基于生成式人工智能的探究式教学设计与应用研究

　　人工智能教育发展已进入人机协同新阶段，人工智能时代的人机协同教育，是以人工智能为代表的“机”与师生共同作为教育主体，参与教育教学方式的重组^[1]。智能技术支持的教学可以减少单向的知识传输，通过师生的多向互动、探索实践式的学习方式，使学生对知识的认知和理解更加深入^[2]。生成式人工智能作为人工智能领域的一个重要分支，具备自然语言理解和表达能力，加上其背后的语言大模型所拥有的庞大知识库的支撑，可根据学生的提问并结合上下文进行互动回答。因此，可以将生成式人工智能作为智慧助教应用于课堂教学。在教学过程中，教师可引导学生与智慧助教进行对话，提出在知识学习中遇到的问题，智慧助教能为学习者提供个性化、及时和跨学科的支持，满足学习者获取知识的需求，帮助学习者快速解决问题^[3]。

　　在以往教学中，教师和学生之间往往以单向知识传递为主，教师在教学过程中很难根据学生的需要提供个性化的学习资源，难以充分培养学生的创新性和批判性思维。生成式人工智能应用在课堂中，能够通过智能问答的形式，为学生提供较为精准而个性化的学习资源。课堂不再以教师单向传递知识为主，而是以学生为主体，教师作为学生学习的引导者，引导学生与生成式人工智能进行对话，鼓励学生主动提出问题、寻找答案。此外，学生还可根据生成答案进一步追问，以引导生成式人工智能优化对话技巧与方式，形成更适切的内容，实现递进式问答对话与迭代式内容生成^[4]。在这种模式的教学中，学生可通过与教师、人工智能系统的交流互动，构建个体的学科认知体系，通过自身的独立思考探究，培养批判性思维、问题解决能力和创新思维等综合素质。

　　本研究结合人机协同教育理论，构建基于生成式人工智能的教学模式，并以信息科技课程中的《智能家居系统设计》一课为例，进行教学设计和实践，探索基于生成式人工智能的探究式教学所带来的效果。

　　生成式人工智能是基于模型、算法和规则，生成文本、图片、视频和代码等内容的技术，是基于巨型矢量数据库，凭借自然语言处理(Natural Language Processing，NLP)和机器学习(Machine Learning，ML)等技术来模拟人类对话的交互型机器人^[5]。其在语言理解、对话交互、内容创作和逻辑推理等任务方面所具有的独特优势，可为个性化数字资源高效创建、对话式人机协同学习、素养导向的教育评价等提供有力支撑^[6]。人工智能时代的人机协同融合了人工智能机器的逻辑和人类的意识，二者的融合影响着教育的过程和结果^[7]。将人类智能和机器智能相结合，可实现“1+1>2”的“协同智能”^[8]。

　　人机协同教学是人工智能时代的一种新型教学模式，指以人和机器共同达成教育目标为基础，在一个复杂、多样的三元空间中，基于人机协同关系，促进师生的认知加工，以动态、发展的方式推动教育良性发展的教育过程^[9]。人机协同教学可理解为人类教师和机器在多种教育环境中作为交互整体共同发挥效用，实现共同目标、提高教学效果的模式^[10]。人机协同教学要充分发挥人和机各自的优势，智能技术主要从知识导学、互动对话、智能增强三个方面参与人的认知学习过程^[11]。将生成式人工智能应用于课堂教学中，要求教师引导学生通过“人机对话”的形式生成学生所需要的学习资源，构建知识体系，进一步提高学生的学习效果。

2.1　基于生成式人工智能的探究式教学模式的设计

　　基于生成式人工智能的探究式教学模式(见图1)是一种以学生为中心，利用生成式人工智能辅助学生进行自主学习和探究的教学模式。该模式旨在激发学生的学习兴趣和学习主动性，培养学生的创新能力、知识的探究能力，促进知识的深度理解和应用，进而培养学生批判性获取知识的能力和解决问题能力，提高教学效果和质量。

图1　基于生成式人工智能的探究式教学模式架构

　　在以往课堂的基础上，生成式人工智能的引入为学生提供了更智能的学习探究工具。在这一模式中，课堂教学分为五个环节：创设情境、启发思考、自主探究、协作学习、总结提高。教师作为引导者和组织者，通过这五个环节进行教学活动，指导学生使用生成式人工智能进行知识的自主探索。学生作为课堂教学的主体，通过与人工智能的互动，自主探究知识，解决问题，完成意义的建构。生成式人工智能为学生提供了个性化的知识，能在与学生问答的过程中不断激发学生的求知欲，帮助学生形成自己的知识体系。教师需要对人工智能呈现的知识内容进行评价和检查以确保知识内容的准确性。

2.2　基于生成式人工智能的探究式教学活动设计

　　探究式教学是指学生在教师指导下，通过以“自主、探究、合作”为特征的学习方式，对当前教学内容中的主要知识点进行自主学习、深入探究并进行小组合作交流的教学方式^[12]。生成式人工智能可为学生的自主探究学习活动提供支持(见图2)。

图2　基于生成式人工智能的探究式教学活动设计

　　(1)创设情境

　　教师通过创设与探究主题相关的学习情境，引导学生进行目标知识点的学习。学生可在教师的引导下与人工智能系统进行互动，提出与主题情境相关的问题，生成式人工智能给出与主题情境相关的知识及学习素材，促进学生更好地理解探究主题，为后续的学习做准备。

　　(2)启发思考

　　教师根据探究主题提出问题，启发学生思考，学生与人工智能系统互动进行问题探究，根据生成式人工智能提供的内容，教师引导学生再作更深入的探究，经过不断的对话、解答问题，引发学生深入思考，促进学生深入学习和理解。

　　(3)自主探究

　　学生在教师指导下，根据学习任务进行自主学习和探究，通过与生成式人工智能的对话，获得个性化知识、整理信息、分析问题。在这个过程中，学生充分发挥主动性和创造性，积极寻找所需知识，培养独立思考和解决问题的能力，在思考过程中促进批判性思维的培养。

　　(4)协作学习

　　学生之间进行小组讨论和合作学习，共同完成小组任务，生成式人工智能为学生提供了所需要的学习资源，在协作学习环节中，教师要提供必要的指导和支持，确保协作学习的顺利进行。

　　(5)总结提高

　　教师对学生的学习成果进行评估，引导学生反思。学生与生成式人工智能进行互动，对自身学习过程进行评价，了解自己的学习情况和问题所在，为今后的学习提供指导。

　　本研究以信息科技课程中的《智能家居系统设计》一课为例，基于生成式人工智能的探究式教学模式开展了实践应用。课程的教学目标是培养学生掌握智能家居系统的基本概念、原理和技术实现方法，具备设计和开发简单智能家居系统的能力，并以小组的形式设计智能家居作品。

3.1　智能家居系统设计的教学过程

　　依据基于生成式人工智能的探究式教学模式，设计本课各环节的具体内容及教学活动(见表1)。

表1　智能家居系统设计教学过程

　　在教学过程中，首先，教师创设情境，引导学生探索并思考智能家居的使用场景。学生通过与生成式人工智能对话，了解更多与智能家居系统设计相关的情境来拓宽视野，加深对这一领域的认识，并构思出“我的智能家居系统”设计方案。其次，教师引导学生向生成式人工智能提出问题，从智能家居的配置、功能特点、使用方法等方面，深入了解智能家居系统的运作原理和应用场景。生成式人工智能根据学生的问题提供个性化的学习资源，帮助学生完成“智能家居系统”功能设计清单。在自主探究环节，学生在教师的指导下，与生成式人工智能互动，探索智能家居系统所需的硬件设备及程序设计，教师提供必要的协助，确保学生能够顺利完成硬件连接和软件设计。再次，教师引导学生以小组合作的形式，共同完成“我的智能家居系统”的设计任务，通过与生成式人工智能的互动交流，深化对相关知识的理解。最后，教师总结评价各组的作品，引导学生对知识内容进行更深入的探究，并借助人工智能对学生的学习情况进行评价，为后续学习提供参考。各小组协同合作，完成“我的智能家居系统”的设计，如图3所示。

图3　“我的智能家居系统”作品展示

3.2　基于生成式人工智能探究式教学的效果评价

　　课程结束后，通过对学生的学习效果、调查问卷和课后访谈进行分析，评估本次课的教学效果。

　　在本课中，各小组完成了不同的智能家居系统设计作品，体现了学生的创造力与实践能力，生成式人工智能的应用促进了个性化学习，学生可按需获取学习资源，对个性化教学提供了支持。同时，使用生成式人工智能也激发了学生的主动探究精神，使学习效率得到提升。但随着生成式人工智能的熟练使用，学生也存在过度依赖模型的问题，缺乏独立思考。因此，教师在利用生成式人工智能辅助教学时，应引导学生合理使用，培养自主解决问题的能力。总体来看，生成式人工智能在教学中发挥了积极作用，但仍需进一步优化教学策略以避免学生对其产生过度依赖。

　　课后调查问卷分析显示，生成式人工智能在促进学生理解课堂内容、激发知识探索兴趣及提升创造力方面具有积极作用。学生认可其在学习支持中所发挥的积极作用，但也有反馈认为生成式人工智能提供的学习资料有时不够准确。因此，教师应对生成式人工智能所生成的内容进行筛选与审核，以确保知识内容的准确性，同时引导学生批判性地使用其生成的内容。

　　课程结束后，对本班学生进行了访谈，主要围绕学生对该教学模式的感受、对生成式人工智能支持教学的看法等方面展开。访谈发现，学生认同生成式人工智能在课堂学习中的促进作用;认为生成式人工智能能够迅速提供所需知识，通过问答方式高效满足学生的学习需求;在生成式人工智能给出回答后，教师可以引导学生从不同角度提出新观点，以培养学生的创新能力。

　　基于生成式人工智能的探究式教学，对教学效果具有一起的积极作用。第一，生成式人工智能能够为学生提供所需的学习资源，支持个性化学习。第二，生成式人工智能能够在与学生的互动中及时解答问题，提高学习效率。第三，在智能问答的过程中，生成式人工智能能够激发学生深入思考，培养学生的探究能力，并拓宽学生的思维视野，有助于其创新能力的培养。第四，与生成式人工智能的交互，能够提供丰富的学习资源和多样的信息，使学生在面对问题时能够拥有更多的思考角度和参考依据。通过与生成式人工智能进行交互，学生可以学会如何筛选、分析和评价信息，从而培养批判性思维能力。

　　但同时，生成式人工智能融入课堂也存在不足之处。学生可能会过度依赖大语言模型，出现抄袭答案的情况，从而限制了独立思考能力的发展。此外，生成式人工智能生成的学习内容存在偏差。这要求学生在使用交互式系统时应保持批判性的态度，审慎对待其生成的内容，以确保学习的准确性和有效性。此外，由于研究样本数量较少，所得结论可能存在一定的局限性。未来研究应进一步扩大样本规模，以提高研究的代表性和普适性。