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        人工智能與學科教學有機融合的挑戰(zhàn)
        ——以物理學增強現(xiàn)實App教學應用為例

        2021-07-14 08:03:26劉晉陽
        江蘇教育 2021年17期
        關鍵詞:學科實驗教師

        汪 瓊 劉晉陽

        當下,各級各類學校在人工智能智慧示范校建設中普遍反映,最難的問題是如何將人工智能技術與學科教學有機融合。學科教學中人工智能技術常以App形式出現(xiàn),教師在將這些App應用到教學中時主要有三個困難:一是沒時間去發(fā)現(xiàn)教學中可利用的App;二是沒有信心學會使用并在教學中有效駕馭App;三是認為學校缺乏足夠數(shù)量的設備,不具備開展相關教學的條件。要解決這三個問題,就需要更多的校內外智力資源的合作,這包括篩選推薦教學中可用的智能App資源、開展學習App及應用App等方面的教師培訓、共同開發(fā)使用人工智能開展學科教學的教案、提供學生可操作的活動指南、分享教學經(jīng)驗等。此外,信息技術與學科教學融合的教學改革,因為技術更新發(fā)展迅速,尤其需要建立實踐共同體。

        為了更準確地了解一線教師對智能App的態(tài)度和教學應用中存在的挑戰(zhàn),我們調研了中小學自然科學學科中基于移動設備端的增強現(xiàn)實教學應用(英文簡稱ARAPP)市場,發(fā)現(xiàn)物理學科教學ARAPP最多,基本可以滿足教學需求。在調研的基礎上,選取了五種物理學ARAPP進行了線上教師培訓,根據(jù)參訓者的反饋以及提交的基于ARAPP開展教學的教案設計稿,總結出中小學教師使用ARAPP面臨的挑戰(zhàn)和教學顧慮。本文介紹了項目的研究發(fā)現(xiàn),希望這些發(fā)現(xiàn)可以幫助廣大一線教師反思智能互聯(lián)技術進入學校面臨的挑戰(zhàn),深刻理解智能技術教學應用所帶來的觀念沖擊。

        之所以選擇ARAPP是因為實驗教學是中小學自然科學類課程的重要組成部分,在培養(yǎng)學生觀察能力、動手實踐能力、創(chuàng)造性思維能力和團隊合作能力等方面都發(fā)揮著重要作用,但當下許多中小學實驗教學的開展狀況卻與新課標要求嚴重脫節(jié)。以化學學科為例,華東地區(qū)絕大多數(shù)中小學學生實驗開設數(shù)量未能達到新課標的要求,僅有11%的學校擁有正規(guī)的、每學期更新的實驗室,超過20%的學校沒有配備專門的實驗員,許多實驗由于缺少儀器設備而無法開展。此外,自然科學教學中對實驗內容的潛在需求遠遠大于課程標準所提供的教學實驗內容,傳統(tǒng)實驗設計往往受制于以下幾個方面而無法在課堂教學活動中廣泛開展:高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆操作、受時間地點人力財力等的制約。例如普通高中物理電學部分有關高壓電網(wǎng)的相關內容就涉及高危環(huán)境,幾乎不可能帶領學生進行現(xiàn)場學習;電場與磁場中的電場線、磁感線都是不可見的,動物、人體的解剖是不可逆的;化學中的核磁共振儀器昂貴,常規(guī)中小學幾乎不可能配備此類設備,也不可能使用離子加速器觀察帶電微粒的運動。目前中小學的自然科學教學中,上述內容幾乎無法進行課堂展示。增強現(xiàn)實(Augmented Reality,簡稱AR)技術能夠使得學習者在現(xiàn)實環(huán)境中看到虛擬對象并與之進行交互,相較于VR教學,具有不眩暈、視力損傷小、成本較低、不需要建設專門的實驗室等優(yōu)點。目前,因為不再需要如Billinghurst的頭戴式設備以及AR工作臺、AR眼鏡等獨立設備,僅使用移動設備即可在教學過程中使用AR技術,ARAPP在中小學自然科學教育場景中表現(xiàn)出良好的應用前景。

        一、如何發(fā)現(xiàn)可用的ARAPP

        本研究的第一步聚焦于調研教學中可用的增強現(xiàn)實應用,了解現(xiàn)有AR APP的學科覆蓋面和質量,估算實施教學的成本。通過體會一線教師尋找可用APP的工作量,也可以初步推測ARAPP應用離中國的教室還有多遠。了解和發(fā)現(xiàn)教學可用的ARAPP的方法與查找文獻資料類似,比如,我們以“AR/reality/virtual”等技術關鍵詞、“科學/science”“物理/Physics”“化學/chemistry”等學科關鍵詞以及學科內各主題關鍵詞(如“分子/molecule”“力學/mechanics”“生態(tài)學/ecology”等)在應用市場、搜索引擎以及其他網(wǎng)站進行檢索,就可以發(fā)現(xiàn)許多中小學教學可用的ARAPP。

        綜合比較發(fā)現(xiàn),物理學科的ARAPP所涵蓋的主題更為廣泛,能夠覆蓋IB物理課程(IB課程即國際文憑組織IBO為全球學生開設的從幼兒園到大學預科的課程)體系中89%的學時,包括經(jīng)典力學、天體力學、電磁學、微觀粒子等多個主題,只有少數(shù)內容如能量傳遞、相對論、熱學與光學等內容尚無成熟可用的App上線(詳見下頁表1)。

        相對來說,蘋果IOS系統(tǒng)平板電腦上可以用于教學的ARAPP要比安卓系統(tǒng)多一些,英文版的可以用于教學的ARAPP也多于中文版。此外,不少ARAPP對IOS有高版本要求,需要更新設備。因此,語言要求和裝備升級可能是教師在開始準備使用智能教學App應用時就面臨的兩大挑戰(zhàn)。下頁表1中羅列的是目前我們挑選出來的免費的或低價的但是質量還不錯的物理學科App。相對來說,收費的App界面更加美觀,功能也會更多,但是這也意味著學校需要有更多的有關師生軟件使用方面的資金投入。

        表1 基于IOS系統(tǒng)的高中物理各教學主題ARAPP統(tǒng)計表

        對于ARAPP的教學質量,可以通過其簡介和用戶親身使用體驗等方面做出判斷。從參與項目的四十多名教師的反饋中可看出,他們基本都能夠自行安裝App并進行初步的功能探索,但是深度挖掘App功能就比較吃力。如果能夠有專業(yè)人士深度探索后撰寫攻略,就能夠有效推動教學應用。比如,在我們通過線上培訓和學員手冊詳細地介紹了某個App的功能后,學員提交的教學案例設計就會更加多樣化。

        綜上所述,市場上現(xiàn)有App種類的限制、運行平臺和語言的約束、教學經(jīng)費以及教師摸索時間的制約等都可能影響教師在學科教學中使用ARAPP的積極性和效率。

        二、如何深度了解App功能以便在教學中充分應用

        目前智能App不只是出現(xiàn)在教師的教學展示環(huán)節(jié),在實驗環(huán)節(jié)的應用也越來越多。以物理學為例,從目前調研的App來看,可以將AR教學應用按功能歸為三類:測量工具類、模型演示類和實驗操作類。

        測量工具類應用通過AR技術來測量和呈現(xiàn)真實物理環(huán)境中的長度、磁感應強度等物理量,如Shape 3D、Physics Toolbox Sensor Suite等。此類應用能夠幫助師生更方便地測量在真實物理環(huán)境下難以通過常規(guī)手段測定與表示的物理量,例如一座樓的尺寸、通電導線周圍的磁場分布狀況等。

        模型演示類應用使用AR技術在真實空間中呈現(xiàn)精細的立體模型或動畫演示,如ARious中展示的物理學經(jīng)典實驗所用的設備、AR小學科學中呈現(xiàn)的登月動畫等。AR能夠呈現(xiàn)常規(guī)條件下由于時間、空間、財力、安全等因素而難以展示的物理模型,同時依托于真實的物理情境,使學習者學習過程中以熟悉的物理環(huán)境、身體的感官與運動為基礎,能夠更好地強化其認知。

        實驗操作類應用則是在模型演示類應用的基礎上,增加了實驗設計與操作等人機交互功能,使得師生能夠通過放置模型、調整參數(shù)等方式進行擁有一定自由度的科學實驗。除具備模型演示類應用的優(yōu)勢外,AR模擬實驗還能夠支持在教室中開展涉及高?;驑O端環(huán)境、不可及或不可逆操作以及受時間地點人力財力制約的自然科學實驗(如“觀察”三維空間中的磁場、高壓電網(wǎng)的演示與實驗、動物解剖、涉及微觀粒子的各類實驗等)。

        不同類型的ARAPP可以應用于教學的不同階段。本研究的第二步是希望了解一線教師對于這些ARAPP教學應用的興趣、學習速度和由此激發(fā)的教學創(chuàng)作情況。為此,我們準備了詳細的工作坊學員手冊,包括經(jīng)過挑選的五種ARAPP的功能介紹和使用說明以及國內外使用這五種App開展教學的教案樣例。在線上工作坊實時教學環(huán)節(jié),還會演示每個App的操作流程,點評國外教學案例的設計思路。在學習使用ARAPP的過程中,教師表示他們遇到的挑戰(zhàn)是:即使有詳細的培訓資料和解說,在進行觀測和探索之前,還需要花費許多精力先學會在移動設備中操作這一AR應用,特別是一些參數(shù)設定與手勢操作較為復雜的應用。例如在“物理實驗室AR”一課中進行天體力學實驗,需要設置天體的質量、半徑、初速度的大小和方向等多種變量,還需要通過不同的視角和手勢放置天體,這需要教師做好花時間學習使用移動設備的思想準備。

        我們希望從教師們提交的教案設計稿中看出教師們對于工作坊推薦的ARAPP在教學中可以用在哪些內容教學中的思考,以及學生在學習中可能存在問題的預設。但是從教師提供的教案來看,大多數(shù)教案設計只是對現(xiàn)有教學活動做了工具替換,很少有創(chuàng)新的活動設計,這可能是因為參與項目的教師沒有足夠時間深入摸索這幾個ARAPP的功能所致。這也從另一方面說明教師在規(guī)劃ARAPP教學應用時所需要的支持,即需要配套的理論模型解釋和詳細的實驗步驟設計,以增進和加快其對ARAPP的深度了解,在此基礎上才有可能設計出充分利用App的教學活動。

        目前的AR教學應用大多只能允許學習者在設定好的范圍內活動,或者通過設定好的方式進行互動,難以發(fā)揮師生教學過程中的創(chuàng)造力。部分教師希望在教學過程中針對教學內容做出一些改動、增減一些內容或是添加一些簡單的功能,但囿于應用本身的自由度以及技術手段的限制而難以實現(xiàn)。這也要求教師在采用現(xiàn)有App教學時要具備因地制宜的教學創(chuàng)新能力。

        三、如何看待AR技術的局限與價值

        問卷調查結果顯示,項目參與教師對于在教學中采用ARAPP存在顧慮。比如,引入ARAPP可能會為課堂管理帶來新的挑戰(zhàn)。一方面,師生需要時間學會操作App,這可能會占據(jù)更多本就十分緊張的課堂時間,對按時完成教學任務造成干擾;另一方面,AR技術具備較強的新奇性,在吸引學生興趣的同時也可能分散學生的注意力,學生使用AR設備參與教學活動時可能會偏離教師的建議,甚至可能在教師講課時被設備吸引,如何管理學生并恰當?shù)厥褂迷O備是許多教師擔心的問題。

        針對這些問題,有教師建議,將此類活動移至線下,作為學生的探索活動,或是通過加入技術助教、采取適當?shù)膱F隊合作機制等方式來應對上述挑戰(zhàn)。其實,這個問題本質是智能互聯(lián)技術進入學科教學后,可能會帶來學科教學內容及教學組織結構的變化,表現(xiàn)在要打破空間、時間限制,將“不可見”變?yōu)椤翱梢姟保屩R的習得從教師的講授轉變?yōu)閷W生的動手發(fā)現(xiàn)。這對許多教師來說是一個挑戰(zhàn)。

        打破空間限制主要體現(xiàn)為兩個方面:一方面是打破教室空間的限制,借助AR技術,師生就可以在講臺上考察一片區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)、在桌面上觀察月球車登月、在教室里看到整個太陽系;另一方面是打破人類觀察尺度的限制,利用AR技術,師生可以將觀察范圍擴大到微觀、宏觀等各個尺度,學生可以測量一棟樓的尺寸,可以站在太陽系之外觀察行星的運動規(guī)律,也可以進入原子內部探索微觀粒子的結構。

        打破時間制約是未來各級各類學校采用智能技術教學大有可為的創(chuàng)新點,這里的時間限制體現(xiàn)為多個方面。一是歷史回溯,即通過AR再現(xiàn)物理學家們的經(jīng)典實驗,其中許多實驗設備已經(jīng)很難用今天常見的裝置還原;二是實現(xiàn)時間可控,許多物理現(xiàn)象發(fā)生在瞬間(如自由落體)或是經(jīng)歷漫長的時間(如行星運動),借助虛擬實驗則能夠觀察系統(tǒng)的瞬態(tài)或是加快時間的流動;三是呈現(xiàn)“可逆過程”,如隨著解剖的進行,樣本逐漸被分解而無法還原,這是“不可逆”的過程,虛擬實驗則能夠實現(xiàn)“可逆”的解剖,幫助師生反復觀察與探索。

        AR技術還可以將“不可見”變?yōu)椤翱梢姟?,將不可見的磁場、電場、電流、運動軌跡與微觀粒子等轉化為現(xiàn)實空間中可見的形態(tài),為不可見與難以觀察的現(xiàn)象提供理想的呈現(xiàn)方式,以促進學生對抽象概念的理解。有別于傳統(tǒng)使用掛圖、計算機軟件、教學模型等間接的呈現(xiàn)方式,AR能夠借助物理傳感器與空間定位技術,幫助學習者直觀地看到真實空間中原本看不到或是難以觀察到的物理量,這是目前使用其他技術難以做到的,這也將是自然科學學科教學過程中ARAPP的主要結合點。

        此外,在教學中結合AR實驗也能夠幫助學生通過探索來拓展認知邊界。例如,當天體的質量很大、很小、速度很快的時候會如何?幫助學生探索與發(fā)現(xiàn)新的科學問題。與其他類型的虛擬實驗相比,AR與操作性任務結合也有助于提升學習者的操作體驗。這種拓展性學習探索,會增進學生對學科基礎原理和研究方法的認識。

        經(jīng)過兩期線上工作坊實施前后的調研和交流,我們對人工智能技術進入學科教學的現(xiàn)狀和師生面臨的挑戰(zhàn)有了更直接的體會和認識。總體來說,雖然各級教育部門和學校都在推動人工智能技術的教育應用,但是目前可用的人工智能學科教學產(chǎn)品十分有限,特別是中文版或國產(chǎn)化的智能教學應用。一些條件較好的學校已經(jīng)有教師在教學中使用智能App,但多是淺嘗輒止,并沒有變成系統(tǒng)化、規(guī)范化的教學行為。而要建立真正的人工智能教育示范校,除了裝備軟硬件教學資源外,更重要的是幫助教師進行觀念、理念、方法和技術等多方面的準備。有效應用進入學校的智能技術,需要打破現(xiàn)有的教學組織過程和教學管理思路,需要創(chuàng)新教學觀念和對學科知識本質規(guī)律的深刻理解。

        具體到AR技術的教學應用,如果只是教師在課堂上的講解演示,緊迫性并不強,但是如果要利用這個技術增進學生對實驗科學的認識,就非常有必要。2019年11月教育部發(fā)布了《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》,其中特別指出要“促進傳統(tǒng)實驗教學與現(xiàn)代新興科技有機融合,切實增強實驗教學的趣味性和吸引力,提高實驗教學質量和效果。對于因受時空限制而在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程以及有危險性、破壞性和對環(huán)境有危害的實驗,可用增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等技術手段呈現(xiàn)。”目前國內中小學階段具備AR教學實踐條件的學校多集中于配備移動設備的民辦學校、國際學校以及部分條件較好的公立學校,AR教學應用尚處于起步階段。

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