报告：2017高等教育版》预测，人工智能和“下一代”虚拟环境（VLEs）的实用化将作为两个重要的技术发展，对我国的教育产生重大影响。同时，报告中指出人工智能具有“增强在线学习、自适应学习和研究过程的能力，能够更直观地响应并改进与学生交流的方式”。在STEM教育过程中，倡导学生的科学探究和交流合作，这与人工智能的应用理念不谋而合，如何有效地在人工智能技术支持下，实现STEM教育跨学科之间地深度融合，促进学生在“做中学”是本研究关注的重点。
二、STEM教育的内涵、形成阶段与特征
（一）STEM教育的内涵
STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的英文首字母缩写，强调跨学科之间的融合。从概念本身来看，虽然这四门学科之间是相互独立的，但是STEM教育指的并不是四门学科的简单叠加，而是四门学科核心知识地有机整合；从价值取向来看，STEM教育旨在通过四门学科的有机整合，培养学生的STEM素养，即使学生能够综合运用科学、技术、工程和数学等相关领域知识解决生活中的实际问题，从而培养学生的创新能力和综合实践应用能力。
（二）STEM教育的形成阶段
从STEM教育形成来看，主要经历了以下四个阶段，如图1所示。第一阶段是分科课程阶段，各个学科之间是分离的，强调学科的独立性、知识的碎片化，各学科知识之间的关联性较差；第二阶段是多学科阶段，这一阶段学生从各个分离的学科中学习概念和技能，并且这些概念和技能是关于一个共同主题的，多学科阶段开始重视了各分离学科之间的关联性，并且将碎片化的知识进行组合；第三阶段是学科间阶段，强调学生从两门或多门学科中学习概念和技能，并且这些概念和技能是高度相关的，这一阶段对知识的關联性给予了高度的重视，关注了学科之间的交叉性；第四阶段是跨学科阶段，即STEM教育融合阶段，这一阶段强调以问题或项目为驱动，重视跨学科之间的知识关联性，通过解决问题或完成项目的形式，来帮助学生形成学习的经验。单一学科、多学科和学科间三个阶段是STEM教育融合阶段形成的基础，重点关注了知识和技能的形成，而跨学科阶段（STEM教育融合阶段）逐渐走向了课程的融合，注重学生创新能力的培养，其核心价值在于既保留了各个学科的特点，又能够将各学科进行灵活的交叉融合，促进各学科的发展。
（三）STEM教育的特征
余胜泉指出STEM教育有九个核心特征，分别是：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性。根据余胜泉的观点，本文认为STEM教育的核心特征主要有以下四个：
1.以问题顾目为途径
STEM教育以问题顾目为实现途径，强调在问题/项目完成的过程中，培养学生的实践能力和创新精神。STEM是科学、技术、工程和数学四门学科的交叉融合，而问题/项目是将四门学科贯穿起来的载体，在解决问题的过程中，学生能够将多门学科中的零散知识综合应用起来。教师在设计问题/项目时，应该注意以下两个方面的问题：一方面问题/项目应该来源于真实的生活情境；另一方面，问题/项目应该包含教师所要教授的结构化知识，使学生从多门学科中获取知识和技能，来帮助他们解决问题或完成项目。
2.以跨学科为核心
美国学者艾布特斯教授从“元学科”的视角对STEM进行了描述，他认为STEM教育是科学、技术、工程和数学等学科领域的知识统整，这些知识存在于真实的情境之中，并且彼此联系，相互依赖。STEM教育的核心是跨学科整合，其强调在学科整合过程中培养学生的素养与能力。在STEM教育中，跨学科指的是教育工作者不需要将教学的中心放在某个单一学科上，或者过于注重学科的边界，而是将重点放在某个特定的问题上，强调利用科学、技术、工程和数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科边界，运用多学科综合知识解决问题，从而培养学生的知识迁移能力和问题解决能力。
3.以新兴技术为支撑
在STEM教育中，学生需要具备一定的信息素养。在项目完成的过程中，学生需要具备应用信息技术的意识，并能够科学合理地利用新兴技术手段解决实际问题。STEM教育中包括了“技术”领域，其本质就是将技术知识与科学、工程和数学等知识进行有效融合，从而能够更好地促进学生生成性成果的形成，培养学生的创新能力。因此，在STEM教育中，强调将新兴技术与学生学习的各个环节进行无缝融合，增强学生的技术应用意识，提高学生的信息素养。
4.以合作探究为形式
STEM教育以合作探究为主要形式，强调学生之间要建立学习共同体，在小组探究的过程中，以互相帮助和思想碰撞的方式来建构知识体系。新课程标准中指出“信息技术环境下的学习主张学生之间要自主学习、合作学习和探究学习等方式来进行”，STEM教育正是顺应了我国新课程标准中的要求，在项目/问题的解决过程中，以小组学习为主要形式，共同探讨解决问题的方法。在STEM教育中，项目/问题往往来源于生活中的真实情境，面对真实的项目/问题，仅靠学生的“孤军奋战”是很难完成的，因此学生需要与其他同学进行交流与讨论，共同完成完成项目。
三、教育人工智能技术对STEM教育的支持
（一）教育人工智能技术概念
人工智能的英文缩写是AI，是计算机科学的一个分支，它主要是研究和开发智能理论、方法、技术和应用系统，利用计算机来模拟人的思维和行为的一门新的技术科学。人工智能可以说是一门边缘学科，涉及到控制论、语言学、心理学、计算机科学、神经心理学、信息论等领域学科。
教育人工智能的英文缩写是EAI，它是人工智能与学习科学相结合而形成的一个新领域。教育人工智能的目的是为了在人工智能技术的支持下，使教师和学生能够更清楚、更深入、更全面地理解学习是怎样发生的，并且在外界因素，如社会、经济和技术等因素的条件下，学习又是如何被影响的，如何通过灵活运用人工智能技术中的“智能”工具，为学习者地高效学习和真实体验提供支持。
（二）教育人工智能在STEM教育中的定位
技术在STEM教育中的角色定位可以从两个视角来理解，一方面，技术本身作为一个学科领域，通过STEM教育内的整合来学习。STEM教育是“科学”“技术”“工程”和“数学”的有机整合，其中包括了“技术”这一学科领域，在这一视角下，学生在STEM教育范畴内了解技术的发展历程及新兴技术的产生等技术相关知识；另一方面，技术可以被看作是支持STEM教育的外部手段，在这一视角下，技术为STEM教育中的教与学过程创造了更多的机会，为STEM教育的教与学效果提供支持。本研究中的教育人工智能并非是指STEM教育中的“技术”，而是推动STEM教育理念下学科有效融合的外部支持，如图2所示。
从图2中可以看出，教育人工智能是人工智能和学习科学相结合的一个新领域。本文认为教育人工智能技术与STEM教育是相辅相成的关系，教育人工智能技术能够为STEM教育提供支持，一方面，利用教育人工智能技术能够为学生创造一个自适应的学习环境，另一方面，学生利用教育人工智能技术能够提高学习体验，促进深度学习地发生；同时，STEM教育的发展也能够推动教育人工智能的进步，例如通过学生STEM教育的学习体验，能够为教育人工智能技术的发展提供反馈。
（三）教育人工智能技术对STEM教育的支持
人工智能技术在多个领域中都得到了广泛的应用，并产生了深刻的影响，教育作为人工智能技术应用的一个重要的领域，对人工智能的发展以及教与学方式的变革都起着推动作用。教育人工智能技术对STEM教育的支持可以从宏观和微观两个视角来进行分析，如图3所示。
從宏观视角来看，教育人工智能技术对STEM教育地支持主要是指人才培养和教学变革两个层面。21世纪技能包括了学习与创新技能（批判性思考和解决问题能力、沟通与协作能力、创造与革新能力）、数字素养技能（信息素养、媒体素养、信息与通信技术素养）与职业和生活技能（灵活性与适应能力、主动性与自我导向、社交与跨文化交流能力、高效的生产力、责任感、领导力等）。为了迎合21世纪技能的目标理念，教育人工智能技术主张关注学生在复杂的、劣构知识的解决过程中，发展学生的问题解决能力和创新能力。教育人工智能技术支持下的新型教学模式是以学习者为中心的教学模式，它改变了传统教学模式的结构、要素的组合形式，能够较好地顺应技术发展的趋势，从而推动教与学方式的变革。
从微观视角来看，教育人工智能技术对STEM教育的支持主要是指智能引导、自适应学习环境的创设、实时记录追踪、监控与反馈、资源推荐和知识共享六个方面。国外学者指出，教育人工智能应用的发展趋向主要有五个方面，其中个性化学习作为一个主要方面受到了关注。教育人工智能技术对于学生的个性化学习支持体现在多个方面，例如通过对学生学习过程的数据分析，能够准确地判断学生的学习状态；通过对学生学习成绩的数据分析，能够及时地形成评价报告，对学生的学习情况作出预判；通过对学生资源浏览的数据分析，能够判断出学生的学习兴趣等等，而这些均是依赖于教育人工智能技术对于学生的智能引导、对学习过程的实时记录与追踪和监控与反馈等。教育人工智能技术支持下的学习环境是一个集云端一体化、支持深度学习和协作共享的自适应学习环境，能够为学习者提供一种随时随地可以访问的、学习者深度参与的、跨学科解决问题的学习平台。在这种自适应的学习环境里，不论是何种水平的学习者都能够最大限度获得良好的学习体验。同时，教育人工智能技术支持下的课堂环境，学生的交互是多元化的，既包括学生与学生之间的交互，也包括学生与教师之间、学生与资源之间、学生与环境之间的交互，通过多元交互融合的方式，促进学生的知识共享。同时，人工智能技术通过学生的数据分析与挖掘，能够为学习者推荐合适的、高度相关的学习资源以匹配学生的学习需求。
四、教育人工智能技术支持下的STEM跨学科融合模式设计
本文根据STEM教育的内涵及教育人工智能技术对STEM教育的支持，尝试构建教育人工智能技术支持下的STEM跨学科融合模式，以期能够在新技术支持下，更好地实现STEM教育跨学科之间的融合。
（一）教育人工智能技术支持下的STEM跨学科融合模式设计原则
本研究认为教育人工智能技术支持下的STEM跨学科融合模式在设计时，应遵循以下三个方面的原则，分别是教学内容的趣味性和关联性、教学目标的层次性和灵活性、教学评价的多维性和多元性，如图4所示。
1.教学内容的趣味性和关联性
STEM教育注重学生在实践中应用知识与获得知识的过程，强调在过程中培养学生的问题解决能力、复合思维以及创新思维，因此，在STEM教育中的内容设计时，一方面要注重教学内容的趣味性，要关注到学生的兴趣，要将教学的内容还原到真实的生活情景中去，让学生明白知识来源于生活，了解为什么要学习知识，学习知识之后能够解决生活中的什么问题；另一方面要强调教学内容的关联性，跨学科是STEM教育的核心特征，因此，教学内容的设计应该是相互关联的，要解决的问题可能是需要多个学科中的多个知识点来完成的，从而使学生能够在“做中学”，在解决问题的过程中学会从多视角与多学科中分析与解决问题。
2.教学目标的层次性与灵活性
STEM教育关注所有的学生，包括不同认知水平、不同性别、不同文化，甚至是残疾学生等有特殊需求的学生。基于这样的理念，首先教学目标的制定应该是分层的，不同水平的学生需要达到的水平要求不应该是统一的，但是教学目标仍应该包括知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个子目标；其次STEM教育关注创新能力的培养，所以STEM教育的子目标应该突出关注学生创造思维能力的培养，教学目标应该明确并合理地描述出知识应达到的理解深度，从而形成有梯度并且有深度的目标体系；最后教学目标应该注重灵活性，课堂教学必须要有预设目标，但是课堂教学永远存在着不可预测性，教师在课堂上面对的是全体学生，而每一名学生又是独特的个体，所以教学目标应该具有灵活性，教师需要根据课堂的实际情况，迅速调整教学目标。
3.教学评价的多维性与多元性
STEM教育的评价融合了项目教学评价和传统教学评价，如下页图5所示。这种评价方法应该是贯穿整个学习过程中的，能够为教师和学生提供动态的反馈，是面向三维学习目标，针对学习过程和学习成果的多维、多元评价。STEM教育应该将评价做先导，用量规的形式，全程引导和推动学习，激励学生高度投入，生成最佳的学习成果。通过教育人工智能技术，采集学生在学习过程中产生的数据，为教师和学生提供动态的、实时的、个性化的评价与反馈，从而及时调整教与学的进程。
（二）教育人工智能技术支持下的STEM跨学科融合模式设计过程
根据STEM教育的特征、教育人工智能技术对STEM教育的支持以及设计原则，参照项目学习的设计模式，本文从教学环境、教学目标、教学内容、学习活动、教学评价五个方面，设计了基于教育人工智能技术支持下的STEM跨学科融合模式，如图6所示。
1.学习活动设计
学习活动不仅是整个模式的核心，同时也是落实STEM教学目标的载体。STEM教育中强调跨学科的知识整合，所以教学的内容应该转化为可实施的项目，学习活动应该以项目或问题解决为主的小组合作探究形式。根据项目学习模式的环节设计，本研究认为STEM跨学科融合模式应该包括“选择学习项目—制定项目计划—执行项目计划—作品制作”四个主要阶段，各个环节之间相互关联、相互依赖。在选择学习项目阶段之前，教师应该借助教育人工智能的支持，为学生呈现真实的问题情境，学生在体验情境之后，发现存在的问题，并构想解决问题的方案，即制定项目计划；第二，在小組交流讨论之后，抉择出可行的实施方案；然后通过利用多学科知识（至少两门以上），归纳跨学科知识地图，以小组探究的形式，共同制作作品。钟绍春提出思维经验积累的五角模型，如图7所示，旨在通过让学生经历过程之后，实现创新思维能力、问题解决能力、高阶思维能力等的发展。STEM教育强调创新思维能力的培养，注重学生的“做中学”，所以STEM跨学科融合模式应该使学生在经历了“发现一构想一抉择一归纳一评价”的过程之后，实现思维经验的积累，最后培养学生的创新能力。
2.教学环境设计
教学环境是一个由多种不同要素构成的复杂系统，它是指影响教学活动的全部条件，包括物理环境和社会心理环境，具体如下页图8所示。从广义来说，物理学习环境设计包括设施环境、自然环境和时空环境。STEM教育在设计时，我们主要关注物理设施、时空环境和社会心理环境的设计，如教室桌椅、教室灯光、课堂氛围、教室空间、教学资源与工具等都是影响学生学习效果的重要因素。本文中所指的教学环境是基于教育人工智能技术支持下的教学环境，可以说是一个智能的教学环境。在教育人工智能技术支持下，首先，该环境能够自动感知教室的温度和灯光，从而为学生提供一个温馨的、舒适的学习场所；其次，在该环境下，能够根据小组学习的需求，随意调整班级的桌椅，便于学生的交流讨论；最后，在教育人工智能技术的支持下，能够实现学生与学生、学生与教师、学生与资源的多元交互，从而营造一个平等的、和谐的学习氛围，形成一个自适应的学习环境。
3.教学目标设计
STEM教育的目标是为了借助教育人工智能手段，使学生以小组合作探究的形式，经历动手实践，综合运用多种学科知识来解决问题，最终培养学生的创新能力、学科素养、问题解决能力等。STEM教育目标需要通过各个子教学目标来落实，在关注STEM教育的总目标指导下，教学目标的各个子目标设计应该突出关注思维层次的目标，在学习活动序列完成之后，都要有相应的学习成果，而这些成果都应该是面向本节课的教学目标的。同时，学习活动序列完成的过程，即是教学目标达成的过程。此外，由于STEM教育强调关注所有的学生，所以教学目标的设计应该是有层次的，注重不同学生的学习水平差异，促进学生的个性化学习。
4.教学内容设计
为了能够实现STEM跨学科的深度融合，教师应该把教学内容转化为一个个可操作的具体项目/任务，在设计教学内容时，应该着重注意以下几点：第一，教学内容的选择应该是与学生生活实际息息相关的，这样才能激发学生的学习兴趣；第二，教学内容的选择应该是跨学科领域的，这样才能使学生通过多学科、多视角、多分析来解决实际问题；第三，教学内容的选择应该是劣构的与复杂的，学生需要通过小组合作探究，同时借助信息技术手段来共同完成。这样才能够使学生通过在“做中学”的方式，来真正参与到项目学习中去，实现学科之间的深度融合。
5.教学评价设计
STEM教育的评价应该是以贯穿学生的整个学习过程、能够动态反映学生学习成果的过程性评价为主的，总结性评价为辅的多元评价方式。在教育人工智能技术支持下，能够监控与记录学生的整个学习进程。通过大数据分析技术，对学生学习过程中产生的数据进行分析，不仅能为学生提供推荐个性化的学习资源，而且能为教师和学生提供及时的反馈，实现动态的过程性评价。在评价的内容方面，除了检验学生的知识理解情况之外，STEM教育评价将关注的重点放在了学生的课堂参与性、积极性和思维发展等方面。由于STEM教育强调跨学种性，所以对学生的评价也关注了学生知识的融会贯通能力。STEM教育的评价只是对学生进行评估的一个手段，并不是最终的目的，其最终是为了使学生能够对自己的学习过程有一个最终的认识，并且能够将评估的结果化为学习的动力。
五、结束语
STEM是科學、技术、工程和数学四个单词的首字母缩写，从字面来看，STEM教育是分科的，代表着四个独立的学科领域。但是，深入理解来看，STEM教育又是整合的，强调将相关的课程进行有机的交叉融合，这也是我们今天所强调的融合教育。随着网络技术、人工智能技术不断发展的今天，如何借助新兴技术的支持，来推动STEM教育的发展，促进STEM跨学科之间的有效融合是本研究关注的重点。本文首先从不同视角对STEM教育的内涵、发展阶段与特征进行了解析；其次，在阐释了教育人工智能概念的基础之上，论述了教育人工智能技术对STEM教育的支持；最后，在教育人工智能技术的支持下，构建了基于人工智能技术支持下的STEM跨学科融合模式，并从学习活动设计、教学环境设计、教学目标设计、教学内容设计和教学评价设计五个方面该模式进行了阐释，以期能够更好的促进跨学科之间的融合。