【摘 要】本研究在剖析生成式人工智能的技術(shù)特點與優(yōu)勢基礎(chǔ)上，探討其在跨學科教學設(shè)計中的具體應(yīng)用場景，并以“小小太陽能車的設(shè)計與制作”為例，提出了應(yīng)用生成式人工智能開展跨學科教學的具體策略，以期促進跨學科育人成效的提升，推動教育高質(zhì)量發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】生成式人工智能；跨學科教學；教學設(shè)計

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）09-011-03

引 言

《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》中明確要求“各門課程用不少于10%的課時設(shè)計跨學科主題學習”，強調(diào)“開展跨學科主題教學，強化課程協(xié)同育人功能”?？鐚W科教學深化課程教學改革，成為發(fā)展學生核心素養(yǎng)的重要舉措。然而，目前的跨學科教學存在教學目標不明確、師生的角色作用不清和缺乏有效評價等問題，使得跨學科教學實施困難重重。因此，本研究將深入探討如何利用生成式人工智能賦能跨學科教學，優(yōu)化跨學科教學設(shè)計，為一線教師的教育教學提供借鑒和參考。

相關(guān)概念界定

1.生成式人工智能

生成式人工智能（Gen AI）是一種人工智能技術(shù)，能夠根據(jù)用自然語言編寫的提示詞自動生成內(nèi)容，內(nèi)容呈現(xiàn)形式包括用自然語言編寫的文本、圖像、視頻、音樂和軟件代碼[1]。生成式人工智能以先進算法、強大算力和海量數(shù)據(jù)作為支撐[2]，具備啟發(fā)性內(nèi)容生成、對話情境理解、序列任務(wù)執(zhí)行、程序語言解析四項較為突出的核心能力[3]，在教育領(lǐng)域發(fā)揮重要影響，能夠促進教學模式、評價體系和智能教育應(yīng)用生態(tài)的轉(zhuǎn)變[4]，重塑教學生態(tài)。

2.跨學科教學

跨學科教學是學科教學的補充。于國文等認為，跨學科教學是跨越學科之間的界限，在注重各學科內(nèi)在邏輯的基礎(chǔ)之上建立學科間的聯(lián)系，并將學科進行整合，進而在教學實踐中實施整合后的多學科融合教學[5]；田娟等認為跨學科教學是課程形態(tài)與教學策略的合體，作為一種課程形態(tài)，屬于“整合課程”或“綜合課程，作為一種教學策略，在具體操作上表現(xiàn)為以問題為中心的教學模式[6]；李洪修等認為跨學科教學是一種以主題或議題為載體，融合兩門以上學科的知識、方法等，以問題解決為導向的教學活動[7]。

綜上所述，跨學科教學是一種教學方法和理念，將不同學科領(lǐng)域的知識和概念相互關(guān)聯(lián)和整合，以幫助學生建立跨學科的思維能力和綜合應(yīng)用能力，以應(yīng)對現(xiàn)實生活中的復雜問題。

生成式人工智能賦能跨學科教學的分析

在跨學科教學中，生成式人工智能具有提供個性化及創(chuàng)造性學習支持、跨學科知識整合、虛擬實驗和模擬、自動化評估和反饋、智能對話和輔導等功能，能夠促進學生綜合能力和跨學科思維的發(fā)展。

1.提供個性化、創(chuàng)造性學習支持

生成式人工智能根據(jù)學生的個體差異和學習需求，提供個性化的學習支持，為每位學生定制適配的學習材料和練習題，提供創(chuàng)造性學習的支持和啟發(fā)，激發(fā)學生創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維。

2.支持跨學科知識整合

生成式人工智能助力學生整合不同學科知識。學生通過智能搜索和推薦功能，獲取相關(guān)學科資源，促進交叉學習，培養(yǎng)綜合思維能力。

3.創(chuàng)建虛擬實驗和模擬環(huán)境

生成式人工智能可以創(chuàng)建虛擬實驗和3D模擬環(huán)境，支持跨學科實踐和探索，使學生獲得實踐經(jīng)驗和技能。在虛擬實驗中，學生可以在安全的環(huán)境中進行科學實驗、工程設(shè)計等活動，提高實踐能力和問題解決能力。

4.自動化評估和反饋

生成式人工智能可以自動評估學生的學習成果和能力水平，通過分析學生的作業(yè)、測驗和考試相關(guān)答案，提供實時評價和反饋，幫助教師更好地了解學生的學習進展。

5.智能對話和輔導

生成式人工智能扮演教師和助教的角色，與學生智能對話，營造交互式學習環(huán)境。學生借助生成式人工智能尋求問題解答和指導，促進知識理解和應(yīng)用。有研究表明，借助生成式人工智能可以顯著提高學生學業(yè)成績。

生成式人工智能賦能跨學科教學設(shè)計

本文基于《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒”“工程設(shè)計與物化”核心概念，以“小小太陽能車的設(shè)計與制作”為主題開展跨學科教學活動，綜合運用科學、信息科技、數(shù)學和美術(shù)等學科知識，引導學生完成太陽能車的設(shè)計與制作，實現(xiàn)跨學科知識整合與應(yīng)用，培養(yǎng)項目設(shè)計與實踐能力，增強環(huán)保意識與可持續(xù)發(fā)展理念。

1.學習者特征和學情分析

本項目教學對象為小學六年級的學生，小學六年級學生具有較強的好奇心和探索欲，對自然界存在的各種形式的“能”有初步了解，能利用工具制作簡單的實物模型；對新技術(shù)有著濃厚的興趣且能快速適應(yīng)，更傾向于使用數(shù)字化工具和資源來學習，具備一定的數(shù)字素養(yǎng)；在數(shù)學方面，已經(jīng)掌握基本的運算和圖形知識；在美術(shù)方面，具備一定的繪畫和手工制作能力。這些基礎(chǔ)知識為“小小太陽能車的設(shè)計與制作”項目順利實施提供有力支持。

2.教學目標創(chuàng)新生成

本文通過“文心一言”人工智能工具，從科學、信息科技、數(shù)學和美術(shù)等學科的視角出發(fā)，圍繞“知識+素養(yǎng)”制定教學目標。在與生成式人工智能對話的過程中，默認的教學目標是圍繞三維目標設(shè)定，隨著限定條件細化（即提示詞優(yōu)化），教學目標更加清晰，生成式人工智能也會根據(jù)上下文來調(diào)整內(nèi)容生成，從而一步步貼近最終的目標。

經(jīng)調(diào)整，最終確定的教學目標為：（1）引導學生將科學知識（如太陽能原理、機械結(jié)構(gòu)）、信息科技知識（如模型設(shè)計制作、信息檢索）、數(shù)學知識（如外觀結(jié)構(gòu)、性能測試）以及美術(shù)知識（如車身設(shè)計）等跨學科知識整合起來，實現(xiàn)知識的綜合運用和解決實際問題；（2）以項目為導向，通過太陽能車的設(shè)計、制作和測試，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力、問題解決能力和團隊協(xié)作能力；（3）引導學生認識可再生能源的重要性，理解科技創(chuàng)新與環(huán)境保護的緊密聯(lián)系，增強環(huán)保意識和可持續(xù)發(fā)展理念。

3.教學評價智能多元

生成式人工智能支持包括學生自評、同伴互評、教師評價在內(nèi)的多元評價，全面評價學生的學習情況。首先，生成式人工智能根據(jù)教學目標生成對應(yīng)的教學評價量表，教師要提供不同的指令，對評價量表進行多輪調(diào)整和修改，最終得出滿意的評價量表。該量表包括學科知識整合、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、問題解決能力、團隊協(xié)作能力和環(huán)保意識與可持續(xù)發(fā)展理念5個維度，各維度包含細分的評價指標內(nèi)容，總分100分。其次，生成式人工智能可以自動批改學生的作業(yè)、作品，提供詳細的評價意見和改進建議。最后，生成式人工智能可以協(xié)助學生自評、學生間互評和教師評價，智能分析評價數(shù)據(jù)信息，生成個性化的反饋報告。

4.教學資源推薦生成

通過生成式人工智能的智能搜索和生成功能，學生可以獲取相關(guān)的學科知識、資源，支持跨學科教學的實施，促進不同學科之間的交叉學習和綜合應(yīng)用?！靶⌒√柲苘嚨脑O(shè)計與制作”使用的教學資源主要有視頻（太陽能的介紹視頻及應(yīng)用場景圖片、太陽能車的設(shè)計與制作教學視頻）、教案、課件（具體教學內(nèi)容呈現(xiàn)）、教學和評價工具（智能對話和評價）、跨學科項目指南、試題和作業(yè)等。

5.教學過程個性化輔導

生成式人工智能通過個性化內(nèi)容推薦、實時互動問答、個性化學習任務(wù)、智能分組以及學習支持等方式，為學生們提供了一個全新的學習體驗，不僅提高了學習效率，還培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新和批判性思維能力。借助“文心一言”工具，從以下六個環(huán)節(jié)對“小小太陽能車的設(shè)計與制作”跨學科教學過程進行設(shè)計。

（1）情境導入，發(fā)現(xiàn)問題。教師播放太陽能車的圖片和視頻，展示太陽能車實物，讓學生觸摸并感受其構(gòu)造，引導學生討論太陽能車的用途和原理。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在智能推薦太陽能車的視頻教學資源。

（2）任務(wù)驅(qū)動，分析問題。教師提出設(shè)計制作太陽能車的挑戰(zhàn)任務(wù)，引導學生分析設(shè)計制作太陽能車需要解決的關(guān)鍵問題。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在創(chuàng)建和展示多種設(shè)計的太陽能車概念，為學生提供更多靈感；生成思維導圖框架的擴展內(nèi)容，幫助學生更全面地理解主題。

（3）團隊組建，分工協(xié)作。教師根據(jù)學生興趣和特長，引導學生組建團隊，指導學生進行團隊分工，明確各自職責。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在輔助團隊進行任務(wù)分配，基于成員的技能和興趣提供個性化建議。

（4）知識準備，方案設(shè)計。教師指導學生查閱資料，了解相關(guān)知識，指導學生制定設(shè)計方案，使用多種數(shù)字化工具（如3D建模軟件）繪制草圖。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在提供個性化的學習建議和資源推薦，幫助學生快速生成多種設(shè)計方案，加速設(shè)計迭代過程，并提供設(shè)計反饋。

（5）學習支持，方案驗證。教師提供實驗器材和工具，支持學生開展實踐活動，巡視指導，解答學生在實踐中遇到的問題；指導學生進行太陽能車的性能測試，探究影響太陽能小車速度的因素，如受光面積、受光角度與速度的關(guān)系等；分析學生測試結(jié)果，找出設(shè)計中的不足并提出改進方案，提供改進材料和技術(shù)支持，幫助學生完善設(shè)計。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在預測學生在制作和組裝過程中可能遇到的問題，并提供相應(yīng)的解決方案；提供在線技術(shù)支持，實時解答學生在實踐過程中遇到的技術(shù)問題。

（6）解決問題，匯報展示。教師組織學生展示太陽能車成品，并進行評價，引導學生分享設(shè)計過程中的經(jīng)驗和教訓，總結(jié)設(shè)計過程，提出改進建議。在該環(huán)節(jié)，生成式人工智能應(yīng)用主要體現(xiàn)在幫助學生制作PPT或視頻素材，豐富展示內(nèi)容，分析學生的反思總結(jié)，提供改進方向和進一步學習的建議。

結(jié) 語

生成式人工智能技術(shù)與教育深度融合是我國推進教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略要求，生成式人工智能為跨學科教學有效實施提供重要支持。本研究通過跨學科教學案例分析，為教師提供了行動路徑的具體指導，助力跨學科教學深入有效實施，進而發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。同時，我們也不能忽視生成式人工智能的數(shù)據(jù)質(zhì)量與偏見問題、倫理和道德問題等潛在風險挑戰(zhàn)，需加強師生的風險意識教育，提高師生識別潛在風險并妥善處理的能力，確保技術(shù)的安全、合規(guī)應(yīng)用。

注： 本文系廣東省教育科學規(guī)劃2023年度中小學教師教育科研能力提升計劃重點項目課題“數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下中小學教師跨學科教學能力培養(yǎng)的研究”（課題編號：2023ZQJK004）、廣州市越秀區(qū)2022年度教育科學規(guī)劃課題“區(qū)域小學教師數(shù)字素養(yǎng)現(xiàn)狀分析及提升策略研究”（課題立項編號：越教類〔2022〕34號）的研究成果

參考文獻

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