基于教育人工智能支持的跨學(xué)科融合模式研究

汪京坪

摘? 要 分析STEM跨學(xué)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(shù)應(yīng)用于STEM跨學(xué)科融合式教育模式的基本思路，以期為我國(guó)人工智能+教育的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 教育人工智能;STEM;跨學(xué)科融合式教育;項(xiàng)目學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）17-0010-03

0? 引言

人工智能+的理念逐漸向教育領(lǐng)域滲透，應(yīng)用人工智能技術(shù)的教育教學(xué)工作能夠有效避免應(yīng)試教育學(xué)生綜合素質(zhì)難以穩(wěn)定發(fā)展的問題，為跨學(xué)科融合式教育奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，降低教師和學(xué)生的教學(xué)負(fù)擔(dān)與學(xué)習(xí)壓力，促使學(xué)生各項(xiàng)學(xué)科能力、技能以及德智體美勞全面發(fā)展。

1? 教育人工智能的相關(guān)界定

人工智能（AI）是將人工思維與信息化技術(shù)相結(jié)合，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的支持下，系統(tǒng)各項(xiàng)功能可真正實(shí)現(xiàn)基于人們思維的轉(zhuǎn)變，以提供多元化服務(wù)。與此同時(shí)，在智能開發(fā)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(guān)聯(lián)的各項(xiàng)行為任務(wù)以及思維任務(wù)等，此類智能體系將隨著技術(shù)的拓展真正實(shí)現(xiàn)縱向延伸，擴(kuò)大人工智能的邊緣范疇。對(duì)于教育事業(yè)來講，教育人工智能體系的建設(shè)與應(yīng)用進(jìn)一步將學(xué)科專業(yè)與智能技術(shù)、信息技術(shù)等進(jìn)行整合，并以教師、學(xué)生為載體，結(jié)合不同教育因素，界定出不同教學(xué)背景下學(xué)科內(nèi)容與學(xué)生學(xué)習(xí)訴求之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步強(qiáng)化教學(xué)效用，為課程教學(xué)改革的推進(jìn)提供理論支撐。

2? STEM跨學(xué)科融合式教育概述

2.1? STEM跨學(xué)科融合式教育的基本含義

STEM是科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程四門重要學(xué)科的英文首字母縮寫，主要關(guān)注對(duì)學(xué)科之間的互通性、融合性。從STEM跨學(xué)科融合式教育的本質(zhì)看，盡管四個(gè)內(nèi)容均屬于一門相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科，但是STEM跨學(xué)科融合式教育中的融合并不是將這四門學(xué)科進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，而是將四門學(xué)科中的重點(diǎn)、核心實(shí)施有效整合。從STEM跨學(xué)科融合式教育對(duì)于教育事業(yè)的重要性來看，這種教育模式能夠利用學(xué)科上的整合，有效提升學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)，也就是使學(xué)生具備應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等知識(shí)應(yīng)對(duì)客觀世界實(shí)際問題的能力，確保學(xué)生具備較高的實(shí)踐水平和一定的創(chuàng)新能力。

2.2? STEM跨學(xué)科融合式教育的形成

從STEM跨學(xué)科融合式教育的形成架構(gòu)來看，這種教育模式主要?dú)v經(jīng)了四個(gè)重要時(shí)期。

首先是分學(xué)科課程時(shí)期，每一門學(xué)科彼此之間是相互分離的，具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，知識(shí)內(nèi)容存在較大的碎片化特點(diǎn)，也就是說學(xué)科與學(xué)科之間并不具備較高的關(guān)聯(lián)。

其次是多學(xué)科重組時(shí)期，這個(gè)時(shí)期學(xué)生可以從每一門相互獨(dú)立的學(xué)科中獲得不同的技能和知識(shí)，挖掘這些知識(shí)與技能中的互通點(diǎn)，找出它們之間的共同主體，所以說多學(xué)科時(shí)期是學(xué)科之間關(guān)聯(lián)性的著手時(shí)期，能夠?qū)⒉糠炙槠闹R(shí)內(nèi)容實(shí)施重組。

再次是學(xué)科深層交叉時(shí)期，需要學(xué)生從兩門及兩門以上的學(xué)科中學(xué)習(xí)知識(shí)和技能，同時(shí)，此類知識(shí)與技能具有較高的關(guān)聯(lián)性，對(duì)關(guān)聯(lián)性的重視度大幅高于多學(xué)科重組時(shí)期。

最后是跨學(xué)科融合時(shí)期，也就是STEM跨學(xué)科融合式教育的最終時(shí)期，該時(shí)期主要將項(xiàng)目或?qū)嶋H問題作為發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，高度重視不同學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性，利用不斷解決問題、完成項(xiàng)目的形式，使學(xué)生在實(shí)際體驗(yàn)中獲得更多的知識(shí)，提升發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，獲取更多的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，確保學(xué)生能夠利用復(fù)合式手段應(yīng)對(duì)客觀世界的種種挑戰(zhàn)。

STEM跨學(xué)科融合式教育的前三個(gè)時(shí)期其實(shí)是一個(gè)形成基礎(chǔ)的過程，而最后的跨學(xué)科融合時(shí)期是真正融合的時(shí)期，不僅能夠有效保留不同學(xué)科之間的基本特點(diǎn)，而且將這些學(xué)科進(jìn)行靈活化、多邊化的交叉與融合，有效推動(dòng)學(xué)科發(fā)展。圖1所示為STEM跨學(xué)科融合式教育的四個(gè)形成時(shí)期。

3? 現(xiàn)代教育人工智能技術(shù)背景下STEM跨學(xué)科融合式教育發(fā)展的新路徑

立足于教育人工智能技術(shù)當(dāng)下對(duì)教育領(lǐng)域的積極性推動(dòng)作用，以STEM跨學(xué)科融合式教育的內(nèi)在含義為出發(fā)點(diǎn)，提出以教育人工智能技術(shù)為背景的STEM跨學(xué)科融合式教育發(fā)展新路徑，希望能夠有效提升STEM跨學(xué)科融合式教育的融合性。

3.1? 現(xiàn)代教育人工智能技術(shù)背景下STEM跨學(xué)科融合式教育發(fā)展應(yīng)遵循的原則

3.1.1? 教育內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性及趣味性? STEM跨學(xué)科融合式教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生在實(shí)踐的過程中獲得更多的知識(shí)和技能，應(yīng)用跨學(xué)科的復(fù)合型手段解決現(xiàn)實(shí)世界中的客觀問題，培養(yǎng)學(xué)生綜合型、立體化思維模式和與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新思想。鑒于此，在STEM跨學(xué)科融合式教育內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)期，首先需要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生興趣的重視，提升學(xué)生對(duì)于跨學(xué)科學(xué)習(xí)的積極性，注重教育內(nèi)容中的趣味元素，將教學(xué)中枯燥無味、煩瑣復(fù)雜的內(nèi)容結(jié)合到現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中，融入學(xué)生的實(shí)際生活中，使學(xué)生充分體會(huì)到知識(shí)源自生活，理清自己學(xué)習(xí)知識(shí)的出發(fā)點(diǎn)，繼而學(xué)習(xí)更多的知識(shí)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(xué)科融合式教育的核心在于教育內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性，所以教育內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須充分考慮關(guān)聯(lián)性原則?，F(xiàn)實(shí)中的問題往往不是運(yùn)用單一的學(xué)科知識(shí)就可以得到解決，因此，學(xué)生在解決問題的過程中可以提升跨學(xué)科素養(yǎng)、多維度審視問題的能力。

3.1.2? 教育目標(biāo)的靈活性與多層性? STEM跨學(xué)科融合式教育與我國(guó)教育部新課程改革“因人而異，因材施教，培優(yōu)補(bǔ)差”的教育理念高度吻合，對(duì)不同水平、性格、文化、性別、外貌、身體素質(zhì)的學(xué)生一視同仁。立足于STEM跨學(xué)科融合式教育中的針對(duì)性理念，學(xué)科目標(biāo)的構(gòu)建必須具有層次性，個(gè)體差異較大的學(xué)生所達(dá)到的最終教學(xué)目標(biāo)是不同的。然而，這種不同點(diǎn)又不是完全的不同，教學(xué)目標(biāo)依然具有常規(guī)性教學(xué)模式中的普適性。與此同時(shí)，STEM跨學(xué)科融合式教育對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力極為關(guān)注，突出學(xué)生創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新性思想的發(fā)展，教育目標(biāo)明確合理且具有層次性，繼而使學(xué)生按階完成教育目標(biāo)，形成一個(gè)系統(tǒng)化的教育目標(biāo)體系，這與我國(guó)《高等院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育發(fā)展指導(dǎo)建議》有著較高的匹配度。除此之外，STEM跨學(xué)科融合式教育目標(biāo)還具有較強(qiáng)的靈活性，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到課堂教學(xué)目標(biāo)的不可確定性，課堂中教師面對(duì)的是具有各種各樣屬性、特點(diǎn)的學(xué)生，所以教學(xué)目標(biāo)必須具有靈活性，教師需要具備根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整教學(xué)目標(biāo)的能力。

3.2? 現(xiàn)代教育人工智能技術(shù)背景下STEM跨學(xué)科融合式教育模式構(gòu)建的思路與過程

以STEM跨學(xué)科融合式教育內(nèi)涵和設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn)，充分綜合教育人工智能技術(shù)，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)基本模式為框架，從教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)等多個(gè)方面提出現(xiàn)代教育人工智能技術(shù)背景下STEM跨學(xué)科融合式教育模式構(gòu)建的思路與過程。

3.2.1? 學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的基本思路? STEM跨學(xué)科融合式教育的核心是跨學(xué)科知識(shí)、技能的整合、綜合應(yīng)用與實(shí)踐，因此，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)具有較高的可實(shí)施性，學(xué)習(xí)任務(wù)應(yīng)以小組合作學(xué)習(xí)探討模式為主，完成既定項(xiàng)目或解決既定問題。依照項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基本框架，本研究將STEM跨學(xué)科融合式教育定義為“擇優(yōu)選取學(xué)習(xí)項(xiàng)目—構(gòu)建項(xiàng)目規(guī)劃—落實(shí)項(xiàng)目規(guī)劃—制作作品”四個(gè)發(fā)展時(shí)期，并且每一個(gè)環(huán)節(jié)之間具有較高的關(guān)聯(lián)性：在進(jìn)行學(xué)習(xí)項(xiàng)目擇優(yōu)選取以前，教師需要充分應(yīng)用人工智能技術(shù)，為學(xué)生構(gòu)建并呈現(xiàn)出較為真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境;學(xué)生在獲得一定的情境體驗(yàn)后，在真實(shí)的環(huán)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(chuàng)建項(xiàng)目規(guī)劃;在項(xiàng)目規(guī)劃書創(chuàng)建完成以后，學(xué)生展開激烈的小組討論，對(duì)其中的缺點(diǎn)和不足進(jìn)行分析處理，繼而完成最終版項(xiàng)目規(guī)劃書;最后，以小組為單位，學(xué)生共同制作項(xiàng)目作品。

3.2.2? 應(yīng)用人工智能技術(shù)構(gòu)建良好教學(xué)環(huán)境? 教學(xué)環(huán)境作為影響教師教學(xué)效果、學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的重要因素，是一個(gè)由各種不同主體組成的復(fù)合型系統(tǒng)，其中包括社會(huì)心理環(huán)境、物理客觀環(huán)境等。在進(jìn)行STEM跨學(xué)科融合式教育教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)過程中，將人工智能技術(shù)充分融入教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)，需要加強(qiáng)對(duì)物理設(shè)備以及時(shí)空環(huán)境的設(shè)計(jì)，如教室當(dāng)中的課桌、課椅、燈光、溫度、教學(xué)工具等。在人工智能技術(shù)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(qiáng)弱的變化自行改變，使室內(nèi)光線、溫度始終保持在與人體最匹配、最適宜的水平，為學(xué)生提供一個(gè)舒適、溫馨、穩(wěn)定的教學(xué)環(huán)境，大幅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率;另一方面，人工智能技術(shù)能夠通過智能化的處理分析，對(duì)學(xué)生的桌椅進(jìn)行隨時(shí)調(diào)節(jié)，為學(xué)生的交流討論提供便利。

4? 結(jié)語

綜上所述，人工智能技術(shù)作為近年來計(jì)算機(jī)信息技術(shù)高速發(fā)展的重要產(chǎn)物，對(duì)各行各業(yè)的影響逐漸加深，教育領(lǐng)域也不例外。將人工智能技術(shù)應(yīng)用到STEM跨學(xué)科融合式教育的實(shí)際開展過程中，不僅能夠?yàn)閷W(xué)生、教師構(gòu)建一個(gè)良好的教學(xué)環(huán)境，更能幫助STEM跨學(xué)科融合式教育模式的實(shí)現(xiàn)，并取得理想的教學(xué)效果。

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