庫在強, 田茂棟, 葉 蕾

(黃岡師范學院 數(shù)學與統(tǒng)計學院, 湖北 黃岡 438000)

隨著科技的不斷發(fā)展,人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛。如何把握人工智能發(fā)展的歷史脈搏,促進傳統(tǒng)教育向智能化、數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型,成為我國教育部門和教育界共同關(guān)注的話題。2021年7月,教育部等六部門發(fā)布《關(guān)于推進教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導意見》(教科信〔2021〕2號),提出基于5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)推動教育數(shù)字轉(zhuǎn)型[1];2022年7月,科技部等六部門在《關(guān)于加快場景創(chuàng)新以人工智能高水平應(yīng)用促進經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》(國科發(fā)規(guī)〔2022〕199號)中提出,在教育領(lǐng)域要積極探討人工智能的應(yīng)用場景,打造人工智能重大場景。因此,人工智能視域下教師如何進行角色重塑,如何在人工智能時代把握機遇、迎接挑戰(zhàn),是每個教師亟待解決的問題。

一、人工智能視域下的教師發(fā)展理論

(一)AI-TPACK理論

整合人工智能技術(shù)的學科教學知識(AI-TPACK)由學科教學知識(PCK)和整合技術(shù)的學科教學知識(TPACK)發(fā)展而來。1986年,美國學者舒爾曼(Shulman)等[2]基于學科知識(CK)與教學知識(PK)之間的關(guān)系,提出了PCK的概念。2006年米什拉(Mishra)、科勒(Koehler)[3]在PCK的基礎(chǔ)上融入技術(shù)知識(TK),從而構(gòu)建出TPACK。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,TPACK模型中的TK已不能適應(yīng)當下社會中日新月異的信息技術(shù),TPACK模型也無法適應(yīng)AI時代教師專業(yè)成長的需要?；诖?學界對AI技術(shù)與TPACK模型的關(guān)系進行了一系列探討。針對人工智能視域下教師知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,王素月、羅生全[4]通過對PCK的再構(gòu),提出了教師的整合人工智能的學科教學知識(AI-PACK),相較于傳統(tǒng)的三維模型,其更關(guān)注情感與道德維度與基于情景的動態(tài)性與個性化建構(gòu);楊絮[5]將學科知識、教學知識、智能技術(shù)知識、學生知識和情境知識融合,構(gòu)建了整合智能技術(shù)的學科教學知識(I-TPACK);閆志明等通過將人工智能技術(shù)知識與思維引入TPACK,提出了AI-TPACK新理論框架。三個模型通過不同的方法將人工智能知識融合到原有的知識框架中,由于AI-TPACK模型是直接由TPACK模型改造而生成的,學界對“人工智能+TPACK”的研究主要以該模型為主。其中,AI-TPACK由三個核心要素、四個復(fù)合要素以及境脈因素構(gòu)成(見圖1)——內(nèi)容知識、教學知識、人工智能技術(shù)知識、學科教學知識、整合人工智能技術(shù)的學科知識、整合人工智能技術(shù)的教學知識和整合人工智能技術(shù)的學科教學知識、人工智能教學情境[6]。

圖1 AI-TPACK模型框架

(二)TAM模型

技術(shù)接受模型(TAM)是由戴維斯(Davis)[7]于1986年提出旨在解釋人們?nèi)绾谓邮芎褪褂眯录夹g(shù)的理論模型(見圖2)。該模型認為,人們采用新技術(shù)的決策受到兩個主要因素的影響:感知有用性和感知易用性。其中,感知有用性指人們對新技術(shù)對其工作或生活的效益的主觀評價,感知易用性指人們對新技術(shù)的使用難度的主觀評價。通常而言,外部變量包括系統(tǒng)特征、用戶特性、任務(wù)特點、開發(fā)或執(zhí)行過程的本質(zhì)等,這些外部特征共同決定了人們的感知有用性和感知易用性,二者又共同決定人們對一項新技術(shù)的使用態(tài)度,從而進一步影響人們的行為意向[8]。

圖2 TAM模型

二、基于AI-TPACK或TAM模型的中學教師專業(yè)成長

AI-TPACK作為人工智能時代教師必備的知識結(jié)構(gòu),自其提出以來,如何提高教師的AI-TPACK水平一直是學界研究的重點。在教師AI-TPACK的培養(yǎng)方面,趙珠珠、韓麗東[9]從學校、教師和學生三個角度出發(fā),提出了教師教學能力的提高策略,然而該研究的建議停留在主觀層面,缺乏理論和科學依據(jù);彭玉蘭[10]通過量化教師的智能素養(yǎng)來研究教師的AI-TPACK水平,該方法具有一定的科學性,但將教師復(fù)雜的智能素養(yǎng)以簡單的多元線性回歸進行表示仍有待商榷;此外,張夢萍[11]和虞江峰等[12]分別針對青少年編程教師和開放大學教師的AI-TPACK發(fā)展路徑進行了研究,二者雖然研究的主體不同,但都重視完善教師知識結(jié)構(gòu),以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要。

在教育領(lǐng)域,TAM模型也被廣泛應(yīng)用于研究教師對于使用技術(shù)的接受程度和態(tài)度。趙磊磊等[13]通過引入其他因素,構(gòu)建出教師發(fā)展的TPACK-TAM模型;張立新、秦丹[14]將社會心理理論和行為科學理論的技術(shù)模型相整合,基于教師、技術(shù)和環(huán)境三個構(gòu)面建立起教師采納新技術(shù)的影響因素模型;安欣等[15]使用了TPACK和技術(shù)接受使用理論(UTAUT)構(gòu)建了一個外語教師使用人工智能意愿的結(jié)構(gòu)方程模型,雖然在模型構(gòu)建中考慮了人工智能的要素,但其研究仍將教師的核心知識構(gòu)成以TPACK中的“TK”為出發(fā)點,而沒有將人工智能知識視為構(gòu)建核心知識的關(guān)鍵。

上述分析表明,AI-TPACK作為一個新興的研究領(lǐng)域,學界對其研究相對較少,且部分研究缺乏理論依據(jù),無法為中學教師發(fā)展AI-TPACK提供科學的參考意見。此外,雖然已有學者在技術(shù)接受模型的使用中考慮到了人工智能要素,但僅僅將其視為“境脈”中的組成,未與教師知識結(jié)構(gòu)產(chǎn)生密切的聯(lián)系,也暫無將AI-TPACK理論和TAM模型結(jié)合起來的研究。因此,本文旨在構(gòu)建高中數(shù)學教師的AI-TPACK-TAM模型,探討人工智能視域下高中數(shù)學教師專業(yè)成長、專業(yè)成熟的發(fā)展途徑,并依據(jù)模型給出高中數(shù)學教師AI-TPACK的提升策略。

三、構(gòu)建高中數(shù)學教師的AI-TPACK-TAM模型

基于米什拉、科勒總結(jié)的TPACK發(fā)展路徑,可以將AI-TPACK的發(fā)展路徑總結(jié)為以下三種[16]:從PCK到AI-TPACK、從AI-TPK到AI-TPACK、PCK與AI-TPACK協(xié)同發(fā)展。具體到操作層面,即學習AI-TK,并將其運用到教學層面;通過“技術(shù)映射”整合AI-TK、CK、PK知識;系統(tǒng)地將人工智能技術(shù)支持的策略整合到具體的學科教學中。關(guān)于第一條路徑,尼斯(Niess)等[17]認為數(shù)學教師的技術(shù)學習可以細化為5個階段:認識、接受、適應(yīng)、探索、提升,因此從PCK到AI-TPACK,數(shù)學教師學習人工智能可以細化為上述五個步驟。

基于圖2的TAM模型,結(jié)合AI-TPACK理論、發(fā)展途徑以及技術(shù)學習的五個步驟,構(gòu)建高中數(shù)學教師的AI-TPACK-TAM模型(基于TAM的AI-TPACK模型,見圖3),以描述人工智能視域下高中數(shù)學教師專業(yè)成長、成熟的過程。

圖3 AI-TPACK-TAM模型

在AI-TPACK-TAM模型中,外部變量指一系列人工智能軟件、技術(shù)、智能時代學生發(fā)展水平與實際需要等,教師在日常生活與教學活動中,對人工智能的易用性和有用性進行初步感知,這一過程屬于第一條途徑中的“認識”階段。教師根據(jù)獲得的感知,對教學過程中是否使用人工智能技術(shù)產(chǎn)生不同傾向,到達“使用態(tài)度”,屬于教師學習人工智能過程中的“接受”階段。根據(jù)教師使用態(tài)度的不同和對人工智能有用性的感知,教師表現(xiàn)出不同的行為意向,教師人工智能的學習進入“適應(yīng)”階段,教師在該階段主要表現(xiàn)為接受或拒絕兩種行為,決定著后續(xù)的學習過程能否順利進行,因此這一階段在教師AI-TPACK發(fā)展過程中最為重要。一旦教師接受了人工智能技術(shù),教師將積極主動地將其應(yīng)用到教學活動中,此時教師AI-TPACK發(fā)展分化為兩條路徑:對于缺乏人工智能素養(yǎng)的教師,首先應(yīng)學習AI-TK,加強自身人工智能能力建設(shè),之后將所學知識運用到課堂教學中,這一過程屬于AI-TPACK第一條途徑中的“探索”階段;而事先已經(jīng)具備人工智能素養(yǎng)的教師,通過“技術(shù)映射”等方法對AI-TK、CK、PK進行整合,將人工智能技術(shù)主動應(yīng)用到課堂教學中,屬于教師AI-TPACK發(fā)展的第二條途徑。通過上述兩條路徑,教師對人工智能技術(shù)支持下的課堂教學效果進行評估,并對自身AI-TPACK結(jié)構(gòu)進行主動反思,此時人工智能技術(shù)已經(jīng)成為課堂教學的重要組成部分,教師人工智能的學習達到“提升”階段。通過上述過程,教師AI-TPACK水平得到提升,并將其運用到新一輪的課堂教學中,在不斷的“運用—反思—提高”中,促進自身知識結(jié)構(gòu)不斷完善。同時,隨著教師AI-TPACK水平的提高,教師可以采用頭腦風暴、基于設(shè)計的學習等方法對課堂教學進行改造,將人工智能技術(shù)系統(tǒng)地整合到數(shù)學學科教學中,實現(xiàn)AI-TPACK和PCK的同步發(fā)展。

四、高中數(shù)學教師AI-TPACK提升策略

基于AI-TPACK-TAM模型,結(jié)合AI-TPACK構(gòu)成要素,發(fā)現(xiàn)高中數(shù)學教師AI-TPACK發(fā)展的主要因素集中于“行為意向”“課堂使用”“反思改進”三個階段,同時,教師對人工智能的接受程度也會影響其AI-TPACK的發(fā)展。因此,針對AI-TPACK發(fā)展的三條途徑及五個階段,高中數(shù)學教師應(yīng)該從認識接受、適應(yīng)、探索、技術(shù)映射、基于設(shè)計的學習和提升等方面入手制定AI-TPACK發(fā)展策略。

(一)樹立正確的人機倫理觀念

人工智能的興起對傳統(tǒng)教育模式帶來了沖擊,也對教師的人機倫理觀念提出了新的挑戰(zhàn),接受人工智能并對其合理利用,成為新時代教師發(fā)展的必備素養(yǎng),也是教師發(fā)展AI-TPACK的先決條件。教師作為教育的主體,應(yīng)該積極面對人工智能的發(fā)展,學習和掌握其使用方法和技能,以更好地推動專業(yè)成長、教育創(chuàng)新。同時,教師要充分考慮“人工智能+教育”中的倫理問題,遵循學科倫理、教學倫理和AI倫理,確保自身行為符合倫理規(guī)范,樹立“人機共生”的倫理觀念。一方面,教師應(yīng)該認識到人工智能在教育中的潛力和優(yōu)勢,以此來促進課堂教學的實施。如利用ChatGPT等人工智能工具快速搜集教學資料、整合教學內(nèi)容,以及使用知識快照等工具來輔助學生學習和掌握知識,從而提高教學效率,提升教學質(zhì)量;另一方面,教師要警惕人工智能的濫用,當下美國紐約教育部門、法國巴黎政治學院、香港大學等教育機構(gòu)已經(jīng)明確禁止學生使用ChatGPT來完成作業(yè)或論文寫作,這是因為人工智能的濫用會弱化學生的思考,同樣,教師也需要對人工智能進行防范和控制,將其作為自身的伙伴和助手,而不是將自身變?yōu)槿斯ぶ悄艿碾S從。

(二)基于人工智能重塑教師角色

經(jīng)過“認識”和“接受”兩個階段后,高中數(shù)學教師對使用人工智能產(chǎn)生傾向,并開始將其應(yīng)用于課堂教學中。在“行為意向”和“課堂運用”階段,高中數(shù)學教師需要重新思考和重塑自己的角色,以更好地適應(yīng)人工智能時代的教學需求。具體來說,高中數(shù)學教師的角色重塑主要體現(xiàn)在以下三個方面。

其一,教師由“數(shù)學知識的傳授者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)學學習的引領(lǐng)者”,促進教師AI-TCK發(fā)展。傳統(tǒng)數(shù)學教學中,高中數(shù)學教師主要關(guān)注學生的應(yīng)試成績,將數(shù)學教育的出發(fā)點與落腳點歸于滿足學生升學的需要,忽視學生數(shù)學興趣、數(shù)學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。然而,在人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用下,學生渴望通過數(shù)字化、智能化的體驗獲取知識,傳統(tǒng)的應(yīng)試教學已不能滿足學生對發(fā)展的需要。因此,高中數(shù)學教師需要基于學生發(fā)展需要,基于人工智能、大數(shù)據(jù)、增強現(xiàn)實等技術(shù),促進學科內(nèi)容表達形式和訪問方式的轉(zhuǎn)變,創(chuàng)造出具有啟發(fā)性和實用性的數(shù)學教育體驗,促進自身AI-TK和CK的結(jié)合,引導學生由“學會數(shù)學知識”向“學會數(shù)學學習”轉(zhuǎn)變,通過個性化教學、探究式學習、數(shù)字教育等方式激發(fā)學生的學習數(shù)學的興趣,從而提高學生的學習成效,培育學生的數(shù)學核心素養(yǎng)。

其二,教師由“紙質(zhì)教材的使用者” 轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸悄芑虒W工具的運用者”,促進教師AI-TK發(fā)展。人工智能具有整合性、智能化、便利性的特點,教師可以利用智能化教學工具輔助教學。教師需要積極學習人工智能技術(shù)、軟件,提高自身AI-TK水平,甚至開發(fā)人工智能教育系統(tǒng),利用各種在線資源來為學生提供更多元化的學習內(nèi)容,比如使用面部識別技術(shù)及時了解使學生的學習情況,或者使用在線評估工具來更精準地評估學生的學習成果等。

其三,教師由“傳統(tǒng)教學方式的運用者” 轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎旌鲜綄W習模式的推動者”,促進教師AI-TPK發(fā)展。人工智能的發(fā)展打破了原有封閉式的課堂結(jié)構(gòu),學生學習的場所拓展到線下教學之外的線上學習,同樣也推動著教師對傳統(tǒng)教學方式的變革。通過采用線上學習與線下教學相結(jié)合的混合式教學模式,高中數(shù)學教師可以根據(jù)學生的個性化需求,為學生提供精準、高效的學習服務(wù),同時,這也增加了教師對“人工智能+教育”的動態(tài)理解,教師AI-TK與PK得到整合。教師需要善于利用各種學習資源和工具,創(chuàng)新教學方式和手段,如使用“學習儀表盤”評估學生學習情況、使用智能教學系統(tǒng)等。

(三)采用人機協(xié)同的課堂教學

高中數(shù)學教師經(jīng)過一段時間的人工智能技術(shù)學習后,需要積極主動地將其整合到學科教學中,通過對教學過程的重新設(shè)計和創(chuàng)造,幫助學生更好地理解與掌握知識,此時教師AI-TPACK發(fā)展進入探索階段。人機協(xié)同是實現(xiàn)上述過程的一個有效手段。人機協(xié)同指在教學過程中教師和人工智能發(fā)揮各自的優(yōu)勢,讓教師與人工智能機器或設(shè)備各司其職又協(xié)同合作,以達成“完人”和“智慧”的教育[18]。

根據(jù)人工智能的智能性和創(chuàng)造性,人機協(xié)同可以劃分為“AI代理”“AI助手”“AI教師”和“AI伙伴”四個形式[19]。“AI代理”階段,教師主要依托人工智能的計算智能,實現(xiàn)一些簡單重復(fù)的工作,如作業(yè)批改和考試安排等,以減輕教師的工作負擔;“AI助手”階段,人工智能具有了一定的感知能力,能夠采集學生的身心狀況等多維度數(shù)據(jù),教師可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)及時調(diào)整教學策略和安排教學日程,以更好地滿足學生的需求;“AI教師”階段,人工智能已經(jīng)具備了認知智能,初步具備替代普通教師的能力,能夠根據(jù)學生的知識水平進行規(guī)劃和指導,教師則需要通過創(chuàng)新和更新工作規(guī)則,把握教學節(jié)奏,統(tǒng)籌教學過程,以更好地引領(lǐng)學生掌握知識;“AI伙伴”階段,人工智能在擁有社會智能的基礎(chǔ)上,能夠與人類教師同等自主地參與人機協(xié)同和社會互動,實現(xiàn)更高層次的人工智能和教育的融合。

(四)在境脈化使用中檢驗成效

過去的研究主要關(guān)注TPACK和AI-TPACK的構(gòu)成要素,而對于教學境脈的研究較少。然而,教師AI-TPACK的發(fā)展最終都要回歸“課堂運用”,即人工智能教學情境中檢驗自身AI-TPACK水平。因此,教師要根據(jù)境脈的特點,通過“技術(shù)映射”的方式對AI-TK、CK、PK進行整合,推動自身AI-TPACK發(fā)展。具體而言,一是教師需要思考如何利用人工智能知識對課程內(nèi)容進行轉(zhuǎn)化,以更好地促進學生的理解和掌握。例如:在概率統(tǒng)計教學中,教師可以利用大數(shù)據(jù)來檢驗數(shù)學模型的可靠性,或者運用VR、AR等技術(shù)手段來增強學生對數(shù)學對象和概念的直觀感受。此外,人工智能技術(shù)的加入也使得境脈的特點發(fā)生了變化,因此教師需要重新制定教學策略。教師要分析人工智能視域下的數(shù)學學習特點,并根據(jù)這些特點調(diào)整課程內(nèi)容和教學方式,以達到更好的教學效果。例如,教師可以利用人工智能處理數(shù)據(jù)的能力來跟蹤學生的學習進度,了解學生的學習情況,為學生提供個性化的學習指導和幫助,從而提高學生的能力和水平。

(五)設(shè)計“AI+數(shù)學”教師培訓課程

隨著高中數(shù)學教師AI-TPACK的發(fā)展,一些有能力的教育研究者正在將人工智能技術(shù)策略整合到數(shù)學學科中,以取代過去的教育技術(shù)課程,即在數(shù)學教師教育中,專門開設(shè)針對數(shù)學學科特點的人工智能教師教育,從而促進教師PCK和AI-TPACK同步發(fā)展。然而,該方法對于新手教師而言操作難度較大,因為新課程中所含知識較多,會造成較大的認知負擔,解決此問題的一個方法為基于設(shè)計的學習,即通過設(shè)計“AI+數(shù)學”教師培訓課程來幫助高中數(shù)學教師更好地掌握相關(guān)知識和技能。通過設(shè)計“AI+數(shù)學”教師培訓課程,高中數(shù)學教師將被分成小組,每個小組解決一個特定的數(shù)學問題或利用數(shù)學建模、數(shù)據(jù)分析等途徑設(shè)計一個特定的產(chǎn)品或服務(wù),教師通過自主尋找和使用人工智能、數(shù)學等多領(lǐng)域的學科知識,在較長的時間內(nèi)設(shè)計出解決結(jié)構(gòu)不合理、現(xiàn)實世界中的教學問題的方案。在這個過程中,教師需要積極整合內(nèi)容、教學法和人工智能技術(shù)等各種類型的知識,從而促進教師PCK和AI-TPACK的同步發(fā)展。此外,“AI+數(shù)學”還可以培養(yǎng)教師的團隊合作精神和解決問題的能力,這對于提高教師的教學水平和素質(zhì)也有很大的幫助。

(六)利用AI-TPACK評價體系進行反思改進

高中數(shù)學教師經(jīng)過“能力建設(shè)”和“課堂運用”環(huán)節(jié)后,自身AI-TPACK水平得到一定程度的發(fā)展,但教師AI-TPACK的發(fā)展不是一蹴而就的,教師需要對其知識結(jié)構(gòu)、課堂教學、人工智能技術(shù)使用等方面進行反思改進,以更好地實現(xiàn)專業(yè)成長。為確保評價的科學性,高中數(shù)學教師AI-TPACK發(fā)展的最后一個階段“反思改進”不能停留在主觀感受上,需要對其進行量化分析。首先,可以采用類似于TPACK的測量方法——自我報告測量法、績效測量法、觀察法、訪談法和開放式問卷調(diào)查法,對自身AI-TPACK水平進行測量,其中最常用的自我報告法[20]需要重新設(shè)計問卷,以突出人工智能和數(shù)學專業(yè)的特點,如在問卷中強調(diào)AI技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度、數(shù)學知識的準確性和豐富性、教學策略的多樣性和適用性等;其次,可以在AI-TPACK-TAM模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建高中數(shù)學教師AI-TPACK的SEM模型,通過選取指標,探討各潛在變量之間的關(guān)系,厘清教師AI-TPACK發(fā)展中的核心要素,為其發(fā)展指明方向;此外,還可以基于大數(shù)據(jù)和學習分析技術(shù),搭建高中數(shù)學教師AI-TPACK的評價平臺,利用人工智能強大的數(shù)據(jù)分析能力,對教師教學數(shù)據(jù)進行采集、存儲、分析和挖掘,獲取更全面、準確的教師AI-TPACK信息,利用自然語言處理、機器學習等技術(shù)為教師提供更加個性化的學習資源和建議,以便更好地促進教師AI-TPACK發(fā)展。

五、小結(jié)

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,教育行業(yè)也在逐漸地與人工智能相結(jié)合。從人工智能視域下的教師專業(yè)成長出發(fā),基于AI-TPACK理論和TAM模型構(gòu)建出高中數(shù)學教師的AI-TPACK-TAM模型,以此解釋其AI-TPACK發(fā)展的途徑和階段。在此基礎(chǔ)上,提出了高中數(shù)學教師AI-TPACK提升策略,包括樹立正確的人機倫理觀念、基于人工智能重塑教師角色、采用人機協(xié)同的課堂教學、在境脈化使用中檢驗成效、設(shè)計“AI+數(shù)學”教師培訓課程以及構(gòu)建數(shù)學教師AI-TPACK評價體系。未來,隨著人工智能技術(shù)的不斷推陳出新,教育行業(yè)也將會不斷地與其相結(jié)合,人工智能將會成為教育行業(yè)中一個不可或缺的重要組成部分。因此,需要不斷地深化教師的人工智能應(yīng)用技能,提高其人機協(xié)同的教學能力和素養(yǎng),以更好地服務(wù)于教育事業(yè)的發(fā)展。