新一代人工智能對(duì)教育的影響

【摘要】ChatGPT作為一種新興的人工智能應(yīng)用技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要意義。教育如何順應(yīng)人工智能時(shí)代的深刻變化？本文以ChatGPT在數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用為例，談了人的思考是否可以被人工智能所取代、教師如何應(yīng)對(duì)人工智能的挑戰(zhàn)、促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與教學(xué)資源的數(shù)字化轉(zhuǎn)型三個(gè)問(wèn)題，以期與同行交流。【關(guān)鍵詞】ChatGPT；數(shù)學(xué)教學(xué)；人工智能最近一段時(shí)間ChatGPT火了，這是一款美國(guó)研發(fā)的聊天機(jī)器人程序，自2022年11月30日發(fā)布以來(lái)，據(jù)說(shuō)注冊(cè)用戶已經(jīng)超過(guò)了一億。它對(duì)社會(huì)的沖擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了不久前火爆的“元宇宙”，人們驚嘆“人的思考正在被人工智能代替”，利用它可以寫文案、做詩(shī)歌、翻譯、進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，你問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，它當(dāng)即能給你一個(gè)回答，你給它出一個(gè)題目，它就能按你的要求寫一篇像樣的文章，太厲害了！如何看待ChatGPT對(duì)教育的沖擊是人們熱議的一個(gè)敏感話題。ChatGPT會(huì)不會(huì)取代教師？如何理性地權(quán)衡它的利弊？教育如何順應(yīng)人工智能時(shí)代的深刻變化？這里談些看法與同行交流。人的思考是否可以被人工智能所取代對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們的回答是ChatGPT表明人的思考確實(shí)可以部分被人工智能取代，但人工智能不等同于人自身的智慧，不能完全取代人的思考。網(wǎng)傳復(fù)旦大學(xué)做了一項(xiàng)研究，讓ChatGPT做一套2022年的高考試題，結(jié)果是：根據(jù)2022年全國(guó)高考的分?jǐn)?shù)線，就算把ChatGPT放到一個(gè)高考競(jìng)爭(zhēng)較為激烈的省份，也能輕松達(dá)到二本線；如果只參考文科成績(jī)的話，甚至有很大希望能達(dá)到一本線。這說(shuō)明人工智能現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)相當(dāng)高的水平。但ChatGPT在主觀題上，文綜得分率為78%，生物得分率50%，在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、歷史這4個(gè)單科成績(jī)上，只有30%。看來(lái)ChatGPT處理文科題目?jī)?yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)于理科題目表現(xiàn)不佳。那么，怎么認(rèn)識(shí)ChatGPT呢？我們是否可以把它理解為一個(gè)“搜索引擎+聊天機(jī)器人+復(fù)雜文本整合器”，即從海量的“語(yǔ)料庫(kù)”中搜索所需要的那些文本，以及文本背后所蘊(yùn)含的、潛在的框架與“規(guī)則”，整理表達(dá)為人類可以接受的語(yǔ)言。這確實(shí)不簡(jiǎn)單，但它依托的是語(yǔ)料庫(kù)中已有的現(xiàn)成的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)，并不能創(chuàng)造出以前沒有的新知識(shí)。就數(shù)學(xué)思維而言，這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。數(shù)學(xué)具有高度的抽象性和嚴(yán)密的邏輯性，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)的檢索和整理實(shí)現(xiàn)。數(shù)學(xué)的發(fā)展是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過(guò)程，“無(wú)理數(shù)”的產(chǎn)生，非歐幾何與解析幾何的產(chǎn)生，足以說(shuō)明這一點(diǎn)。這些數(shù)學(xué)體系巨大的轉(zhuǎn)變都經(jīng)歷了復(fù)雜抽象的創(chuàng)新過(guò)程，不可能通過(guò)計(jì)算機(jī)的有限步運(yùn)算模擬。經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)用字母表示數(shù)，幾何證明的入門階段總是遇到一些困難，這也說(shuō)明了抽象思維和邏輯思維的復(fù)雜性。徐利治先生在《數(shù)學(xué)與思維》一書中詳盡地闡述了數(shù)學(xué)與左腦思維和右腦思維的關(guān)系，他指出人的左半腦主要擔(dān)負(fù)邏輯分析和推理的任務(wù)，右半腦主要擔(dān)負(fù)形象思維和審美的任務(wù)。過(guò)去人們常常強(qiáng)調(diào)的數(shù)學(xué)思維的抽象性和邏輯性是同左半腦的思維功能聯(lián)系的，而數(shù)學(xué)思維具有的“實(shí)驗(yàn)、猜測(cè)、想象、直覺、美感”等特點(diǎn)，是與右半腦的思維功能相聯(lián)系的。想象和直覺是學(xué)習(xí)幾何不可或缺的，一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題的解決往往需要先進(jìn)行猜測(cè)，猜想是發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)的重要手段。數(shù)學(xué)思維需要兩個(gè)半腦的相互配合，這是計(jì)算機(jī)難以模擬的。綜上，可以肯定大部分的數(shù)學(xué)思維是ChatGPT當(dāng)前不具備的功能。這樣，我們就比較全面地認(rèn)識(shí)了ChatGPT與人的思考的關(guān)系：一方面ChatGPT的出現(xiàn)確實(shí)標(biāo)志著人工智能的巨大進(jìn)步，在某些方面勝過(guò)了人腦，另外一方面又不能過(guò)分夸大它的作用，它在許多方面還不可能替代人的思考。教師如何應(yīng)對(duì)人工智能的挑戰(zhàn)“未來(lái)已經(jīng)來(lái)臨，只是尚未流行”，以ChatGPT為代表的滾滾而來(lái)的人工智能洪流，引發(fā)了人們強(qiáng)烈的危機(jī)感。我們必須順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，不然就要落伍。中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《全面深化新時(shí)代教師隊(duì)伍建設(shè)改革的意見》中提到“教師主動(dòng)適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革，積極有效開展教育教學(xué)”。過(guò)去講數(shù)學(xué)教師的素養(yǎng)有兩個(gè)重要的方面，一是數(shù)學(xué)學(xué)科本身的素養(yǎng)，一是教學(xué)理論方面的素養(yǎng)?，F(xiàn)在看來(lái)還必須加上一條，即教師應(yīng)具備信息技術(shù)的素養(yǎng)，需要主動(dòng)適應(yīng)人工智能等新技術(shù)變革。教師要有興趣了解人工智能，主動(dòng)學(xué)習(xí)人工智能的有關(guān)知識(shí)，這樣才能既不盲目追趕新技術(shù)，又不拒絕使用新技術(shù)，能與人工智能攜手，并恰當(dāng)?shù)卦诮虒W(xué)中使用新技術(shù)。在中科院第十九次院士大會(huì)上譚鐵牛院士的報(bào)告對(duì)人工智能給出了清晰完整的解答。人工智能自1965年提出，其研究的目的是探尋智能的本質(zhì)，研制出具有類人智能的智能機(jī)器。研究?jī)?nèi)容是能夠模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。它的表現(xiàn)形式包括會(huì)看（圖像識(shí)別、文字識(shí)別）、會(huì)聽（語(yǔ)音識(shí)別，機(jī)器翻譯）、會(huì)說(shuō)（語(yǔ)音合成、人機(jī)對(duì)話）、會(huì)動(dòng)（機(jī)器人、無(wú)人機(jī)）、會(huì)思考（人機(jī)對(duì)弈、定理證明，醫(yī)療診斷）和會(huì)學(xué)習(xí)。譚院士認(rèn)為目前專用人工智能取得了突破性的進(jìn)展，但與通用人工智能還存在非常大的差距，所謂專用人工智能是專為某一特定目標(biāo)設(shè)計(jì)的。這里值得一提的是吳文俊院士開創(chuàng)的幾何定理的機(jī)器證明，它開創(chuàng)了在國(guó)際上人工智能用于模擬數(shù)學(xué)思維的先河。隨后則是張景中院士與高小山研究員在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的機(jī)器證明的可視化，設(shè)計(jì)了適用于數(shù)學(xué)教學(xué)的“超級(jí)畫板”和“幾何專家”工具軟件?！俺?jí)畫板”“網(wǎng)絡(luò)畫板”是專為數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)的國(guó)產(chǎn)軟件，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，屬于譚鐵牛院士所說(shuō)的專用人工智能。有一種擔(dān)心認(rèn)為鑒于數(shù)學(xué)學(xué)科抽象和推理的特點(diǎn)，人工智能可能削弱學(xué)生的數(shù)學(xué)思考，但實(shí)際情況并非如此，恰當(dāng)使用技術(shù)應(yīng)能幫助學(xué)生更深刻地理解數(shù)學(xué)。僅舉一例，學(xué)生對(duì)函數(shù)概念的理解從初中到高中要經(jīng)歷一個(gè)逐步深化的過(guò)程。越是抽象的概念越需要豐富直觀的材料作為獲得感性認(rèn)識(shí)的情境引入，隨后提高到深入刻畫函數(shù)概念的形式化表達(dá)。我們?cè)O(shè)計(jì)的課件“怎樣折出的紙盒容積最大”給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了紙盒動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景（圖1），學(xué)生可以觀察隨著正方形紙片剪掉四角的小正方形邊長(zhǎng)的變化折出紙盒大小的變化，從屏幕上不僅能觀察圖形的變化，還可以同時(shí)看到相關(guān)數(shù)據(jù)的變化。單憑教師的口頭講授或?qū)嵨镅菔臼沁_(dá)不到數(shù)形結(jié)合的動(dòng)態(tài)效果的，目前ChatGPT也沒有這一功能。圖1

紙盒動(dòng)態(tài)變化課件到了高中在引入函數(shù)符號(hào)之后，學(xué)生還可以自己在計(jì)算機(jī)上動(dòng)手操作加深對(duì)函數(shù)概念的理解。例如，鍵入f（x）（x^2+2*x-3;）回車，這時(shí)計(jì)算機(jī)就已經(jīng)知道了函數(shù)f（x）的對(duì)應(yīng)法則，隨后不管鍵入的是數(shù)字還是字母，計(jì)算機(jī)都能馬上得出對(duì)應(yīng)的數(shù)字和字母。還可以定義另外一個(gè)函數(shù)g（x）進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，如探究f（g（x））和g（f（x））的意義，f（g（x））和g（f（x））是否相等，此刻學(xué)生的學(xué)習(xí)方式發(fā)生了變化，他們不再是聽教師講接受知識(shí)，而是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、探索主動(dòng)獲得知識(shí)，從而加深了對(duì)函數(shù)概念的理解。類似地，關(guān)于函數(shù)的單調(diào)性教學(xué)，動(dòng)態(tài)課件也有助于學(xué)生更深刻理解抽象的概念。還有更多的教學(xué)案例，鑒于篇幅這里不一一贅敘?？梢哉f(shuō)，技術(shù)的引入極大改進(jìn)了傳統(tǒng)的函數(shù)教學(xué)。目前，國(guó)內(nèi)不少數(shù)學(xué)教師已經(jīng)將其用于教學(xué)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了良好的效果。我們建議將其推廣，作為我國(guó)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要內(nèi)容。人工智能并非那么神秘高深莫測(cè)，教師擁抱人工智能不必等待未來(lái)通用人工智能的出現(xiàn)，從現(xiàn)在就可以開始嘗試把一些專用人工智能的技術(shù)用于教學(xué)中。數(shù)學(xué)教育技術(shù)對(duì)改進(jìn)當(dāng)前的數(shù)學(xué)教學(xué)具有現(xiàn)實(shí)意義，我們可以以此為抓手推進(jìn)數(shù)學(xué)教育的變革。ChatGPT是個(gè)新生事物，對(duì)它在教學(xué)中如何應(yīng)用我們目前尚無(wú)體驗(yàn)。有專家稱可以用它幫助教師生成教案，筆者主觀地認(rèn)為教師鉆研教材、研究學(xué)情是不可能用它替代的，不過(guò)可以嘗試借助它海量的資源庫(kù)幫助教師備課，如把一些數(shù)學(xué)文化的內(nèi)容引入教學(xué)?？傊?，面對(duì)滾滾而來(lái)的人工智能洪流，教師的態(tài)度應(yīng)該是積極的，在人工智能的背景下從備課、課堂教學(xué)、課外活動(dòng)、教學(xué)科研等方面加速教師的角色轉(zhuǎn)型。促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與教學(xué)資源的數(shù)字化轉(zhuǎn)型ChatGPT對(duì)人們的一個(gè)啟示是學(xué)習(xí)方式的多元化和個(gè)別化，ChatGPT無(wú)疑開辟了一個(gè)新的學(xué)習(xí)通道。它促使我們思考如何隨著技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和習(xí)慣是當(dāng)務(wù)之急，它關(guān)系到學(xué)生的未來(lái)發(fā)展。主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)很重要，沒有這種意識(shí)和學(xué)習(xí)的渴望再先進(jìn)的數(shù)字化教育教學(xué)環(huán)境都是無(wú)用的，ChatGPT還可能助長(zhǎng)學(xué)生的抄襲，懶于思考。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣和能力，應(yīng)從狠抓閱讀做起。當(dāng)前學(xué)生習(xí)慣于上課聽講的接受式學(xué)習(xí)。一些課堂上還有“滿堂灌”的現(xiàn)象，我們?cè)O(shè)想課堂能否留出1/3以上的時(shí)間讓學(xué)生閱讀課本自學(xué)，當(dāng)然這不是放任自流，教師需要組織和適時(shí)指導(dǎo)，逐漸使閱讀成為學(xué)生的一種習(xí)慣，成為自主學(xué)習(xí)的重要途徑。有了網(wǎng)絡(luò)，教師還需要指導(dǎo)學(xué)生有效的網(wǎng)上閱讀，把線上與線下閱讀結(jié)合起來(lái)。閱讀是當(dāng)前學(xué)校教育的短板，數(shù)學(xué)閱讀更為甚之，這是由數(shù)學(xué)學(xué)科抽象和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科特點(diǎn)決定的。數(shù)字化教育面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是改造教材，一直以來(lái)教材都是紙質(zhì)的教科書，它呈現(xiàn)的主要是文字，不可能呈現(xiàn)動(dòng)畫、音頻和視頻，而這些對(duì)于加深數(shù)學(xué)理解卻是必要的，這說(shuō)明紙質(zhì)的數(shù)學(xué)教材需要“立體化”，需要用一些課件作為補(bǔ)充。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和移動(dòng)通訊設(shè)備的普及，紙質(zhì)的書籍可借助背后的網(wǎng)絡(luò)支撐，充分利用網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)字化資源。對(duì)此我們進(jìn)行了探索，在2022年出版的《少年數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)（第2版）》的正文中間加印了二維碼，閱讀本書的同時(shí)通過(guò)掃碼即可在手機(jī)或平板電腦上得到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)課件。我們?cè)O(shè)想數(shù)學(xué)教科書和數(shù)學(xué)讀物是否可以借鑒這種需要網(wǎng)站支持的模式出版。這樣一來(lái)，學(xué)生的數(shù)學(xué)閱讀將會(huì)變得更加有趣，內(nèi)容愈加豐富，線上與線下結(jié)合學(xué)習(xí)更加有效，更利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。當(dāng)然，個(gè)別化學(xué)習(xí)的一個(gè)重要問(wèn)題還有待于深入研究，即數(shù)字化能否提供及時(shí)的反饋功能。學(xué)生能通過(guò)二維碼提問(wèn)及時(shí)獲得幫助，通過(guò)掃描上傳作業(yè)及時(shí)獲得智能機(jī)器的批改與點(diǎn)評(píng)。我們滿懷信心期待有專門服務(wù)于數(shù)學(xué)教育的ChatGPT面市，也許我們的期待不久將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)吧。ChatGPT能激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能的好奇與興趣，而人工智能的背后是數(shù)學(xué)的支撐，人工智能時(shí)代對(duì)數(shù)學(xué)人才的急需將成為激發(fā)學(xué)生學(xué)好數(shù)學(xué)的強(qiáng)大動(dòng)力。促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和個(gè)別化要關(guān)注激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇。當(dāng)前這方面我們做得還很不夠。失去興趣，自然失去好奇心，也就無(wú)所謂問(wèn)題意識(shí)。學(xué)生負(fù)擔(dān)過(guò)重自然失去興趣，死記