基于教育人工智能支持的跨学科融合模式研究

汪京坪

摘  要 分析STEM跨学科融合式教育的基本含义和形成过程，提出将人工智能技术应用于STEM跨学科融合式教育模式的基本思路，以期为我国人工智能+教育的发展提供参考。

关键词 教育人工智能;STEM;跨学科融合式教育;项目学习

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）17-0010-03

0  引言

人工智能+的理念逐渐向教育领域渗透，应用人工智能技术的教育教学工作能够有效避免应试教育学生综合素质难以稳定发展的问题，为跨学科融合式教育奠定坚实基础，降低教师和学生的教学负担与学习压力，促使学生各项学科能力、技能以及德智体美劳全面发展。

1  教育人工智能的相关界定

人工智能（AI）是将人工思维与信息化技术相结合，在网络平台的支持下，系统各项功能可真正实现基于人们思维的转变，以提供多元化服务。与此同时，在智能开发理论、神经网络算法、模糊控制理论的支持下，人工智能基本可以模仿出与人们思维相关联的各项行为任务以及思维任务等，此类智能体系将随着技术的拓展真正实现纵向延伸，扩大人工智能的边缘范畴。对于教育事业来讲，教育人工智能体系的建设与应用进一步将学科专业与智能技术、信息技术等进行整合，并以教师、学生为载体，结合不同教育因素，界定出不同教学背景下学科内容与学生学习诉求之间的关联性，进一步强化教学效用，为课程教学改革的推进提供理论支撑。

2  STEM跨学科融合式教育概述

2.1  STEM跨学科融合式教育的基本含义

STEM是科学、技术、数学、工程四门重要学科的英文首字母缩写，主要关注对学科之间的互通性、融合性。从STEM跨学科融合式教育的本质看，尽管四个内容均属于一门相对独立的学科，但是STEM跨学科融合式教育中的融合并不是将这四门学科进行简单叠加，而是将四门学科中的重点、核心实施有效整合。从STEM跨学科融合式教育对于教育事业的重要性来看，这种教育模式能够利用学科上的整合，有效提升学生的跨学科素养，也就是使学生具备应用科学、技术、工程、数学等知识应对客观世界实际问题的能力，确保学生具备较高的实践水平和一定的创新能力。

2.2  STEM跨学科融合式教育的形成

从STEM跨学科融合式教育的形成架构来看，这种教育模式主要历经了四个重要时期。

首先是分学科课程时期，每一门学科彼此之间是相互分离的，具有较强的独立性，知识内容存在较大的碎片化特点，也就是说学科与学科之间并不具备较高的关联。

其次是多学科重组时期，这个时期学生可以从每一门相互独立的学科中获得不同的技能和知识，挖掘这些知识与技能中的互通点，找出它们之间的共同主体，所以说多学科时期是学科之间关联性的着手时期，能够将部分碎片化的知识内容实施重组。

再次是学科深层交叉时期，需要學生从两门及两门以上的学科中学习知识和技能，同时，此类知识与技能具有较高的关联性，对关联性的重视度大幅高于多学科重组时期。

最后是跨学科融合时期，也就是STEM跨学科融合式教育的最终时期，该时期主要将项目或实际问题作为发展的驱动力，高度重视不同学科之间的关联性，利用不断解决问题、完成项目的形式，使学生在实际体验中获得更多的知识，提升发现问题、解决问题的能力，获取更多的实践操作经验，确保学生能够利用复合式手段应对客观世界的种种挑战。

STEM跨学科融合式教育的前三个时期其实是一个形成基础的过程，而最后的跨学科融合时期是真正融合的时期，不仅能够有效保留不同学科之间的基本特点，而且将这些学科进行灵活化、多边化的交叉与融合，有效推动学科发展。图1所示为STEM跨学科融合式教育的四个形成时期。

3  现代教育人工智能技术背景下STEM跨学科融合式教育发展的新路径

立足于教育人工智能技术当下对教育领域的积极性推动作用，以STEM跨学科融合式教育的内在含义为出发点，提出以教育人工智能技术为背景的STEM跨学科融合式教育发展新路径，希望能够有效提升STEM跨学科融合式教育的融合性。

3.1  现代教育人工智能技术背景下STEM跨学科融合式教育发展应遵循的原则

3.1.1  教育内容的关联性及趣味性  STEM跨学科融合式教育强调学生的实践能力，使学生在实践的过程中获得更多的知识和技能，应用跨学科的复合型手段解决现实世界中的客观问题，培养学生综合型、立体化思维模式和与时俱进的创新思想。鉴于此，在STEM跨学科融合式教育内容设计时期，首先需要加强对学生兴趣的重视，提升学生对于跨学科学习的积极性，注重教育内容中的趣味元素，将教学中枯燥无味、烦琐复杂的内容结合到现实世界当中，融入学生的实际生活中，使学生充分体会到知识源自生活，理清自己学习知识的出发点，继而学习更多的知识和技能，以此解决生活中遇到的种种困难和问题;其次，STEM跨学科融合式教育的核心在于教育内容之间的关联性，所以教育内容的设计必须充分考虑关联性原则。现实中的问题往往不是运用单一的学科知识就可以得到解决，因此，学生在解决问题的过程中可以提升跨学科素养、多维度审视问题的能力。

3.1.2  教育目标的灵活性与多层性  STEM跨学科融合式教育与我国教育部新课程改革“因人而异，因材施教，培优补差”的教育理念高度吻合，对不同水平、性格、文化、性别、外貌、身体素质的学生一视同仁。立足于STEM跨学科融合式教育中的针对性理念，学科目标的构建必须具有层次性，个体差异较大的学生所达到的最终教学目标是不同的。然而，这种不同点又不是完全的不同，教学目标依然具有常规性教学模式中的普适性。与此同时，STEM跨学科融合式教育对学生的创新意识、创新能力极为关注，突出学生创造性思维、创新性思想的发展，教育目标明确合理且具有层次性，继而使学生按阶完成教育目标，形成一个系统化的教育目标体系，这与我国《高等院校创新创业教育发展指导建议》有着较高的匹配度。除此之外，STEM跨学科融合式教育目标还具有较强的灵活性，应充分认识到课堂教学目标的不可确定性，课堂中教师面对的是具有各种各样属性、特点的学生，所以教学目标必须具有灵活性，教师需要具备根据实际情况及时调整教学目标的能力。

3.2  现代教育人工智能技术背景下STEM跨学科融合式教育模式构建的思路与过程

以STEM跨学科融合式教育内涵和设计原则为出发点，充分综合教育人工智能技术，以项目学习基本模式为框架，从教学环境、教学内容、教学目标等多个方面提出现代教育人工智能技术背景下STEM跨学科融合式教育模式构建的思路与过程。

3.2.1  学习活动设计的基本思路  STEM跨学科融合式教育的核心是跨学科知识、技能的整合、综合应用与实践，因此，教学内容应具有较高的可实施性，学习任务应以小组合作学习探讨模式为主，完成既定项目或解决既定问题。依照项目学习的基本框架，本研究将STEM跨学科融合式教育定义为“择优选取学习项目—构建项目规划—落实项目规划—制作作品”四个发展时期，并且每一个环节之间具有较高的关联性：在进行学习项目择优选取以前，教师需要充分应用人工智能技术，为学生构建并呈现出较为真实的学习环境;学生在获得一定的情境体验后，在真实的环境下挖掘其中存在的问题，并拟定出解决问题的基本方案，创建项目规划;在项目规划书创建完成以后，学生展开激烈的小组讨论，对其中的缺点和不足进行分析处理，继而完成最终版项目规划书;最后，以小组为单位，学生共同制作项目作品。

3.2.2  应用人工智能技术构建良好教学环境  教学环境作为影响教师教学效果、学生学习质量的重要因素，是一个由各种不同主体组成的复合型系统，其中包括社会心理环境、物理客观环境等。在进行STEM跨学科融合式教育教学活动设计过程中，将人工智能技术充分融入教学设计内，需要加强对物理设备以及时空环境的设计，如教室当中的课桌、课椅、灯光、温度、教学工具等。在人工智能技术的支持下，一方面，教室中的灯光、温度能够随着室外光线和温度强弱的变化自行改变，使室内光线、温度始终保持在与人体最匹配、最适宜的水平，为学生提供一个舒适、温馨、稳定的教学环境，大幅提高学生的学习质量和效率;另一方面，人工智能技术能够通过智能化的处理分析，对学生的桌椅进行随时调节，为学生的交流讨论提供便利。

4  结语

综上所述，人工智能技术作为近年来计算机信息技术高速发展的重要产物，对各行各业的影响逐渐加深，教育領域也不例外。将人工智能技术应用到STEM跨学科融合式教育的实际开展过程中，不仅能够为学生、教师构建一个良好的教学环境，更能帮助STEM跨学科融合式教育模式的实现，并取得理想的教学效果。

参考文献

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