《基础教育阶段人工智能技术与学科融合的研究》中期报告

西安市基础教育小课题研究中期报告时间：2022.6.9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负责人所在单位西安东仪中学课题研究进展情况一、目前第一个阶段（问题探究阶段）已经顺利结束，针对我校初中、高中阶段，人工智能与学科融合的教学情况进行了系统的问卷调查，同时对问卷进行了归纳分析和总结。二、对于问题解决阶段的这部分研究，全体课题组成员，以研究方案为蓝本，认真坚持研究和实践相结合的原则，针对问卷调查所反映出的一系列问题，我们展开了如下研究：1、人工智能与学科教学融合的类型研究人工智能和学科教学的融合实质上是学科课程和信息技术的结合，它可以分为两大类，分别为：人工智能教学（人工智能在各类教育场景中的应用）和人工智能教育（学习与人工智能相关的知识技能）。一个属于技术应用领域，一个属于学习技术背后的知识原理。人工智能教学，多指应用人工智能系统，以技术辅助教学，属于AI技术应用层面，例如ITS智能教学系统等。人工智能教育也称作智能教育，是人工智能多层次教育体系的全民智能教育，涵盖在中小学阶段设置人工智能相关课程。那就是“中小学人工智能教育”要面向不同发展方向的学生。“专业从业人员、各行业相关人员、普通市民”这样的三类中小学人工智能课程培养规格，支持了不同学习者不同的发展方向。小学、初中阶段人工智能教学的成分大于人工智能教育，低年级学生对于人工智能处于感知阶段，它们的生活中有许多智能产品，对人工智能产品及其应用充满了好奇，极易接受，有一定的直观经验。主要体现在技术应用层面，至于技术背后的原理则关心较少。高中阶段学科教学中渗透人工智能教育：人工智能的决策思想、预测思想、不确定人工智能的思想。人工智能专业知识和数学学科知识紧密相关。在数学课的教学中渗透人工智能教育，梳理高中数学与高中人工智能知识点、挖掘高中数学与高中人工智能知识的结合点，在教学中体现人工智能教育，为培养人工智能创新人才，推进人工智能技术的发展大有裨益。中小学教育是人才培养的基础，在基础教育阶段培养人工智能领域的人才，我们要看到信息技术课程的主要作用，更要看到语文、数学、物理、化学、生物等学科在人工智能人材培养中的作用。在基础教育阶段，人工智能与学科的融合不仅指人工智能教学还指人工智能教育，在各学科教学的过程中，人工智能教育和智能教学兼而有之。培养着新一代智能人才。2、人工智能时代下课堂教学模式分析人机协同课堂教学模式人机协同，顾名思义，就是机器和人协作完成任务。协同教学是指寻求人工智能技术性与教师教学艺术性之间的平衡，以实现教学预设性与生成性之间的相互融合。人机协同课堂教学模式主要包括教师智慧、机器智能、协同教学、学生智慧四个要素，具体表现在三个方面：（1）课前：教师及时通过在线学习等智能平台了解学生的学情，有针对性地布置预习资料；再根据学生的预习反馈精准备课（2）上课：教师提出问题、学生合作探究、得出结论，智能系统统计反馈、教师有效引导、总结评价。充分展现学生智慧，让学生成为学习的主人。（3）课后：借助智能移动终端，教师和学生实时沟通，依据智能平台收集学生表现的相关数据，推送习题，开展托底、培优等个性化学习。智能技术及智能产品为教学的艺术性服务，教学的艺术性依然是教学工作的重心，是教师立足的根本，不动摇。3、学科教学与VR技术（虚拟现实技术）相结合VR人工智能技术在教学场景中得到应用,VR“虚拟仿真实验室”作为信息技术在实验教学中应用的载体，为中学物理实验教学的改革提供了契机。VR实验教学，运用中央电教馆虚拟实验服务平台，在课堂上可以安全无污染地进行一些初中和高中教学中涉及污染、有毒的材料的实验。比如：学生们先利用现场VR设备中虚拟火柴点燃蜡烛，再用鼠标轻轻拖动一个模拟塑料袋，放置到蜡烛上方，热气逐渐充满塑料袋，这样，“孔明灯”安全无污染地在课堂上放飞成功。师生还共同完成了“运动的相对性”、“声音是怎样传播的”等一系列实验。例如它在物理实验教学中的应用，电路图与实物电路的相互转化，电流的可视化等，为学习电学知识提供强大助力。温度报警器（虚拟仿真实验）温度报警器电流可视化（VR实验中）伏安法测电阻（VR虚拟实验）伏安法测电阻（VR虚拟实验）电流可视化VR技术可以模拟动植物的生长，物种演变的过程场景，让学习者在课题上亲历生命发展周期。生物老师利用VR技术模拟真实动物的生长过程，真实地再现动物在三维空间中的生长发育过程，同时在计算机上显示。例如：毛毛虫变成蝴蝶的过程属于完全变态过程（卵——幼虫——蛹——成虫），它区别于不完全变态过程（卵——幼虫——成虫），教师要很清楚的讲清两个生长发育过程，难度很大，利用虚拟技术模拟毛毛虫的变化,可以很好的再现整个过程，二者的区别也一目了然。应用VR技术，模拟真实场景，学生身临其境亲身体验，可以很好的分析学习包含的物理知识。北京市第20中学教师王祎萍在讲授新课《飞机为什么能上天》（北师大版八年级下册）时，飞机上天模型模拟飞机逆风起飞，分析飞机上天的原因。学生戴上VR眼镜，亲身体验飞机起飞的过程，感受科技的魅力，学生从视觉、听觉、触觉多感官体会物理知识在生活中的应用。4.利用自然语言处理技术辅助教学自然语言处理包括语言计算、机器翻译、语言资源建设等方面。自然语言处理技术可以应用在语文教学中。作文批改是语文教师一项繁重的工作，自然语言处理技术可以对学生的作文进行评价，能够分析学生作文的优缺点，并且在短时间内就给予反馈。当教师面临着大量的教学工作时借助该技术来帮助自己完成工作，提高了工作效率，最重要的是及时反馈，可以趁热打铁，及时解决问题。教师在进行课堂作文片段写作训练时，自然语言处理系统及时“批阅”习作，教师就可以进行当堂习作讲评。习作练习、讲评就会有一个圆满的过程，提供写作教学的时效性。自然语言处理技术的应用亦可对学生的作业进行抄袭检测，帮助教师判断学生是否独立完成作业。三、研究成果现已收集到的阶段性成果大致有：1、开题报告2、高中学科教学中人工智能技术应用现状调查3、初中学科教学中人工智能技术应用现状调查4、调查报告5、教学案例6、根据当下应该迫切解决的问题进行了研究，撰写相关论文一篇存在的困难及解决思路存在问题：对本课题的研究使我们较全面地认识了基础教育阶段人工智能与学科融合的问题所在：对人工智能技术是教学的推动力，这一事实重视但认识不到位；当下应该迫切解决的问题是：师生加强共识，进一步对AI与学科融合进行探索；从问卷调查及课题组的深入研究，我们课题组深感责任重大，也更加明确了课题研究的方向及重要性。解决思路：1、重视并明确认识：AI技术并非教育规律本身，它是在遵循教育规律的前提下，为教育服务，实现教育现代化、信息化。遵循教育自身规律，专门针对中小学学科教育研发的AI技术，可应用于中小学学科教育的AI技术，都可以大胆应用于教学，学生学习，它的应用是教学改革的需要，是培养立足未来社会的智能人才的需要。2、明确国家对信息化教育要求我国教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》，是教育信息化的升级要实现从专用资源向大资源转变;从提升学生信息技术应用能力、向提升信息技术素养转变;从应用融合发展，向创新融合发展转变。可见，AI与学科融合是国家基于教育发展需要，对当下教育提出的新要求。3、多学习发达城市（比如北京、上海）的经典教学案例。我们可以主动去学习经典的教学案例，学人之长，补己之短。学高为师，身正为范，要敢于学习新技术，敢于挑战自我4、正视技术的魅力中小学教师工作辛苦，任务量大，合理使用技术可以帮助教师从繁重重复的工作中腾出时间，对学生加强思想教育，真正做到全面育人。学生学习及时反馈，及时解决。5、发挥领头羊作用身边的先行者，技术先锋的课我们可以观摩、学习能否按期结题根据目前的研究进展，可以按期结题专家的指导和建议开题报告写得有些笼统，人工智能技术和学科教学融合，具体和哪些技术融合，建议写得再具体些。参考文献1、VR技术在教育场景中的优势与改变：体验、可视化与建构主义2、基[2000]34号.教育部关于在中小学普及信息技术教育的通知[EB/OL][2019-9