【GCCIL2023特等奖论文】ChatGPT与教育的“邂逅”:应用框架、挑战与未来研究议题
来自:华人探究学习学会发布时间:2023年9月1日

聂姿,王丹妮,杨舒晴,沈鑫明,陈禹辰,张新立

温州大学 STEM教育研究中心

电邮:niezi202209@163.com,3540919023@qq.com,943433321@qq.com,2778661464@qq.com,oakleychen@foxmail.com,zhxl@wzu.edu.cn

【摘要】 随着人工智能技术的发展,以ChatGPT为代表的生成式人工智能将为教育带来全新的机遇与挑战。研究从ChatGPT的发展、本质与特征出发,立足教师教学与学生学习两方面构建了ChatGPT教育应用的框架,探讨了ChatGPT教育应用可能面临的挑战,并提出了ChatGPT教育应用的关键议题。研究能为未来ChatGPT教育应用提供有益参考。

【关键词】 ChatGPT、生成式人工智能、人工智能教育应用

 

1. 引言

近年来,人工智能技术(Artificial Intelligence Technology,简称AI)高速发展,它为第四次科技革命的到来拉开了序幕(Pataranutaporn et al., 2021; Hwang & Chien, 2022)。同时,各种以人工智能技术为基础的产品不断应用于医疗、商业、教育等领域(Ouyang & Jiao, 2021; Hwang & Chien, 2022; Kirtania, 2023; 郭亚军,郭一若,李帅&冯思倩, 2023; 张夏恒, 2023)。2022年11月,美国OpenAI人工智能公司推出了人工智能产品——ChatGPT。在该产品上线仅仅两个月,用户月活数就有了亿的突破。ChatGPT一度引爆全球话题,成为了继“元宇宙”后的又一个“热点”。

比尔盖茨(Bill Gates, 2023)提及:ChatGPT将改变世界,它的出现使得人工智能从能读能写迈向了能理解内容,与互联网的发明具有同等重要的地位。作为一款生成式人工智能产品(Generative Artificial Intelligence),ChatGPT以对话形式自动化生成文本内容,拥有惊人的内容创作能力。ChatGPT在教育领域具有强大的应用前景(Zhai, 2022; Qadir, 2022; Szabo, 2023; Thurzo et al., 2023; Choi et al., 2023)。它的出现势必变革当前教与学的方式,为教育带来全新的机遇与挑战。因此,研究从ChatGPT的发展、本质与特征出发,立足教师教学与学生学习两个方面构建了ChatGPT教育应用的框架;同时,从实践的角度出发,探讨了ChatGPT教育应用可能面临的挑战,并提出了ChatGPT教育应用的关键议题,以期为未来ChatGPT教育应用的研究提供参考与借鉴。

2. ChatGPT的发展、本质与特征

ChatGPT经历了一段漫长的发展过程(见图像1),最早可追溯至2018年6月,美国OpenAI公司基于Transformer的预训练语言模型提出的GPT-1,它基于大型语料库进行数据训练,通过自然语言处理提供任务解决方案。随后在2019年和2020年,又相继推出了GPT-2与GPT-3,新版本相对于旧版本在训练的数据规模有极大的改进与提升。2022年初,OpenAI公司在GPT-3的基础上推出了InstructGPT,它基于导论性任务的语言模型,并依赖人类的反馈与指导,变得更加贴近人类的习惯。因此,InstructGPT被认为是ChatGPT的预热模型,也被称之为ChatGPT的“姊妹”(喻国明&苏健威, 2023; 周洪宇&李宇阳, 2023; Baidoo-Anu & Owusu Ansah, 2023)。同年11月,同源产品ChatGPT横空出世,引发了各界的广泛关注。

图像1 ChatGPT的发展过程

ChatGPT的本质是一种生成式人工智能(Generative Artificial Intelligence),其基于对话生成模型,拥有惊人的内容创作能力。因此,不论在文本内容生成上,还是自然语言交互等任务上,ChatGPT都将给用户带来前所未有的交互体验。相比于其他人工智能产品,ChatGPT具有以下特征(喻国明&苏健威, 2023):(1)更强的自然语言生成能力:ChatGPT是基于自然语言处理技术构建的,它能够更加流畅、自然地与用户展开交互;(2)更强的自适应性能力:ChatGPT能够自适应用户输入的内容和上下文,并根据情境应对不同的对话场景,输出更具针对性的内容;(3)更强的自我学习能力:ChatGPT具有自我学习能力,可以在与用户的交互中展开机器学习,不断提高自身的性能。

3.ChatGPT教育应用的框架

对于教育而言,ChatGPT能作为一个强大的学习工具或学习环境(Vandamme & Kaczmarski, 2023; Kirtania, 2023),为教育教学的发展提供动力。教育研究离不开对“教”与“学”的探讨。因此,研究基于教师教学与学生学习两个关键方面,构建了ChatGPT教育应用的框架(见图像2)。为了更好地阐述该框架的应用价值,研究以人教版高中生物必修一《细胞膜的结构和功能》为例,对其进行了详细阐述。

图像2 ChatGPT教育应用的框架

3.1.ChatGPT赋能教师教学

(1)辅助教学设计

对于教师而言,特别是缺乏经验的新手教师,编写一份教学目标清晰、教学活动设计合理、时间分配适当的教案是较为困难的(于国海,2017),而ChatGPT可以根据教师需求,辅助教师生成个性化教学方案,提升备课效率和教学质量。ChatGPT可以依据教师提供的关键信息,生成一篇相对完整的教学方案,教师可根据实际教学需求,针对教学方案细节内容提出相应修改意见,最终经过多轮修改完善,ChatGPT生成一篇高质量、个性化的教学方案供教师参考借鉴。

例如,在生物学《细胞膜的结构和功能》一课中,教师可以给出指令“我希望你能扮演一名教学经验丰富的教师,生成一份人教版高中生物选择性必修一《细胞膜的结构和功能》教案,包含教学目标、教学准备、教学过程、教学评价等环节。”ChatGPT会根据教师要求生成一篇简案;在此基础上,教师可以对简案中不满意的部分提出调整和修改意见和继续给出指令,如:“在课堂导入环节,我希望能以视频导入的方式,请重新生成教案”,系统将根据教师的意见对教案进行修改,并重新生成符合要求的教案。具体如图3所示。

图像3 ChatGPT辅助教学设计的案例

(2)生成教学资源

教学资源是教学有效实施的辅助工具和媒介,教学资源的质量、有用性、易用性、便利性都将影响教师的课堂教学效果。ChatGPT作为一款大型语言模型,其强大的内容生成能力能生成多样化的教学资源,包括文本、图片、音频、演示文稿、代码、试题等多种类型,还能提供优秀案例、阅读材料等供教师学习和使用。教师可以根据教学需求,借助ChatGPT查找、生成针对性教学资源,节约头脑风暴时间。

例如,在《细胞膜的结构和功能》一课中,教师可以利用ChatGPT结合MindShow等AI内容生成工具一键自动生成演示文稿。教师可以先给出指令“请生成一份人教版高中生物选择性必修一《细胞膜的结构和功能》的PPT大纲”,系统将生成一份PPT大纲。在此基础上,教师可以继续给出指令“请给我以上PPT大纲的markdown源代码”,系统将继续提供大纲的markdown源代码,教师只需将生成的源代码导入到MindShow软件中并创建PPT,即可得到一份干净利落的PPT,节省排版时间和精力。具体如图4所示。

图像4 ChatGPT生成教学资源的案例

(3)担任虚拟学生

磨课是促进教师专业成长和发展的助推器,但在实际教学过程中,许多磨课活动虽然环节齐全,但效果却不尽如人意,存在脱离具体学情,忽视学生作为课堂主体的现象(Hwang & Chien, 2022; 郑燕林&任维武, 2023)。而ChatGPT能扮演“虚拟学生”的角色,以一问一答的形式模拟课堂互动,帮助教师磨课与练课。ChatGPT可以回答教师提问、提出疑问,模拟真实学生的学习需求,与教师进行有意义的互动;它也可以扮演不同类型的学习者,模拟真实的教学情境,供教师依据反馈调整教学策略。

例如,在《细胞膜的结构和功能》一课中,教师可以给出指令“我希望你能扮演高一学生,我的问题是为什么活细胞不能被染色,而死细胞能被染色?”系统将模拟高一学生的知识水平回答教师提问。同时,系统也能扮演不同类型的学习者,模拟学生的学习需求,教师可以给出指令“我希望你能分别扮演不同学习风格的高一学生,我的问题是为什么活细胞不能被染色,而死细胞能被染色?”系统将提供不同学习风格的学生答案供教师参考,以便教师据此调整教学方法和策略,提升教学效果。具体如图5所示。

图像5 ChatGPT担任虚拟学生的案例

(4)担任虚拟助教

传统授课模式主要由一名教师教授所有知识和技能,难以对每个学生进行个别化指导和支持(Hwang & Chien, 2022; 郑燕林&任维武, 2023),通过在课堂中引入助教就能解决当前学生的个性化学习需求问题。而ChatGPT就能扮演“虚拟助教”的角色,它能根据教学活动情境,为教师提供教学过程的交互式支持与反馈。ChatGPT可以回答学生提出的各类问题,为学生提供个性化学习资源,制定有效的学习计划和时间管理方法;它也能提供智能的评估工具,追踪学生学习进展和表现,为教师提供相关数据,助力课堂教学效果。

例如,在《细胞膜的结构和功能》一课中,学生可以针对课堂存在疑惑的知识点向系统进行提问“请你作为一名富有经验的高中生物教师回答问题,我的问题是既然膜内部是疏水的,水分子为什么能跨膜运输呢?”,系统将从原理、过程、作用等多个方面回答学生提问。在此基础上,学生可以继续给出指令“请继续为我提供一些有关上述问题的学习资源?”,系统将提供课本资料、在线教育平台、学术论文、视频教程等多样化学习资源供学生自学,加深对细胞膜的理解,并保持学习兴趣和好奇心。具体如图6所示。

图像6 ChatGPT担任虚拟助教的案例

(5)助力教学反思

教学反思一直是教师提高教育教学水平的一种有效手段,但在实际教学中,教师开展教学反思比率较低、反思能力较差,对教学反思在认识和操作上均存在一些问题(沈书生&祝智庭, 2023)。而ChatGPT可以基于课堂现状为教师提供反馈,辅助教师教学反思,并提供优化策略,促进教师的专业发展。ChatGPT可以作为观察者参与教学反思,从不同角度帮助教师评估教学效果,为教师提供反馈、建议;它也能和教师一起探讨教学策略和方法,提供专业知识和建议,促进教学反思深入、全面展开。

例如,在《细胞膜的结构和功能》一课中,流动镶嵌模型是教学重难点,教师在教学过程中发现许多学生出现注意力不集中的现象,导致教学效果不佳。教师可以就这一问题对ChatGPT进行提问“请你作为一名教学者参与教学反思,我的问题是当我使用流动镶嵌模型的物理模型来教授该内容时,为什么许多学生出现了注意力不集中的情况?”,系统将从学生兴趣、学习风格、教学方法等多个维度来探讨导致参与度和专注力不佳的主要原因。在此基础上,教师可以继续给出指令“基于上述情况,请为我提供一些具体的解决方法。”系统将提供不同教学策略和方法来克服当前问题。具体如图7所示。

图像7 ChatGPT助力教学反思的案例

3.2.ChatGPT赋能学生学习

(1)提炼学习内容

提炼学习内容能帮助学生理清思路、深化理解并提高记忆效果,但对于许多学生来说,提炼教学内容是一个较为复杂的过程,容易存在知识理解不准确、语言表达限制、关键信息遗漏等问题(郑燕林&任维武, 2023),而ChatGPT可以根据学生需求,提炼教学内容核心点,提供示例和应用,帮助学生预习或复习教学内容。ChatGPT能针对学生提供的主题或章节进行阅读,提炼文章摘要,生成简明扼要的总结;它也能结合其他软件或插件,根据学生提供的视频标题和链接,提炼视频主要内容,以便学生理解和记忆重要知识点。

例如,在《细胞膜的结构和功能》一课中,学生可以先提供细胞膜成分探索的书本材料,并给出指令“请你对以上细胞膜成分探索的过程进行总结并以表格的形式呈现,表格栏目包含时间、人物、观点。”,系统将根据时间线总结细胞膜探索的关键观点,帮助学生理解细胞膜研究的历史演变。在此基础上,学生可以继续给出指令来对总结内容进行调整,比如“请你添加一栏为实验过程,再次对以上内容进行总结。”,系统将根据实际情况对表格进行调整和补充,以帮助学生理解和记忆重要实验过程和结论。具体如图8所示。

图像8 ChatGPT提炼学习内容的案例

(2)担任智能学伴

智能学伴在教育领域的应用正在逐渐增加,已经被用于辅助学习过程,以提供个性化的学习支持和反馈。但由于技术、成本和资源的投入限制,却仍未广泛普及(Hwang & Chien, 2022),而ChatGPT可以充当智能学伴来支持学生学习活动,提供学习支持、作业辅导、学习管理等多样化功能。ChatGPT能实时回答学术问题,提供指导和解决方案;根据学科需求和兴趣,为学生推荐个性化学习资源;通过提供作业辅导和反馈,追踪记录学生学习表现和成绩,给予正面反馈和奖励,激发学习兴趣。

例如,在《细胞膜的结构和功能》一课中,当涉及“思考·讨论”这一部分时,学生可将ChatGPT作为自己的同伴,与ChatGPT一起探讨问题。比如,学生可以给出指令“我希望你能担任同伴与我一起探讨问题,我的观点是磷脂分子在水-苯混合溶剂中会呈现一种头亲水尾疏水的排列方式,你怎么看呢?”系统将作为同伴给出观点和理由。在此基础上,学生可以和ChatGPT就某一观点详细探讨,比如,“请你就头亲水尾疏水排列方式进行详细介绍?”,经过多轮讨论,最终得到一个相对一致的结论。具体如图9所示。

图像9 ChatGPT担任智能同学伴的案例

(3)生成学习资源

学习资源是学生获取知识、理解概念、发展技能和实现学习目标的工具,资源的质量、多样性和适应性对学生的学习体验和学习效果具有重要影响。学生在查找学习资源时可能面临信息过载、学科门槛、文化差异等问题(卢宇,余京蕾,陈鹏鹤&李沐云, 2023),而ChatGPT能根据学习者提出的问题开展针对性回答,生成个性化的学习资源。根据学习者提出的不同问题,ChatGPT可以回答结构性的问题,比如提供创意写作素材、提炼文章摘要;它也能解决相对开放性的问题,比如推荐相关代码片段与运行解析,帮助学生理解编程算法和问题解决思路。

例如,在《细胞膜的结构和功能》一课中,书中只简单了三种不同的细胞间信息交流方式,如果学生想要更进一步了解相关知识点,可以给出指令“请提供一些有关细胞间信息交流方式的例子。”,系统将列举一些常见细胞信息交流方式。此外,学生也可以继续给出指令“请对不同细胞信息交流方式进行比较,并生成一个表格,栏目包含细胞信息交流方式、相同点、不同点。”,以帮助学生比较不同的细胞信息交流方式,了解它们的相似性和差异性。具体如图10所示。

图像10 生成学习资源案例

(4)助力课业辅导

课业辅导在当前教育环境中具有重要作用,能帮助学生填补知识漏洞、巩固知识,但大部分集体辅导无法满足学生的个别化需求,个别辅导的成本又限制了一对一教学的普及(卢宇,余京蕾,陈鹏鹤&李沐云, 2023)。而ChatGPT能解答学生课业问题,生成作业测验和考试题目,为学生提供即时的学习反馈和建议,实现个别化辅导。ChatGPT能回答不同学科的问题,提供重要概念解释及相关案例,分享学习方法和技巧;它也能根据指令生成符合情景的题目和答案,针对疑难题目提供相应解题步骤和方法,帮助学生巩固学习成果。

例如,在《细胞膜的结构和功能》一课中,学生可以针对不懂的课后习题寻求ChatGPT的帮助。比如,学生可以给出指令“下列表述是否正确:向细胞注射物质后,细胞膜上会留下一个空洞?”系统将生成该题目答案,并阐述理由。在此基础上,学生可以继续给出指令“请根据以上知识点,生成多道相同或不同情境的单选题,并给出相应答案。”系统将根据知识点,更改问题情境重新生成问题,帮助学生查漏补缺,巩固知识。具体如图11所示。

图像11 ChatGPT助力课业辅导的案例

4. ChatGPT教育应用的挑战

如上所述,ChatGPT的到来为教育带来了全新的机遇。然而,技术是一把双刃剑,ChatGPT的兴起也促使教育研究者面对新的十字路口。本节将探讨ChatGPT在教育领域的四大挑战(图像3):伦理与道德、数据准确性、学业真实性与工具依赖性。

图像12  ChatGPT教育应用的挑战

4.1.伦理与道德

ChatGPT主要以“类人”的文本交流展开交互,其需要大规模的数据进行支撑。为了获得ChatGPT对特定问题的解答,师生需要输入大量与之相关的数据和资料。如此一来,这将带来潜在的隐私泄露的风险,随即而来的是侵犯知识产权以及他人著作权等问题(Pataranutaporn et al., 2021; 张夏恒, 2023; 冯雨奂, 2023)。例如,师生在针对研究内容和思路等问题寻求建议与解答时,ChatGPT通过机器学习进行反馈与记录,随后便会存在泄露与被他人盗用的风险。同时,因ChatGPT缺乏语境理解的本领,可能会带来仇恨言论、种族歧视、性别歧视等反馈内容,这些信息会带来较为严重的青少年问题和社会危害,尤其是对于善恶判断不佳的青少年人群。

4.2.数据准确性

ChatGPT主要是以文本生成内容为主,是一种超大规模语言模型,其系统涌入了大量数据。尽管其有着强大的功能,但该模型的理解和分析能力仍然较弱,存在扭曲事实、随意捏造等问题(Baidoo-Anu & Owusu Ansah, 2023; 张夏恒, 2023; 冯雨奂, 2023; 王天恩, 2023)。因此,其所生成内容的准确性无法保证。如今,很多人把ChatGPT当作一个“知识与信息的提供所”,但在学习中如果不加以合理利用,它所生成的虚假信息会直接误导教师与学习者,严重则会对知识的获取与文化的传承等问题带来影响。例如,在实际应用过程中,当被问到“2m+3n=10,求m·n的最大值,需要详细过程”,ChatGPT给出了一套很详细的错误解法,这对知识浅薄、尚未有辨别能力的学生带来误导,影响他们知识的习得。

4.3.成果真实性

一些学者认为,ChatGPT的到来,摆在面前最大的挑战便为抄袭与剽窃(焦建利,2023; Islam & Islam, 2023; 冯雨奂, 2023; 王天恩, 2023)。例如:语言学家诺姆·乔姆斯基(Noam Chomsky, 2023)表示,ChatGPT“本质上就是高科技剽窃”和“避免学习的一种方式”。那么,学业成果的真实性将成为ChatGPT教育应用的新危机。ChatGPT在对问题作出回答时,可能会综合不同文献或引用某个学者的观点,从而引发学术抄袭的风险,这会大大降低学术研究的可信度,挑战人们对学术界的信任。并且该系统拥有强大的知识供给力,一方面可以提高学习者的学习效率,能够帮助学习者快速地获得所需的资料或答案,但另一方面也可能会助长学习者抄袭、作弊与应付的风气,不能够真正反映学习者真实的学业水平,从而不利于教师开展教学工作,严重影响教学质量。

4.4.工具依赖性

随着ChatGPT不断进入人类的视野,越来越多的教育工作者与学习者把它当作知识提取、问题解决工具。相比于先前的人工智能产品,ChatGPT以“我问你答”的形式为师生提供了更便利的信息获取途径,带来了更真实的交互体验。久而久之,便可能造成一定的依赖与惰性心理,甚至沉迷其中。一方面,这严重阻碍了师生问题解决能力、独立思考、创新精神、合作精神等的发展;另一方面,也将对使用者的身心造成一定的伤害。

5. ChatGPT教育应用的未来研究议题

ChatGPT教育应用是“危”与“机”的并存体,它不仅能为教与学带来巨大的好处,也可能会产生不必要的问题。然而,当前ChatGPT教育应用的研究甚少;因此,研究从实践角度出发,提出了以下ChatGPT教育应用的关键议题。

5.1.构建人工智能教育应用的伦理道德准则

ChatGPT教育应用会引发诸如数据泄露、侵犯隐私等伦理道德问题。随着人工智能技术的不断兴起,人工智能产品将会继续涌向教育领域。当前,鲜少有研究关注人工智能教育应用的伦理道德框架与准则。因此,构建人工智能教育应用的伦理道德准则已成为教育政策制定者与管理者的当务之急。

5.2.提升师生的数字化素养

面对ChatGPT为教育带来的巨大冲击,提高教师与学生的数字素养是未来研究不可或缺的话题。对于教师而言,应树立正确的信息意识,培养明辨是非的能力。对于新技术的到来,教师要培养数字胜任力,参与相关培训与职业发展活动,合理利用ChatGPT实现教学创新。对于学生而言,应树立正确的技术价值观与数字意识,不断提升信息筛选与辨别的能力;同时,应对学生展开相关教育,告诫他们沉迷网络的危害等。

5.3.创新设计ChatGPT教学应用案例

ChatGPT能在教与学上起到重要作用。因此,教育研究者可以针对学习者特征、教学内容与实际需求,创新设计ChatGPT教学应用案例。例如,ChatGPT可以根据不同的教学科目与教学目标,为教学活动生成与之相匹配的教学素材;在学生的学习过程中,作为一种辅助工具帮助学生高效地获取知识并内化;ChatGPT在教育评价中的应用,不仅可以应用于多门学科,例如外语、医学、法学等,亦可以用于对学习者是否达到教学目标以及达到何种程度进行评价;在课后,ChatGPT可以为学习者生成创造性的问题情境,以进一步发展学生的创造力与想象力。

5.4.展开ChatGPT教育应用的实证研究

当前,ChatGPT教育应用多停留于理论与设想层面,其对教与学到底能带来什么影响?我们不为而知。因此,教育研究者可以在未来展开相关的实证研究,为后续研究提供更多客观可靠的依据。例如:相比于传统教学,ChatGPT是否更能促进学生的学习成绩、态度、兴趣与动机?ChatGPT是否会对学生的学习行为带来变化?

5.5.发展ChatGPT应用教育教学的评价体系与策略

教学评价是教学过程中至关重要的一个环节。如上所述,ChatGPT可能会影响学业的真实性与可信度,这将从极大程度上冲击着当前教学评价的模式(Zhai, 2022)。那么,研究者需要构建ChatGPT应用教育教学的评价体系。教师可以借助ChatGPT生成针对性的教学评价方案,包括测试题、项目任务、过程表现等要素。同时,研究者也可以将视野移向学业诚信检测的软件与工具开发上,以此助力教育评价、应对学业诚信等问题。

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