【導讀】2025年1月11日-12日，由中國自動化學會、中國青少年科技教育工作者協會聯合主辦的2025中國自動化與人工智能科普大會暨創新人才貫通式培養研討會在中國科學院大學玉泉路校區禮堂隆重舉行。此次會議以“跨界融合·創新未來”為主題，聚焦大中小學貫通式培養模式與人工智能教育的科學化、系統化發展，吸引了來自全國高校、科研院所、中小學校等專家學者、師生代表共計500余人現場參會，有效匯聚了領域產學研優質資源，為推動我國教育強國與創新型國家建設貢獻了力量。
本次大會共設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會天文科學教育專業委員會主任劉繼峰作題為“AI 賦能下的天文科學教育”的大會報告，報告展示了在人工智能技術的快速發展的背景下天文AI大模型的訓練成果，探討其對科學教育、尤其是天文學方向的科學教育的推動作用，并以天文AI學習社區為例思考基于天文學研究范式的全鏈條人才培養思路，引領天文學教育與天文科學閉環發展。
從兒童時期開始，許多人對星空產生好奇，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，天文學被視為啟發科學教育的理想起點，能夠激發青少年對自然世界的探索熱情。
一、天文科學教育面臨的困境
在中國科學技術協會和中國青少年科技工作者協會的指導下，我們曾利用世界最大的射電望遠鏡——中國“天眼”，將其1%的時間分配給青少年進行科學觀測，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，其中不乏一些優秀的觀測方案，約300項被評為杰出。這一過程對于科學教育的推動作用顯著，展示了前沿科研設備如何激發青少年的創新思維和科研興趣。然而，由于中國“天眼”的稀缺性，這一資源遠不能滿足全國青少年對科學教育的需求。中國擁有25萬所中小學，每年接納上億的學生，要讓每個孩子，尤其是偏遠地區和山區的孩子，都能接觸到科學教育資源，仍然面臨巨大的挑戰。
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，天文觀測設備的不足是一個根本性難題。大型天文設備的數量極為有限，資源的分配遠遠無法滿足全國范圍內的需求。而且，天文學家的數量也嚴重不足。中國14億人口中，職業天文學家的數量僅為約3000人，這與美國相比差距甚遠——美國人口約3億，職業天文學家卻有2萬名。如果所有天文學家都投身于青少年科學教育領域，依然無法滿足全國范圍內的需求，這構成了教育普及的巨大困境。此外，即便有天文學家愿意參與到這一事業中，也經常是基于個人興趣和短期熱情提供幫助，難以形成長期穩定的專業支持。因此，依賴天文學家單獨推進青少年科學教育的模式顯然很難持續。
為了解決這些問題，我們不僅需要依靠科學家和科研設備，還應探索其他創新的方式，例如通過現代科技手段如虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等技術，將天文知識帶入課堂，讓偏遠地區的學生也能夠通過網絡平臺接觸到前沿的科學內容和科研方法。此外，天文學的教育不應僅限于讓學生復現現有的科學知識，更應激發他們的創新思維，引導他們參與到科學探索的過程中，培養他們的科學素養和實踐能力。
二、AI賦能天文科學教育
科學教育的實施，尤其是在天文等專業領域，面臨著諸多挑戰。正如剛才所提到的，盡管我們具備先進的技術和內容資源，并且可以利用現代科技手段提供輔助，教育的主體依然是中小學的教師。然而，具備足夠能力進行科學教育的教師數量非常有限。常常有這種調侃，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域，要求他們具備全面的科學知識并不現實。這一現實問題凸顯了科學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。
然而，技術的發展，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、輔助閱讀和學習陪伴等領域的應用已經非常成熟，這意味著它能夠為我們在科學教育中提供強有力的支持。AI不僅能促進教育發展，它還能助力科學研究，這也是我作為一名職業天文學家，今天在此討論AI在教育中應用的原因。AI將科學研究和教育有效地結合成一個閉環，這種全新的模式為天文學科學教育的發展帶來了巨大的可能性。
在過去的兩年里，我們開展了與AI結合的科研和教育實踐。天文學，作為一個數據量極大的學科，其研究涉及到大量觀測與仿真數據。我們從很早開始就與自動化研究所合作，探索機器學習和深度學習技術的應用，力圖利用人工智能為天文學科研提供新的突破。隨著技術的積累和進步，尤其是年輕學生的積極參與，我們取得了顯著的進展。在這一過程中，我們開發了“Star Whisper”人工智能系統，并取得了令人滿意的成績。同時，還推出了面向天文學科的科學基座大模型“AstroOne”，如圖2所示，并與之江實驗室合作開發了增強訓練模型，用于加速文獻閱讀和跨領域研究。通常情況下，教師在某一領域內會專注于自己的研究方向，若要進行跨學科研究，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關鍵詞，快速篩選并整理跨領域的科研成果，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。盡管這些學生的專業背景是天文學，但他們在投身這一項目后，憑借著對天文學的熱愛和強烈的動力，取得了非常好的成果。“Star Whisper”不僅可以作為問答助手，幫助學生解答天文學相關問題，而且已經逐漸發展為一個學習社區，如圖3所示。通過這一平臺，全國范圍內的學生，尤其是研究生群體，都能夠通過它進行學習和互動。除此之外，Star Whisper還能夠構建天文學知識圖譜，進行文獻推薦和歸納總結，使得學生可以高效地進行相關資料的檢索和學習。
圖3 Star Whisper
以往中小學生在從事科研時，通常需要聯系大學教師或天文臺專家來解答他們的問題并協助完成各種科研任務。而現在，借助于Star Whisper，學生們無需依賴這些傳統途徑就能開始自己的科研探索。Star Whisper的另一項創新功能是智能化的望遠鏡操作。許多學校配備了望遠鏡，但由于操作要求較為專業，通常很難要求每位教師都具備使用望遠鏡的能力。我們將Star Whisper作為基礎平臺，結合望遠鏡的智能化應用，使其能夠通過自然語言交互完成一系列任務，包括檢驗觀測條件、開機、定向、調焦以及初步數據處理。這使得望遠鏡的使用變得更加簡單和智能，能夠逐步向學生提供他們所需的科學數據。
此外，Star Whisper還能夠賦能天文科學教育，打破知識的壁壘，不僅能夠將網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據進行共享，如圖4所示。盡管無法直接調用中國天眼進行實時觀測，學生依然能夠通過訪問過往的數據，獲得科學的指導。例如，當學生所在地區天氣不好，無法觀測時，Star Whisper可以推薦其他地方的觀測資源，使學生們能夠繼續進行科學探索。人工智能的介入大大降低了對職業天文學家的依賴，尤其是在中小學階段，職業天文學家數量有限，且大部分愿意指導學生的天文學家資源更為稀缺。通過人工智能的輔助，學生們能夠在缺乏大量專業教師指導的情況下，依然能夠進行高質量的科學探索。
圖4 Star Whisper星語
在這種新的教育模式下，教師不必成為職業科學家，也不必對天文學有深刻的專精。教育的主體應當是學生，他們通過對AI的使用獲得課題和指導，能夠自主進行探索，教師則更多地扮演輔助角色，記錄學生的過程和成長。這樣一來，教師的角色轉變為指導者，而不再是知識的唯一傳授者。這種方式在不對現有教育體系造成巨大沖擊的同時，逐步實現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學習社區，設立了知識平臺和課程體系，并開展了科創活動，鼓勵學生自主探索。此外，我們還重視硬件的標準化，組建了標準化工作組，推動各類教具和望遠鏡的規范化生產，使得這些設備更易于在學校中普及和使用。在此過程中，我們還成立了觀測基地工作組，提供遠程和現場的技術支持，確保設備的正常運作。為了增強學生的探索動力，我們與北師大合作開展師資培訓，并通過中學生天文知識競賽和大學生天文創新大賽等活動，激發學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的教育模式，實現科學教育資源的共享和優化。
三、AI信息化平臺
在天文科學教育體系中，AI信息化平臺是核心。這個平臺不僅能夠為中小學生提供豐富的教育資源，還能幫助他們進行自我驅動的科研探索。通過這個平臺，學生可以訪問天文云課堂、天文知識庫等教育資源，所有內容都是免費的。平臺的內容不僅包括最前沿的天文專家課程，還會提供AI初級輔導，輔導內容涉及科研的進階方向。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生，幫助他們在科研過程中進行更有效的學習和探索，如圖5所示。
圖5 天文AI學習社區
我們特別強調“一人一AI”的理念，如圖6所示。每個學生將擁有一個永久的ID，AI將伴隨他們的成長過程，提供持續的學習支持。通過AI的陪伴，學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在實踐中不斷優化。這種互動不僅為學生提供了個性化的成長路徑，還通過成就驅動激發他們的興趣，促進他們的創新和創造力。
圖6 社區功能架構-AI直播間/一人一AI
此外，平臺的另一重要功能是學習社區的建設。以“高等天文學學習社區”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變。在這個過程中，學生與教師、專家之間形成了更加緊密的合作，學生能夠參與到前沿科學問題的解答中。這種互動不僅幫助學生深化對科學問題的理解，還通過探索性的方式，培養學生獨立思考和解決問題的能力。
圖7 高等天文學學習社區
從2022年開始，如圖8所示，天文科學教育聯盟逐步建設，2023年成立了多個工作組，逐步完善科研教育內容。到2024年，Star Whisper和AstroOne兩大AI模型已經投入使用，這兩者通過持續對抗優化，共同促進了天文AI技術的發展，推動著教育平臺的完善。到2025年，平臺能夠向更多學校開放，支持科研人員和學生的共同探索。而在2026年，我們計劃建設國際化平臺，向全球推廣天文科學教育和科研資源。
圖8 天文科學教育聯盟發展時間路線
教育的動力不僅來自學生的自主探索，也來源于科研人員的參與。科學家通過推動教育，不僅能夠推動科學研究的發展，還能形成教育和科研的良性循環。在第四次工業革命的浪潮中，科學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教育，將是提升人類能力的關鍵。希望通過我們的努力，能夠讓天文學賦能科學教育，為第四次工業革命的成功奠定基礎。
我們希望通過建設AI驅動的教育平臺，打破傳統的教育界限，幫助中小學生實現自我驅動的科研探索，讓天文學成為每個人都可以接觸和學習的學科。
*本文根據作者所作報告速記整理而成
