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關於中小學“人工智能+課堂教學”的研究評述
2022-07-25 11:02:35 來源:hth官方网址 點擊:

關於中小學人工智能+課堂教學”的研究評述

 

作者信息:

1、單位:hth官方网址

2、聯係:趙建初

3E-mail45450879@qq.com

4、郵編:528500

 

摘要人工智能正在發展,在教育領域的應用日益增多,推動課堂教學走向智能化。人工智能技術與學科課程的融合,有效提升了課堂教學質量。本文主要提出了人工智能走進課堂教學的原因,梳理了人工智能技術支持下中小學課堂教學的主要研究成果,歸納了人工智能在課堂教學的應用方式

 

關鍵詞 中小學;人工智能+課堂教學;研究評述

 

人工智能已成為推進 21 世紀教育改革與創新發展的強大技術杠杆和戰略製高點。關注人工智能技術在課堂教學的應用,既是時代的需要,也是現實的需要,更是防疫的需要。


一、問題的提出

1、時代需要:人工智能引領社會變革,教育需要跟進。

2017人工智能改寫了圍棋的曆史。人機圍棋大戰,世界圍棋冠軍柯潔對戰Alpha-go三局全敗,之後人類棋手再沒有贏過機器棋手。人工智能在圍棋比賽中獨占鼇頭、無出其右,此外,國防、新聞、科技、醫療等領域亦是一枝獨秀,在各行各業不斷攻堅克難、破解難題[]

人工智能成為了引領新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力,正深刻改變著人們的生產和生活,推動人類社會迎來人機協同、跨界融合、共創分享的智能時代[]。人工智能技術支持下社會不斷變革和發展,教育也需要在人工智能技術支持下改革、提質。

2、現實需要:當前教學效率低下,課堂需要變革。

有關研究表明,我國中小學課堂教學效率長期低下教師“教”得苦,學生“學”得累究其原因,是缺乏對學生的學習數據分析和科學的教學指導,忽視了學生學習興趣和良好學習方法的培養,導致了教師的“教”漫無目的,學生盲目低效[]。日益成熟的人工智能與課堂教學深度融合,有於課堂教學理念和方法的現代化,有利於讓課堂教學精準化,學生學習個性化。

3、防疫需要:後疫情時代,教育需要“智能+”在線。

新冠疫情雖然阻隔了師生的返校之路,讓全體師生居家上課,但所帶來的教學方式變革讓我們清楚地看到,融合了“互聯網+”“智能+”技術的在線教學已經成為中國教育和世界教育的重要發展方向,我們再也不可能、也不應該退回到疫情發生之前的教與學狀態。這就迫切呼喚變革課堂理念、變革課堂空間、變革課堂教學,重建課堂樣態[]

 

二、研究評述

近年來,“人工智能+課堂教學”逐漸受到教育工作者重視,借用人工智能技術提升教學質量成為了中小學一個重要的趨勢。人工智能技術在個性化教學和課堂教學得到廣泛的應用,引發了許多專家學者的關注,他們從不同角度對人工智能技術在教育教學應用進行深入研究,總結、提煉了豐富的理論成果,多個方向取得了重要突破,為廣大一線教師深入進行智慧教學的課堂實驗提供了必要的指南[]

【突破一】:課堂空間不斷打破

5G網絡、AI算法、VR技術等新興智能技術賦予了課堂空間高仿真、低時延的交互體驗,為創設真實教學情境提供支持,促進優質資源高質量供給。“互聯網+課堂”以開放、互聯、創新為核心,倡導無所不在的學習文化與環境,拓展了課堂空間的邊界。例如:杭州市長壽橋嶽帥小學依托5G+AI構建個性定製的全景化智能課堂空間[],智能技術使物理課堂空間和虛擬課堂空間二合為一,打破了傳統課堂的圍牆,為人人、時時、處處可學的設想成為現實。

【突破二】:教學模式不斷創新

世界各國積極推進人工智能技術支持的模式創新,促進人工智能與教育教學的深度融合。例如:美國華盛頓大學巴索校區推出的基於Kinect體感技術的體驗式教學模式[],通過為學生提供與現實世界相似的虛擬或仿真情景,幫助學生將現實世界和虛擬世界建連接,讓學生“身臨其境”,獲得了真實、鮮活的學習體驗。

【突破三】:教學方法不斷湧現

“以學生為中心”的核心教育理念支持下,以自適應、智能化等為特征的教學係統和工具不斷湧現,有效支持教師的差異化教學。例如:美國Knewton自適應學習平台[],通過采集學生的在線學習數據,可精準分析和預測學生的優勢、不足、學習興趣、認知投入水平,按照學習者自身的步調進行教學,為學生提供差異化的學習輔導服務,進而改進了在線學習效果不明顯的缺點。

【突破四】:教學理論不斷豐富

智慧課堂應深度學習理論為指導,對標學生發展核心素養,融合技術賦能思維,依托人工智能教學環境實現人機協同、數據驅動、動態適應、個性定製的規模化因材施教,創新智能技術課堂應用,全麵重塑課堂教學樣態。例如:胡國良等依托5G+AI技術提出開放大學智慧學習空間構建模型;李小平等提出了依托知識圖譜驅動的VR教學資源智能建構方法[]。智能技術重新定義了教學的環境、資源和評價,變革了課堂教學的思維與方法。

【突破五】:智慧教學平台不斷湧現

當前,科大訊飛FiF教學平台、超星泛雅教學平台、超星學習通、學樂雲教育大數據雲平台、雨課堂、人教智慧學習平台、藍墨雲班課、課堂派、猿輔導、學而思、高途課堂、洋蔥學院等智慧教學平台不斷湧現[]。這些教學平台基於新一代人工智能技術開發,以教師、學生需求為導向,以教學任務實現為要點,融合先進的係統理念和現代教育理念,選擇或設計交互式教學係統。促使智慧教學有了更多可能性,為翻轉課堂、智慧課堂的普及提供了必要的技術基礎。筆者梳理了一下傳統課堂與人工智能加持下的智慧課堂的主要區別,對比如下表:

1:傳統課堂與智慧課堂的異同比較

影響因素

傳統課堂

智慧課堂

教學策略

教師講授為主

學生探索學生為主

講授方式

單一說教

交互性指導

學習內容

教材知識

數字化的富媒體資料

教學媒介

PPT課件

線上智慧教學平台

教師角色

知識傳授者

學生學習的引領者、協助者

評價方式

對學習結果評估

基於動態學習數據的全過程

綜上所述,人工智能技術與課堂教學的融合,使教育邁入了一個全新的時代。教育環境、教學範式、師生角色等都不斷發生變化,課堂的組織方式、運行模式、管理規則等也隨之改變。各類關於“人工智能+課堂教學”研究和實踐不斷擴大,相關理論也不斷成熟,人工智能+課堂教學的理念、方法和解決方案不斷走進課堂。未來,基於人工智能的個性化的虛實融合的課堂態將成為教育的重要變革趨勢。

三、應用場景

人工智能是模擬人類智能的跨領域學科,主要對人類思維過程的模擬及再現。人工智能與課堂教學深度融合,推動了課堂變革,應用場景、融合模式日益成熟,使課堂教學理念和方法走向科學化和智能

【應用場景一】:學科教學

1、英語教學

在英語教學中,可以運用人工智能技術,根據先前測試的英語水平(年齡、基礎、學習風格、愛好等),因人而異提供適配的聽力學習資源,使每位學生都可以聽到自己感興趣的話題。當前英語學習中,學生經常要記憶一些不常用的單詞,人工智能技術對英語單詞進行統計,分析單詞與專業用語之間的關聯度,係統會自動做出判斷,如“想要從事這個工作領域的人,應該記住這個單詞[]”,從而可以減輕學習者英語學習的負擔。此外,準確率已達到 98% 以上人工智能語音識別,已經能夠聽懂人類語言,並可及時給予反饋。例如:科大訊飛的英語AI聽說課堂,將語音識別技術應用到英語課堂教學,高效支持師生進行聽、說練習,從而支持英語學習的變革。

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1-1 滄江中學、一中實校、楊和中學試點的AI聽說課堂

2、語文教學

自然語言處理技術的逐漸成熟,讓人工智能技術也走進了傳統的語文課堂教學。人工智能技術可以對學生的作文進行批改和評價,分析學生作文的優缺點。除了批改作文,亦可對學生的作業進行抄襲檢測,幫助教師判斷學生是獨立完成的作業還是利用其它途徑完成的作業。例如:在2021年世界人工智能大會上,微軟與華東師大合作推出中文寫作智能輔導係統——“小花獅”[],用AI教學生寫作文,用手機拍一拍,眨眼的功夫,OCR技術便將學生的手寫作業轉換成文本,召喚出AI作文點評助手……手機成了虛擬的語文老師,幫助批改作文,成為了學生寫作的小導師。此外,諸如清華大學研發的《九歌》等人工智能詩歌寫作平台也數不勝數,它們采用NLP技術和自然語言核心算法,提供自動寫作和輔助寫作的能力。結合自然語言處理等人工智能技術,不僅可以讓學生獲得作文評分結果,還能讓其了解評分背後的原因,持續改進學習方法,提升寫作與閱讀能力。人工智能+教育必將深刻改變作文教學的生態,為作文教學賦能,為語文老師減負,為作文革命提供最好的通道平台。

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1-2清華大學研發的《九歌——人工智能詩歌寫作係統》

3、音樂教學

在中小學音樂編創課程中,人工智能技術將學生的音樂創作文稿進行有效地整合,為學生進行音樂創作提供了簡單、有效的工具。例如:穀歌公司出品的人工智能作曲工具Magenta Studio可根據學生輸入的旋律與鼓點,自動整合並拓展生成新的旋律與鼓點,生成完整的音樂作品。目前,一大批類似的人工智能音樂創作軟件不斷出現,成為學生進行編創原創音樂的基礎工具。這些人工智能創作工具有效優化了音樂教學,教師隻需作一定的引導和啟發,提出創作內容和方法的要求,學生就可以體驗創作的樂趣,變革了音樂課堂[]

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1-3穀歌公司的人工智能作曲工具《Magenta Studio》

4其它學科應用

人工智能+課堂教學,亦稱智慧課堂,是指在人工智能+互聯網的信息化環境下,依據前期對學生的診斷分析和教學目標要求,融合各種形式的學習資源,結合具體的信息技術手段,為教學編製的最優的教與學實施方案。根據教學活動中產生的動態學習數據科學處理教學目標、學生特征、學習內容、教學模式與策略、教學資源與環境、教學活動過程、課外學習與作業、教學評價等關係,以求更好改進教與學[]。智慧課堂教學模式相比於傳統的教學模式更加體現出了以人為本的教育理念,同時促進了學生的智慧生成。其在學科課堂應用一般如下圖:

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1-4 人工智能技術與課堂教學融合應用框架圖

【應用場景二】:精準教學

1、精準備課。利用人工智能開展數據分析、學生畫像等功能,在每次學生作業、練習後,係統會即時產生可視化、圖表化、多維度的學情報告,教師既可以查看學校、年級、班級的整體數據,也可以精確跟蹤到每位學生、每個題目的數據分析。通過人工智能的係統分析可以掌握不同學生對知識的理解情況,可以從學習成績變化、同年級差距分析、薄弱項分析、學科潛力等維度診斷班級學生群體或學生個體的學業情況,然後根據實際情況動態調整下一階段的授課內容,做到精準備課。

2、精準分析。傳統的課堂教學效果分析以人工觀察和手工編碼為主,存在過度依賴人工、分析效率低、分析結果受到人為主觀因素影響等短板,這對改善教師的教學技能幫助有限。利用人工智能技術在課堂上通過人臉識別、學生動作識別等方式實現課堂智能采樣,使得采樣結果更加有效。這種基於人工智能技術的課堂教學分析更加精準,且效率更高。通過算法的不斷優化,將課堂的教學效果更加客觀地反饋給教師本人,增強了對教師課堂教學效果的精準化“畫像”能力,教師可以參考課堂分析的反饋報告,對課堂教學效果不斷優化。

3、減輕學生負擔。隨著國家關於“雙減”工作的推進,中小學開始大幅度減輕義務教育階段學生的作業負擔,這就要求教師根據學生的學習情況定製符合學生個性化發展的高質量作業。通過人工智能學習係統,精準定位學生薄弱知識點,並匹配與其學習能力最相適應的作業內容,以實現學生的分層化教學,為學生學習提供了精準的個性化解決方案。

【應用場景三】:輔助教學

1VR教學。傳統課堂裏,學生需要麵對大量抽象的、難懂的、微觀的、宏觀的知識點,依舊停留在依賴死記硬背、重複記憶的方式。VR虛擬現實教學技術使抽象難懂的知識點念具體化,難點的知識點可視化,讓書本的知識真正“活”起來。對學生來說,戴著酷炫的VR眼鏡完全沉浸到虛擬世界中,暫時“告別”了枯燥的課堂,既可以增進對科普知識的理解,還可以提升對學習的主動性,提高學習興趣。對老師來說,VR沉浸式創新教育既輔助老師的課堂教學,又推動教研水平提升。這樣既依托於書本,又升華了知識內容,真正做到真聽、真看、真感受,讓學習變得簡單、快樂、高效。

2、輔助閱卷。目前人工智能技術已逐漸替代教師完成一部分工作,例如:人工智能可以幫助教師完成學生的試卷的檢閱以及錯誤的批改工作,同時,人工智能也可以完成一些簡單的教學工作。同時,人工智能技術還可以輔助教學完成備課工作,教師可以輸入所要備課的內容,人工智能技術可以完成相關教學內容的搜索,並依據內容的難度進行分類,進而滿足教師的個性化備課需求。

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1-5:廣東高考英語聽說智能評閱係統

 

【應用場景四】:課堂評價

人工智能技術不僅能輔助教學,豐富教學,在教學評價上也能發揮重要的作用。在日常的課程教學中,教學評價主要體現為課堂觀察、學生成績、自我評價等,需要保證準確、客觀、全麵。但以往大多數的課堂並沒有真正體現出教學評價的效果,還是依靠著授課教師、聽課教師以及學生個人的主觀意識給與評分,在課堂觀察環節,主觀色彩過重又往往造成教學評價的不全麵。人工智能技術的出現就極大地為教育教學評價提供了可靠的支持。人臉識別、語音識別、量化數據、學生課堂行為分析等功能,可以快速統計和生成學生的學習效果、學習狀態和學習能力的分析數據,從而幫助教師更快、更全麵地掌握學生的出勤率,了解學生的學習情況,更合理地安排教學內容和進度,提升課程教學的質量和效率。同時,人工智能還能對教師的教學過程進行測算,並給出合理的建議,這樣就使教師可以更加快速地進行教學評估,促進教師的教學反思和總結提升。

 

 

人工智能在提高教育質量、促進個性化學習、培養創新型人才方麵發揮著不可替代的作用,亦將成為中小學未來改革的重要方向。但我們也要清醒的注意到,人工智能目前存在不少缺點,例如忽視了教育的自然規律,它雖然可以為學生提供所需要的教學內容和大量的資源,但不能和學生進行情感上的交流,不利於學生個性的培養。此外,人工智能技術本身發展還不夠成熟,仍有較大發展空間,主要體現為圖像識別、語音識別等人工智能技術不夠準確,需要不斷完善和改進。同時,過分依賴於機器評測不僅會讓學生忽視日常交流對於學習的重要性,還會使他們缺乏評分批判的能力。更何況機器係統再怎麼完善也不能確保結果一定正確,過分依賴機器也可能導致評價的結果不夠客觀,缺乏準確性。

我真誠地期望,本研究能為廣大中小學教師在實踐“人工智能+教育”提供理論借鑒與實踐引導,有效推動人工智能在中小學教育發揮積極作用。

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備注

[1]本論文係2021年廣東省教育科學規劃領導小組辦公室規劃課題《基於“5G+AI”環境下可視化教學模式與策略研究2021YQJK096)》中期研究成果;

[2]本論文在2022年高明區中小學人工智能與可視化教學教研成果征集活動獲一等獎。

 

 

【參考文獻】