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【導(dǎo)讀】2025年1月11日-12日，由中國自動化學(xué)會、中國青少年科技教育工作者協(xié)會聯(lián)合主辦的2025中國自動化與人工智能科普大會暨創(chuàng)新人才貫通式培養(yǎng)研討會在中國科學(xué)院大學(xué)玉泉路校區(qū)禮堂隆重舉行。此次會議以“跨界融合·創(chuàng)新未來”為主題，聚焦大中小學(xué)貫通式培養(yǎng)模式與人工智能教育的科學(xué)化、系統(tǒng)化發(fā)展，吸引了來自全國高校、科研院所、中小學(xué)校等專家學(xué)者、師生代表共計500余人現(xiàn)場參會，有效匯聚了領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研優(yōu)質(zhì)資源，為推動我國教育強(qiáng)國與創(chuàng)新型國家建設(shè)貢獻(xiàn)了力量。
本次大會共設(shè)3場大會報告和4個專題會議，邀請中國青少年科技教育工作者協(xié)會天文科學(xué)教育專業(yè)委員會主任劉繼峰作題為“AI 賦能下的天文科學(xué)教育”的大會報告，報告展示了在人工智能技術(shù)的快速發(fā)展的背景下天文AI大模型的訓(xùn)練成果，探討其對科學(xué)教育、尤其是天文學(xué)方向的科學(xué)教育的推動作用，并以天文AI學(xué)習(xí)社區(qū)為例思考基于天文學(xué)研究范式的全鏈條人才培養(yǎng)思路，引領(lǐng)天文學(xué)教育與天文科學(xué)閉環(huán)發(fā)展。
從兒童時期開始，許多人對星空產(chǎn)生好奇，常常提出諸如“星星為什么有不同的顏色”、“宇宙中到底蘊(yùn)藏著什么”以及“是否存在其他生命”等問題。這種自然的探索欲望與數(shù)十萬年前我們祖先在山洞中仰望星空時的原始好奇心相連，是人類天生的興趣。正因為如此，天文學(xué)被視為啟發(fā)科學(xué)教育的理想起點，能夠激發(fā)青少年對自然世界的探索熱情。
一、天文科學(xué)教育面臨的困境
在中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會和中國青少年科技工作者協(xié)會的指導(dǎo)下，我們曾利用世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡——中國“天眼”，將其1%的時間分配給青少年進(jìn)行科學(xué)觀測，如圖1所示。通過這一實踐活動，我們收到了3000多份觀測報告，其中不乏一些優(yōu)秀的觀測方案，約300項被評為杰出。這一過程對于科學(xué)教育的推動作用顯著，展示了前沿科研設(shè)備如何激發(fā)青少年的創(chuàng)新思維和科研興趣。然而，由于中國“天眼”的稀缺性，這一資源遠(yuǎn)不能滿足全國青少年對科學(xué)教育的需求。中國擁有25萬所中小學(xué)，每年接納上億的學(xué)生，要讓每個孩子，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū)的孩子，都能接觸到科學(xué)教育資源，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。
圖1 青少年FAST觀測方案征集活動
在嘗試解決這一問題的過程中，天文觀測設(shè)備的不足是一個根本性難題。大型天文設(shè)備的數(shù)量極為有限，資源的分配遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足全國范圍內(nèi)的需求。而且，天文學(xué)家的數(shù)量也嚴(yán)重不足。中國14億人口中，職業(yè)天文學(xué)家的數(shù)量僅為約3000人，這與美國相比差距甚遠(yuǎn)——美國人口約3億，職業(yè)天文學(xué)家卻有2萬名。如果所有天文學(xué)家都投身于青少年科學(xué)教育領(lǐng)域，依然無法滿足全國范圍內(nèi)的需求，這構(gòu)成了教育普及的巨大困境。此外，即便有天文學(xué)家愿意參與到這一事業(yè)中，也經(jīng)常是基于個人興趣和短期熱情提供幫助，難以形成長期穩(wěn)定的專業(yè)支持。因此，依賴天文學(xué)家單獨推進(jìn)青少年科學(xué)教育的模式顯然很難持續(xù)。
為了解決這些問題，我們不僅需要依靠科學(xué)家和科研設(shè)備，還應(yīng)探索其他創(chuàng)新的方式，例如通過現(xiàn)代科技手段如虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）等技術(shù)，將天文知識帶入課堂，讓偏遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)生也能夠通過網(wǎng)絡(luò)平臺接觸到前沿的科學(xué)內(nèi)容和科研方法。此外，天文學(xué)的教育不應(yīng)僅限于讓學(xué)生復(fù)現(xiàn)現(xiàn)有的科學(xué)知識，更應(yīng)激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)他們參與到科學(xué)探索的過程中，培養(yǎng)他們的科學(xué)素養(yǎng)和實踐能力。
二、AI賦能天文科學(xué)教育
科學(xué)教育的實施，尤其是在天文等專業(yè)領(lǐng)域，面臨著諸多挑戰(zhàn)。正如剛才所提到的，盡管我們具備先進(jìn)的技術(shù)和內(nèi)容資源，并且可以利用現(xiàn)代科技手段提供輔助，教育的主體依然是中小學(xué)的教師。然而，具備足夠能力進(jìn)行科學(xué)教育的教師數(shù)量非常有限。常常有這種調(diào)侃，要求一名語文老師去教授天文課程，顯然是過于苛刻的要求。每位教師都有自己擅長的領(lǐng)域，要求他們具備全面的科學(xué)知識并不現(xiàn)實。這一現(xiàn)實問題凸顯了科學(xué)教育在實踐中的困境，盡管我們懷有很好的初衷，但要解決這些困難仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。
然而，技術(shù)的發(fā)展，尤其是AI的崛起，為我們提供了全新的解決路徑。如今，AI在知識問答、文檔整理、輔助閱讀和學(xué)習(xí)陪伴等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，這意味著它能夠為我們在科學(xué)教育中提供強(qiáng)有力的支持。AI不僅能促進(jìn)教育發(fā)展，它還能助力科學(xué)研究，這也是我作為一名職業(yè)天文學(xué)家，今天在此討論AI在教育中應(yīng)用的原因。AI將科學(xué)研究和教育有效地結(jié)合成一個閉環(huán)，這種全新的模式為天文學(xué)科學(xué)教育的發(fā)展帶來了巨大的可能性。
在過去的兩年里，我們開展了與AI結(jié)合的科研和教育實踐。天文學(xué)，作為一個數(shù)據(jù)量極大的學(xué)科，其研究涉及到大量觀測與仿真數(shù)據(jù)。我們從很早開始就與自動化研究所合作，探索機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，力圖利用人工智能為天文學(xué)科研提供新的突破。隨著技術(shù)的積累和進(jìn)步，尤其是年輕學(xué)生的積極參與，我們?nèi)〉昧孙@著的進(jìn)展。在這一過程中，我們開發(fā)了“Star Whisper”人工智能系統(tǒng)，并取得了令人滿意的成績。同時，還推出了面向天文學(xué)科的科學(xué)基座大模型“AstroOne”，如圖2所示，并與之江實驗室合作開發(fā)了增強(qiáng)訓(xùn)練模型，用于加速文獻(xiàn)閱讀和跨領(lǐng)域研究。通常情況下，教師在某一領(lǐng)域內(nèi)會專注于自己的研究方向，若要進(jìn)行跨學(xué)科研究，往往需要借助其他教師的幫助。通過“AstroOne”，研究人員可以輸入相關(guān)關(guān)鍵詞，快速篩選并整理跨領(lǐng)域的科研成果，這為科研工作帶來了顯著的推動作用。
圖2 AstroOne
在2023年，"Star Whisper"在工信部信通院的大模型排行榜中綜合排名第二名。盡管這些學(xué)生的專業(yè)背景是天文學(xué)，但他們在投身這一項目后，憑借著對天文學(xué)的熱愛和強(qiáng)烈的動力，取得了非常好的成果。“Star Whisper”不僅可以作為問答助手，幫助學(xué)生解答天文學(xué)相關(guān)問題，而且已經(jīng)逐漸發(fā)展為一個學(xué)習(xí)社區(qū)，如圖3所示。通過這一平臺，全國范圍內(nèi)的學(xué)生，尤其是研究生群體，都能夠通過它進(jìn)行學(xué)習(xí)和互動。除此之外，Star Whisper還能夠構(gòu)建天文學(xué)知識圖譜，進(jìn)行文獻(xiàn)推薦和歸納總結(jié)，使得學(xué)生可以高效地進(jìn)行相關(guān)資料的檢索和學(xué)習(xí)。
圖3 Star Whisper
以往中小學(xué)生在從事科研時，通常需要聯(lián)系大學(xué)教師或天文臺專家來解答他們的問題并協(xié)助完成各種科研任務(wù)。而現(xiàn)在，借助于Star Whisper，學(xué)生們無需依賴這些傳統(tǒng)途徑就能開始自己的科研探索。Star Whisper的另一項創(chuàng)新功能是智能化的望遠(yuǎn)鏡操作。許多學(xué)校配備了望遠(yuǎn)鏡，但由于操作要求較為專業(yè)，通常很難要求每位教師都具備使用望遠(yuǎn)鏡的能力。我們將Star Whisper作為基礎(chǔ)平臺，結(jié)合望遠(yuǎn)鏡的智能化應(yīng)用，使其能夠通過自然語言交互完成一系列任務(wù)，包括檢驗觀測條件、開機(jī)、定向、調(diào)焦以及初步數(shù)據(jù)處理。這使得望遠(yuǎn)鏡的使用變得更加簡單和智能，能夠逐步向?qū)W生提供他們所需的科學(xué)數(shù)據(jù)。
此外，Star Whisper還能夠賦能天文科學(xué)教育，打破知識的壁壘，不僅能夠?qū)⒕W(wǎng)上的各種資源整合起來，還能利用虛擬天文臺的概念，將歷史上中國天眼等大型天文觀測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，如圖4所示。盡管無法直接調(diào)用中國天眼進(jìn)行實時觀測，學(xué)生依然能夠通過訪問過往的數(shù)據(jù)，獲得科學(xué)的指導(dǎo)。例如，當(dāng)學(xué)生所在地區(qū)天氣不好，無法觀測時，Star Whisper可以推薦其他地方的觀測資源，使學(xué)生們能夠繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探索。人工智能的介入大大降低了對職業(yè)天文學(xué)家的依賴，尤其是在中小學(xué)階段，職業(yè)天文學(xué)家數(shù)量有限，且大部分愿意指導(dǎo)學(xué)生的天文學(xué)家資源更為稀缺。通過人工智能的輔助，學(xué)生們能夠在缺乏大量專業(yè)教師指導(dǎo)的情況下，依然能夠進(jìn)行高質(zhì)量的科學(xué)探索。
圖4 Star Whisper星語
在這種新的教育模式下，教師不必成為職業(yè)科學(xué)家，也不必對天文學(xué)有深刻的專精。教育的主體應(yīng)當(dāng)是學(xué)生，他們通過對AI的使用獲得課題和指導(dǎo)，能夠自主進(jìn)行探索，教師則更多地扮演輔助角色，記錄學(xué)生的過程和成長。這樣一來，教師的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)者，而不再是知識的唯一傳授者。這種方式在不對現(xiàn)有教育體系造成巨大沖擊的同時，逐步實現(xiàn)了教育資源的充分利用，打通了教育鏈條。
為了推動這一模式的實施，我們在國科大成立了天文AI學(xué)習(xí)社區(qū)，設(shè)立了知識平臺和課程體系，并開展了科創(chuàng)活動，鼓勵學(xué)生自主探索。此外，我們還重視硬件的標(biāo)準(zhǔn)化，組建了標(biāo)準(zhǔn)化工作組，推動各類教具和望遠(yuǎn)鏡的規(guī)范化生產(chǎn)，使得這些設(shè)備更易于在學(xué)校中普及和使用。在此過程中，我們還成立了觀測基地工作組，提供遠(yuǎn)程和現(xiàn)場的技術(shù)支持，確保設(shè)備的正常運作。為了增強(qiáng)學(xué)生的探索動力，我們與北師大合作開展師資培訓(xùn)，并通過中學(xué)生天文知識競賽和大學(xué)生天文創(chuàng)新大賽等活動，激發(fā)學(xué)生的成就感和探索欲望。通過這些舉措，我們期望能夠打破傳統(tǒng)的教育模式，實現(xiàn)科學(xué)教育資源的共享和優(yōu)化。
三、AI信息化平臺
在天文科學(xué)教育體系中，AI信息化平臺是核心。這個平臺不僅能夠為中小學(xué)生提供豐富的教育資源，還能幫助他們進(jìn)行自我驅(qū)動的科研探索。通過這個平臺，學(xué)生可以訪問天文云課堂、天文知識庫等教育資源，所有內(nèi)容都是免費的。平臺的內(nèi)容不僅包括最前沿的天文專家課程，還會提供AI初級輔導(dǎo)，輔導(dǎo)內(nèi)容涉及科研的進(jìn)階方向。AI工具的使用，如圓桌工具、教室工具等，也將通過這個平臺提供給學(xué)生，幫助他們在科研過程中進(jìn)行更有效的學(xué)習(xí)和探索，如圖5所示。
圖5 天文AI學(xué)習(xí)社區(qū)
我們特別強(qiáng)調(diào)“一人一AI”的理念，如圖6所示。每個學(xué)生將擁有一個永久的ID，AI將伴隨他們的成長過程，提供持續(xù)的學(xué)習(xí)支持。通過AI的陪伴，學(xué)生不僅能從中獲取知識，同時也能將自己的探索行為反饋給AI，幫助AI在實踐中不斷優(yōu)化。這種互動不僅為學(xué)生提供了個性化的成長路徑，還通過成就驅(qū)動激發(fā)他們的興趣，促進(jìn)他們的創(chuàng)新和創(chuàng)造力。
圖6 社區(qū)功能架構(gòu)-AI直播間/一人一AI
此外，平臺的另一重要功能是學(xué)習(xí)社區(qū)的建設(shè)。以“高等天文學(xué)學(xué)習(xí)社區(qū)”為例，如圖7所示，其推動了從單向的知識傳輸向雙向互動的課堂轉(zhuǎn)變。在這個過程中，學(xué)生與教師、專家之間形成了更加緊密的合作，學(xué)生能夠參與到前沿科學(xué)問題的解答中。這種互動不僅幫助學(xué)生深化對科學(xué)問題的理解，還通過探索性的方式，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決問題的能力。
圖7 高等天文學(xué)學(xué)習(xí)社區(qū)
從2022年開始，如圖8所示，天文科學(xué)教育聯(lián)盟逐步建設(shè)，2023年成立了多個工作組，逐步完善科研教育內(nèi)容。到2024年，Star Whisper和AstroOne兩大AI模型已經(jīng)投入使用，這兩者通過持續(xù)對抗優(yōu)化，共同促進(jìn)了天文AI技術(shù)的發(fā)展，推動著教育平臺的完善。到2025年，平臺能夠向更多學(xué)校開放，支持科研人員和學(xué)生的共同探索。而在2026年，我們計劃建設(shè)國際化平臺，向全球推廣天文科學(xué)教育和科研資源。
圖8 天文科學(xué)教育聯(lián)盟發(fā)展時間路線
教育的動力不僅來自學(xué)生的自主探索，也來源于科研人員的參與。科學(xué)家通過推動教育，不僅能夠推動科學(xué)研究的發(fā)展，還能形成教育和科研的良性循環(huán)。在第四次工業(yè)革命的浪潮中，科學(xué)教育尤其是從青少年階段開始的以塑造思維為重點的科學(xué)教育，將是提升人類能力的關(guān)鍵。希望通過我們的努力，能夠讓天文學(xué)賦能科學(xué)教育，為第四次工業(yè)革命的成功奠定基礎(chǔ)。
我們希望通過建設(shè)AI驅(qū)動的教育平臺，打破傳統(tǒng)的教育界限，幫助中小學(xué)生實現(xiàn)自我驅(qū)動的科研探索，讓天文學(xué)成為每個人都可以接觸和學(xué)習(xí)的學(xué)科。
*本文根據(jù)作者所作報告速記整理而成
