生成式人工智能協(xié)同下開展單元復習的實踐與思考

單元復習課教學是踐行大單元教學理念的關鍵環(huán)節(jié)，但課時較少，難以兼顧學生的共性與個性需求，教學效果不理想。生成式人工智能（AI）能快速檢索知識，支持多輪次互動對話，以智能學伴及智能助教的身份為學生的學習賦能。筆者以高二年級所任教班級為實驗對象，根據(jù)新授課結(jié)束后學生核心素養(yǎng)水平調(diào)查情況，嘗試在空間向量與立體幾何單元復習課中融入生成式人工智能，使其以智能學伴及智能助教的身份全面賦能，助力學生掌握知識技能，實現(xiàn)知識框架搭建及知識遷移。一、單元復習課教學困境與出路在新課程新教材應用背景下，如何在課堂教學中提質(zhì)增效，促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展已成為教師關注的熱點問題。單元復習課是常見課型，目前筆者實際教學情況不容樂觀。單元復習課于新授課后進行，目的是引導學生鞏固知識、構(gòu)建知識體系，它是后續(xù)專題復習課、綜合復習課的基礎。教師做教學設計時應關注學生自主思考及能力提升，多采用問題引領、給學生適當留白的方式教學。單元復習課的設計原則包括梳理完整的知識結(jié)構(gòu)體系、明確涉及的數(shù)學核心素養(yǎng)、確定應達到的核心素養(yǎng)水平及設計合理的題組[1]。囿于課時，對于單元復習課許多教師僅是簡單羅列知識點，對典型例題、易錯題進行逐一展示，缺乏對學生的個性化指導，在課堂上針對學生的薄弱之處也難以精準指導，更多時候是指導學生課下自行強化，效果欠佳。這讓筆者開始思考：能否在單元復習課融入生成式人工智能，將它作為學生的智能學伴與智能助教，探索基于最近發(fā)展區(qū)提升能力和素養(yǎng)的有效途徑？筆者以高二年級“空間向量與立體幾何”（人教A版《普通高中教科書數(shù)學選擇性必修第一冊》）單元復習為例開展實踐。二、核心概念界定（一）立體幾何內(nèi)容立體幾何大單元包含“立體幾何初步”和“空間向量與立體幾何”兩個子單元?！翱臻g向量與立體幾何”一章位于選擇性必修第一冊，是必修第二冊“平面向量及其應用”在空間的推廣，也是“立體幾何初步”的延續(xù)?？臻g向量的加入為解決立體幾何提供新的視角，為解決三維圖形的形狀、大小及位置關系等問題增加一種理想的代數(shù)工具，有利于提高學生的空間想象能力和學習效率；同時，也有利于學生用代數(shù)的觀點和方法解決立體幾何問題，用計算代替邏輯推理和空間想象，用數(shù)的規(guī)范性代替形的直觀性。這種方法可操作性強，降低了立體幾何題求解難度。（二）生成式人工智能單元復習的一大痛點便是難以兼顧解決共性與個性問題。在這方面，生成式人工智能能提供強大助力，使學生在最近發(fā)展區(qū)成長成為可能。2016年，以阿爾法圍棋程序為代表的專用人工智能技術引發(fā)社會的大討論。在數(shù)據(jù)、算理和算法的強力驅(qū)動下，生成式人工智能應運而生，又一次引發(fā)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的熱議。生成式人工智能是一種專注于生成或創(chuàng)建新內(nèi)容的人工智能。它的強大之處在于可利用現(xiàn)有文本、音頻或圖像等大型數(shù)據(jù)集生成全新內(nèi)容，能夠更加準確地理解連續(xù)的自然語言背后的需求，在此基礎上為人們迅速生成更“有效”的答案。借此工具，教師可對整個教學過程實施智能化改造與重塑，使個性化定制教學、虛擬情境學習成為可能。生成式人工智能在單元復習課的課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)均可作為智能學伴與助教賦能學生個性化學習。主要體現(xiàn)在以下兩個方面。其一，知識獲取：快速生成學習材料、知識脈絡，輔助學生撰寫大綱、檢索內(nèi)容，搭建知識框架，拓展知識廣度、深度和關聯(lián)度。其二，自主學習：多輪次對話，為學生提供良好的學習體驗，提高其學習投入度，助力學生作業(yè)自查及改進，并根據(jù)學生需求針對性生成題目。考慮到與在讀學生手頭硬件兼容問題，筆者引導學生使用“快問AI”。這是一款基于最新生成式人工智能模型的學習助手，可與搜題軟件搭配使用。（三）單元復習課模式筆者采用“三段六環(huán)”模式開展教學。此模式是基于教師王秀彩等人提出的高中數(shù)學大單元主題教學結(jié)構(gòu)化理論演變而來的[2]（如圖1）。筆者在單元復習課教學中采用了“整合主題——結(jié)構(gòu)重建”的設計模式（如圖2）。三、生成式人工智能助力單元復習促進學生學會學習，就要讓學生學習由被動走向主動[3]。生成式人工智能賦能單元復習課的基本邏輯是堅持人機協(xié)同。教師需將“快問AI”的功能與教育教學的各個環(huán)節(jié)進行對應與比較。下面，具體闡述“快問AI”在單元復習課各個環(huán)節(jié)如何發(fā)揮智能學伴和智能助教的作用。（一）單元內(nèi)容分析與學情分析本單元知識的復習，可以幫助學生在學習平面向量的基礎上，利用類比的方法理解空間向量的概念、運算、基本定理和應用，體會平面向量和空間向量的共性和差異；運用向量的方法研究空間基本圖形的位置關系和度量關系，體會向量方法和綜合幾何方法的共性和差異；運用向量方法解決簡單的數(shù)學問題和實際問題，感悟向量是研究幾何問題的有效工具。學生復習后應具備以下能力：理解空間向量的概念、運算、背景和作用；依托空間向量建立空間圖形及圖形關系的想象力；掌握空間向量基本定理，體會其作用，并能簡單應用；運用空間向量解決一些簡單的實際問題，體會用向量解決一類問題的思路；直觀想象、數(shù)學運算、數(shù)學建模和數(shù)學抽象等能力[4]。為充分了解學情，筆者從高三年級選取樣本進行測試，對回收的有效數(shù)據(jù)運用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)學生對知識間邏輯關系理解有偏差、單元知識結(jié)構(gòu)整合意識不強。這意味著學生復習時應關注理解常規(guī)思路、搭建知識框架、整合跨章節(jié)的知識。筆者在上完空間向量與立體幾何新授課后，在任教班級中隨機抽取學生進行問卷調(diào)查，以分析學生核心素養(yǎng)水平。從水平層次上發(fā)現(xiàn)，所有學生的核心素養(yǎng)水平處于第一水平（知識理解）以上，大部分學生未達到第二水平（知識遷移），沒有學生達到第三水平（知識創(chuàng)新）。這表明，學生掌握基本事實、定理，弄清圖形與數(shù)量的簡單關系，能夠畫出基本立體圖形的平面圖、運用運算法則進行正確運算，但缺乏推理、證明能力。（二）實驗對象與前測分析為評價單元復習課效果，筆者選擇教材上的復習參考題1（第47～49頁）內(nèi)習題組成前測試卷，以教師教學用書中“本章學業(yè)水平測試卷”（第69～71頁）作為后測試卷進行分析。筆者對前測成績分析后發(fā)現(xiàn)，任教班與所選取做對照的班級成績不存在顯著差異，可選為樣本進行實證研究。（三）生成式人工智能融入單元復習課教學1.繪制思維導圖復習課開展前，學生需利用課余時間對新授課內(nèi)容進行梳理，嘗試自行構(gòu)建知識單元。以往學生自行翻閱課本梳理知識，這一過程效率較低，且學生注意力不夠集中。有了技術的加持，筆者要求學生向“快問AI”索要內(nèi)容大綱。學生以看標題回顧的方式梳理，有助于厘清知識結(jié)構(gòu)，針對性深挖概念。學生輸入：請列出選擇性必修一中立體幾何的所有知識點。軟件回答如下（如圖3）。學生結(jié)合生成式人工智能列出的內(nèi)容大綱，回憶知識點，繪制思維導圖，對于不理解、記憶模糊之處再翻閱課本加以補充、鞏固，有利于他們完成陳述性知識向程序性知識的轉(zhuǎn)化。在繪制結(jié)束后，學生再次翻閱課本，篩選針對個人的典型例題習題，在課前嘗試完成系統(tǒng)知識的進一步構(gòu)建與深化。此過程中，學生與“快問AI”對話，由生成式人工智能講解概念模糊之處。2.助力授課后完善知識框架在師生共同從單元知識完備性、模塊關聯(lián)性、模塊內(nèi)部知識邏輯性等維度完善思維導圖的基礎上，學生思考：前后知識間的聯(lián)系在哪里？生成式人工智能以智能學伴的角色，引入等價數(shù)學知識，為學生提供一題多解所應具備的知識及思想方法。同時，多輪次對話為學生提供良好的互動學習體驗，提升其學習投入度。“快問AI”提供不同的關聯(lián)知識，有助于學生鞏固所學知識與方法，變陳述性知識為程序性知識。學生仍可進一步追問，對解決問題過程進行反思與總結(jié)，建立知識間的聯(lián)系。生成式人工智能能助力學生達成課標所提出的學生“應歸納向量法、綜合法與坐標法的特點，根據(jù)具體問題的特點選擇合適的方法”的要求。另外，教材構(gòu)建了“背景—空間向量的概念—空間向量的運算及其性質(zhì)—空間向量基本定理—空間直角坐標系—空間向量及其運算的坐標表示—應用”的研究框架，以問題鏈引導學生思考。在復習時，筆者鼓勵學生向生成式人工智能提問，采用多輪對話的方式在互動中實現(xiàn)知識整合。3.助力診斷與反饋評價復習課的實效，應看重學生通過復習是否有效突破原本的薄弱環(huán)節(jié)。在單元復習結(jié)束后，除完成教師圍繞該章教學內(nèi)容設計的診斷卷外，生成式人工智能還能以智能助教的身份與學生進行知識問答，評估學生對知識的掌握程度。在此過程中，學生若有概念模糊不清、不牢固的知識點，可由生成式人工智能提供同類型題或相關變式供鞏固練習。學生完成解答后，再讓生成式人工智能生成詳解，根據(jù)給分點與自己的解答過程進行比照。4.提供知識搜索與歸納服務對于本章中的“閱讀與思考向量概念的推廣與應用”，筆者提出二維、三維向量可推廣為高維向量，并通過例子介紹高維向量的應用。在學生依照提綱思考、提煉后，“快問AI”可作為助手協(xié)助其快速檢索獲取知識。以章末復習這一提問為例：“空間向量由平面向量推廣而來，空間向量與平面向量有許多共同性質(zhì)……我們能不能把向量的概念推廣到四維（例如由‘長‘寬‘高‘時間四個維度構(gòu)成的空間）、五維等‘空間中去呢？它們是否也與平面向量、空間向量有許多共同的性質(zhì)？”“快問AI”為學生提供了答案，并根據(jù)需求推薦專業(yè)圖書以拓寬思路。四、實踐效果與反思（一）后測成績分析分析后測成績發(fā)現(xiàn)，實驗班、對照班成績呈現(xiàn)出0.05水平顯著性（見表1）。對比可知，實驗班均值（76.36）明顯高于對照班（68.21）。在此過程中筆者亦發(fā)現(xiàn)，有了“快問AI”的陪伴，學生的知識遷移能力有所增強。（二）反思與展望單元復習課教學以鞏固學生已有知識為出發(fā)點，基于學生最近發(fā)展區(qū)架構(gòu)思維體系，形成數(shù)學思維和數(shù)學品質(zhì)。本次實踐，筆者在課前、課中、課后融入“快問AI”，使其以智能學伴及智能助教的身份引導學生深度理解。整個過程中充分體現(xiàn)了學生的主體地位，取得了良好的效果。作為“數(shù)字中國戰(zhàn)略”的一部分，教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型是大勢所趨。教育目的之一便是提高人對工具的使用程度。生成式人工智能可在多個教育教學情境中為學生賦能，為發(fā)展學生數(shù)學“四基”提供強大助力，使師生數(shù)學視野均有拓寬。在生成式人工智能助力下，學生自主學習活動、學習方式趨于多樣，有利于推動教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的結(jié)構(gòu)性變遷，使學生在最近發(fā)展區(qū)享受教育智能服務成為可能。除了智能學伴的角色，生成式人工智能支持文獻資源的自動檢索和智能化，能為學生提供個性化活動需求的資源，動態(tài)生成優(yōu)質(zhì)多媒體學習資源。若學生掌握一定的編程知識，可搭配知識圖譜引