生成式人工智能在中學化學教學中的應用與教師態(tài)度研究

一、問題的提出人工智能包括通用人工智能，以及生成式人工智能兩個分支。人工智能和教育的交融正向推進教育創(chuàng)新，將加快發(fā)展平等面向每個人的教育、每個人一生的教育、適合每個人的教育、更加開放靈活的教育。在中學化學教學中，生成式人工智能的具體應用、對課堂教學質量提升和評價等問題，是當前化學教育研究的熱點。本文旨在探討生成式人工智能在中學化學教學中的應用現(xiàn)狀，并通過調查中學化學教師的態(tài)度，探討生成式人工智能與中學化學教學結合的潛在優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。二、研究現(xiàn)狀1.人工智能+教育研究概述。筆者在中國知網(wǎng)以“生成式人工智能+教育教學”為關鍵詞進行搜索，共查閱得到期刊論文52篇，其中2023年發(fā)表19篇，2024年截至9月為止共計33篇，可以看出“人工智能+教育”的研究熱度正在逐步上升。從統(tǒng)計文獻的學科分布圖可以看出，目前生成式關于“人工智能+教育”的研究主要集中在教育理論、計算機教育和高等教育，三者共占比達70.97%。目前“人工智能+教育”的開發(fā)和應用研究齊頭并進，關于中學教育的理論和實踐應用中還有待一線工作者和研究者的進一步研究。2.生成式人工智能在中學化學的研究現(xiàn)狀。生成式人工智能與中學教育的融合，包括了個性化學習、智能輔導、智能評價等多方面。在中國知網(wǎng)，以“人工智能、生成式人工智能、中學化學”為關鍵詞進行組合搜索，共查閱得到期刊文獻14篇，碩士論文3篇。2019年科技部前瞻性地概括了人工智能在教育的六大場景中的應用?！皞洹钡膽脠鼍肮采婕?篇文獻，黃郁郁、王后雄探討了人工智能在個性化資源分享、多維化評價和特色化實驗創(chuàng)新等方面的融合應用，并提出了在數(shù)據(jù)資源和隱私保護方面的局限性。馬明蘭提出了提升素養(yǎng)、分型施策、塑造共識三條路徑來實現(xiàn)智慧課堂教學實踐，利用人工智能技術進行個性化教學和評價。王玉鳳提出通過多樣化教學、明確教學目的和合理安排教學時間來構建智慧課堂。楊云芳提出了信息化預習激發(fā)興趣、信息化導入延伸知識、信息化互動趣味交流、信息化實驗積累經(jīng)驗以及信息化評價科學育人等發(fā)展策略?！敖獭钡膽脠鼍肮采婕?篇文獻，其中比較有代表性的如邢蓓蓓以二氧化碳的性質和對生活環(huán)境的影響為課例，利用生成式人工智能提高教學互動性和學生的探究能力，討論了生成式人工智能在初中化學教學中的應用策略。王珊珊通過“車身骨架材料的選擇”案例，討論了如何利用人工智能提高學生的跨學科問題解決能力。李俊峰以鐵及其化合物的教學為例，使用人工智能進行學情反饋，設計基于人工智能的教學活動。“評”的應用場景僅查閱到1篇文獻，高文蓓、王新福等開發(fā)了一款化學實驗現(xiàn)象評價與反饋系統(tǒng)，進行智能分析，提供及時的評價和反饋，具有評價及時化、結果精準化、反饋個性化等優(yōu)勢，有助于提高實驗教學的效果?！肮堋钡膽脠鼍吧婕?篇文獻，其中戴力，徐迪通過實施跨學科合作平臺、鼓勵學科交叉培訓和教育、加強學科之間交流和合作，以及實施具體教學措施來培養(yǎng)創(chuàng)新型復合人才，并提出了實施思路和具體措施。桑德文則分析初中化學智慧課堂教學的策略，強調利用線上平臺創(chuàng)設教學資源、提高學生智慧課堂認同感、科學規(guī)劃智慧課堂教學時間、合理創(chuàng)設化學智慧教學情境和采用多元化的教學評價方式。三、中學化學教師對生成式人工智能的態(tài)度調查1.量表設計與收集。為了調查中學化學教師對人工智能的態(tài)度，本研究參考尹睿關于中小學教師人工智能課程教學準備度量表，編制中學化學教師關于生成式人工智能的態(tài)度量表，采用李克特五點量表（完全不符合=1，不太符合=2，一般=3，基本符合=4，完全符合=5）形式進行評分，量表經(jīng)過5位專家評估修改，內(nèi)容效度達標。向深圳市合計8所兄弟學校共128位中學化學教師（含初中學段45位和高中學段83位）發(fā)放問卷，回收問卷128份，有效問卷109份，有效率為85.1%，量表總體的Cronbach’sα值為0.81，內(nèi)部一致性良好。2.數(shù)據(jù)分析?？傮w態(tài)度的均值為3.58，表面目前中學化學教師對生成式人工智能融合中學化學課程的態(tài)度總體處于意向期（Mlt;4.00），教師們普遍對生成式人工智能有初步的認識，期待其積極影響，同時缺乏相關的專業(yè)知識和教學能力，對實際操作和普及應用缺乏信心。從各維度的均分表現(xiàn)來看，教師們的認知（M=3.92）和心理維度（M=3.51）處于“一般”水平（3.5≤M＜4），知識（M=3.40）和能力（M=3.48）維度處于“不足”水平（Mlt;3.5）。結合訪談發(fā)現(xiàn)，在認知維度上，教師們能夠辯證看待生成式人工智能對中學化學教學的影響，關注其相關發(fā)展資訊，但是由于工作時長，工作年限等原因，比較少教師主動去系統(tǒng)學習生成式人工智能的課程，掌握其使用技巧。在心理維度上，教師們認可生成式人工智能輔助中學化學課程的價值，也意識到開展人工智能的學習有助于培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)和學科思維，但由于缺乏指導和實踐經(jīng)歷，對開展生成式人工智能的課堂表現(xiàn)出信心的缺失。在知識的維度上，技術層面和實操層面是教師們目前最大的困難。在能力維度，教師們基本可以結合生成式人工智能完成教學設計，但普遍表現(xiàn)出較低的能力水平，這與長期的教學行為有關，更重要的是在當前的生成式人工智能的發(fā)展階段，考慮到學生的接受程度和學校的硬件支持，教師們沒有足夠的實踐經(jīng)歷，因此能力自然得不到相應的發(fā)展。3.差異性比較。根據(jù)量表收集的教師信息，結合獨立樣本T檢驗分析發(fā)現(xiàn)不同的性別，學段，教齡的中學化學教師對生成式人工智能的態(tài)度也存在差異，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，男性教師在知識維度上存在著顯著性差異（p=0.035lt;0.05），表面男性中學化學教師關于生成式人工智能的知識儲備會略優(yōu)于女性教師，其他的維度差異不顯著。相比起高中學段的化學教師，初中學段的化學教師在認知（p=0.021lt;0.05）和能力（p=0.032lt;0.05）維度上更優(yōu)于高中教師，通過訪談，發(fā)現(xiàn)可能與中學階段化學學科在中考和高考中的占比相關，初中教師更有時間和精力去投入研究和實踐當中。另外新手教師在知識（p=0.042lt;0.05）和能力（p=0.011lt;0.05）維度上與熟手教師存在顯著性差異，新手教師關于生成式人工智能的知識儲備更加突出，但是結合到具體課程的實踐能力則略低于熟手教師。四、研究結論及展望1.進一步開展結合生成式人工智能的中學化學教學實踐。生成式人工智能在中學化學教學中的實際應用處于探索和嘗試的階段，實際應用和研究主要集中在理論層面和個別案例上，主要集中在“備”和“教”兩個應用場景，如利用生成式人工智能進行特色化的實驗創(chuàng)新，進行跨學科的項目式學習，缺乏系統(tǒng)性和普及性。2.針對性開展教師培訓。中學化學教師對生成式人工智能的態(tài)度是積極的，但是在應用的實際操作和普及上缺乏信心。教師的認知水平相對較高，能夠理解生成式人工智能在教育中的作用，但在心理、知識和能力維度上普遍準備不足，需要更多的支持和培訓。此外，性別、學段和教齡等因素也影響了教師對生成式人工智能的態(tài)度，需要針對不同教師群體提供定制化的培訓和資源，以提高他們的信心和能力。3.借助生成式人工智能，賦能中學化學教學。基于研究分析和當前教育技術的發(fā)展，本研究就如何融合人工智能和中學化學教學的建議如下：（1）建立跨學科團隊：