生成式人工智能在學科教學中的應用探索

【摘 要】江蘇省徐州市中山外國語實驗學校引入生成式人工智能，優(yōu)化學習體驗，構建了基于“五步一環(huán)”的生成式人工智能“樂創(chuàng)”學習模型，形成了具有學科特色的教學應用實踐新樣態(tài)，創(chuàng)建了“雙維度”評價系統(tǒng)，培養(yǎng)了師生的智能素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。該項目為培養(yǎng)具備高度人工智能素養(yǎng)的新時代人才提供了有力支撐。

【關鍵詞】生成式人工智能；學科教學；創(chuàng)新應用

【中圖分類號】G434" 【文獻標志碼】A" 【文章編號】1005-6009（2024）46-0033-04

隨著全球科技競爭的加劇，人工智能作為引領新一輪科技革命和產業(yè)變革的戰(zhàn)略性技術，已經成為各國競相發(fā)展的重點。江蘇省徐州市中山外國語實驗學校自2000年建校以來，秉承“樂創(chuàng)教育”的理念，致力于引導學生主動學習，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。學校設計并實施“生成式人工智能在學科教學中的創(chuàng)新應用”項目，將生成式人工智能融入學科教學，創(chuàng)新應用實施方案，構建智能化學習環(huán)境，提升教學質量，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力，推動學校教育走向“數智賦能，鏈通未來”新階段。

一、項目的內涵和整體架構

“生成式人工智能在學科教學中的創(chuàng)新應用”項目旨在將生成式AI技術融入學科教學，實現個性化學習、優(yōu)化教學過程并促進教學創(chuàng)新。

（一）核心概念

1.生成式人工智能

生成式人工智能（Generative Artificial Intelligence）是一種強大的技術，是人工智能領域的一個重要分支，它旨在通過訓練模型來生成新的、與訓練數據相似的內容。與其他類型的AI（如分類器、預測器等）主要關注識別和預測現有數據的模式不同，生成式AI著重于創(chuàng)造新的、有創(chuàng)意的數據。它涵蓋自適應學習、模式識別、認知建模和機器學習等主題，也涉及大數據、無監(jiān)督學習和深度學習等交叉領域。

2.生成式人工智能在學科教學中的應用

學校充分利用人工智能技術創(chuàng)新教學模式，改變學生的學習方式，實現學生的自主化、個性化學習。首先，人工智能技術的持續(xù)迭代以及與教育的深度融合，為學生提供了豐富的教育信息和優(yōu)質的學習資源。其次，學校借助人工智能技術能更好地立足學生核心素養(yǎng)，推動自主化、個性化的學習，促使學生主動建立“學習圈”，并運用項目式學習、合作學習等提升學習力。

（二）整體架構

1.理清內在機理，形成“樂創(chuàng)”學習模型與實踐樣態(tài)

學校深入剖析生成式人工智能在學科教學中的作用與價值，構建基于“五步一環(huán)”的生成式“樂創(chuàng)”學習模型，形成具有學科特色的生成式人工智能應用實踐樣態(tài)。

2.實施“五步一環(huán)”教學，培養(yǎng)師生創(chuàng)新能力

學校設計并實施富有創(chuàng)意和挑戰(zhàn)性的教學活動，探索教學行動路徑，實施“五步一環(huán)”教學；利用生成式人工智能激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力；提升教師的創(chuàng)新意識和應用能力，培養(yǎng)一支具有創(chuàng)新素養(yǎng)的新時代教師隊伍。

3.構建并完善提升智能素養(yǎng)的支持系統(tǒng)

學校升級少年“樂創(chuàng)”學院，建設支持生成式人工智能教學的硬件環(huán)境，包括智能教學設備、網絡設施等；利用適用于小學學科教學的生成式人工智能軟件資源，如智能教學平臺、課程資源庫等，為師生提供豐富多樣的教學資源和學習工具；構建智能化的學習分析系統(tǒng)，通過收集和分析學生的學習數據，為教師提供個性化的教學建議和資源推薦，幫助學生實現精準學習；明確教師在指導學生開展生成式人工智能方面的職責和角色，建立有效的人機協(xié)作管理機制，確保人工智能教育的順利推進。

二、項目的實施路徑

（一）探索生成式人工智能在學科學習中的樣態(tài)

1.理解生成式“樂創(chuàng)”學習的教學價值

生成式“樂創(chuàng)”學習是指教師和學生在教學活動中，嚴格遵照國家法規(guī)、倫理道德和信息安全的要求，合理應用生成式人工智能輔助教學，并通過學習者自身的獨立思考探究、批判性思維和創(chuàng)造性思維，促進學習的一種教學方式。

生成式“樂創(chuàng)”學習是在生成式人工智能環(huán)境下以學生為中心的教學方法，強調學生自主探究、實踐操作，通過“人—機”互動對話以及師生、生生之間的合作交流來構建知識體系，要求學生要在教師的引導、支持和管控下使用生成式人工智能，旨在培養(yǎng)學生的批判性思維、創(chuàng)新思維以及問題解決能力和團隊合作精神等。

2.構建基于“五步一環(huán)”的生成式人工智能“樂創(chuàng)”學習模型

“樂創(chuàng)”學習以學生學習力、教師引導力、課堂生長力為核心，旨在通過生成式人工智能技術的應用，利用“五步一環(huán)”優(yōu)化學習過程，提升教學質量，促進學生面向未來、創(chuàng)造著長大（見圖1）。

第一步智能導學：利用生成式人工智能技術為學生定制個性化的學習路徑和資源。

第二步情境探究：利用生成式人工智能技術模擬真實場景，創(chuàng)設與學習內容相關的情境，激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望，讓學生在情境中發(fā)現問題、提出問題，并嘗試解決問題。

第三步合作學習：利用生成式人工智能技術提供協(xié)作工具和平臺，鼓勵學生進行“人—機”合作學習。學生在教師的指導下，瞄準要完成的學習任務，與生成式人工智能互動對話，在思維鏈式對話中記錄自己的思考過程，并采用多種方式進行探究，促進“人—機”之間的有效溝通和合作。

第四步智能反饋：利用生成式人工智能技術實時收集過程性數據，分析學生的學習狀態(tài)和效果。通過智能反饋機制，及時為學生的學習提供個性化的建議和反饋，幫助教師調整教學策略，提高教學質量。

第五步拓展延伸：利用生成式人工智能技術為學生提供拓展資源和練習，幫助他們鞏固所學知識，拓寬視野。學生總結自己的學習收獲并在新的情境中獨立解決問題，完成教師布置的作業(yè)和練習。

在整個教學流程中，持續(xù)評估是關鍵的一環(huán)。通過對學生的學習過程、學習成果、學習態(tài)度等方面的評估，了解學生的學習狀況和需求。同時，根據評估結果及時調整教學策略和方法，優(yōu)化教學資源和環(huán)境，以滿足學生的學習需求和發(fā)展需要。

（二）形成具有學科特色的教學應用實踐新樣態(tài)

不同學科具有不同的特點和要求，因此在引入生成式人工智能時，需要結合學科特色進行“五步一環(huán)”教學應用實踐。

1.利用生成式AI優(yōu)化教學流程

個性化學習路徑規(guī)劃、智能備課與教案生成以及自動化作業(yè)批改與智能反饋是生成式人工智能應用于學科教學的關鍵環(huán)節(jié)。通過生成式AI分析學生的學習數據，教師能夠識別每個學生的興趣、優(yōu)勢和薄弱點，從而為他們設計個性化的學習路徑，提供針對性的學習資源和建議。同時，生成式AI還能協(xié)助教師搜集整理教學資料，自動生成初步的教案框架，并給出合適的教學方法和互動環(huán)節(jié)建議，大幅減輕教師的備課負擔。此外，生成式AI還能自動批改學生的作業(yè)，識別錯誤并提供詳細的分析和解題思路，并根據作業(yè)情況向教師反饋學生的學習進度和難點，幫助教師更精準地進行教學調整。（表1為生成式人工智能在語文學科的教學應用）

2.利用生成式AI優(yōu)化學習體驗

生成式人工智能的運用注重線上線下無縫對接，利用生成式AI技術實現線上學習平臺與線下課堂的實時互動，如線上提問、線下討論等，從而打破時空限制，提升學生的學習效率。同時，結合當前生成式AI技術的最新進展，學校設計了一系列具有創(chuàng)新性和實用性的實驗項目，讓學生在實踐中深入掌握技術原理和應用方法。如，生成式人工智能可以設計各種數學游戲，如數學拼圖、闖關等，讓學生在游戲中學習和鞏固數學知識。這些游戲可以根據學生的學習進度和能力水平進行智能調整，提供個性化的學習體驗。

（三）構建并完善提升智能素養(yǎng)的支撐系統(tǒng)

1.構建生成式人工智能素養(yǎng)課程

為了提高學生的智能素養(yǎng)，學校構建了面向全體學生的人工智能素養(yǎng)課程；設計由淺入深、層層遞進的課程內容，包括生成式人工智能的基礎原理、常用技術、應用領域以及未來發(fā)展趨勢等。學生從一年級開始逐步了解人工智能的基本概念和應用，隨著年級的升高，逐漸深入學習編程和生成式算法，最終能夠綜合運用所學知識完成一個生成式人工智能項目。

2.構建智能化的學習分析系統(tǒng)

學校一方面通過生成式人工智能收集和分析學生的學習數據，為教師提供個性化的教學建議和資源推薦，從而幫助學生實現精準學習。另一方面，采用智能化評價方式，結合生成式人工智能素養(yǎng)水平，從課堂表現、作業(yè)完成情況、實驗報告和項目實踐成果等方面，全面評估學生的學習效果和應用能力。此外，學校還建立學生反饋機制，定期收集學生對課程的意見和建議，根據反饋進行課程內容和教學方法的調整。

3.創(chuàng)建“雙維度”評價系統(tǒng)

在開發(fā)與實施評價時，學校緊密結合智能素養(yǎng)標準，確保評價內容能夠全面反映教師和學生在數字化與智能素養(yǎng)方面的實際水平。教師主要從使用生成式人工智能工具的熟練程度、利用生成式AI進行跨學科整合教學、對生成式AI資源的獲取與應用、利用生成式AI資源進行教學創(chuàng)新、創(chuàng)設有利于生成式AI學習的課堂環(huán)境、引導學生積極參與生成式AI學習活動等維度進行評價；學生主要從使用生成式人工智能工具輔助作業(yè)和學習的熟練程度、能否利用AI繪畫工具創(chuàng)作并理解其原理、能否使用AI寫作工具輔助創(chuàng)作并保留創(chuàng)意、能否識別和區(qū)分AI生成內容與人類創(chuàng)作、能否尊重AI知識產權不濫用、能否與同學探討和分享AI工具使用心得等維度進行評價。同時，學校嚴格遵守國家及地方關于教育、信息技術和數據保護等方面的法律法規(guī)，保障評價的合法性和合規(guī)性。

4.建立有效的人機協(xié)作管理機制

學校建立有效的生成式人工智能管理機制，明確管理目標，確保技術的合規(guī)、安全和可持續(xù)發(fā)展。學校制定了詳細使用規(guī)范，明確系統(tǒng)的研發(fā)、部署和使用過程中的權責關系與行為準則。同時，加強數據管理與隱私保護，確保技術不侵犯個人隱私和信息安全。

項目實施后，個性化學習路徑規(guī)劃滿足了學生多樣化需求，教師教學效率大幅提高，學生創(chuàng)新思維與實踐能力明顯增強，并形成了一系列可借鑒的AI教學案例與模式。生成式人工智能在學科教學中的創(chuàng)新應用，為區(qū)域教育教學改革和發(fā)展注入新的動力。如何借助生成式人工智能技術的力量，來進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，仍然需要我們在實踐中不斷探索，在思考中持續(xù)深化。

【作者簡介】1.蔣蕾，江蘇省徐州市中山外國語實驗學校（江蘇徐州，221000）校長，高級教師；2.李偉，江蘇省徐州市中山外國語實驗學校（江蘇徐州，221000）教師，一級教師。

*本文系2024年度江蘇省基礎教育前瞻性教學改革實驗項目“生成式人工智能在學科教學中的創(chuàng)新應用”（2024JSQZ021）的階段性研究成果。