生成式人工智能在中学物理教学中的应用

关善超　宋志刚　李贵安

生成式预训练模型（GPT，Generative Pre-trained Transformer）是一种基于机器学习和深度学习技术的大型语言模型。随着机器学习和深度学习研究的不断深化，自然语言处理领域发生了翻天覆地的变化。研究人员开始使用神经网络来构建语言模型，这种模型可以自动地学习语言规则和模式，并根据数据进行调整和改进，最终生成具有连贯性和合理性的文本。2018年，美国开放人工智能研究中心（OpenAI公司）发布了GPT-1。2021年11月，OpenAI发布了GPT-3.5架构，也称为GPT-Neo。ChatGPT是GPT-Neo的更新版本，它是一个针对聊天机器人的模型，可以与人类自然对话，并生成自然语言响应。2023年3月14日，OpenAI发布了比ChatGPT更强大的大模型GPT-4。OpenAI表示，GPT-4虽然在许多现实场景中的能力依旧不如人类，但在各种专业和学术基准上已与人类表现持平。2023年3月16日，百度公司正式发布旗下预训练生成式大语言模型产品——文心一言。2023年5月6日，科大讯飞公司在安徽合肥推出讯飞星火认知大模型。这些生成式人工智能的开发与应用已经被高度关注和深入研究。

生成式人工智能的出现对教育也会产生重大影响。有调查显示，美国89%的大学生承认使用ChatGPT做家庭作业，53%的学生用它写论文，48%的学生使用ChatGPT完成测试。ChatGPT在教育领域的广泛应用引起学者高度关注。2023年3月4日，“ChatGPT与未来教育”学术研讨会议在华东师范大学召开，人工智能与未来教育领域的专家、学者以主题报告等形式，从教育理论和实践的双重视角探讨了ChatGPT与未来教育的关系及其相互间的转化影响。有学者以“阿拉丁神灯”和“潘多拉魔盒”隐喻生成式人工智能在教育领域中可能扮演的角色，以此提醒教师和学生正确使用该技术。也有学者提出“直面ChatGPT，教师如何绝处逢生”的重大发问，引发了人工智能背景下对教师角色的重新定位。人工智能时代“学生学什么，教师怎样教”是一个迫在眉睫的问题。笔者对主流的生成式人工智能产品进行研究，深入剖析其在教育中应用时的机遇与挑战，提出生成式人工智能产品在物理教学中的应用导则，以期对未来教育场景下，教师使用此类人工智能开展教学提供一些帮助和借鉴。

一、生成式人工智能在教学中应用的机遇与挑战

教师、學生和教学知识三者之间是密切相关的，它们相互依存、相互作用，共同构成了教育教学的基本要素。师生的行为和教学结果受教学知识的制约和影响，而教学知识的传递和实现离不开师生互动。因此，应用生成式人工智能辅助教学时要注意其对教学过程基本要素的影响。

（一）知识高效获取与谬误风险并存

信息技术的高速发展为知识获取提供了极大的便利。互联网的普及让知识获取变得唾手可得。大量的搜索引擎如雨后春笋般涌现，知识爆炸的时代来临。如何准确搜索所需内容，避免斑驳庞杂的冗余信息干扰，是人们在互联网时代生存发展最重要的技能。生成式人工智能的出现将改变这一状况，开启以提问获取知识的新模式。生成式人工智能是基于自然语言的对话式交互系统，可以理解用户的自然语言，智能地推测用户的意图，从而更加准确地回答用户的问题或提供相应的建议，并且随着训练文本的不断增加，其答案也不断迭代更新。因此，任何年龄段的用户都能无障碍使用，这使知识的获取更加高效。生成式人工智能的回答是基于大量的训练给出的，其训练内容很大程度上决定了答案的质量。物理学本身具有一定的特殊性，其内容具有很强的专业性，回答必须严谨。有些看似无关紧要的表述放在物理学的回答中可能造成严重错误。因此，想要完全依靠文本训练来准确解释物理学现象或解答物理学问题还存在很大的困难。学生在使用生成式人工智能获取物理学知识时，无法保证知识的准确性和回答的权威性，容易获得碎片化的知识，无法形成体系，存在很大的知识谬误风险。

（二）自主学习与学生主体异化并存

生成式人工智能的特色之一就是可以为用户提供个性化和交互式的服务体验，根据不同学生的提问给出针对性的答案，这对学生的自主学习有很大的帮助。学生在学习过程中使用生成式人工智能以对话的方式获取自己想要的信息，极大地提高了知识获取效率，解决了课堂教学中教师无法及时回复每个有提问需求的学生的问题。同时，这为性格内向、不喜欢提问的学生提供了很好的提问途径。此外，生成式人工智能不会疲劳也没有人类的负面情绪，可以随时随地回答学生的提问，帮助学生获得学习的成就感。然而，人工智能越是强大，就越容易让学生产生依赖，过度依赖生成式人工智能同样会引发一系列的问题。首先，生成式人工智能提供的信息并非准确无误，学生在学习过程中缺乏教师的指引，很有可能形成错误的认知。其次，生成式人工智能的精准回答也可能使学生丧失自主思考能力。学生遇到困难首先想到的是让生成式人工智能解决，而非迎难而上，最终结果必然是沦为技术的奴隶。同时，学生大量使用生成式人工智能会导致思维活动减少，进而造成创造力的遮蔽。长此以往，学生将缺乏批判性思维和创造能力。这也是很多学校禁止使用生成式人工智能辅助学习的重要原因。最后，当学生沉浸于与生成式人工智能的互动中时，必然会忽略课堂中最重要的人与人之间的互动，进而造成师生互动和生生互动的减少，使课堂教学对学生情感价值的引导和培养功能大为减弱，最后脱离社会，被困于生成式人工智能编织的信息茧房中。

（三）提质增效与教师地位弱化并存

生成式人工智能几乎可以辅助教师完成所有环节的教学工作，包括教学设计、实验设计、教学策略建议、课后练习，甚至学生学业评价，这是以往技术很难达到的高度，可以将教师从相对沉重的教学负担中解放出来，极大地提高课堂教学效率。生成式人工智能可以通过整合大量的学习材料，帮助教师建立一个完善的知识库。教师可以利用这个知识库提供给学生更加全面、深入的学科知识。生成式人工智能可以作为答疑机器人，为学生提供一对一解答服务，避免教师在教学中无法及时回复每个学生问题的尴尬，让教师更多地关注课堂中的情感交流和非知识性内容的传授。然而，生成式人工智能出色的个性化服务和拟人式的交互模式，却会对教师在课堂教学中的地位产生巨大冲击，稍有不慎就会造成教师在课堂教学中的地位弱化。教师大量使用生成式人工智能教学，可能导致自身丧失课堂教学中的主导地位，造成自身角色的边缘化。学生在使用生成式人工智能时，会减少甚至忽略与教师的交流，不自主地将教师排除在学习过程链之外。长此以往，必然造成师生情感交流缺失，师生互信降低，进而造成整个教师行业的角色定位偏差。

二、生成式人工智能在物理教学中的应用导则

生成式人工智能应用于教学可能出现一些问题。师生应该在实际使用中扬长避短，尽最大可能规避风险，积极应对。

（一）淡化识记知识，积极开展探究性学习活动

从学生学习层面上讲，生成式人工智能对学生自主学习的帮助无疑是巨大的。因此，在未来的物理学习中，学生应该规避对浅层知识的大量识记。物理学科本身讲究探索、发现和理解，相比于语言学科，生成式人工智能带来的冲击较小。同时，学生自主学习，一定要在教师的引导下进行。对于可能存在的知识谬误，教师要及时更正，同时鼓励学生积极思考，主动探究。实验是物理教学的根基，而实验探究活动正是人工智能辅助学习永远无法触及的核心区域。教师应该围绕物理实验教学，组织探究性活动，鼓励小组合作研究，加强生生互动和师生互动。

（二）依托真实情境，开展思维型教学

从教学设计层面讲，物理是发现自然规律、解释客观规律的学科，是天然贴近生活、服务生活的学科。教师设计物理教学方案时，要依托真实情境教学，避免知识本位，生搬硬套。教师以情境引入，结合项目展开教学，引导学生运用所学知识创造性解决问题。在教学过程中，教师应该更多地提出有深度的問题，充分激发学生深度思考。对于学习成果，教师可以用作品展示的形式呈现，锻炼学生动手实践能力，促进其全面发展。教师实施多元化教学评价，更多关注过程性评价，而非终结性评价，改变传统纸笔测试这种单一的评价模式，让每个学生学有所获。

（三）转变教师角色，争做复合教育者

传统教师角色定位通常是“传道、授业、解惑”，教师和学生之间是单纯传授和接受关系，教师是知识、技能、道德等多方面的权威，教师担当教书匠或讲解员的角色。然而，随着人工智能的崛起，传统的教师角色受到巨大冲击，传道授业解惑的功能会被部分取代。教师需要快速适应数字化时代的角色转变，从而更好地跟上智慧教育的步伐。有学者指出，复合教育者的诞生将是适应未来教育的重要标志。人工智能时代，教师、学生和人工智能三大主体之间的互动关系将被重构，教师角色承担的任务和使命更加复杂，需要建构起学生和人工智能之间沟通的桥梁。教师应该成为教学中的引导者、教育反思者、技术使用者和自我教育者。

三、生成式人工智能在物理教学中的应用展示

ChatGPT、文心一言和讯飞星火等生成式人工智能各有特点。文心一言和讯飞星火在中文理解能力上比较突出，ChatGPT由于研发较早，文本训练量大，回答更加准确完整，内容也相对丰富。笔者以ChatGPT为例，展示ChatGPT在中学物理教学中的几种应用场景，以期为未来教师应用人工智能开展物理教学提供借鉴和参考。

（一）作为教学设计的对话者和启发者

ChatGPT可以作为教师教学设计中的对话者，帮助教师快速完成教学设计初稿，并提出相关的教学建议。学者与ChatGPT展开了一次问答（扫码查看物态变化教学案例设计方案）。

ChatGPT设计好了一份具有一定可操作性的教学方案，该方案甚至给出了各教学环节所需时间和教学评价等细节。在教学设计中，受限于固有思维，教师往往难以设计出具有创新性的内容，而ChatGPT却能给出不同的教学设计，给教师以启迪。

ChatGPT同样可以用于设计实验方案，对于教师开展实验教学提供一些帮助和启发（如图1）。

ChatGPT设计的实验方案有别于常规物理教学。如果要求生成式人工智能重新设计，它可以给出多种设计方案。教师可以选择科学性和可行性最高的设计方案。但是教师不能完全依赖生成式人工智能，需要对方案中可能存在的不合理部分进行修正。

（二）作为学生学习的引导者

生成式人工智能可以作为学生学习的引导者，在学生学习过程中随时提供个性化支持。对于有些难以通过常规搜索手段得到，或者得到过程相对复杂的知识，生成式人工智能能有效地提供帮助。目前，学生接触和使用生成式人工智能还需等待相关产品升级。有学者模拟学生身份与ChatGPT之间展开了一次问答。

学习浮力后，才思敏捷的学生会发现阿基米德发现浮力和最终得出浮力的决定式之间存在很长的历史空白，对浮力的历史产生了研究兴趣。常规的搜索很难快速得到有效的信息，ChatGPT很好地解决了这一痛点。

在学习升华凝华时，很多学生对“只是所需条件不同，所有物质都能升华”产生疑惑。于是学者向ChatGPT发问（如图2）。

该问题是学生初学升华常见的问题，甚至新手教师对此问题也未必认识到位。ChatGPT能快速给出参考答案，并列举案例。

在进行常规计算题测试时，ChatGPT已经可以很好地使用物理公式进行运算，解决物理问题（如图3），进化速度非常快。

可能是因为用于训练ChatGPT的文本和国内教材存在差异，造成某些符号和单位不统一，但是计算流程符合规范，计算结果正确，确实能有效辅助学生做题。

（三）作为学习评价的设计者

学习评价是反映课堂教学效果的重要标准。有针对性地展开评价测试对教师素养有极高要求。有学者利用ChatGPT初步设计了一份有针对性的测试卷（如图4），如存在瑕疵可人工修改完善。

ChatGPT设计的测试题内容比较丰富，包含选择、计算和简答题三种类型，难度梯度逐渐增加，具有一定的参考价值。ChatGPT可以帮助教师和家长快速检测学生学习状况，从而有针对性查漏补缺。

四、总结与反思

发展与应用人工智能是大势所趋。生成式人工智能进步神速。有一款产品短短两周就从开始的使用代码解物理题，进化到使用规范的物理学公式，同时在回答问题的速度和准确性方面也有明显提高。在未来条件成熟时，教师可以利用生成式人工智能辅助物理教学。

大势当前，堵不如疏，疏不如引，我们应该尽早提出相关策略应对生成式人工智能对教学的冲击。人工智能时代，让人类继续保持竞争力的关键是批判性思维和创造性思维。这就要求教师在教学设计时尽量规避浅层学习，如背诵、记忆类任务，尽可能设计层层深入的探究活动激发学生高阶思维，使学生的学习发生在应用层面甚至是创造层面。同时，教师要允许学生发出不同声音，提出不同想法，将创造力的火苗呵护好。教师不能将所谓的“乖”等同于“好”。如果将所谓的“皮”等同于“差”，长此以往，教育就可能变成一种服从性训练，培养出的学生都是一个模子刻出来的，缺乏创造性和想象力。

此外，教师数字素养亟待提升，需积极主动地接纳并学习新技术，将技术服务于教学。在课堂教学中，教师应对生成式人工智能提供的答案作出判断，及时更正错误，并引导学生针对生成式人工智能在生成内容方面的错误展开讨论，培养批判性思维。同时，教师不能依赖生成式人工智能的评估结果来判断学生的学习能力。生成式人工智能不是物理教学专家，使用它来评估可能造成偏差，同时单一的评价工具也是不可靠的。政府层面也应该主动面对人工智能可能带来的机遇和挑战，在政策法规上及时做出调整，关注信息道德建设，引导人们正确使用相关技术。

机遇和挑战并存，善用则生，乱用则亡。最后以《流浪地球2》中的一句台词作为结束：人工智能的优势虽然无可取代，但是没有人的文明将毫无意义。

注：本文系江苏省中小学教学研究第十四期重点自筹课题“智慧学习视域下初中物理实验教学研究”（编号：2021JY14-ZB48）的阶段性研究成果之一。

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（作者关善超系陕西师范大学教育学部在读博士，江苏省苏州市阳山实验初级中学校教师；宋志刚系江苏省常州市钟楼区教师发展中心副主任；李贵安系陕西师范大学物理学与信息技术学院院长、博士生导师）

责任编辑：祝元志