“GAI-虚拟数字人”赋能跨学科项目式教学模型构建与应用-以普通高中技术“智慧农场”项目为例

“GAI-虚拟数字人”赋能跨学科项目式教学模型构建与应用——以普通高中通用技术“智慧农场”项目为例摘

要：人工智能、物联网、元宇宙、生成式人工智能等新技术的飞速发展，催生了GAI与虚拟数字人在教育教学中的应用，促进了数智融合和技术赋能教与学，提升了教师数字素养，减轻了教学负担，推动了教育高质量发展。该研究以建构主义和具身认知理论为基础，以GAI和虚拟数字人为技术支撑，以普通高中技术课程标准为依据，以跨学科项目式教学为主线，构建了“GAI-虚拟数字人”赋能跨学科项目式教学模型，通过普通高中通用技术“智慧农场”项目教学案例的应用，分析“GAI-虚拟数字人”赋能跨学科项目式教学模型的应用成效，以期为数智赋能教学实践提供参考与借鉴。关键词：数智融合；GAI；虚拟数字人；跨学科；项目式；教学模型一、问题的提出在人工智能、物联网、虚拟现实、元宇宙、生成式人工智能（GenerativeArtificialIntelligence，简称GAI）等新兴技术飞速发展的背景下，智能技术深度融入教育教学全过程，实现了数智融合、技术赋能教育教学创新，提升了教学质量。2022年，工业和信息化部、教育部等五部门联合发布的《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022-2026年）》明确指出，在中小学校建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地，面向实验性与联想性教学内容，开展虚拟现实课堂教学活动，创建自主探究、合作学习的沉浸式学习环境，推动教学模式创新。随着生成式人工智能大模型、教育元宇宙等技术的发展成熟，GAI和虚拟数字人逐渐走进中小学课堂。新技术的应用可以改变传统课堂教学的单调性，利用数字化技术赋能课堂教学，有效减轻教师的教学压力，创建个性化学习和协作学习的途径，增强学生学习的趣味性和互动性，实现教师轻松教学和学生快乐学习的目的，为课堂教学提质增效。本研究基于普通高中通用技术课程标准，应用GAI和虚拟数字人等新技术，在跨学科项目式教学方面进行了探索实践。二、核心概念界定（一）生成式人工智能亚历克萨（Alexa）[1]认为生成式人工智能（GAI）是一种基于算法自动生成、操纵或合成数据的技术，可以在预定义之外利用现有文本、音频或图像等多模态数据生成与训练数据保持相似的新内容，其功能超越了决策式人工智能的简单问答，能够完成创意写作、艺术作品生成和复杂问题解决等高级任务。生成哲学认为一切都是动态变化的，注重事物变化过程中的创造性和整体性，强调人的主体性和价值性。生成式人工智能的“生成”并不等同于人类的“创造”，它是建立在人类已有的概念性和事实性知识基础上的，对知识进行排列组合分析，模仿人类进行概况、分类、推理、判断和应用迁移，但是缺乏创造力和自我意识。（二）虚拟数字人郭全中[2]认为，虚拟数字人是指存在于虚拟世界中，基于计算机图形学、图形渲染、动作捕捉、深度学习、语音合成等技术打造的，具有外貌特征、表演能力、交互能力等人类特征的复合体。虚拟数字人可以模拟人类的外观、表情、动作和语言。教育虚拟数字人是指应用于教育领域中的虚拟数字人，通过虚拟仿真技术，创设数字化身的教师和学生，形成智能助教、数字陪练和智能学伴等多种角色，参与教学活动，增强学生学习的自主性和交互性，提升学生学习的参与度和沉浸式体验感。（三）跨学科学习顾小清等[3]认为，跨学科学习旨在通过打破学科之间的壁垒，建立多个学科之间有意义、有价值的联系。夏雪梅[4]认为，跨学科学习是在真实问题的解决过程中有意识地学习不同学科的知识，并创造性地进行整合，以解决问题、形成成果。许月媚[5]认为，跨学科学习是通过跨学科整合、跨学科思考、跨学科实践、跨学科评价，在探索中进行创新，将跨学科知识进行融合、内化和吸收。跨学科学习能够有效激发学生的创意，综合运用知识来解决真实问题，培养学生的分析问题能力、解决问题能力、综合运用能力和创新能力。（四）项目式学习项目式学习（Project-BasedLearning，简称PBL)是基于杜威的“做中学”理论，通过创建基于真实生活的问题情境，让学生在探究实践中解决问题，掌握新知，促进学生进行深度学习，培养学生的高阶思维和核心素养。王同聚等[6]认为，项目学习注重做中学、学中做和做中创，让学生在经历知识建构、知识迁移、问题解决和创造价值的过程中，体会探究新知的乐趣。2019年国务院办公厅发布的《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》明确指出，积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学，注重加强课题研究、项目设计、研究性学习等跨学科综合性教学，推进信息技术与教育教学深度融合，加强教学研究和指导。这为一线教师开展技术赋能跨学科项目教学指引了方向。本研究将GAI和虚拟数字人进行有机融合，在跨学科项目式教学中开展实践探究活动，以激发学生的学习兴趣，促进学生进行个性化学习、自主学习和合作学习，培养学生的综合应用能力和创新能力。三、构建“GAI—虚拟数字人”赋能跨学科项目式教学模型

本研究依托普通高中通用技术课程标准，以建构主义和具身认知理论为指导，利用GAI和虚拟数字人等新技术开发数字化教学资源，以跨学科项目式教学为主线，构建了“GAI-虚拟数字人”赋能跨学科项目式教学模型，如图1所示。该模型能辅助教师精心设计和制作跨学科项目式教学资源，精准地进行教学指导和评价，减轻教师教学负担，通过“GAI-虚拟数字人”协助教师开展跨学科整合的项目式教学，创建智能化教学环境，增强学生自主学习、个性化学习和协作学习的互动体验感，提升学生参与项目活动的积极性，优化教学资源，创新教学模式，培养学生的解决问题能力和创新思维能力。模型建构以“课程标准”为指导2014年教育部发布的《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》明确指出，在发挥各学科独特育人功能的基础上，充分发挥多学科的综合育人功能，开展跨学科主题教育教学活动。教育部发布的《普通高中课程方案2017年版（2020年修订）》（以下简称“课程方案”）明确指出，要关注信息化环境下的教学改革，关注学生个性化、多样化的学习和发展需求，促进人才培养模式的转变，着力发展学生的核心素养[7]。高中通用技术课程是一门旨在全面提升学生技术素养，以设计学习和操作学习为主，注重实践创造与科技人文相统一的技术课程。高中信息技术课程则是一门旨在全面提升学生信息素养，以数字化环境的项目学习为主，注重知识建构、技能培养和思维发展相统一的技术课程。跨学科主题教育是通过打破学科边界，整合多个学科的知识和技能，聚合跨学科学习目标和学习内容，以解决真实生活中的问题为主线，开展教学实践活动。因此，本研究是将数字技术和智能技术融入通用技术校本课程的真实问题解决中，开展学科融合的项目教学活动，让学生基于一定的问题情境，综合应用学科知识和技能进行方案设计和问题解决，以培养学生的工程思维、计算思维、设计思维、创新思维、批判思维、物化能力和创新能力。（二）模型建构以“建构主义+具身认知”理论为理念1.建构主义理论何克抗[8]认为，建构主义理论（ConstructivismTheory）是以学生为中心，在整个教学过程中，教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。GAI与虚拟数字人协助教师围绕某一个主题或真实问题，创建脚手架或者抛锚点，引领学生进入具体的问题情境中，通过独立探索的自主学习和协商讨论的协作学习，及时反馈及答疑，形成对所学知识的认识和意义建构。2.具身认知理论张良[9]认为，具身认知理论（TheoryofEmbodiedCognition）是指认知和知识的发生不仅涉及身体构造、神经结构、感官和运动系统等的参与，还涉及身体的感受、体验、经历等经验层面的嵌入。知识是人在参与实践活动的过程中创造具有情境性、具身性和复杂性的产物，认知源于身体与世界的相互作用，心智依赖身体的各种经验，在情境对话中，大脑、身体和环境形成了动态的统一体，人们通过身体与环境的互动过程来获得运动感知经验，这是人们形成对具体事物认知的根本途径。虚拟数字人赋能课堂教学能够更好地增强学生对新知的体验感和互动性，在虚实融合的沉浸式具身体验活动中，学生能够更好地认识事物，掌握知识和技能。综合而言，本研究在开展技术学科项目教学中，引入了建构主义和具身认知理论，在“情境-协作-会话-意义建构”的活动中，让学生经历“身体-环境-活动-协同”的学习过程，真正产生深度学习和认知建构，培养高阶思维。（三）模型构建以“GAI-虚拟数字人”为支撑孙立会等[10]认为，生成式人工智能的初心是将人从机械、繁复的工作中解放出来，给予人更多的时间和机会开展富有创造力和个性化的工作，最终实现人类自由而全面的发展。生成式人工智能的生成本质是一种高级复制，缺乏人类的智慧，人类的生成本质是创造创新，是人对自然界改造的过程。因此，在教育教学中，生成式人工智能要遵循教育规律，尊重人的个性和创造，强调价值理性，辩证看待生成式人工智能的生成内容，根据人的意志和主导作用，实现生成式人工智能与人类智能的智慧创生，培养学生的创造力。生成式人工智能与生成式人类智能的融合创新，形成了生成式智能体。虚拟数字人通过虚拟仿真技术模拟人扮演不同的角色，参与教学实践活动，由虚拟数字人替代教师讲解概念、原理、规律等知识，协助教师辅导学生的课后练习和问题答疑；或者由虚拟数字人化身为学习活动中的陪练助手或学伴，辅助学生进行个性化自主学习和同伴协作的互助学习，增强学生主动学习的兴趣和学习交互的体验感。生成式智能体与虚拟数字人的有机融合，为教师开展教学活动、设计教学案例、建构教学评价体系等教学资源提供了“最强大脑”一样的智囊团，赋能教师的教学能力和专业素养；为学生进行自主探究学习、个性化学习、协作学习、情境学习等学习活动提供助教和学伴，赋能学生的学习能力，更有利于培养学生的高阶思维和核心素养。本研究在开展技术学科项目的教学中，通过UMU平台发布项目教学资料，使用开源软硬件器材和物联网进行问题解决的探究活动，采用“GAI-虚拟数字人”协助项目教学的实施，创建数智融合的教学环境，提升教师的数字素养，以数智技术赋能课堂教学，提升学生利用数字化工具解决问题的能力、综合运用知识的能力和创新能力。本研究构建的“GAI-虚拟数字人”数智融合教学环境如图2所示。（四）模型构建以“跨学科项目式教学”为主导跨学科项目式教学是将跨学科学习和项目式学习进行有机融合，开展以解决真实问题的项目教学活动，在活动中产出项目成果，并对项目成果进行评估和优化。在“课程方案”中，明确强调以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实，说明了项目教学的重要性，注重培养学生的解决问题能力、沟通合作能力、创新能力和终身学习能力，落实核心素养，促进学生的全面发展。本模型构建跨学科项目式教学活动时，借助“GAI-虚拟数字人”，建构了“问题情境—明确问题—设计方案—筛选方案—制作模型—评价作品—优化作品”的项目教学框架，如图3所示，让学生在参与项目教学活动中完成项目任务，建构认知，提升问题解决能力和综合运用知识能力，发展核心素养。“问题情境”阶段在创建项目教学情境时，教师要紧密联系学生的日常生活，充分了解学生的认知水平，掌握学生的学情，借助GAI创设真实的问题情境，促进学生进行情境化学习的积极性和主动性，激发学生主动探究问题的欲望和兴趣，充分调动学生学习的内驱力，培养学生的工程思维和创新思维。“明确问题”阶段在熟悉具体的问题情境后，针对现有的条件和限制，在虚拟数字人的协助下，学生进行问题的“5W”需求分析，即问题发生在什么环境中（Where）、谁（Who）受到了影响、什么事物（What）产生了影响、产生影响的根本原因（Why）是什么、用什么措施（How）解决根本问题。通过多轮的“5W”问题分析，找到核心问题，综合考虑多种因素，协商探讨并明确具体的问题和需求，培养学生的创新思维、批判思维和分析问题的能力。“设计方案”阶段在明确要解决的核心问题后，依据现有的设施、设备和条件，鼓励学生借助GAI进行个性化资源检索和分析，通过自主学习和协作探究，探寻问题解决方案，进行个性化创意方案设计，培养学生的创新思维、设计思维、工程思维。“筛选方案”阶段在学生完成个性化设计方案后，教师依据核心问题需求和设计标准，借助GAI设计方案的评选标准，综合考虑技术水平、设施设备、资金成本、制作周期等多种因素的影响，协助学生筛选最佳设计方案，培养学生的工程思维、设计思维和创新能力。“制作模型”阶段在确定最佳设计方案后，由虚拟数字人讲解模型制作的标准、要求和注意事项，将模型制作分成多个阶段性任务，以游戏闯关赛的方式开展模型制作，激发学生制作模型的兴趣和动力。教师实时跟进学生的制作情况，及时进行指导和答疑；学生利用数字化工具和开源软硬件器材进行模型制作，锻炼工程思维、计算思维、造物能力和创新能力。“评价作品”阶段在学生完成模型制作后，教师借助GAI设计作品评价标准，让学生先在学习小组内进行自我评价和反思，再由小组代表进行作品的展示汇报和分享，最后由教师和组外学生进行评价，并借助GAI进行智能评价。这种多元评价的方式能够及时发现作品中存在的不足，为后续作品优化提供参考，同时培养学生的创新思维和批判思维。“优化作品”阶段学生在听完各方对自己作品的评价后，借助GAI智能综合分析教师和同伴的评价结果和建议，参考和借鉴其他学习小组作品的优点，对自己的作品进行改进和优化，不断迭代和完善作品，从而培养工程思维、计算思维、造物能力和创新能力。（五）模型构建以“多元评价与反馈”为机制本模型以“多元评价与反馈”为机制，在“GAI-虚拟数字人”的协助下，设计以发展素养本位为导向的跨学科评价机制，实现“以评促学、以评促教”的目的。在项目教学活动中，本研究采取了“定量评价-定性评价-过程性评价-终结性评价-自我评价-他人评价-智能评价”的评价系统和“问卷调查、课堂观察、师生访谈、自我反省和知识图谱”的反馈方式进行教学成效的检测与反馈，并将其贯穿项目教学的全过程。然后，根据评价和反馈结果，及时调整项目教学活动的进度和难度，根据学生的实际情况开展教学活动，真正实现“以学定教”的教育目的。“多元评价与反馈”机制如图4所示。四、教学模型在“智慧农场”项目的应用实践

本研究以普通高中通用技术学科的必修1《技术与设计1》第三章“制定我的设计方案”、第四章“实现方案和评价设计”与选修模块4的“现代农业技术”专题进行校本统筹规划，自主开发创设了“智慧农场”校本课程。本研究以“智慧农场”项目为主题情境，针对在智慧农场种植活动中如何实现智能控制水、控制光、控制温度的问题，采用“GAI-虚拟数字人”赋能跨学科项目式教学模型，进行“问题情境—明确问题—设计方案—筛选方案—制作模型—评价作品—优化作品”的项目教学实践。GAI作为师生的智囊团，协助师生进行项目实践活动；虚拟数字人作为教师的教学助手，担任微课视频的讲解任务，减轻教师的课堂教学负担，使教师能够将更多时间和精力用于调整学生的学习状态和答疑解惑，提高教学质量。（一）“智慧农场”跨学科项目式教学的实施“智慧农场”项目教学案例的情境来源于校园农场种植过程中遇到的控水、控温、控光等问题，学生通过自主学习和合作探究完成游戏化的闯关活动任务，了解控水、控温、控光系统的组成和工作原理，设计控制方案，编写控制程序，制作“智慧农场”控制模型，从而增强综合运用知识解决问题的能力，培养工程思维、设计思维、计算思维、批判思维、创新思维、创新能力和物化能力。“智慧农场”项目教学过程如表1所示。“智慧农场”项目的问题情境与明确问题环节“明确项目主题”是开展项目教学活动的起点，决定了项目活动要达到的目标。“智慧农场”项目实施的目标是如何智能化地控制水、光和温度，实现农场的智能化管理。同时，还要考虑在完成目标的过程中，需要哪些技术支持、软硬件资源的配置。学生在亲自参与校园农场种植活动中，结合自身的需求，借助GAI收集资料，咨询农业领域的专家，在虚拟数字人的辅助下进行问题的“5W”分析法，确定要解决的关键问题，为后续开展项目方案设计和模型制作指明方向。“智慧农场”项目的设计方案与筛选方案环节“设计与筛选方案”是项目教学活动中解决问题的关键，决定了项目活动将采用何种技术工具和方法来解决问题。在设计“智慧农场”项目方案时，虚拟数字人协助教师讲解方案设计的基本步骤和要求；教师实时观察学生的方案设计情况，及时进行纠正和调整；GAI协助学生进行自主学习和头脑风暴的合作探究，创意构思设计方案。在设计方案完成后，教师需要对设计方案进行比较分析，综合考虑学生对图形化或代码化编程语言的掌握情况和开源软硬件、传感器、继电器等电子设备的使用情况，对设计方案进行评比，筛选最佳设计方案，确保“智慧农场”项目问题的解决并非只停留在概念构想的理论阶段，而是要将理论联系实践，能够真正制作出控制模型，解决真实问题，培养学生的动手实践能力和综合运用知识能力。“智慧农场”项目的制作模型环节“模型制作”是项目教学最重要的环节，决定了项目活动目标的完成度。在制作“智慧农场”模型时，教师将模型制作活动设计成富有趣味性的游戏通关赛，包含熟悉制作要求、理解控制过程、组装控制电路、搭建控制模型、编写控制程序、运行测试模型等6个游戏通关卡。先由虚拟数字人对模型制作的规格、技术标准、功能要求等进行讲解和说明，让学生熟悉规范和标准。再由虚拟数字人进行控制水、控制光、控制温度的工作过程的分析和解读，让学生掌握基本控制过程。之后，学生自主探究实现智能控制水、控制光、控制温度所需的电子元器件，并进行物理电路的搭建和模型组装。最后，学生自主学习由虚拟数字人讲解程序编写的微课视频，结合自身的编程能力，选择图形化编程或代码编程编写控制程序，自主探索实现智能控制水、光和温度的方法。在模型制作的整个活动过程中，教师是活动实施的引导者、组织者和管理者，应及时针对学生遇到的问题进行个性化的指导和帮助，确保每一个学生都能够顺利通关，完成项目任务。学生在游戏通关赛中，既能够掌握知识技能，解决问题，又能够体验到学习的乐趣，从而增强学习的兴趣，提升学有所成的自信心和学习动力。“智慧农场”项目的评价作品与优化作品环节“作品展示评价与优化完善”是检验学生项目学习成效的重要环节，本项目在实施过程中，借助多种智能平台，采用问卷调查、师生访谈、知识测试、知识图谱、课堂观察、自我反省等多种评价手段对评价结果进行分析，将定量评价与定性评价相结合，同时关注过程性评价与终结性评价，利用GAI实现智能评价，综合教师和学伴的评价意见和建议，并让学生进行自我评价。最后，对作品进行全方位的审视，在现有的技术水平和教学资源器材条件下，对作品进行改良和优化，培养学生的工程思维、计算思维、批判思维、创新思维、创新能力和精益求精的工匠精神。“智慧农场”项目教学的成效分析本项目实施完成后，对学生进行了问卷调查，共回收了483份有效问卷。调查结果显示：94.32%的学生认为“GAI-虚拟数字人”能更好地帮助自己掌握新知；92.67%的学生认为“GAI-虚拟数字人”能协助自己进行模型的设计与制作，快速掌握技能和方法；96.03%的学生认为“GAI-虚拟数字人”能更有利于个人综合能力和素养的提升。可见，92%以上的学生认为该项目教学模型能够有效建构新知、提升技能、培养能力和素养。说明该项目教学模型具有一定的实效性和创新性，能够有效实现教学目标，促进学生素养发展和能力提升。“GAI-虚拟数字人”赋能跨学科项目式教学模型的特征本研究以“智慧农场”项目教学为例，开展了“GAI-虚拟数字