Статья «ИСКУССТВЕНЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧИТЕЛЯ ИНФОРМАТИКИ И МАТЕМАТИКИ: ВОЗМОЖНОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА»

«ИСКУССТВЕНЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧИТЕЛЯ ИНФОРМАТИКИ И МАТЕМАТИКИ: ВОЗМОЖНОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА»

Назарова М.А.

Шамсутдинова Э.Р.

Искусственный интеллект (ИИ), математика и информатика являются взаимосвязанными областями исследований, которые привлекают все большее внимание ученых и индустрии. ИИ обеспечивает компьютерам и системам возможность анализировать, понимать и принимать решения на основе данных, в то время как, например, математика предоставляет фундаментальную основу для разработки и анализа алгоритмов ИИ.

Современные исследования в области ИИ и математики активно сосредоточены на разработке более эффективных алгоритмов, способных решать сложные задачи, которые ранее требовали участия человека.

В контексте преподавания математики ИИ может служить как мощным инструментом для персонализации учебного процесса, так и средством для повышения эффективности преподавания за счет автоматизации некоторых рутинных задач учителя. Например, ИИ может адаптировать задания в зависимости от уровня знаний каждого ученика, анализировать их успехи и выявлять области, требующие дополнительного внимания. Использование ИИ в образовательных технологиях открывает новые возможности для школьников, помогая им усваивать сложные математические темы на своем собственном уровне и темпе. Благодаря ИИ преподаватели могут создавать более эффективные учебные программы, а ученики получают возможность учиться с более высокой степенью вовлеченности.

Нам, как учителям, нейросети необходимы ежедневно для своего профессионального роста, саморазвития в различных областях. Они помогают нам экономить время при поиске информации, составлении различных сценариев мероприятий и т.д.

В преподавании математики ИИ способен решать ряд задач, которые традиционные методы обучения не всегда могут эффективно решить. Давайте рассмотрим, как именно ИИ применяется в образовательных технологиях, с акцентом на обучение математике и информатике.

Основные направления применения ИИ в образовании.

Персонализированное обучение.

Одним из ключевых преимуществ ИИ является его способность адаптировать учебный процесс к индивидуальным потребностям каждого ученика. Это достигается за счёт анализа уровня знаний, предпочтений и стиля обучения каждого учащегося. Системы ИИ могут предлагать задания и упражнения, соответствующие текущему уровню ученика, постепенно усложняя их по мере его прогресса.

Анализ данных об успеваемости.

Искусственный интеллект может обрабатывать большие объёмы данных об учебных достижениях учеников, выявлять закономерности и давать рекомендации учителям. Например, ИИ может обнаружить, что определённый ученик стабильно делает одни и те же ошибки в заданиях, и предложить дополнительные материалы для их исправления. Этот анализ помогает учителям более точно понимать, где ученики сталкиваются с трудностями, и своевременно корректировать учебный процесс. Например, платформы, такие как DreamBox или Knewton, собирают данные о том, как ученики решают задачи, сколько времени они тратят на задания, и каковы их успехи, предлагая учителям отчёты о прогрессе класса и каждого ученика. DreamBox — это адаптивная образовательная платформа, которая использует ИИ для обучения математике. Она предлагает ученикам задания, адаптированные к их уровню подготовки, и автоматически регулирует сложность в зависимости от успехов ученика. DreamBox использует алгоритмы ИИ для постоянного анализа взаимодействия учеников с платформой и для персонализации опыта обучения.

Виртуальные репетиторы и помощники.

Виртуальные репетиторы на основе ИИ, такие как Socratic (принадлежащий Google) или MATHia – которая создаёт интерактивные уроки, адаптированные к уровню знаний ученика, и предлагает персонализированные советы и пошаговые объяснения в режиме реального времени помогают ученикам в режиме реального времени, предоставляя пошаговые объяснения и подсказки. Эти системы анализируют, где именно ученик допустил ошибку, и могут дать ему подсказку, не выдавая ответ, что способствует более глубокому пониманию материала. В математике это особенно важно, поскольку многие ученики сталкиваются с трудностями в понимании абстрактных концепций. Виртуальные репетиторы могут объяснять материал с разных углов, предлагая различные подходы к решению задачи, пока ученик не поймёт её суть.

Автоматизация рутинных задач.

Преподавателям приходится выполнять множество рутинных задач, таких как проверка домашних заданий и тестов. ИИ может взять на себя эту нагрузку, позволяя учителям сосредоточиться на более сложных аспектах обучения, таких как разработка учебных планов или индивидуальная работа с учениками.

Также хотелось рассказать о тех нейросетях, которые регулярно применяются нами в работе и особенно ценны.

Chaт GPT – это нейросеть, которая до недавнего времени работала только в текстовом редакторе, она при получении запроса обрабатывала по его тематике всю имеющуюся в Интернете информацию и на ее основании «выдавала свой продукт, уникальность которого с точки зрения плагиата была на уровне 60%-100%). На данный момент данная нейросеть получает возможность работать не только в текстовом редакторе, но и получать голосовые запросы, а также отвечать голосом. Как учитель может использовать данную нейросеть в своей работе?

Данная нейросеть позволит через один правильно сформулированный вопрос избавить от всей этой работы и сразу выдаст результат, как именно провести интеграцию тем в различных предметных областях, сама сформулирует задания с готовыми решениями. Кстати, задания данная нейросеть может составить (сгенерировать) вообще по любой теме с ответами и ответы на них учащиеся не смогут найти через поисковые системы в Интернете. Также при правильном запросе нейросеть вам предложит готовую разработку внеклассного мероприятия, напишет за вас статью, доклад, проект по любой теме. Можно использовать данную нейросеть, а также ее аналоги (Алису, Марусю) на уроках и во внеурочной деятельности для развития у учащихся читательской грамотности, креативного мышления через умение задавать «нужные» вопросы и умение анализировать полученную информацию для дальнейшего креативного применения. Например, при изучении темы «Простые и составные числа» (в учебнике нет данной темы) учащимся предлагается задать не более 5 вопросов нейросети для составления постера по данной теме и дальнейшей успешной работе с рабочими листами. Именно на этом уроке я воспользовалась нейросетью Chaт GPT (Приложение №1), ответы дети получали в виде текста, после работы с данной нейросетью они не затруднялись при выполнении заданий рабочих листов, а значит усвоили данную тему на достаточно высоком уровне. Данную нейросеть можно применять постоянно, придумывая для нее каждый раз новые задачи.

Очень часто нам нужно, чтобы учащиеся по-новому взглянули на уже известную информацию или анализируя какое – либо изображение самостоятельно узнали тему урока, мероприятия или цели, иногда нам необходимо визуализировать какой – либо процесс для получения необходимого уровня усвоения нового материала учащимися. Или просто поиграть их умением креативно мыслить для получения нового продукта. На помощь нам приходят нейросети: Wolfram Alpha, Cliffs Notes (ускоренное чтение книг, на данный момент на различных сайтах видеохостингах используются нейросети – аналоги кратко передающие содержание статей, видео), Spark Notes (подбор дополнительной литературы по теме), Adobe Photoshop Adobe (создание новых образов, улучшение качества изображения) Podcast letsenhance.io (улучшение качества аудио, изменение уже существующего аудио). Но самые интересные для этой цели нейросети в работе учителя – это zvukogram.com, vispet.tech и neuro-holst.ru/text-to-image.

Нейросеть zvukogram.com позволяет озвучивать любые тексты различными голосами в отличном качестве, выбор «авторов» голоса огромен (мужчина, женщина, ребенок, сказочные персонажи), можно уже у выбранного персонажа задавать различные критерии, пример данной озвучки можно услышать по ссылке в приложении №2. В данной нейросети каждый педагог найдет множество различных применений на каждом уроке, каждом внеклассном мероприятии.

Нейросеть vispet.tech позволит не только озвучить текст любым голосов, но и создать видео с ведущим. В данной неройсети огромный выбор ведущих, которые будут озвучивать ваш текст, выбор фона выступления, выбор фоновой музыки, выбор жестов ведущего. А самое главное – это простота использования данной нейросети, пример результата ее применения можно увидеть по ссылке в приложении №3. Применение также данной нейросети может найти каждый педагог. Сложно описать все ее возможности сделать учебный процесс интересным, увлекательным, креативным.

Нейросеть vispet.tech и neuro-holst.ru/text-to-image это возможность с помощью картинок интегрировать межпредметные связи, визуализировать различные задачи. Например, при изучении темы «Признак перпендикулярности прямых в пространстве» я предложила учащимся задание, в котором говорилось, что архитектору заказали дом в виде куба из хрупкого стекла, после выполнения заказа ему отказались платить из-за того, что заказчик посчитал, что балки на потолке располагаются друг к другу не под прямым углом (подниматься на крышу дома нельзя т.к. он очень хрупкий) и нужно было придумать способ для доказательства, что дом построен правильно (нейросеть создала рисунок такого дома (приложение №4), учащиеся могли выделять его различные элементы для доказательства перпендикулярности прямых в пространстве. Также в приложении №5 можно увидеть рисунки, предложенные данной нейросетью, для объяснения учащимся 5 класса, что такое объем. Не все, конечно, рисунки получаются удачные, но данная нейросеть всегда предлагает 3 рисунка на выбор. Но иногда видимо нейросеть слишком ответственно подходит к созданию рисунков в соответствии с запросом и не каждый человек может понять, что она хотела изобразить.

Практическое применение ИИ в математических задачах имеет много перспективных направлений, таких как:

1. Решение сложных уравнений и систем уравнений: Искусственный интеллект может использоваться для разработки алгоритмов и методов, которые могут автоматически решать сложные математические уравнения и системы уравнений. Это может быть особенно полезно в областях, где уравнения являются сложными или нелинейными.

2. Оптимизация: Искусственный интеллект может помочь в оптимизации математических функций и задач. Он может использоваться для поиска оптимального решения в задачах линейного программирования, планирования и расписания, оптимального размещения объектов и т. д.

3. Анализ данных: Искусственный интеллект широко применяется в анализе данных, включая статистический анализ, обнаружение паттернов и тенденций, классификацию и кластеризацию данных. Это может быть полезно для обработки больших объемов информации и выявления скрытых зависимостей и закономерностей.

4. Геометрические вычисления: Искусственный интеллект может использоваться для автоматического определения геометрических параметров или свойств объектов на основе предоставленных данных. Например, это может быть применено для распознавания и классификации геометрических фигур или для решения задач компьютерного зрения, связанных с изображениями и геометрическими данными.

5. Разработка новых математических концепций: Искусственный интеллект может быть использован для создания новых математических концепций и теорий, основанных на обработке и анализе больших объемов данных или на использовании эволюционных алгоритмов и машинного обучения.

Но применение искусственного интеллекта (ИИ) в математике имеет свои недостатки с точки зрения практической эффективности и экономической целесообразности:

1. Для обучения моделей ИИ требуется достаточно большой объем данных. В математике не всегда легко найти доступные и разнообразные данные, особенно для сложных и специализированных задач.

2. Иногда результаты, полученные с помощью ИИ алгоритмов, могут быть сложны для интерпретации и объяснения пользователям. Это может вызвать сомнения и неуверенность в точности результата.

3. Некоторые математические проблемы могут быть слишком сложны для существующих алгоритмов ИИ. В таких случаях, применение ИИ может не давать достаточно точных и надежных результатов.

4. Построение и поддержка инфраструктуры для применения ИИ требует значительных ресурсов, включая вычислительную мощность и профессиональных специалистов. Это может быть недоступным для некоторых организаций или отдельных пользователей из-за высоких затрат.

5. Использование ИИ в математике может повлечь за собой риск утечки конфиденциальных данных и возникновение уязвимостей в системах безопасности. Это особенно критично в коммерческой сфере, где утечка информации может привести к финансовым потерям или утрате конкурентных преимуществ.

Использование ИИ-инструментов на уроках информатики

Стремительное развитие искусственного интеллекта открывает новые перспективы для всех сфер жизни, включая образование. В преподавании информатики ИИ может значительно улучшить качество обучения, повысить эффективность работы учителя и персонализировать учебный процесс для каждого ученика. Однако, внедрение ИИ в образовательную практику сопряжено с определенными трудностями и требует тщательного анализа как возможностей, так и потенциальных рисков.

ИИ может быть использован на различных этапах учебного процесса:

• Автоматическая проверка кода: Системы автоматической проверки кода, такие как CodeGrade или Repl.it, позволяют моментально проверять правильность написанного кода, выявлять синтаксические ошибки и предлагать рекомендации по улучшению. Это освобождает время учителя для индивидуальной работы с учениками и позволяет студентам получать оперативную обратную связь, что ускоряет процесс обучения. Например, ученик изучает циклы. ИИ анализирует его код и замечает, что он испытывает трудности с использованием цикла while. Система генерирует задачу, в которой необходимо использовать цикл while для решения конкретной проблемы (например, вычисления суммы ряда чисел). Ученик решает задачу, получая при этом обратную связь от ИИ и рекомендации по улучшению кода.

• Интеллектуальные системы обучения (ИСО): ИСО способны адаптировать учебный материал к индивидуальному темпу и уровню подготовки каждого ученика. Они могут предлагать дополнительные задания для одарённых студентов или, наоборот, упрощать материал для тех, кто испытывает трудности. Примеры таких систем включают в себя платформы адаптивного обучения, которые используют алгоритмы машинного обучения для персонализации контента.

• Чат-боты: Чат-боты могут использоваться для ответа на часто задаваемые вопросы, предоставления справочной информации и оказания технической поддержки учащимся. Это позволяет учителю сосредоточиться на более сложных задачах и индивидуальной работе с учениками. Например, ученик изучает тему "Сортировка массивов". Он не понимает, как работает алгоритм быстрой сортировки. Он задает вопрос чат-боту, который в ответ предоставляет пошаговое объяснение алгоритма, иллюстрированной анимацией. Чат-бот также предлагает ученику решить несколько задач на сортировку, чтобы закрепить полученные знания.

• Генерация учебных материалов: ИИ-инструменты могут помочь в создании разнообразных учебных материалов, включая тесты, упражнения и презентации. Например, помощник «Алиса» от Яндекс; генерация изображений с помощью нейросети «Кандинский»; создание презентаций с помощью нейросети «Gamma». Это существенно сокращает время на подготовку к урокам.

• Виртуальная лаборатория по машинному обучению. ИИ может быть использован для создания виртуальных лабораторий, где ученики могут экспериментировать с алгоритмами машинного обучения. Ученики могут загружать свои данные, обучать модели, оценивать их точность и визуализировать результаты. Например, ученик изучает тему "Классификация изображений". Он загружает в виртуальную лабораторию набор фотографий кошек и собак. Он выбирает алгоритм классификации (например, нейронную сеть) и обучает модель на загруженных данных. Затем он тестирует модель на новых изображениях и оценивает ее точность. Виртуальная лаборатория предоставляет ученику инструменты для визуализации результатов обучения, например, графики зависимости точности от количества эпох обучения.

В заключении, можно сказать, что искусственный интеллект имеет потенциал кардинально изменить преподавание математики для школьников среднего и старшего звена. Правильное использование ИИ может повысить эффективность учебного процесса, сделать его более индивидуализированным и гибким, предоставляя каждому ученику возможность учиться в своём темпе и на своём уровне.

Однако успех в этой области будет зависеть от того, как мы сможем сбалансировать использование ИИ с традиционными методами обучения, поддерживать доступность технологий для всех учеников и решать возникающие этические и технические вопросы. Будущее образования с использованием ИИ представляется многообещающим, но оно требует тщательной подготовки, активного участия педагогов и постоянного мониторинга возможных рисков и последствий. Искусственный интеллект должен стать не заменой учителя, а мощным инструментом, который помогает учащимся раскрывать свой потенциал, осваивать сложные математические концепции и готовиться к будущим вызовам.

Приложение №1

Приложение №2

https://youtu.be/lue-W7RCiTw -пример озвучки текста нейросетью zvukogram.com

Приложение №3

https://visper.tech/public-video/63289e6e-65cb-11ee-8f31-0242c0a8400a пример видео, созданного нейросетью vispet.tech для озвучки текста

Приложение №4

Приложение №5