生成式人工智能在中学化学教学中的应用与教师态度研究

一、问题的提出人工智能包括通用人工智能，以及生成式人工智能两个分支。人工智能和教育的交融正向推进教育创新，将加快发展平等面向每个人的教育、每个人一生的教育、适合每个人的教育、更加开放灵活的教育。在中学化学教学中，生成式人工智能的具体应用、对课堂教学质量提升和评价等问题，是当前化学教育研究的热点。本文旨在探讨生成式人工智能在中学化学教学中的应用现状，并通过调查中学化学教师的态度，探讨生成式人工智能与中学化学教学结合的潜在优势与挑战。二、研究现状1.人工智能+教育研究概述。笔者在中国知网以“生成式人工智能+教育教学”为关键词进行搜索，共查阅得到期刊论文52篇，其中2023年发表19篇，2024年截至9月为止共计33篇，可以看出“人工智能+教育”的研究热度正在逐步上升。从统计文献的学科分布图可以看出，目前生成式关于“人工智能+教育”的研究主要集中在教育理论、计算机教育和高等教育，三者共占比达70.97%。目前“人工智能+教育”的开发和应用研究齐头并进，关于中学教育的理论和实践应用中还有待一线工作者和研究者的进一步研究。2.生成式人工智能在中学化学的研究现状。生成式人工智能与中学教育的融合，包括了个性化学习、智能辅导、智能评价等多方面。在中国知网，以“人工智能、生成式人工智能、中学化学”为关键词进行组合搜索，共查阅得到期刊文献14篇，硕士论文3篇。2019年科技部前瞻性地概括了人工智能在教育的六大场景中的应用。“备”的应用场景共涉及4篇文献，黄郁郁、王后雄探讨了人工智能在个性化资源分享、多维化评价和特色化实验创新等方面的融合应用，并提出了在数据资源和隐私保护方面的局限性。马明兰提出了提升素养、分型施策、塑造共识三条路径来实现智慧课堂教学实践，利用人工智能技术进行个性化教学和评价。王玉凤提出通过多样化教学、明确教学目的和合理安排教学时间来构建智慧课堂。杨云芳提出了信息化预习激发兴趣、信息化导入延伸知识、信息化互动趣味交流、信息化实验积累经验以及信息化评价科学育人等发展策略。“教”的应用场景共涉及6篇文献，其中比较有代表性的如邢蓓蓓以二氧化碳的性质和对生活环境的影响为课例，利用生成式人工智能提高教学互动性和学生的探究能力，讨论了生成式人工智能在初中化学教学中的应用策略。王珊珊通过“车身骨架材料的选择”案例，讨论了如何利用人工智能提高学生的跨学科问题解决能力。李俊峰以铁及其化合物的教学为例，使用人工智能进行学情反馈，设计基于人工智能的教学活动。“评”的应用场景仅查阅到1篇文献，高文蓓、王新福等开发了一款化学实验现象评价与反馈系统，进行智能分析，提供及时的评价和反馈，具有评价及时化、结果精准化、反馈个性化等优势，有助于提高实验教学的效果。“管”的应用场景涉及3篇文献，其中戴力，徐迪通过实施跨学科合作平台、鼓励学科交叉培训和教育、加强学科之间交流和合作，以及实施具体教学措施来培养创新型复合人才，并提出了实施思路和具体措施。桑德文则分析初中化学智慧课堂教学的策略，强调利用线上平台创设教学资源、提高学生智慧课堂认同感、科学规划智慧课堂教学时间、合理创设化学智慧教学情境和采用多元化的教学评价方式。三、中学化学教师对生成式人工智能的态度调查1.量表设计与收集。为了调查中学化学教师对人工智能的态度，本研究参考尹睿关于中小学教师人工智能课程教学准备度量表，编制中学化学教师关于生成式人工智能的态度量表，采用李克特五点量表（完全不符合=1，不太符合=2，一般=3，基本符合=4，完全符合=5）形式进行评分，量表经过5位专家评估修改，内容效度达标。向深圳市合计8所兄弟学校共128位中学化学教师（含初中学段45位和高中学段83位）发放问卷，回收问卷128份，有效问卷109份，有效率为85.1%，量表总体的Cronbach’sα值为0.81，内部一致性良好。2.数据分析。总体态度的均值为3.58，表面目前中学化学教师对生成式人工智能融合中学化学课程的态度总体处于意向期（Mlt;4.00），教师们普遍对生成式人工智能有初步的认识，期待其积极影响，同时缺乏相关的专业知识和教学能力，对实际操作和普及应用缺乏信心。从各维度的均分表现来看，教师们的认知（M=3.92）和心理维度（M=3.51）处于“一般”水平（3.5≤M＜4），知识（M=3.40）和能力（M=3.48）维度处于“不足”水平（Mlt;3.5）。结合访谈发现，在认知维度上，教师们能够辩证看待生成式人工智能对中学化学教学的影响，关注其相关发展资讯，但是由于工作时长，工作年限等原因，比较少教师主动去系统学习生成式人工智能的课程，掌握其使用技巧。在心理维度上，教师们认可生成式人工智能辅助中学化学课程的价值，也意识到开展人工智能的学习有助于培养学生的化学学科核心素养和学科思维，但由于缺乏指导和实践经历，对开展生成式人工智能的课堂表现出信心的缺失。在知识的维度上，技术层面和实操层面是教师们目前最大的困难。在能力维度，教师们基本可以结合生成式人工智能完成教学设计，但普遍表现出较低的能力水平，这与长期的教学行为有关，更重要的是在当前的生成式人工智能的发展阶段，考虑到学生的接受程度和学校的硬件支持，教师们没有足够的实践经历，因此能力自然得不到相应的发展。3.差异性比较。根据量表收集的教师信息，结合独立样本T检验分析发现不同的性别，学段，教龄的中学化学教师对生成式人工智能的态度也存在差异，根据数据分析，男性教师在知识维度上存在着显著性差异（p=0.035lt;0.05），表面男性中学化学教师关于生成式人工智能的知识储备会略优于女性教师，其他的维度差异不显著。相比起高中学段的化学教师，初中学段的化学教师在认知（p=0.021lt;0.05）和能力（p=0.032lt;0.05）维度上更优于高中教师，通过访谈，发现可能与中学阶段化学学科在中考和高考中的占比相关，初中教师更有时间和精力去投入研究和实践当中。另外新手教师在知识（p=0.042lt;0.05）和能力（p=0.011lt;0.05）维度上与熟手教师存在显著性差异，新手教师关于生成式人工智能的知识储备更加突出，但是结合到具体课程的实践能力则略低于熟手教师。四、研究结论及展望1.进一步开展结合生成式人工智能的中学化学教学实践。生成式人工智能在中学化学教学中的实际应用处于探索和尝试的阶段，实际应用和研究主要集中在理论层面和个别案例上，主要集中在“备”和“教”两个应用场景，如利用生成式人工智能进行特色化的实验创新，进行跨学科的项目式学习，缺乏系统性和普及性。2.针对性开展教师培训。中学化学教师对生成式人工智能的态度是积极的，但是在应用的实际操作和普及上缺乏信心。教师的认知水平相对较高，能够理解生成式人工智能在教育中的作用，但在心理、知识和能力维度上普遍准备不足，需要更多的支持和培训。此外，性别、学段和教龄等因素也影响了教师对生成式人工智能的态度，需要针对不同教师群体提供定制化的培训和资源，以提高他们的信心和能力。3.借助生成式人工智能，赋能中学化学教学。基于研究分析和当前教育技术的发展，本研究就如何融合人工智能和中学化学教学的建议如下：（1）建立跨学科团队：