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生產力的核心驅動力量，正通過顛覆性技術為科教融合賦能。人工智能賦能STEM教育的重點在于建立新場景及開發(fā)新應用，目前已創(chuàng)造游戲化學習、社交化學習、協(xié)同學習式、自主學習型、問題驅動式、項目探究型六種新場景并開發(fā)了評價、管理、教學、課堂學習以及課外學習五大類大模型應用。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”的內在機理，融合成效的關鍵在于教師，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。

關鍵詞：人工智能；STEM教育；科學教育；人機協(xié)同

在世界百年未有之大變局下，人工智能技術正呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢，引領新一輪科技革命和產業(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。習近平總書記強調：“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”。教育作為前沿技術的重要實踐領域引人注目，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。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以及助力中國式現(xiàn)代化目標實現(xiàn)所必須思考的時代命題。

一、人工智能是塑造新質生產力的核心驅動力量

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)，其歷程長達上百萬年。在人類五千余年的科學文明史上，農耕文明占據(jù)了數(shù)千年的時間，其特征表現(xiàn)為以農業(yè)生產為主要經(jīng)濟活動，社會結構相對穩(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，與農耕時代相比，其發(fā)展速度顯著加快，生產力得到了極大提升，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?；诖?，我們有必要回溯并深入思考，究竟是什么力量在背后驅動著人類科學技術與生產力如此迅猛地發(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)，深刻揭示了物質世界的基本組成原理，使人類對物質的認知從宏觀表象深入至微觀本質，為眾多科學領域發(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，卻構建起了當今龐大而復雜的數(shù)字世界與虛擬世界架構，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，在物質世界的能量傳輸與轉換以及數(shù)字世界的能源供應與驅動方面均占據(jù)著統(tǒng)治性地位，深刻改變了人類的生產與生活方式。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生產力

認識世界和改造世界是人類矢志不渝的目標追求，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知的疆域，為人類在新時代認識世界、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手段進行初步探索與信息挖掘。當下人工智能主要是通過兩種途徑為人類認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)揮關鍵作用。例如，模式識別技術，能夠對復雜的數(shù)據(jù)模式與特征進行精準識別與分類；人臉識別技術廣泛應用于安防監(jiān)控、身份認證等眾多領域；機器人的各類行動控制以及自動駕駛技術日益成熟，將人工智能的判別決策能力融入實際生產生活場景，極大提高了生產效率與生活便利性。其場景背后的核心數(shù)據(jù)邏輯基礎是概率和數(shù)據(jù)統(tǒng)計當中的條件概率分布，人工智能依據(jù)特定條件與數(shù)據(jù)特征做出的精準判別決策，為人類提供高效、準確的指引。

其二，生成式人工智能在創(chuàng)造性領域實現(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，在內容創(chuàng)作方面，可根據(jù)主題生成有質量與創(chuàng)新性的文本；在人機交互領域，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；在產品方案設計方面，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)計當中的聯(lián)合概率分布，憑借這種簡單而高效的數(shù)據(jù)驅動模式，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）科學的本質是問題的量化計算

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。歷史上從來沒有一項技術像計算技術那樣，僅70余年時間就影響和改變人類社會的一切，其核心變革力量在于將傳統(tǒng)的不可計算問題轉化為可量化、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用中未必有廣泛的直接用途，但其背后所折射出的深刻內涵在于人類認識世界與改造世界的能力通過借助計算技術實現(xiàn)了質的飛躍。

習近平總書記在2024年“科技三會”上作出精準且極具前瞻性的研判：“科學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，不斷突破人類認知邊界。”如今，人類不僅能夠敏銳發(fā)現(xiàn)并巧妙利用物質世界固有的規(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”為代表的智能技術與科學研究的耦合正深刻改變著常規(guī)科學的研究進程，并引發(fā)一場關于科學研究的范式革命。圖靈獎獲得者吉姆·蓋瑞將科學發(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)象與實驗結果的直接經(jīng)驗觀察，通過歸納總結大量觀察數(shù)據(jù)，提煉出一般性的規(guī)律與結論，并據(jù)此做出初步判斷與預測。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)方法論表述和總結這些結果，所以這一階段的科學研究是相對粗糙的。但這種范式在科學研究的早期階段發(fā)揮了重要作用，是人類認識自然的基礎方式之一。

二是理論范式，側重于運用數(shù)學工具與邏輯推理對自然現(xiàn)象進行精確的描述與嚴謹?shù)耐蒲?，構建起具有因果邏輯關系的理論體系。通過清晰的數(shù)學語言描述，科學家能夠對自然規(guī)律進行抽象化表達與深入分析，從而揭示事物背后的本質聯(lián)系與內在機制，為科學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雜的數(shù)學方程，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，科學家能夠在虛擬環(huán)境中對各種科學假設與理論模型進行驗證與優(yōu)化，大大縮短了科學研究周期，提高了研究效率，為解決復雜科學問題提供新的有效手段。

四是數(shù)據(jù)驅動范式，基于機器學習與大數(shù)據(jù)分析技術，從海量數(shù)據(jù)中挖掘發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的相關性與潛在規(guī)律。在當今大數(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、跨學科、跨領域的新范式。在這種新范式下，經(jīng)驗觀察數(shù)據(jù)可作為人工智能學習的基礎素材，理論模型為人工智能的算法設計與邏輯構建提供指導，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，物理學獎、化學獎均授予了專注于人工智能與機器學習在科學研究中應用的科學家，這一現(xiàn)象充分彰顯了新型科研范式與手段在當代科學研究領域的極端重要性與關鍵影響力，標志著科學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)適配度的關鍵機制

面對新一輪科技革命和產業(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，如何培育引領科技發(fā)展趨勢的杰出人才已成為舉國關切的核心議題。強化STEM教育、培養(yǎng)適應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革新浪潮，能否培養(yǎng)出擁有核心技術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，科學技術從發(fā)現(xiàn)到轉化為實際生產力的周期長達30~60年，且基本遵循科學發(fā)現(xiàn)、技術創(chuàng)新、工程應用這一邏輯鏈條，科技發(fā)展得以保持有序性和穩(wěn)定性。進入21世紀以來，科學技術轉化為生產力的速度逐步加快，周期大幅縮短至1~3年，亟需教育體系迅速響應科技前沿的發(fā)展，及時調整人才培養(yǎng)策略以適應快速變化的市場需求。但高等教育是一個慢變量，學科設置、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)新中的引領作用，也影響了國家整體科技競爭力的提升。

二是人類的學習速度遠落后于科技的發(fā)展速度。在人類文明發(fā)展的漫長歷程中，人類的學習速度與技術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、技術迭代導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域內的知識更新和競爭力，就必須不斷地學習和再教育，以適應不斷變化的技術環(huán)境。這一趨勢加重了人類的學習負擔和“內卷”現(xiàn)象，學生不得不延長在校學習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。

三是科學教育與產業(yè)界的科技發(fā)展偏差變大。過去，大學作為知識與技術的搖籃，承擔著將新知識、新技術以及新理念向社會輸送的重要角色。學術界的研究成果往往能夠引領產業(yè)界的技術革新，成為行業(yè)發(fā)展的風向標。在當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)科技領先于大學的情況日益普遍，許多前沿技術、創(chuàng)新理念以及應用實踐首先在產業(yè)界得以實現(xiàn)和驗證，而后被學術界所關注和研究。這一模式挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)大學作為知識創(chuàng)新源頭的地位，也使得教科書難以代表學術界的最新進展和發(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的責任更為關鍵。為有效應對挑戰(zhàn)，須充分挖掘并發(fā)揮高校在基礎科學研究與應用技術研發(fā)領域的獨特優(yōu)勢與深厚積累。強化科學教育成為至關重要的戰(zhàn)略選擇，即聚焦STEM教育的全面推廣與深化。優(yōu)化課程設置、加強實踐教學、促進跨學科融合，大學得以更有力地培養(yǎng)復合型人才，為高素質科技創(chuàng)新人才戰(zhàn)略儲備奠定堅實基礎。STEM教育符合歷史唯物主義、科學技術是第一生產力的基本規(guī)律，為人類認識世界、描述世界、改造世界、建設世界提供強有力的思想武器與實踐工具。正如著名科學家馮·卡門所言：“科學家研究已有的世界，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、技術、工程和數(shù)學這四個各具特色但又緊密相關的領域有機整合，構建了一個完備的教育體系。在該體系中，科學的核心任務在于揭示物質世界與人類社會的發(fā)展規(guī)律，為人類提供認識世界的鑰匙；技術則主要承擔發(fā)明創(chuàng)造的重任，通過技術手段改造世界；數(shù)學以其嚴謹?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、技術、工程和數(shù)學四者有機聯(lián)系，應用于人才培養(yǎng)的實踐，培養(yǎng)跨學科的綜合素養(yǎng)，是當前及未來高等教育應當遵循的基本邏輯。

（三）人工智能時代強化STEM教育的理論與現(xiàn)實訴求

培養(yǎng)學生具備扎實的科學認知邏輯，完成從基礎的數(shù)據(jù)延伸至深層次的信仰構建，是教育的核心任務之一。建構過程涵蓋了從數(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教育內容的遞進性與系統(tǒng)性，也折射了人類作為認知主體，在認知世界、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、邏輯的應用能力和科學研究能力，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、信念和信仰高級認知結構的要素時，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，蘊含了情感、價值觀、文化認同等因素，這些復雜且多變的因素共同塑造了人類認知的深層次維度，這是人工智能憑當前技術水平遠無法模擬和替代的。但隨著技術的持續(xù)進步，尤其是在深度學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等領域的突破性進展，人工智能在理解并模擬人類認知高級功能方面的潛力正被不斷挖掘?？梢灶A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知之間的關系，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該具有足夠的韌性來面對未來技術和世界的變化，具備更多的高階思維以及同理心、團隊協(xié)作能力和領導力等能力。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地點，而是包括學生、教師、時間、空間、學習內容、技術工具，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)模與質量直接關系到國家科技創(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，開創(chuàng)新的教育場景，進行創(chuàng)新的教育應用。目前人工智能技術賦能STEM教育已開創(chuàng)許多新穎場景，大致可以分為游戲化學習、社交化學習、協(xié)同學習式、自主學習型、問題驅動式、項目探究型6種新場景模式。

人工智能為學習者提供智能虛擬學習助手、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、監(jiān)督學習者在游戲化學習中完成目標。人工智能技術與社交互嵌，促進傳播從移動化、社交化到智能化、數(shù)據(jù)化，優(yōu)化了學習社區(qū)的建設，搭建了新的社交化學習場景。在教育場景廣泛應用人工智能技術有助于學生在學習中實現(xiàn)“人人協(xié)同”，并且具備對話情境理解和內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)，與元宇宙結合可為教育應用提供切實的人機協(xié)同學習場景。人人協(xié)同、人機協(xié)同等智慧學習方式有助于提升學生的學習積極性，推動學生借助人工智能技術進行自我學習和自我革新。人工智能可根據(jù)需求制定個性化的學習計劃并搭建虛擬學習環(huán)境，為學生提供個性化的自主學習場景。在學生的自主學習中，人工智能亦可扮演教師角色對學生進行智能提問以及根據(jù)學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任師生溝通橋梁，搭建問題驅動式的教育新場景。同樣，人工智能技術亦可作為智能化項目管理工具，提供智能的評估指導、反饋答疑，協(xié)助教師和學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)新應用。新的教育場景伴隨新的教育應用，人工智能技術賦能STEM教育的另一重點是為STEM教育提供新應用。首先，人工智能技術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。人工智能技術可以將大數(shù)據(jù)知識工程應用于STEM教育，提供具有內化性的知識圖譜，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，在STEM教育中建立師生特征全息畫像，根據(jù)學生的學習內容進行個性導航。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)產生了重大沖擊和影響，尤其在教育領域，對教學、學習和育人產生重大影響。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、教學內容以及學習體驗的轉型與創(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、課堂學習以及課外學習，在信息檢索、知識點舉例、洞察問題、撰寫教案、總結文本等多個教育場景為教師和學生提供智能化幫助。人工智能在賦能教育領域的過程中，推動了教學模式的創(chuàng)新和學習體驗的升級，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。

（二）人工智能賦能科學教育的實踐案例

人工智能在賦能科學教育新場景、新應用的同時，也給科學教育的發(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的巨大潛力，為科學教育發(fā)展注入前所未有的活力與動力。同濟大學作為理工見長的研究型大學，已把人工智能深刻融入科學教育、工程教育之中。例如，2024年同濟大學土木工程學院自主研發(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備案的大模型，這是知識工程與土木工程學科交叉的研究成果，是同濟大學探索以數(shù)智化驅動傳統(tǒng)工科轉型升級的創(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)的模型訓練，實現(xiàn)了對土木工程領域復雜知識體系的精準理解和高效推理。不僅擁有龐大的數(shù)據(jù)庫，CivilGPT還采用基于同濟大學自主構建的土木工程專業(yè)知識圖譜增強的混合架構，包括11000多個知識點和13000余條關系，能夠智能定位薄弱知識點，為學生推薦個性化學習路徑，同時還融合了交通、環(huán)境、力學、材料等多個工程領域知識，有助于學生應對跨學科工程問題。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習模式。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，同濟大學將人工智能技術應用于土木工程學科的轉型升級，其核心在于將人工智能深度融入土木工程基礎設施規(guī)劃、設計、建造和維護、保養(yǎng)的全生命周期，創(chuàng)新土木工程科學、技術與工程的發(fā)展。將人工智能的重要功能，如深度學習、計算機視覺、無人系統(tǒng)、3D打印、BIM技術，從規(guī)劃、設計、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，同濟大學還探索多學科交叉的發(fā)展路徑，將土木工程與人工智能技術深度融合，同時吸收材料科學、交通工程、環(huán)境工程等領域的前沿成果，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，同濟大學將人工智能應用于新場景、新應用的開設，如在建筑墻體、地下管網(wǎng)等安全監(jiān)測與風險識別場景中，研制出封閉空間自主巡檢機器人，借助人工智能技術克服磁場屏蔽、GPS導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高效識別墻體信息。在醫(yī)療健康中，以人工智能技術促進醫(yī)工結合，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、解決問題的認知規(guī)律，核心是培養(yǎng)學生的創(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)之間的各種內在關聯(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在邏輯關系，核心是培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力、創(chuàng)新精神，提高學生的計算和分析問題能力，同時為不同學科之間的學術交流提供新的合作空間。而教師在其中發(fā)揮著關鍵作用，人工智能與STEM教育融合需要做好教師角色與素養(yǎng)的重構轉型，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變?yōu)閷W生學習的引導者。在傳統(tǒng)的教育模式下，學生的知識來源單一化，但在人工智能快速發(fā)展的當下，學生獲取知識的渠道豐富多樣。為此，教師教學的內容不應局限于具體的知識點，而應該引導學生學會合理利用人工智能進行自主學習，激發(fā)學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，學會將人工智能靈活運用到STEM教育教學之中。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筑奠定堅實基礎，其遠景目標是為處于數(shù)字智能時代的學生的學習進程與全面發(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，避免技術的“物化”和“異化”。習近平總書記在全國教育大會上強調：“要緊緊圍繞立德樹人根本任務，朝著建成教育強國戰(zhàn)略目標扎實邁進”。人工智能作為一種強大的技術工具，應將其與人文關懷相結合，確保技術的應用不會把學生“物化”為技術的附屬品，在培養(yǎng)學生STEM素養(yǎng)的同時，注重其德智體美勞全方位提升，使學生成為具有社會責任感、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，提升教育教學效率和質量；另一方面，要牢記育人本質，技術只是輔助手段，不可泯滅技術應用中的人本位。教育者要根據(jù)學生的特點和需求合理運用人工智能技術，避免盲目依賴技術而忽視師生互動、情感交流等教育的關鍵環(huán)節(jié)，確保技術始終服務于學生的成長和發(fā)展。

三是強化教師角色，引導學生思維創(chuàng)新，超越知識傳授局限。教師在人工智能賦能STEM教育中扮演著至關重要的角色。他們不應僅僅是知識的傳播者，更應成為學生思維和創(chuàng)造力的啟迪者。教師要引導學生深入思考問題的本質，培養(yǎng)他們獨立解決問題的能力，鼓勵學生勇于質疑、敢于探索未知。在教學過程中，借助人工智能提供的資源與模擬環(huán)境，設計富有啟發(fā)性的教學活動，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

四是培育學生素養(yǎng)，培養(yǎng)批判性思維，不依賴人工智能現(xiàn)成答案。學生作為學習的主體，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，學生應保持理性與質疑態(tài)度，學會甄別信息真?zhèn)?、?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課程學習中，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，并對結果反思改進，從而養(yǎng)成獨立思考與創(chuàng)新習慣。

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，應構建更為科學、全面的評價機制，著重考量學生思維能力、實踐能力與綜合素養(yǎng)等。評價內容多樣化，評價方式應多元化。借助人工智能技術采集與分析學習過程及成果數(shù)據(jù)，為全面、客觀評價提供支撐，引導學生關注自身能力與素質提升，而非局限于分數(shù)追逐。

作者：鄭慶華，同濟大學校長、教授，中國工程院院士

來源：《中國高教研究》2025年第1期