新一代人工智能对教育的影响

【摘要】ChatGPT作为一种新兴的人工智能应用技术，具有广泛的应用前景和重要意义。教育如何顺应人工智能时代的深刻变化？本文以ChatGPT在数学教学中的应用为例，谈了人的思考是否可以被人工智能所取代、教师如何应对人工智能的挑战、促进学生的自主学习与教学资源的数字化转型三个问题，以期与同行交流。【关键词】ChatGPT；数学教学；人工智能最近一段时间ChatGPT火了，这是一款美国研发的聊天机器人程序，自2022年11月30日发布以来，据说注册用户已经超过了一亿。它对社会的冲击力远远超过了不久前火爆的“元宇宙”，人们惊叹“人的思考正在被人工智能代替”，利用它可以写文案、做诗歌、翻译、进行人机对话，你问一个问题，它当即能给你一个回答，你给它出一个题目，它就能按你的要求写一篇像样的文章，太厉害了！如何看待ChatGPT对教育的冲击是人们热议的一个敏感话题。ChatGPT会不会取代教师？如何理性地权衡它的利弊？教育如何顺应人工智能时代的深刻变化？这里谈些看法与同行交流。人的思考是否可以被人工智能所取代对这个问题，我们的回答是ChatGPT表明人的思考确实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。网传复旦大学做了一项研究，让ChatGPT做一套2022年的高考试题，结果是：根据2022年全国高考的分数线，就算把ChatGPT放到一个高考竞争较为激烈的省份，也能轻松达到二本线；如果只参考文科成绩的话，甚至有很大希望能达到一本线。这说明人工智能现在已经发展到一个相当高的水平。但ChatGPT在主观题上，文综得分率为78%，生物得分率50%，在数学、物理、化学、历史这4个单科成绩上，只有30%。看来ChatGPT处理文科题目优势明显，但对于理科题目表现不佳。那么，怎么认识ChatGPT呢？我们是否可以把它理解为一个“搜索引擎+聊天机器人+复杂文本整合器”，即从海量的“语料库”中搜索所需要的那些文本，以及文本背后所蕴含的、潜在的框架与“规则”，整理表达为人类可以接受的语言。这确实不简单，但它依托的是语料库中已有的现成的知识或经验，并不能创造出以前没有的新知识。就数学思维而言，这是一个非常复杂的过程。数学具有高度的抽象性和严密的逻辑性，不能通过简单的对已有经验的检索和整理实现。数学的发展是一个不断创新的过程，“无理数”的产生，非欧几何与解析几何的产生，足以说明这一点。这些数学体系巨大的转变都经历了复杂抽象的创新过程，不可能通过计算机的有限步运算模拟。经验表明，学生在学习用字母表示数，几何证明的入门阶段总是遇到一些困难，这也说明了抽象思维和逻辑思维的复杂性。徐利治先生在《数学与思维》一书中详尽地阐述了数学与左脑思维和右脑思维的关系，他指出人的左半脑主要担负逻辑分析和推理的任务，右半脑主要担负形象思维和审美的任务。过去人们常常强调的数学思维的抽象性和逻辑性是同左半脑的思维功能联系的，而数学思维具有的“实验、猜测、想象、直觉、美感”等特点，是与右半脑的思维功能相联系的。想象和直觉是学习几何不可或缺的，一个数学问题的解决往往需要先进行猜测，猜想是发现数学的重要手段。数学思维需要两个半脑的相互配合，这是计算机难以模拟的。综上，可以肯定大部分的数学思维是ChatGPT当前不具备的功能。这样，我们就比较全面地认识了ChatGPT与人的思考的关系：一方面ChatGPT的出现确实标志着人工智能的巨大进步，在某些方面胜过了人脑，另外一方面又不能过分夸大它的作用，它在许多方面还不可能替代人的思考。教师如何应对人工智能的挑战“未来已经来临，只是尚未流行”，以ChatGPT为代表的滚滚而来的人工智能洪流，引发了人们强烈的危机感。我们必须顺应时代的发展，不然就要落伍。中共中央、国务院印发的《全面深化新时代教师队伍建设改革的意见》中提到“教师主动适应信息化、人工智能等新技术变革，积极有效开展教育教学”。过去讲数学教师的素养有两个重要的方面，一是数学学科本身的素养，一是教学理论方面的素养。现在看来还必须加上一条，即教师应具备信息技术的素养，需要主动适应人工智能等新技术变革。教师要有兴趣了解人工智能，主动学习人工智能的有关知识，这样才能既不盲目追赶新技术，又不拒绝使用新技术，能与人工智能携手，并恰当地在教学中使用新技术。在中科院第十九次院士大会上谭铁牛院士的报告对人工智能给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质，研制出具有类人智能的智能机器。研究内容是能够模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统。它的表现形式包括会看（图像识别、文字识别）、会听（语音识别，机器翻译）、会说（语音合成、人机对话）、会动（机器人、无人机）、会思考（人机对弈、定理证明，医疗诊断）和会学习。谭院士认为目前专用人工智能取得了突破性的进展，但与通用人工智能还存在非常大的差距，所谓专用人工智能是专为某一特定目标设计的。这里值得一提的是吴文俊院士开创的几何定理的机器证明，它开创了在国际上人工智能用于模拟数学思维的先河。随后则是张景中院士与高小山研究员在此基础上实现的机器证明的可视化，设计了适用于数学教学的“超级画板”和“几何专家”工具软件。“超级画板”“网络画板”是专为数学教学设计开发的国产软件，具有自主知识产权，属于谭铁牛院士所说的专用人工智能。有一种担心认为鉴于数学学科抽象和推理的特点，人工智能可能削弱学生的数学思考，但实际情况并非如此，恰当使用技术应能帮助学生更深刻地理解数学。仅举一例，学生对函数概念的理解从初中到高中要经历一个逐步深化的过程。越是抽象的概念越需要丰富直观的材料作为获得感性认识的情境引入，随后提高到深入刻画函数概念的形式化表达。我们设计的课件“怎样折出的纸盒容积最大”给学生创设了纸盒动态变化的场景（图1），学生可以观察随着正方形纸片剪掉四角的小正方形边长的变化折出纸盒大小的变化，从屏幕上不仅能观察图形的变化，还可以同时看到相关数据的变化。单凭教师的口头讲授或实物演示是达不到数形结合的动态效果的，目前ChatGPT也没有这一功能。图1

纸盒动态变化课件到了高中在引入函数符号之后，学生还可以自己在计算机上动手操作加深对函数概念的理解。例如，键入f（x）（x^2+2*x-3;）回车，这时计算机就已经知道了函数f（x）的对应法则，随后不管键入的是数字还是字母，计算机都能马上得出对应的数字和字母。还可以定义另外一个函数g（x）进行更多的实验，如探究f（g（x））和g（f（x））的意义，f（g（x））和g（f（x））是否相等，此刻学生的学习方式发生了变化，他们不再是听教师讲接受知识，而是在计算机上进行实验、探索主动获得知识，从而加深了对函数概念的理解。类似地，关于函数的单调性教学，动态课件也有助于学生更深刻理解抽象的概念。还有更多的教学案例，鉴于篇幅这里不一一赘叙。可以说，技术的引入极大改进了传统的函数教学。目前，国内不少数学教师已经将其用于教学，积累了丰富的经验，取得了良好的效果。我们建议将其推广，作为我国教育数字化转型的一个重要内容。人工智能并非那么神秘高深莫测，教师拥抱人工智能不必等待未来通用人工智能的出现，从现在就可以开始尝试把一些专用人工智能的技术用于教学中。数学教育技术对改进当前的数学教学具有现实意义，我们可以以此为抓手推进数学教育的变革。ChatGPT是个新生事物，对它在教学中如何应用我们目前尚无体验。有专家称可以用它帮助教师生成教案，笔者主观地认为教师钻研教材、研究学情是不可能用它替代的，不过可以尝试借助它海量的资源库帮助教师备课，如把一些数学文化的内容引入教学。总之，面对滚滚而来的人工智能洪流，教师的态度应该是积极的，在人工智能的背景下从备课、课堂教学、课外活动、教学科研等方面加速教师的角色转型。促进学生的自主学习与教学资源的数字化转型ChatGPT对人们的一个启示是学习方式的多元化和个别化，ChatGPT无疑开辟了一个新的学习通道。它促使我们思考如何随着技术的进步促进学生的自主学习，丰富学生的学习方式。培养学生主动学习的意识和习惯是当务之急，它关系到学生的未来发展。主动学习的意识很重要，没有这种意识和学习的渴望再先进的数字化教育教学环境都是无用的，ChatGPT还可能助长学生的抄袭，懒于思考。培养学生自主学习的习惯和能力，应从狠抓阅读做起。当前学生习惯于上课听讲的接受式学习。一些课堂上还有“满堂灌”的现象，我们设想课堂能否留出1/3以上的时间让学生阅读课本自学，当然这不是放任自流，教师需要组织和适时指导，逐渐使阅读成为学生的一种习惯，成为自主学习的重要途径。有了网络，教师还需要指导学生有效的网上阅读，把线上与线下阅读结合起来。阅读是当前学校教育的短板，数学阅读更为甚之，这是由数学学科抽象和严谨的学科特点决定的。数字化教育面临的一个重要问题是改造教材，一直以来教材都是纸质的教科书，它呈现的主要是文字，不可能呈现动画、音频和视频，而这些对于加深数学理解却是必要的，这说明纸质的数學教材需要“立体化”，需要用一些课件作为补充。随着网络的发展和移动通讯设备的普及，纸质的书籍可借助背后的网络支撑，充分利用网络提供的数字化资源。对此我们进行了探索，在2022年出版的《少年数学实验（第2版）》的正文中间加印了二维码，阅读本书的同时通过扫码即可在手机或平板电脑上得到相应的动态课件。我们设想数学教科书和数学读物是否可以借鉴这种需要网站支持的模式出版。这样一来，学生的数学阅读将会变得更加有趣，内容愈加丰富，线上与线下结合学习更加有效，更利于学生的自主学习。当然，个别化学习的一个重要问题还有待于深入研究，即数字化能否提供及时的反馈功能。学生能通过二维码提问及时获得帮助，通过扫描上传作业及时获得智能机器的批改与点评。我们满怀信心期待有专门服务于数学教育的ChatGPT面市，也许我们的期待不久将会成为现实吧。ChatGPT能激发学生对人工智能的好奇与兴趣，而人工智能的背后是数学的支撑，人工智能时代对数学人才的急需将成为激发学生学好数学的强大动力。促进学生的自主学习和个别化要关注激发学生的兴趣和好奇。当前这方面我们做得还很不够。失去兴趣，自然失去好奇心，也就无所谓问题意识。学生负担过重自然失去兴趣，死记