然的目標(biāo)一致性和教學(xué)同質(zhì)性：在目標(biāo)上，二者皆是基于培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力和創(chuàng)新實踐能力的目的，圍繞具體情境性任務(wù)開展知識建構(gòu)；STEAM教育中提倡的跨學(xué)科項目實踐活動經(jīng)由游戲化機(jī)制可變成具體的場景化活動。例如，教師可以在小學(xué)科學(xué)“生物和棲息地”單元中設(shè)計“小小生態(tài)工程師”角色扮演類游戲，讓學(xué)生通過完成物種配對、環(huán)境模擬等關(guān)卡任務(wù)，在競爭與協(xié)作中理解生物與環(huán)境的依存關(guān)系。這種融合符合米哈里·契克森米哈賴（MihalyCsikszentmihalyi）的FLOW理論，即讓學(xué)生在不斷的挑戰(zhàn)中突破其自身的限制，使學(xué)生沉浸于游戲化課堂的情境之中；從認(rèn)知建構(gòu)的角度來說，游戲化學(xué)習(xí)運用建構(gòu)主義理論思想，在STEAM的“做中學(xué)”理念下[3]，使學(xué)生在虛擬或真實的游戲情境中，解決開放性問題、迭代優(yōu)化方案，促進(jìn)學(xué)生實現(xiàn)對科學(xué)概念的具體認(rèn)知。

（二）STEAM教育理念下的科學(xué)素養(yǎng)

隨著《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的實施，其提出的科學(xué)素養(yǎng)包含科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐與態(tài)度責(zé)任四大維度，將STEAM教育作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的載體，通過跨學(xué)科整合與情境化實踐，重構(gòu)了中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵框架，有助于培養(yǎng)學(xué)生兼具理性思維與人文關(guān)懷的綜合素養(yǎng)。其具有以下特點：第一，人文藝術(shù)的融入破除了傳統(tǒng)科學(xué)教育的理性之限，通過藝術(shù)表達(dá)實現(xiàn)科學(xué)知識與生活情景的深度融合；第二，以工程思維為線索開展的探究實踐活動，有助于提升學(xué)生的解決問題能力、發(fā)散思維能力和對科學(xué)知識的靈活運用能力；第三，STEAM教育充分利用了多樣化的課程形態(tài)，填補了傳統(tǒng)課堂的實踐短板。其從合作探討與開放探索出發(fā)，有助于深化學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)知理解，能夠培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和責(zé)任感，并助力學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展。

（三）生成式AI技術(shù)在游戲化教學(xué)中的應(yīng)用價值

生成式AI技術(shù)使STEAM游戲化教學(xué)具備了智能化內(nèi)核，其價值包括但不限于資源生成、過程調(diào)控和認(rèn)知賦能三個方面。首先，DeepSeek以虛擬互動場景的形式把科學(xué)概念形象化、可視化。例如，在“光的折射”游戲化任務(wù)教學(xué)中，其可動態(tài)生成包含虛擬實驗室，以及動畫模擬的光路的各類任務(wù)，讓學(xué)生自己動手，通過改變介質(zhì)，觀察現(xiàn)象的變化。其次，DeepSeek能夠在教師數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，監(jiān)測學(xué)生的游戲行為，并根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知難點自動調(diào)出線索或者任務(wù)梯度，以及監(jiān)測學(xué)生的表現(xiàn)，并以之為依據(jù)為其匹配相應(yīng)的挑戰(zhàn)任務(wù)。最后，利用AI搭建的人機(jī)協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以與“AI科學(xué)家”展開對話。這種方式有助于引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理及反思，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

（四） ⁶⁶Al+ 游戲化”雙輪驅(qū)動教學(xué)模式

4 AI+ 游戲化”雙輪驅(qū)動的教學(xué)模式，利用生成式AI和游戲化教學(xué)設(shè)計，圍繞“教師－學(xué)生-AI”三方展開。該模式包含兩大驅(qū)動輪：一是生成式AI的技術(shù)賦能，為整個教學(xué)流的每個階段提供動態(tài)資源生成、智能反饋與路徑優(yōu)化，是輔助式教學(xué)的基礎(chǔ)；二是游戲化教學(xué)的內(nèi)容創(chuàng)新，將STEAM教育理念與游戲元素深度融合，重構(gòu)學(xué)習(xí)場景。教師可以根據(jù)AI技術(shù)進(jìn)行課程設(shè)計與資源開發(fā)，學(xué)生可以通過游戲化任務(wù)實現(xiàn)主動探究。在此過程中，生成式AI貫穿始終，既是教學(xué)的設(shè)計助力（教師端），也是學(xué)生的學(xué)習(xí)伙伴（學(xué)生端）。這種過程打破了傳統(tǒng)課堂的單向傳授模式，形成了人機(jī)協(xié)同、師生共創(chuàng)的雙向循環(huán)，有助于推動教學(xué)從經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)智能驅(qū)動轉(zhuǎn)型。

（五）“情境-探究-生成－評價”四維教學(xué)框架

根據(jù)雙輪驅(qū)動教學(xué)模式，以及STEAM教育、游戲化學(xué)習(xí)等要素特點，以融合DeepSeek的小學(xué)科學(xué)課例為載體，運用生成式AI、游戲化方式相結(jié)合的方式，構(gòu)建“情境一探究一生成一評價”的四維教學(xué)設(shè)計模型，進(jìn)行學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的遞進(jìn)式培育。

1.情境創(chuàng)設(shè)：AI賦能的素養(yǎng)導(dǎo)向設(shè)計

情境是教學(xué)設(shè)計的起點。教師要緊緊圍繞科學(xué)核心素養(yǎng)、STEAM跨學(xué)科目標(biāo)，以及教材，基于DeepSeek對課程游戲化類型的準(zhǔn)確分析，根據(jù)教學(xué)實際和學(xué)生的特性進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。

2.探究實踐：游戲化機(jī)制下的師生共創(chuàng)

在探究過程中，教師基于DeepSeek設(shè)計的游戲化任務(wù)兼具知識性和趣味性，能夠促進(jìn)學(xué)生運用虛實結(jié)合的游戲方式完成科學(xué)探究；同時，教師可使用VR、AR技術(shù)輔助虛實結(jié)合的游戲化課堂，根據(jù)學(xué)生的操作數(shù)據(jù)，接人DeepSeek并進(jìn)行實時追蹤，并生成可視化圖表，以引導(dǎo)學(xué)生分析其中的科學(xué)規(guī)律。在此過程中，教師會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者。

教師基于AI生成的學(xué)情看板動態(tài)調(diào)整任務(wù)難度；學(xué)生采用“玩中學(xué)”的方式體驗科學(xué)家式的探究過程，在完成游戲的過程中創(chuàng)建自己的科學(xué)思維模型。這使得學(xué)生在游戲中不斷練習(xí)和應(yīng)用自己的科學(xué)思維。由于這種方式實現(xiàn)了師生共同創(chuàng)作，滿足了教學(xué)目標(biāo)的同時也為學(xué)生預(yù)留了一定的自主探索空間，是一種行之有效的教學(xué)方式。

3.生成進(jìn)化：AI輔助的思維可視化與知識遷移

在生成階段，學(xué)生通過游戲活動內(nèi)化知識并輸出創(chuàng)新成果。學(xué)生在探究的基礎(chǔ)上，將已獲取的知識轉(zhuǎn)化為游戲闖關(guān)工具。在此過程中，DeepSeek結(jié)合實時數(shù)據(jù)自動推送輔助學(xué)習(xí)資料，幫助學(xué)生進(jìn)行知識遷移應(yīng)用；教師引導(dǎo)學(xué)生將游戲經(jīng)驗遷移至真實問題。在生成式AI的輔助下，學(xué)生可將操作記錄轉(zhuǎn)化為思維導(dǎo)圖，從而實現(xiàn)自身推理過程的可視化。生成式AI可基于強化學(xué)習(xí)推薦拓展任務(wù)，促進(jìn)跨學(xué)科知識整合；支持個性化創(chuàng)作，輔助學(xué)生制作科學(xué)報告或數(shù)字作品。在生成式AI的支持下，學(xué)生可以從“玩中學(xué)”，從“創(chuàng)中學(xué)”，從而實現(xiàn)思維的進(jìn)一步突破，真正實現(xiàn)對科學(xué)問題的探究與解決。

表1虛擬場景游戲課例

4.評價反饋：人機(jī)協(xié)同的多維反饋體系

在評價環(huán)節(jié)，教師以DeepSeek為基礎(chǔ)搭建“數(shù)據(jù) + 人文”雙維反饋系統(tǒng)。DeepSeek自動生成任務(wù)完成率、錯誤類型統(tǒng)計、思維路徑評分等定量化的學(xué)習(xí)分析報告，通過觀察與情感識別發(fā)現(xiàn)學(xué)生的參與情況；學(xué)生結(jié)合游戲展示本節(jié)課的任務(wù)完成結(jié)果并接受同學(xué)質(zhì)疑；教師結(jié)合AI報告和觀察記錄進(jìn)行針對性點評。AI賦能的教學(xué)評價并非從單一維度對學(xué)生進(jìn)行評價，而是人機(jī)協(xié)同的多維反饋體系。第一，它實現(xiàn)了對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的及時反饋；第二，它對學(xué)生的游戲行為進(jìn)行多模態(tài)記錄，通過對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的分析反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；第三，它可以將本班級數(shù)據(jù)與區(qū)域性標(biāo)桿進(jìn)行對比，生成教學(xué)優(yōu)化建議。人機(jī)協(xié)同評教不僅需要實現(xiàn)人機(jī)之間的數(shù)據(jù)對接，還需要通過數(shù)據(jù)驅(qū)動學(xué)生實現(xiàn)能力轉(zhuǎn)型升級，最終促進(jìn)學(xué)生實現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)由“知識累積”到“能力躍遷”的轉(zhuǎn)變。

（六）DeepSeek生成的小學(xué)科學(xué)課例

基于蘇教版小學(xué)科學(xué)教材，結(jié)合“情境-探究－生成－評價”四維框架，運用生成式人工智能DeepSeek設(shè)計和參與虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的小學(xué)科學(xué)課例，確保任務(wù)難度適配對應(yīng)年級學(xué)生認(rèn)知水平，并全面覆蓋科學(xué)核心素養(yǎng)四大維度。如表1所示，課例為“微生物的‘功'與‘過’”，教師基于運用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速模擬生物微觀變化全過程，并基于DeepSeek設(shè)計虛擬場景游戲課程。本節(jié)課利用“ AI+ 游戲化”雙輪驅(qū)動，開展對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的遞進(jìn)式培養(yǎng)。在教學(xué)實踐中，DeepSeek助力教學(xué)變得更高效。通過數(shù)據(jù)智能與人文關(guān)懷的融合，帶動小學(xué)科學(xué)課堂向“創(chuàng)中學(xué)”轉(zhuǎn)型升級，并提供AI時代教育創(chuàng)新的可復(fù)制范式。

三、結(jié)束語

研究表明，生成式AI通過對資源進(jìn)行動態(tài)生成功能的應(yīng)用、根據(jù)不同個性化任務(wù)的特點靈活適配AI應(yīng)用方案，以及基于對學(xué)生的多元反饋評價AI應(yīng)用場景優(yōu)化等，能夠更好地助力對學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的遞進(jìn)性培養(yǎng)。小學(xué)科學(xué)課例的設(shè)計旨在為小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展提供一種整體化的實踐方案，將游戲化機(jī)制和AI技術(shù)深度融合，作為提高小學(xué)生課堂參與度、跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力的有效方法。本文的研究為“人工智能 + 教育”的具體實施打造了“人工智能 + 教育”教學(xué)范例，并為“人工智能 + 教育\"視域下的課堂生態(tài)重構(gòu)提供新動能。未來，筆者將進(jìn)一步探討生成式AI在其他學(xué)科領(lǐng)域的高效應(yīng)用，并探究新技術(shù)背景下教師與學(xué)生共同創(chuàng)造的新方式、新形態(tài)與新機(jī)制。

作者單位：周銘遠(yuǎn) 新疆師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院

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