生成式人工智能驅(qū)動的自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式研究

隨著《中國教育現(xiàn)代化2035》及教育部等六部門印發(fā)的《關(guān)于推進教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》的發(fā)布，基于生成式人工智能的智能助教、智能學(xué)伴等教學(xué)工具不斷涌現(xiàn)。“人機共教、人機共育”正在助推教育教學(xué)質(zhì)量的提升。2023年，教育部辦公廳印發(fā)《基礎(chǔ)教育課程教學(xué)改革深化行動方案》進一步明確，應(yīng)借助數(shù)字化賦能提升教學(xué)質(zhì)量，構(gòu)建數(shù)字化背景下的新型教學(xué)模式，助力教學(xué)效率和質(zhì)量的提高?；谏墒饺斯ぶ悄軐嵤┎町惢虒W(xué)，建立個性化學(xué)習(xí)輔助、實時化評價反饋等機制，有望解決傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)進度統(tǒng)一、學(xué)生缺乏個性指導(dǎo)、評價無法實現(xiàn)即時反饋等問題，進而構(gòu)建自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式。近年來，國內(nèi)外推出了各類生成式人工智能，如ChatGPT、Gemini、文心一言、通義千問、Kimi等。然而，目前對生成式人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在機制、場景、倫理、風(fēng)險等方面，缺乏教學(xué)實踐層面的深入探索。Kimi等生成式人工智能具備圖片識別、圖文轉(zhuǎn)換、在線搜索、文件學(xué)習(xí)及總結(jié)等功能，彰顯其在教學(xué)應(yīng)用中的價值。研究Kimi等生成式人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，對于輔助教學(xué)設(shè)計、支持學(xué)生學(xué)習(xí)、改進評價質(zhì)量，進一步構(gòu)建新型的教學(xué)模式具有重要的現(xiàn)實意義。一、生成式人工智能的教育應(yīng)用場景（一）輔助教學(xué)設(shè)計《普通高中課程方案（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程方案”）提倡“教—學(xué)—評”三者的一致性，要求教師基于課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計教學(xué)方案，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)，重視對評價量規(guī)的設(shè)計。教師應(yīng)在課程方案的指導(dǎo)下，深度解讀教材做好教學(xué)設(shè)計，擬定教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計教學(xué)任務(wù)，評價學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，提升教學(xué)設(shè)計的有效性。生成式人工智能在輔助教師開展教學(xué)設(shè)計、提升教學(xué)設(shè)計效率與質(zhì)量方面具有潛力。首先，它可以輔助擬定學(xué)習(xí)目標(biāo)。教師上傳學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)、教材中相應(yīng)單元的教學(xué)內(nèi)容之后，讓生成式人工智能輔助設(shè)計教學(xué)目標(biāo)。教師在生成式人工智能輸出信息的基礎(chǔ)上進行迭代優(yōu)化。其次，它可以輔助設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)。教師基于最近發(fā)展區(qū)等理論設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)，并借助生成式人工智能逐步驗證，對學(xué)習(xí)任務(wù)進行不斷優(yōu)化與迭代，使之梯度合理且富有挑戰(zhàn)性[1]。最后，它可以輔助評價學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。教師在設(shè)計表現(xiàn)性評價方案時，可借助生成式人工智能在設(shè)定引用專業(yè)量規(guī)的基礎(chǔ)上生成評價量表。對于開放性作業(yè)的設(shè)計，教師在生成式人工智能輔助下設(shè)定需要設(shè)計的作業(yè)目標(biāo)、題型及數(shù)量即可生成作業(yè)。（二）支持學(xué)生學(xué)習(xí)在教學(xué)過程中，由于學(xué)生的知識基礎(chǔ)存在差異，同樣的教學(xué)內(nèi)容，部分學(xué)生在接受知識方面會存在障礙，需要外界支持。生成式人工智能在收到學(xué)生輸入的提示語[2][3]，會輸出相應(yīng)的信息，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供支持。學(xué)習(xí)支持是多維度的，如個性化學(xué)習(xí)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等。從生成式人工智能輸出的文件類型來看，學(xué)習(xí)支持可分為文本類、圖片類、視頻類三種。首先，提供文本類支持。當(dāng)學(xué)生對概念及知識點有疑問時，生成式人工智能以文本的形式提供學(xué)習(xí)支持，包括自動生成練習(xí)題、測試題及反饋報告等。其次，提供圖片類支持。生成式人工智能生成圖片有助于學(xué)生更加形象地理解復(fù)雜概念，例如以思維導(dǎo)圖的形式對知識進行結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)。圖片類支持還包括對圖片的識別并生成反饋，如開放題與手畫作品的評價，進行評分并形成合理的反饋意見。最后，提供視頻類支持。視頻類支持包括動畫或仿真輔助學(xué)習(xí)，教師借助Sora或Runway形成虛擬的教學(xué)場景，或利用第三方解決方案形成視頻。（三）提升評價質(zhì)量準(zhǔn)確而及時反饋的多元評價有助于促進學(xué)生學(xué)習(xí)。受學(xué)生人數(shù)、量規(guī)設(shè)計等多種因素的影響，教師設(shè)計評價量規(guī)、作業(yè)批改需耗費大量時間精力，但評價維度單一且反饋不及時。生成式人工智能在量規(guī)設(shè)計、作業(yè)設(shè)計、作業(yè)批改等方面具有明顯優(yōu)勢，能快速設(shè)計出量規(guī)及作業(yè)，并結(jié)合評價結(jié)果給出后續(xù)的實時反饋建議與改進意見，支持學(xué)生的學(xué)習(xí)。其一，生成式人工智能支持個性化評價。教師利用生成式人工智能跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進度，針對薄弱之處生成個性化的評價報告；或結(jié)合學(xué)生的學(xué)業(yè)進度與學(xué)業(yè)表現(xiàn)，提供個性化的建議與策略，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。其二，實現(xiàn)自動化評價。教師利用生成式人工智能可對學(xué)生的作業(yè)、試卷等進行快速而準(zhǔn)確的評分，并及時提供詳細(xì)的反饋信息和改進建議，幫助學(xué)生理解與糾錯。其三，綜合評價。生成式人工智能讀取歷史交互信息，不僅可以分析學(xué)生在各個科目中的綜合學(xué)習(xí)表現(xiàn)，生成全面的分析報告，而且可以預(yù)測學(xué)生未來的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和潛在的挑戰(zhàn)，從而提前采取干預(yù)措施，幫助教師優(yōu)化教學(xué)策略，提高教學(xué)質(zhì)量。二、構(gòu)建自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)模式《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)均關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，倡導(dǎo)從“教”為中心轉(zhuǎn)向以“學(xué)”為中心。受師資配備、技術(shù)支撐、教學(xué)組織等因素影響，教師在教學(xué)中很難悉心關(guān)注學(xué)生個體，做到以“學(xué)”為中心。教師按照統(tǒng)一的教學(xué)計劃授課，容易忽視學(xué)生的個體差異，難以滿足每個學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。教師無法對學(xué)生進行個性化指導(dǎo)，這使得學(xué)生在遇到學(xué)習(xí)困難時無法得到及時的幫助。傳統(tǒng)模式下，教師主要依靠課后作業(yè)及考試成績來評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果，作業(yè)及考試評價具有一定的滯后性，不能及時反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。這樣的課堂教學(xué)存在教學(xué)進度統(tǒng)一、學(xué)習(xí)過程被動、評價方式單一等不足，難以構(gòu)建以學(xué)生為中心的高質(zhì)量教育體系。自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建與生成式人工智能的應(yīng)用有望破解上述難題。自適應(yīng)學(xué)習(xí)是指分析學(xué)生學(xué)習(xí)中的知識狀態(tài)及交互過程，動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容，實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)的路徑[4][5]。生成式人工智能在教學(xué)中具有豐富的應(yīng)用場景，可以輔助教學(xué)設(shè)計、支持學(xué)生學(xué)習(xí)并提升評價質(zhì)量，從“教”“學(xué)”“評”三個維度全面賦能（如圖1）。在輔助教師“教”的方面，生成式人工智能支持課前教學(xué)內(nèi)容生成、課中差異教學(xué)實施及課后學(xué)習(xí)資源組織；在支持學(xué)生“學(xué)”的方面，助力課前自主預(yù)習(xí)、課中個性學(xué)習(xí)及課后在線輔導(dǎo)；在提升質(zhì)量“評”的方面，支持課前量規(guī)設(shè)計、課中實時反饋及課后學(xué)習(xí)分析。生成式人工智能支持的自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式，以“學(xué)”為中心從教、學(xué)、評三個維度進行重構(gòu)，改進傳統(tǒng)教學(xué)模式。在教的維度上，生成式人工智能輔助教師開展差異化教學(xué)，提高對不同學(xué)生群體教學(xué)的精準(zhǔn)性；在學(xué)的維度上，助力學(xué)生個性化學(xué)習(xí)，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提供適合的成長路徑；在評的維度上，生成式人工智能實時反饋，分析學(xué)生的思維模式，幫助他們改進學(xué)習(xí)行為。教師可應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)理論，關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，動態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，從而構(gòu)建生成式人工智能支持下的新型教學(xué)模式。三、指向自適應(yīng)學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計用戶與生成式人工智能的對話，可以文件、圖片、語音、文字等形式實現(xiàn)，其中最為常見的是用輸入提示語文本控制生成式人工智能輸出。提示語設(shè)計的規(guī)范性影響輸出文本的質(zhì)量與可用性。針對教學(xué)場景中的應(yīng)用，用戶設(shè)計提示語需遵循三項原則：一是需設(shè)計明確的問題，引導(dǎo)人工智能正確理解；二是提供背景及示例提高信息或指令的準(zhǔn)確性；三是多次對話逐步深入與驗證優(yōu)化生成文本的質(zhì)量?；谧赃m應(yīng)學(xué)習(xí)理論的教學(xué)模式，就是借助生成式人工智能開展差異化教學(xué)設(shè)計，提供個性化學(xué)習(xí)支持，實現(xiàn)實時化評價反饋。（一）差異化教學(xué)設(shè)計生成式人工智能可提供差異化的教學(xué)設(shè)計。人工智能對課程標(biāo)準(zhǔn)及教學(xué)內(nèi)容進行關(guān)聯(lián)分析，梳理相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)并提供多個載體，實現(xiàn)差異化、多元化的教學(xué)設(shè)計，即針對不同的學(xué)生群體，提供不同的學(xué)習(xí)路徑，支持不同學(xué)生群體自適應(yīng)學(xué)習(xí)。以“簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計”為例，教師上傳《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》及“結(jié)構(gòu)與設(shè)計”單元內(nèi)容后，生成式人工智能隨即自動分析“簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計”的教學(xué)目標(biāo)，并按要求提供3個項目，作為教學(xué)載體供教師在教學(xué)設(shè)計時參考。在確定學(xué)生的學(xué)習(xí)載體后，教師可利用生成式人工智能進一步按學(xué)生群體分類，同時生成多種教學(xué)方案，進行差異化教學(xué)。提示語：我是一名高中通用技術(shù)教師，你是我的知識助理，將協(xié)助我進行教學(xué)設(shè)計。請結(jié)合已上傳文檔中《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》及《技術(shù)與設(shè)計2》教材中“簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計”中的內(nèi)容，分析教學(xué)目標(biāo)及素養(yǎng)目標(biāo)，列出4條學(xué)習(xí)目標(biāo)。輸出：理解結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理、進行簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計實踐、模型制作與測試、案例分析與改進設(shè)計（為節(jié)省篇幅，作了適當(dāng)精簡，下同）。提示語：結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，列舉能實現(xiàn)以上目標(biāo)的3個項目，且能在1課時內(nèi)完成。輸出：手機支架設(shè)計與制作、書立的設(shè)計與制作、相片架的設(shè)計與制作。提示語：以手機支架設(shè)計與制作為載體，將學(xué)生群體分優(yōu)秀、良好、一般三個層次，針對三類群體設(shè)計難度不同的學(xué)習(xí)任務(wù)，每個學(xué)習(xí)任務(wù)包括3個學(xué)習(xí)活動，活動梯度符合最近發(fā)展區(qū)理論。輸出：跟跑學(xué)生（一般）：簡單實用手機支架設(shè)計與制作（基本功能需求與分析、基礎(chǔ)設(shè)計方案的繪制、簡單模型制作與初步實施）。并跑學(xué)生（良好）：美觀而穩(wěn)定的手機支架設(shè)計與制作（穩(wěn)定性與美觀性分析、實用設(shè)計方案繪制、模型制作與基本功能測試）。領(lǐng)跑學(xué)生（優(yōu)秀）：創(chuàng)新型多功能手機支架設(shè)計與制作（高級功能需求分析、復(fù)雜設(shè)計方案的繪制、多功能模型的制作與測試）。（二）個性化學(xué)習(xí)支持生成式人工智能可為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)支持。教師借助生成式人工智能對學(xué)生已有知識與經(jīng)驗進行診斷，提供個性化的反饋信息及學(xué)習(xí)建議，使之與新知識建立關(guān)聯(lián)，提供與學(xué)生的認(rèn)知相適應(yīng)的方案支持他們自適應(yīng)學(xué)習(xí)。以“簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計”為例，教師上傳“結(jié)構(gòu)與設(shè)計”單元教學(xué)內(nèi)容后，生成式人工智能自動生成相應(yīng)的學(xué)習(xí)建議。人工智能針對學(xué)生提出的穩(wěn)定性概念相關(guān)問題，輸出相應(yīng)的定義及對應(yīng)的三要素，幫助結(jié)合新知識“簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計”進行學(xué)習(xí)，結(jié)合實例探究影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素。從知識與概念的激活，到知識與概念的重構(gòu)，再到知識與概念的遷移，生成式人工智能均能為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)支持。提示語：我是一名高中生，你是我的通用技術(shù)教師，將協(xié)助我自主學(xué)習(xí)。我已上傳文檔包括《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，請你閱讀《技術(shù)與設(shè)計2》教材中“簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計”中的內(nèi)容，提出建議。輸出：學(xué)習(xí)建議：閱讀基礎(chǔ)知識、實際案例分析、動手實踐、優(yōu)化和測試。實踐流程：設(shè)計草圖、選擇材料、制作原型、測試與改進。提示語：我對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的穩(wěn)定性概念理解得不是很深，請你結(jié)合實際案例給予指導(dǎo)。輸出：穩(wěn)定性的概念與定義（略），影響穩(wěn)定性的三個因素（略）。實際案例分析：兒童自行車。穩(wěn)定性（重心低、車架設(shè)計、輔助輪）、實踐建議（設(shè)計草圖、材料選擇、制作與裝配、安全檢查）。提示語：結(jié)合教材中的案例“可升降桌的設(shè)計與制作”，分析在設(shè)計中需要考慮的穩(wěn)定性因素。輸出：可升降桌設(shè)計案例——穩(wěn)定性分析。調(diào)整重心高低。①設(shè)計低重心：設(shè)計桌面和底座時要盡量降低整體重心。②中央重心：確保桌子的重心位于中央，避免因重心偏移導(dǎo)致傾斜或失穩(wěn)。改變結(jié)構(gòu)形狀。①對稱結(jié)構(gòu)：桌腿或支撐柱對稱分布，均勻承受桌面的重力。②框架穩(wěn)定性：采用矩形或正方形框架，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性。控制支撐面積。①寬大底座：設(shè)計寬大的底座，增大接觸面積，提高穩(wěn)定性。②多點支撐：確保桌子的每條腿或支撐柱都有獨立的支撐點，分散重力。（三）實時化評價反饋生成式人工智能可提供實時的評價反饋。生成式人工智能對學(xué)習(xí)過程及知識網(wǎng)絡(luò)進行分析，可對學(xué)生的學(xué)習(xí)提供實時的反饋，避免學(xué)生對概念及知識產(chǎn)生錯誤的認(rèn)知。這樣實時評價與反饋，能引導(dǎo)學(xué)生及時調(diào)整學(xué)習(xí)策略，從而實現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)。以“簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計”為例，學(xué)生在經(jīng)歷可升降桌等設(shè)計過程后，應(yīng)掌握穩(wěn)定性三要素在實際作品設(shè)計中的遷移運用。以設(shè)計“戶外防風(fēng)畫架”為例，學(xué)生提出了提升穩(wěn)定性的三項措施，“增大上部畫板的質(zhì)量、在兩個前側(cè)支撐腳中間增加一個支撐腳、加上橫檔形成三角形結(jié)構(gòu)”。生成式人工智能對三條措施進行分析并提出優(yōu)化建議，其中“增大上部畫板的質(zhì)量”屬于錯誤的認(rèn)知。生成式人工智能在分析過程中指出了增加上部畫板質(zhì)量對穩(wěn)定性的影響，并提出了相應(yīng)的改進建議。生成式人工智能實時給出反饋策略，使學(xué)生建立正確的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，避免了不正確的知識遷移。提示語：我要運用穩(wěn)定性知識設(shè)計一個戶外畫架，畫架有兩個與畫板同平面的前支撐腳及一個用于調(diào)節(jié)角度的后支撐腳。我計劃采用以下三項措施提高穩(wěn)定性：“一是增大上部畫板質(zhì)量，二是后側(cè)從單支撐腳改為雙支撐腳，三是在前后支撐腳之間加上橫檔形成三角形結(jié)構(gòu)”，請分析這幾條措施的合理性，并提出專業(yè)而合理的建議。輸出：對增加上部畫板質(zhì)量的方案分析如下。①重心高：增大上部畫板的質(zhì)量會提高畫架的重心，降低畫架的穩(wěn)定性。高重心容易導(dǎo)致畫架在受外力（如風(fēng)）作用時傾倒。②受力情況：增加上部質(zhì)量會給畫架的前支撐腳和后支撐腳帶來更大的力矩，容易導(dǎo)致支撐腳變形或損壞。設(shè)計建議如下。①保持輕便：畫架的上部畫板輕便為宜，避免增加過大重力。②重心低：將一些配重放在畫架的底部，以降低整體重心，增強穩(wěn)定性。四、生成式人工智能的應(yīng)用建議生成式人工智能應(yīng)用于教育領(lǐng)域，從“教”“學(xué)”“評”三個維度發(fā)揮作用，助力學(xué)生構(gòu)建自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式。生成式人工智能輔助教師進行差異化教學(xué)設(shè)計，因材施教；支持學(xué)生個性化學(xué)習(xí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性；實施實時與多樣化的評價并及時反饋，幫助教師改進教學(xué)。筆者構(gòu)建并應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式，推進了從群體教學(xué)到個體教學(xué)的轉(zhuǎn)變。筆者設(shè)計的提示語設(shè)計規(guī)則及交互案例可供教師在開展教學(xué)設(shè)計時參考。生成式人工智能是基于數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型，其知識水平受限于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的范圍和質(zhì)量。教師應(yīng)用