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关于中小学“人工智能+课堂教学”的研究评述
2022-07-25 11:02:35 来源:佛山市高明区教师发展中心 点击:

关于中小学人工智能+课堂教学”的研究评述

 

作者信息:

1、单位:佛山市高明区教师发展中心

2、联系:赵建初

3E-mail45450879@qq.com

4、邮编:528500

 

摘要人工智能正在发展,在教育领域的应用日益增多,推动课堂教学走向智能化。人工智能技术与学科课程的融合,有效提升了课堂教学质量。本文主要提出了人工智能走进课堂教学的原因,梳理了人工智能技术支持下中小学课堂教学的主要研究成果,归纳了人工智能在课堂教学的应用方式

 

关键词 中小学;人工智能+课堂教学;研究评述

 

人工智能已成为推进 21 世纪教育改革与创新发展的强大技术杠杆和战略制高点。关注人工智能技术在课堂教学的应用,既是时代的需要,也是现实的需要,更是防疫的需要。


一、问题的提出

1、时代需要:人工智能引领社会变革,教育需要跟进。

2017人工智能改写了围棋的历史。人机围棋大战,世界围棋冠军柯洁对战Alpha-go三局全败,之后人类棋手再没有赢过机器棋手。人工智能在围棋比赛中独占鳌头、无出其右,此外,国防、新闻、科技、医疗等领域亦是一枝独秀,在各行各业不断攻坚克难、破解难题[]

人工智能成为了引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力,正深刻改变着人们的生产和生活,推动人类社会迎来人机协同、跨界融合、共创分享的智能时代[]。人工智能技术支持下社会不断变革和发展,教育也需要在人工智能技术支持下改革、提质。

2、现实需要:当前教学效率低下,课堂需要变革。

有关研究表明,我国中小学课堂教学效率长期低下教师“教”得苦,学生“学”得累究其原因,是缺乏对学生的学习数据分析和科学的教学指导,忽视了学生学习兴趣和良好学习方法的培养,导致了教师的“教”漫无目的,学生盲目低效[]。日益成熟的人工智能与课堂教学深度融合,有于课堂教学理念和方法的现代化,有利于让课堂教学精准化,学生学习个性化。

3、防疫需要:后疫情时代,教育需要“智能+”在线。

新冠疫情虽然阻隔了师生的返校之路,让全体师生居家上课,但所带来的教学方式变革让我们清楚地看到,融合了“互联网+”“智能+”技术的在线教学已经成为中国教育和世界教育的重要发展方向,我们再也不可能、也不应该退回到疫情发生之前的教与学状态。这就迫切呼唤变革课堂理念、变革课堂空间、变革课堂教学,重建课堂样态[]

 

二、研究评述

近年来,“人工智能+课堂教学”逐渐受到教育工作者重视,借用人工智能技术提升教学质量成为了中小学一个重要的趋势。人工智能技术在个性化教学和课堂教学得到广泛的应用,引发了许多专家学者的关注,他们从不同角度对人工智能技术在教育教学应用进行深入研究,总结、提炼了丰富的理论成果,多个方向取得了重要突破,为广大一线教师深入进行智慧教学的课堂实验提供了必要的指南[]

【突破一】:课堂空间不断打破

5G网络、AI算法、VR技术等新兴智能技术赋予了课堂空间高仿真、低时延的交互体验,为创设真实教学情境提供支持,促进优质资源高质量供给。“互联网+课堂”以开放、互联、创新为核心,倡导无所不在的学习文化与环境,拓展了课堂空间的边界。例如:杭州市长寿桥岳帅小学依托5G+AI构建个性定制的全景化智能课堂空间[],智能技术使物理课堂空间和虚拟课堂空间二合为一,打破了传统课堂的围墙,为人人、时时、处处可学的设想成为现实。

【突破二】:教学模式不断创新

世界各国积极推进人工智能技术支持的模式创新,促进人工智能与教育教学的深度融合。例如:美国华盛顿大学巴索校区推出的基于Kinect体感技术的体验式教学模式[],通过为学生提供与现实世界相似的虚拟或仿真情景,帮助学生将现实世界和虚拟世界建连接,让学生“身临其境”,获得了真实、鲜活的学习体验。

【突破三】:教学方法不断涌现

“以学生为中心”的核心教育理念支持下,以自适应、智能化等为特征的教学系统和工具不断涌现,有效支持教师的差异化教学。例如:美国Knewton自适应学习平台[],通过采集学生的在线学习数据,可精准分析和预测学生的优势、不足、学习兴趣、认知投入水平,按照学习者自身的步调进行教学,为学生提供差异化的学习辅导服务,进而改进了在线学习效果不明显的缺点。

【突破四】:教学理论不断丰富

智慧课堂应深度学习理论为指导,对标学生发展核心素养,融合技术赋能思维,依托人工智能教学环境实现人机协同、数据驱动、动态适应、个性定制的规模化因材施教,创新智能技术课堂应用,全面重塑课堂教学样态。例如:胡国良等依托5G+AI技术提出开放大学智慧学习空间构建模型;李小平等提出了依托知识图谱驱动的VR教学资源智能建构方法[]。智能技术重新定义了教学的环境、资源和评价,变革了课堂教学的思维与方法。

【突破五】:智慧教学平台不断涌现

当前,科大讯飞FiF教学平台、超星泛雅教学平台、超星学习通、学乐云教育大数据云平台、雨课堂、人教智慧学习平台、蓝墨云班课、课堂派、猿辅导、学而思、高途课堂、洋葱学院等智慧教学平台不断涌现[]。这些教学平台基于新一代人工智能技术开发,以教师、学生需求为导向,以教学任务实现为要点,融合先进的系统理念和现代教育理念,选择或设计交互式教学系统。促使智慧教学有了更多可能性,为翻转课堂、智慧课堂的普及提供了必要的技术基础。笔者梳理了一下传统课堂与人工智能加持下的智慧课堂的主要区别,对比如下表:

1:传统课堂与智慧课堂的异同比较

影响因素

传统课堂

智慧课堂

教学策略

教师讲授为主

学生探索学生为主

讲授方式

单一说教

交互性指导

学习内容

教材知识

数字化的富媒体资料

教学媒介

PPT课件

线上智慧教学平台

教师角色

知识传授者

学生学习的引领者、协助者

评价方式

对学习结果评估

基于动态学习数据的全过程

综上所述,人工智能技术与课堂教学的融合,使教育迈入了一个全新的时代。教育环境、教学范式、师生角色等都不断发生变化,课堂的组织方式、运行模式、管理规则等也随之改变。各类关于“人工智能+课堂教学”研究和实践不断扩大,相关理论也不断成熟,人工智能+课堂教学的理念、方法和解决方案不断走进课堂。未来,基于人工智能的个性化的虚实融合的课堂态将成为教育的重要变革趋势。

三、应用场景

人工智能是模拟人类智能的跨领域学科,主要对人类思维过程的模拟及再现。人工智能与课堂教学深度融合,推动了课堂变革,应用场景、融合模式日益成熟,使课堂教学理念和方法走向科学化和智能

【应用场景一】:学科教学

1、英语教学

在英语教学中,可以运用人工智能技术,根据先前测试的英语水平(年龄、基础、学习风格、爱好等),因人而异提供适配的听力学习资源,使每位学生都可以听到自己感兴趣的话题。当前英语学习中,学生经常要记忆一些不常用的单词,人工智能技术对英语单词进行统计,分析单词与专业用语之间的关联度,系统会自动做出判断,如“想要从事这个工作领域的人,应该记住这个单词[]”,从而可以减轻学习者英语学习的负担。此外,准确率已达到 98% 以上人工智能语音识别,已经能够听懂人类语言,并可及时给予反馈。例如:科大讯飞的英语AI听说课堂,将语音识别技术应用到英语课堂教学,高效支持师生进行听、说练习,从而支持英语学习的变革。

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1-1 沧江中学、一中实校、杨和中学试点的AI听说课堂

2、语文教学

自然语言处理技术的逐渐成熟,让人工智能技术也走进了传统的语文课堂教学。人工智能技术可以对学生的作文进行批改和评价,分析学生作文的优缺点。除了批改作文,亦可对学生的作业进行抄袭检测,帮助教师判断学生是独立完成的作业还是利用其它途径完成的作业。例如:在2021年世界人工智能大会上,微软与华东师大合作推出中文写作智能辅导系统——“小花狮”[],用AI教学生写作文,用手机拍一拍,眨眼的功夫,OCR技术便将学生的手写作业转换成文本,召唤出AI作文点评助手……手机成了虚拟的语文老师,帮助批改作文,成为了学生写作的小导师。此外,诸如清华大学研发的《九歌》等人工智能诗歌写作平台也数不胜数,它们采用NLP技术和自然语言核心算法,提供自动写作和辅助写作的能力。结合自然语言处理等人工智能技术,不仅可以让学生获得作文评分结果,还能让其了解评分背后的原因,持续改进学习方法,提升写作与阅读能力。人工智能+教育必将深刻改变作文教学的生态,为作文教学赋能,为语文老师减负,为作文革命提供最好的通道平台。

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1-2清华大学研发的《九歌——人工智能诗歌写作系统》

3、音乐教学

在中小学音乐编创课程中,人工智能技术将学生的音乐创作文稿进行有效地整合,为学生进行音乐创作提供了简单、有效的工具。例如:谷歌公司出品的人工智能作曲工具Magenta Studio可根据学生输入的旋律与鼓点,自动整合并拓展生成新的旋律与鼓点,生成完整的音乐作品。目前,一大批类似的人工智能音乐创作软件不断出现,成为学生进行编创原创音乐的基础工具。这些人工智能创作工具有效优化了音乐教学,教师只需作一定的引导和启发,提出创作内容和方法的要求,学生就可以体验创作的乐趣,变革了音乐课堂[]

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1-3谷歌公司的人工智能作曲工具《Magenta Studio》

4其它学科应用

人工智能+课堂教学,亦称智慧课堂,是指在人工智能+互联网的信息化环境下,依据前期对学生的诊断分析和教学目标要求,融合各种形式的学习资源,结合具体的信息技术手段,为教学编制的最优的教与学实施方案。根据教学活动中产生的动态学习数据科学处理教学目标、学生特征、学习内容、教学模式与策略、教学资源与环境、教学活动过程、课外学习与作业、教学评价等关系,以求更好改进教与学[]。智慧课堂教学模式相比于传统的教学模式更加体现出了以人为本的教育理念,同时促进了学生的智慧生成。其在学科课堂应用一般如下图:

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1-4 人工智能技术与课堂教学融合应用框架图

【应用场景二】:精准教学

1、精准备课。利用人工智能开展数据分析、学生画像等功能,在每次学生作业、练习后,系统会即时产生可视化、图表化、多维度的学情报告,教师既可以查看学校、年级、班级的整体数据,也可以精确跟踪到每位学生、每个题目的数据分析。通过人工智能的系统分析可以掌握不同学生对知识的理解情况,可以从学习成绩变化、同年级差距分析、薄弱项分析、学科潜力等维度诊断班级学生群体或学生个体的学业情况,然后根据实际情况动态调整下一阶段的授课内容,做到精准备课。

2、精准分析。传统的课堂教学效果分析以人工观察和手工编码为主,存在过度依赖人工、分析效率低、分析结果受到人为主观因素影响等短板,这对改善教师的教学技能帮助有限。利用人工智能技术在课堂上通过人脸识别、学生动作识别等方式实现课堂智能采样,使得采样结果更加有效。这种基于人工智能技术的课堂教学分析更加精准,且效率更高。通过算法的不断优化,将课堂的教学效果更加客观地反馈给教师本人,增强了对教师课堂教学效果的精准化“画像”能力,教师可以参考课堂分析的反馈报告,对课堂教学效果不断优化。

3、减轻学生负担。随着国家关于“双减”工作的推进,中小学开始大幅度减轻义务教育阶段学生的作业负担,这就要求教师根据学生的学习情况定制符合学生个性化发展的高质量作业。通过人工智能学习系统,精准定位学生薄弱知识点,并匹配与其学习能力最相适应的作业内容,以实现学生的分层化教学,为学生学习提供了精准的个性化解决方案。

【应用场景三】:辅助教学

1VR教学。传统课堂里,学生需要面对大量抽象的、难懂的、微观的、宏观的知识点,依旧停留在依赖死记硬背、重复记忆的方式。VR虚拟现实教学技术使抽象难懂的知识点念具体化,难点的知识点可视化,让书本的知识真正“活”起来。对学生来说,戴着酷炫的VR眼镜完全沉浸到虚拟世界中,暂时“告别”了枯燥的课堂,既可以增进对科普知识的理解,还可以提升对学习的主动性,提高学习兴趣。对老师来说,VR沉浸式创新教育既辅助老师的课堂教学,又推动教研水平提升。这样既依托于书本,又升华了知识内容,真正做到真听、真看、真感受,让学习变得简单、快乐、高效。

2、辅助阅卷。目前人工智能技术已逐渐替代教师完成一部分工作,例如:人工智能可以帮助教师完成学生的试卷的检阅以及错误的批改工作,同时,人工智能也可以完成一些简单的教学工作。同时,人工智能技术还可以辅助教学完成备课工作,教师可以输入所要备课的内容,人工智能技术可以完成相关教学内容的搜索,并依据内容的难度进行分类,进而满足教师的个性化备课需求。

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1-5:广东高考英语听说智能评阅系统

 

【应用场景四】:课堂评价

人工智能技术不仅能辅助教学,丰富教学,在教学评价上也能发挥重要的作用。在日常的课程教学中,教学评价主要体现为课堂观察、学生成绩、自我评价等,需要保证准确、客观、全面。但以往大多数的课堂并没有真正体现出教学评价的效果,还是依靠着授课教师、听课教师以及学生个人的主观意识给与评分,在课堂观察环节,主观色彩过重又往往造成教学评价的不全面。人工智能技术的出现就极大地为教育教学评价提供了可靠的支持。人脸识别、语音识别、量化数据、学生课堂行为分析等功能,可以快速统计和生成学生的学习效果、学习状态和学习能力的分析数据,从而帮助教师更快、更全面地掌握学生的出勤率,了解学生的学习情况,更合理地安排教学内容和进度,提升课程教学的质量和效率。同时,人工智能还能对教师的教学过程进行测算,并给出合理的建议,这样就使教师可以更加快速地进行教学评估,促进教师的教学反思和总结提升。

 

 

人工智能在提高教育质量、促进个性化学习、培养创新型人才方面发挥着不可替代的作用,亦将成为中小学未来改革的重要方向。但我们也要清醒的注意到,人工智能目前存在不少缺点,例如忽视了教育的自然规律,它虽然可以为学生提供所需要的教学内容和大量的资源,但不能和学生进行情感上的交流,不利于学生个性的培养。此外,人工智能技术本身发展还不够成熟,仍有较大发展空间,主要体现为图像识别、语音识别等人工智能技术不够准确,需要不断完善和改进。同时,过分依赖于机器评测不仅会让学生忽视日常交流对于学习的重要性,还会使他们缺乏评分批判的能力。更何况机器系统再怎么完善也不能确保结果一定正确,过分依赖机器也可能导致评价的结果不够客观,缺乏准确性。

我真诚地期望,本研究能为广大中小学教师在实践“人工智能+教育”提供理论借鉴与实践引导,有效推动人工智能在中小学教育发挥积极作用。

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备注

[1]本论文系2021年广东省教育科学规划领导小组办公室规划课题《基于“5G+AI”环境下可视化教学模式与策略研究2021YQJK096)》中期研究成果;

[2]本论文在2022年高明区中小学人工智能与可视化教学教研成果征集活动获一等奖。

 

 

【参考文献】