05人工智能教育装备与科技教育深度融合研究与实践

05人工智能教育装备与科技教育深度融合研究与实践高月锋山东省济南市历城第二中学摘要:科学素养是青少年全面发展的核心素养之一，培养科技创新人才需从青少年抓起。济南市历城第二中学积极响应国家培养科技创新人才的指导精神，结合区域教育发展特点，借助人工智能技术，研发智慧教学平台，建设一体化课程资源，提出孔雀型教学设计模式，构建“平台+资源+教学模式”三位一体的科技创新教育智慧教学系统。教学实践表明，科技创新教育智慧教学系统应用成效显著，解决了科技创新教育规模化培养与个性化教育的难题，提升了学生自主学习能力，先后在国内多所学校推广应用，促进了区域科技教育优质均衡发展。关键词：科技教育；人工智能；智慧教学系统；中小学问题的提出科技是国之利器，国家赖之以强大，社会赖之以发展。青少年是未来科技创新的希望，加强青少年科技创新教育，提升青少年科学素质，是提高国家自主创新能力、建设创新型国家的关键举措。《“十三五”国家科技创新规划》中要求，加强面向青少年的科技教育，以增强科学兴趣、创新意识和学习实践能力为主，完善基础教育阶段的科学教育。《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016-2020年）》指出，与发达国家相比，我国青少年科技教育有待加强，科普技术手段相对落后，均衡化、精准化服务能力亟待提升，应充分利用信息技术手段，推进优质科技教育信息资源共建共享，大力开展线上线下相结合的青少年科教活动，满足青少年对科技、教育信息的个性化需求。《中共中央国务院关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见》强调，加强科学教育和实验教学，着力培养认知能力,促进思维发展,激发创新意识。《义务教育信息科技课程标准(2022版)》提出，发挥课程育人功能，帮助全体学生学会数字时代的知识积累和创新方法，引导学生在使用信息科技解决问题的过程中遵守道德规范和科技伦理，促进学生在数字世界与现实世界中健康成长。学校教育是培养未来科教创新人才的摇篮。济南市历城第二中学（以下简称历城二中）积极响应国家培养科技创新人才的相关精神，立足“面向全体学生提供个性化科技创新教育”目标，结合区域教育发展特点，借助人工智能技术，研发智慧教学平台，开发一体化课程资源，提出人机深度交互智能教学模式，在青少年科技创新教育领域积极探索人工智能教育装备与教育教学的深度融合研究，勇于创新，敢于实践。课题组研发、创新、实践和推广“平台+资源+教学模式”三位一体的科技创新教育智慧教学系统（以下简称智慧教学系统），为解决中小学科技教育面临的两大实践难题做出了不懈努力：（1）破解中小学科技创新教育规模化培养与个性化教育的难题。目前，科技教育专业师资力量薄弱、科技教育目标不明确、教学内容单一、重讲解轻实践等现状，导致学生学习科技的热情不高、科技教育规模化覆盖范围受限、学生个性化学习需求难以满足。（2）提升学生自主学习能力。传统以教为主的科技创新教育，使学生在某种程度上养成了被动学习习惯，缺乏强烈的自主学习动机，主动探究、主动发现问题、主动解决问题的能力不足。如何赋权学生能动学习，发展学生自主学习能力成为科技创新教育中不可回避的关键问题。二、研究实践路径针对对两大实践难题，课题组遵循“问题提出→顶层设计→开发系统→实践创新→优化升级→应用推广”的技术路线开展了理论研究与实践创新，实践研究过程共经历了六个阶段，如图1所示。第一阶段：提出问题，组建团队，厘清思路。面对实践难题，学校积极与高等院校和高新企业合作，组建由高校专家、企业专业技术人员和教学一线优秀教师组成的全科式分工合作的教育信息化专业项目团队。项目团队分析问题，厘清解决思路。第二阶段：问题导向，理论建构，顶层设计。以问题为导向，项目团队在建构主义理论、多元智能理论、多维项目反应理论、信息化教学理论等基础上，运用文献研究法和案例研究法，创建基于人工智能技术的科技创新教育智慧教学系统四级开发模型，包括智慧教学平台、课程开发模型和“三环节、8+n阶段”孔雀型教学设计模式等。第三阶段：开发系统，融合课程，研发器材。根据系统开发模型，项目团队分工合作，利用行动研究法，开发智慧教学平台，创建多门系列科技创新教育课程，建设配套工具包及相关资源。第四阶段：初步实践，修正完善，数据分析。项目团队利用行动研究法和调查研究法，把课程排进课表，在初高中三个年级应用智慧教学系统，根据反馈信息对智慧教学系统进行修正和完善。开发教学大数据分析技术，构建智慧教学平台2.0，系统支持普惠式、社团式和任务单式的学习。第五阶段：优化升级，完善体系，逐步推广。智慧教学系统在初高中三个年级开展深入实践，对教学数据进行分析，利用行动研究法优化升级智慧教学系统，形成普惠、社团、竞赛三级科技创新人才培养体系。课程实践延伸至小初高信息技术等课程。教学成果推广到省内外，先后有7所学校应用。第六阶段：拓展领域，创新体制，区域推广。智慧教学平台上的课程扩展到小初高各学科，利用实验研究法研发课程工具包5000多种。探索教学成果区域性推广应用，成立历城区少年科学院，在历城区45所中小学进行实践，促进区域科技教育优质均衡发展。图1智慧教学系统研究实践路径图三、智慧教学系统的构建1.专业分工合作的智慧教学系统四级开发模式在探索科技创新教育教学实践研究过程中，课题组顶层设计了敏捷迭代的科技创新教育智慧教学系统的四级开发模式，即智慧平台层、课程工具层、课程内容层和课程实施层，如图2所示，四级功能逐层递进，相互配合，共同构建科技创新教育智慧教学生态系统，实现智慧教学平台、课程配套工具、课程资源内容与课程教学模式的深度融合，保障教学质量持续螺旋上升。图2智慧教学系统四级开发模式智慧平台层可实现课程教学的智慧功能。课程专家和课程开发教师提出功能需求，专业软件开发团队完成设计、开发、发布。平台层级负责搭建工具层级的低代码开发环境，并根据实践反馈快速迭代，不断完善，螺旋上升。课程工具层提供课程开发和实施所需的功能插件。课程专家和课程开发教师提出插件功能需求，课程插件开发人员完成设计、开发、发布。平台层级和工具层级负责搭建内容层级的零代码开发环境，并根据实践反馈快速迭代，不断完善，螺旋上升。课程内容层提供课程资源和相应的实践器材。课程开发教师在课程专家的指导下和课程器材开发人员共同完成设计、开发、发布，并根据实践反馈快速迭代，不断完善，螺旋上升。课程实施层可实现课程的实施和评价功能。教师组织课程实施，观察学生课堂学习表现，进行个性化辅导和主观评价，根据具体情境在智慧平台中设计可视化评价界面，分析和呈现学生学习数据，反馈课程实施和评价相关的数据信息。2.人机深度交互融合的智慧教学平台智慧教学平台是基于人工智能技术开发的支持学生自主学习的教学平台，是课程开发和课程实施的基础载体，集成了课程学习资源、快速选课系统、基于大数据的过程性评价系统、结果性评价展示系统和学习效果智能分析系统等，可智能分析每个学生的学习需求、学习过程和学习效果，并通过教学大数据的分析和反馈实现精准教学，自动推荐个性化学习资源，为学生学习提供丰富的资源和工具。智慧教学平台还提供用于课程插件开发的低代码环境和课程开发的零代码环境编辑器。插件开发人员根据各科课程需要为各学科开发通用或者专用的课程插件，方便课程开发教师在零代码编辑器中设计、开发课程。3.“全程专家介入的三环迭代”课程开发模式借鉴敏捷迭代课程开发思想，基于智慧教学平台和建构主义学习理论，项目团队构建了“全程专家介入的三环迭代”的课程开发模式，如图3所示。图3课程开发模型课程开发过程由需求分析阶段、课程开发阶段和课程实施阶段组成，每个阶段均实现快速迭代。在需求分析阶段，项目团队分析课程目标，形成课程内容框架，确定课程实践环节的器材，确保课程内容的科学准确，并使之从无序走向有序，从粗放走向精细。课程开发阶段中，项目团队在已有课程插件及智慧教学平台的支持基础上，在内容开发、媒体开发、器材开发、评价设计、课程测试和课程评估等六个环节之间快速反馈，助力每一课程模块的快速开发。在课程实践阶段，项目团队完成课程发布、课程实施、课程评价、数据反馈和数据评估，在评估基础上精准修正课程内容、媒体、器材等。课程开发三个阶段均进行专家干预，对于可预测的内容，专家主动干预；对于不可预测的内容，专家应动干预。随着专家知识的加入，智慧教学平台中的课程资源越来越完善，课程内容越来越优质。4.“三环节、8+n阶段”的孔雀型教学模式为了让每一个学生在每一次课中都能进行个性充分发展，项目团队开创了“三环节、8+n阶段”的孔雀型教学模式，如图4所示。第一个环节为导入环节，即孔雀头，主要向学生明示学习目标、内容概要和任务情境，让学生上课伊始就能够知晓学习的方向和重点难点。第二个环节为基础环节，即孔雀身，包括激活旧知、展示新知、尝试应用、知识迁移和学习小结，这是每一个学生必须完成的基础学习任务。教学设计最精彩的部分是拓展环节，即孔雀尾，这里有大量的拓展内容，它们呈多线程、多层次和大容量设计，犹如孔雀开屏一样。所有学生完成孔雀身的学习内容之后，都可以根据自己的兴趣选择拓展内容进行深入探索。孔雀型教学设计模式，尊重个体差异，保证因材施教，培养学生问题解决和和知识迁移的能力，引导学生自主学习和批判性反思，让每个学生都得到了充分发展。图4孔雀型教学设计模式四、智慧教学系统的实践成效历城二中智慧教学系统自实施应用以来，在济南市历城区45所中小学进行了区域推广应用，构建起了全区科技创新人才三级培养体系。已完成4692节课时教学，接受科技教育的学生达25432人。学生书写创意75422份，制作各类科技创新作品34073份，参加全国各级各类科技创新比赛获奖211人次。五，结束语诚如华东师范大学和华中师范大学的专家们多次调研后所赞叹：智慧教学系统令人惊艳，它促进了师生教学方式的深度变革。随着教学实践的逐步深入，智慧教学系统将会在科技创新教育舞台发挥越来越重要的作用，并为区域科技教育的均衡发展贡献更大的价值力量。人工智能对于实现超大规模的个性化教育服务，能发挥“师生能力发展加速器”“智能精准助学放大镜”的加持功能，也是引领智慧教学系统不断改进完善和迭代优化的重要驱动力。首先，智慧教学系统教学大数据分析技术仍需进一步研究，开发按需分析系统和支持服务，让学习大数据真正作用于每一位具有无限生命活力与科学创意的学生，该项目任重而道远。其次，智慧教学系统自适应功能需要持续完善，随着智慧教育平台中教学资源的不断增加和专家知识的不断嵌入，智能程度越来越高，从而实现针对每个学生的自适应学习。参考资料：[1]中国政府网.国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知[DB/OL].2016-08-08./zhengce/content/2016-08/08/content_5098072.htm.[2]中国政府网.国务院办公厅关于印发全民科学素质行动计划纲要实施方案(2016-2020年)的通知[DB/OL].2016-03-14./zhengce/content/2016-03/14/content_5053247.htm.[3]中国政府网.中共中央国务院关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见[DB/OL].2019-07-08./zhengce/2019-07/08/content_5407361.htm.[4]教育部.教育部关于印发义务教育课程方案和课程标准(2022年版)的通知[DB/OL].2022-04-08./srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.[5]胡小勇,孙硕,杨文杰,丁格莹.人工智能赋能教育高质量发展：需求、愿景与路径[J].现代教育技术,2022,32(01):5-15./kcms/detail/detail.aspx?FileName=XJJS202201002&DbName=CJFQ2022[6]教改风采.让学生在科技创新天地里展翅飞翔[N].中国教育报,2022-4-2(4).[7]胡小勇,孙硕,杨文杰,丁格莹.人工智能赋能教育高质量发展：需求、愿景与路径[J].现代教育技术,2022,32(01):5-15./kcms/detail/detail.aspx?FileName=XJJS202201002&DbName=CJFQ2022注：（一）山东省教育科学“十三五”规划专项课题《人工智能教育装备与教育教学深度融合研究》阶段性成果，课题编号：2020ZBYB014。（二）作者简介：历城二中高月峰老师荣获第十一届“历城十大杰出青年”荣誉称号-----山东省济南市历城区教育和体育局山东省济南市历城区二中科技创新教师

高月锋高月锋，作为一名中共党员，在历城二中从事一线教学工作，先后担任电教组组长和科技创新教研组组长，曾获全国创新型名师、山东省十佳科技教师、历城区名师培养人选、历城区学科带头人等荣誉，拥有9项国家专利，86次获得全国、省、市、区优秀科技辅员称号，并被评为历城二中首届十佳青年教师和第二届名师。辅导的学生有840多人次在全国、省、市、区各级各类科技竞赛中获奖，书写创意35万多份，其中申请专利3067项。自主开发的校本课程《开启创造性思维》获得山东省课程资源一等奖，校本课程优质课获得山东省一等奖第一名。编著12万字的《科技创新》校本教材和15万字的《趣味科学探究》辅助