智能體賦能的人機(jī)協(xié)同跨學(xué)科主題教學(xué)支持模型

[摘" "要] 跨學(xué)科教育已成為全球教育發(fā)展的重要趨勢(shì)，我國(guó)近年來(lái)通過(guò)一系列政策舉措積極推進(jìn)跨學(xué)科教育改革。然而，跨學(xué)科教學(xué)對(duì)教師教學(xué)能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要求教師必須具備多學(xué)科知識(shí)整合和有效的課程設(shè)計(jì)等能力。研究聚焦于提升教師跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率這一關(guān)鍵問(wèn)題?；谝詫W(xué)科大概念為核心的跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)模式，結(jié)合基于生成式人工智能的智能體技術(shù)，研究構(gòu)建了教師—智能體協(xié)同教學(xué)支持模型。該模型包括四個(gè)核心部分：跨學(xué)科知識(shí)庫(kù)構(gòu)建、智能體精細(xì)分工與思維鏈構(gòu)建、大型語(yǔ)言模型選擇與角色定義、教學(xué)方案整合與迭代優(yōu)化。通過(guò)在“小型系統(tǒng)模擬”跨學(xué)科課程中實(shí)踐應(yīng)用該模型，闡明了教師—智能體協(xié)同教學(xué)支持模型的有效性和創(chuàng)新價(jià)值。研究為教育技術(shù)創(chuàng)新和跨學(xué)科主題教學(xué)實(shí)踐提供了新的理論框架和實(shí)施路徑，對(duì)推動(dòng)跨學(xué)科教育發(fā)展和實(shí)現(xiàn)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有一定意義。

[關(guān)鍵詞] 跨學(xué)科主題教學(xué)； 智能體協(xié)同教學(xué)； 大概念； 生成式人工智能； 多智能體系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)] G434" " " " " " [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 袁磊（1978—），男，湖北鄂州人。教授，博士，主要從事信息技術(shù)教育應(yīng)用研究。E-mail：9761541@qq.com。

一、引" "言

跨學(xué)科教學(xué)的概念由來(lái)已久，其中較為成熟的STEM/STEAM教育模式，已被多國(guó)廣泛應(yīng)用于K-12階段教學(xué)。面對(duì)全球跨學(xué)科教育發(fā)展態(tài)勢(shì)，我國(guó)積極參與跨學(xué)科教學(xué)變革。2022年，我國(guó)教育部發(fā)布的《義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確要求教師每學(xué)期課程教學(xué)中應(yīng)有不少于10%為跨學(xué)科課程[1]；2023年，聯(lián)合國(guó)教科文組織在上海設(shè)立教科文組織國(guó)際STEM教育研究所；2024年，中國(guó)教育發(fā)展戰(zhàn)略學(xué)會(huì)科學(xué)與工程教育專業(yè)委員會(huì)發(fā)布了《STEM教育2035行動(dòng)計(jì)劃》[2]，從跨學(xué)科教育進(jìn)課標(biāo)到制定未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略，均展現(xiàn)了我國(guó)以跨學(xué)科教育服務(wù)教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)乃至世界教育發(fā)展的愿景[3]。然而，跨學(xué)科教學(xué)對(duì)適應(yīng)傳統(tǒng)單學(xué)科教學(xué)的教師提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要求教師不僅需掌握多學(xué)科知識(shí)，還要找到切入點(diǎn)有效整合這些知識(shí)[4]。因此，如何設(shè)計(jì)出既能激發(fā)學(xué)生興趣又能達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的跨學(xué)科教學(xué)，如何幫助教師提升跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，成為亟待解決的問(wèn)題。

生成式人工智能作為驅(qū)動(dòng)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的代表性技術(shù)，正在深刻重塑教育領(lǐng)域[5]。生成式人工智能強(qiáng)大的知識(shí)擬合能力為解決跨學(xué)科教育設(shè)計(jì)難題提供了新的可能性。因此，本研究聚焦“如何設(shè)計(jì)跨學(xué)科教學(xué)”這一基本問(wèn)題，概述了以學(xué)科大概念為基如何設(shè)計(jì)跨學(xué)科主題教學(xué)。進(jìn)而，利用基于大語(yǔ)言模型的智能體技術(shù)，設(shè)計(jì)出教師—智能體相輔相成的協(xié)作教學(xué)支持模型，從而解答“如何提升跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率”這一關(guān)鍵問(wèn)題。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)：學(xué)科大概念為基的跨學(xué)科主題教學(xué)模式

傳統(tǒng)跨學(xué)科教學(xué)模式常存在教學(xué)設(shè)計(jì)主干缺失的問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)科間整合拼盤化和表面化，難以實(shí)現(xiàn)深度融合和知識(shí)遷移。學(xué)科大概念能凝練各學(xué)科的核心思想和方法論，為不同學(xué)科知識(shí)的有機(jī)整合提供系統(tǒng)性的概念框架?；诖耍狙芯繕?gòu)建了基于學(xué)科大概念的跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)模式，如圖1所示。旨在易于教師操作的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)跨學(xué)科教學(xué)由抽象到具體的逐步構(gòu)建，促進(jìn)學(xué)生在主題學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)知識(shí)理解和核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，為學(xué)生全面發(fā)展提供科學(xué)、系統(tǒng)的教學(xué)支持。

（一）主題架構(gòu)與大概念群確立

構(gòu)建宏觀教學(xué)主題是跨學(xué)科主題教學(xué)的基礎(chǔ)?？鐚W(xué)科主題教學(xué)通常借助綜合任務(wù)、宏觀概念或核心問(wèn)題作為組織中心，整合不同學(xué)科的核心概念和技能[6]。宏觀教學(xué)主題作為大概念群的凝聚核心，貫穿整個(gè)教學(xué)單元，并促進(jìn)單一學(xué)科單元向跨學(xué)科單元轉(zhuǎn)化。

在教育實(shí)踐中，教師首先需要確定主導(dǎo)學(xué)科，然后進(jìn)行主題架構(gòu)。主題架構(gòu)應(yīng)滿足生活化和學(xué)科化兩個(gè)特征[7]。對(duì)于生活化主題選擇，教師需從學(xué)生實(shí)際生活出發(fā)，選擇貼近學(xué)生經(jīng)驗(yàn)且能激發(fā)其興趣的話題；對(duì)于學(xué)科化主題選擇，教師需基于課程標(biāo)準(zhǔn)、教材內(nèi)容和核心素養(yǎng)等方面進(jìn)行篩選，尋找不同學(xué)科的交叉點(diǎn)，組合形成綜合主題。無(wú)論采用何種方法，教師都需預(yù)先劃分并確定主導(dǎo)學(xué)科，以確保主題架構(gòu)的科學(xué)性和系統(tǒng)性。

學(xué)科大概念是體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì)、反映學(xué)科思想方法的上位核心概念，具有高度概括性、強(qiáng)實(shí)用性、廣泛聯(lián)系性和強(qiáng)解釋性。通過(guò)聯(lián)系下位具體概念，學(xué)科大概念能聚合相關(guān)內(nèi)容，表征學(xué)科本質(zhì)，增進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科的認(rèn)識(shí)與理解[8]。跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)中，學(xué)科大概念依據(jù)與其他學(xué)科的交叉程度，可分為共通大概念和非共通大概念。共通大概念是跨學(xué)科內(nèi)容的組織核心，超越單一學(xué)科界限，具有廣泛普適性和遷移價(jià)值[9]。它不僅能夠在不同學(xué)科間共享，還能促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科思考，培養(yǎng)綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。學(xué)科大概念與共通大概念之間呈包容和互聯(lián)關(guān)系，前者是后者在具體學(xué)科領(lǐng)域的體現(xiàn)和應(yīng)用。共通大概念如同廣闊框架，包含各個(gè)學(xué)科大概念，通過(guò)它們之間的相互作用和聯(lián)系，促進(jìn)跨學(xué)科理解和應(yīng)用。非共通大概念存在于特定學(xué)科內(nèi)部，與其他學(xué)科難以建立直接聯(lián)系，但可通過(guò)大概念間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系與其他學(xué)科建立間接關(guān)聯(lián)。

確立大概念群是跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，如圖2所示，大概念群是“主學(xué)科大概念+相關(guān)學(xué)科大概念”的集合，并應(yīng)以主學(xué)科大概念為核心。教師首先需從主題中歸納提煉“主學(xué)科大概念”。此過(guò)程要求教師立足學(xué)科高度，以概念性視角審視事實(shí)性內(nèi)容，以素養(yǎng)發(fā)展為主線組織學(xué)科內(nèi)外知識(shí)，篩選重要大概念，構(gòu)建具有意義的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)[10]。教師可采用自上而下的方法，從課程標(biāo)準(zhǔn)、教材分析、專家思維及概念關(guān)聯(lián)中提取；或采用自下而上的方法，從生活價(jià)值、知能目標(biāo)、學(xué)習(xí)難點(diǎn)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)生主學(xué)科大概念[7]。

其次，教師進(jìn)一步探索、挖掘并抽象出多學(xué)科適用的共通大概念，以此為紐帶派生關(guān)聯(lián)學(xué)科的學(xué)科大概念，構(gòu)建跨學(xué)科橋梁，突破傳統(tǒng)學(xué)科界限，促進(jìn)知識(shí)的橫向聯(lián)系與深度理解。對(duì)于非共通大概念，教師需探索其與共通大概念體系中特定學(xué)科大概念之間的潛在聯(lián)系。最后，構(gòu)建學(xué)科內(nèi)大概念的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)與主科大概念的合理對(duì)接，促進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)的整合與應(yīng)用。這一系統(tǒng)化過(guò)程旨在建立一個(gè)全面、連貫的大概念體系，為跨學(xué)科教學(xué)提供堅(jiān)實(shí)的概念基礎(chǔ)。

（二）目標(biāo)設(shè)定與知識(shí)整合

教學(xué)目標(biāo)的制定是一個(gè)多維度、系統(tǒng)化的過(guò)程，需要綜合考慮課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展以及具體教學(xué)需求三方面因素。課程標(biāo)準(zhǔn)為教學(xué)活動(dòng)提供了宏觀指導(dǎo)框架和預(yù)期成果指標(biāo)，確保教育內(nèi)容的全面性和系統(tǒng)性；核心素養(yǎng)指明學(xué)生培養(yǎng)的能力維度，包括批判性思維、創(chuàng)新精神和社會(huì)交往能力等，旨在提升學(xué)生適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的綜合能力；教學(xué)需求則基于學(xué)生的學(xué)習(xí)背景、興趣傾向、能力差異以及教學(xué)環(huán)境的實(shí)際情況來(lái)確定具體教學(xué)目標(biāo)，以確保教學(xué)活動(dòng)能夠有效滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，促進(jìn)其全面發(fā)展。明確且具體的教學(xué)目標(biāo)能為知識(shí)篩選和整合提供清晰方向和指導(dǎo)原則，避免盲目整合知識(shí)所導(dǎo)致的教學(xué)效果不佳。

在這一環(huán)節(jié)中，當(dāng)構(gòu)建起包含多個(gè)核心概念的宏觀概念群后，隨之而來(lái)的是由宏觀概念群衍生出的具體概念和知識(shí)點(diǎn)。這一過(guò)程在拓展知識(shí)體系內(nèi)涵的同時(shí)，也帶來(lái)了知識(shí)整合的挑戰(zhàn)。知識(shí)整合并非隨時(shí)可以發(fā)生，首先需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)對(duì)知識(shí)進(jìn)行科學(xué)篩選。篩選完成后，由于知識(shí)之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性和層次性，在進(jìn)行知識(shí)整合時(shí)需要考慮如何有效地將這些離散的知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)化，形成一個(gè)有機(jī)整體，以實(shí)現(xiàn)特定教學(xué)目標(biāo)。有明確的教學(xué)目標(biāo)，才能針對(duì)性地選擇與目標(biāo)高度相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合，從而提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

（三）核心問(wèn)題與活動(dòng)設(shè)計(jì)

跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)的核心是促進(jìn)學(xué)生在真實(shí)問(wèn)題情境中對(duì)知識(shí)深度理解、遷移應(yīng)用與創(chuàng)新實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)技能的整合和價(jià)值關(guān)聯(lián)[11]。因此，需設(shè)計(jì)貼近現(xiàn)實(shí)、符合學(xué)生認(rèn)知水平、體現(xiàn)跨學(xué)科特性的核心問(wèn)題。

在確立核心問(wèn)題后，需進(jìn)行問(wèn)題的逐級(jí)分解，關(guān)注學(xué)科間的內(nèi)在聯(lián)系。在此過(guò)程中，教師設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題必須關(guān)聯(lián)教學(xué)主題和宏觀概念群，引導(dǎo)學(xué)生聚焦于預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行探索與討論。同時(shí)，問(wèn)題設(shè)計(jì)應(yīng)利用學(xué)生易于理解的日常概念，將其作為理解宏觀概念的認(rèn)知橋梁。隨后，教師需圍繞教學(xué)知識(shí)、目標(biāo)和核心問(wèn)題設(shè)計(jì)一系列實(shí)踐性探究活動(dòng)。活動(dòng)設(shè)計(jì)首要考慮情境因素，只有置于具體生動(dòng)的情境中，宏觀概念才能實(shí)現(xiàn)“情境化的概念性理解”，避免成為脫離實(shí)際的“惰性知識(shí)”[12]。活動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循團(tuán)隊(duì)合作、循序漸進(jìn)原則。既要引導(dǎo)學(xué)生從個(gè)體探索逐步向協(xié)作共創(chuàng)過(guò)渡，促進(jìn)多元思維的碰撞與融合，也要在一系列相互關(guān)聯(lián)、逐步深入的子任務(wù)中，幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)性認(rèn)知框架。

（四）制定評(píng)估與反饋機(jī)制

《義務(wù)教育質(zhì)量評(píng)價(jià)指南》（以下稱指南）提出，義務(wù)教育質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)施工作要注重優(yōu)化評(píng)價(jià)方式方法，不斷提高評(píng)價(jià)工作的科學(xué)性、針對(duì)性、有效性[13]。在設(shè)計(jì)跨學(xué)科學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系時(shí)，面臨素養(yǎng)評(píng)估復(fù)雜、個(gè)體差異和情境依賴等挑戰(zhàn)。內(nèi)在素養(yǎng)只能在動(dòng)態(tài)交互過(guò)程中才能充分展現(xiàn)，簡(jiǎn)單的紙筆測(cè)驗(yàn)難以全面評(píng)估學(xué)習(xí)者的素養(yǎng)水平，尤其難以全面揭示學(xué)習(xí)者在解決復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題時(shí)所展現(xiàn)的高階思維能力和綜合應(yīng)用能力。

鑒于此，基于學(xué)習(xí)過(guò)程的形成性評(píng)價(jià)在跨學(xué)科主題教學(xué)中日益受到重視。形成性評(píng)價(jià)以“證據(jù)”為基本遵循，需要系統(tǒng)性地收集學(xué)習(xí)者在跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)過(guò)程中展現(xiàn)“理解”和“應(yīng)用”能力的“證據(jù)點(diǎn)”，構(gòu)建學(xué)習(xí)“證據(jù)鏈”和“證據(jù)集”，從而綜合分析得出總結(jié)性評(píng)價(jià)。證據(jù)收集需兼顧教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程和結(jié)果，既包括完成跨學(xué)科任務(wù)的過(guò)程性證據(jù)，也包括最終的跨學(xué)科產(chǎn)出或表現(xiàn)?？梢圆捎庙?xiàng)目式學(xué)習(xí)評(píng)估、實(shí)踐操作評(píng)估、小組合作評(píng)估、口頭報(bào)告評(píng)估等多種形式，以全面捕捉學(xué)生在跨學(xué)科學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)[14]。要適當(dāng)引入學(xué)生自評(píng)與互評(píng)機(jī)制，這不僅可以培養(yǎng)其元認(rèn)知能力，還能促進(jìn)其深度反思和自主學(xué)習(xí)。在評(píng)價(jià)實(shí)施過(guò)程中，需特別關(guān)注評(píng)價(jià)的持續(xù)性和動(dòng)態(tài)性。教師要系統(tǒng)性地跟蹤和記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，形成完整的學(xué)習(xí)檔案，為實(shí)施個(gè)性化教學(xué)打下堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、技術(shù)賦能：智能體技術(shù)概述與教育適配

（一）智能體技術(shù)概述

智能體是指能夠感知環(huán)境并采取行動(dòng)以實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有感知能力、行動(dòng)能力、目標(biāo)導(dǎo)向、自主性和環(huán)境交互能力[15]。本研究所使用的智能體是由大語(yǔ)言模型和特定功能模塊組成的智能系統(tǒng)，能夠自主理解任務(wù)、制定計(jì)劃、執(zhí)行操作并進(jìn)行反饋，從而釋放大語(yǔ)言模型的潛能。

如圖3所示，智能體的核心架構(gòu)可劃分為三個(gè)關(guān)鍵功能區(qū)域：信息輸入?yún)^(qū)、數(shù)據(jù)處理區(qū)和信息輸出區(qū)。信息輸入?yún)^(qū)負(fù)責(zé)接收包括文本、圖像、音頻和視頻等信息。數(shù)據(jù)處理區(qū)分為推理區(qū)和記憶區(qū)：推理區(qū)作為智能體的中樞處理單元，以大語(yǔ)言模型為基礎(chǔ)，能深度分析輸入信息，實(shí)現(xiàn)邏輯推理和決策制定；記憶區(qū)則作為知識(shí)庫(kù)和經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)存中心。信息輸出區(qū)負(fù)責(zé)將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為可傳遞的信息。除功能區(qū)域外，智能體還可以通過(guò)應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，簡(jiǎn)稱API）調(diào)用外源工具，以擴(kuò)展其功能邊界[16]。

（二）智能體技術(shù)如何與教育適配

智能體技術(shù)在解決教育等特定領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題時(shí)仍存在局限性。因此，要充分發(fā)揮智能體在教育中的作用，需要進(jìn)行針對(duì)性的適配和優(yōu)化，使其能夠更好地契合教育領(lǐng)域的獨(dú)特需求和挑戰(zhàn)。目前，有三種主流方式：長(zhǎng)文本提示、檢索增強(qiáng)生成和微調(diào)，見(jiàn)表1。

基于表格分析，微調(diào)技術(shù)在技術(shù)難度、結(jié)果精度等各方面，相較于長(zhǎng)文本提示和檢索增強(qiáng)生成更為適宜教師操作。微調(diào)能通過(guò)命令控制、設(shè)置變量等方式，調(diào)整智能體模型參數(shù)以適應(yīng)教育領(lǐng)域的特定模式，產(chǎn)生更穩(wěn)定、一致的輸出結(jié)果。此外，微調(diào)使智能體能夠?qū)W習(xí)并內(nèi)化教育領(lǐng)域的復(fù)雜模式和隱含知識(shí)，提供更有洞察力的回答。盡管初期需要較多數(shù)據(jù)資源投入，但微調(diào)后的模型在處理問(wèn)題時(shí)效率大幅提升，能更快速、直接地生成高質(zhì)量回答，為教師提供可持續(xù)改進(jìn)的智能化方案。

四、模型構(gòu)建：人機(jī)協(xié)同的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)支持模型

單智能體在處理多步驟的復(fù)雜任務(wù)時(shí)，往往具有諸多局限性[17]。多智能體系統(tǒng)（Multi-agent Systems，簡(jiǎn)稱MAS）是由多個(gè)自主智能體組成的系統(tǒng)，這些智能體能夠相互交互、協(xié)作，共同完成復(fù)雜的任務(wù)。在多智能體系統(tǒng)中，每個(gè)智能體都是獨(dú)立的計(jì)算實(shí)體，具有感知環(huán)境、推理決策和執(zhí)行行動(dòng)的能力[18]。不同智能體可以代表不同的角色，擁有不同的知識(shí)和目標(biāo)，通過(guò)協(xié)調(diào)和合作來(lái)解決單個(gè)智能體難以處理的復(fù)雜問(wèn)題。基于MAS的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)助手能以語(yǔ)言為媒介，思維鏈為連接[19]，大語(yǔ)言模型作為核心邏輯引擎，通過(guò)接入特定領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)筑牢數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其具體構(gòu)建步驟如下：

（一）跨學(xué)科知識(shí)庫(kù)創(chuàng)建

在跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，教師需構(gòu)建專門的文本知識(shí)庫(kù)，并以此為基礎(chǔ)優(yōu)化智能體。構(gòu)建文本知識(shí)庫(kù)的一般步驟為：首先，需對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入分析，將知識(shí)體系分解為基本知識(shí)單元。這有助于智能體自動(dòng)識(shí)別學(xué)科大概念關(guān)聯(lián)的知識(shí)內(nèi)容。其次，對(duì)每個(gè)知識(shí)單元進(jìn)行多維度標(biāo)注。這包括但不限于學(xué)科歸屬、適用學(xué)段、難度級(jí)別和關(guān)鍵詞提取。學(xué)科歸屬確保知識(shí)單元能準(zhǔn)確地歸類到相應(yīng)的學(xué)科概念下；適用學(xué)段標(biāo)注有助于保證教學(xué)內(nèi)容的適應(yīng)性；難度級(jí)別評(píng)估有利于構(gòu)建遞進(jìn)式學(xué)習(xí)路徑；關(guān)鍵詞提取則便于知識(shí)檢索和關(guān)聯(lián)。以上復(fù)雜的拆分和標(biāo)注過(guò)程可借助大語(yǔ)言模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大語(yǔ)言模型能夠高效地完成知識(shí)體系的分解、標(biāo)注和關(guān)聯(lián)構(gòu)建。

在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用過(guò)程中，教師可基于特定教育環(huán)境和個(gè)性化需求，對(duì)初始構(gòu)建的跨學(xué)科知識(shí)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化和調(diào)整。這種自適應(yīng)機(jī)制使得注入知識(shí)庫(kù)的智能體能夠更精準(zhǔn)地契合特定教育場(chǎng)景，從而顯著提升其在多樣化教育任務(wù)中的性能指標(biāo)、決策準(zhǔn)確性以及與教育領(lǐng)域?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)的一致性。通過(guò)這種持續(xù)迭代和優(yōu)化的方法，跨學(xué)科知識(shí)庫(kù)不僅能夠?yàn)閯?chuàng)新型跨學(xué)科教學(xué)提供堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，還能促進(jìn)教育資源的個(gè)性化配置和高效利用，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的整體提升和學(xué)習(xí)成果的優(yōu)化。

（二）智能體分工與思維鏈構(gòu)建

思維鏈作為協(xié)調(diào)多智能體協(xié)作的核心機(jī)制，通過(guò)構(gòu)建智能體間的邏輯推理框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜信息的深層次處理。在跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)支持模型中，需基于跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)模式的四個(gè)步驟，構(gòu)建五個(gè)基本智能體，并通過(guò)思維鏈串聯(lián)，形成一個(gè)完整的協(xié)作系統(tǒng)。這五個(gè)基本智能體包括主題設(shè)計(jì)智能體、概念群智能體、目標(biāo)團(tuán)智能體、任務(wù)群智能體、證據(jù)集智能體

主題設(shè)計(jì)智能體主要負(fù)責(zé)獲取教師的教學(xué)需求信息，如授課內(nèi)容、教學(xué)重難點(diǎn)和學(xué)生學(xué)段等。通過(guò)分析教師的基本授課需求，該智能體能夠提煉出若干潛在的跨學(xué)科教學(xué)主題方案概要，包括主題情境、學(xué)習(xí)者特征、主學(xué)科和跨學(xué)科領(lǐng)域等。經(jīng)過(guò)與教師的多輪交互，最終形成教師認(rèn)可的跨學(xué)科主題教學(xué)的頂層設(shè)計(jì)方案。

概念群智能體能接收來(lái)自主題設(shè)計(jì)智能體傳送的頂層設(shè)計(jì)信息，并調(diào)用跨學(xué)科知識(shí)庫(kù)內(nèi)容。首先，利用大語(yǔ)言模型的語(yǔ)義分析能力，實(shí)現(xiàn)主題信息的邏輯解構(gòu)，同時(shí)從跨學(xué)科知識(shí)庫(kù)中提取相關(guān)學(xué)科知識(shí)內(nèi)容。通過(guò)自下而上的抽象過(guò)程，識(shí)別出潛在的可用于該主題教學(xué)的學(xué)科大概念。隨后，在已確定的這些學(xué)科大概念中，識(shí)別并劃分共通大概念，通過(guò)這些共通大概念關(guān)聯(lián)和派生相關(guān)學(xué)科內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科整合。

目標(biāo)團(tuán)智能體主要負(fù)責(zé)結(jié)合主題、核心素養(yǎng)要求和知識(shí)內(nèi)容，制定符合課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生思維能力發(fā)展的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

任務(wù)群智能體基于目標(biāo)團(tuán)的具體要求和概念群的知識(shí)方案，結(jié)合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特征和先驗(yàn)知識(shí)，從跨學(xué)科知識(shí)庫(kù)中系統(tǒng)整合教學(xué)資源。在確保主學(xué)科教學(xué)內(nèi)容完整性的前提下，該智能體從多模態(tài)交互和實(shí)踐操作兩個(gè)維度，設(shè)計(jì)并生成多元化的學(xué)習(xí)任務(wù)和活動(dòng)內(nèi)容。

證據(jù)集智能體負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)多元化評(píng)價(jià)體系?；诨顒?dòng)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)和知識(shí)范疇，在自上而下的順向教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，該智能體利用大概念對(duì)知識(shí)遷移的指導(dǎo)作用，系統(tǒng)性地構(gòu)建過(guò)程評(píng)價(jià)中可觀察的“證據(jù)點(diǎn)”。同時(shí)，從逆向角度，通過(guò)對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的精準(zhǔn)聚焦，為教師制定科學(xué)合理的總結(jié)性評(píng)價(jià)方案。通過(guò)這種點(diǎn)面結(jié)合的評(píng)價(jià)策略，最終形成一個(gè)全面、系統(tǒng)、符合跨學(xué)科主題教學(xué)特點(diǎn)的證據(jù)集，為教學(xué)評(píng)估提供多維度、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。

五個(gè)智能體通過(guò)思維鏈進(jìn)行協(xié)作，形成一個(gè)完整的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)流程。其運(yùn)作機(jī)制為：初始階段，主題設(shè)計(jì)智能體與教育者進(jìn)行交互，生成頂層設(shè)計(jì)方案。隨后，該方案被傳輸至概念群智能體，后者利用知識(shí)庫(kù)資源構(gòu)建精細(xì)化知識(shí)方案。繼而，主題設(shè)計(jì)方案與精細(xì)化知識(shí)方案并行傳遞至目標(biāo)團(tuán)智能體，該智能體綜合考慮核心素養(yǎng)要求和課程標(biāo)準(zhǔn)，制定具體學(xué)習(xí)目標(biāo)。接下來(lái)，目標(biāo)團(tuán)智能體的學(xué)習(xí)目標(biāo)及概念群智能體的知識(shí)方案被傳輸至任務(wù)群智能體，該智能體結(jié)合學(xué)習(xí)者特征和教學(xué)資源，設(shè)計(jì)相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)和活動(dòng)。最終，任務(wù)群智能體的活動(dòng)內(nèi)容、目標(biāo)團(tuán)智能體的學(xué)習(xí)目標(biāo)以及概念群智能體的知識(shí)方案被傳遞至證據(jù)集智能體，用于構(gòu)建評(píng)價(jià)體系和證據(jù)集。

（三）大語(yǔ)言模型選擇與角色定義

在MAS中，為每個(gè)智能體選擇適合的大語(yǔ)言模型至關(guān)重要。不同智能體的職責(zé)各異，對(duì)模型能力的要求也有所不同。例如，教學(xué)主題設(shè)計(jì)智能體需要強(qiáng)大的知識(shí)理解能力，知識(shí)整合智能體則需要卓越的長(zhǎng)文本處理能力，而問(wèn)題鏈和目標(biāo)團(tuán)智能體更側(cè)重于邏輯推理能力。因此，在選擇大語(yǔ)言模型時(shí)，需要根據(jù)每個(gè)智能體的具體任務(wù)和功能要求，適配具備相應(yīng)能力的模型，以確保整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同效率和性能發(fā)揮。

以清華大學(xué)基礎(chǔ)模型研究中心與中關(guān)村實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)布的《SuperBench大模型綜合能力評(píng)測(cè)報(bào)告》為例，評(píng)測(cè)結(jié)果顯示，各大模型在構(gòu)建單一智能體評(píng)測(cè)中表現(xiàn)相近，但在邏輯推理、社交智能等特定場(chǎng)景中存在顯著差異[20]。這一結(jié)果表明，在智能體構(gòu)建過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)基于具體任務(wù)需求選擇合適的模型進(jìn)行針對(duì)性開發(fā)。

依據(jù)任務(wù)需求的變化選定合適的大模型后，需要通過(guò)精心設(shè)計(jì)“教育提示語(yǔ)”為每個(gè)智能體定義角色，提高信息處理精準(zhǔn)度。教育提示語(yǔ)是幫助大語(yǔ)言模型理解人類意圖，由自然語(yǔ)言組織設(shè)計(jì)的面向教育領(lǐng)域的指令集。它通常包括任務(wù)描述、背景信息、輸入示例和期望輸出格式等關(guān)鍵元素。為提高教育提示語(yǔ)對(duì)大模型的控制力度，可采用“CORE”框架（C代表語(yǔ)境，O代表目標(biāo)，R代表角色或規(guī)則，E代表示例）[21]。

（四）教學(xué)方案整合與迭代優(yōu)化

首先，需要教師對(duì)人工智能生成內(nèi)容全面審閱。教師需要評(píng)估生成方案的結(jié)構(gòu)完整性、內(nèi)容準(zhǔn)確性、跨學(xué)科融合度以及與教學(xué)目標(biāo)的匹配程度。在此基礎(chǔ)上，教師可以對(duì)方案進(jìn)行必要的修改和補(bǔ)充，如調(diào)整教學(xué)順序、豐富案例、優(yōu)化活動(dòng)設(shè)計(jì)等。這一過(guò)程充分利用了教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)學(xué)生需求的深入了解，確保了最終方案的實(shí)用性和適用性。

其次，迭代優(yōu)化是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，通常需要多輪交互才能達(dá)到理想效果。每一輪迭代，教師都會(huì)向系統(tǒng)提供具體的反饋和修改建議。系統(tǒng)基于這些輸入，結(jié)合其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別能力，生成更新版本的教學(xué)方案。這種人機(jī)協(xié)作模式不僅能夠不斷提升方案質(zhì)量，還能幫助系統(tǒng)學(xué)習(xí)和積累最佳的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐，從而在未來(lái)的任務(wù)中表現(xiàn)得更加出色。

在學(xué)校方案整合與迭代優(yōu)化的過(guò)程中，教師需站在更高的“設(shè)計(jì)者”視角來(lái)思考和行動(dòng)，這亦是提升教師跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)能力的過(guò)程。同時(shí)，迭代優(yōu)化不局限于智能體與單個(gè)教師的單向互動(dòng)，而是“教師團(tuán)”與“智能體群”的多向互動(dòng)過(guò)程。

五、應(yīng)用實(shí)例：支持模型在跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

本研究基于“Coze智能體開發(fā)平臺(tái)”構(gòu)建了跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)助手。以信息科技新課程標(biāo)準(zhǔn)第三學(xué)段中的跨學(xué)科主題“小型系統(tǒng)模擬”為基礎(chǔ)，采用基于學(xué)科大概念的跨學(xué)科主題教學(xué)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)構(gòu)建教師與MAS的交互模型，探索智能體輔助教學(xué)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，如圖4所示。

（一）聚焦主題智能化概念群構(gòu)建

在設(shè)計(jì)“主題設(shè)計(jì)智能體”時(shí)，本研究通過(guò)API接入GPT-4作為該智能體的推理核心。教師通過(guò)需求輸入與智能體交互，使得智能體聚焦“面向五年級(jí)學(xué)生”“信息科技為主學(xué)科”“小型系統(tǒng)模擬”等關(guān)鍵信息，從而擬定以“自制小夜燈開關(guān)系統(tǒng)”為主題進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)?；谠撝黝}，在概念群確立過(guò)程中，首先生成了包括系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)、因果關(guān)系、模式與周期以及能量與物質(zhì)在內(nèi)的宏觀概念群，為整個(gè)教學(xué)過(guò)程提供了跨學(xué)科的理論框架。具體而言，在探討小夜燈工作原理時(shí)，學(xué)生需要掌握電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開關(guān)狀態(tài)與燈光輸出的因果關(guān)系、程序循環(huán)模式以及電能到光能的轉(zhuǎn)換過(guò)程。通過(guò)系統(tǒng)性地關(guān)注這些宏觀概念，學(xué)生能夠建立信息科技、物理學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而為后續(xù)深入學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。

（二）跨學(xué)科目標(biāo)創(chuàng)設(shè)與知識(shí)整合

為確保目標(biāo)制定的精確性和連貫性，采用具有強(qiáng)大中文處理能力的“文心一言”作為智能體的邏輯推理核心，以優(yōu)化文本輸出質(zhì)量。具體目標(biāo)設(shè)置如下：知識(shí)與技能維度聚焦于基礎(chǔ)電路理論、編程技能和數(shù)據(jù)分析方法的掌握；過(guò)程與方法維度著重培養(yǎng)實(shí)踐操作能力和問(wèn)題解決能力；情感態(tài)度與價(jià)值觀維度旨在培養(yǎng)創(chuàng)新精神和環(huán)保意識(shí)；核心素養(yǎng)維度則涵蓋信息素養(yǎng)、科學(xué)思維和數(shù)學(xué)應(yīng)用能力的提升。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，系統(tǒng)性地整合了信息科技（編程和電路設(shè)計(jì)）、數(shù)學(xué)（數(shù)據(jù)收集與分析）和科學(xué)（能量轉(zhuǎn)換原理）等學(xué)科知識(shí)。這種跨學(xué)科知識(shí)整合策略不僅豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容，還促進(jìn)了學(xué)生形成全面的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提高了知識(shí)遷移和應(yīng)用能力。

（三）核心問(wèn)題引導(dǎo)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

為了激發(fā)學(xué)生的探究興趣并促進(jìn)批判性思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展，利用智能體設(shè)計(jì)一系列以核心問(wèn)題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)活動(dòng)。例如：在導(dǎo)入活動(dòng)中，提出“小夜燈是如何工作的？”這一問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考并討論。在電路元件認(rèn)識(shí)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作和虛擬演示來(lái)探索“如何構(gòu)建一個(gè)基本的LED燈電路？”。編程學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生嘗試解決“如何用程序控制小夜燈的開關(guān)？”這一問(wèn)題。在時(shí)間測(cè)量與數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，學(xué)生需要思考“什么是最合適的小夜燈開關(guān)時(shí)間間隔？”并通過(guò)數(shù)據(jù)收集和分析來(lái)得出結(jié)論。能量轉(zhuǎn)換探究活動(dòng)則引導(dǎo)學(xué)生思考“如何設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)能的小夜燈系統(tǒng)？”。這些活動(dòng)注重實(shí)踐操作和多模態(tài)交互，通過(guò)親身實(shí)踐和問(wèn)題解決，能夠培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新能力，真正實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化和應(yīng)用。

（四）多元證據(jù)采集與評(píng)價(jià)體系完善

在此環(huán)節(jié)，通過(guò)人機(jī)交互最終生成較為全面的評(píng)價(jià)體系，涵蓋形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)兩個(gè)維度。形成性評(píng)價(jià)是通過(guò)觀察記錄、作品分析、口頭問(wèn)答和同伴評(píng)價(jià)等方法，收集學(xué)生活動(dòng)表現(xiàn)的“證據(jù)點(diǎn)”?？偨Y(jié)性評(píng)價(jià)包括理論知識(shí)測(cè)試、實(shí)踐技能評(píng)估、項(xiàng)目成果展示和跨學(xué)科整合能力評(píng)估等方面。這種多元化評(píng)價(jià)方式不僅關(guān)注學(xué)生的知識(shí)掌握程度，更著重評(píng)估核心素養(yǎng)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。為確保教學(xué)評(píng)價(jià)的實(shí)施效果，要求“證據(jù)集智能體”能夠推薦多元化的教學(xué)評(píng)價(jià)策略。例如，如何為每個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目制定詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，確保評(píng)價(jià)的客觀性和一致性等。并給出證據(jù)集整合建議，如建立個(gè)人學(xué)習(xí)檔案袋、反思日志匯編和概念理解地圖等。以上方法能夠全面反映學(xué)生在跨學(xué)科主題中的學(xué)習(xí)成果和能力發(fā)展軌跡，并為后續(xù)教學(xué)改進(jìn)和模型迭代提供數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。

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AI Agent-enabled" Human-Machine Collaborative Interdisciplinary Thematic Teaching Support Model

YUAN Lei1，" XU Jiyuan2，" LIANG Shisong2

（1.Key Lab of Education Blockchain and Intelligent Technology of Ministry of Education， Guangxi Normal University， Guilin Guangxi 541004;

2.Faculty of Education， Guangxi Normal University， Guilin Guangxi 541004）

[Abstract] Interdisciplinary education has become an important trend in the development of global education， and China has actively promoted interdisciplinary education reform through a series of policy initiatives in recent years. However， interdisciplinary teaching poses a serious challenge to teachers' teaching ability， which requires teachers to have the ability to integrate multidisciplinary knowledge and to design effectively. The study focuses on improving the quality and efficiency of teachers' interdisciplinary instructional design. Based on the interdisciplinary thematic instructional design model centred on big ideas in disciplines， combined with generative AI agent technologies， the study constructs a teacher-agent collaborative teaching support model. The model consists of four core parts： construction of interdisciplinary knowledge base， refined division of labor among agents and construction of chain of thought， selection of large language model and definition of roles， and integration of teaching plan and iterative optimization. By applying the model in the interdisciplinary course\"Small System Simulation\" ， the study elucidates the effectiveness and innovative value of the teacher-agent collaborative teaching support model. The study provides a new theoretical framework and implementation path for educational technology innovation and interdisciplinary thematic teaching practice， which is of great significance in promoting the development of interdisciplinary education and realizing the digital transformation of education.

[Keywords] Interdisciplinary Thematic Teaching; Agent Collaborative Teaching; Big Ideas; Generative Artificial Intelligence；Multi-agent System

基金項(xiàng)目：2023年度國(guó)家社科基金教育學(xué)一般課題“數(shù)字教育背景下的中小學(xué)跨學(xué)科協(xié)同教學(xué)模式研究”（課題編號(hào)：BCA230277）