《基礎(chǔ)教育階段人工智能技術(shù)與學(xué)科融合的研究》中期報告

西安市基礎(chǔ)教育小課題研究中期報告時間：2022.6.9立項號2021XKT-ZXWL021課題名稱基礎(chǔ)教育階段人工智能技術(shù)與學(xué)科融合的研究負(fù)責(zé)人王巧艷負(fù)責(zé)人所在單位西安東儀中學(xué)課題研究進展情況一、目前第一個階段（問題探究階段）已經(jīng)順利結(jié)束，針對我校初中、高中階段，人工智能與學(xué)科融合的教學(xué)情況進行了系統(tǒng)的問卷調(diào)查，同時對問卷進行了歸納分析和總結(jié)。二、對于問題解決階段的這部分研究，全體課題組成員，以研究方案為藍本，認(rèn)真堅持研究和實踐相結(jié)合的原則，針對問卷調(diào)查所反映出的一系列問題，我們展開了如下研究：1、人工智能與學(xué)科教學(xué)融合的類型研究人工智能和學(xué)科教學(xué)的融合實質(zhì)上是學(xué)科課程和信息技術(shù)的結(jié)合，它可以分為兩大類，分別為：人工智能教學(xué)（人工智能在各類教育場景中的應(yīng)用）和人工智能教育（學(xué)習(xí)與人工智能相關(guān)的知識技能）。一個屬于技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，一個屬于學(xué)習(xí)技術(shù)背后的知識原理。人工智能教學(xué)，多指應(yīng)用人工智能系統(tǒng)，以技術(shù)輔助教學(xué)，屬于AI技術(shù)應(yīng)用層面，例如ITS智能教學(xué)系統(tǒng)等。人工智能教育也稱作智能教育，是人工智能多層次教育體系的全民智能教育，涵蓋在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。那就是“中小學(xué)人工智能教育”要面向不同發(fā)展方向的學(xué)生。“專業(yè)從業(yè)人員、各行業(yè)相關(guān)人員、普通市民”這樣的三類中小學(xué)人工智能課程培養(yǎng)規(guī)格，支持了不同學(xué)習(xí)者不同的發(fā)展方向。小學(xué)、初中階段人工智能教學(xué)的成分大于人工智能教育，低年級學(xué)生對于人工智能處于感知階段，它們的生活中有許多智能產(chǎn)品，對人工智能產(chǎn)品及其應(yīng)用充滿了好奇，極易接受，有一定的直觀經(jīng)驗。主要體現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用層面，至于技術(shù)背后的原理則關(guān)心較少。高中階段學(xué)科教學(xué)中滲透人工智能教育：人工智能的決策思想、預(yù)測思想、不確定人工智能的思想。人工智能專業(yè)知識和數(shù)學(xué)學(xué)科知識緊密相關(guān)。在數(shù)學(xué)課的教學(xué)中滲透人工智能教育，梳理高中數(shù)學(xué)與高中人工智能知識點、挖掘高中數(shù)學(xué)與高中人工智能知識的結(jié)合點，在教學(xué)中體現(xiàn)人工智能教育，為培養(yǎng)人工智能創(chuàng)新人才，推進人工智能技術(shù)的發(fā)展大有裨益。中小學(xué)教育是人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)人工智能領(lǐng)域的人才，我們要看到信息技術(shù)課程的主要作用，更要看到語文、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科在人工智能人材培養(yǎng)中的作用。在基礎(chǔ)教育階段，人工智能與學(xué)科的融合不僅指人工智能教學(xué)還指人工智能教育，在各學(xué)科教學(xué)的過程中，人工智能教育和智能教學(xué)兼而有之。培養(yǎng)著新一代智能人才。2、人工智能時代下課堂教學(xué)模式分析人機協(xié)同課堂教學(xué)模式人機協(xié)同，顧名思義，就是機器和人協(xié)作完成任務(wù)。協(xié)同教學(xué)是指尋求人工智能技術(shù)性與教師教學(xué)藝術(shù)性之間的平衡，以實現(xiàn)教學(xué)預(yù)設(shè)性與生成性之間的相互融合。人機協(xié)同課堂教學(xué)模式主要包括教師智慧、機器智能、協(xié)同教學(xué)、學(xué)生智慧四個要素，具體表現(xiàn)在三個方面：（1）課前：教師及時通過在線學(xué)習(xí)等智能平臺了解學(xué)生的學(xué)情，有針對性地布置預(yù)習(xí)資料；再根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)反饋精準(zhǔn)備課（2）上課：教師提出問題、學(xué)生合作探究、得出結(jié)論，智能系統(tǒng)統(tǒng)計反饋、教師有效引導(dǎo)、總結(jié)評價。充分展現(xiàn)學(xué)生智慧，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人。（3）課后：借助智能移動終端，教師和學(xué)生實時溝通，依據(jù)智能平臺收集學(xué)生表現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，推送習(xí)題，開展托底、培優(yōu)等個性化學(xué)習(xí)。智能技術(shù)及智能產(chǎn)品為教學(xué)的藝術(shù)性服務(wù)，教學(xué)的藝術(shù)性依然是教學(xué)工作的重心，是教師立足的根本，不動搖。3、學(xué)科教學(xué)與VR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實技術(shù)）相結(jié)合VR人工智能技術(shù)在教學(xué)場景中得到應(yīng)用,VR“虛擬仿真實驗室”作為信息技術(shù)在實驗教學(xué)中應(yīng)用的載體，為中學(xué)物理實驗教學(xué)的改革提供了契機。VR實驗教學(xué)，運用中央電教館虛擬實驗服務(wù)平臺，在課堂上可以安全無污染地進行一些初中和高中教學(xué)中涉及污染、有毒的材料的實驗。比如：學(xué)生們先利用現(xiàn)場VR設(shè)備中虛擬火柴點燃蠟燭，再用鼠標(biāo)輕輕拖動一個模擬塑料袋，放置到蠟燭上方，熱氣逐漸充滿塑料袋，這樣，“孔明燈”安全無污染地在課堂上放飛成功。師生還共同完成了“運動的相對性”、“聲音是怎樣傳播的”等一系列實驗。例如它在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，電路圖與實物電路的相互轉(zhuǎn)化，電流的可視化等，為學(xué)習(xí)電學(xué)知識提供強大助力。溫度報警器（虛擬仿真實驗）溫度報警器電流可視化（VR實驗中）伏安法測電阻（VR虛擬實驗）伏安法測電阻（VR虛擬實驗）電流可視化VR技術(shù)可以模擬動植物的生長，物種演變的過程場景，讓學(xué)習(xí)者在課題上親歷生命發(fā)展周期。生物老師利用VR技術(shù)模擬真實動物的生長過程，真實地再現(xiàn)動物在三維空間中的生長發(fā)育過程，同時在計算機上顯示。例如：毛毛蟲變成蝴蝶的過程屬于完全變態(tài)過程（卵——幼蟲——蛹——成蟲），它區(qū)別于不完全變態(tài)過程（卵——幼蟲——成蟲），教師要很清楚的講清兩個生長發(fā)育過程，難度很大，利用虛擬技術(shù)模擬毛毛蟲的變化,可以很好的再現(xiàn)整個過程，二者的區(qū)別也一目了然。應(yīng)用VR技術(shù)，模擬真實場景，學(xué)生身臨其境親身體驗，可以很好的分析學(xué)習(xí)包含的物理知識。北京市第20中學(xué)教師王祎萍在講授新課《飛機為什么能上天》（北師大版八年級下冊）時，飛機上天模型模擬飛機逆風(fēng)起飛，分析飛機上天的原因。學(xué)生戴上VR眼鏡，親身體驗飛機起飛的過程，感受科技的魅力，學(xué)生從視覺、聽覺、觸覺多感官體會物理知識在生活中的應(yīng)用。4.利用自然語言處理技術(shù)輔助教學(xué)自然語言處理包括語言計算、機器翻譯、語言資源建設(shè)等方面。自然語言處理技術(shù)可以應(yīng)用在語文教學(xué)中。作文批改是語文教師一項繁重的工作，自然語言處理技術(shù)可以對學(xué)生的作文進行評價，能夠分析學(xué)生作文的優(yōu)缺點，并且在短時間內(nèi)就給予反饋。當(dāng)教師面臨著大量的教學(xué)工作時借助該技術(shù)來幫助自己完成工作，提高了工作效率，最重要的是及時反饋，可以趁熱打鐵，及時解決問題。教師在進行課堂作文片段寫作訓(xùn)練時，自然語言處理系統(tǒng)及時“批閱”習(xí)作，教師就可以進行當(dāng)堂習(xí)作講評。習(xí)作練習(xí)、講評就會有一個圓滿的過程，提供寫作教學(xué)的時效性。自然語言處理技術(shù)的應(yīng)用亦可對學(xué)生的作業(yè)進行抄襲檢測，幫助教師判斷學(xué)生是否獨立完成作業(yè)。三、研究成果現(xiàn)已收集到的階段性成果大致有：1、開題報告2、高中學(xué)科教學(xué)中人工智能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查3、初中學(xué)科教學(xué)中人工智能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查4、調(diào)查報告5、教學(xué)案例6、根據(jù)當(dāng)下應(yīng)該迫切解決的問題進行了研究，撰寫相關(guān)論文一篇存在的困難及解決思路存在問題：對本課題的研究使我們較全面地認(rèn)識了基礎(chǔ)教育階段人工智能與學(xué)科融合的問題所在：對人工智能技術(shù)是教學(xué)的推動力，這一事實重視但認(rèn)識不到位；當(dāng)下應(yīng)該迫切解決的問題是：師生加強共識，進一步對AI與學(xué)科融合進行探索；從問卷調(diào)查及課題組的深入研究，我們課題組深感責(zé)任重大，也更加明確了課題研究的方向及重要性。解決思路：1、重視并明確認(rèn)識：AI技術(shù)并非教育規(guī)律本身，它是在遵循教育規(guī)律的前提下，為教育服務(wù)，實現(xiàn)教育現(xiàn)代化、信息化。遵循教育自身規(guī)律，專門針對中小學(xué)學(xué)科教育研發(fā)的AI技術(shù)，可應(yīng)用于中小學(xué)學(xué)科教育的AI技術(shù)，都可以大膽應(yīng)用于教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)，它的應(yīng)用是教學(xué)改革的需要，是培養(yǎng)立足未來社會的智能人才的需要。2、明確國家對信息化教育要求我國教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》，是教育信息化的升級要實現(xiàn)從專用資源向大資源轉(zhuǎn)變;從提升學(xué)生信息技術(shù)應(yīng)用能力、向提升信息技術(shù)素養(yǎng)轉(zhuǎn)變;從應(yīng)用融合發(fā)展，向創(chuàng)新融合發(fā)展轉(zhuǎn)變?？梢姡珹I與學(xué)科融合是國家基于教育發(fā)展需要，對當(dāng)下教育提出的新要求。3、多學(xué)習(xí)發(fā)達城市（比如北京、上海）的經(jīng)典教學(xué)案例。我們可以主動去學(xué)習(xí)經(jīng)典的教學(xué)案例，學(xué)人之長，補己之短。學(xué)高為師，身正為范，要敢于學(xué)習(xí)新技術(shù)，敢于挑戰(zhàn)自我4、正視技術(shù)的魅力中小學(xué)教師工作辛苦，任務(wù)量大，合理使用技術(shù)可以幫助教師從繁重重復(fù)的工作中騰出時間，對學(xué)生加強思想教育，真正做到全面育人。學(xué)生學(xué)習(xí)及時反饋，及時解決。5、發(fā)揮領(lǐng)頭羊作用身邊的先行者，技術(shù)先鋒的課我們可以觀摩、學(xué)習(xí)能否按期結(jié)題根據(jù)目前的研究進展，可以按期結(jié)題專家的指導(dǎo)和建議開題報告寫得有些籠統(tǒng)，人工智能技術(shù)和學(xué)科教學(xué)融合，具體和哪些技術(shù)融合，建議寫得再具體些。參考文獻1、VR技術(shù)在教育場景中的優(yōu)勢與改變：體驗、可視化與建構(gòu)主義2、基[2000]34號.教育部關(guān)于在中小學(xué)普及信息技術(shù)教育的通知[EB/OL][2019-9