生成式人工智能在学科教学中的应用探索

【摘 要】江苏省徐州市中山外国语实验学校引入生成式人工智能，优化学习体验，构建了基于“五步一环”的生成式人工智能“乐创”学习模型，形成了具有学科特色的教学应用实践新样态，创建了“双维度”评价系统，培养了师生的智能素养和创新能力。该项目为培养具备高度人工智能素养的新时代人才提供了有力支撑。

【关键词】生成式人工智能；学科教学；创新应用

【中图分类号】G434" 【文献标志码】A" 【文章编号】1005-6009（2024）46-0033-04

随着全球科技竞争的加剧，人工智能作为引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术，已经成为各国竞相发展的重点。江苏省徐州市中山外国语实验学校自2000年建校以来，秉承“乐创教育”的理念，致力于引导学生主动学习，培养其创新能力。学校设计并实施“生成式人工智能在学科教学中的创新应用”项目，将生成式人工智能融入学科教学，创新应用实施方案，构建智能化学习环境，提升教学质量，培养学生的创新思维和实践能力，推动学校教育走向“数智赋能，链通未来”新阶段。

一、项目的内涵和整体架构

“生成式人工智能在学科教学中的创新应用”项目旨在将生成式AI技术融入学科教学，实现个性化学习、优化教学过程并促进教学创新。

（一）核心概念

1.生成式人工智能

生成式人工智能（Generative Artificial Intelligence）是一种强大的技术，是人工智能领域的一个重要分支，它旨在通过训练模型来生成新的、与训练数据相似的内容。与其他类型的AI（如分类器、预测器等）主要关注识别和预测现有数据的模式不同，生成式AI着重于创造新的、有创意的数据。它涵盖自适应学习、模式识别、认知建模和机器学习等主题，也涉及大数据、无监督学习和深度学习等交叉领域。

2.生成式人工智能在学科教学中的应用

学校充分利用人工智能技术创新教学模式，改变学生的学习方式，实现学生的自主化、个性化学习。首先，人工智能技术的持续迭代以及与教育的深度融合，为学生提供了丰富的教育信息和优质的学习资源。其次，学校借助人工智能技术能更好地立足学生核心素养，推动自主化、个性化的学习，促使学生主动建立“学习圈”，并运用项目式学习、合作学习等提升学习力。

（二）整体架构

1.理清内在机理，形成“乐创”学习模型与实践样态

学校深入剖析生成式人工智能在学科教学中的作用与价值，构建基于“五步一环”的生成式“乐创”学习模型，形成具有学科特色的生成式人工智能应用实践样态。

2.实施“五步一环”教学，培养师生创新能力

学校设计并实施富有创意和挑战性的教学活动，探索教学行动路径，实施“五步一环”教学；利用生成式人工智能激发学生的学习兴趣和创造力，培养学生的创新思维和实践能力；提升教师的创新意识和应用能力，培养一支具有创新素养的新时代教师队伍。

3.构建并完善提升智能素养的支持系统

学校升级少年“乐创”学院，建设支持生成式人工智能教学的硬件环境，包括智能教学设备、网络设施等；利用适用于小学学科教学的生成式人工智能软件资源，如智能教学平台、课程资源库等，为师生提供丰富多样的教学资源和学习工具；构建智能化的学习分析系统，通过收集和分析学生的学习数据，为教师提供个性化的教学建议和资源推荐，帮助学生实现精准学习；明确教师在指导学生开展生成式人工智能方面的职责和角色，建立有效的人机协作管理机制，确保人工智能教育的顺利推进。

二、项目的实施路径

（一）探索生成式人工智能在学科学习中的样态

1.理解生成式“乐创”学习的教学价值

生成式“乐创”学习是指教师和学生在教学活动中，严格遵照国家法规、伦理道德和信息安全的要求，合理应用生成式人工智能辅助教学，并通过学习者自身的独立思考探究、批判性思维和创造性思维，促进学习的一种教学方式。

生成式“乐创”学习是在生成式人工智能环境下以学生为中心的教学方法，强调学生自主探究、实践操作，通过“人—机”互动对话以及师生、生生之间的合作交流来构建知识体系，要求学生要在教师的引导、支持和管控下使用生成式人工智能，旨在培养学生的批判性思维、创新思维以及问题解决能力和团队合作精神等。

2.构建基于“五步一环”的生成式人工智能“乐创”学习模型

“乐创”学习以学生学习力、教师引导力、课堂生长力为核心，旨在通过生成式人工智能技术的应用，利用“五步一环”优化学习过程，提升教学质量，促进学生面向未来、创造着长大（见图1）。

第一步智能导学：利用生成式人工智能技术为学生定制个性化的学习路径和资源。

第二步情境探究：利用生成式人工智能技术模拟真实场景，创设与学习内容相关的情境，激发学生的学习兴趣和探究欲望，让学生在情境中发现问题、提出问题，并尝试解决问题。

第三步合作学习：利用生成式人工智能技术提供协作工具和平台，鼓励学生进行“人—机”合作学习。学生在教师的指导下，瞄准要完成的学习任务，与生成式人工智能互动对话，在思维链式对话中记录自己的思考过程，并采用多种方式进行探究，促进“人—机”之间的有效沟通和合作。

第四步智能反馈：利用生成式人工智能技术实时收集过程性数据，分析学生的学习状态和效果。通过智能反馈机制，及时为学生的学习提供个性化的建议和反馈，帮助教师调整教学策略，提高教学质量。

第五步拓展延伸：利用生成式人工智能技术为学生提供拓展资源和练习，帮助他们巩固所学知识，拓宽视野。学生总结自己的学习收获并在新的情境中独立解决问题，完成教师布置的作业和练习。

在整个教学流程中，持续评估是关键的一环。通过对学生的学习过程、学习成果、学习态度等方面的评估，了解学生的学习状况和需求。同时，根据评估结果及时调整教学策略和方法，优化教学资源和环境，以满足学生的学习需求和发展需要。

（二）形成具有学科特色的教学应用实践新样态

不同学科具有不同的特点和要求，因此在引入生成式人工智能时，需要结合学科特色进行“五步一环”教学应用实践。

1.利用生成式AI优化教学流程

个性化学习路径规划、智能备课与教案生成以及自动化作业批改与智能反馈是生成式人工智能应用于学科教学的关键环节。通过生成式AI分析学生的学习数据，教师能够识别每个学生的兴趣、优势和薄弱点，从而为他们设计个性化的学习路径，提供针对性的学习资源和建议。同时，生成式AI还能协助教师搜集整理教学资料，自动生成初步的教案框架，并给出合适的教学方法和互动环节建议，大幅减轻教师的备课负担。此外，生成式AI还能自动批改学生的作业，识别错误并提供详细的分析和解题思路，并根据作业情况向教师反馈学生的学习进度和难点，帮助教师更精准地进行教学调整。（表1为生成式人工智能在语文学科的教学应用）

2.利用生成式AI优化学习体验

生成式人工智能的运用注重线上线下无缝对接，利用生成式AI技术实现线上学习平台与线下课堂的实时互动，如线上提问、线下讨论等，从而打破时空限制，提升学生的学习效率。同时，结合当前生成式AI技术的最新进展，学校设计了一系列具有创新性和实用性的实验项目，让学生在实践中深入掌握技术原理和应用方法。如，生成式人工智能可以设计各种数学游戏，如数学拼图、闯关等，让学生在游戏中学习和巩固数学知识。这些游戏可以根据学生的学习进度和能力水平进行智能调整，提供个性化的学习体验。

（三）构建并完善提升智能素养的支撑系统

1.构建生成式人工智能素养课程

为了提高学生的智能素养，学校构建了面向全体学生的人工智能素养课程；设计由浅入深、层层递进的课程内容，包括生成式人工智能的基础原理、常用技术、应用领域以及未来发展趋势等。学生从一年级开始逐步了解人工智能的基本概念和应用，随着年级的升高，逐渐深入学习编程和生成式算法，最终能够综合运用所学知识完成一个生成式人工智能项目。

2.构建智能化的学习分析系统

学校一方面通过生成式人工智能收集和分析学生的学习数据，为教师提供个性化的教学建议和资源推荐，从而帮助学生实现精准学习。另一方面，采用智能化评价方式，结合生成式人工智能素养水平，从课堂表现、作业完成情况、实验报告和项目实践成果等方面，全面评估学生的学习效果和应用能力。此外，学校还建立学生反馈机制，定期收集学生对课程的意见和建议，根据反馈进行课程内容和教学方法的调整。

3.创建“双维度”评价系统

在开发与实施评价时，学校紧密结合智能素养标准，确保评价内容能够全面反映教师和学生在数字化与智能素养方面的实际水平。教师主要从使用生成式人工智能工具的熟练程度、利用生成式AI进行跨学科整合教学、对生成式AI资源的获取与应用、利用生成式AI资源进行教学创新、创设有利于生成式AI学习的课堂环境、引导学生积极参与生成式AI学习活动等维度进行评价；学生主要从使用生成式人工智能工具辅助作业和学习的熟练程度、能否利用AI绘画工具创作并理解其原理、能否使用AI写作工具辅助创作并保留创意、能否识别和区分AI生成内容与人类创作、能否尊重AI知识产权不滥用、能否与同学探讨和分享AI工具使用心得等维度进行评价。同时，学校严格遵守国家及地方关于教育、信息技术和数据保护等方面的法律法规，保障评价的合法性和合规性。

4.建立有效的人机协作管理机制

学校建立有效的生成式人工智能管理机制，明确管理目标，确保技术的合规、安全和可持续发展。学校制定了详细使用规范，明确系统的研发、部署和使用过程中的权责关系与行为准则。同时，加强数据管理与隐私保护，确保技术不侵犯个人隐私和信息安全。

项目实施后，个性化学习路径规划满足了学生多样化需求，教师教学效率大幅提高，学生创新思维与实践能力明显增强，并形成了一系列可借鉴的AI教学案例与模式。生成式人工智能在学科教学中的创新应用，为区域教育教学改革和发展注入新的动力。如何借助生成式人工智能技术的力量，来进一步培养学生的创新能力，仍然需要我们在实践中不断探索，在思考中持续深化。

【作者简介】1.蒋蕾，江苏省徐州市中山外国语实验学校（江苏徐州，221000）校长，高级教师；2.李伟，江苏省徐州市中山外国语实验学校（江苏徐州，221000）教师，一级教师。

*本文系2024年度江苏省基础教育前瞻性教学改革实验项目“生成式人工智能在学科教学中的创新应用”（2024JSQZ021）的阶段性研究成果。