智能教学系统在STEAM教育活动中的技术探究
孙玉彤
摘要：目前对steam教育的研究大多集中在理论层面，因为其实质性的活动开展还存在着真实情境创设耗费大量人力物力、多方协作难获取、多方评价工作量繁多等方面的问题。人工智能技术支持下的智能教学系统涵盖了多种技术，可有效解决教育教学中的难题，因而本文尝试以智能教学系统的虚拟现实、智能应答、智能测评三项技术为例，从理论上论证智能教学系统在STEAM教学活动中的应用。
关键词：智能教学系统;STEAM教育;虚拟现实;智能感应;智能测评
中图分类号：G434 ?文献标识码：A ?论文编号：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学科的教学和学习方法，学生将从中发现并获得能在学术和现实背景中运用的概念、能力以及科学、技术、工程和数学思维等，以提高在21世纪的全球竞争力”。随后，美国学者在此基础上增加了“Arts”（艺术），自此形成了STEAM教育。
STEAM教育的重心是强调找寻不同学科知识之间的关联，从而整合这五门学科，教会学生综合运用各科的知识及思维方式解决实际问题。
2.意義
目前，我国正处于社会经济发展转型的重要阶段，亟须创新来提供持久稳定的发展竞争力。创新型人才是输出创新力的中坚力量，打破学科界限、实现跨学科融合的STEAM教育是培养创新型、综合型人才的有效教育模式，开展STEAM教育对培养国家发展所需的创新型人才和促进教育教学改革都具有重要意义。
3.STEAM教学活动的特点
STEAM教育的跨学科教学理念及要求决定了其活动开展应当基于生活经验及实践活动，它在某种程度上与“基于项目的学习”（Project-based learning，PBL）相吻合，因而目前多数的STEAM教学活动都是以PBL的方式开展的。此活动开展的方式具有以下几个重要特征。
（1）情境体验性
STEAM教育认为知识是学习者与学习环境互动所建构的产物，而非来自外部的灌输，因而其活动常置于具体的情境中开展，让学生在情境中动脑思考、动手操作，在亲身参与的过程中构建知识体系。STEAM教育希望学生在习得结果性知识的同时还能在具体的情境体验中感悟过程性知识，建立知识与具体生活问题的连接，学会知识的情境化应用，懂得根据不同的背景及情况选择合适的知识加以应用从而解决问题，获得社会性成长，避免出现空有理论知识却无法学以致用的情况。尽管这种情境体验的特点可以带来诸多的教学优势，但是在实际的活动开展中实现“情境体验”却并非易事，有些情境的构建需要耗费较大的财力物力，且可重复利用性差，这对经费有限的学校及机构而言是开展STEAM教育活动的巨大障碍。
（2）多方协作
在STEAM教育活动中，学生遇到的问题数量多，牵涉领域广，这就需要教师与相应领域的专家提供有针对性的协助。在解决项目问题的过程中，不同小组的学生采用的是不同的解决路径，由于他们的能力水平和知识水平不同，他们可能遇到的问题、困难也不尽相同，这就需要教师针对学生的需求和困难提供及时的知识和技术支持，这在很大程度上加大了教师的工作压力。此外，有的问题涉及的是专业领域的知识，单纯依靠教师的协助是远远不够的，还需要领域专家提供相应的支持，但是要获得这样的支持是较为困难而且常常是延迟的，无法及时解决学生疑惑。
（3）多元评价
教学评价方式很大程度上取决于教学目标的设立。STEAM教育不同于以往的传统教育，其教学目标不再是希望学生掌握某一学科的知识，而是强调在实际的探索活动中促进学生习得跨学科知识，获得实践、问题解决、创新及协作等多方面的能力。教学目标的改变意味着教学评价方式也随之改变：余胜泉[1]等人认为应当由原先单一的评价方式转变为多元评价主体的、形成性的、面向学习过程的评价;张文兰[2]则认为评价方式的多元，不单单体现在评价主体上，也应当体现在其他维度上，需要在原有的传统评价方式上融合“定性与定量评价、形成性与总结性评价、个人与小组评价”等多种方式形成新型的多元性评价方式;赵慧臣[3]也认为STEAM的评价方式应当是多元化的、注重过程的。从这些观点中不难看出，在STEAM教育中一般不是单纯地使用“考试”来评测学生的知识掌握情况及教师的教学效果，这在一定程度上对教师的工作能力及相关评价辅助设备提出了更高的要求。
● 满足STEAM教学活动重要特征要求的ITS
1.智能教学系统
智能教学系统（ITS，Intelligent Tutoring System）是一种借助于人工智能技术，让计算机扮演教师角色实施个别化教学，向不同需求、不同特征的学习者传授知识、提供指导的适应性学习支持系统。[4]其目的是通过计算机辅助教师进行教学工作，减轻教师工作负担，并提出最佳教学计划。目前ITS的架构被分为以下四个模块：①专家模块，主要解决教什么的问题，负责提供教学内容，给出引导性问题指导学生学习，评价学习效果;②学生模块，主要解决谁在学的问题，负责了解学习者的学习特征及知识掌握程度;③导师模块，主要解决怎么教的问题，根据教学内容，提出针对性教学策略;④智能人机接口模块，主要负责输入使用者的操作及输出系统数据资源等，实现人机高效交互。
2.ITS中辅助STEAM教学活动开展的技术
（1）虚拟现实
虚拟现实技术是一种新型的人工智能技术，其与ITS的充分融合能够有效地支持ITS服务于STEAM教学活动的情境创设环节。在传统教学活动中，情境创设主要采用文字、语言、图像、视频以及实物展示等方式，其中，实物展示最接近于现实，然而受限于成本高、创设难度大、可重复利用率低等问题，它较难实现实物展示的全方位普及。而虚拟现实技术能够有效模拟现实环境，并通过各类传感设备，将用户投放到该环境中，实现用户与模拟环境的自然交互。在教学活动中，教师可以利用虚拟现实技术模拟构建各种真实环境，为学生提供各种传统技术难以实现的情境体验。学生可以借助头盔、手柄等工具，接收虚拟场景中的各种信息并获得感官刺激，实现与虚拟现实场景的交互，获得逼真的学习体验。虚拟现实技术不仅保留了实物展示的真实性，而且所需费用更低，可重复利用性更强，通过这种进阶学习的方式，可以化抽象为具体，有效引导学生学习STEAM课程蕴含的科学文化知识。例如，在STEAM课堂中涉及化学实验的分子讲解时，可通过虚拟现实技术构建分子结构，将抽象的分子活动过程转化为具体的可感可触的形象，更好地帮助学生理解实验的原理，降低其知识建构的难度，加深记忆，提高学习兴趣。
（2）智能应答
智能应答技术是一种基于自然语言处理、知识推理、文本語音和图像分析等方法而实现的智能技术，在ITS中能够有效扮演多领域的专家，是ITS及时解答学生疑惑的重要技术支撑。STEAM教学活动中的大多数“驱动性问题”都没有固定的解决途径，需要学生自行构思、探索，在这个过程中必定会遇到许多难题，在现有条件下学生一般只能求助于课程教师或者上网查找资料，但教师可能由于课程小组较多无法兼顾或者问题涉及较多专业领域知识无法及时解答，而网上资料繁杂需要学生花费很多的时间与精力在收集与筛选上，且网上过于丰富的学习资料还容易导致学生分心致使学习行为偏离既定的学习目标，这在很大程度上降低了学生的学习效率，消磨了学生的学习热情，造成学生的学习倦怠现象。而在智能应答的支持下，学生仅需要向ITS输入问题，ITS便能自动通过分析问题的词法、语法，提取问题关键，而后在资料库中搜索答案并直接回答学生的问题。
（3）智能测评
融合了智能测评技术的智能教学系统，具备了记录、判断学生学习效果的能力，能够有效处理STEAM教学活动中的海量数据，为学生提供全面的可视化评价，并为教师改进教学提供参考，有力地促进STEAM教育活动形成闭环。教学评价不仅能够及时反映学生的学习进度及学习活动开展情况，而且还能够反映教师的教学质量及学生的学习效果，有助于教师与学生及时调整学习活动，避免背离学习目标，也有助于教师收获经验，完善教学方法，因此教学评价是整个STEAM教学中极其重要的一环。STEAM教育的教学目标决定了其评价方式应当多元化，而多元化的评价方式无疑需要收集、处理、分析、统计大量的教学数据，工作量十分庞大，而整合了智能测评技术的ITS能够通过智能人机接口模块收集学生学习过程中的各类学习数据，基于系统预先设计的学习算法、大数据分析、云计算等进行自主智能评估，形成真实、客观、高效、可靠的测评结果。同时，在智能测评系统的支持下，ITS也强调动态实时的学习行为跟踪及个性化的即时反馈。ITS的智能测评功能能够有效减少教师的工作量，极大地减轻教师的负担，确保教师可以把精力更多地放在关注学生以及教学活动本身上，也有助于教师反思STEAM教学活动中的不足并形成教学改进策略，从而更高质量地开展STEAM教育。
● 总结
虚拟现实、智能应答、智能测评等人工智能技术在ITS中的整合有助于拓宽并加深ITS在教育教学中的应用，有助于解决STEAM教育活动开展过程中遇到的困难，使ITS能更好地配合STEAM教育的高效开展，助力STEAM教育的推广与发展。
参考文献：
[1]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（04）：13-22.
[2]张文兰，张思琦，林君芬，等.网络环境下基于课程重构理念的项目式学习设计与实践研究[J].电化教育研究，2016，37（02）：38-45+53.
[3]赵慧臣.美国北卡罗来纳州中学STEM学校的教学设计及其启示[J].中国电化教育，2017（02）：47-54.
[4]陈天云，张剑平.智能教学系统（ITS）的研究现状及其在中国的发展[J].中国电化教育，2007（02）：95-99.
