生成式AI支持下的STEAM游戲化教學(xué)設(shè)計(jì)研究

一、引言

2025年4月，教育部等九部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)教育數(shù)字化的意見(jiàn)》，明確提出“促進(jìn)人工智能助力教育變革”，指出要推動(dòng)課程、教材、教學(xué)數(shù)字化變革，將人工智能技術(shù)融人教育教學(xué)全要素全過(guò)程，探索“人工智能 + 教育”應(yīng)用場(chǎng)景新范式。游戲化學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究、完成學(xué)習(xí)目標(biāo)的重要方式，STEAM教育理念也契合于小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)。本課題以小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)為切人點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中引人DeepSeek輔助教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)基于游戲化學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，依托于STEAM教育理念和生成式AI建構(gòu)游戲化教學(xué)模式，以提高學(xué)生的課堂互動(dòng)性和科學(xué)素養(yǎng)。

二、生成式AI、STEAM教育與游戲化學(xué)習(xí)概述

游戲化學(xué)習(xí)是把游戲化元素（如積分、徽章、排行榜、關(guān)卡等）及機(jī)制（如競(jìng)爭(zhēng)、合作、反饋等）應(yīng)用到教學(xué)中[2，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果的教學(xué)方式。這種以學(xué)生為中心、寓教于樂(lè)的教學(xué)方式，有助于學(xué)生在游戲中會(huì)溝通、合作，能夠提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

STEAM教育是以科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）、數(shù)學(xué)（Mathematics）為核心，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科融合的教學(xué)模式。該模式以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與實(shí)踐活動(dòng)并重的方法來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力。

STEAM教育方式打破了以往分科教學(xué)的局限性，在教學(xué)過(guò)程中更加強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，更好地解決了培養(yǎng)創(chuàng)新人才的問(wèn)題

DeepSeek是基于Transformer架構(gòu)的多模態(tài)認(rèn)知系統(tǒng)，可以根據(jù)STEAM教育需要自動(dòng)生成科學(xué)探究的情境、個(gè)性化學(xué)習(xí)任務(wù)，以及多維度反饋，其教育創(chuàng)新價(jià)值表現(xiàn)為利用自然語(yǔ)言交互分析學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)生成跨學(xué)科學(xué)習(xí)項(xiàng)目，用邏輯推理引擎對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行追問(wèn)分析，將探究的過(guò)程可視化地呈現(xiàn)出來(lái)，并在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的思維能力；基于多智能體的協(xié)作模式形成人機(jī)共育的環(huán)境，形成“ AI+ 游戲化”的教與學(xué)的范式。

（一）游戲化學(xué)習(xí)與STEAM教育深入融合

游戲化學(xué)習(xí)和STEAM教育有著天然的目標(biāo)一致性和教學(xué)同質(zhì)性：在目標(biāo)上，二者皆是基于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的目的，圍繞具體情境性任務(wù)開(kāi)展知識(shí)建構(gòu)；STEAM教育中提倡的跨學(xué)科項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)經(jīng)由游戲化機(jī)制可變成具體的場(chǎng)景化活動(dòng)。例如，教師可以在小學(xué)科學(xué)“生物和棲息地”單元中設(shè)計(jì)“小小生態(tài)工程師”角色扮演類(lèi)游戲，讓學(xué)生通過(guò)完成物種配對(duì)、環(huán)境模擬等關(guān)卡任務(wù)，在競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)作中理解生物與環(huán)境的依存關(guān)系。這種融合符合米哈里·契克森米哈賴(lài)（MihalyCsikszentmihalyi）的FLOW理論，即讓學(xué)生在不斷的挑戰(zhàn)中突破其自身的限制，使學(xué)生沉浸于游戲化課堂的情境之中；從認(rèn)知建構(gòu)的角度來(lái)說(shuō)，游戲化學(xué)習(xí)運(yùn)用建構(gòu)主義理論思想，在STEAM的“做中學(xué)”理念下[3]，使學(xué)生在虛擬或真實(shí)的游戲情境中，解決開(kāi)放性問(wèn)題、迭代優(yōu)化方案，促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)概念的具體認(rèn)知。

（二）STEAM教育理念下的科學(xué)素養(yǎng)

隨著《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的實(shí)施，其提出的科學(xué)素養(yǎng)包含科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐與態(tài)度責(zé)任四大維度，將STEAM教育作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的載體，通過(guò)跨學(xué)科整合與情境化實(shí)踐，重構(gòu)了中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵框架，有助于培養(yǎng)學(xué)生兼具理性思維與人文關(guān)懷的綜合素養(yǎng)。其具有以下特點(diǎn)：第一，人文藝術(shù)的融入破除了傳統(tǒng)科學(xué)教育的理性之限，通過(guò)藝術(shù)表達(dá)實(shí)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)與生活情景的深度融合；第二，以工程思維為線索開(kāi)展的探究實(shí)踐活動(dòng)，有助于提升學(xué)生的解決問(wèn)題能力、發(fā)散思維能力和對(duì)科學(xué)知識(shí)的靈活運(yùn)用能力；第三，STEAM教育充分利用了多樣化的課程形態(tài)，填補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂的實(shí)踐短板。其從合作探討與開(kāi)放探索出發(fā)，有助于深化學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)知理解，能夠培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和責(zé)任感，并助力學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展。

（三）生成式AI技術(shù)在游戲化教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

生成式AI技術(shù)使STEAM游戲化教學(xué)具備了智能化內(nèi)核，其價(jià)值包括但不限于資源生成、過(guò)程調(diào)控和認(rèn)知賦能三個(gè)方面。首先，DeepSeek以虛擬互動(dòng)場(chǎng)景的形式把科學(xué)概念形象化、可視化。例如，在“光的折射”游戲化任務(wù)教學(xué)中，其可動(dòng)態(tài)生成包含虛擬實(shí)驗(yàn)室，以及動(dòng)畫(huà)模擬的光路的各類(lèi)任務(wù)，讓學(xué)生自己動(dòng)手，通過(guò)改變介質(zhì)，觀察現(xiàn)象的變化。其次，DeepSeek能夠在教師數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)學(xué)生的游戲行為，并根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知難點(diǎn)自動(dòng)調(diào)出線索或者任務(wù)梯度，以及監(jiān)測(cè)學(xué)生的表現(xiàn)，并以之為依據(jù)為其匹配相應(yīng)的挑戰(zhàn)任務(wù)。最后，利用AI搭建的人機(jī)協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以與“AI科學(xué)家”展開(kāi)對(duì)話。這種方式有助于引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理及反思，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

（四） ⁶⁶Al+ 游戲化”雙輪驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式

4 AI+ 游戲化”雙輪驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，利用生成式AI和游戲化教學(xué)設(shè)計(jì)，圍繞“教師－學(xué)生-AI”三方展開(kāi)。該模式包含兩大驅(qū)動(dòng)輪：一是生成式AI的技術(shù)賦能，為整個(gè)教學(xué)流的每個(gè)階段提供動(dòng)態(tài)資源生成、智能反饋與路徑優(yōu)化，是輔助式教學(xué)的基礎(chǔ)；二是游戲化教學(xué)的內(nèi)容創(chuàng)新，將STEAM教育理念與游戲元素深度融合，重構(gòu)學(xué)習(xí)場(chǎng)景。教師可以根據(jù)AI技術(shù)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)與資源開(kāi)發(fā)，學(xué)生可以通過(guò)游戲化任務(wù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)探究。在此過(guò)程中，生成式AI貫穿始終，既是教學(xué)的設(shè)計(jì)助力（教師端），也是學(xué)生的學(xué)習(xí)伙伴（學(xué)生端）。這種過(guò)程打破了傳統(tǒng)課堂的單向傳授模式，形成了人機(jī)協(xié)同、師生共創(chuàng)的雙向循環(huán)，有助于推動(dòng)教學(xué)從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型。

（五）“情境-探究-生成－評(píng)價(jià)”四維教學(xué)框架

根據(jù)雙輪驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，以及STEAM教育、游戲化學(xué)習(xí)等要素特點(diǎn)，以融合DeepSeek的小學(xué)科學(xué)課例為載體，運(yùn)用生成式AI、游戲化方式相結(jié)合的方式，構(gòu)建“情境一探究一生成一評(píng)價(jià)”的四維教學(xué)設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的遞進(jìn)式培育。

1.情境創(chuàng)設(shè)：AI賦能的素養(yǎng)導(dǎo)向設(shè)計(jì)

情境是教學(xué)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。教師要緊緊圍繞科學(xué)核心素養(yǎng)、STEAM跨學(xué)科目標(biāo)，以及教材，基于DeepSeek對(duì)課程游戲化類(lèi)型的準(zhǔn)確分析，根據(jù)教學(xué)實(shí)際和學(xué)生的特性進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。

2.探究實(shí)踐：游戲化機(jī)制下的師生共創(chuàng)

在探究過(guò)程中，教師基于DeepSeek設(shè)計(jì)的游戲化任務(wù)兼具知識(shí)性和趣味性，能夠促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的游戲方式完成科學(xué)探究；同時(shí)，教師可使用VR、AR技術(shù)輔助虛實(shí)結(jié)合的游戲化課堂，根據(jù)學(xué)生的操作數(shù)據(jù)，接人DeepSeek并進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，并生成可視化圖表，以引導(dǎo)學(xué)生分析其中的科學(xué)規(guī)律。在此過(guò)程中，教師會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者。

教師基于AI生成的學(xué)情看板動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)難度；學(xué)生采用“玩中學(xué)”的方式體驗(yàn)科學(xué)家式的探究過(guò)程，在完成游戲的過(guò)程中創(chuàng)建自己的科學(xué)思維模型。這使得學(xué)生在游戲中不斷練習(xí)和應(yīng)用自己的科學(xué)思維。由于這種方式實(shí)現(xiàn)了師生共同創(chuàng)作，滿(mǎn)足了教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)也為學(xué)生預(yù)留了一定的自主探索空間，是一種行之有效的教學(xué)方式。

3.生成進(jìn)化：AI輔助的思維可視化與知識(shí)遷移

在生成階段，學(xué)生通過(guò)游戲活動(dòng)內(nèi)化知識(shí)并輸出創(chuàng)新成果。學(xué)生在探究的基礎(chǔ)上，將已獲取的知識(shí)轉(zhuǎn)化為游戲闖關(guān)工具。在此過(guò)程中，DeepSeek結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)推送輔助學(xué)習(xí)資料，幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移應(yīng)用；教師引導(dǎo)學(xué)生將游戲經(jīng)驗(yàn)遷移至真實(shí)問(wèn)題。在生成式AI的輔助下，學(xué)生可將操作記錄轉(zhuǎn)化為思維導(dǎo)圖，從而實(shí)現(xiàn)自身推理過(guò)程的可視化。生成式AI可基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)推薦拓展任務(wù)，促進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)整合；支持個(gè)性化創(chuàng)作，輔助學(xué)生制作科學(xué)報(bào)告或數(shù)字作品。在生成式AI的支持下，學(xué)生可以從“玩中學(xué)”，從“創(chuàng)中學(xué)”，從而實(shí)現(xiàn)思維的進(jìn)一步突破，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)問(wèn)題的探究與解決。

表1虛擬場(chǎng)景游戲課例

4.評(píng)價(jià)反饋：人機(jī)協(xié)同的多維反饋體系

在評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，教師以DeepSeek為基礎(chǔ)搭建“數(shù)據(jù) + 人文”雙維反饋系統(tǒng)。DeepSeek自動(dòng)生成任務(wù)完成率、錯(cuò)誤類(lèi)型統(tǒng)計(jì)、思維路徑評(píng)分等定量化的學(xué)習(xí)分析報(bào)告，通過(guò)觀察與情感識(shí)別發(fā)現(xiàn)學(xué)生的參與情況；學(xué)生結(jié)合游戲展示本節(jié)課的任務(wù)完成結(jié)果并接受同學(xué)質(zhì)疑；教師結(jié)合AI報(bào)告和觀察記錄進(jìn)行針對(duì)性點(diǎn)評(píng)。AI賦能的教學(xué)評(píng)價(jià)并非從單一維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，而是人機(jī)協(xié)同的多維反饋體系。第一，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的及時(shí)反饋；第二，它對(duì)學(xué)生的游戲行為進(jìn)行多模態(tài)記錄，通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的分析反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；第三，它可以將本班級(jí)數(shù)據(jù)與區(qū)域性標(biāo)桿進(jìn)行對(duì)比，生成教學(xué)優(yōu)化建議。人機(jī)協(xié)同評(píng)教不僅需要實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的數(shù)據(jù)對(duì)接，還需要通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)能力轉(zhuǎn)型升級(jí)，最終促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)由“知識(shí)累積”到“能力躍遷”的轉(zhuǎn)變。

（六）DeepSeek生成的小學(xué)科學(xué)課例

基于蘇教版小學(xué)科學(xué)教材，結(jié)合“情境-探究－生成－評(píng)價(jià)”四維框架，運(yùn)用生成式人工智能DeepSeek設(shè)計(jì)和參與虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的小學(xué)科學(xué)課例，確保任務(wù)難度適配對(duì)應(yīng)年級(jí)學(xué)生認(rèn)知水平，并全面覆蓋科學(xué)核心素養(yǎng)四大維度。如表1所示，課例為“微生物的‘功'與‘過(guò)’”，教師基于運(yùn)用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速模擬生物微觀變化全過(guò)程，并基于DeepSeek設(shè)計(jì)虛擬場(chǎng)景游戲課程。本節(jié)課利用“ AI+ 游戲化”雙輪驅(qū)動(dòng)，開(kāi)展對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的遞進(jìn)式培養(yǎng)。在教學(xué)實(shí)踐中，DeepSeek助力教學(xué)變得更高效。通過(guò)數(shù)據(jù)智能與人文關(guān)懷的融合，帶動(dòng)小學(xué)科學(xué)課堂向“創(chuàng)中學(xué)”轉(zhuǎn)型升級(jí)，并提供AI時(shí)代教育創(chuàng)新的可復(fù)制范式。

三、結(jié)束語(yǔ)

研究表明，生成式AI通過(guò)對(duì)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)生成功能的應(yīng)用、根據(jù)不同個(gè)性化任務(wù)的特點(diǎn)靈活適配AI應(yīng)用方案，以及基于對(duì)學(xué)生的多元反饋評(píng)價(jià)AI應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化等，能夠更好地助力對(duì)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的遞進(jìn)性培養(yǎng)。小學(xué)科學(xué)課例的設(shè)計(jì)旨在為小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展提供一種整體化的實(shí)踐方案，將游戲化機(jī)制和AI技術(shù)深度融合，作為提高小學(xué)生課堂參與度、跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力的有效方法。本文的研究為“人工智能 + 教育”的具體實(shí)施打造了“人工智能 + 教育”教學(xué)范例，并為“人工智能 + 教育\"視域下的課堂生態(tài)重構(gòu)提供新動(dòng)能。未來(lái)，筆者將進(jìn)一步探討生成式AI在其他學(xué)科領(lǐng)域的高效應(yīng)用，并探究新技術(shù)背景下教師與學(xué)生共同創(chuàng)造的新方式、新形態(tài)與新機(jī)制。

作者單位：周銘遠(yuǎn) 新疆師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部.教育部等九部門(mén)關(guān)于加快推進(jìn)教育數(shù)字化的意見(jiàn).[EB/OL].ttp：//www.

moe.gov.cn/srcsite/A01/s7048/202504/t20250416_1187476.html.2025-04-16

[2]甘容輝，何高大.“互聯(lián)網(wǎng) +^-"賦能課堂教學(xué)創(chuàng)新路徑探究[J].中國(guó)教育信息化，2018.（14）：78-81.

[3]范文翔，張一春.STEAM教育：發(fā)展、內(nèi)涵與可能路徑[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018，28（03）：99-105.

[4]邱峰，吳躍東.生成式人工智能驅(qū)動(dòng)教育創(chuàng)新的核心要素分析[J].教育發(fā)展研究，2024，44（Z1）：9-16.