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In un contesto di innovazione tecnologica in accelerazione, in particolare nell'intelligenza artificiale (IA), strumenti come l'IA stanno trovando sempre più applicazioni nell'educazione ingegneristica. Allo stesso tempo, le persone hanno raggiunto un consenso sul fatto che l'obiettivo di promuovere lo sviluppo sostenibile sia un'attività globale. Pertanto, integrare lo sviluppo sostenibile nell'educazione ingegneristica—migliorando contemporaneamente i livelli tecnici industriali e rafforzando la consapevolezza della sostenibilità degli studenti—è diventato un punto chiave della riforma educativa attuale, guidando l'esplorazione di innovazioni educative abilitate dall'IA. L'applicazione dell'IA nell'istruzione apre possibilità di apprendimento personalizzato. In particolare, il GAI offre un potenziale trasformativo per ambienti di insegnamento e apprendimento. Consente la creazione dinamica di diversi contenuti e l'adattamento delle risorse di apprendimento ai profili individuali degli studenti, aumentando il coinvolgimento e l'efficacia. Questa tecnologia consente la generazione di diversi formati di contenuto, facilitando la creazione di materiali didattici su misura. Inoltre, può adattare dinamicamente le risorse di apprendimento ai profili individuali degli studenti, aumentando così il coinvolgimento e l'efficacia dell'apprendimento1. Inoltre, la piattaforma è progettata per adattarsi ai progressi degli studenti. Adatta dinamicamente la presentazione dei contenuti e raccomanda attività di apprendimento allineate agli obiettivi individuali, con l'obiettivo di ottimizzare i risultati di apprendimento.
Tuttavia, integrare l'IA nelle piattaforme educative richiede di superare ostacoli tecnici significativi. Innanzitutto, i modelli di deep learning devono essere addestrati su grandi dataset per garantire che generino contenuti di alta qualità che rispettino gli standard educativi. Inoltre, gli algoritmi di reinforcement learning devono essere finemente ottimizzati—non solo per personalizzare accuratamente i percorsi di apprendimento per i singoli utenti, ma anche per mantenere la completezza dei contenuti didattici. Inoltre, le capacità di elaborazione del linguaggio naturale sono essenziali per creare sistemi di tutoraggio interattivi in grado di simulare dialoghi simili a quelli umani e fornire feedback in temporeale 2,3,4. In questo contesto, è urgente la necessità di una piattaforma educativa completa che sfrutti appieno il potenziale di GAI per offrire esperienze di apprendimento personalizzate, coinvolgenti eadattive 5. Tali piattaforme hanno un potenziale significativo per rimodellare il panorama dell'istruzione online rendendola più adattativa e personalizzata, allineandosi e supportando così gli obiettivi dei paradigmi contemporanei dell'apprendimento permanente. In questa nuova era, i contenuti educativi non rimarranno fissi; Al contrario, si evolverà insieme alla crescita personale degli studenti e ai bisogni in continuo cambiamento.
Ricerche esistenti hanno dimostrato che tecnologie emergenti come l'IA e i modelli su larga scala possono migliorare efficacemente la qualità dell'insegnamento e dell'apprendimento nell'educazioneingegneristica 5 e molti studi hanno esplorato le potenziali applicazioni del GAI nelle piattaforme educative personalizzate, con l'obiettivo di offrire esperienze di apprendimento personalizzate aglistudenti 6. Allo stesso tempo, l'educazione allo sviluppo sostenibile (ESD) è diventata una priorità sempre più centrale nell'educazione ingegneristica globale, con ricerche esistenti che evidenziano costantemente che l'alfabetizzazione sulla sostenibilità e il pensiero sistemico sono competenze fondamentali non negoziabili per gli ingegnericontemporanei 7. Per rispondere a questa domanda critica di formazione, l'architettura GAI proposta in questo studio stabilisce un legame pratico e pratico tra gli obiettivi di apprendimento ESD e lo sviluppo delle competenze ingegneristiche: la nostra piattaforma integra moduli di valutazione dell'impatto sulla sostenibilità, flussi di lavoro di analisi del ciclo di vita (LCA) e prompt di progettazione sostenibile basati su scenari nel suo quadro centrale, permettendo agli studenti ingegneristici di tradurre direttamente i principi della sostenibilità nelle decisioni tecniche durante tutto il processo ciclo di progettazione ingegneristica. Un ambito di interesse è l'uso del GAI per automatizzare la creazione di contenuti educativi. Moulaei et al.7 hanno esplorato come gli algoritmi di IA possano generare esercizi, quiz e persino intere lezioni in base alle esigenze specifiche e agli stili di apprendimento dei singoli studenti. Questo approccio mostra il potenziale di ridurre il carico di lavoro degli educatori e offrire un'esperienza di apprendimento più personalizzata agli studenti, il che ha fornito una certa base tecnica per i lavori successivi di Zhao et al.8.
Un altro ambito di interesse è l'uso del GAI per i sistemi di apprendimentoadattivo 9. Questi sistemi utilizzano algoritmi di intelligenza artificiale per analizzare le prestazioni di apprendimento degli studenti e adattare i materiali didattici in tempo reale, soddisfacendo così con maggiore precisione le esigenze degli studenti. Questo approccio non solo migliora i risultati di apprendimento, ma garantisce anche che gli studenti siano stimolati a un livello adeguato—né troppo facile da mancare di stimoli né troppo difficili da seguire. Inoltre, GAI è stato esplorato per il suo potenziale nell'automatizzare i processi di correzione e feedback10 e per fungere da piattaforma intelligente di supporto alledecisioni 11. Gli algoritmi di IA possono essere utilizzati per valutare automaticamente i compiti degli studenti e fornire feedback tempestivi, risparmiando tempo agli educatori e aiutando gli studenti ad apprendere in modo più efficace. Smith et al.12 hanno inoltre esplorato l'applicazione di strumenti GAI, come ChatGPT, nell'istruzione superiore, con particolare attenzione all'accettazione e all'uso di queste tecnologie tra studenti e insegnanti di diverse generazioni. Lo studio ha rivelato che gli studenti nativi digitali, grazie alla loro immersione di una vita nelle tecnologie digitali, mostrano un livello più elevato di accettazione verso tali domande; Al contrario, gli insegnanti immigrati digitali tendono ad adottare un atteggiamento più cauto e conservatore verso queste applicazioni digitali, mostrando riluttanza a provarle in modo casuale. Questa differenza generazionale presenta nuove sfide e opportunità per integrare stili di insegnamento e tecnologie educative. Imran et al.13 hanno valutato l'applicazione di strumenti di IA generativa di nuova generazione nell'istruzione, in particolare nella creazione di materiali didattici e nel fornire feedback personalizzati.
I risultati suggeriscono che questi strumenti possono aiutare gli educatori a generare risorse educative diversificate e fornire feedback in tempo reale, ma anche evidenziare sfide legate agli standard etici e all'uso equo. Cabrera et al.14 hanno analizzato la consapevolezza e l'uso del GAI da parte degli studenti attraverso sondaggi in sei università di Hong Kong. La maggior parte degli studenti ha un atteggiamento positivo, riconoscendone l'utilità nell'apprendimento personalizzato e nel feedback immediato. Tuttavia, vengono espresse anche preoccupazioni riguardo a una dipendenza eccessiva e a potenziali pregiudizi. Mishra et al.15 approfondiscono l'applicazione di GAI, come ChatGPT, nella formazione degli insegnanti, in particolare nella pianificazione del curriculum, nel pensiero critico e nell'apertura educativa. Sottolinea che il GAI può fornire meccanismi di supporto specifici e risorse educative agli insegnanti, ma sottolinea anche la necessità di valutare attentamente i propri limiti e potenziali pregiudizi per garantirne l'efficacia come strumento educativo. Mishra et al.16 riflettono sull'impatto trasformativo delle strategie GAI sull'insegnamento e sulla formazione degli insegnanti. Il metodo sostiene la considerazione dell'etica e delle politiche nell'uso delle tecnologie educative per garantire un uso equo ed efficace delle tecnologie di IA.
Gli sforzi accademici esistenti 17,18,19,20,21,22 suggeriscono che il GAI abbia il potenziale di trasformare l'istruzione offrendo esperienze di apprendimento personalizzate, adattandosi in tempo reale alle esigenze degli studenti e automatizzando compiti che richiedono molto tempo per gli educatori. Tuttavia, ci sono anche sfide associate all'uso dell'IA nell'istruzione, come la necessità di dati accurati per addestrare i modelli di IA e i potenziali bias negli algoritmi di IA23,24. Sono necessarie ulteriori ricerche per affrontare queste sfide e realizzare pienamente il potenziale del GAI in un'educazione efficace. Ricerche precedenti hanno stabilito l'efficacia delle tecnologie di IA 20,21,22,23,24,25 nel consentire l'apprendimento adattivo26,27, nel fornire feedback personalizzati 28,29 ed esplorare applicazioni educative piùampie 30,31. Tuttavia, gli studi esistenti sulle piattaforme educative abilitate a GAI si sono concentrati principalmente sull'ottimizzazione funzionale incrementale e su casi di studio applicativi isolati. Rimane una lacuna critica di ricerca irrisolta: le piattaforme educative GAI esistenti non dispongono di un'architettura integrata unificata, scalabile e pedagogicamente robusta, con limitazioni diffuse tra cui la progettazione dei moduli frammentata, scarsa interoperabilità tra scenari e l'assenza di un quadro integrato per la formazione sistematica sulle competenze (inclusa la consapevolezza della sostenibilità per gli studenti di ingegneria). Per colmare questa lacuna, questo studio indaga una piattaforma educativa completa basata su GAI da una prospettiva architettonica fondamentale, dettagliando sistematicamente il suo design modulare, il quadro di interoperabilità tra scenari e la valutazione empirica multi-stakeholder. Questo lavoro promuove il campo stabilendo un paradigma architettonico integrato standardizzato per le applicazioni GAI nell'educazione ingegneristica, al fine di migliorare sia i risultati educativi sia la coltivazione delle competenze fondamentali. I tre principali contributi di quest'opera sono elencati come segue.
- Un quadro per la generazione dinamica di esperienze di apprendimento. Il framework impiega GAI per costruire un ambiente di apprendimento che si evolve in base alle interazioni con gli utenti e ai dati di prestazione. Questo framework costruisce un ambiente di apprendimento in evoluzione dinamica tramite GAI, che regola e ottimizza in tempo reale in base ai modelli di interazione e alle abitudini di apprendimento degli utenti—assicurando che i contenuti educativi rimangano aggiornati, coinvolgenti e allineati alle esigenze individuali. Questo meccanismo dinamico fa due cose chiave: primo, garantisce che i contenuti educativi rimangano aggiornati e non diventino obsoleti, e secondo, rende i contenuti più coinvolgenti—il tutto soddisfacendo al contempo le esigenze uniche e personalizzate di ogni studente.
- Un progetto architettonico integrato e adattivo. L'architettura a tre livelli coordina in modo olistico i componenti adattivi, assicurando che gli strumenti di apprendimento rimangano efficaci durante tutta la progressione dell'utente. Questa architettura a tre livelli coordina in modo olistico componenti adattivi che si evolvono con gli utenti, garantendo che i contenuti e gli strumenti educativi rimangano efficaci durante tutto il percorso di apprendimento, offrendo al contempo un'esperienza educativa coesa e completa.
- Personalizzazione guidata dai dati su larga scala. La piattaforma sfrutta l'analisi dell'apprendimento continuo per consentire una personalizzazione su larga scala basata sui dati. Adatta dinamicamente i contenuti, il ritmo e lo stile didattico alle preferenze e alle capacità cognitive di ogni apprendente. I suoi obiettivi principali di progettazione sono ridurre il carico cognitivo superfluo, migliorare l'efficienza dell'apprendimento e arricchire l'esperienza complessiva di apprendimento. Questo studio testa un'ipotesi centrale di ricerca attraverso uno studio controllato randomizzato. L'ipotesi è che questa piattaforma di apprendimento personalizzato abilitata dal GAI possa ridurre significativamente il carico cognitivo degli studenti ingegneristici, migliorare l'efficienza dell'apprendimento e migliorare sia i risultati di apprendimento correlati all'ESD sia l'esperienza di apprendimento rispetto ai tradizionali modelli didattici ingegneristici non personalizzati.
Il lavoro mette alla prova un'ipotesi centrale di ricerca. È che questa piattaforma di apprendimento personalizzato abilitata da GAI può ridurre significativamente il carico cognitivo degli studenti ingegneristici, migliorare l'efficienza dell'apprendimento e migliorare sia i risultati di apprendimento correlati all'ESD sia l'esperienza di apprendimento rispetto ai tradizionali modelli didattici non personalizzati dell'ingegneria.