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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