林涌波
摘 要:人工智能作為智慧校園的重要組成部分,讓教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)更加精準(zhǔn)高效。文章根據(jù)教育部教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃等文件精神,結(jié)合長沙市岳麓區(qū)德潤園實(shí)踐應(yīng)用,運(yùn)用人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助課堂教學(xué),以“技術(shù)融合、學(xué)科融合、師生應(yīng)用融合”14字為核心方針,為人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐提供參考借鑒。
關(guān)鍵詞:人工智能;虛擬現(xiàn)實(shí);互聯(lián)網(wǎng)+教育
0引言
2017年1月,國務(wù)院發(fā)布《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,支持各級(jí)各類學(xué)校建設(shè)智慧校園,綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來教育教學(xué)新模式。
《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—? ? ? ? ? 2020年)》明確要求強(qiáng)化信息技術(shù)應(yīng)用,提高教師應(yīng)用信息技術(shù)水平,更新教學(xué)觀念,改進(jìn)教學(xué)方法,提高教學(xué)效果;鼓勵(lì)學(xué)生利用信息手段主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí),增強(qiáng)運(yùn)用信息技術(shù)分析解決問題能力。而虛擬現(xiàn)實(shí)VR的沉浸感能全面調(diào)動(dòng)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣,符合該綱要所要求的主動(dòng)學(xué)習(xí),自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新教育思想、教育模式和教育方法的要求。
在“互聯(lián)網(wǎng)+”的帶領(lǐng)下,教育領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場(chǎng)深層次改革,技術(shù)正在重新塑造教育的新形態(tài)。推動(dòng)教師主動(dòng)適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)的變革,積極有效開展教育教學(xué),促進(jìn)和激發(fā)教師主動(dòng)應(yīng)用信息技術(shù)去改變課堂教學(xué)的積極性和創(chuàng)造性,打造“技術(shù)創(chuàng)新課堂”,分享新媒體、新技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用方式、特點(diǎn)和作用,促進(jìn)信息技術(shù)與課堂教學(xué)的深度融合創(chuàng)新,破解教育教學(xué)重難點(diǎn)問題,提升教師信息技術(shù)應(yīng)用能力與素養(yǎng)。在此背景下,研究如何應(yīng)用人工智能等新技術(shù)推動(dòng)教育事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
1 人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合教育的現(xiàn)狀與發(fā)展分析
1.1 人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合教育現(xiàn)狀分析
1.1.1 國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用情況
根據(jù)被視為教育信息化建設(shè)與發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)《國際教育信息化地平線報(bào)告》預(yù)測(cè),近兩三年來能夠?qū)虒W(xué)和創(chuàng)造性研究產(chǎn)生重要推動(dòng)作用的6項(xiàng)主流應(yīng)用信息技術(shù)中,移動(dòng)應(yīng)用、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D打印等占據(jù)主要部分[1]。英國的開放大學(xué)開放科學(xué)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了線上實(shí)驗(yàn)功能,學(xué)生下載實(shí)驗(yàn)所需虛擬的儀器硬件后即可進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)[2]。我國在《國家中長期教育和改革發(fā)展綱要2020—2020)》中明確指出要大力發(fā)展虛擬實(shí)驗(yàn)室,用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練中所存在的高污染、高風(fēng)險(xiǎn)、高損耗、長周期等諸多問題。虛擬仿真技術(shù)在我國也有十余年的發(fā)展歷程,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室案例有很多,例如清華大學(xué)的“電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真”實(shí)驗(yàn)室。隨著“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)”與“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)科中的應(yīng)用與實(shí)踐研究的案例愈來愈多。
1.1.2 VR在教學(xué)中的研究現(xiàn)狀分析
經(jīng)文獻(xiàn)搜索可知,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中由來已久,主要運(yùn)用在中學(xué)的學(xué)科中,如中學(xué)生物、地理、物理、英語和科學(xué)教學(xué)的應(yīng)用研究。德潤園的課題研究內(nèi)容為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用策略研究。科學(xué)課程中有很多宇宙與空間領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容,主要培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力。但是由于認(rèn)知差異及思維發(fā)展的差異,并不是所有的學(xué)生都能理解,而通過人工智能及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能直觀體驗(yàn),在科學(xué)教學(xué)中發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)。
1.2 人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)教育的未來發(fā)展分析
1.2.1 注重有機(jī)結(jié)合,確保資源的實(shí)用性
充分運(yùn)用VR、AR、3D、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù),確保資源與最新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,讓資源可廣泛應(yīng)用于各類教學(xué)設(shè)備,一定程度上能領(lǐng)先于其他傳統(tǒng)教育教學(xué)輔助手段[3]。
1.2.2 推動(dòng)人機(jī)交互,促進(jìn)群體的協(xié)助性
教育部教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃中強(qiáng)調(diào)了人機(jī)交互和群體協(xié)助。VR教學(xué)中的雙向交流模式將知識(shí)性、趣味性和自主性相結(jié)合,教師的教學(xué)將更加充分全面地考慮學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律,促進(jìn)其在新技術(shù)的體驗(yàn)中更好地實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和群體協(xié)助,提升合作能力與意識(shí),同時(shí),實(shí)現(xiàn)教師信息技術(shù)能力的全面快速提升。
1.2.3 用好新技術(shù),實(shí)現(xiàn)VR價(jià)值的最大化
VR不僅僅是技術(shù),更是資源的集合體[4]。通過新技術(shù)的使用、研究和新資源的開發(fā)、創(chuàng)作,新技術(shù)、新設(shè)備最終成為能可持續(xù)服務(wù)于全學(xué)科、全體學(xué)生的有效手段,從“我想看,我喜歡看”到“我想做,我也能做”。
1.2.4 學(xué)科交互融合,創(chuàng)新(課堂教學(xué))目標(biāo)的高效性
基于新技術(shù)和新課程,用項(xiàng)目或主題等方式,集合不同學(xué)科的同類型、同素材教學(xué)內(nèi)容,組建全新的備課組,嘗試創(chuàng)設(shè)學(xué)科融合型課程(60~90分鐘),創(chuàng)設(shè)融合學(xué)科的教學(xué)綜合目標(biāo)(三維目標(biāo))和教學(xué)過程,以此減少知識(shí)重復(fù),加強(qiáng)學(xué)科間的交流,實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科發(fā)展。在打造高品質(zhì)的學(xué)科融合型課堂的同時(shí),實(shí)現(xiàn)師生共同發(fā)展,真正實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。
2 教育信息化2.0時(shí)代的人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)融合教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐案例
為認(rèn)真落實(shí)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》的總體目標(biāo),湖南省長沙市岳麓區(qū)教育局一直致力于探索通過技術(shù)變革教育教學(xué)的路徑,區(qū)域內(nèi)的德潤園人工智能VR/AR超感教室作為湖南省首個(gè)人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)融合教育項(xiàng)目,對(duì)加速新時(shí)代智慧教育創(chuàng)新發(fā)展與創(chuàng)新教學(xué)師資隊(duì)伍建設(shè)提供了很好的研究示范。
2.1 德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)超感教室實(shí)踐概況
德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)超感教室自2020年11月底正式落地以來,學(xué)校通過首席信息官的設(shè)立,組織建設(shè)了一個(gè)32人的虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)客項(xiàng)目組,吸納了多學(xué)科老師(語文、數(shù)學(xué)、信息、美術(shù)、音樂、體育等)進(jìn)行理念和技術(shù)學(xué)習(xí)培訓(xùn),突破學(xué)科教育的邊界,提升了技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用實(shí)踐水平。
德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)融合教學(xué)應(yīng)用項(xiàng)目具有多套操作系統(tǒng)及系列資源支撐,涵蓋AI虛擬動(dòng)漫創(chuàng)客系統(tǒng)、VR創(chuàng)客編程系統(tǒng)、VR/AR互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)、VR全景720相機(jī)、3D “U安全”教育及VR測(cè)評(píng)反饋系統(tǒng)等。歷時(shí)2周,項(xiàng)目組開展了20個(gè)課時(shí)的產(chǎn)品和教學(xué)融合培訓(xùn),項(xiàng)目組老師能熟練使用虛擬現(xiàn)實(shí)超感教室的信息化輔助教學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)。經(jīng)過3個(gè)月的項(xiàng)目實(shí)踐,學(xué)校師生通過多技術(shù)應(yīng)用、跨學(xué)科融合、師生共協(xié)作的方式創(chuàng)作的作品已超50個(gè),并榮獲省、市、區(qū)教育部門的高度評(píng)價(jià)。
2.2 德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)超感教室實(shí)踐應(yīng)用
2.2.1 深度踐行新課標(biāo)“互動(dòng)”“倡導(dǎo)探究”理念
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新型的數(shù)字化教學(xué)媒體,可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所涉及的宏觀、微觀教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行現(xiàn)實(shí)虛擬,學(xué)生可直觀地體驗(yàn)到抽象、難以理解的教學(xué)內(nèi)容,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行體驗(yàn)式探索學(xué)習(xí),有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和想象力,與科學(xué)新課標(biāo)中倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)相一致。
2.2.2 完善課程資源體系
完整的課堂教學(xué),教師應(yīng)不僅僅局限于開發(fā)校內(nèi)課程資源,更需要去應(yīng)用校外課程資源,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能體現(xiàn)出大量的校外課程資源,學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)當(dāng)中,一起體驗(yàn)在課堂當(dāng)中到達(dá)不了的地方,如:科技館、天文館、博物館、生態(tài)動(dòng)物園等,學(xué)生課堂中的當(dāng)場(chǎng)體驗(yàn)更加直觀有效,更好地促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)遷移和前概念轉(zhuǎn)化。德潤園通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)操作系統(tǒng)及系列資源完善課程資源體系,讓學(xué)生有更直觀的體驗(yàn)。
2.2.3 提高課堂教學(xué)效益
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是課堂授課過程中一種輔助性的教學(xué)手段,它能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境,如建造人體模型、太空旅行、極地風(fēng)光、太陽系模型等,在生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程4個(gè)領(lǐng)域提供虛擬體驗(yàn),從而加快和牢固學(xué)生的學(xué)習(xí)。它可起到引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),促進(jìn)抽象思維的發(fā)展,考察學(xué)生理解程度的作用。從而提高課堂40分鐘的教學(xué)效果, 加強(qiáng)學(xué)生的探究意識(shí),提升思維能力和解決問題的能力。
2.2.4 解決課堂實(shí)踐中的實(shí)際問題
目前課堂實(shí)踐中的主要問題有:①學(xué)生在課堂中“動(dòng)腦”不足;②儀器的配備與課堂教學(xué)不相匹配,導(dǎo)致很多的探究實(shí)驗(yàn)無法開展;③課堂中許多教學(xué)內(nèi)容緊跟科技前沿,高出學(xué)生的理解能力;④實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容閉塞,缺乏科學(xué)性;⑤教學(xué)內(nèi)容難以做到證據(jù)性資料的收集,教師講解過多。
動(dòng)腦的強(qiáng)弱不僅和認(rèn)知任務(wù)的難易程度有關(guān),也和師生互動(dòng)的水平高低有關(guān)。要開拓學(xué)生的思維,首先要引起他們的注意,讓學(xué)生對(duì)探究的問題產(chǎn)生興趣,不能只有教師提問、學(xué)生回答;一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器配備問題,通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以解決,通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、豐富教學(xué)資源內(nèi)容等,增強(qiáng)教學(xué)效果以及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2.3 德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)超感教室實(shí)踐成果與意義
2.3.1 突破邊界,信息化技術(shù)“相加”與“相融”實(shí)踐
自德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)超感教室項(xiàng)目落地,進(jìn)行理念和技術(shù)學(xué)習(xí)培訓(xùn),突破學(xué)科教育的邊界,運(yùn)用以技術(shù)為支撐的STEAM教學(xué)模式,促進(jìn)了跨學(xué)科融合,提升了技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)藝術(shù)的“相加”與“相融”。
2.3.2 技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐成果
①促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)與信息科學(xué)、教育學(xué)、學(xué)習(xí)科學(xué)、生命科學(xué)、藝術(shù)學(xué)等領(lǐng)域的深度交叉融合,實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)理論和技術(shù)的突破。
②注重虛擬現(xiàn)實(shí)與信息技術(shù)及領(lǐng)域的融合,包括大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、可穿戴技術(shù)、3D打印等有機(jī)融合,為構(gòu)建教育新生態(tài)奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
③注重虛擬現(xiàn)實(shí)新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,進(jìn)一步開拓新的研究方向,大力開展人工智能與相關(guān)學(xué)科的交叉研究,構(gòu)建智慧教育新生態(tài)。
2.3.3 教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用實(shí)踐成果
①物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域:了解物質(zhì)的組成以及其變化的本質(zhì);知道不同能量之間的轉(zhuǎn)換,對(duì)抽象的能量概念有具體的認(rèn)知。
②生命科學(xué)領(lǐng)域:直觀體會(huì)生物身體構(gòu)造的作用,認(rèn)識(shí)人體的主要生命活動(dòng),了解生物之間的相互關(guān)系。
③地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域:了解太陽系及宇宙中一些行星的基本情況,體驗(yàn)宇宙的無窮奧妙;通過真實(shí)體驗(yàn)、更加深入了解地球地殼運(yùn)動(dòng)、大氣運(yùn)動(dòng)、水循環(huán)等有關(guān)自然現(xiàn)象的形成原因;明白人類需要珍惜愛護(hù)我們賴以生存的家園。
④技術(shù)與工程領(lǐng)域:利用VR技術(shù),學(xué)生能直觀體驗(yàn)到技術(shù)制作的成品的精妙之處;技術(shù)是人們改造周邊環(huán)境的方法,工程是依據(jù)科學(xué)原理設(shè)計(jì)和制造物品、解決技術(shù)應(yīng)用的難題、創(chuàng)造豐富的人工世界等一系列活動(dòng);科學(xué)技術(shù)推動(dòng)著人類社會(huì)的發(fā)展和文明進(jìn)程。
⑤拓展課程:通過具體問題分析科學(xué)概念,以及對(duì)環(huán)境情況了解,樹立正確的科學(xué)觀念。
2.3.4 學(xué)科融合,為教育方式的多元化開辟了智慧路徑
德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)超感教室基于國家課題—《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科學(xué)教學(xué)的應(yīng)用策略研究》,融合多學(xué)科虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源體系輔助支撐,以物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域、生命科學(xué)領(lǐng)域、地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域、技術(shù)與工程領(lǐng)域、拓展課程5個(gè)方向?yàn)檠芯恐攸c(diǎn),讓學(xué)生體驗(yàn)抽象微觀概念、直觀了解物質(zhì)維度內(nèi)部的構(gòu)成;體驗(yàn)真實(shí)場(chǎng)景、深入了解生物的奧秘;通過虛擬現(xiàn)實(shí)了解抽象的宇宙空間概念以及地球相關(guān)知識(shí);學(xué)習(xí)并了解機(jī)械內(nèi)部構(gòu)造、體驗(yàn)工作原理、實(shí)地參觀體驗(yàn)建筑之妙;體驗(yàn)活動(dòng),對(duì)科學(xué)活動(dòng)產(chǎn)生濃厚興趣。
利用豐富的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字資源,基于智能化VR設(shè)備的人機(jī)交互,讓課堂更生動(dòng)、形象、有趣,盡可能還原兒童認(rèn)識(shí)世界的真實(shí)性和整體性,打開孩子們的視野。除了系統(tǒng)自帶的豐富資源,教師和學(xué)生在使用過程中創(chuàng)造出的成果亦不斷為資源庫注入新鮮的血液,資源的不斷沉淀、發(fā)掘、復(fù)用、再創(chuàng)新,為資源的眾創(chuàng)、共享提供了無限的空間和可能。
2.3.5 師生應(yīng)用融合,人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)教育教學(xué)模式融合創(chuàng)新
在德潤園人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用中,跨學(xué)科學(xué)習(xí)及項(xiàng)目協(xié)作型教學(xué)模式得到越來越多的關(guān)注和研究。隨著人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用項(xiàng)目的發(fā)展,新型信息技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、AI虛擬創(chuàng)客技術(shù)、體感技術(shù)等在教育中的應(yīng)用,新型的教育方式應(yīng)運(yùn)而生,包括創(chuàng)客教學(xué)、STEAM教學(xué)、基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)(PBL),以及基于設(shè)計(jì)思維跨學(xué)科教學(xué)等模式,進(jìn)一步促進(jìn)了AI與教育的融合創(chuàng)新發(fā)展,實(shí)現(xiàn)從“PCK”(學(xué)科教學(xué)知識(shí))到“TPaCK”(技術(shù)整合的學(xué)科教學(xué)知識(shí))的轉(zhuǎn)變。
將教學(xué)課堂“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu),改變?yōu)榧饶艹浞职l(fā)揮教師在課堂教學(xué)中的主導(dǎo)作用,又能顯著突出學(xué)生主體地位的“主導(dǎo)—主體相結(jié)合”教學(xué)結(jié)構(gòu)。利用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與跨學(xué)科融合課堂,教師由課堂教學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)者和知識(shí)的灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂教學(xué)的組織者、指導(dǎo)員,學(xué)生建構(gòu)意義的輔導(dǎo)者、促進(jìn)者,學(xué)生良好情操的培育者;學(xué)生由知識(shí)灌輸?shù)膶?duì)象和外部刺激的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)者和情感體驗(yàn)與培育的主體;教學(xué)內(nèi)容由只是依賴一本教材轉(zhuǎn)變?yōu)橐越滩臑橹鳌熒餐瑒?chuàng)造豐富的信息化教學(xué)校本資源相配合;教學(xué)媒體由只是輔助教師突破重點(diǎn)、難點(diǎn)的形象化教學(xué)工具轉(zhuǎn)變?yōu)榧仁禽o助教的工具,又是促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的認(rèn)知工具、協(xié)作交流工具與情感體驗(yàn)與內(nèi)化的工具。
3 結(jié)語
人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目在全面提升學(xué)校課程質(zhì)量,服務(wù)于全課程、服務(wù)于全體學(xué)生方面有相當(dāng)大的研究價(jià)值和可操作空間,既有助于推動(dòng)學(xué)校教育信息化建設(shè),又能豐富虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于新課程、新課改的表現(xiàn)方式。同時(shí),在應(yīng)用資源、創(chuàng)造資源、整合資源上,基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目化(主題式)多學(xué)科融合教學(xué),能有效解決各學(xué)科教學(xué)中知識(shí)交叉、內(nèi)容重復(fù)、高效課堂等問題。教育工作者更應(yīng)該積極做好人工智能在教育的普及、變革,促進(jìn)人工智能與教育融合發(fā)展。
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(編輯 王永超)