生成式人工智能在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

關(guān)善超　宋志剛　李貴安

生成式預(yù)訓(xùn)練模型（GPT，Generative Pre-trained Transformer）是一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的大型語言模型。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)研究的不斷深化，自然語言處理領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。研究人員開始使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建語言模型，這種模型可以自動地學(xué)習(xí)語言規(guī)則和模式，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，最終生成具有連貫性和合理性的文本。2018年，美國開放人工智能研究中心（OpenAI公司）發(fā)布了GPT-1。2021年11月，OpenAI發(fā)布了GPT-3.5架構(gòu)，也稱為GPT-Neo。ChatGPT是GPT-Neo的更新版本，它是一個針對聊天機(jī)器人的模型，可以與人類自然對話，并生成自然語言響應(yīng)。2023年3月14日，OpenAI發(fā)布了比ChatGPT更強(qiáng)大的大模型GPT-4。OpenAI表示，GPT-4雖然在許多現(xiàn)實場景中的能力依舊不如人類，但在各種專業(yè)和學(xué)術(shù)基準(zhǔn)上已與人類表現(xiàn)持平。2023年3月16日，百度公司正式發(fā)布旗下預(yù)訓(xùn)練生成式大語言模型產(chǎn)品——文心一言。2023年5月6日，科大訊飛公司在安徽合肥推出訊飛星火認(rèn)知大模型。這些生成式人工智能的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)被高度關(guān)注和深入研究。

生成式人工智能的出現(xiàn)對教育也會產(chǎn)生重大影響。有調(diào)查顯示，美國89%的大學(xué)生承認(rèn)使用ChatGPT做家庭作業(yè)，53%的學(xué)生用它寫論文，48%的學(xué)生使用ChatGPT完成測試。ChatGPT在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用引起學(xué)者高度關(guān)注。2023年3月4日，“ChatGPT與未來教育”學(xué)術(shù)研討會議在華東師范大學(xué)召開，人工智能與未來教育領(lǐng)域的專家、學(xué)者以主題報告等形式，從教育理論和實踐的雙重視角探討了ChatGPT與未來教育的關(guān)系及其相互間的轉(zhuǎn)化影響。有學(xué)者以“阿拉丁神燈”和“潘多拉魔盒”隱喻生成式人工智能在教育領(lǐng)域中可能扮演的角色，以此提醒教師和學(xué)生正確使用該技術(shù)。也有學(xué)者提出“直面ChatGPT，教師如何絕處逢生”的重大發(fā)問，引發(fā)了人工智能背景下對教師角色的重新定位。人工智能時代“學(xué)生學(xué)什么，教師怎樣教”是一個迫在眉睫的問題。筆者對主流的生成式人工智能產(chǎn)品進(jìn)行研究，深入剖析其在教育中應(yīng)用時的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，提出生成式人工智能產(chǎn)品在物理教學(xué)中的應(yīng)用導(dǎo)則，以期對未來教育場景下，教師使用此類人工智能開展教學(xué)提供一些幫助和借鑒。

一、生成式人工智能在教學(xué)中應(yīng)用的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

教師、學(xué)生和教學(xué)知識三者之間是密切相關(guān)的，它們相互依存、相互作用，共同構(gòu)成了教育教學(xué)的基本要素。師生的行為和教學(xué)結(jié)果受教學(xué)知識的制約和影響，而教學(xué)知識的傳遞和實現(xiàn)離不開師生互動。因此，應(yīng)用生成式人工智能輔助教學(xué)時要注意其對教學(xué)過程基本要素的影響。

（一）知識高效獲取與謬誤風(fēng)險并存

信息技術(shù)的高速發(fā)展為知識獲取提供了極大的便利。互聯(lián)網(wǎng)的普及讓知識獲取變得唾手可得。大量的搜索引擎如雨后春筍般涌現(xiàn)，知識爆炸的時代來臨。如何準(zhǔn)確搜索所需內(nèi)容，避免斑駁龐雜的冗余信息干擾，是人們在互聯(lián)網(wǎng)時代生存發(fā)展最重要的技能。生成式人工智能的出現(xiàn)將改變這一狀況，開啟以提問獲取知識的新模式。生成式人工智能是基于自然語言的對話式交互系統(tǒng)，可以理解用戶的自然語言，智能地推測用戶的意圖，從而更加準(zhǔn)確地回答用戶的問題或提供相應(yīng)的建議，并且隨著訓(xùn)練文本的不斷增加，其答案也不斷迭代更新。因此，任何年齡段的用戶都能無障礙使用，這使知識的獲取更加高效。生成式人工智能的回答是基于大量的訓(xùn)練給出的，其訓(xùn)練內(nèi)容很大程度上決定了答案的質(zhì)量。物理學(xué)本身具有一定的特殊性，其內(nèi)容具有很強(qiáng)的專業(yè)性，回答必須嚴(yán)謹(jǐn)。有些看似無關(guān)緊要的表述放在物理學(xué)的回答中可能造成嚴(yán)重錯誤。因此，想要完全依靠文本訓(xùn)練來準(zhǔn)確解釋物理學(xué)現(xiàn)象或解答物理學(xué)問題還存在很大的困難。學(xué)生在使用生成式人工智能獲取物理學(xué)知識時，無法保證知識的準(zhǔn)確性和回答的權(quán)威性，容易獲得碎片化的知識，無法形成體系，存在很大的知識謬誤風(fēng)險。

（二）自主學(xué)習(xí)與學(xué)生主體異化并存

生成式人工智能的特色之一就是可以為用戶提供個性化和交互式的服務(wù)體驗，根據(jù)不同學(xué)生的提問給出針對性的答案，這對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)有很大的幫助。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中使用生成式人工智能以對話的方式獲取自己想要的信息，極大地提高了知識獲取效率，解決了課堂教學(xué)中教師無法及時回復(fù)每個有提問需求的學(xué)生的問題。同時，這為性格內(nèi)向、不喜歡提問的學(xué)生提供了很好的提問途徑。此外，生成式人工智能不會疲勞也沒有人類的負(fù)面情緒，可以隨時隨地回答學(xué)生的提問，幫助學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的成就感。然而，人工智能越是強(qiáng)大，就越容易讓學(xué)生產(chǎn)生依賴，過度依賴生成式人工智能同樣會引發(fā)一系列的問題。首先，生成式人工智能提供的信息并非準(zhǔn)確無誤，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏教師的指引，很有可能形成錯誤的認(rèn)知。其次，生成式人工智能的精準(zhǔn)回答也可能使學(xué)生喪失自主思考能力。學(xué)生遇到困難首先想到的是讓生成式人工智能解決，而非迎難而上，最終結(jié)果必然是淪為技術(shù)的奴隸。同時，學(xué)生大量使用生成式人工智能會導(dǎo)致思維活動減少，進(jìn)而造成創(chuàng)造力的遮蔽。長此以往，學(xué)生將缺乏批判性思維和創(chuàng)造能力。這也是很多學(xué)校禁止使用生成式人工智能輔助學(xué)習(xí)的重要原因。最后，當(dāng)學(xué)生沉浸于與生成式人工智能的互動中時，必然會忽略課堂中最重要的人與人之間的互動，進(jìn)而造成師生互動和生生互動的減少，使課堂教學(xué)對學(xué)生情感價值的引導(dǎo)和培養(yǎng)功能大為減弱，最后脫離社會，被困于生成式人工智能編織的信息繭房中。

（三）提質(zhì)增效與教師地位弱化并存

生成式人工智能幾乎可以輔助教師完成所有環(huán)節(jié)的教學(xué)工作，包括教學(xué)設(shè)計、實驗設(shè)計、教學(xué)策略建議、課后練習(xí)，甚至學(xué)生學(xué)業(yè)評價，這是以往技術(shù)很難達(dá)到的高度，可以將教師從相對沉重的教學(xué)負(fù)擔(dān)中解放出來，極大地提高課堂教學(xué)效率。生成式人工智能可以通過整合大量的學(xué)習(xí)材料，幫助教師建立一個完善的知識庫。教師可以利用這個知識庫提供給學(xué)生更加全面、深入的學(xué)科知識。生成式人工智能可以作為答疑機(jī)器人，為學(xué)生提供一對一解答服務(wù)，避免教師在教學(xué)中無法及時回復(fù)每個學(xué)生問題的尷尬，讓教師更多地關(guān)注課堂中的情感交流和非知識性內(nèi)容的傳授。然而，生成式人工智能出色的個性化服務(wù)和擬人式的交互模式，卻會對教師在課堂教學(xué)中的地位產(chǎn)生巨大沖擊，稍有不慎就會造成教師在課堂教學(xué)中的地位弱化。教師大量使用生成式人工智能教學(xué)，可能導(dǎo)致自身喪失課堂教學(xué)中的主導(dǎo)地位，造成自身角色的邊緣化。學(xué)生在使用生成式人工智能時，會減少甚至忽略與教師的交流，不自主地將教師排除在學(xué)習(xí)過程鏈之外。長此以往，必然造成師生情感交流缺失，師生互信降低，進(jìn)而造成整個教師行業(yè)的角色定位偏差。

二、生成式人工智能在物理教學(xué)中的應(yīng)用導(dǎo)則

生成式人工智能應(yīng)用于教學(xué)可能出現(xiàn)一些問題。師生應(yīng)該在實際使用中揚長避短，盡最大可能規(guī)避風(fēng)險，積極應(yīng)對。

（一）淡化識記知識，積極開展探究性學(xué)習(xí)活動

從學(xué)生學(xué)習(xí)層面上講，生成式人工智能對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的幫助無疑是巨大的。因此，在未來的物理學(xué)習(xí)中，學(xué)生應(yīng)該規(guī)避對淺層知識的大量識記。物理學(xué)科本身講究探索、發(fā)現(xiàn)和理解，相比于語言學(xué)科，生成式人工智能帶來的沖擊較小。同時，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，一定要在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行。對于可能存在的知識謬誤，教師要及時更正，同時鼓勵學(xué)生積極思考，主動探究。實驗是物理教學(xué)的根基，而實驗探究活動正是人工智能輔助學(xué)習(xí)永遠(yuǎn)無法觸及的核心區(qū)域。教師應(yīng)該圍繞物理實驗教學(xué)，組織探究性活動，鼓勵小組合作研究，加強(qiáng)生生互動和師生互動。

（二）依托真實情境，開展思維型教學(xué)

從教學(xué)設(shè)計層面講，物理是發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、解釋客觀規(guī)律的學(xué)科，是天然貼近生活、服務(wù)生活的學(xué)科。教師設(shè)計物理教學(xué)方案時，要依托真實情境教學(xué)，避免知識本位，生搬硬套。教師以情境引入，結(jié)合項目展開教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識創(chuàng)造性解決問題。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該更多地提出有深度的問題，充分激發(fā)學(xué)生深度思考。對于學(xué)習(xí)成果，教師可以用作品展示的形式呈現(xiàn)，鍛煉學(xué)生動手實踐能力，促進(jìn)其全面發(fā)展。教師實施多元化教學(xué)評價，更多關(guān)注過程性評價，而非終結(jié)性評價，改變傳統(tǒng)紙筆測試這種單一的評價模式，讓每個學(xué)生學(xué)有所獲。

（三）轉(zhuǎn)變教師角色，爭做復(fù)合教育者

傳統(tǒng)教師角色定位通常是“傳道、授業(yè)、解惑”，教師和學(xué)生之間是單純傳授和接受關(guān)系，教師是知識、技能、道德等多方面的權(quán)威，教師擔(dān)當(dāng)教書匠或講解員的角色。然而，隨著人工智能的崛起，傳統(tǒng)的教師角色受到巨大沖擊，傳道授業(yè)解惑的功能會被部分取代。教師需要快速適應(yīng)數(shù)字化時代的角色轉(zhuǎn)變，從而更好地跟上智慧教育的步伐。有學(xué)者指出，復(fù)合教育者的誕生將是適應(yīng)未來教育的重要標(biāo)志。人工智能時代，教師、學(xué)生和人工智能三大主體之間的互動關(guān)系將被重構(gòu)，教師角色承擔(dān)的任務(wù)和使命更加復(fù)雜，需要建構(gòu)起學(xué)生和人工智能之間溝通的橋梁。教師應(yīng)該成為教學(xué)中的引導(dǎo)者、教育反思者、技術(shù)使用者和自我教育者。

三、生成式人工智能在物理教學(xué)中的應(yīng)用展示

ChatGPT、文心一言和訊飛星火等生成式人工智能各有特點。文心一言和訊飛星火在中文理解能力上比較突出，ChatGPT由于研發(fā)較早，文本訓(xùn)練量大，回答更加準(zhǔn)確完整，內(nèi)容也相對豐富。筆者以ChatGPT為例，展示ChatGPT在中學(xué)物理教學(xué)中的幾種應(yīng)用場景，以期為未來教師應(yīng)用人工智能開展物理教學(xué)提供借鑒和參考。

（一）作為教學(xué)設(shè)計的對話者和啟發(fā)者

ChatGPT可以作為教師教學(xué)設(shè)計中的對話者，幫助教師快速完成教學(xué)設(shè)計初稿，并提出相關(guān)的教學(xué)建議。學(xué)者與ChatGPT展開了一次問答（掃碼查看物態(tài)變化教學(xué)案例設(shè)計方案）。

ChatGPT設(shè)計好了一份具有一定可操作性的教學(xué)方案，該方案甚至給出了各教學(xué)環(huán)節(jié)所需時間和教學(xué)評價等細(xì)節(jié)。在教學(xué)設(shè)計中，受限于固有思維，教師往往難以設(shè)計出具有創(chuàng)新性的內(nèi)容，而ChatGPT卻能給出不同的教學(xué)設(shè)計，給教師以啟迪。

ChatGPT同樣可以用于設(shè)計實驗方案，對于教師開展實驗教學(xué)提供一些幫助和啟發(fā)（如圖1）。

ChatGPT設(shè)計的實驗方案有別于常規(guī)物理教學(xué)。如果要求生成式人工智能重新設(shè)計，它可以給出多種設(shè)計方案。教師可以選擇科學(xué)性和可行性最高的設(shè)計方案。但是教師不能完全依賴生成式人工智能，需要對方案中可能存在的不合理部分進(jìn)行修正。

（二）作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者

生成式人工智能可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中隨時提供個性化支持。對于有些難以通過常規(guī)搜索手段得到，或者得到過程相對復(fù)雜的知識，生成式人工智能能有效地提供幫助。目前，學(xué)生接觸和使用生成式人工智能還需等待相關(guān)產(chǎn)品升級。有學(xué)者模擬學(xué)生身份與ChatGPT之間展開了一次問答。

學(xué)習(xí)浮力后，才思敏捷的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力和最終得出浮力的決定式之間存在很長的歷史空白，對浮力的歷史產(chǎn)生了研究興趣。常規(guī)的搜索很難快速得到有效的信息，ChatGPT很好地解決了這一痛點。

在學(xué)習(xí)升華凝華時，很多學(xué)生對“只是所需條件不同，所有物質(zhì)都能升華”產(chǎn)生疑惑。于是學(xué)者向ChatGPT發(fā)問（如圖2）。

該問題是學(xué)生初學(xué)升華常見的問題，甚至新手教師對此問題也未必認(rèn)識到位。ChatGPT能快速給出參考答案，并列舉案例。

在進(jìn)行常規(guī)計算題測試時，ChatGPT已經(jīng)可以很好地使用物理公式進(jìn)行運算，解決物理問題（如圖3），進(jìn)化速度非?？?。

可能是因為用于訓(xùn)練ChatGPT的文本和國內(nèi)教材存在差異，造成某些符號和單位不統(tǒng)一，但是計算流程符合規(guī)范，計算結(jié)果正確，確實能有效輔助學(xué)生做題。

（三）作為學(xué)習(xí)評價的設(shè)計者

學(xué)習(xí)評價是反映課堂教學(xué)效果的重要標(biāo)準(zhǔn)。有針對性地展開評價測試對教師素養(yǎng)有極高要求。有學(xué)者利用ChatGPT初步設(shè)計了一份有針對性的測試卷（如圖4），如存在瑕疵可人工修改完善。

ChatGPT設(shè)計的測試題內(nèi)容比較豐富，包含選擇、計算和簡答題三種類型，難度梯度逐漸增加，具有一定的參考價值。ChatGPT可以幫助教師和家長快速檢測學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，從而有針對性查漏補(bǔ)缺。

四、總結(jié)與反思

發(fā)展與應(yīng)用人工智能是大勢所趨。生成式人工智能進(jìn)步神速。有一款產(chǎn)品短短兩周就從開始的使用代碼解物理題，進(jìn)化到使用規(guī)范的物理學(xué)公式，同時在回答問題的速度和準(zhǔn)確性方面也有明顯提高。在未來條件成熟時，教師可以利用生成式人工智能輔助物理教學(xué)。

大勢當(dāng)前，堵不如疏，疏不如引，我們應(yīng)該盡早提出相關(guān)策略應(yīng)對生成式人工智能對教學(xué)的沖擊。人工智能時代，讓人類繼續(xù)保持競爭力的關(guān)鍵是批判性思維和創(chuàng)造性思維。這就要求教師在教學(xué)設(shè)計時盡量規(guī)避淺層學(xué)習(xí)，如背誦、記憶類任務(wù)，盡可能設(shè)計層層深入的探究活動激發(fā)學(xué)生高階思維，使學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)生在應(yīng)用層面甚至是創(chuàng)造層面。同時，教師要允許學(xué)生發(fā)出不同聲音，提出不同想法，將創(chuàng)造力的火苗呵護(hù)好。教師不能將所謂的“乖”等同于“好”。如果將所謂的“皮”等同于“差”，長此以往，教育就可能變成一種服從性訓(xùn)練，培養(yǎng)出的學(xué)生都是一個模子刻出來的，缺乏創(chuàng)造性和想象力。

此外，教師數(shù)字素養(yǎng)亟待提升，需積極主動地接納并學(xué)習(xí)新技術(shù)，將技術(shù)服務(wù)于教學(xué)。在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)對生成式人工智能提供的答案作出判斷，及時更正錯誤，并引導(dǎo)學(xué)生針對生成式人工智能在生成內(nèi)容方面的錯誤展開討論，培養(yǎng)批判性思維。同時，教師不能依賴生成式人工智能的評估結(jié)果來判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。生成式人工智能不是物理教學(xué)專家，使用它來評估可能造成偏差，同時單一的評價工具也是不可靠的。政府層面也應(yīng)該主動面對人工智能可能帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，在政策法規(guī)上及時做出調(diào)整，關(guān)注信息道德建設(shè)，引導(dǎo)人們正確使用相關(guān)技術(shù)。

機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，善用則生，亂用則亡。最后以《流浪地球2》中的一句臺詞作為結(jié)束：人工智能的優(yōu)勢雖然無可取代，但是沒有人的文明將毫無意義。

注：本文系江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十四期重點自籌課題“智慧學(xué)習(xí)視域下初中物理實驗教學(xué)研究”（編號：2021JY14-ZB48）的階段性研究成果之一。

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（作者關(guān)善超系陜西師范大學(xué)教育學(xué)部在讀博士，江蘇省蘇州市陽山實驗初級中學(xué)校教師；宋志剛系江蘇省常州市鐘樓區(qū)教師發(fā)展中心副主任；李貴安系陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院院長、博士生導(dǎo)師）

責(zé)任編輯：祝元志