唐燁偉　郭麗婷等

摘要：國外關于STEM教育的研究表明，STEM教育對于推動學科融合，促進學生能力的發(fā)展有重要作用。縱觀國內外STEM教育的相關研究，不難發(fā)現，STEM教育的發(fā)展離不開技術的支持。如何利用新興技術支持來推動STEM教育的發(fā)展，促進STEM跨學科之間的有效融合是本研究關注的重點。該文首先對STEM教育的內涵、形成階段與特征進行了解析；其次，在闡釋了教育人工智能概念的基礎之上，論述了教育人工智智能技術對STEM教育的支持；最后，在教育人工智能技術的支持下，構建了基于教育人工智能技術支持下的STEM跨學科融合模式，并從學習活動設計、教學環(huán)境設計、教學目標設計、教學內容設計和教學評價設計五個方面對該模式進行了闡釋，以期能夠更好地促進STEM跨學科之間的融合。

關鍵詞：教育人工智能；STEM教育；跨學科；模式

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、問題的提出

2015年7月15日，由英美兩國權威期刊合作，在《自然》期刊上集中推出了幾篇從幼兒園到大學的“科學、技術、工程和數學”（STEM）方面的文章。在該期刊專題中，搭配了幾幅醒目的圖片、以“培育21世紀的科學家”為文章封面。這一系列文章的發(fā)表系統(tǒng)地審視了STEM教育的挑戰(zhàn)和希望，指出了STEM教育對未來人才培養(yǎng)的重要性。2015年3月，美國連接在校教育和職業(yè)生涯的期刊《技術》出版了STEM教育專題，指出：“當STEM教育的重要性和價值已經成為教育改革和經濟發(fā)展的主要部分時，STEM教育就會成為今天的創(chuàng)新，明天的成功了”。從中可以看出，英美兩國對STEM教育的重視程度，同時也可以預見STEM教育對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有重要意義。我國教育部和中國科學技術協會于2001年也啟動了科技教育的改革項目，這可謂算得上是我國STEM教育研究的—個奠基石。

《NMC地平線報告：2017高等教育版》預測，人工智能和“下一代”虛擬環(huán)境（VLEs）的實用化將作為兩個重要的技術發(fā)展，對我國的教育產生重大影響。同時，報告中指出人工智能具有“增強在線學習、自適應學習和研究過程的能力，能夠更直觀地響應并改進與學生交流的方式”。在STEM教育過程中，倡導學生的科學探究和交流合作，這與人工智能的應用理念不謀而合，如何有效地在人工智能技術支持下，實現STEM教育跨學科之間地深度融合，促進學生在“做中學”是本研究關注的重點。

二、STEM教育的內涵、形成階段與特征

（一）STEM教育的內涵

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的英文首字母縮寫，強調跨學科之間的融合。從概念本身來看，雖然這四門學科之間是相互獨立的，但是STEM教育指的并不是四門學科的簡單疊加，而是四門學科核心知識地有機整合；從價值取向來看，STEM教育旨在通過四門學科的有機整合，培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)，即使學生能夠綜合運用科學、技術、工程和數學等相關領域知識解決生活中的實際問題，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合實踐應用能力。

（二）STEM教育的形成階段

從STEM教育形成來看，主要經歷了以下四個階段，如圖1所示。第一階段是分科課程階段，各個學科之間是分離的，強調學科的獨立性、知識的碎片化，各學科知識之間的關聯性較差；第二階段是多學科階段，這一階段學生從各個分離的學科中學習概念和技能，并且這些概念和技能是關于一個共同主題的，多學科階段開始重視了各分離學科之間的關聯性，并且將碎片化的知識進行組合；第三階段是學科間階段，強調學生從兩門或多門學科中學習概念和技能，并且這些概念和技能是高度相關的，這一階段對知識的關聯性給予了高度的重視，關注了學科之間的交叉性；第四階段是跨學科階段，即STEM教育融合階段，這一階段強調以問題或項目為驅動，重視跨學科之間的知識關聯性，通過解決問題或完成項目的形式，來幫助學生形成學習的經驗。單一學科、多學科和學科間三個階段是STEM教育融合階段形成的基礎，重點關注了知識和技能的形成，而跨學科階段（STEM教育融合階段）逐漸走向了課程的融合，注重學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，其核心價值在于既保留了各個學科的特點，又能夠將各學科進行靈活的交叉融合，促進各學科的發(fā)展。

（三）STEM教育的特征

余勝泉指出STEM教育有九個核心特征，分別是：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性。根據余勝泉的觀點，本文認為STEM教育的核心特征主要有以下四個：

1.以問題顧目為途徑

STEM教育以問題顧目為實現途徑，強調在問題/項目完成的過程中，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。STEM是科學、技術、工程和數學四門學科的交叉融合，而問題/項目是將四門學科貫穿起來的載體，在解決問題的過程中，學生能夠將多門學科中的零散知識綜合應用起來。教師在設計問題/項目時，應該注意以下兩個方面的問題：一方面問題/項目應該來源于真實的生活情境；另一方面，問題/項目應該包含教師所要教授的結構化知識，使學生從多門學科中獲取知識和技能，來幫助他們解決問題或完成項目。

2.以跨學科為核心

美國學者艾布特斯教授從“元學科”的視角對STEM進行了描述，他認為STEM教育是科學、技術、工程和數學等學科領域的知識統(tǒng)整，這些知識存在于真實的情境之中，并且彼此聯系，相互依賴。STEM教育的核心是跨學科整合，其強調在學科整合過程中培養(yǎng)學生的素養(yǎng)與能力。在STEM教育中，跨學科指的是教育工作者不需要將教學的中心放在某個單一學科上，或者過于注重學科的邊界，而是將重點放在某個特定的問題上，強調利用科學、技術、工程和數學等學科相互關聯的知識解決問題，實現跨越學科邊界，運用多學科綜合知識解決問題，從而培養(yǎng)學生的知識遷移能力和問題解決能力。

3.以新興技術為支撐

在STEM教育中，學生需要具備一定的信息素養(yǎng)。在項目完成的過程中，學生需要具備應用信息技術的意識，并能夠科學合理地利用新興技術手段解決實際問題。STEM教育中包括了“技術”領域，其本質就是將技術知識與科學、工程和數學等知識進行有效融合，從而能夠更好地促進學生生成性成果的形成，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。因此，在STEM教育中，強調將新興技術與學生學習的各個環(huán)節(jié)進行無縫融合，增強學生的技術應用意識，提高學生的信息素養(yǎng)。

4.以合作探究為形式

STEM教育以合作探究為主要形式，強調學生之間要建立學習共同體，在小組探究的過程中，以互相幫助和思想碰撞的方式來建構知識體系。新課程標準中指出“信息技術環(huán)境下的學習主張學生之間要自主學習、合作學習和探究學習等方式來進行”，STEM教育正是順應了我國新課程標準中的要求，在項目/問題的解決過程中，以小組學習為主要形式，共同探討解決問題的方法。在STEM教育中，項目/問題往往來源于生活中的真實情境，面對真實的項目/問題，僅靠學生的“孤軍奮戰(zhàn)”是很難完成的，因此學生需要與其他同學進行交流與討論，共同完成完成項目。

三、教育人工智能技術對STEM教育的支持

（一）教育人工智能技術概念

人工智能的英文縮寫是AI，是計算機科學的一個分支，它主要是研究和開發(fā)智能理論、方法、技術和應用系統(tǒng)，利用計算機來模擬人的思維和行為的一門新的技術科學。人工智能可以說是一門邊緣學科，涉及到控制論、語言學、心理學、計算機科學、神經心理學、信息論等領域學科。

教育人工智能的英文縮寫是EAI，它是人工智能與學習科學相結合而形成的一個新領域。教育人工智能的目的是為了在人工智能技術的支持下，使教師和學生能夠更清楚、更深入、更全面地理解學習是怎樣發(fā)生的，并且在外界因素，如社會、經濟和技術等因素的條件下，學習又是如何被影響的，如何通過靈活運用人工智能技術中的“智能”工具，為學習者地高效學習和真實體驗提供支持。

（二）教育人工智能在STEM教育中的定位

技術在STEM教育中的角色定位可以從兩個視角來理解，一方面，技術本身作為一個學科領域，通過STEM教育內的整合來學習。STEM教育是“科學”“技術”“工程”和“數學”的有機整合，其中包括了“技術”這一學科領域，在這一視角下，學生在STEM教育范疇內了解技術的發(fā)展歷程及新興技術的產生等技術相關知識；另一方面，技術可以被看作是支持STEM教育的外部手段，在這一視角下，技術為STEM教育中的教與學過程創(chuàng)造了更多的機會，為STEM教育的教與學效果提供支持。本研究中的教育人工智能并非是指STEM教育中的“技術”，而是推動STEM教育理念下學科有效融合的外部支持，如圖2所示。

從圖2中可以看出，教育人工智能是人工智能和學習科學相結合的一個新領域。本文認為教育人工智能技術與STEM教育是相輔相成的關系，教育人工智能技術能夠為STEM教育提供支持，一方面，利用教育人工智能技術能夠為學生創(chuàng)造一個自適應的學習環(huán)境，另一方面，學生利用教育人工智能技術能夠提高學習體驗，促進深度學習地發(fā)生；同時，STEM教育的發(fā)展也能夠推動教育人工智能的進步，例如通過學生STEM教育的學習體驗，能夠為教育人工智能技術的發(fā)展提供反饋。

（三）教育人工智能技術對STEM教育的支持

人工智能技術在多個領域中都得到了廣泛的應用，并產生了深刻的影響，教育作為人工智能技術應用的一個重要的領域，對人工智能的發(fā)展以及教與學方式的變革都起著推動作用。教育人工智能技術對STEM教育的支持可以從宏觀和微觀兩個視角來進行分析，如圖3所示。

從宏觀視角來看，教育人工智能技術對STEM教育地支持主要是指人才培養(yǎng)和教學變革兩個層面。21世紀技能包括了學習與創(chuàng)新技能（批判性思考和解決問題能力、溝通與協作能力、創(chuàng)造與革新能力）、數字素養(yǎng)技能（信息素養(yǎng)、媒體素養(yǎng)、信息與通信技術素養(yǎng)）與職業(yè)和生活技能（靈活性與適應能力、主動性與自我導向、社交與跨文化交流能力、高效的生產力、責任感、領導力等）。為了迎合21世紀技能的目標理念，教育人工智能技術主張關注學生在復雜的、劣構知識的解決過程中，發(fā)展學生的問題解決能力和創(chuàng)新能力。教育人工智能技術支持下的新型教學模式是以學習者為中心的教學模式，它改變了傳統(tǒng)教學模式的結構、要素的組合形式，能夠較好地順應技術發(fā)展的趨勢，從而推動教與學方式的變革。

從微觀視角來看，教育人工智能技術對STEM教育的支持主要是指智能引導、自適應學習環(huán)境的創(chuàng)設、實時記錄追蹤、監(jiān)控與反饋、資源推薦和知識共享六個方面。國外學者指出，教育人工智能應用的發(fā)展趨向主要有五個方面，其中個性化學習作為一個主要方面受到了關注。教育人工智能技術對于學生的個性化學習支持體現在多個方面，例如通過對學生學習過程的數據分析，能夠準確地判斷學生的學習狀態(tài)；通過對學生學習成績的數據分析，能夠及時地形成評價報告，對學生的學習情況作出預判；通過對學生資源瀏覽的數據分析，能夠判斷出學生的學習興趣等等，而這些均是依賴于教育人工智能技術對于學生的智能引導、對學習過程的實時記錄與追蹤和監(jiān)控與反饋等。教育人工智能技術支持下的學習環(huán)境是一個集云端一體化、支持深度學習和協作共享的自適應學習環(huán)境，能夠為學習者提供一種隨時隨地可以訪問的、學習者深度參與的、跨學科解決問題的學習平臺。在這種自適應的學習環(huán)境里，不論是何種水平的學習者都能夠最大限度獲得良好的學習體驗。同時，教育人工智能技術支持下的課堂環(huán)境，學生的交互是多元化的，既包括學生與學生之間的交互，也包括學生與教師之間、學生與資源之間、學生與環(huán)境之間的交互，通過多元交互融合的方式，促進學生的知識共享。同時，人工智能技術通過學生的數據分析與挖掘，能夠為學習者推薦合適的、高度相關的學習資源以匹配學生的學習需求。

四、教育人工智能技術支持下的STEM跨學科融合模式設計

本文根據STEM教育的內涵及教育人工智能技術對STEM教育的支持，嘗試構建教育人工智能技術支持下的STEM跨學科融合模式，以期能夠在新技術支持下，更好地實現STEM教育跨學科之間的融合。

（一）教育人工智能技術支持下的STEM跨學科融合模式設計原則

本研究認為教育人工智能技術支持下的STEM跨學科融合模式在設計時，應遵循以下三個方面的原則，分別是教學內容的趣味性和關聯性、教學目標的層次性和靈活性、教學評價的多維性和多元性，如圖4所示。

1.教學內容的趣味性和關聯性

STEM教育注重學生在實踐中應用知識與獲得知識的過程，強調在過程中培養(yǎng)學生的問題解決能力、復合思維以及創(chuàng)新思維，因此，在STEM教育中的內容設計時，一方面要注重教學內容的趣味性，要關注到學生的興趣，要將教學的內容還原到真實的生活情景中去，讓學生明白知識來源于生活，了解為什么要學習知識，學習知識之后能夠解決生活中的什么問題；另一方面要強調教學內容的關聯性，跨學科是STEM教育的核心特征，因此，教學內容的設計應該是相互關聯的，要解決的問題可能是需要多個學科中的多個知識點來完成的，從而使學生能夠在“做中學”，在解決問題的過程中學會從多視角與多學科中分析與解決問題。

2.教學目標的層次性與靈活性

STEM教育關注所有的學生，包括不同認知水平、不同性別、不同文化，甚至是殘疾學生等有特殊需求的學生。基于這樣的理念，首先教學目標的制定應該是分層的，不同水平的學生需要達到的水平要求不應該是統(tǒng)一的，但是教學目標仍應該包括知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三個子目標；其次STEM教育關注創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，所以STEM教育的子目標應該突出關注學生創(chuàng)造思維能力的培養(yǎng)，教學目標應該明確并合理地描述出知識應達到的理解深度，從而形成有梯度并且有深度的目標體系；最后教學目標應該注重靈活性，課堂教學必須要有預設目標，但是課堂教學永遠存在著不可預測性，教師在課堂上面對的是全體學生，而每一名學生又是獨特的個體，所以教學目標應該具有靈活性，教師需要根據課堂的實際情況，迅速調整教學目標。

3.教學評價的多維性與多元性

STEM教育的評價融合了項目教學評價和傳統(tǒng)教學評價，如下頁圖5所示。這種評價方法應該是貫穿整個學習過程中的，能夠為教師和學生提供動態(tài)的反饋，是面向三維學習目標，針對學習過程和學習成果的多維、多元評價。STEM教育應該將評價做先導，用量規(guī)的形式，全程引導和推動學習，激勵學生高度投入，生成最佳的學習成果。通過教育人工智能技術，采集學生在學習過程中產生的數據，為教師和學生提供動態(tài)的、實時的、個性化的評價與反饋，從而及時調整教與學的進程。

（二）教育人工智能技術支持下的STEM跨學科融合模式設計過程

根據STEM教育的特征、教育人工智能技術對STEM教育的支持以及設計原則，參照項目學習的設計模式，本文從教學環(huán)境、教學目標、教學內容、學習活動、教學評價五個方面，設計了基于教育人工智能技術支持下的STEM跨學科融合模式，如圖6所示。

1.學習活動設計

學習活動不僅是整個模式的核心，同時也是落實STEM教學目標的載體。STEM教育中強調跨學科的知識整合，所以教學的內容應該轉化為可實施的項目，學習活動應該以項目或問題解決為主的小組合作探究形式。根據項目學習模式的環(huán)節(jié)設計，本研究認為STEM跨學科融合模式應該包括“選擇學習項目—制定項目計劃—執(zhí)行項目計劃—作品制作”四個主要階段，各個環(huán)節(jié)之間相互關聯、相互依賴。在選擇學習項目階段之前，教師應該借助教育人工智能的支持，為學生呈現真實的問題情境，學生在體驗情境之后，發(fā)現存在的問題，并構想解決問題的方案，即制定項目計劃；第二，在小組交流討論之后，抉擇出可行的實施方案；然后通過利用多學科知識（至少兩門以上），歸納跨學科知識地圖，以小組探究的形式，共同制作作品。鐘紹春提出思維經驗積累的五角模型，如圖7所示，旨在通過讓學生經歷過程之后，實現創(chuàng)新思維能力、問題解決能力、高階思維能力等的發(fā)展。STEM教育強調創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，注重學生的“做中學”，所以STEM跨學科融合模式應該使學生在經歷了“發(fā)現一構想一抉擇一歸納一評價”的過程之后，實現思維經驗的積累，最后培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

2.教學環(huán)境設計

教學環(huán)境是一個由多種不同要素構成的復雜系統(tǒng)，它是指影響教學活動的全部條件，包括物理環(huán)境和社會心理環(huán)境，具體如下頁圖8所示。從廣義來說，物理學習環(huán)境設計包括設施環(huán)境、自然環(huán)境和時空環(huán)境。STEM教育在設計時，我們主要關注物理設施、時空環(huán)境和社會心理環(huán)境的設計，如教室桌椅、教室燈光、課堂氛圍、教室空間、教學資源與工具等都是影響學生學習效果的重要因素。本文中所指的教學環(huán)境是基于教育人工智能技術支持下的教學環(huán)境，可以說是一個智能的教學環(huán)境。在教育人工智能技術支持下，首先，該環(huán)境能夠自動感知教室的溫度和燈光，從而為學生提供一個溫馨的、舒適的學習場所；其次，在該環(huán)境下，能夠根據小組學習的需求，隨意調整班級的桌椅，便于學生的交流討論；最后，在教育人工智能技術的支持下，能夠實現學生與學生、學生與教師、學生與資源的多元交互，從而營造一個平等的、和諧的學習氛圍，形成一個自適應的學習環(huán)境。

3.教學目標設計

STEM教育的目標是為了借助教育人工智能手段，使學生以小組合作探究的形式，經歷動手實踐，綜合運用多種學科知識來解決問題，最終培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、學科素養(yǎng)、問題解決能力等。STEM教育目標需要通過各個子教學目標來落實，在關注STEM教育的總目標指導下，教學目標的各個子目標設計應該突出關注思維層次的目標，在學習活動序列完成之后，都要有相應的學習成果，而這些成果都應該是面向本節(jié)課的教學目標的。同時，學習活動序列完成的過程，即是教學目標達成的過程。此外，由于STEM教育強調關注所有的學生，所以教學目標的設計應該是有層次的，注重不同學生的學習水平差異，促進學生的個性化學習。

4.教學內容設計

為了能夠實現STEM跨學科的深度融合，教師應該把教學內容轉化為一個個可操作的具體項目/任務，在設計教學內容時，應該著重注意以下幾點：第一，教學內容的選擇應該是與學生生活實際息息相關的，這樣才能激發(fā)學生的學習興趣；第二，教學內容的選擇應該是跨學科領域的，這樣才能使學生通過多學科、多視角、多分析來解決實際問題；第三，教學內容的選擇應該是劣構的與復雜的，學生需要通過小組合作探究，同時借助信息技術手段來共同完成。這樣才能夠使學生通過在“做中學”的方式，來真正參與到項目學習中去，實現學科之間的深度融合。

5.教學評價設計

STEM教育的評價應該是以貫穿學生的整個學習過程、能夠動態(tài)反映學生學習成果的過程性評價為主的，總結性評價為輔的多元評價方式。在教育人工智能技術支持下，能夠監(jiān)控與記錄學生的整個學習進程。通過大數據分析技術，對學生學習過程中產生的數據進行分析，不僅能為學生提供推薦個性化的學習資源，而且能為教師和學生提供及時的反饋，實現動態(tài)的過程性評價。在評價的內容方面，除了檢驗學生的知識理解情況之外，STEM教育評價將關注的重點放在了學生的課堂參與性、積極性和思維發(fā)展等方面。由于STEM教育強調跨學種性，所以對學生的評價也關注了學生知識的融會貫通能力。STEM教育的評價只是對學生進行評估的一個手段，并不是最終的目的，其最終是為了使學生能夠對自己的學習過程有一個最終的認識，并且能夠將評估的結果化為學習的動力。

五、結束語

STEM是科學、技術、工程和數學四個單詞的首字母縮寫，從字面來看，STEM教育是分科的，代表著四個獨立的學科領域。但是，深入理解來看，STEM教育又是整合的，強調將相關的課程進行有機的交叉融合，這也是我們今天所強調的融合教育。隨著網絡技術、人工智能技術不斷發(fā)展的今天，如何借助新興技術的支持，來推動STEM教育的發(fā)展，促進STEM跨學科之間的有效融合是本研究關注的重點。本文首先從不同視角對STEM教育的內涵、發(fā)展階段與特征進行了解析；其次，在闡釋了教育人工智能概念的基礎之上，論述了教育人工智能技術對STEM教育的支持；最后，在教育人工智能技術的支持下，構建了基于人工智能技術支持下的STEM跨學科融合模式，并從學習活動設計、教學環(huán)境設計、教學目標設計、教學內容設計和教學評價設計五個方面該模式進行了闡釋，以期能夠更好的促進跨學科之間的融合。