人工智能背景下STEM教育的现状与发展

徐义昊

（南京航空航天大学，江苏 南京 211106）

美国提出的STEM教育模式有效推动了学科融合，对信息化时代教育变革产生了深刻的影响。21世纪是信息化时代，互联网技术飞速发展，人工智能技术作为一个分支逐步走进大众视野，促进各行业的信息化变革。

2015年3月，美国连接在校教育和职业生涯的期刊《技术》出版了STEM教育专题[1]，指出：“当STEM教育的重要性和价值已经成为教育改革和经济发展的主要部分时，STEM教育就会成为今天的创新、明天的成功了。”可见，STEM教育虽然是一种新兴的教育模式，但实现了教育的跨学科性，引导学生主动思考、解决问题，已经在教育改革中产生了巨大影响。同时，人工智能的崛起为教育改革提供了技术上的支持，人工智能具有跨界融合、创新驱动、重塑结构、尊重人性、开放生态和连接一切等特征，在理念上与STEM教育高度契合[2]。近年来，“人工智能+教育”理念的提出，更加明确地将人工智能与教育改革连接在一起，借助人工智能的图像识别、语音识别、机器学习、深度学习等新兴技术，构建信息化教育平台，完善STEM教育策略，推动STEM教育模式的发展，实现学生主动探究、思考、创新的教育目标，让教育贴近实际，实现真正的跨学科融合。

1 人工智能背景下的STEM教育模式

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）4门学科的英文首字母缩写，意指改变传统单一学科分门别类的教育模式，针对实际问题的复杂性、融合性，鼓励学生对不同学科知识进行思考融合，自主探究实际问题的解决方法，有效地解决问题，从而实现4门学科的跨界融合，培养学生独立思考、自主学习、探索创新、交流互动的综合素养。

STEM教育模式改变传统教育观念，跨学科性是其最大的特点，因而这种模式下的教育不再以简单、直接的单学科问题为学生的考查方式，而是采用实际问题，以实际问题为引线，借助实际问题的多学科混合性、多变性、复杂性，鼓励学生自主思考，将问题合理划分，对问题中遇到的瓶颈自主探究学习，从而培养学生在解决实际问题中灵活结合并运用多种学科知识的能力。

STEM教育模式中，科学是学科融合预期的主要成份，而同时科学又作为教育的技术支持，为STEM教育的发展提供平台、探索方向。人工智能作为计算科学的重要领域，应当是STEM教学的重点内容。信息化时代背景下，人工智能技术日益成为一种探索世界的工具，只有掌握了信息化的新兴技术，才能适应时代的发展，借人工智能看世界，实现教育的跨学科融合。在STEM教育模式中，人工智能技术不仅是学生解决实际问题应掌握的工具与方法，更是STEM教育的支持者，借助人工智能技术为教育提供实践平台，让学生必要的自主学习更便捷，合理推荐学习资源，实时监测与反馈，用大数据分析与处理，进而帮助教育工作者制定完善的教学策略。由此可见，人工智能等新兴技术在促进教育模式的变革、为教育发展探索方向的同时，也成为教育工作的重要领域，人工智能与STEM教育相辅相成，共同发展。

2 人工智能背景下STEM教育的现状

从STEM教育的发展形势上看，大致可以分为分科课程阶段、多学科阶段、学科间阶段以及跨学科阶段。前3个阶段旨在提高学生科学知识素养，储备学科基础知识；跨学科阶段则是STEM教育的核心，使各学科知识交接融合，致力于解决实际问题，可以真正实现学生的综合教育[3]。但STEM教育提出时间较晚，并且政策相对不完善，在实践中难免遇到瓶颈，例如，学生在实践中知识储备不足却缺少相应的详细解答平台，新教学模式下教师对学生应该如何有效地管理等，而人工智能技术恰恰可以为STEM教育的实践提供有力的外部支持。随着信息化技术的发展，各行业逐渐掀起传统模式变革的浪潮，教育行业虽然有其构成与理念的复杂性，但也随着技术的推进一点点变革与发展，不断实践新的教育理念，以期实现素质教育、高效教育。

2.1 提供优质学习资源

STEM教育鼓励学生独立思考问题，培养创新性思维，解决问题中需要将各学科知识融合，多视角地看问题，而基于问题的融合性，自主探究的过程往往也是理解新知识的过程，相比于不断询问教师，一个优质智能答疑系统更具便捷性、高效性。基于语音识别的语言测评辅导软件的使用，不仅实现了学生问题的实时答疑，也锻炼了语言表达能力，实现培养学生综合素养的目标。“作业帮”“小猿搜题”等软件，基于图像识别技术，实现了书面内容的精确识别，并及时根据问题给出指导思路及解答方案。同时，人工智能技术通过大数据分析学生学习方向与兴趣，借助智能平台，推荐优质学习资源，让学习的途径便捷化，减轻资源寻找的压力，为STEM教育理念的实现提供途径。

2.2 实现“做中学”

人工智能技术作为现代科学的重要组成，显然应当成为STEM教育的重要内容，而在实践中要想达到STEM教育的预期效果，人工智能技术是一个必不可少的工具。目前，3D打印技术已经逐渐深入STEM教育，而人工智能与3D打印的结合则实现了操作的自动化，借助智能平台系统，学生可以自己动手操作，在做中学，不但提高了学生的动手能力，同时技术知识在实践中慢慢积累，达到更好的教学效果。而Jimu Robot等STEM教育智能编程机器人，通过逻辑编程学习，让学生在人工智能平台中学习人工智能技术，培养学生的思考能力，数学与科学相结合，充分体现了STEM教育的跨学科性与创新性。

2.3 实现优质高效管理

STEM教育创新了教育模式，将教育的重点从单学科知识的运用转移到了跨学科的融合，培养学生创新思考的综合素养，教师职能从教育的主导者向引领者、监督者变化，使得教师可以将更多的精力投入到对学习过程的监督，而学习过程的质量恰恰也是STEM教育能否成功的关键。基于人脸识别的智能管理平台将教师与人工智能结合，通过摄像机捕捉、检测人脸信息，完成课堂考勤、课堂监测，实现了课堂的高效管理，及时、实时发现学生问题，实现STEM教育中“重过程”的理念，将课堂状态纳入测评范围，监督学生自主探索，而不是最后单单看一个学习结果。

3 STEM教育未来发展的建议

STEM教育的提出，旨在改变教育单学科的“灌输式”教育，培养学生的创新思维，提高独立探索能力，将不同学科知识整合起来，真正发挥知识的实际作用。但教育模式的改变也不是一朝一夕就能实现，往往需要不断尝试来发现弊端，完善相应政策，逐步让STEM教育达到预期效果。针对当前STEM教育模式的弱项，提出一些合理的建议，希望人工智能背景下的STEM教育实现预期的成果，真正做到跨学科融合与综合素质培养。

3.1 培养综合素质的同时重视知识学习

人工智能等信息化技术的应用，为课堂各式各样的实践提供了基础，学生动手能力的提高得到了保障，但却存在过于看重实践的问题，课堂内容着重在如何动手操作来实现预期效果，而忽视了相关知识的记忆。教育应该合理运用技术条件，将实践与学习相结合，主张自主学习，探究实践的原理与本质，充分发挥人工智能时代的信息化特点，针对实践中的问题积极思考并寻求解答，在实践的同时加强知识的学习，才能达到将科学与技术结合的目标。

3.2 培养优秀的师资队伍

STEM教育要做到跨学科教学，虽然人工智能技术已经可以完成部分教师职能的替代，但教师仍是主要引导者，AI技术只能起到辅助作用，这就对教师的个人素养要求很高。首先，跨学科代表着一个问题不能用单一学科知识解读，各学科老师同台上课显然不合实际，这就对STEM教育下教师的知识储备要求很高。其次，作为一种先进的教学理念，如何设计教学方案、课堂问题来启发学生主动思考并且具体实践，是每个STEM工作者必须面临的问题，这就需要教师启发式的理念与素养。针对这一问题，可以充分发挥人工智能的替代作用，减轻教师教学不必要的负担，使得教师有更多的精力来提升个人能力，同时开展线上培训，共享优质资源，加速STEM教育领域优秀师资队伍的形成。

3.3 完善评价体系，重视学习过程

STEM教育不同于传统教育，其重在学习过程中培养学生动手能力与创新能力，并提高知识水平，如果教学仍以最终结果为评价的唯一指标，则势必导致畸形发展。教育应借助人工智能等高新技术，对上课过程实时监控反馈，通过大数据对学生行为以及心理综合分析，因材施教，推荐个性化教育资源，将解决问题这一学习的过程纳入考核范围，才能真正对学生的综合素养做出考察，避免STEM教育的畸形发展。