陳霖濤 陸建隆
(南京師范大學(xué) 教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210023)
伴隨著數(shù)智時(shí)代的來臨,以大數(shù)據(jù)和人工智能為核心的智能技術(shù)集群發(fā)展,支撐并加速了教學(xué)范式走向智能化、協(xié)同化、精準(zhǔn)化,技術(shù)融入教學(xué)成為未來教育的發(fā)展趨勢(shì)。人機(jī)協(xié)同是人工智能與教育走向深度融合的應(yīng)然形態(tài),國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)其教學(xué)樣態(tài)、模型建構(gòu)、人機(jī)關(guān)系等開展探索,但指導(dǎo)教師教學(xué)實(shí)踐的學(xué)科化人機(jī)協(xié)同工作模式和實(shí)踐案例研究還很少。
物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也是物理教學(xué)改革的重中之重。由于受到教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)等方面問題的影響,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況不容樂觀。本文通過將智能測(cè)評(píng)技術(shù)引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,構(gòu)建技術(shù)融合的智慧化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境,探索人機(jī)協(xié)同機(jī)制下的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型,以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、實(shí)踐性和指導(dǎo)性,促進(jìn)教師的精準(zhǔn)教學(xué)和學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。
實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)是一種注重實(shí)踐和問題解決的綜合能力體現(xiàn),是學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分,主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。本研究以普通中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)為學(xué)科依據(jù),以實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)為價(jià)值取向,以人機(jī)協(xié)同理念為指導(dǎo),借助人工智能技術(shù),從教學(xué)的頂層設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)維度來構(gòu)建人機(jī)協(xié)同支持下的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型,旨在探索一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型來促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提升。
在傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂上,實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)為單線程活動(dòng),監(jiān)督機(jī)制不完善,評(píng)價(jià)反饋明顯滯后,其教學(xué)模型如圖1 所示。受師資力量不足、課堂教學(xué)時(shí)間有限等因素影響,教師僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)少數(shù)學(xué)生的實(shí)踐指導(dǎo),班級(jí)診斷更多依賴于重復(fù)的課堂巡視和過去教學(xué)經(jīng)驗(yàn)累積,難以準(zhǔn)確掌握班級(jí)實(shí)際學(xué)情;學(xué)生缺乏過程性反饋,實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程單向變換,視實(shí)驗(yàn)結(jié)果與猜測(cè)是否相符為實(shí)踐成效的唯一評(píng)價(jià),忽略了對(duì)實(shí)踐過程本身的反思與矯正。
圖1 傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型
在借鑒王良輝等提出的人機(jī)協(xié)同下智能教育運(yùn)行機(jī)制基礎(chǔ)上,本研究提出基于人機(jī)協(xié)同的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型,旨在強(qiáng)調(diào)技術(shù)在探索和實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)過程中的協(xié)同作用,輔助師生之間觀察反思和持續(xù)地矯正,如圖2 所示。智能元素融入的課堂學(xué)習(xí)環(huán)境下,技術(shù)與教學(xué)各要素之間的協(xié)作更加錯(cuò)綜復(fù)雜。機(jī)器根據(jù)內(nèi)嵌的實(shí)驗(yàn)操作評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)操作信息的采集存儲(chǔ),同時(shí)借助云計(jì)算等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)分析挖掘,生成實(shí)驗(yàn)操作的形成性評(píng)價(jià)反饋師生;學(xué)生直觀發(fā)現(xiàn)實(shí)踐過程的薄弱環(huán)節(jié),輔以查找資料、求教師生等途徑明確矯正方法,在持續(xù)實(shí)踐中建立“評(píng)價(jià)—反饋—矯正”的內(nèi)循環(huán)機(jī)制;教師在數(shù)據(jù)反饋中快速了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、成績(jī)分布等基本情況,在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中進(jìn)一步明確班級(jí)的共性問題與顯著性問題,在學(xué)生反饋中解讀個(gè)性問題,發(fā)現(xiàn)潛在性問題,進(jìn)而反思實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況,適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,生成針對(duì)性的教學(xué)決策。
圖2 基于人機(jī)協(xié)同的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型
在人際協(xié)同實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型中,實(shí)驗(yàn)操作評(píng)價(jià)體系是學(xué)生實(shí)踐操作、教師評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)智能診斷的標(biāo)準(zhǔn),是實(shí)現(xiàn)人機(jī)合作、交流溝通的橋梁。學(xué)生以評(píng)價(jià)體系制定實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)施,再由評(píng)價(jià)表現(xiàn)改進(jìn)自己的實(shí)驗(yàn)操作;教師以評(píng)價(jià)指標(biāo)為設(shè)計(jì)指導(dǎo),實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué);計(jì)算機(jī)依據(jù)評(píng)價(jià)項(xiàng)目快速評(píng)閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作并反饋成績(jī)?cè)\斷。
參考有關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ρ憩F(xiàn)性評(píng)價(jià)研究成果,結(jié)合物理課程要求,構(gòu)建了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)操作評(píng)分體系,如圖3 所示。中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)操作評(píng)價(jià)體系包含了四個(gè)維度,依照操作程序依次為“使用器材”“組裝器材”“展示操作”“安全意識(shí)”,從前向后采用“a1—a4”進(jìn)行編碼?!癮1 使用器材”和“a4 安全意識(shí)”屬于對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體系的基本認(rèn)識(shí),“a2 組裝器材”考查學(xué)生對(duì)專題實(shí)驗(yàn)的理解與推理分析,“a3 展示操作”考查學(xué)生的操作能力和數(shù)據(jù)分析處理能力。該評(píng)價(jià)體系遵循發(fā)展性、可行性、可評(píng)價(jià)性等原則,通過舍棄一些次要因素的影響,重點(diǎn)關(guān)注能被觀察的外顯性操作行為,更追求學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的效用、效能和效率。
圖3 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)操作評(píng)價(jià)體系
在人機(jī)協(xié)同理念指導(dǎo)下,結(jié)合已有研究基礎(chǔ)上加以改造得到如圖4 所示的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施流程。該流程秉承“技術(shù)融合 協(xié)同作業(yè)”原則,虛擬平臺(tái)的出現(xiàn),以人機(jī)交互形式延伸課堂教學(xué)的時(shí)空;AI(人工智能)測(cè)評(píng)的應(yīng)用,以認(rèn)知協(xié)同形式助力教師全面了解班級(jí)學(xué)情,以智能診斷形式幫助學(xué)生快速定位學(xué)習(xí)薄弱點(diǎn)。在人機(jī)協(xié)同的支持下,中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程可分為“預(yù)習(xí)與設(shè)計(jì)”“實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)”“分析與干預(yù)”三個(gè)階段,筆者以探究凸透鏡成像規(guī)律為例展開討論。
圖4 人機(jī)協(xié)同下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施流程
在技術(shù)融合的課堂中,全媒體技術(shù)的創(chuàng)新賦能極大拓展了課堂的學(xué)習(xí)時(shí)空,也為“方案制訂”環(huán)節(jié)前置的實(shí)現(xiàn)提供了服務(wù)支撐。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下,學(xué)生可根據(jù)學(xué)習(xí)需求對(duì)微課資源進(jìn)行研究性學(xué)習(xí),進(jìn)而為實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)搭建認(rèn)知支架。虛擬平臺(tái)也為實(shí)驗(yàn)方案的上交與評(píng)價(jià)提供了極大的便捷,數(shù)字化傳輸?shù)难杆倌軌驇椭處熂皶r(shí)審視并反饋給學(xué)生,促使“方案設(shè)計(jì)”的翻轉(zhuǎn)前置真正地落地。
探究凸透鏡成像規(guī)律是初中學(xué)段實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重難點(diǎn),成因之一便是其概念與實(shí)踐操作相對(duì)繁雜,高度密集的知識(shí)易導(dǎo)致學(xué)生大腦認(rèn)知過載。為此,教師可嘗試將部分授課知識(shí)和方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)前置。具體而言,教師有針對(duì)性地選擇與實(shí)驗(yàn)操作有關(guān)的資料拍攝成微課,資料內(nèi)容涵蓋如何規(guī)范使用光具座、凸透鏡,如何調(diào)整才能確定像的位置,如何觀測(cè)虛像,如何使凸透鏡中心、像屏中心和光源中心保持同一高度等,通過教師端上傳至教學(xué)平臺(tái),協(xié)助學(xué)生全面了解實(shí)踐的規(guī)范操作的同時(shí),為學(xué)生方案設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。考慮到實(shí)踐對(duì)象剛接觸物理,僅憑微課學(xué)習(xí)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有困難,教師需要充分介入以提供支架指導(dǎo),虛擬數(shù)字空間則為教師的指導(dǎo)介入提供了適宜的應(yīng)用載體。教師通過系統(tǒng)平臺(tái)的社交功能,既可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)反饋,也便于適時(shí)上傳學(xué)習(xí)資料以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,如部分學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的框架認(rèn)知模糊,苦于無從下手,教師可共享實(shí)驗(yàn)操作評(píng)價(jià)要求,并以此為框架引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容,填充具體的實(shí)驗(yàn)步驟。
反饋迅速是人機(jī)協(xié)同教學(xué)的重要特征,也是評(píng)價(jià)反饋與矯正學(xué)習(xí)的機(jī)制基礎(chǔ)。借助AI 測(cè)評(píng)可以快速診斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的偏差與錯(cuò)誤,促使學(xué)生深度挖掘和整理實(shí)踐過程,在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)階段外,生成行為矯正的學(xué)習(xí)機(jī)制,給予學(xué)生“第二次實(shí)踐機(jī)會(huì)”。“評(píng)價(jià)—反饋—矯正”構(gòu)成人機(jī)協(xié)同下學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的內(nèi)循環(huán),使外在的評(píng)價(jià)成為真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐素養(yǎng)發(fā)展的調(diào)控手段。
在凸透鏡成像規(guī)律的探究過程,要注意充分發(fā)揮形成性評(píng)價(jià)的導(dǎo)向作用,通過AI 模型數(shù)據(jù)和算法軟件,對(duì)檢查器材是否齊全、調(diào)節(jié)光源位置、觀測(cè)所成虛像等實(shí)驗(yàn)動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)價(jià)和反饋,學(xué)生由查找資料、求教同學(xué)等途徑明確糾錯(cuò)方案,在重復(fù)實(shí)踐中不斷矯正操作方式并提高操作技能,旨在引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作,使學(xué)生扭轉(zhuǎn)結(jié)論導(dǎo)向的“正確”實(shí)驗(yàn),轉(zhuǎn)而關(guān)注過程導(dǎo)向的“矯正”實(shí)驗(yàn)。在實(shí)踐反思中,學(xué)生需將商討后仍具有爭(zhēng)議性的問題及時(shí)上傳至平臺(tái),如旋轉(zhuǎn)凸透鏡像的大小發(fā)生變化、對(duì)換物距像距后成像性質(zhì)與換前相反、物距不變時(shí)成像隨凸透鏡焦距增大而增大等,通過教師的個(gè)性化指導(dǎo)完成對(duì)該部分內(nèi)容認(rèn)知的反饋矯正。
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的決策生成僅停留在行為觀察、教師經(jīng)驗(yàn)等主觀判斷上,缺乏全面數(shù)據(jù)支持,而AI 支持的教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用正好可以彌補(bǔ)這一不足。在智能教學(xué)環(huán)境中,能否有效運(yùn)用數(shù)據(jù)將對(duì)教師的教學(xué)決策產(chǎn)生決定性的影響。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)與交流討論后,平臺(tái)快速計(jì)算分析出班級(jí)實(shí)驗(yàn)操作成績(jī),教師根據(jù)系統(tǒng)反饋的診斷報(bào)告與學(xué)生上傳的爭(zhēng)議問題,重點(diǎn)關(guān)注群體存在的普遍性問題,靈活調(diào)整教學(xué)策略為學(xué)生搭建腳手架,設(shè)計(jì)針對(duì)性活動(dòng)來幫助學(xué)生內(nèi)化知識(shí)。
在物理實(shí)驗(yàn)學(xué)情分析中,教師依據(jù)AI 測(cè)評(píng)系統(tǒng)可智能分析班級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作得分情況,了解班級(jí)實(shí)踐的整體達(dá)標(biāo)率,進(jìn)而發(fā)掘?qū)W生學(xué)習(xí)過程中存在的顯著問題,如部分學(xué)生不懂如何觀測(cè)呈正立放大的虛像,便是在“展示操作”維度相對(duì)薄弱。針對(duì)此共性問題,教師可選取案例中典型的實(shí)驗(yàn)視頻,拖動(dòng)進(jìn)度條讓學(xué)生反復(fù)觀察其觀測(cè)動(dòng)作,并將該視頻與微課進(jìn)行對(duì)比,幫助學(xué)生深化對(duì)虛像觀測(cè)內(nèi)容的印象與理解。面對(duì)學(xué)生經(jīng)交流討論環(huán)節(jié)上傳的爭(zhēng)議性問題,如相同物距像距相異、凸透鏡半遮成像僅變暗等,教師需要給予足夠重視,解讀其內(nèi)隱的有關(guān)思維認(rèn)知、操作規(guī)范等方面的問題,引導(dǎo)學(xué)生從光路角度出發(fā)分析問題,適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)理論基礎(chǔ)的講解與練習(xí)。在課后干預(yù)環(huán)節(jié),教師可依據(jù)課堂問題診斷結(jié)果調(diào)整作業(yè)資源,為學(xué)生提供精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)路徑,制訂進(jìn)一步的學(xué)習(xí)計(jì)劃或方案。
互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能信息技術(shù)的驅(qū)動(dòng),倒逼著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革,極大地改變了教育的時(shí)空邊界和生態(tài)系統(tǒng)。教師必須抓住現(xiàn)代信息技術(shù)給教育領(lǐng)域帶來的機(jī)遇,及時(shí)轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范式。
基于建構(gòu)主義理念的建構(gòu)認(rèn)知范式強(qiáng)調(diào)學(xué)生將技術(shù)作為知識(shí)處理和加工的認(rèn)知工具,在真實(shí)問題的解決過程中內(nèi)化知識(shí)、習(xí)得技能,它以學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)為核心,旨在最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。作為一線中學(xué)教師,應(yīng)意識(shí)到未來課堂根植在智能教學(xué)環(huán)境中,機(jī)器技術(shù)的協(xié)同已被更加廣泛地納入教學(xué)能力體系框架中,人機(jī)共生生態(tài)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)亟待探索。在探索過程中,需要注重技術(shù)的工具屬性,如虛擬現(xiàn)實(shí)仿真預(yù)演實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、DIS 輔助實(shí)驗(yàn)過程數(shù)字化、微課按需學(xué)習(xí)翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)課堂等,借助技術(shù)創(chuàng)建有形的學(xué)習(xí)情境體驗(yàn)。在學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)中,以高清攝像頭、測(cè)評(píng)系統(tǒng)等無形的應(yīng)用場(chǎng)景體驗(yàn)為主,通過高精度的動(dòng)作識(shí)別輔助教師進(jìn)行智能化測(cè)評(píng),可為學(xué)生提供個(gè)性化反饋,明晰其在實(shí)踐層面上的優(yōu)勢(shì)與短板,促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí);也可幫助教師實(shí)時(shí)地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài),以便調(diào)整教學(xué)決策。因此,在協(xié)同化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師需要充分發(fā)揮技術(shù)的工具屬性,把增能和賦能的人工智能技術(shù)與教學(xué)活動(dòng)相融合,設(shè)計(jì)適宜學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的活動(dòng)。
首先,全媒體技術(shù)的賦能使得教學(xué)內(nèi)容前置更易發(fā)生,學(xué)生可借助微課資源開展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的自主探究。微視頻作為微課的核心,其設(shè)計(jì)應(yīng)有的放矢,遵循針對(duì)性、精簡(jiǎn)化、系統(tǒng)化原則,從內(nèi)容上可分為基礎(chǔ)性、專題性、實(shí)踐性三種類型:基礎(chǔ)性資源包括儀器介紹、安全知識(shí)、讀數(shù)規(guī)則等;專題性資源包括實(shí)驗(yàn)介紹、原理講解、實(shí)驗(yàn)方案等;實(shí)踐性資源包含實(shí)驗(yàn)演示、儀器使用、常見錯(cuò)誤等,為學(xué)生設(shè)計(jì)層面的“證據(jù)”實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)發(fā)展提供有效協(xié)助。
其次,自主探究的每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要教師監(jiān)督與指導(dǎo),是整個(gè)學(xué)習(xí)過程中不可或缺的主線。在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié),教師通過智能移動(dòng)端的社交功能及時(shí)了解各小組情況,對(duì)其交流討論的結(jié)果給予指導(dǎo)幫助;在實(shí)踐操作環(huán)節(jié),源自教師的針對(duì)性反饋能夠促進(jìn)學(xué)生的深入思考,在反思中內(nèi)化實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能,進(jìn)而強(qiáng)化實(shí)踐層面的“證據(jù)”素養(yǎng);在結(jié)論歸納環(huán)節(jié),教師進(jìn)一步匯總各組上傳的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及平臺(tái)內(nèi)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù),借由實(shí)驗(yàn)“大數(shù)據(jù)”提高實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)性與信效度。
人機(jī)協(xié)同的思維方式可以輔助人類突破個(gè)體認(rèn)知的極限,駕馭超越個(gè)體認(rèn)知水平的復(fù)雜情境。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,機(jī)器支持的AI 測(cè)評(píng)可化“不能”為“可能”,于極短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的診斷與反饋,為教師的掌握學(xué)情與學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)提供服務(wù)支撐。但教師對(duì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的理解解讀與AI 是否一致?我們是否忽略了教師的權(quán)威性與學(xué)生活動(dòng)的重要性?
誠(chéng)然,智能化測(cè)評(píng)具有高效便捷、客觀化等特征,能夠公平公正地檢驗(yàn)每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。但“機(jī)器本位”的盲目信任是不可取的,AI 測(cè)評(píng)的內(nèi)容過于僵化,難以判別實(shí)踐過程表現(xiàn)出的特殊品質(zhì)(如優(yōu)化實(shí)驗(yàn)步驟、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案等),缺乏“人”的教學(xué)機(jī)智與認(rèn)知智慧。因此,教師應(yīng)時(shí)刻保持人機(jī)關(guān)系中的主導(dǎo)地位,始終樹立教育本位的倫理準(zhǔn)則,實(shí)行人機(jī)分評(píng),優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),方能使物理實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)更具實(shí)效。另外,對(duì)“協(xié)同”的解讀應(yīng)包含兩個(gè)層面:技術(shù)層面的人機(jī)協(xié)同與人文層面的人際協(xié)同。人際協(xié)同的突出表現(xiàn)為課堂的啟發(fā)、互動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師可嘗試組織人機(jī)交互下的師徒式同伴互助學(xué)習(xí),在互評(píng)互教的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)機(jī)器測(cè)評(píng)結(jié)果的批判和反思。因此,教師要厘清人機(jī)協(xié)同倫理關(guān)系,堅(jiān)守育人本位、注重人際協(xié)同作用等,以保障人機(jī)協(xié)同教學(xué)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。