人工智能视域下高中数学教师AI-TPACK的提升策略

库在强, 田茂栋, 叶 蕾

(黄冈师范学院 数学与统计学院, 湖北 黄冈 438000)

随着科技的不断发展,人工智能技术在教育领域中的应用也越来越广泛。如何把握人工智能发展的历史脉搏,促进传统教育向智能化、数字化、信息化转型,成为我国教育部门和教育界共同关注的话题。2021年7月,教育部等六部门发布《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》(教科信〔2021〕2号),提出基于5G、人工智能、大数据等新一代信息技术推动教育数字转型[1];2022年7月,科技部等六部门在《关于加快场景创新以人工智能高水平应用促进经济高质量发展的指导意见》(国科发规〔2022〕199号)中提出,在教育领域要积极探讨人工智能的应用场景,打造人工智能重大场景。因此,人工智能视域下教师如何进行角色重塑,如何在人工智能时代把握机遇、迎接挑战,是每个教师亟待解决的问题。

一、人工智能视域下的教师发展理论

(一)AI-TPACK理论

整合人工智能技术的学科教学知识(AI-TPACK)由学科教学知识(PCK)和整合技术的学科教学知识(TPACK)发展而来。1986年,美国学者舒尔曼(Shulman)等[2]基于学科知识(CK)与教学知识(PK)之间的关系,提出了PCK的概念。2006年米什拉(Mishra)、科勒(Koehler)[3]在PCK的基础上融入技术知识(TK),从而构建出TPACK。随着人工智能技术的发展,TPACK模型中的TK已不能适应当下社会中日新月异的信息技术,TPACK模型也无法适应AI时代教师专业成长的需要。基于此,学界对AI技术与TPACK模型的关系进行了一系列探讨。针对人工智能视域下教师知识结构的构建,王素月、罗生全[4]通过对PCK的再构,提出了教师的整合人工智能的学科教学知识(AI-PACK),相较于传统的三维模型,其更关注情感与道德维度与基于情景的动态性与个性化建构;杨絮[5]将学科知识、教学知识、智能技术知识、学生知识和情境知识融合,构建了整合智能技术的学科教学知识(I-TPACK);闫志明等通过将人工智能技术知识与思维引入TPACK,提出了AI-TPACK新理论框架。三个模型通过不同的方法将人工智能知识融合到原有的知识框架中,由于AI-TPACK模型是直接由TPACK模型改造而生成的,学界对“人工智能+TPACK”的研究主要以该模型为主。其中,AI-TPACK由三个核心要素、四个复合要素以及境脉因素构成(见图1)——内容知识、教学知识、人工智能技术知识、学科教学知识、整合人工智能技术的学科知识、整合人工智能技术的教学知识和整合人工智能技术的学科教学知识、人工智能教学情境[6]。

图1 AI-TPACK模型框架

(二)TAM模型

技术接受模型(TAM)是由戴维斯(Davis)[7]于1986年提出旨在解释人们如何接受和使用新技术的理论模型(见图2)。该模型认为,人们采用新技术的决策受到两个主要因素的影响:感知有用性和感知易用性。其中,感知有用性指人们对新技术对其工作或生活的效益的主观评价,感知易用性指人们对新技术的使用难度的主观评价。通常而言,外部变量包括系统特征、用户特性、任务特点、开发或执行过程的本质等,这些外部特征共同决定了人们的感知有用性和感知易用性,二者又共同决定人们对一项新技术的使用态度,从而进一步影响人们的行为意向[8]。

图2 TAM模型

二、基于AI-TPACK或TAM模型的中学教师专业成长

AI-TPACK作为人工智能时代教师必备的知识结构,自其提出以来,如何提高教师的AI-TPACK水平一直是学界研究的重点。在教师AI-TPACK的培养方面,赵珠珠、韩丽东[9]从学校、教师和学生三个角度出发,提出了教师教学能力的提高策略,然而该研究的建议停留在主观层面,缺乏理论和科学依据;彭玉兰[10]通过量化教师的智能素养来研究教师的AI-TPACK水平,该方法具有一定的科学性,但将教师复杂的智能素养以简单的多元线性回归进行表示仍有待商榷;此外,张梦萍[11]和虞江峰等[12]分别针对青少年编程教师和开放大学教师的AI-TPACK发展路径进行了研究,二者虽然研究的主体不同,但都重视完善教师知识结构,以适应技术发展的需要。

在教育领域,TAM模型也被广泛应用于研究教师对于使用技术的接受程度和态度。赵磊磊等[13]通过引入其他因素,构建出教师发展的TPACK-TAM模型;张立新、秦丹[14]将社会心理理论和行为科学理论的技术模型相整合,基于教师、技术和环境三个构面建立起教师采纳新技术的影响因素模型;安欣等[15]使用了TPACK和技术接受使用理论(UTAUT)构建了一个外语教师使用人工智能意愿的结构方程模型,虽然在模型构建中考虑了人工智能的要素,但其研究仍将教师的核心知识构成以TPACK中的“TK”为出发点,而没有将人工智能知识视为构建核心知识的关键。

上述分析表明,AI-TPACK作为一个新兴的研究领域,学界对其研究相对较少,且部分研究缺乏理论依据,无法为中学教师发展AI-TPACK提供科学的参考意见。此外,虽然已有学者在技术接受模型的使用中考虑到了人工智能要素,但仅仅将其视为“境脉”中的组成,未与教师知识结构产生密切的联系,也暂无将AI-TPACK理论和TAM模型结合起来的研究。因此,本文旨在构建高中数学教师的AI-TPACK-TAM模型,探讨人工智能视域下高中数学教师专业成长、专业成熟的发展途径,并依据模型给出高中数学教师AI-TPACK的提升策略。

三、构建高中数学教师的AI-TPACK-TAM模型

基于米什拉、科勒总结的TPACK发展路径,可以将AI-TPACK的发展路径总结为以下三种[16]:从PCK到AI-TPACK、从AI-TPK到AI-TPACK、PCK与AI-TPACK协同发展。具体到操作层面,即学习AI-TK,并将其运用到教学层面;通过“技术映射”整合AI-TK、CK、PK知识;系统地将人工智能技术支持的策略整合到具体的学科教学中。关于第一条路径,尼斯(Niess)等[17]认为数学教师的技术学习可以细化为5个阶段:认识、接受、适应、探索、提升,因此从PCK到AI-TPACK,数学教师学习人工智能可以细化为上述五个步骤。

基于图2的TAM模型,结合AI-TPACK理论、发展途径以及技术学习的五个步骤,构建高中数学教师的AI-TPACK-TAM模型(基于TAM的AI-TPACK模型,见图3),以描述人工智能视域下高中数学教师专业成长、成熟的过程。

图3 AI-TPACK-TAM模型

在AI-TPACK-TAM模型中,外部变量指一系列人工智能软件、技术、智能时代学生发展水平与实际需要等,教师在日常生活与教学活动中,对人工智能的易用性和有用性进行初步感知,这一过程属于第一条途径中的“认识”阶段。教师根据获得的感知,对教学过程中是否使用人工智能技术产生不同倾向,到达“使用态度”,属于教师学习人工智能过程中的“接受”阶段。根据教师使用态度的不同和对人工智能有用性的感知,教师表现出不同的行为意向,教师人工智能的学习进入“适应”阶段,教师在该阶段主要表现为接受或拒绝两种行为,决定着后续的学习过程能否顺利进行,因此这一阶段在教师AI-TPACK发展过程中最为重要。一旦教师接受了人工智能技术,教师将积极主动地将其应用到教学活动中,此时教师AI-TPACK发展分化为两条路径:对于缺乏人工智能素养的教师,首先应学习AI-TK,加强自身人工智能能力建设,之后将所学知识运用到课堂教学中,这一过程属于AI-TPACK第一条途径中的“探索”阶段;而事先已经具备人工智能素养的教师,通过“技术映射”等方法对AI-TK、CK、PK进行整合,将人工智能技术主动应用到课堂教学中,属于教师AI-TPACK发展的第二条途径。通过上述两条路径,教师对人工智能技术支持下的课堂教学效果进行评估,并对自身AI-TPACK结构进行主动反思,此时人工智能技术已经成为课堂教学的重要组成部分,教师人工智能的学习达到“提升”阶段。通过上述过程,教师AI-TPACK水平得到提升,并将其运用到新一轮的课堂教学中,在不断的“运用—反思—提高”中,促进自身知识结构不断完善。同时,随着教师AI-TPACK水平的提高,教师可以采用头脑风暴、基于设计的学习等方法对课堂教学进行改造,将人工智能技术系统地整合到数学学科教学中,实现AI-TPACK和PCK的同步发展。

四、高中数学教师AI-TPACK提升策略

基于AI-TPACK-TAM模型,结合AI-TPACK构成要素,发现高中数学教师AI-TPACK发展的主要因素集中于“行为意向”“课堂使用”“反思改进”三个阶段,同时,教师对人工智能的接受程度也会影响其AI-TPACK的发展。因此,针对AI-TPACK发展的三条途径及五个阶段,高中数学教师应该从认识接受、适应、探索、技术映射、基于设计的学习和提升等方面入手制定AI-TPACK发展策略。

(一)树立正确的人机伦理观念

人工智能的兴起对传统教育模式带来了冲击,也对教师的人机伦理观念提出了新的挑战,接受人工智能并对其合理利用,成为新时代教师发展的必备素养,也是教师发展AI-TPACK的先决条件。教师作为教育的主体,应该积极面对人工智能的发展,学习和掌握其使用方法和技能,以更好地推动专业成长、教育创新。同时,教师要充分考虑“人工智能+教育”中的伦理问题,遵循学科伦理、教学伦理和AI伦理,确保自身行为符合伦理规范,树立“人机共生”的伦理观念。一方面,教师应该认识到人工智能在教育中的潜力和优势,以此来促进课堂教学的实施。如利用ChatGPT等人工智能工具快速搜集教学资料、整合教学内容,以及使用知识快照等工具来辅助学生学习和掌握知识,从而提高教学效率,提升教学质量;另一方面,教师要警惕人工智能的滥用,当下美国纽约教育部门、法国巴黎政治学院、香港大学等教育机构已经明确禁止学生使用ChatGPT来完成作业或论文写作,这是因为人工智能的滥用会弱化学生的思考,同样,教师也需要对人工智能进行防范和控制,将其作为自身的伙伴和助手,而不是将自身变为人工智能的随从。

(二)基于人工智能重塑教师角色

经过“认识”和“接受”两个阶段后,高中数学教师对使用人工智能产生倾向,并开始将其应用于课堂教学中。在“行为意向”和“课堂运用”阶段,高中数学教师需要重新思考和重塑自己的角色,以更好地适应人工智能时代的教学需求。具体来说,高中数学教师的角色重塑主要体现在以下三个方面。

其一,教师由“数学知识的传授者”转变为“数学学习的引领者”,促进教师AI-TCK发展。传统数学教学中,高中数学教师主要关注学生的应试成绩,将数学教育的出发点与落脚点归于满足学生升学的需要,忽视学生数学兴趣、数学核心素养的培养。然而,在人工智能技术的广泛应用下,学生渴望通过数字化、智能化的体验获取知识,传统的应试教学已不能满足学生对发展的需要。因此,高中数学教师需要基于学生发展需要,基于人工智能、大数据、增强现实等技术,促进学科内容表达形式和访问方式的转变,创造出具有启发性和实用性的数学教育体验,促进自身AI-TK和CK的结合,引导学生由“学会数学知识”向“学会数学学习”转变,通过个性化教学、探究式学习、数字教育等方式激发学生的学习数学的兴趣,从而提高学生的学习成效,培育学生的数学核心素养。

其二,教师由“纸质教材的使用者” 转变为“智能化教学工具的运用者”,促进教师AI-TK发展。人工智能具有整合性、智能化、便利性的特点,教师可以利用智能化教学工具辅助教学。教师需要积极学习人工智能技术、软件,提高自身AI-TK水平,甚至开发人工智能教育系统,利用各种在线资源来为学生提供更多元化的学习内容,比如使用面部识别技术及时了解使学生的学习情况,或者使用在线评估工具来更精准地评估学生的学习成果等。

其三,教师由“传统教学方式的运用者” 转变为“混合式学习模式的推动者”,促进教师AI-TPK发展。人工智能的发展打破了原有封闭式的课堂结构,学生学习的场所拓展到线下教学之外的线上学习,同样也推动着教师对传统教学方式的变革。通过采用线上学习与线下教学相结合的混合式教学模式,高中数学教师可以根据学生的个性化需求,为学生提供精准、高效的学习服务,同时,这也增加了教师对“人工智能+教育”的动态理解,教师AI-TK与PK得到整合。教师需要善于利用各种学习资源和工具,创新教学方式和手段,如使用“学习仪表盘”评估学生学习情况、使用智能教学系统等。

(三)采用人机协同的课堂教学

高中数学教师经过一段时间的人工智能技术学习后,需要积极主动地将其整合到学科教学中,通过对教学过程的重新设计和创造,帮助学生更好地理解与掌握知识,此时教师AI-TPACK发展进入探索阶段。人机协同是实现上述过程的一个有效手段。人机协同指在教学过程中教师和人工智能发挥各自的优势,让教师与人工智能机器或设备各司其职又协同合作,以达成“完人”和“智慧”的教育[18]。

根据人工智能的智能性和创造性,人机协同可以划分为“AI代理”“AI助手”“AI教师”和“AI伙伴”四个形式[19]。“AI代理”阶段,教师主要依托人工智能的计算智能,实现一些简单重复的工作,如作业批改和考试安排等,以减轻教师的工作负担;“AI助手”阶段,人工智能具有了一定的感知能力,能够采集学生的身心状况等多维度数据,教师可以根据这些数据及时调整教学策略和安排教学日程,以更好地满足学生的需求;“AI教师”阶段,人工智能已经具备了认知智能,初步具备替代普通教师的能力,能够根据学生的知识水平进行规划和指导,教师则需要通过创新和更新工作规则,把握教学节奏,统筹教学过程,以更好地引领学生掌握知识;“AI伙伴”阶段,人工智能在拥有社会智能的基础上,能够与人类教师同等自主地参与人机协同和社会互动,实现更高层次的人工智能和教育的融合。

(四)在境脉化使用中检验成效

过去的研究主要关注TPACK和AI-TPACK的构成要素,而对于教学境脉的研究较少。然而,教师AI-TPACK的发展最终都要回归“课堂运用”,即人工智能教学情境中检验自身AI-TPACK水平。因此,教师要根据境脉的特点,通过“技术映射”的方式对AI-TK、CK、PK进行整合,推动自身AI-TPACK发展。具体而言,一是教师需要思考如何利用人工智能知识对课程内容进行转化,以更好地促进学生的理解和掌握。例如:在概率统计教学中,教师可以利用大数据来检验数学模型的可靠性,或者运用VR、AR等技术手段来增强学生对数学对象和概念的直观感受。此外,人工智能技术的加入也使得境脉的特点发生了变化,因此教师需要重新制定教学策略。教师要分析人工智能视域下的数学学习特点,并根据这些特点调整课程内容和教学方式,以达到更好的教学效果。例如,教师可以利用人工智能处理数据的能力来跟踪学生的学习进度,了解学生的学习情况,为学生提供个性化的学习指导和帮助,从而提高学生的能力和水平。

(五)设计“AI+数学”教师培训课程

随着高中数学教师AI-TPACK的发展,一些有能力的教育研究者正在将人工智能技术策略整合到数学学科中,以取代过去的教育技术课程,即在数学教师教育中,专门开设针对数学学科特点的人工智能教师教育,从而促进教师PCK和AI-TPACK同步发展。然而,该方法对于新手教师而言操作难度较大,因为新课程中所含知识较多,会造成较大的认知负担,解决此问题的一个方法为基于设计的学习,即通过设计“AI+数学”教师培训课程来帮助高中数学教师更好地掌握相关知识和技能。通过设计“AI+数学”教师培训课程,高中数学教师将被分成小组,每个小组解决一个特定的数学问题或利用数学建模、数据分析等途径设计一个特定的产品或服务,教师通过自主寻找和使用人工智能、数学等多领域的学科知识,在较长的时间内设计出解决结构不合理、现实世界中的教学问题的方案。在这个过程中,教师需要积极整合内容、教学法和人工智能技术等各种类型的知识,从而促进教师PCK和AI-TPACK的同步发展。此外,“AI+数学”还可以培养教师的团队合作精神和解决问题的能力,这对于提高教师的教学水平和素质也有很大的帮助。

(六)利用AI-TPACK评价体系进行反思改进

高中数学教师经过“能力建设”和“课堂运用”环节后,自身AI-TPACK水平得到一定程度的发展,但教师AI-TPACK的发展不是一蹴而就的,教师需要对其知识结构、课堂教学、人工智能技术使用等方面进行反思改进,以更好地实现专业成长。为确保评价的科学性,高中数学教师AI-TPACK发展的最后一个阶段“反思改进”不能停留在主观感受上,需要对其进行量化分析。首先,可以采用类似于TPACK的测量方法——自我报告测量法、绩效测量法、观察法、访谈法和开放式问卷调查法,对自身AI-TPACK水平进行测量,其中最常用的自我报告法[20]需要重新设计问卷,以突出人工智能和数学专业的特点,如在问卷中强调AI技术应用的广度和深度、数学知识的准确性和丰富性、教学策略的多样性和适用性等;其次,可以在AI-TPACK-TAM模型的基础上,构建高中数学教师AI-TPACK的SEM模型,通过选取指标,探讨各潜在变量之间的关系,厘清教师AI-TPACK发展中的核心要素,为其发展指明方向;此外,还可以基于大数据和学习分析技术,搭建高中数学教师AI-TPACK的评价平台,利用人工智能强大的数据分析能力,对教师教学数据进行采集、存储、分析和挖掘,获取更全面、准确的教师AI-TPACK信息,利用自然语言处理、机器学习等技术为教师提供更加个性化的学习资源和建议,以便更好地促进教师AI-TPACK发展。

五、小结

随着人工智能技术的快速发展,教育行业也在逐渐地与人工智能相结合。从人工智能视域下的教师专业成长出发,基于AI-TPACK理论和TAM模型构建出高中数学教师的AI-TPACK-TAM模型,以此解释其AI-TPACK发展的途径和阶段。在此基础上,提出了高中数学教师AI-TPACK提升策略,包括树立正确的人机伦理观念、基于人工智能重塑教师角色、采用人机协同的课堂教学、在境脉化使用中检验成效、设计“AI+数学”教师培训课程以及构建数学教师AI-TPACK评价体系。未来,随着人工智能技术的不断推陈出新,教育行业也将会不断地与其相结合,人工智能将会成为教育行业中一个不可或缺的重要组成部分。因此,需要不断地深化教师的人工智能应用技能,提高其人机协同的教学能力和素养,以更好地服务于教育事业的发展。