中小学课题申报书人工智能在实验教学中的应用研究.docx

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中小学课题申报书人工智能在实验教学中的应用研究

人工智能在实验教学中的应用研究

学科分类：

基础教育

课题类别：

一般课题

关键词：

人工智能、实验教学、应用

预期研究成果：

课题设计论证

一、问题的提出、课题界定、国内外研究现状述评、选题意义与研究价值。

（1）问题提出：

人工智能于1956年正式诞生以来，已经有50多年的发展历史。

到目前为止，人工智能的研究领域越来越广泛。

尽管人工智能并不是为教育专门研发的，但是人工智能的不断发展，使得其在教育中的应用也越来越广泛，教育的智能化一直是教育界和教育技术领域的理想和目标。

在教育领域，人工智能的实施包含了两个方面:

一方面是人工智能课程纳入中学课程。

另一方面是人工智能在教育教学中的应用。

　　当前，以计算机技术、通信技术和人工智能为基础的现代技术渗透到社会生活的每个角落，整个社会出现了“信息化、智能化”的潮流，人类社会正在进行着一场深刻的“数字化”“智能化”变革，信息化智能化社会已经到来。

由此，信息化、智能化社会向教育提出了挑战:

在新的世纪里应该培养什么规格的人才来满足社会的需要?

又如何培养和造就这样的人才呢?

运用现代教育技术，特别是信息技术和人工智能促进教育、教学改革是一条途径。

因此信息技术、人工智能在教育教学中的应用就成为现代教师的“必修课程”。

（2）课题界定

　　从教学一线的现状来看，人工智能课程的教学效果有待提高，人工智能辅助教学的功能体现的不够充分，专家学者对人工智能在中学中的应用研究较为薄弱。

因此，为提高中学人工智能课程教学效果和人工智能在教育教学中的深层次应用，该研究从理论和实践应用的可行性两个方面着手，对中学人工智能教学现状、应用现状进行研究分析，其目的在于，为中学人工智能课程的开展和人工智能在中学教育中的深层次应用提供理论依据和实践经验。

该课题主要针对人工智能在实验教学中的应用展开研究。

　　（3）、国内外研究现状述评

　　目前，在教育领域，人工智能的实施包含了两个方面:

一方面是人工智能课程。

主要包括中小学信息技术必修课程中与人工智能相关的内容，以及人工智能选修课程;另一方面是人工智能在学科教学中的应用，即人工智能为学校的教育教学提供了丰富的教育资源和科学的教育测评方法。

　　由于对人工智能的研究需要脑神经科学、计算机科学、教育学、心理学等复杂的学科背景，许多专家学者对其研究逐步减弱，因此其发展速度偏低，其关注度在2008年之后呈递减趋势。

，研究内容主要集中在人工智能的理论研究、系统研发，人工智能在教育中的应用以及在课程教学中的研究，比较浅显、简单，而且分布不均。

深入研究发现，在人工智能课程教学研究中以“机器人教学”为主。

人工智能教育应用主要集中在高等院校，在中学中的应用较为简单。

就目前人工智能课程在我国中学阶段的开展情况来看不容乐观，人工智能在中学教育教学中的应用体现的还不够充分，主要原因是科研投入不足，教学设备落后且地区差异较大，科研人员不是一线教师，一线教师有不太熟悉现代信息技术和人工智能。

造成信息技术和人工智能在教学中的深层应用的研究和推进缓慢。

　　（4）选题意义与研究价值

进入二十一世纪，网络技术、信息技术和人工智能的不断突破，对人们的生产、生活、工作、学习方式的改变产生了重大的冲击。

学生获取、处理、储存、发布信息的能力将对他们今后本人及社会发展产生深刻的影响，知识经济、数字化信息时代和人工智能时代已经到来，根据未来社会对劳动者素质的要求，传统的教育、教学模式正在酝酿着重大的突破。

实验教学也迫切需要改革和突破

　　国家《基础教育课程改革纲要（试行）》提出了转变学生学习方式的要求，要求新课程“注重培养学生的独立性和自主性，引导学生质疑、调查、探究，在实践中学习，促进学生在教师的指导下主动地、富有个性地学习”。

因此，学生学习方式的转变是衡量这次课程改革实际效果的一个重要标志，实验教学的革新也是课程改革的重点之一。

而信息技术和人工智能在实验教学中的应用是实验教学改革的重中之重，对实验教学改革成效有重大影响，也是教育工作者研究的重要课题之一。

本课题的研究成果推广将对实验教学改革产生重大影响。

　　二、课题研究目标、研究内容、研究重点和创新之处。

（1）课题理论依据：

随着人工智能的大火，越来越多人开始认识AI是大势所趋，各行各业都将随着人工智能而带来升级与改革，并催生出新的商业模式！

为了制胜未来，人才储备是最关键的！

国务院发布《新一代人工智能发展规划》就明确提出：

要在中小学设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，编程思维能使孩子更加具备“解决问题”“内在学习动力”“创造能力”。

相信随着AI课程在中小学教育的推广，将会催生更多引领时代潮流的新生代“创客”。

人工智能走进课堂，服务教学、应用于教学是大势所趋。

人工智能应用于教学的研究也是教育工作者研究的重要课题。

（2）研究目标：

借助我校智慧校园，智慧黑板等教学设备，运用先进教学手段，改变传统教学模式，摸索出一系列符合我校实际教学需要的信息技术和人工智能环境下新的教学模式和教学方法，使教师在实验教学中将人工智能的应用转化成可操作性强、实用性强、借鉴性强的模式和经验。

　　（3）研究内容：

A、信息化条件下、人工智能环境下实验教学模式、教学观念的创新研究;B、实验原理的智能化创新研究;C、实验过程智能化创新研究;D、数据测量智能化创新研究;E、数据处理智能化创新研究。

　　（4）研究重点和创新之处：

人工智能在教学方面的应用较广，本课题重点研究人工智能在实验教学方面的具体应用，范围小，切入点小而准。

重点研究人工智能在实验教学模式、实验原理、器材组合、过程优化、数据测量、数据收集处理等方面的创新应用。

不搞宽而泛理论探讨，小点切入，逐步展开。

　　三、研究思路、研究方法、实施步骤。

（1）研究思路：

以学校的智慧黑板、实验室、网络平台和现有的有关资料文献为依托，以教师为主体，从各个分课题入手，抓住各个具体实验中存在的主要问题，采用各种智能化的手段或虚拟化手段加以解决，或者将已有的半智能化实验加以优化。

最后将各种智能化策略、方法、手段和技巧加以总结，形成理论化的研究成果。

以论文、视频影像图片等形式展示研究成果。

（2）研究方法：

A对已有文献和模型研究，总结好的方法经验技巧加以应用，对不足的地方加以改进和优化。

B具体应用研究：

包括实验原理方法及模型的智能化和优化研究。

实验过程简化、改进优化和智能化改进研究。

数据记录简便、快速、准确化、智能化的研究。

数据处理方便快捷的智能化研究。

　　C案例研究：

对案例深入剖析，总结得失，找出解决方案，形成论文成果。

D经验总结：

在以上研究的基础上，分析、归纳和总结，形成有规律、可操作、可推广的研究成果。

（3）实施步骤：

（1）准备阶段（2019年7月--2019年12月）:

①建立实验课题组。

②学习收集有关资料，梳理文献，分析现状。

③讨论制定实验方案。

（2）实施阶段（2019年12月--2020年12月）:

全面铺开各子课题的研究，召开课题组会议，交流情况，分析阶段性经验，修正方案，各子课题结题。

　　（3）总结阶段（2021年1月---2021年8月）:

①分析整理材料。

②实验成果汇编。

③撰写研究报告。

④总结评估。

　　四、课题佐证材料：

课题编号：

7464

人工智能在实验教学中的应用研究

学科分类：

基础教育

课题类别：

一般课题

关键词：

人工智能、实验教学、应用

预期研究成果：

研究报告

课题设计论证

一、问题的提出、课题界定、国内外研究现状述评、选题意义与研究价值。

（1）问题提出：

近年来，以计算机、通信技术和人工智能为代表的新时代互联网科技正在大众的学习、生活中扮演日益重要的角色，同时随着互联网科技的发展，人工智能的研究和应用也越来越广泛。

伴随着教育改革的不断深入，高中教学也面临着新的挑战:

在新时代背景下应该如何调整学生培养方式来应对未来社会的人才需求?

又该如何培养和造就具有自我调整以适应社会发展的能力的人才呢?

因地制宜地运用现代化教育技术，特别是信息技术和人工智能促进教育、教学改革是一条顺应时代发展的有效途径，因此信息技术、人工智能在教育教学中的应用就成为一线教师的“必修课程”。

由于人工智能在教育教学中的应用尚未形成健全成熟的体系，教育的智能化应用还有待广大教师的共同努力和探索。

目前教育领域的人工智能应用可概括为两方面，一是人工智能课程即将纳入中学课程，二是其在教育教学中的具体应用。

本课题从小点切入，注重研究人工智能在实验教学中的应用。

期望有抛砖引玉之效。

（2）课题界定：

从教学一线的现状来看，人工智能课程教学效果有待提高，人工智能辅助教学的功能不强，有待进一步挖掘和提高。

专家们对人工智能在教育教学中的应用研究不够充分和深入。

因此，为提高中学人工智能在课程教学效果和人工智能在教育教学中的深层次应用，本研究从理论和实践应用的可行性两方面着手，对中学人工智能教学现状和应用现状进行研究分析，想为中学人工智能课程的开展和人工智能在中学教育中的深层次应用提供理论依据和实践经验。

由于研究水平有限，研究团队人员素质和水平限制，不可能进行广泛和深入的研究，只能从小点入手，主要针对人工智能在实验教学中的应用展开研究。

研究人工智能在改进实验方法、增强实验直观性、快速精确读取实验数据、快速处理实验数据等方面的应用。

（3）国内外研究现状述评：

目前，在教育领域，人工智能的实施包含了两个方面：

一方面是人工智能课程。

主要包括中小学信息技术必修课程中与人工智能相关的内容，以及人工智能选修课程；另一方面是人工智能在学科教学中的应用，即人工智能为学校的教育教学提供了丰富的教育资源和科学的教育测评方法。

目前的技术条件下，具有较高可操作性和推广性的应用主要包括五个方面：

一，应用课堂人脸识别系统，对学生上课时的微表情和状态进行实时动态跟踪，智能分析记录学生在接受不同知识点、不同讲授方式时对应的学习状态；二，智能批改系统，现在已有很多程序及网站可以完成作业的自动批改和订正；三，学习数据综合管理评定系统，通过对学生的课堂答题、日常作业、考试测验等学习数据的记录和智能分析，更科学、便捷地提出学习建议；四，智能备课辅助工具，将地区范围内相同课程安排的教师的备课内容收集并进行模块化整理，与相应的学生学习数据进行对比，便于教师之间互相交流，以及根据学生学习效果进行及时调整；五，智能课件系统，根据系统记录的学生数据，对教师授课内容提出针对性的、智能化的建议，并对模块化的课件进行自动填充、修改，使课件制作更高效、更有针对性。

研究内容主要集中在人工智能的理论研究、系统研发，人工智能在教育中的应用以及在课程教学中的研究，比较浅显、简单，而且分布不均。

人工智能教育应用主要集中在高等院校，在中学中的应用较为简单。

就目前人工智能课程在我国中学阶段的开展情况来看不容乐观，人工智能在中学教育教学中的应用体现的还不够充分，主要原因是科研投入不足，教学设备落后，且地区差异较大，存在科研人员不是一线教师，一线教师有不太熟悉现代信息技术和人工智能软件的开发应用。

造成信息技术和人工智能在教学中的深层应用的研究和推进速度缓慢。

（4）选题意义与研究价值：

随着网络技术、信息技术和人工智能的不断突破，对人们的生产、生活、工作、学习方式的改变产生了重大的冲击。

学生获取、处理、储存、发布信息的能力，将对他们今后的生活工作以及社会发展产生深刻的影响，知识经济、数字化信息和人工智能的开发应用，对未来社会的劳动者素质的要求提高了，对传统的教育、教学模式重大变革提出了新的要求。

国家《基础教育课程改革纲要（试行）》提出了转变学生学习方式的要求，要求新课程“注重培养学生的独立性和自主性，引导学生质疑、调查、探究，在实践中学习，促进学生在教师的指导下主动地、富有个性地学习”。

因此，学生学习方式的转变是衡量这次课程改革实际效果的一个重要标志，实验教学也迫切需要改革和突破。

实验教学的革新也是课程改革的重点之一。

而信息技术和人工智能在实验教学中的应用是实验教学改革的重中之重，对实验教学改革成效有重大影响。

希望本课题的研究成果推广将对实验教学改革能产生一定的影响。

二、课题研究目标、研究内容、研究重点和创新之处。

（1）课题理论依据：

随着人工智能的广泛应用，越来越多人开始认识到人工智能的重要性，各行各业都将随着人工智能而带来升级与改革，并催生出新的商业模式！

为了制胜未来，人才储备是最关键的！

国务院发布《新一代人工智能发展规划》就明确提出：

要在中小学设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，编程思维能使孩子更加具备“解决问题”“内在学习动力”“创造能力”。

相信随着人工智能课程在中小学教育的推广，将会催生更多引领时代潮流的新生代“创客”。

人工智能走进课堂，服务教学、应用于教学是大势所趋。

人工智能应用于课堂教学研究也是教育工作者研究的重要课题。

（2）研究目标：

借助我校智慧校园，智慧黑板等教学设备，运用先进教学手段，改变传统教学模式，摸索出一系列符合我校实际教学需要的信息技术和人工智能环境下新的教学模式和教学方法，使教师在实验教学中将人工智能的应用转化成可操作性强、实用性强、借鉴性强的模式和经验。

（3）研究内容：

A、信息化条件下、人工智能环境下实验教学模式、教学观念的创新研究;B、实验原理的智能化创新研究;C、实验过程智能化创新研究;D、数据测量智能化创新研究;E、数据处理智能化创新研究。

（4）研究重点和创新之处：

人工智能在教学方面的应用较广，本课题重点研究人工智能在实验教学方面的具体应用，范围小，切入点小而准。

重点研究人工智能在实验教学模式、实验原理、器材组合、过程优化、数据测量、数据收集处理等方面的创新应用。

不搞宽而泛的理论探讨，小点切入，逐步展开。

三、研究思路、研究方法、实施步骤。

（1）研究思路：

以学校的智慧黑板、实验室、网络平台和现有的有关资料文献为依托，以教师为主体，从各个分课题入手，抓住各个具体实验中存在的主要问题，采用各种智能化的手段或虚拟化手段加以解决，或者将已有的半智能化实验加以优化。

最后将各种智能化策略、方法、手段和技巧加以总结，形成理论化的研究成果。

以论文、视频影像图片等形式展示研究成果。

（2）研究方法：

（A）、对已有文献和模型研究，总结好的方法经验技巧加以应用，对不足的地方加以改进和优化。

（B）、具体应用研究：

包括实验原理方法及模型的智能化和优化研究。

实验过程简化、改进优化和智能化改进研究。

数据记录简便、快速、准确化、智能化的研究。

数据处理方便快捷的智能化研究。

（C）、案例研究：

对案例深入剖析，总结得失，找出解决方案，形成论文成果。

（D）、经验总结：

在以上研究的基础上，分析、归纳和总结，形成有规律、可操作、可推广的研究成果。

（3）实施步骤：

（a）准备阶段（2020年7月--2020年12月）:

①建立实验课题组。

②学习收集有关资料，梳理文献，分析现状。

③讨论制定实验方案。

（b）实施阶段（2020年12月--2021年12月）:

全面铺开各子课题的研究，召开课题组会议，交流情况，分析阶段性经验，修正方案，各子课题结题。

（c）总结阶段（2022年1月---2022年8月）:

①分析整理材料。

②实验成果汇编。

③撰写研究报告。

④总结评估。

（4）、预期研究成果

主要阶段性成果（限报8项）

序编号

研究阶段

（起止时间）

阶段成果名称

成果形式

负责人

1

2020.9-2020.10

制订课题实施方案

纸质、电子文档

张耀斌

2

2020.10-2020．11.

收集梳理资料，学习理论文献

资料辑录

龚永柱

3

2020.11-2021．1

设置、发放调查问卷，撰写调查报告

资料辑录

张绍军

4

2020.11-2022．1

人工智能实验教学课堂实录

录像光碟

罗雯

5

2020.12-2022．1

人工智能实验课外制作活动实录

录像光碟

罗雯

6

2021.6-2022．8

人工智能实验教学分课题研究总结

论文辑录

刑国亮

7

2022.5-2022.9

本课题研究报告

纸质、电子文档

张耀斌

8

2022．6-2022.9

本课题研究资料集

纸质、电子文档、光碟

张保中

最终研究成果（限报3项，其中必含研究报告）

序号

预期完成时间

最终成果名称

成果形式

负责人

1

2022.10

“人工智能在实验教学中的应用研究”课题论文集

论文集

刑国亮

2

2022.10

“人工智能在实验教学中的应用研究”课题音视频资料集

光碟

张保中

3

2022.10

本课题研究报告

论文

张耀斌

四、主要参加者的学术背景、前期相关研究成果、完成课题的保障条件。

（1）、主要参加者的学术背景和研究经验、组成结构（如职务、专业、年龄等）。

本课题组成员多是各学科教学的带头人，涉及信息技术、物理、化学、生物等学科，其中有湖北省特级教师，有享受湖北省政府津贴的中青年专家、神农架林区教学名师，有获得神农架林区党委政府表彰的优秀教师，年龄均在30-55岁之间，可谓年富力强，都具有扎实的理论底蕴，较强的教学能力和科研水平，在计算机教学和信息技术应用方面具有相对丰富的教学经验，能确保本课题顺利开展。

姓名

性别

年龄

职称

职务

研究专长

工作经验

吴宇华

男

　　56

正高

副校长

教学与管理研究

　　长期从事管理工作及一线教学工作，省特级教师，，参入过湖北省教育科学“十二五”规划课堂课题研究。

教学、教研和管理都经验丰富。

李昌军

男

　　47

副高

教务处副主任

职教与教学研究

　　长期担任班主任和一线教学工作，区级骨干教师，参入职教管理。

教学、研究和管理经验丰富。

龚永柱

男

　　49

副高

教科室主任

管理与教学研究

　　长期从事一线教育教学和班主任工作，对于学生的教育管理有着丰富的经验，参入湖北省教育科学“十二五”规划课堂课题研究。

教研和管理经验丰富

张保中

男

　　55

中级

无

教学研究

　　长期从事一线教学和班主任工作，教学研究和学生管理经验丰富。

张绍军

男

　　37

中级

副校长

教学与管理研究

　　长期从事一线教学及管理工作，参入过湖北省教育科学“十二五”规划课堂的课堂研究，教学研究和管理经验丰富。

罗雯

女

　　31

中级

副校长

教学研究

　　多拿担任班主任，从事一线教学和管理工作，教学研究和管理经验丰富。

（2）、已取得的相关研究成果

近几年来，我校分别完成了湖北省“十二五”规划教育科研课题《中小学趣味疯狂英语课内外活动最优化实验与研究》、《农村学生个性发展与因材施教的研究》、《信息化条件下山区高中教学方式与学习方式变革研究》“十三五”规划教育科研课题《中小学趣味疯狂英语词汇教学基本方法实验与研究》等课题研究。

本课题主要参入人在各级刊物发表了多篇教育教学论文，参入林区教研室联合编辑刊印《教育论文集萃》十多期，刊登具有地域教育教学示范指导意义的论文若干，参入了两个省教科院的课题研究，有丰富的经验。

学校去年对三十多个教室进行了智能化改造，搭建了智能化网络教学平台，对音乐室、录播室、实验室进行了智能改造升级。

这些为我校开展智能化的实验创新应用研究奠定了理论和物质基础。

课题组成员近年已取得的有关研究成果

成果名称

　　作者

　　成果形式

　　发表刊物或出版单位

发表出版时间

　　《浅谈高中物理教学中传授知识与培养能力的关系》

　　张耀斌

　　全国科教成果一等奖

　　《教学与研究》

　　2018.07

　　高中物理教学中科学素质的培养

　　张耀斌

　　《教育论文集萃》

　　2016.10

　　试析学生中的“假成功现象”

　　龚永柱

　　优秀论文一等奖

　　《中小学教育》

　　2019.09

　　《高中物理教学中如何践行“问题驱动课堂”》

　　李昌军

　　《好家长》

　　2018.07

　　《绿色化学化学理念在高中化学实验教学中的应用探究》

　　张宝中

　　全国教育优秀论文一等奖

　　《教育》

　　2019.03

　　《浅析不等式求最值的常用方法》

　　刑国亮

　　中国教育学会国家级一等奖

　　《基础教育参考》

　　2016.11

　　《浅议二面角的平面角》

　　刑国亮

　　新课程杂志社特受优秀论文一等奖

　　《新课程》

　　2016．12

课题组成员近年承担的研究课题

本课题参入者

参入课题名称

课题类别

批准时间

　　批准单位

完成情况

　　龚永柱、张绍军

　　《农村学生个性发展与因材施教的研究》

　　湖北省教育科学“十二五”规划课堂

　　2014.3

　　湖北省教育科学院

结题

　　吴宇华、龚永柱

　　《信息化条件下山区各种教学方式与学习方式变革研究》

　　湖北省教育科学“十二五”规划课堂

　　2015.6

　　湖北省教育科学院

结题

（3）、完成课题的保障条件（如所在单位的经费、设备、资料、时间安排等条件以及单位原有的研究基础）。

1、组织保障:

为了加强领导，学校成立课题实验领导小组，组长由校长担任，主管教学工作的副校长担任副组长，成员由教务处、教科室、名师工作室等部门的主要领导组成。

课题实验领导小组办公室设在教科室处，具体负责课题实验的日常工作，组织各实验小组开展实验研究。

2、经费保障:

学校设立课题实验专项经费，用于支持各课题实验小组开展教改实验。

专项资金按照统一规划、专款专用的原则，实行项目管理，教科室负责经费的使用管理。

3、技术保障:

学校成立课题实验专家组，组长由科研处处长担任，成员由学校信息技术骨干教师和有关企业软件专家组成，专家组定期开展集体会诊，及时进行技术指导，并聘请林区教育局教研室专家为顾问，对学校课题实验进行较高层次指导，确保课题实验的顺利高效推进。

4、设备、资料保障：

我虽为山区学校，但是去年学校各教室都安装了智慧黑板，搭建了信息化网络平台。

有藏书相对丰富的图书室、阅览室，还有智能化音乐教室和录播室等，能够满足各学科进行现代多媒体形式和智能化形式的教学活动。

5、单位原有的研究基础：

近年来，学校组织各学科开展了课堂录像评比、网络教研、一师一课实况录像上报上传等活动，征集了部分音视频资料，为本课题的开展奠定了初步基础。

近几年来，我校积极开展多媒体信息技术及网络教学的实践，在研究过程中教师与学生的信息素养和技能得到了极大的提高，学校已经培养了一支以青年教师为骨干的具有较高教育技术和科研水平的优秀群体。

这些都为本课题研究提供了软件和硬件的支撑。

（4）、主要参入者前期的论文及参入的课题证书材料。

五、开展本课题研究的主要参考文献。

1、催炜《人工智能在教学机器人中的应用实践》。

2、网络文献《人工智能在教育方面的典型应用》。

3、悦懂智能《人工智能教育应用的发展趋势与实践案例》。

4、史蒂芬.哈格德《人工智能的教育应用面临转折》。

5、网络文章《人工智能在教育领域的五大应用》。

课题编号：

9270