【摘 要】本研究在剖析生成式人工智能的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，探討其在跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用場(chǎng)景，并以“小小太陽(yáng)能車的設(shè)計(jì)與制作”為例，提出了應(yīng)用生成式人工智能開(kāi)展跨學(xué)科教學(xué)的具體策略，以期促進(jìn)跨學(xué)科育人成效的提升，推動(dòng)教育高質(zhì)量發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】生成式人工智能；跨學(xué)科教學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）09-011-03

引 言

《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》中明確要求“各門課程用不少于10%的課時(shí)設(shè)計(jì)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)”，強(qiáng)調(diào)“開(kāi)展跨學(xué)科主題教學(xué)，強(qiáng)化課程協(xié)同育人功能”?？鐚W(xué)科教學(xué)深化課程教學(xué)改革，成為發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要舉措。然而，目前的跨學(xué)科教學(xué)存在教學(xué)目標(biāo)不明確、師生的角色作用不清和缺乏有效評(píng)價(jià)等問(wèn)題，使得跨學(xué)科教學(xué)實(shí)施困難重重。因此，本研究將深入探討如何利用生成式人工智能賦能跨學(xué)科教學(xué)，優(yōu)化跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)，為一線教師的教育教學(xué)提供借鑒和參考。

相關(guān)概念界定

1.生成式人工智能

生成式人工智能（Gen AI）是一種人工智能技術(shù)，能夠根據(jù)用自然語(yǔ)言編寫的提示詞自動(dòng)生成內(nèi)容，內(nèi)容呈現(xiàn)形式包括用自然語(yǔ)言編寫的文本、圖像、視頻、音樂(lè)和軟件代碼[1]。生成式人工智能以先進(jìn)算法、強(qiáng)大算力和海量數(shù)據(jù)作為支撐[2]，具備啟發(fā)性內(nèi)容生成、對(duì)話情境理解、序列任務(wù)執(zhí)行、程序語(yǔ)言解析四項(xiàng)較為突出的核心能力[3]，在教育領(lǐng)域發(fā)揮重要影響，能夠促進(jìn)教學(xué)模式、評(píng)價(jià)體系和智能教育應(yīng)用生態(tài)的轉(zhuǎn)變[4]，重塑教學(xué)生態(tài)。

2.跨學(xué)科教學(xué)

跨學(xué)科教學(xué)是學(xué)科教學(xué)的補(bǔ)充。于國(guó)文等認(rèn)為，跨學(xué)科教學(xué)是跨越學(xué)科之間的界限，在注重各學(xué)科內(nèi)在邏輯的基礎(chǔ)之上建立學(xué)科間的聯(lián)系，并將學(xué)科進(jìn)行整合，進(jìn)而在教學(xué)實(shí)踐中實(shí)施整合后的多學(xué)科融合教學(xué)[5]；田娟等認(rèn)為跨學(xué)科教學(xué)是課程形態(tài)與教學(xué)策略的合體，作為一種課程形態(tài)，屬于“整合課程”或“綜合課程，作為一種教學(xué)策略，在具體操作上表現(xiàn)為以問(wèn)題為中心的教學(xué)模式[6]；李洪修等認(rèn)為跨學(xué)科教學(xué)是一種以主題或議題為載體，融合兩門以上學(xué)科的知識(shí)、方法等，以問(wèn)題解決為導(dǎo)向的教學(xué)活動(dòng)[7]。

綜上所述，跨學(xué)科教學(xué)是一種教學(xué)方法和理念，將不同學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和概念相互關(guān)聯(lián)和整合，以幫助學(xué)生建立跨學(xué)科的思維能力和綜合應(yīng)用能力，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的復(fù)雜問(wèn)題。

生成式人工智能賦能跨學(xué)科教學(xué)的分析

在跨學(xué)科教學(xué)中，生成式人工智能具有提供個(gè)性化及創(chuàng)造性學(xué)習(xí)支持、跨學(xué)科知識(shí)整合、虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬、自動(dòng)化評(píng)估和反饋、智能對(duì)話和輔導(dǎo)等功能，能夠促進(jìn)學(xué)生綜合能力和跨學(xué)科思維的發(fā)展。

1.提供個(gè)性化、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)支持

生成式人工智能根據(jù)學(xué)生的個(gè)體差異和學(xué)習(xí)需求，提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)支持，為每位學(xué)生定制適配的學(xué)習(xí)材料和練習(xí)題，提供創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的支持和啟發(fā)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維。

2.支持跨學(xué)科知識(shí)整合

生成式人工智能助力學(xué)生整合不同學(xué)科知識(shí)。學(xué)生通過(guò)智能搜索和推薦功能，獲取相關(guān)學(xué)科資源，促進(jìn)交叉學(xué)習(xí)，培養(yǎng)綜合思維能力。

3.創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬環(huán)境

生成式人工智能可以創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)和3D模擬環(huán)境，支持跨學(xué)科實(shí)踐和探索，使學(xué)生獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技能。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以在安全的環(huán)境中進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)等活動(dòng)，提高實(shí)踐能力和問(wèn)題解決能力。

4.自動(dòng)化評(píng)估和反饋

生成式人工智能可以自動(dòng)評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和能力水平，通過(guò)分析學(xué)生的作業(yè)、測(cè)驗(yàn)和考試相關(guān)答案，提供實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和反饋，幫助教師更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展。

5.智能對(duì)話和輔導(dǎo)

生成式人工智能扮演教師和助教的角色，與學(xué)生智能對(duì)話，營(yíng)造交互式學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生借助生成式人工智能尋求問(wèn)題解答和指導(dǎo)，促進(jìn)知識(shí)理解和應(yīng)用。有研究表明，借助生成式人工智能可以顯著提高學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)。

生成式人工智能賦能跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)

本文基于《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒”“工程設(shè)計(jì)與物化”核心概念，以“小小太陽(yáng)能車的設(shè)計(jì)與制作”為主題開(kāi)展跨學(xué)科教學(xué)活動(dòng)，綜合運(yùn)用科學(xué)、信息科技、數(shù)學(xué)和美術(shù)等學(xué)科知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生完成太陽(yáng)能車的設(shè)計(jì)與制作，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)整合與應(yīng)用，培養(yǎng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)與可持續(xù)發(fā)展理念。

1.學(xué)習(xí)者特征和學(xué)情分析

本項(xiàng)目教學(xué)對(duì)象為小學(xué)六年級(jí)的學(xué)生，小學(xué)六年級(jí)學(xué)生具有較強(qiáng)的好奇心和探索欲，對(duì)自然界存在的各種形式的“能”有初步了解，能利用工具制作簡(jiǎn)單的實(shí)物模型；對(duì)新技術(shù)有著濃厚的興趣且能快速適應(yīng)，更傾向于使用數(shù)字化工具和資源來(lái)學(xué)習(xí)，具備一定的數(shù)字素養(yǎng)；在數(shù)學(xué)方面，已經(jīng)掌握基本的運(yùn)算和圖形知識(shí)；在美術(shù)方面，具備一定的繪畫和手工制作能力。這些基礎(chǔ)知識(shí)為“小小太陽(yáng)能車的設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目順利實(shí)施提供有力支持。

2.教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)新生成

本文通過(guò)“文心一言”人工智能工具，從科學(xué)、信息科技、數(shù)學(xué)和美術(shù)等學(xué)科的視角出發(fā)，圍繞“知識(shí)+素養(yǎng)”制定教學(xué)目標(biāo)。在與生成式人工智能對(duì)話的過(guò)程中，默認(rèn)的教學(xué)目標(biāo)是圍繞三維目標(biāo)設(shè)定，隨著限定條件細(xì)化（即提示詞優(yōu)化），教學(xué)目標(biāo)更加清晰，生成式人工智能也會(huì)根據(jù)上下文來(lái)調(diào)整內(nèi)容生成，從而一步步貼近最終的目標(biāo)。

經(jīng)調(diào)整，最終確定的教學(xué)目標(biāo)為：（1）引導(dǎo)學(xué)生將科學(xué)知識(shí)（如太陽(yáng)能原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)）、信息科技知識(shí)（如模型設(shè)計(jì)制作、信息檢索）、數(shù)學(xué)知識(shí)（如外觀結(jié)構(gòu)、性能測(cè)試）以及美術(shù)知識(shí)（如車身設(shè)計(jì)）等跨學(xué)科知識(shí)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的綜合運(yùn)用和解決實(shí)際問(wèn)題；（2）以項(xiàng)目為導(dǎo)向，通過(guò)太陽(yáng)能車的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力、問(wèn)題解決能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；（3）引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)可再生能源的重要性，理解科技創(chuàng)新與環(huán)境保護(hù)的緊密聯(lián)系，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)和可持續(xù)發(fā)展理念。

3.教學(xué)評(píng)價(jià)智能多元

生成式人工智能支持包括學(xué)生自評(píng)、同伴互評(píng)、教師評(píng)價(jià)在內(nèi)的多元評(píng)價(jià)，全面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。首先，生成式人工智能根據(jù)教學(xué)目標(biāo)生成對(duì)應(yīng)的教學(xué)評(píng)價(jià)量表，教師要提供不同的指令，對(duì)評(píng)價(jià)量表進(jìn)行多輪調(diào)整和修改，最終得出滿意的評(píng)價(jià)量表。該量表包括學(xué)科知識(shí)整合、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、問(wèn)題解決能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和環(huán)保意識(shí)與可持續(xù)發(fā)展理念5個(gè)維度，各維度包含細(xì)分的評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容，總分100分。其次，生成式人工智能可以自動(dòng)批改學(xué)生的作業(yè)、作品，提供詳細(xì)的評(píng)價(jià)意見(jiàn)和改進(jìn)建議。最后，生成式人工智能可以協(xié)助學(xué)生自評(píng)、學(xué)生間互評(píng)和教師評(píng)價(jià)，智能分析評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)信息，生成個(gè)性化的反饋報(bào)告。

4.教學(xué)資源推薦生成

通過(guò)生成式人工智能的智能搜索和生成功能，學(xué)生可以獲取相關(guān)的學(xué)科知識(shí)、資源，支持跨學(xué)科教學(xué)的實(shí)施，促進(jìn)不同學(xué)科之間的交叉學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用。“小小太陽(yáng)能車的設(shè)計(jì)與制作”使用的教學(xué)資源主要有視頻（太陽(yáng)能的介紹視頻及應(yīng)用場(chǎng)景圖片、太陽(yáng)能車的設(shè)計(jì)與制作教學(xué)視頻）、教案、課件（具體教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)）、教學(xué)和評(píng)價(jià)工具（智能對(duì)話和評(píng)價(jià)）、跨學(xué)科項(xiàng)目指南、試題和作業(yè)等。

5.教學(xué)過(guò)程個(gè)性化輔導(dǎo)

生成式人工智能通過(guò)個(gè)性化內(nèi)容推薦、實(shí)時(shí)互動(dòng)問(wèn)答、個(gè)性化學(xué)習(xí)任務(wù)、智能分組以及學(xué)習(xí)支持等方式，為學(xué)生們提供了一個(gè)全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，不僅提高了學(xué)習(xí)效率，還培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和批判性思維能力。借助“文心一言”工具，從以下六個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)“小小太陽(yáng)能車的設(shè)計(jì)與制作”跨學(xué)科教學(xué)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）情境導(dǎo)入，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。教師播放太陽(yáng)能車的圖片和視頻，展示太陽(yáng)能車實(shí)物，讓學(xué)生觸摸并感受其構(gòu)造，引導(dǎo)學(xué)生討論太陽(yáng)能車的用途和原理。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在智能推薦太陽(yáng)能車的視頻教學(xué)資源。

（2）任務(wù)驅(qū)動(dòng)，分析問(wèn)題。教師提出設(shè)計(jì)制作太陽(yáng)能車的挑戰(zhàn)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生分析設(shè)計(jì)制作太陽(yáng)能車需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在創(chuàng)建和展示多種設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能車概念，為學(xué)生提供更多靈感；生成思維導(dǎo)圖框架的擴(kuò)展內(nèi)容，幫助學(xué)生更全面地理解主題。

（3）團(tuán)隊(duì)組建，分工協(xié)作。教師根據(jù)學(xué)生興趣和特長(zhǎng)，引導(dǎo)學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)分工，明確各自職責(zé)。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在輔助團(tuán)隊(duì)進(jìn)行任務(wù)分配，基于成員的技能和興趣提供個(gè)性化建議。

（4）知識(shí)準(zhǔn)備，方案設(shè)計(jì)。教師指導(dǎo)學(xué)生查閱資料，了解相關(guān)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生制定設(shè)計(jì)方案，使用多種數(shù)字化工具（如3D建模軟件）繪制草圖。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議和資源推薦，幫助學(xué)生快速生成多種設(shè)計(jì)方案，加速設(shè)計(jì)迭代過(guò)程，并提供設(shè)計(jì)反饋。

（5）學(xué)習(xí)支持，方案驗(yàn)證。教師提供實(shí)驗(yàn)器材和工具，支持學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)，巡視指導(dǎo)，解答學(xué)生在實(shí)踐中遇到的問(wèn)題；指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行太陽(yáng)能車的性能測(cè)試，探究影響太陽(yáng)能小車速度的因素，如受光面積、受光角度與速度的關(guān)系等；分析學(xué)生測(cè)試結(jié)果，找出設(shè)計(jì)中的不足并提出改進(jìn)方案，提供改進(jìn)材料和技術(shù)支持，幫助學(xué)生完善設(shè)計(jì)。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在預(yù)測(cè)學(xué)生在制作和組裝過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，并提供相應(yīng)的解決方案；提供在線技術(shù)支持，實(shí)時(shí)解答學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題。

（6）解決問(wèn)題，匯報(bào)展示。教師組織學(xué)生展示太陽(yáng)能車成品，并進(jìn)行評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生分享設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程，提出改進(jìn)建議。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在幫助學(xué)生制作PPT或視頻素材，豐富展示內(nèi)容，分析學(xué)生的反思總結(jié)，提供改進(jìn)方向和進(jìn)一步學(xué)習(xí)的建議。

結(jié) 語(yǔ)

生成式人工智能技術(shù)與教育深度融合是我國(guó)推進(jìn)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略要求，生成式人工智能為跨學(xué)科教學(xué)有效實(shí)施提供重要支持。本研究通過(guò)跨學(xué)科教學(xué)案例分析，為教師提供了行動(dòng)路徑的具體指導(dǎo)，助力跨學(xué)科教學(xué)深入有效實(shí)施，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。同時(shí)，我們也不能忽視生成式人工智能的數(shù)據(jù)質(zhì)量與偏見(jiàn)問(wèn)題、倫理和道德問(wèn)題等潛在風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，需加強(qiáng)師生的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)教育，提高師生識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)并妥善處理的能力，確保技術(shù)的安全、合規(guī)應(yīng)用。

注： 本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃2023年度中小學(xué)教師教育科研能力提升計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題“數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下中小學(xué)教師跨學(xué)科教學(xué)能力培養(yǎng)的研究”（課題編號(hào)：2023ZQJK004）、廣州市越秀區(qū)2022年度教育科學(xué)規(guī)劃課題“區(qū)域小學(xué)教師數(shù)字素養(yǎng)現(xiàn)狀分析及提升策略研究”（課題立項(xiàng)編號(hào)：越教類〔2022〕34號(hào)）的研究成果

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