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论文方法介绍-基于人工智能的智慧课堂在中学物理深度学习中的应

2021-04-24 10:58:46

  本研究借助较为成熟的智慧教学系统开展教育教学活动,在弥补传统教学缺少师生互动,缺少思维发散和缺少形成性评价的弊端同时,利用人工智能的优势为学生定制个性化学习资源,课前针对每一个学生的学习能力和学习习惯推送不同的学习资料完成预习工作,课中对每一个学生的表现和反馈进行记录,课后根据课前和课中收集到的数据进行分析处理,通过人工智能系统对学生本节课的学情进行诊断,提供有针对性的复习资料和课后作业,在进行反复收集数据和分析处理,继而得出学生每一节课的学习成果报告。提高教学效率高,让学生在一个自由的平台进行合作自主学习解决教学中设计的问题,留给学生广阔的学习的空间和相互交流讨论的平台,与此同时教师可以实时在平台中对每一组学生进行指导或加入讨论,在课后也可以随时查看学生对推送资源的使用情况,起到督促的作用,保证课外的学习效率。以设置问题、解决问题的方式进行教学,达到深度学习的目的,充分培养学生的物理思想和科学思维态度。

  使用该系统,制药企业可以在众多供应商中选择最价廉物美的原材料,这样大大降低其成本,提高了企业利润。同时,供应商之间也有了相互竞争,可以促进生产,达到“双赢”的效果。

  本文最后说明了对日软件开发过程与当今我国软件开发过程的区别,并对我国今后软件事业做了期望和展望。

  1.1研究背景

  近年来,随着人工智能技术的发展,“AI+教育”“智慧课堂”等词汇逐渐出现在教育领域中,越来越多的地区尝试将人工智能系统融入课堂。2020年初,新型冠状病毒引发了大范围的疫情,教育部发布了延期开学的通知,为紧急应对全国学生面临的待学困境,各地中小学与高校统筹整合国家、地方和学校的相关教学资源,举办网络云课堂授课,以便组织学生开展网上学习,这对于当前传统课堂依在教学方法中的主导地位是一次挑战,不难想象未来的世界将逐渐步入智慧教育的时代。在国内,阿里、科大讯飞等AI开放平台建设公司的人工智能设备都有融入课堂的尝试,但在智慧课堂还没有真正推广普及开之前,具体的技术还不够成熟,技术和课堂的兼容性还有待提高,教师使用智慧课堂进行信息化教学能力还需提升。他们是否真正实现了“智慧”教学并达到了教学目标要求还是未知数,但可以预见,在未来,未来教学的重心会逐渐向网络教学、智慧教学偏移,也是未来教育发展的大势所趋。如何有效利用人工智能智慧课堂的优势顺应教学改革潮流,使学生进入到深度学习的层次中是研究的出发点。

  1.2关于深度学习

  深度学习的概念于1976年在Ference Marton和Roger Saljodd《学习的本质区别》中提出,他们指出要进行深度学习首先要理解学习,学习者应当通过对新习得的思想和概念进行质疑,并将其融入到已经习得的认知理论中,建立起许多思想之间的联系,并将原有知识迁移到新的情境中,做出正确的判断,开展解决问题的学习。早在战国时期,孔子也在《论语·为政》中做出了“学而不思则罔,思而不学则殆”的经典论述,其背后也蕴含着深度学习的思想。[[[]庞敬文,张宇航,唐烨伟,解月光.深度学习视角下智慧课堂评价指标的设计研究[J].现代教育技术,2017,27(02):12-18.

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  深度学习强调学习者认知、情感、态度的高投入性和学习过程的沉浸性,不仅了解和记忆知识和规律,还要在此基础上体验规律发生的过程,并对整个过程进行分析和解释,从而把握住知识的核心思想、意义和本质。时至今日,在应试教育的现实和素质教育的呼声下,深度学习正在逐渐兴起,究其原因有以下三点:1,深度学习是社会发展的客观要求。当下人类社会正在经历信息社会的革命,信息社会对人才培养的学习能力、实践能力、创新能力等综合能力提出了前所未有的要求,以往传统教学以教师为主体的教学方式单纯注重学生识记能力和知识习得的学习方式无法适应社会发展要求。

  1.3关于智慧课堂

  党的十八大报告中指出教育应当回答两个根本问题:一是培养什么人,二是怎样培养人。两个问题分别指出了教育理念和教学模式是教育的核心问题。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》强调了培养“创新型、复合型、实践型人才”的迫切要求。因此,利用异于传统教学方式的智慧教学方式培养新时代的创新型、复合型、实践型人才从而推动教学进步已经为了时代的必然趋势。一般我们认为的智慧课堂就是以建构主义学习理论为依据的,以“互联网+”的思维方式和大数据、云计算等新一代信息技术为载体而打造的智能、高效的课堂。[[[]韩珺.论智慧课堂环境如何优化物理实验课堂——以《电流和电路》一课为例[J].名师在线,2019(11):10-11.

  ]]但当下物理智慧课堂最常用的虚拟实验等方式并非完全意义上的智慧课堂,而且进行物理课堂不能一味地依靠虚拟环境,利用环境工具解决现有问题的能力和自主实验的动手能力还是很重要的。因此广义上的智慧课堂应当是充分利用大数据和智慧教育的成果将信息技术融入教学课堂,打破固定教室、固定教材、固定教师的教学形态,构建集个性化、智能化、数字化为一体的课堂教学环境,以促进学生的全面发展,同时为学生提供线上与线下、校内与校外兼备的教育体系。目前,智慧课堂的关键问题是如何利用丰富多样的智能手段辅助教师教学,增强教师对课堂和对学生学情的掌控力,同时物理学作为一门实验科学,如何利用网络、智慧终端实现实验的可操作性和可观性,从而更好地激发学生合作学习、自主学习的兴趣,培养核心素养,真正做到走出考场,走向社会,也是本研究所关注的。

  在传统的智慧课堂教学模式中,教师借助资源库对学生实行以班级为单位的资源推送,再通过后台数据处理对学生的学情进行评价和统计,最后对多数学生出现的普遍性问题进行有针对性的进行指导和讲解。但实际上,在传统智慧课堂教学模式下,教师经常遇到一些不可避免的问题:

  一是学生智能终端设备种类繁多,由于程序兼容性的问题导致BUG频出,且徐盛对智慧课堂程序的使用频率较低,在课堂学习前后缺少教师的参与,课堂后学生个体的学情无法得到准确的评估,更难以获取个性化的指导,智慧课堂教学的效果很大程度取决于学生自身。二是在课堂中还是没有真正做到以学生为主体,与传统教学类似,学生缺乏合作交流的场景,教师仍处于课堂的中心,学生的思维难以发散,不利于培养学生的合作与创新精神。三是当下的智慧教学模式和传统教学一样将关注点更多的放在以卷面成绩作为总结性评价的学习结果上,忽略教学过程中对学生学习习惯的培养;偏重于对物理概念的教学,弱化了对学生科学思维和思辨能力的关注和培养,导致智慧课堂教学的初衷流于形式,又陷入了应试教育的泥潭,这与新时代物理教学对核心素养的养成和发展目标相悖。[[[]蔡宝来.教育信息化2.0时代的智慧教学:理念、特质及模式[J].中国教育学刊,2019(11):56-61.

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  本研究借助较为成熟的智慧教学系统开展教育教学活动,不仅能够弥补以上缺陷,而且具有以下三种优点。一是个性化学习资源,课前针对每一个学生的学习能力和学习习惯推送不同的学习资料完成预习工作,课中对每一个学生的表现和反馈进行记录,课后根据课前和课中收集到的数据进行分析处理,通过人工智能系统对学生本节课的学情进行诊断,提供有针对性的复习资料和课后作业,在进行反复收集数据和分析处理,继而得出学生每一节课的学习成果报告。二是教学效率高,学生在一个自由的大平台进行合作自主学习解决教学中设计的问题,留给学生广阔的学习的空间和相互交流讨论的平台,以解决问题教学,达到深度学习的目的,充分培养学生的物理思想和科学思维态度。与此同时教师可以实时在平台中对每一组学生进行指导或加入讨论,在课后也可以随时查看学生对推送资源的使用情况,起到督促的作用,以保证课外的学习效率。三是真正做到以人为本的教育理念。在课堂上,由学校提供给学生智能终端,通过预装特制的教学系统,杜绝学生将平板用于学习之外的情况,同时较大程度上解决了智慧课堂教学中设备短缺的问题。[[[]沈旭东.智慧课堂背景下的高中物理精准教学[J].中国教师,2019(10):89-92.

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  2、基于人工智能的智慧课堂的教学应用

  以《生活中的圆周运动》一节为例,进行授课前首先对教材、教学目标、设计原则等进行分析。

  2.1教材分析

  本节是人教版第六章的第四节,是圆周运动、万有引力两章的总结应用,本章是人教版物理第五章的最后一节,是圆周运动、向心加速度、向心力的总结应用,也是牛顿第二定律的综合应用,本节的学习有助于了解物理学的特点和研究方法,体会物理学在生活生产中的应用及对社会发展的影响,也为后续知识的学习(如万有引力与航天、带电粒子在磁场中的运动等)奠定基础,起到承上启下的作用。

  2.2学情分析

  学生已经在之前的学习中学习了描述圆周运动的物理量,如线速度、角速度、向心加速度等和向心力,也已知道对于一般的曲线运动,在研究时只要取足够短的一小段,就可以近似看做圆周运动的一部分并采用圆周运动的分析方法进行处理,但对于向心力的来源还比较模糊,学生常常将向心力作为一种性质力与其他力混淆,教学过程中要明确指出这种看法是错误的。

  处于高一阶段的学生,其思维习惯中形象思维占的比例还比较大,科学思维的能力有待进一步的开发和提高;对于物理学科特定的研究方法和分析方法已有了一定的了解但还不是非常的熟练,有待进一步地培养。

  2.3教学实践环节

  综合教材分析和学情分析,参照智慧课堂的理论模型,制定如下的具体教学实践环节。从课前、课上和课后三个学习阶段,学生活动与教师活动两个维度进行教学环节的实践应用,如表1所示。

  表1教学实践环节

  学习阶段学生活动教师活动预设意图

  课前预习1.学生登录智慧教育APP,进行自主学习“生活中的圆周运动”学习资源,复习巩固本节相关概念,包括曲线运动、圆周运动和向心力等;依靠引导问题,进行“火车转弯”、“汽车过桥”等虚拟实验,在线进行人机交互。

  2.获得学习成果报告,在线分享

  3.提出预习过程中的疑问,进行在线交流1.收集学生预习情况的跟踪数据,了解学生的学习风格和学习行为的效果,优化学习活动设计

  2.教师根据网络平台的数据分析与反馈,通过线上点对点推送学习资源和学习支持服务,获取学习问题反馈

  3.教师基于教材和学情分析、学生预习反馈、人工智能数据分析,优化教学设计

  1.提前落实识记、理解类学习目标,为课内教学打好基础

  2.重视网络平台的数据收集与分析,通过人工智能数据分析掌握各个学生的学情和学生总体的学情,教师依次为依据有的放矢的调整教学设计,真正做到以学生为中心进行教学

  课内学习1.学生跟随教师基于智慧课堂APP进行“火车转弯”实验,进入学习情境,建立知识连接。

  2.学生根据导学案,分组进行虚拟实验,基于云平台选择学习资源,记录实验数据,包括轨道平面的倾角、火车的质量、弯道的半径、列车的运行速度等,通过小组内交流,得出结论。

  3.学生以小组为单位,汇报学习成果,分享小组得出的结论

  4.通过智慧课堂APP与小组成员继续探究汽车过拱形桥和凹形桥时的不同情况,并得出结论

  5.通过修改虚拟实验的参数,进行“飞车”主题的头脑风暴,思考当通过拱桥的汽车速度过快时,分析车对地面的压力情况和此时驾驶员与座椅之间的压力情况

  6.根据教材中图5.7-7,分析使汽车与地面压力为0时,汽车应达到的速度1.基于云平台,组织学生进行虚拟实验

  2.呈现任务清单,提供填空式实验记录,进行启发式教学,引导学生自主完成任务

  3.教师基于云平台,向学生推送导学案,布置小组实验,云平台同步推送相关学习资源。

  4.通过云平台随时了解各小组动态,随时组织群学探究,点拨重点,启发难点。

  5.组织各小组汇报实验成果和结论

  6.围绕“飞车”主题,组织学生继续自主探究,用好虚拟实验并引导学生进行理论分析解释实验现象,将飞车问题拓展到航天问题中。

  1.落实应用、分析类学习目标

  2.重视个性化学习需求,进行分层学习指导和支持

  3.重视深度学习的思维引导和探究性学习组织

  4.通过虚拟实验首先直观的看到实验现象,再根据自调参数,让学生对影响实验结果的因素有大致的认识,最后引导学生进行理论分析,并通过理论分析计算的方式解释实验结果产生的原因。

  5.培养学生的应用实践能力和思维创新意识;运用生活中的事例,激发学生的学习兴趣、求知欲和探索动机;通过对实例的分析,建立具体问题具体分析的科学观念.

  课后巩固1.使用智慧课堂APP完成小测验

  2.以小组为单位,分别通过实验和理论分析的方式研究“航天器中的失重现象”和“离心现象”1.利用智慧课堂APP收集学生学习成果的检测数据,分析本节课学情

  2.向学生反馈学习评价,针对薄弱之处有针对性的进行额外的训练,达到查漏补缺提优补差的效果[[[]周新林.智慧课堂辅助物理教学的实践研究[J].中学理科园地,2019,15(03):38-39.

  ]]1.落实创造类学习目标

  2.通过诊断性评价与启发式教学,真正以学生为学习的主体,达成培养学生的应用实践、团队合作、归纳总结能力的第三维目标

  3、教学评价

  传统的教学反馈与评价是应试试卷中分数作为总结性评价,教师和学生通过试卷成绩分析问题所在,但基于学校教育的现状,很难做到一对一反馈评价,大多学生看到的只是分数而已。对于学学习能力较强的学生而言,他们可以较为轻易的认识到自己的薄弱之处并有针对性的强化补足,但大多数学生很难通过试卷分析自己学情的不足之处,因此我们利用人工智能APP运用“核心素养”语言“解构”问题,分析问题解决相关的素养要求和素养类型,通过这种方法,将题目每个选项或小题,从素养要求和素养类型两个维度进行拆解细分,通过拆解细分使题目与物理核心素养的要求进行对应。通过解构快速对学生的学情进行较为准确的评价,再结合学生在课堂与小组活动中的表现,直观而透彻的了解学生的问题与错误,诊断其核心素养的不足之处。这里以本节内容中常见的选择题与计算题作为案例进行解构。[[[]梁旭.提高物理教师学业质量评价能力的路径[J].中学物理教学参考,2019,48(07):1-5.

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  3.1案例一

  游乐园的过山车在圆形轨道上翻滚时,质量为m的人随车在竖直平面内旋转,下列说法正确的是()

  A.车在最高点时人处于倒坐状态,全靠保险带拉住,否则人会掉下来

  B.人在最高点时对座椅仍可能产生压力,但压力大小一定小于mg

  C.人在最低点时对座位的压力等于mg

  D.人在最低点时对座位的压力大于mg

  表2案例一的解构

  题目求解过程素养要求素养类型

  选项A对人进行受力分析,由于人随过山车圆周运动的向心力由重力G和保险带拉力T的合力提供且指向圆心,因此有:

  可以看出当速度v增大时,保险带拉力会逐渐减小,当时,T=0,因此,A选项的分析不当

  受力分析

  数学推理

  向心力的概念

  科学思维

  (科学推理)

  选项B仍对人进行受力分析,当车速较快时,保险带拉力T为0,仅重力不足以提供向心力,还受到座位对人向下的支持力N,

  因此有,可以看出压力N的大小与随车速v的增大而增大,因此B选项错误

  受力分析

  数学推理

  向心力的概念

  圆周运动中的临界条件

  科学思维

  (科学推理)

  选项C、D对人进行受力分析可知人在最低点时,重力G与座位对人的支持力N`的合力提供向心力因此有,

  可以看出支持力N`随速度的增大而增大,当V=0时有最小值N`=mg受力分析

  牛顿第三定律

  数学推理

  向心力的概念

  通过表2案例解构得到的素养要素,对比学生习题的检测情况,可以较明显的发现学生在何处出现问题,由此针对受力分析、本节概念、本节典型模型等进行进一步强化。

  3.2案例二

  一级方程式赛车比赛中,赛车手驾驶一辆总质量为M的赛车经过一半径为R的水平弯道时速度为v,工程师为提高赛车性能,将赛车设计成其上下方空气存在一个称为“气动压力”的压力差,从而增大赛车的正压力,行业中将赛车中压力与摩擦力的比值称为侧向附着系数,用η表示,为使赛车在转弯时不侧滑,则:

  (1)所需向心力为多大?

  (2)所需摩擦力为多大?

  (3)所需气动压力为多大?

  表3案例2的解构

  求解过程素养要求素养类型

  问题(1)对赛车进行受力分析:赛车转弯过程中竖直方向受到地面的支持力、重力和气动压力,水平方向受到摩擦力

  受力分析

  运动观与相互作用观

  转弯视为圆周运动,水平方向的仅有摩擦力,因此摩擦力提供向心力

  向心力的概念

  与计算方法

  问题(2)水平方向的仅有摩擦力,因此摩擦力提供向心力向心力的概念科学推理

  问题(3)摩擦力的大小与正压力有关,赛车竖直方向上处于平衡状态,因此赛车所受重力、气动压力和支持力为0受力分析

  三力平衡

  对新的物理概念进行

  逻辑思考和推理并应用

  科学推理

  新理论运用

  通过表3解构案例得到的素养要求和素养类型对比学生的答题情况,可以发现学生在解题过程中忽略的或掌握不到位的科学素养,对学生加强基础能力或拓展思维能力的培养。

  4、相较于传统教学的优势、不足及改进方法

  4.1问卷调查分析

  为了研究智慧课堂教学相较于传统教学的优势,向高一至高三年级共75位同学、15位教师发出问卷,回收有效问卷90份,问卷信度较高。

  调查发现73.3%的学生相较于传统课堂教学模式更钟情于花样繁多的智慧课堂授课方式,并有半数以上的学生认为智慧课堂教学模式对自己物理学科的学习能力有帮助,60%以上的学生认为智慧课堂的教学模式使得知识内容变的直观形象,对于课程重难点的理解有较大提升,然而在课堂参与度和课堂注意力的集中程度上来看,仅有30%~40%的学生认为智慧课堂教学模式有较大作用。

  对教师抽样调查发现仅有26.67%的教师对智慧课堂教学模式熟悉或非常熟悉,60%的教师只是听说过但并未自己使用过,之所以选择智慧课堂教学的原因大多是为了适应学生需求或自己教学设计的需求,但57.33%的教师对智慧课堂教学的效果感到一般,仅有36%的教师对智慧课堂教学效果表示满意或非常满意,教师普遍认为智慧课堂教学模式对课堂多元化、增加课堂趣味性和调动学生上课积极性方面有着巨大帮助,但也有10%左右教师认为智慧课堂教学模式增加了学生的学业负担,还有少部分教师认为智慧课堂教学模式有诱使学生上课玩手机(平板)的风险。

  根据调查结果可以看出,在一个信息与技术长足进步的时代,智慧课堂教学已经或多或少的渗入到学校教学中去,但在智慧课堂教学还不十分成熟的情况下,如何利用智慧课堂教学的优势弥补传统教学的不足,并及时发现并解决智慧课堂教学中出现的新的问题是当下教育工作者不得不面对的难题。

  4.2传统教学的优势

  首先,智慧课堂相较于传统教学的最显而易见的优势在于在物质条件有限的情况下,通过智慧课堂APP将传统课堂上难以呈现的物理场景展现出来。情景式教学是中学物理教学中常用的手段,目的是激发学生的学习兴趣并通过情景引导学生观察生活中常见的物理现象通过有理论依据的分析进而得出结论,这对培养学生合作能力和探究能力有着重要意义。传统课堂中,教师常通过口头叙述的方式使用物理学史或生活中常见的例子来创设物理情景,虽然能起到一定的效果,但对于学生接触不多或较为抽象的物理场景稍显乏力,且由于硬件条件或客观条件的限制,许多实验无法进行实际操作,对于物理这门实验学科而言,仅仅靠教师用语言描述实验会使整个教学过程枯燥无味,且流于形式,不仅对学生的实验能力没有提升,更可能导致学生对整节课失去兴趣。利用智慧课堂教学,对教师的口头表述辅以可操作性强,自由度高的虚拟实验或虚拟场景,一方面增强课堂的趣味性,促使学生自主学习;另一方面对培养学生观察、合作、归纳和纠错的能力有着重要的意义。

  其次,传统教学模式下,受到教师团队力量薄弱或学生群体庞大等因素的限制,教师难以对每个学生做出形成性评价,根据教学目标和学生个体间差异进行个性化教学的目标难以达成,在人教版物理教材选修3-3、选修3-4、选修3-5三本教材中的选修内容,多数学校采取的都是“挑简单的学”或“统一要求学”的教学方式,这对于学生个性化发展极为不利。但通过人工智能智慧课堂教学,人工智能系统会根据学生从入学以来展现出的思维模式、智力发展水平和个人喜好等因素为每个学生简历个性化的学习档案,让学生可以更加准确的发现适合自己的学习内容,并为学生提供学习建议和学习资源,并通过持续跟进学生的学习表现,随时调整教学策略,一步一步诱导学生达成深度学习的目标。这样一方面能解放教师教学任务的压力,帮助教师将更多精力放在提升教学质量上,另一方面用每个学生最容易接受的方式讲解知识并做到温故知新和查缺补漏,在整个学习生涯中根据学生的个体情况提供更多帮助。

  再次,前面提到传统教学的反馈与评价常以应试试卷中分数作为总结性评价,缺少形成性评价和诊断性评价,教师在教学过程中产生的各种数据难以收集并加以利用,不利于学习能力较弱的学生有针对性的进行训练提高。人工智能智慧课堂借助智慧课堂、智能移动终端等设备结合学生大数据的收集、处理、存储、分析,教师可以随时调整学生的学习内容、学习强度、学习方法,从而提高学生的学习效率,促进教学的有效性。基于大数据的分析和处理,人工智能也可以根据课后教学评价的结果进行整理,以数据和图表的形式生成诊断报告,从而驱动师生进行全面、及时、合理的查漏补缺,形成真正以人为本的教育方式,实现学生的全面发展。[[[]郭楠楠,李卫东.浅谈人工智能技术在中学物理教学中的应用[J].才智,2019(29):28.