鄭慶華｜人工智能賦能STEM教育創(chuàng)新發(fā)展：認(rèn)識與實踐
摘 要：STEM教育是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本途徑，人工智能時代更要加強STEM教育。人工智能是塑造新質(zhì)生產(chǎn)力的核心驅(qū)動力量，正通過顛覆性技術(shù)為科教融合賦能。人工智能賦能STEM教育的重點在于建立新場景及開發(fā)新應(yīng)用，目前已創(chuàng)造游戲化學(xué)習(xí)、社交化學(xué)習(xí)、協(xié)同學(xué)習(xí)式、自主學(xué)習(xí)型、問題驅(qū)動式、項目探究型六種新場景并開發(fā)了評價、管理、教學(xué)、課堂學(xué)習(xí)以及課外學(xué)習(xí)五大類大模型應(yīng)用。STEM教育與人工智能融合發(fā)展遵循“觀察現(xiàn)象-發(fā)現(xiàn)問題-提出問題-解決問題”的內(nèi)在機理，融合成效的關(guān)鍵在于教師，人工智能賦能使人機協(xié)同的新智商超越人類自身智商的局限性。
關(guān)鍵詞：人工智能；STEM教育；科學(xué)教育；人機協(xié)同
在世界百年未有之大變局下，人工智能技術(shù)正呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢，引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，“人工智能+教育”的“智能教育現(xiàn)象”日益凸顯，人工智能對教育的影響之大舉世矚目。習(xí)近平總書記強調(diào)：“中國高度重視人工智能對教育的深刻影響，積極推動人工智能和教育的深度融合，促進教育變革創(chuàng)新”。教育作為前沿技術(shù)的重要實踐領(lǐng)域引人注目，科技與教育雙向賦能成為人類教育發(fā)展史上新的命題。黨的二十屆三中全會明確提出“教育、科技、人才是中國式現(xiàn)代化的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐”。出于對新一輪科技革命和全球競爭格局重塑的考量，世界各國毫無例外都對科技人力資源戰(zhàn)略儲備作出積極響應(yīng)。STEM人才作為科技創(chuàng)新的核心力量對一個國家的創(chuàng)新與發(fā)展起著越來越關(guān)鍵的作用，STEM教育也越來越受到世界各國的普遍重視。在中華民族偉大復(fù)興戰(zhàn)略全局與世界百年未有之大變局歷史性交匯的大背景下，人工智能融入教育的發(fā)展態(tài)勢如何？STEM教育培養(yǎng)科技人才面臨哪些新的挑戰(zhàn)？人工智能如何賦能STEM教育創(chuàng)新發(fā)展？這都是高校支撐教育強國建設(shè)以及助力中國式現(xiàn)代化目標(biāo)實現(xiàn)所必須思考的時代命題。
一、人工智能是塑造新質(zhì)生產(chǎn)力的核心驅(qū)動力量
從歷史唯物主義的視角出發(fā)，宇宙的起源可追溯至138億年前，這是一個極為漫長的時間跨度。人類從靈長類動物逐漸演化至現(xiàn)代意義上的人類形態(tài)，其歷程長達(dá)上百萬年。在人類五千余年的科學(xué)文明史上，農(nóng)耕文明占據(jù)了數(shù)千年的時間，其特征表現(xiàn)為以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主要經(jīng)濟活動，社會結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定且發(fā)展較為緩慢。工業(yè)時代自興起至今，尚不足300年，與農(nóng)耕時代相比，其發(fā)展速度顯著加快，生產(chǎn)力得到了極大提升，引發(fā)了社會經(jīng)濟、政治和文化等多方面的深刻變革。信息時代則更為短暫，至今還不到80年。然而，令人矚目的是，在這短短的80年時間里，人類在知識的創(chuàng)造、財富的積累以及生產(chǎn)力的提升等方面取得了前所未有的巨大進步，這種進步的規(guī)模與速度在整個人類歷史進程中都堪稱空前。基于此，我們有必要回溯并深入思考，究竟是什么力量在背后驅(qū)動著人類科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力如此迅猛地發(fā)展？
（一）教育是人類進步的最重大發(fā)明
在人類歷史的漫漫長卷中，發(fā)明創(chuàng)造不計其數(shù)，然其中最為根基性的有四項。一是原子的發(fā)現(xiàn)，深刻揭示了物質(zhì)世界的基本組成原理，使人類對物質(zhì)的認(rèn)知從宏觀表象深入至微觀本質(zhì)，為眾多科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展奠定堅實的理論基石。二是比特，即計算機中的0和1，這兩個看似簡單的數(shù)字元素，卻構(gòu)建起了當(dāng)今龐大而復(fù)雜的數(shù)字世界與虛擬世界架構(gòu)，成為信息時代數(shù)字化浪潮的核心代碼。三是電的發(fā)明和應(yīng)用，它作為迄今為止人類所探尋到的最為卓越的能量媒介，在物質(zhì)世界的能量傳輸與轉(zhuǎn)換以及數(shù)字世界的能源供應(yīng)與驅(qū)動方面均占據(jù)著統(tǒng)治性地位，深刻改變了人類的生產(chǎn)與生活方式。四是教育，它是人類區(qū)別于其他動物最為偉大的發(fā)明，也是人類最偉大的智慧。教育作為一種獨特的文化傳承與創(chuàng)新機制，通過知識的傳授、技能的培養(yǎng)、價值觀的塑造以及思維方式的啟迪，使得人類得以實現(xiàn)代際間經(jīng)驗與智慧的有效傳遞與積累，也正是憑借教育這一強大工具，人類得以傳承并發(fā)展語言、文字、工具制造與使用等關(guān)鍵能力，從而逐步超越其他物種，最終傲然屹立于生物鏈的頂端，站到全球的霸主地位。教育不僅為個體的成長與發(fā)展提供了必要的知識與技能儲備，更為整個人類社會的延續(xù)與進步培育了源源不斷的創(chuàng)新力量與智慧源泉，是推動人類文明不斷演進的核心動力引擎。
（二）人工智能已然成為賦能一切的新質(zhì)生產(chǎn)力
認(rèn)識世界和改造世界是人類矢志不渝的目標(biāo)追求，人工智能憑借強大的數(shù)據(jù)分析能力和高效的算法模型，以一種顛覆性的力量重塑人類認(rèn)知的疆域，為人類在新時代認(rèn)識世界、改造世界提供嶄新的思維方式、方法論以及強有力的技術(shù)手段和工具。在人工智能誕生之前，人類從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題，全然依賴自身的智慧和能力。然而，隨著人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人類在發(fā)現(xiàn)、研判和提出問題之前，便可率先借助人工智能技術(shù)手段進行初步探索與信息挖掘。當(dāng)下人工智能主要是通過兩種途徑為人類認(rèn)識世界與改造世界的實踐提供方法支撐。
其一，人工智能在判別決策方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，模式識別技術(shù)，能夠?qū)?fù)雜的數(shù)據(jù)模式與特征進行精準(zhǔn)識別與分類；人臉識別技術(shù)廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、身份認(rèn)證等眾多領(lǐng)域；機器人的各類行動控制以及自動駕駛技術(shù)日益成熟，將人工智能的判別決策能力融入實際生產(chǎn)生活場景，極大提高了生產(chǎn)效率與生活便利性。其場景背后的核心數(shù)據(jù)邏輯基礎(chǔ)是概率和數(shù)據(jù)統(tǒng)計當(dāng)中的條件概率分布，人工智能依據(jù)特定條件與數(shù)據(jù)特征做出的精準(zhǔn)判別決策，為人類提供高效、準(zhǔn)確的指引。
其二，生成式人工智能在創(chuàng)造性領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了前所未有的突破。它能夠生成以往專業(yè)人員才可創(chuàng)造的知識成果，在內(nèi)容創(chuàng)作方面，可根據(jù)主題生成有質(zhì)量與創(chuàng)新性的文本；在人機交互領(lǐng)域，智能語音助手、客服等可實現(xiàn)自然流暢對話并提供個性化服務(wù)；在產(chǎn)品方案設(shè)計方面，可綜合因素生成優(yōu)化方案，縮短研發(fā)周期。而其依據(jù)則是概率和數(shù)據(jù)統(tǒng)計當(dāng)中的聯(lián)合概率分布，憑借這種簡單而高效的數(shù)據(jù)驅(qū)動模式，為今天從弱人工智能到強人工智能的演進提供了堅實而強大的技術(shù)保障。時至今日，人類智能與機器智能相互融合、疊加互補，已然催生出眾多全新的知識體系與創(chuàng)新手段，這些成果在過去的人類發(fā)展歷程中是難以想象且無法企及的。
（三）科學(xué)的本質(zhì)是問題的量化計算
人類計算工具的創(chuàng)新發(fā)明引發(fā)了一場深刻的認(rèn)知與實踐革命：計算正在改變一切，計算成為知識演化的基礎(chǔ)。歷史上從來沒有一項技術(shù)像計算技術(shù)那樣，僅70余年時間就影響和改變?nèi)祟惿鐣囊磺校浜诵淖兏锪α吭谟趯鹘y(tǒng)的不可計算問題轉(zhuǎn)化為可量化、可精確計算的形式，成功攻克了從定性描述邁向定量計算的歷史性難題。例如，公元前200余年，阿基米德將圓周率精度從3.1提升到3.14，600余年后的公元400余年，祖沖之求得π值為3.141592，將圓周率精度提高到了小數(shù)點后6位。如今，計算機將圓周率的精度提高到小數(shù)點后萬億位，這期間僅僅用了幾十年時間。盡管如此的高精度在日常實際應(yīng)用中未必有廣泛的直接用途，但其背后所折射出的深刻內(nèi)涵在于人類認(rèn)識世界與改造世界的能力通過借助計算技術(shù)實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
習(xí)近平總書記在2024年“科技三會”上作出精準(zhǔn)且極具前瞻性的研判：“科學(xué)研究正在向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進、向極綜合交叉發(fā)力，不斷突破人類認(rèn)知邊界。”如今，人類不僅能夠敏銳發(fā)現(xiàn)并巧妙利用物質(zhì)世界固有的規(guī)律，而且在數(shù)字世界與虛擬世界中具備創(chuàng)造全新規(guī)律并推動其發(fā)展演變的能力，這在人類歷史進程中無疑是具有里程碑意義的重大跨越。
（四）AI for Science催生新的科研范式
以“AI for Science”為代表的智能技術(shù)與科學(xué)研究的耦合正深刻改變著常規(guī)科學(xué)的研究進程，并引發(fā)一場關(guān)于科學(xué)研究的范式革命。圖靈獎獲得者吉姆·蓋瑞將科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歷史演變歸納為四種范式。
一是經(jīng)驗范式，主要基于對自然現(xiàn)象與實驗結(jié)果的直接經(jīng)驗觀察，通過歸納總結(jié)大量觀察數(shù)據(jù)，提煉出一般性的規(guī)律與結(jié)論，并據(jù)此做出初步判斷與預(yù)測。雖然這些樸素的觀察大部分是正確的，但觀察者們并沒有完整的系統(tǒng)方法論表述和總結(jié)這些結(jié)果，所以這一階段的科學(xué)研究是相對粗糙的。但這種范式在科學(xué)研究的早期階段發(fā)揮了重要作用，是人類認(rèn)識自然的基礎(chǔ)方式之一。
二是理論范式，側(cè)重于運用數(shù)學(xué)工具與邏輯推理對自然現(xiàn)象進行精確的描述與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐蒲荩瑯?gòu)建起具有因果邏輯關(guān)系的理論體系。通過清晰的數(shù)學(xué)語言描述，科學(xué)家能夠?qū)ψ匀灰?guī)律進行抽象化表達(dá)與深入分析，從而揭示事物背后的本質(zhì)聯(lián)系與內(nèi)在機制，為科學(xué)研究提供了更為深入與系統(tǒng)的理論框架。
三是計算范式，借助計算機強大的計算能力求解復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程，實現(xiàn)對自然現(xiàn)象的模擬仿真。通過數(shù)值計算與模擬實驗，科學(xué)家能夠在虛擬環(huán)境中對各種科學(xué)假設(shè)與理論模型進行驗證與優(yōu)化，大大縮短了科學(xué)研究周期，提高了研究效率，為解決復(fù)雜科學(xué)問題提供新的有效手段。
四是數(shù)據(jù)驅(qū)動范式，基于機器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從海量數(shù)據(jù)中挖掘發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性與潛在規(guī)律。在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時代，這種范式能夠充分利用豐富的數(shù)據(jù)資源，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)研究范式難以察覺的新現(xiàn)象與新規(guī)律，為科學(xué)研究開辟新的視角與途徑。
隨著人工智能大模型能力的不斷提升，這四種傳統(tǒng)范式有機融合為一體，催生出一種人機共生、跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的新范式。在這種新范式下，經(jīng)驗觀察數(shù)據(jù)可作為人工智能學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)素材，理論模型為人工智能的算法設(shè)計與邏輯構(gòu)建提供指導(dǎo)，計算模擬為人工智能提供數(shù)據(jù)驗證與優(yōu)化平臺，數(shù)據(jù)驅(qū)動則為人工智能提供豐富的數(shù)據(jù)資源與特征挖掘能力。這種融合式的新范式極大地推動了人類科學(xué)研究的進程與創(chuàng)新速度。在2024年的諾貝爾獎獲得者中，物理學(xué)獎、化學(xué)獎均授予了專注于人工智能與機器學(xué)習(xí)在科學(xué)研究中應(yīng)用的科學(xué)家，這一現(xiàn)象充分彰顯了新型科研范式與手段在當(dāng)代科學(xué)研究領(lǐng)域的極端重要性與關(guān)鍵影響力，標(biāo)志著科學(xué)研究正步入一個全新的智能化時代。
二、STEM教育是提升人才培養(yǎng)適配度的關(guān)鍵機制
面對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮沖擊，高校作為科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主陣地，如何培育引領(lǐng)科技發(fā)展趨勢的杰出人才已成為舉國關(guān)切的核心議題。強化STEM教育、培養(yǎng)適應(yīng)新時代需求的科技創(chuàng)新人才是高校改革的重要指向。
（一）科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)面臨新的挑戰(zhàn)
面對瞬息萬變的技術(shù)革新浪潮，能否培養(yǎng)出擁有核心技術(shù)的人才直接決定了一個國家的科技發(fā)展水平和國際競爭力。然而，科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)面臨新的挑戰(zhàn)。
一是科學(xué)教育的滯后性引發(fā)了人才培養(yǎng)的跟隨性。工業(yè)時代，科學(xué)技術(shù)從發(fā)現(xiàn)到轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的周期長達(dá)30~60年，且基本遵循科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)創(chuàng)新、工程應(yīng)用這一邏輯鏈條，科技發(fā)展得以保持有序性和穩(wěn)定性。進入21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的速度逐步加快，周期大幅縮短至1~3年，亟需教育體系迅速響應(yīng)科技前沿的發(fā)展，及時調(diào)整人才培養(yǎng)策略以適應(yīng)快速變化的市場需求。但高等教育是一個慢變量，學(xué)科設(shè)置、人才培養(yǎng)體系建立、畢業(yè)生成長與發(fā)展，至少需要5~10年時間。因此，人才培養(yǎng)出現(xiàn)了明顯的脫節(jié)與跟隨問題，這不僅限制了高校在科技創(chuàng)新中的引領(lǐng)作用，也影響了國家整體科技競爭力的提升。
二是人類的學(xué)習(xí)速度遠(yuǎn)落后于科技的發(fā)展速度。在人類文明發(fā)展的漫長歷程中，人類的學(xué)習(xí)速度與技術(shù)革新的步伐之間始終存在著較大差距。進入信息時代，數(shù)據(jù)知識呈現(xiàn)出一種近乎指數(shù)級的爆炸式增長態(tài)勢，盡管人類社會整體智力水平在逐步提升，但提升速度相較于科技發(fā)展的迅猛勢頭而言并不顯著。信息爆炸、技術(shù)迭代導(dǎo)致知識的半衰期急劇縮短，降低至平均2年，這意味著個體若想保持在特定領(lǐng)域內(nèi)的知識更新和競爭力，就必須不斷地學(xué)習(xí)和再教育，以適應(yīng)不斷變化的技術(shù)環(huán)境。這一趨勢加重了人類的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)和“內(nèi)卷”現(xiàn)象，學(xué)生不得不延長在校學(xué)習(xí)時間以確保跟上時代步伐。面對如此迅速的知識更新周期，傳統(tǒng)的教育模式愈發(fā)顯得力不從心，無法有效滿足社會對人才的需求。
三是科學(xué)教育與產(chǎn)業(yè)界的科技發(fā)展偏差變大。過去，大學(xué)作為知識與技術(shù)的搖籃，承擔(dān)著將新知識、新技術(shù)以及新理念向社會輸送的重要角色。學(xué)術(shù)界的研究成果往往能夠引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)革新，成為行業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。在當(dāng)前全球化與科技快速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)模式正在經(jīng)歷深刻的變革。今天，許多龍頭企業(yè)憑借強大的研發(fā)實力和敏銳的市場洞察力，已經(jīng)成為科技創(chuàng)新的引領(lǐng)者，源源不斷地將新理念輸送到社會，知識開始了逆向流動，企業(yè)科技領(lǐng)先于大學(xué)的情況日益普遍，許多前沿技術(shù)、創(chuàng)新理念以及應(yīng)用實踐首先在產(chǎn)業(yè)界得以實現(xiàn)和驗證，而后被學(xué)術(shù)界所關(guān)注和研究。這一模式挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)大學(xué)作為知識創(chuàng)新源頭的地位，也使得教科書難以代表學(xué)術(shù)界的最新進展和發(fā)展趨勢。
（二）STEM教育是科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的根本路徑
面對科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新挑戰(zhàn)，高校扮演的角色及肩負(fù)的責(zé)任更為關(guān)鍵。為有效應(yīng)對挑戰(zhàn)，須充分挖掘并發(fā)揮高校在基礎(chǔ)科學(xué)研究與應(yīng)用技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢與深厚積累。強化科學(xué)教育成為至關(guān)重要的戰(zhàn)略選擇，即聚焦STEM教育的全面推廣與深化。優(yōu)化課程設(shè)置、加強實踐教學(xué)、促進跨學(xué)科融合，大學(xué)得以更有力地培養(yǎng)復(fù)合型人才，為高素質(zhì)科技創(chuàng)新人才戰(zhàn)略儲備奠定堅實基礎(chǔ)。STEM教育符合歷史唯物主義、科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的基本規(guī)律，為人類認(rèn)識世界、描述世界、改造世界、建設(shè)世界提供強有力的思想武器與實踐工具。正如著名科學(xué)家馮·卡門所言：“科學(xué)家研究已有的世界，工程師創(chuàng)造未來的世界”。這一論述揭示了科學(xué)家與工程師在推動社會進步中的不同角色與貢獻，彰顯了STEM教育在培養(yǎng)兼具深厚理論素養(yǎng)與卓越實踐能力科技人才方面的獨特功能。作為培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才最基本、最有效的途徑，STEM教育將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四個各具特色但又緊密相關(guān)的領(lǐng)域有機整合，構(gòu)建了一個完備的教育體系。在該體系中，科學(xué)的核心任務(wù)在于揭示物質(zhì)世界與人類社會的發(fā)展規(guī)律，為人類提供認(rèn)識世界的鑰匙；技術(shù)則主要承擔(dān)發(fā)明創(chuàng)造的重任，通過技術(shù)手段改造世界；數(shù)學(xué)以其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬇c計算，為描述世界提供了工具；工程致力于創(chuàng)造美好的生活。因此，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四者有機聯(lián)系，應(yīng)用于人才培養(yǎng)的實踐，培養(yǎng)跨學(xué)科的綜合素養(yǎng)，是當(dāng)前及未來高等教育應(yīng)當(dāng)遵循的基本邏輯。
（三）人工智能時代強化STEM教育的理論與現(xiàn)實訴求
培養(yǎng)學(xué)生具備扎實的科學(xué)認(rèn)知邏輯，完成從基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)延伸至深層次的信仰構(gòu)建，是教育的核心任務(wù)之一。建構(gòu)過程涵蓋了從數(shù)據(jù)、信息、知識、邏輯、意識、信念與信仰的確立，不僅彰顯了STEM教育內(nèi)容的遞進性與系統(tǒng)性，也折射了人類作為認(rèn)知主體，在認(rèn)知世界、理解世界，并最終以科技力量改變世界過程中秉持的理想信念的形成過程。當(dāng)前，人工智能已經(jīng)展現(xiàn)出了卓越的數(shù)據(jù)、信息、知識、邏輯的應(yīng)用能力和科學(xué)研究能力，尤其是生成式人工智能與判別決策式的人工智能興起，彰顯了人工智能在模擬人類智能活動方面取得的顯著成就。盡管如此，面對人類意識、信念和信仰高級認(rèn)知結(jié)構(gòu)的要素時，人工智能與人類之間仍然存在著難以逾越的鴻溝。意識、信念和信仰是人類獨有的精神特質(zhì)，蘊含了情感、價值觀、文化認(rèn)同等因素，這些復(fù)雜且多變的因素共同塑造了人類認(rèn)知的深層次維度，這是人工智能憑當(dāng)前技術(shù)水平遠(yuǎn)無法模擬和替代的。但隨著技術(shù)的持續(xù)進步，尤其是在深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的突破性進展，人工智能在理解并模擬人類認(rèn)知高級功能方面的潛力正被不斷挖掘。可以預(yù)見這一邏輯將會加速演進，促使人類不斷重新審視人工智能與高級認(rèn)知之間的關(guān)系，從而在人工智能與人類社會的和諧共生中尋求更加平衡、可持續(xù)的發(fā)展路徑。
三、人工智能賦能STEM教育的實踐路向
（一）人工智能賦能STEM教育的兩大重點
1. 建立新場景。人工智能時代的人應(yīng)該具有足夠的韌性來面對未來技術(shù)和世界的變化，具備更多的高階思維以及同理心、團隊協(xié)作能力和領(lǐng)導(dǎo)力等能力。隨著元宇宙時代的到來，人類已進入場景時代，教育場景已不再是簡單的教學(xué)地點，而是包括學(xué)生、教師、時間、空間、學(xué)習(xí)內(nèi)容、技術(shù)工具，以及人與人的連接和交互方式的一個教育生態(tài)。而STEM人才的培養(yǎng)規(guī)模與質(zhì)量直接關(guān)系到國家科技創(chuàng)新能力的提升和高水平科技自立自強的實現(xiàn)，在教育階段培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和問題解決能力愈加重要。通過人類智能和機器智能之間的優(yōu)勢互補、虛實融合，人工智能可以從教師端、學(xué)生端等方面出發(fā)賦能STEM教育場景的迭代創(chuàng)新。人工智能賦能STEM教育通過“AI+教育”可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，借助海量教育資源、教育管理大數(shù)據(jù)、教育行為數(shù)據(jù)等數(shù)字基礎(chǔ)，開創(chuàng)新的教育場景，進行創(chuàng)新的教育應(yīng)用。目前人工智能技術(shù)賦能STEM教育已開創(chuàng)許多新穎場景，大致可以分為游戲化學(xué)習(xí)、社交化學(xué)習(xí)、協(xié)同學(xué)習(xí)式、自主學(xué)習(xí)型、問題驅(qū)動式、項目探究型6種新場景模式。
人工智能為學(xué)習(xí)者提供智能虛擬學(xué)習(xí)助手、智能NPC（Non-player Character）、智能伙伴、智能管理員等功能，可以動態(tài)化輔助、指導(dǎo)、監(jiān)督學(xué)習(xí)者在游戲化學(xué)習(xí)中完成目標(biāo)。人工智能技術(shù)與社交互嵌，促進傳播從移動化、社交化到智能化、數(shù)據(jù)化，優(yōu)化了學(xué)習(xí)社區(qū)的建設(shè)，搭建了新的社交化學(xué)習(xí)場景。在教育場景廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù)有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)中實現(xiàn)“人人協(xié)同”，并且具備對話情境理解和內(nèi)容生成能力的生成式人工智能可為人機協(xié)同創(chuàng)建全新生態(tài)，與元宇宙結(jié)合可為教育應(yīng)用提供切實的人機協(xié)同學(xué)習(xí)場景。人人協(xié)同、人機協(xié)同等智慧學(xué)習(xí)方式有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，推動學(xué)生借助人工智能技術(shù)進行自我學(xué)習(xí)和自我革新。人工智能可根據(jù)需求制定個性化的學(xué)習(xí)計劃并搭建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生提供個性化的自主學(xué)習(xí)場景。在學(xué)生的自主學(xué)習(xí)中，人工智能亦可扮演教師角色對學(xué)生進行智能提問以及根據(jù)學(xué)生的回答智能識別問題，還可以通過智能助手和機器人等形式擔(dān)任師生溝通橋梁，搭建問題驅(qū)動式的教育新場景。同樣，人工智能技術(shù)亦可作為智能化項目管理工具，提供智能的評估指導(dǎo)、反饋答疑，協(xié)助教師和學(xué)生進行項目管理和進度跟蹤，推進項目探究型教育場景的搭建。
2. 開發(fā)新應(yīng)用。新的教育場景伴隨新的教育應(yīng)用，人工智能技術(shù)賦能STEM教育的另一重點是為STEM教育提供新應(yīng)用。首先，人工智能技術(shù)可以幫助師生進行情景理解和意圖識別，并借助“AI+VR”開展沉浸式教學(xué)。人工智能技術(shù)可以將大數(shù)據(jù)知識工程應(yīng)用于STEM教育，提供具有內(nèi)化性的知識圖譜，幫助師生對知識和技能進行智能化獲取。其次，人工智能可以為使用者提供個性化服務(wù)，在STEM教育中建立師生特征全息畫像，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容進行個性導(dǎo)航。最后，人工智能具有人類智慧且不存在偏見，能夠進行知情意行的形成性評價，為STEM教育提供公平公正的綜合性評測和靈活的動態(tài)教學(xué)反饋。
目前在人工智能賦能STEM教育中已有較為不錯的實踐，ChatGPT的問世對各行各業(yè)產(chǎn)生了重大沖擊和影響，尤其在教育領(lǐng)域，對教學(xué)、學(xué)習(xí)和育人產(chǎn)生重大影響。辯證來看，ChatGPT通過多維度、多層次的方式賦能STEM教育，推動教育模式、教學(xué)內(nèi)容以及學(xué)習(xí)體驗的轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新。筆者梳理出了5大類40多個人工智能賦能的教育場景，其中，5大類包括評價、管理、教學(xué)、課堂學(xué)習(xí)以及課外學(xué)習(xí)，在信息檢索、知識點舉例、洞察問題、撰寫教案、總結(jié)文本等多個教育場景為教師和學(xué)生提供智能化幫助。人工智能在賦能教育領(lǐng)域的過程中，推動了教學(xué)模式的創(chuàng)新和學(xué)習(xí)體驗的升級，為教育提供了更多的可能性和空間。雖然面臨一些關(guān)于數(shù)據(jù)隱私、人工智能倫理的挑戰(zhàn)和問題，但不可否認(rèn)人工智能賦能教育的潛力已經(jīng)開始展現(xiàn)，并且這一趨勢將在未來更加深入人心，影響深遠(yuǎn)。
（二）人工智能賦能科學(xué)教育的實踐案例
人工智能在賦能科學(xué)教育新場景、新應(yīng)用的同時，也給科學(xué)教育的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。高校作為知識創(chuàng)新與人才培養(yǎng)的高地，面對STEM人才緊缺的現(xiàn)實，必須緊跟時代迅猛發(fā)展的步伐，積極擁抱并充分利用人工智能這一前沿技術(shù)的巨大潛力，為科學(xué)教育發(fā)展注入前所未有的活力與動力。同濟大學(xué)作為理工見長的研究型大學(xué)，已把人工智能深刻融入科學(xué)教育、工程教育之中。例如，2024年同濟大學(xué)土木工程學(xué)院自主研發(fā)的知識大模型CivilGPT已通過國家網(wǎng)信部門備案，成為全國教育系統(tǒng)首個完成生成式人工智能服務(wù)備案的大模型，這是知識工程與土木工程學(xué)科交叉的研究成果，是同濟大學(xué)探索以數(shù)智化驅(qū)動傳統(tǒng)工科轉(zhuǎn)型升級的創(chuàng)新實踐。CivilGPT集成了44門專業(yè)課程、超過50萬頁的專業(yè)語料、2600余本課程教材及規(guī)范，以及7萬道考試題目，通過70億Token的數(shù)據(jù)集和720億參數(shù)的模型訓(xùn)練，實現(xiàn)了對土木工程領(lǐng)域復(fù)雜知識體系的精準(zhǔn)理解和高效推理。不僅擁有龐大的數(shù)據(jù)庫，CivilGPT還采用基于同濟大學(xué)自主構(gòu)建的土木工程專業(yè)知識圖譜增強的混合架構(gòu)，包括11000多個知識點和13000余條關(guān)系，能夠智能定位薄弱知識點，為學(xué)生推薦個性化學(xué)習(xí)路徑，同時還融合了交通、環(huán)境、力學(xué)、材料等多個工程領(lǐng)域知識，有助于學(xué)生應(yīng)對跨學(xué)科工程問題。通過全天候答疑、自測和智能體工具，“師-生-機”協(xié)同互動，為土木工程教育打造了新型個性化學(xué)習(xí)模式。同時，它也能為工程實踐活動提供強有力的支持，成為工程師的重要智能助手。
一方面，同濟大學(xué)將人工智能技術(shù)應(yīng)用于土木工程學(xué)科的轉(zhuǎn)型升級，其核心在于將人工智能深度融入土木工程基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計、建造和維護、保養(yǎng)的全生命周期，創(chuàng)新土木工程科學(xué)、技術(shù)與工程的發(fā)展。將人工智能的重要功能，如深度學(xué)習(xí)、計算機視覺、無人系統(tǒng)、3D打印、BIM技術(shù)，從規(guī)劃、設(shè)計、建造以及過程的監(jiān)理到事后的安全監(jiān)控等進行深度融合。與此同時，同濟大學(xué)還探索多學(xué)科交叉的發(fā)展路徑，將土木工程與人工智能技術(shù)深度融合，同時吸收材料科學(xué)、交通工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域的前沿成果，推動土木工程邁向低碳、智能、韌性發(fā)展的新階段。另一方面，同濟大學(xué)將人工智能應(yīng)用于新場景、新應(yīng)用的開設(shè)，如在建筑墻體、地下管網(wǎng)等安全監(jiān)測與風(fēng)險識別場景中，研制出封閉空間自主巡檢機器人，借助人工智能技術(shù)克服磁場屏蔽、GPS導(dǎo)航信號弱等惡劣條件，成功用于地鐵隧道、三峽大壩輸水管道等封閉場景，替代人工巡檢。研制開發(fā)的建筑外立面智能檢測爬行機器人可以精準(zhǔn)高效識別墻體信息。在醫(yī)療健康中，以人工智能技術(shù)促進醫(yī)工結(jié)合，研發(fā)出磁控微納機器人，可用于靶向微血管溶栓，為超微創(chuàng)血栓清除提供了一種新型醫(yī)療手段。
（三）人工智能與STEM教育融合的關(guān)鍵在于教師
STEM教育需要跟人工智能深度融合，二者存在著天然的聯(lián)系。一方面，STEM教育遵循觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的認(rèn)知規(guī)律，核心是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力；另一方面，人工智能通過大數(shù)據(jù)、強算法、超算力等挖掘事物和數(shù)據(jù)之間的各種內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)可視化的呈現(xiàn)，能夠更加逼真地反映事物之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，核心是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的計算和分析問題能力，同時為不同學(xué)科之間的學(xué)術(shù)交流提供新的合作空間。而教師在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，人工智能與STEM教育融合需要做好教師角色與素養(yǎng)的重構(gòu)轉(zhuǎn)型，發(fā)揮教師在人工智能融入STEM教育的橋梁和紐帶，使教師的角色從知識的傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。在傳統(tǒng)的教育模式下，學(xué)生的知識來源單一化，但在人工智能快速發(fā)展的當(dāng)下，學(xué)生獲取知識的渠道豐富多樣。為此，教師教學(xué)的內(nèi)容不應(yīng)局限于具體的知識點，而應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會合理利用人工智能進行自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的探究欲和好奇心。更為重要的是，教師自身要具備人工智能素養(yǎng)以應(yīng)對人工智能融入STEM教育的挑戰(zhàn)。正如德國教育家雅思貝爾斯所說，“教育是一棵樹搖動另一棵樹，一朵云追逐另一朵云，一個靈魂喚醒另一個靈魂”。教育的過程離不開人和人之間的情感互動，教育工作具有社交性、創(chuàng)造性和情感性。雖然在知識傳授和獲取方面人工智能在一定程度上超越了人類，但是在情感互動方面離人類還有很大距離。我們在擁抱人工智能的同時，要讓教師在其輔助下變得更加強大，學(xué)會將人工智能靈活運用到STEM教育教學(xué)之中。人工智能賦能教育是歷史的趨勢，而善于運用人工智能的教師才能以人機協(xié)同的新智商超越人類自身智商的局限性。
四、結(jié)語
人工智能賦能教育，其核心要旨在于以人工智能為有力依托，全方位推動教育事業(yè)發(fā)展，進而為教育強國的構(gòu)筑奠定堅實基礎(chǔ)，其遠(yuǎn)景目標(biāo)是為處于數(shù)字智能時代的學(xué)生的學(xué)習(xí)進程與全面發(fā)展注入強勁動力。
一是堅守育人初心，堅持德智體美勞全面發(fā)展，避免技術(shù)的“物化”和“異化”。習(xí)近平總書記在全國教育大會上強調(diào)：“要緊緊圍繞立德樹人根本任務(wù)，朝著建成教育強國戰(zhàn)略目標(biāo)扎實邁進”。人工智能作為一種強大的技術(shù)工具，應(yīng)將其與人文關(guān)懷相結(jié)合，確保技術(shù)的應(yīng)用不會把學(xué)生“物化”為技術(shù)的附屬品，在培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)的同時，注重其德智體美勞全方位提升，使學(xué)生成為具有社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的綜合性人才。
二是秉持正確原則，既發(fā)揮人工智能的賦能作用，又要防止技術(shù)凌駕于育人之上。人工智能為STEM教育注入強大動力，一方面，要充分挖掘人工智能的賦能潛力，提升教育教學(xué)效率和質(zhì)量；另一方面，要牢記育人本質(zhì)，技術(shù)只是輔助手段，不可泯滅技術(shù)應(yīng)用中的人本位。教育者要根據(jù)學(xué)生的特點和需求合理運用人工智能技術(shù)，避免盲目依賴技術(shù)而忽視師生互動、情感交流等教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保技術(shù)始終服務(wù)于學(xué)生的成長和發(fā)展。
三是強化教師角色，引導(dǎo)學(xué)生思維創(chuàng)新，超越知識傳授局限。教師在人工智能賦能STEM教育中扮演著至關(guān)重要的角色。他們不應(yīng)僅僅是知識的傳播者，更應(yīng)成為學(xué)生思維和創(chuàng)造力的啟迪者。教師要引導(dǎo)學(xué)生深入思考問題的本質(zhì)，培養(yǎng)他們獨立解決問題的能力，鼓勵學(xué)生勇于質(zhì)疑、敢于探索未知。在教學(xué)過程中，借助人工智能提供的資源與模擬環(huán)境，設(shè)計富有啟發(fā)性的教學(xué)活動，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。
四是培育學(xué)生素養(yǎng)，培養(yǎng)批判性思維，不依賴人工智能現(xiàn)成答案。學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，在人工智能時代需具備批判性思維素養(yǎng)。面對人工智能推送的海量信息與現(xiàn)成答案，學(xué)生應(yīng)保持理性與質(zhì)疑態(tài)度，學(xué)會甄別信息真?zhèn)巍?yōu)劣，不盲目接受表面現(xiàn)象。通過積極參與課堂討論、小組合作項目等，鍛煉批判性思維與邏輯推理能力。例如，在STEM課程學(xué)習(xí)中，遇到問題時利用人工智能獲取信息，但要深入思考其合理性，嘗試多角度求解，并對結(jié)果反思改進，從而養(yǎng)成獨立思考與創(chuàng)新習(xí)慣。
五是優(yōu)化評價體系，摒棄知識記憶型評價，聚焦思維與綜合素養(yǎng)。傳統(tǒng)以知識記憶重現(xiàn)為主的評價模式已滯后于人工智能賦能的STEM教育需求，應(yīng)構(gòu)建更為科學(xué)、全面的評價機制，著重考量學(xué)生思維能力、實踐能力與綜合素養(yǎng)等。評價內(nèi)容多樣化，評價方式應(yīng)多元化。借助人工智能技術(shù)采集與分析學(xué)習(xí)過程及成果數(shù)據(jù)，為全面、客觀評價提供支撐，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注自身能力與素質(zhì)提升，而非局限于分?jǐn)?shù)追逐。
作者：鄭慶華，同濟大學(xué)校長、教授，中國工程院院士
來源：《中國高教研究》2025年第1期
