孫玉彤

摘要：目前對STEAM教育的研究大多集中在理論層面，因為其實質(zhì)性的活動開展還存在著真實情境創(chuàng)設(shè)耗費大量人力物力、多方協(xié)作難獲取、多方評價工作量繁多等方面的問題。人工智能技術(shù)支持下的智能教學(xué)系統(tǒng)涵蓋了多種技術(shù)，可有效解決教育教學(xué)中的難題，因而本文嘗試以智能教學(xué)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實、智能應(yīng)答、智能測評三項技術(shù)為例，從理論上論證智能教學(xué)系統(tǒng)在STEAM教學(xué)活動中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能教學(xué)系統(tǒng);STEAM教育;虛擬現(xiàn)實;智能感應(yīng);智能測評

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2019）23-0104-03

● STEAM教育

1.概念

2007年，Rider-Bertrand提出“STEM教育是有目的地整合各學(xué)科的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法，學(xué)生將從中發(fā)現(xiàn)并獲得能在學(xué)術(shù)和現(xiàn)實背景中運用的概念、能力以及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)思維等，以提高在21世紀的全球競爭力”。隨后，美國學(xué)者在此基礎(chǔ)上增加了“Arts”（藝術(shù)），自此形成了STEAM教育。

STEAM教育的重心是強調(diào)找尋不同學(xué)科知識之間的關(guān)聯(lián)，從而整合這五門學(xué)科，教會學(xué)生綜合運用各科的知識及思維方式解決實際問題。

2.意義

目前，我國正處于社會經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要階段，亟須創(chuàng)新來提供持久穩(wěn)定的發(fā)展競爭力。創(chuàng)新型人才是輸出創(chuàng)新力的中堅力量，打破學(xué)科界限、實現(xiàn)跨學(xué)科融合的STEAM教育是培養(yǎng)創(chuàng)新型、綜合型人才的有效教育模式，開展STEAM教育對培養(yǎng)國家發(fā)展所需的創(chuàng)新型人才和促進教育教學(xué)改革都具有重要意義。

3.STEAM教學(xué)活動的特點

STEAM教育的跨學(xué)科教學(xué)理念及要求決定了其活動開展應(yīng)當基于生活經(jīng)驗及實踐活動，它在某種程度上與“基于項目的學(xué)習(xí)”（Project-based learning，PBL）相吻合，因而目前多數(shù)的STEAM教學(xué)活動都是以PBL的方式開展的。此活動開展的方式具有以下幾個重要特征。

（1）情境體驗性

STEAM教育認為知識是學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)環(huán)境互動所建構(gòu)的產(chǎn)物，而非來自外部的灌輸，因而其活動常置于具體的情境中開展，讓學(xué)生在情境中動腦思考、動手操作，在親身參與的過程中構(gòu)建知識體系。STEAM教育希望學(xué)生在習(xí)得結(jié)果性知識的同時還能在具體的情境體驗中感悟過程性知識，建立知識與具體生活問題的連接，學(xué)會知識的情境化應(yīng)用，懂得根據(jù)不同的背景及情況選擇合適的知識加以應(yīng)用從而解決問題，獲得社會性成長，避免出現(xiàn)空有理論知識卻無法學(xué)以致用的情況。盡管這種情境體驗的特點可以帶來諸多的教學(xué)優(yōu)勢，但是在實際的活動開展中實現(xiàn)“情境體驗”卻并非易事，有些情境的構(gòu)建需要耗費較大的財力物力，且可重復(fù)利用性差，這對經(jīng)費有限的學(xué)校及機構(gòu)而言是開展STEAM教育活動的巨大障礙。

（2）多方協(xié)作

在STEAM教育活動中，學(xué)生遇到的問題數(shù)量多，牽涉領(lǐng)域廣，這就需要教師與相應(yīng)領(lǐng)域的專家提供有針對性的協(xié)助。在解決項目問題的過程中，不同小組的學(xué)生采用的是不同的解決路徑，由于他們的能力水平和知識水平不同，他們可能遇到的問題、困難也不盡相同，這就需要教師針對學(xué)生的需求和困難提供及時的知識和技術(shù)支持，這在很大程度上加大了教師的工作壓力。此外，有的問題涉及的是專業(yè)領(lǐng)域的知識，單純依靠教師的協(xié)助是遠遠不夠的，還需要領(lǐng)域?qū)＜姨峁┫鄳?yīng)的支持，但是要獲得這樣的支持是較為困難而且常常是延遲的，無法及時解決學(xué)生疑惑。

（3）多元評價

教學(xué)評價方式很大程度上取決于教學(xué)目標的設(shè)立。STEAM教育不同于以往的傳統(tǒng)教育，其教學(xué)目標不再是希望學(xué)生掌握某一學(xué)科的知識，而是強調(diào)在實際的探索活動中促進學(xué)生習(xí)得跨學(xué)科知識，獲得實踐、問題解決、創(chuàng)新及協(xié)作等多方面的能力。教學(xué)目標的改變意味著教學(xué)評價方式也隨之改變：余勝泉[1]等人認為應(yīng)當由原先單一的評價方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣u價主體的、形成性的、面向?qū)W習(xí)過程的評價;張文蘭[2]則認為評價方式的多元，不單單體現(xiàn)在評價主體上，也應(yīng)當體現(xiàn)在其他維度上，需要在原有的傳統(tǒng)評價方式上融合“定性與定量評價、形成性與總結(jié)性評價、個人與小組評價”等多種方式形成新型的多元性評價方式;趙慧臣[3]也認為STEAM的評價方式應(yīng)當是多元化的、注重過程的。從這些觀點中不難看出，在STEAM教育中一般不是單純地使用“考試”來評測學(xué)生的知識掌握情況及教師的教學(xué)效果，這在一定程度上對教師的工作能力及相關(guān)評價輔助設(shè)備提出了更高的要求。

● 滿足STEAM教學(xué)活動重要特征要求的ITS

1.智能教學(xué)系統(tǒng)

智能教學(xué)系統(tǒng)（ITS，Intelligent Tutoring System）是一種借助于人工智能技術(shù)，讓計算機扮演教師角色實施個別化教學(xué)，向不同需求、不同特征的學(xué)習(xí)者傳授知識、提供指導(dǎo)的適應(yīng)性學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)。[4]其目的是通過計算機輔助教師進行教學(xué)工作，減輕教師工作負擔，并提出最佳教學(xué)計劃。目前ITS的架構(gòu)被分為以下四個模塊：①專家模塊，主要解決教什么的問題，負責(zé)提供教學(xué)內(nèi)容，給出引導(dǎo)性問題指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，評價學(xué)習(xí)效果;②學(xué)生模塊，主要解決誰在學(xué)的問題，負責(zé)了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)特征及知識掌握程度;③導(dǎo)師模塊，主要解決怎么教的問題，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，提出針對性教學(xué)策略;④智能人機接口模塊，主要負責(zé)輸入使用者的操作及輸出系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源等，實現(xiàn)人機高效交互。

2.ITS中輔助STEAM教學(xué)活動開展的技術(shù)

（1）虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種新型的人工智能技術(shù)，其與ITS的充分融合能夠有效地支持ITS服務(wù)于STEAM教學(xué)活動的情境創(chuàng)設(shè)環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)教學(xué)活動中，情境創(chuàng)設(shè)主要采用文字、語言、圖像、視頻以及實物展示等方式，其中，實物展示最接近于現(xiàn)實，然而受限于成本高、創(chuàng)設(shè)難度大、可重復(fù)利用率低等問題，它較難實現(xiàn)實物展示的全方位普及。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠有效模擬現(xiàn)實環(huán)境，并通過各類傳感設(shè)備，將用戶投放到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與模擬環(huán)境的自然交互。在教學(xué)活動中，教師可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬構(gòu)建各種真實環(huán)境，為學(xué)生提供各種傳統(tǒng)技術(shù)難以實現(xiàn)的情境體驗。學(xué)生可以借助頭盔、手柄等工具，接收虛擬場景中的各種信息并獲得感官刺激，實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實場景的交互，獲得逼真的學(xué)習(xí)體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅保留了實物展示的真實性，而且所需費用更低，可重復(fù)利用性更強，通過這種進階學(xué)習(xí)的方式，可以化抽象為具體，有效引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)STEAM課程蘊含的科學(xué)文化知識。例如，在STEAM課堂中涉及化學(xué)實驗的分子講解時，可通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)，將抽象的分子活動過程轉(zhuǎn)化為具體的可感可觸的形象，更好地幫助學(xué)生理解實驗的原理，降低其知識建構(gòu)的難度，加深記憶，提高學(xué)習(xí)興趣。

（2）智能應(yīng)答

智能應(yīng)答技術(shù)是一種基于自然語言處理、知識推理、文本語音和圖像分析等方法而實現(xiàn)的智能技術(shù)，在ITS中能夠有效扮演多領(lǐng)域的專家，是ITS及時解答學(xué)生疑惑的重要技術(shù)支撐。STEAM教學(xué)活動中的大多數(shù)“驅(qū)動性問題”都沒有固定的解決途徑，需要學(xué)生自行構(gòu)思、探索，在這個過程中必定會遇到許多難題，在現(xiàn)有條件下學(xué)生一般只能求助于課程教師或者上網(wǎng)查找資料，但教師可能由于課程小組較多無法兼顧或者問題涉及較多專業(yè)領(lǐng)域知識無法及時解答，而網(wǎng)上資料繁雜需要學(xué)生花費很多的時間與精力在收集與篩選上，且網(wǎng)上過于豐富的學(xué)習(xí)資料還容易導(dǎo)致學(xué)生分心致使學(xué)習(xí)行為偏離既定的學(xué)習(xí)目標，這在很大程度上降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，消磨了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)倦怠現(xiàn)象。而在智能應(yīng)答的支持下，學(xué)生僅需要向ITS輸入問題，ITS便能自動通過分析問題的詞法、語法，提取問題關(guān)鍵，而后在資料庫中搜索答案并直接回答學(xué)生的問題。

（3）智能測評

融合了智能測評技術(shù)的智能教學(xué)系統(tǒng)，具備了記錄、判斷學(xué)生學(xué)習(xí)效果的能力，能夠有效處理STEAM教學(xué)活動中的海量數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供全面的可視化評價，并為教師改進教學(xué)提供參考，有力地促進STEAM教育活動形成閉環(huán)。教學(xué)評價不僅能夠及時反映學(xué)生的學(xué)習(xí)進度及學(xué)習(xí)活動開展情況，而且還能夠反映教師的教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有助于教師與學(xué)生及時調(diào)整學(xué)習(xí)活動，避免背離學(xué)習(xí)目標，也有助于教師收獲經(jīng)驗，完善教學(xué)方法，因此教學(xué)評價是整個STEAM教學(xué)中極其重要的一環(huán)。STEAM教育的教學(xué)目標決定了其評價方式應(yīng)當多元化，而多元化的評價方式無疑需要收集、處理、分析、統(tǒng)計大量的教學(xué)數(shù)據(jù)，工作量十分龐大，而整合了智能測評技術(shù)的ITS能夠通過智能人機接口模塊收集學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的各類學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，基于系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計的學(xué)習(xí)算法、大數(shù)據(jù)分析、云計算等進行自主智能評估，形成真實、客觀、高效、可靠的測評結(jié)果。同時，在智能測評系統(tǒng)的支持下，ITS也強調(diào)動態(tài)實時的學(xué)習(xí)行為跟蹤及個性化的即時反饋。ITS的智能測評功能能夠有效減少教師的工作量，極大地減輕教師的負擔，確保教師可以把精力更多地放在關(guān)注學(xué)生以及教學(xué)活動本身上，也有助于教師反思STEAM教學(xué)活動中的不足并形成教學(xué)改進策略，從而更高質(zhì)量地開展STEAM教育。

● 總結(jié)

虛擬現(xiàn)實、智能應(yīng)答、智能測評等人工智能技術(shù)在ITS中的整合有助于拓寬并加深I(lǐng)TS在教育教學(xué)中的應(yīng)用，有助于解決STEAM教育活動開展過程中遇到的困難，使ITS能更好地配合STEAM教育的高效開展，助力STEAM教育的推廣與發(fā)展。

參考文獻：

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（04）：13-22.

[2]張文蘭，張思琦，林君芬，等.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于課程重構(gòu)理念的項目式學(xué)習(xí)設(shè)計與實踐研究[J].電化教育研究，2016，37（02）：38-45+53.

[3]趙慧臣.美國北卡羅來納州中學(xué)STEM學(xué)校的教學(xué)設(shè)計及其啟示[J].中國電化教育，2017（02）：47-54.

[4]陳天云，張劍平.智能教學(xué)系統(tǒng)（ITS）的研究現(xiàn)狀及其在中國的發(fā)展[J].中國電化教育，2007（02）：95-99.