《基础教育阶段人工智能技术与学科融合的研究》开题报告

西安市基础教育小课题研究实施方案（开题报告）时间：2022年5月10日立项号2021XKT-ZXWL021课题名称基础教育阶段人工智能技术与学科融合的研究负责人王巧艳所在单位东仪中学课题研究的背景和意义一、课题研究的背景：大数据和人工智能将人类社会升级到智能时代。智能时代为基础教育学科教学与学习方式的升级提供保障。以“培养人”为核心的教育，特别是基础教育必然要适应智能时代的要求。2020年3月，美国高等教育信息化组织发布的《2020年地平线报告：教与学版》，强调了人工智能技术（AI）在教育中的重要作用。2017—2018年间，日本文部科学省、经济产业省讨论会议，以及日本内阁会议、中央教育审议会、产业竞争力会议①从多维度进行专题研讨，通过分析论证，决定将人工智能教育课程加入日本中小学新教学大纲，渗入中小学课堂。而我国几乎在同时也启动了新一代的人工智能发展规划，将中小学人工智能课程体系的制定和实施提上日程，推动人工智能教育的全民普及。近年来，人工智能技术在我国发展迅速，人工智能的发展离不开人才队伍的建设，而人才队伍的建设要从它的源头——基础教育抓起.然而，基础教育阶段教师对人工智能技术与学科融合的重要性认识不够明确。本课题旨在说明基础教育阶段人工智能与学科融合的俾益及重要性。二、课题研究的意义人工智能技术，是研究、开发用于模拟、扩展人的智能的一门新的技术科学。人工智能技术和学科融合的研究具有重要意义。（一）人工智能本身的特点需要加强学科融合人工智能本身具有深度融合、高度交叉、极度复杂的特点，同时又具有技术属性和社会属性的特点，人工智能的教学自然也涉及多个学科。为了确保AI教学资源的科学性和规范性，这就决定了人工智能教育必须依靠跨学科的交叉整合（二）学生的未来发展需要学校教育培养什么样的人才，适应AI的发展需求。未来社会需要具有综合能力的人才，那些单一的，机械性、重复性的工作逐渐被智能机器人代替，或随社会发展逐渐消失，人工智能的发展正在颠覆传统行业，人工智能替代人工成为不可逆转的趋势。（三）人工智能技术的应用满足学生学习个性化需求《2020年地平线报告》指出自适应技术将是影响教育的新技术，而自适应学习的本质是个性化。传统的个性化学习，教师将学生分成小组，以小组为单位给予不同的指导，这种指导与基于人工智能的个性化学习不同，基于人工智能的个性化学习以人工智能技术为支撑，针对每位学习者的特点制定学习计划和资源。国外技术层面出现了如IDEAL、AACS、等个性化学习系统。课题名称的界定和解读一、课题名称界定：（一）课题中各关键词的界定1、基础教育，是一定年限的一般教育或普通教育，主要对象为所有适龄儿童和青少年。包括幼儿教育、小学教育、普通中等教育。2、人工智能技术，是研究、开发用于模拟、扩展人的智能的一门新的技术科学,由人工智能理论、方法、技术及应用系统等几部分组成.它是在计算机、控制论、信息论、数学、心理学等多种学科相互融合的基础上发展起来的一门交叉学科.3、VR技术（虚拟现实），借助计算机创立如同真实世界的三维动态环境，产生视听触嗅力和运动多维真实的感知体验，沉浸于环境中的一种新媒体。4、自然语言处理技术，所有与自然语言的计算机处理有关的技术的统称，其目的是使计算机理解和接受人类用自然语言输入的指令，完成从一种语言到另一种语言的翻译功能。5、学科融合(FOS-Fusionofsubjects)，是指承认学科差异的基础上不断打破学科边界，促进学科间相互渗透、交叉的活动。“融”指融合学科知识、学科思维、学科方法、学科伦理、学科精神，培养跨学科学习的思维，打破原有的以学科为单位的单学科或有限学科融合的课程体系，打破刚性的学科边界设置和固化的课程体系架构。（二）课题界定通过查阅相关文献，AI技术与学科融合，一方面为培养未来AI技术研发人才打基础，一方面技术应用层面，技术服务教学。本课题主要研究VR技术、自然语言处理技术与基础教育学科的融合。（三）课题研究范围：从学生（中学生）、教师视角说明人工智能技术融入基础教育阶段学科教学的应用策略二、课题名称的解读本课题的主要围绕加快推进信息化时代的教育变革，积极研究AI技术中的教育人工智能技术（VR技术、自然语言处理等）与学科融合的应用策略。课题研究的步骤和举措一、课题研究的主体、重点解决的问题目前，人工智能技术（AI）可应用于教学的关键技术有：机器学习、自然语言处理、计算机视觉、知识图谱、VR技术、机器人。本课题主要研究VR技术、自然语言处理技术与中学学科交互融合的应用策略。重点解决基础教育阶段教师对人工智能技术与学科融认识不够明确的问题，应用方法不够到位的问题。各学科在自己的教学中依然“各自为政”，学科之间的交叉融合很少，不利于推进人才培养模式的改革，未来社会需要的是跨行业的综合性人才，不再是机械化大生产单一的劳动力，对人才的需求是多元的。我们的学校培养什么样的人，要紧跟时代的要求，尤其是当今的智能化时代，要使我们的孩子适应社会需求，成为社会有用的人才，我们在人才培养过程中融入人工智能是义不容辞的责任。学科之间是相互促进，相互影响，人工智能技术作用于学科教学，使学科教学得以升级，学科教学中将人工智能相关的数理、信息科学基础知识加入相应学科的教学中，促进人工智能技术迅速发展，服务民生。二、解决重点问题的方法：课题研究的步骤和举措（一）教学实践中应用渗透VR技术、自然语言处理技术实践出真知，在技术应用中学会巧用技术，服务教学。教师究竟如何应对人工智能技术问题，这实质上是一个“教师与人工智能技术之间关系”的问题，是一种特殊的人与技术关系的问题。人与技术的关系是技术哲学中的基本问题。技术哲学认为，人与技术的关系不是简单的主客体二元论所主张的主体对客体的占有或支配关系，或者客体对主体的威胁或奴役关系，而是一种多元关系之中的互动。技术不仅是一种人工物，而且也是被人来使用和传播的，所以不存在与人分离的技术，要放在人与技术的关系中来看技术。人工智能技术与人的关系是一种生态互动合作育人的关系格局，教师协同人工智能技术互动合作育人。（二）主动发现尝试新技术的应用方法、策略主动发现、尝试技术的新用途，使教学更加形象，直观，服务教学。利用人工智能技术的学习软件能够加强学生学习的便捷性，给我们的学习生活带来方便。目前，在教育技术领域中提出一种叫“智慧学伴”的人工智能教师（教育平台），它能够采集学生身体方面的数据、学科知识方面的数据、学习认知方面的数据等，通过系统的数据分析为学生的学习推荐个性化的内容和有针对性的方法，实现精准学习和精准教学。人工智能教师能够承担一些传统的教师角色，比如，对学生的学习障碍进行诊断反馈、对学生的心理素质进行测评改进、对学生的体质进行实时监测、实时分析学生的学习状态等。（三）开展有意义的“智慧课堂”示范课引领活动智慧课堂的示范引领作用会使广大教师在震撼于智能技术强大力量的同时，在自己的教学中合理应用人功智能辅助教学。信息化与课堂教学的融合，大数据和人工智能的辅助，平板直播、增强现实与裸视3D等先进教学手段的运用，使课堂教学的效率倍增，同时也为教师松绑解套、为学生减负。课堂检测环节，合理运用大数据、人工智能可以实现当时批改，既给教师松绑解套，又为学生减负（四）挑战自我，敢做技术的先行者人工智能时代背景下，技术渗透到教育领域，对我们的学科教学带来前所未有的挑战，许多教师都有了忧患意识，意识到技术发展对教学工作的挑战，意识到新技术的神奇力量。“从来没有一个时代像人工智能时代一样，对教师的学习能力有如此高的期待和要求：不学习，就淘汰，不持续学习，就落伍，就泯然于众生之中。”人们对教育的全方位需求与技术对人们学习支持的不充分和不平衡之间的矛盾也将愈发突出（五）优化教育生态环境2016年后，5G+人工智能环境以类脑为方向开始进入人们的视野。在教育领域，AI＋教育融合技术也开始展现，诸多的教育要素，教学过程的设计师——教师，学习的主体——学生，学习的环境，学习资源等交互更加多元化，在传统网络环境中的师生、生生、人机交互基础上，还出现了环境之间、资源之间也以类脑智能的方式进行交互与学习。智能学习情境中甚至出现超越人类的某些功能，一个囊括多元智能主体交互与学习的智能教育生态系统以5G技术为引领正在形成。教育生态系统的多元化，使教育生态系统得以优化。课题研究的步骤和举措三、课题研究的方法（1）行动研究法：通过对基础教育阶段人工智能技术与学科融合的研究分析，结合新课程理念制定具体的研究计划，开展实践，并在实施计划中不断改进研究工作，主要环节包括：计划、行动、考察和反思。（2）调查法：通过调查人工智能技术在中小学学科教学中的应用情况，找出存在问题，研究解决策略，为后续进一步的研究工作提供真实可靠的借鉴和参考。（3）文献研究法：在本课题的研究中，我们团队通过研究国内外相关文献资料，搜索国内外先进的教育技术，教育理念，将人功智能技术与学科建设融合的理论与实践结合起来（4）经验总结法：对某一成功经验（如智慧课堂示范引领课）进行思维加工，以探讨其普遍意义四、课题研究的步骤与时间安排：1、准备阶段（2021年10月——2022年5月）：搜集资料，确定要实施的设计方案2、实施阶段（2022年5月10日——2022年8月）：听取专家意见，对课题的意见方案进一步改进与完善，进行阶段自查，调整和改进研究工作，举办论坛活动，撰写课题研究心得体会，推进课题研究，完成中期报告。3、结题阶段（2022年7月——8月20日）：撰写课题研究报告和结题报告，论文结集，接受专家的中期评估鉴定。课题成果的预期和呈现课题的预期和呈现1、教师和学生对人工智能技术的认识更加客观、全面人工智能辅助教学和学习，并不能代替人的工作，智能技术只能代替教师一部分的劳动过程；复杂的情感疏通，人文关怀都需要教师和学生相互理解，突发事件的解决等需要教师科学地随机应变去处理，这些都是人工智能所无法完成完成的。我们要对人工智能保持理性的态度，在利用人工智能来提升生活质量与学习效率时，还应避免过于依赖人工智能。，2、人工智能技术在学科教学中得以普及，与多学科融合人工智能与数学、物理，音乐等课程融合，体验技术的魅力，为技术的发展而学习。3、人工智能技术在教学中的运用更加恰当合理恰当地把智能技术运用到课堂。以教师和学生的智能互动为主，让全部学生参与其中，保证了课堂的高效运转；构造智能化课堂互动模式。全面精准地评测学生表现。4、形成相应的文字，图片，（1）人工智能技术与学科融合的研究的调查报告、开题报告