Дидактический потенциал физических задач в контексте использования искусственного интеллекта

Одна из самых обсуждаемых сегодня проблем связана с использованием искусственного интеллекта (далее – ИИ) в образовании. Две полярные точки зрения определяются местом запятой во фразе «запретить нельзя использовать». Требование запретить ИИ (также как запретить смартфоны) в школе направлено лишь на оттягивание решения проблемы, а попытки остановить технический прогресс еще ни разу не были успешными и всегда сопровождались негативными последствиями. Противоположная стратегия «запретить нельзя, использовать» является безальтернативной, но противники этой стратегии в качестве главного и неопровержимого, с их точки зрения, аргумента высказывают мысль, что внедрение ИИ в учебный процесс разучит детей думать, что приведет к их деградации и еще большей зависимости от техники. Не замечать эту серьезную озабоченность нельзя.

Действительно, ИИ сегодня может сделать большую часть того, чему учит школа. Это свидетельствует вовсе не о том, что ИИ стал думать как человек, это показывает, что школа учит в основном не мышлению, а алгоритмам, которые может успешно реализовать и машина. Педагогическая система обладает синергетическими свойствами, без всяких сомнений со временем справится и с этим вызовом. Сегодняшним школьникам досталось то переходное время, когда по-старому уже невозможно учить, а по-новому – непонятно как. И для сокращения этого времени и минимизации возможных негативных последствий перехода снова актуализируются ключевые вопросы методики обучения: для чего учить? чему учить? как учить?

Обсуждение этих вопросов в глобальном масштабе очень интересно и уводит в область философии, футурологии. Но мы сосредоточимся на конкретном, достаточно узком и специфичном вопросе частно-методического характера – решении физических задач. Это, с одной стороны, позволит наметить конкретные пути выхода из складывающейся ситуации в обучении физике, с другой стороны, поможет сделать обобщения, полезные и для обучения другим учебным предметам.

Физические задачи выбраны нами из-за того, что, во-первых, в методике обучения физике они являются одним из главных инструментов обучения, своего рода «методическим столпом»; во-вторых, именно они первыми приняли на себя «удар» последствий тотального распространения ИИ. Методика обучения решению задач рискует превратиться в курсы скоростного набора текста для нейросетей с нулевым приростом физического понимания мира, что вызывает в учительском сообществе беспокойство и растерянность. Таким образом формулируется проблема: каким образом использовать дидактический потенциал учебных задач по физике в условиях внедрения ИИ.

Важно понять, почему наибольшие опасения у учителей физики по поводу использования ИИ возникают относительно решения физических задач. Главную причину видим в том, что задачи из средства обучения давно превратились в гипертрофированную цель – физика в понимании большого количества учеников, их родителей, учителей [10] является средством подготовки школьников к решению задач в разного рода испытаниях (диагностические контрольные работы, ОГЭ, ЕГЭ). Это является следствием установок Министерства Просвещения РФ, которому в качестве образовательных результатов более всего интересна отчетная статистика по ЕГЭ и победам в международных олимпиадах. Но высокого результата ЕГЭ по всей стране можно достичь быстро и легко – достаточно максимально упростить задания. Однако цель нашего исследования не связана с обсуждением ЕГЭ. Это отступление сделано, чтобы показать, почему самыми активными противниками внедрения ИИ в обучение физике являются те, кто под целью физического образования понимает успешное выполнение искусственно созданных конструктов, называемых физической задачей, и те, кто в образовательном процессе акцентируется только на функциях оценки и контроля. ИИ действительно «выбивает» опору под смыслом изучения физики в таком контексте, но это можно оценивать, скорее, позитивно. Так что внедрение ИИ в область решения физических задач должно привести не к уменьшению интенсивности мыслительной деятельности обучающихся, а к ее увеличению, так как позволит сосредоточиться на действительно важных проблемах методологического характера.

Одна из таких действительно глубоких проблем связана с тем, что физические задачи используются в рамках целеполагания при изучении не природы, а науки (на практике даже не науки, а алгоритмов по решению задач), при смешении оперирования реальными объектами и мысленными моделями. На этом смещении акцентируется Ю.А. Са-уров, который отмечает: «Это деформирует познавательную деятельность субъектов образования. В практике физического образования не закреплено различение понятий по статусу (смыслам), отсюда трудно формируется «правильная» с точки зрения современных образовательных целей учебная деятельность экспериментирования и моделирования» [7, с. 22].

Отсутствие различений между моделями гипертрофировано в учебном процессе именно при решении задач. Например, фраза «Футболист пнул по мячу» при анализе задачи заменяется фразой «на тело действует сила». И такая замена принимается как совершенно очевидная и не стоящая обсуждения с учениками, так как это обсуждение не приближает нас к ответу задачи, а лишь увеличивает время до его получения. При замене слова «мяч» термином «тело» произошла подмена реального объекта идеальным, в котором нам будет нужна только одна характеристика рассматриваемого объекта – масса. И хотя это абстракция, но она отражает объективно существующую реальность в виде реального объекта – мяча. Эта замена вовсе не однозначна с заменой «футболиста» «силой», потому что в этом случае реальный объект «футболист» заменяется абстрактной характеристикой – «силой», материально не существующей в природе. Сила – созданная в нашем сознании абстракция, позволяющая ха- рактеризовать взаимодействие реальных тел, этому понятию нет материальных прототипов в действительности (мяч ускорился не под действием силы, а при взаимодействии с ногой футболиста).

Методологическое понимание учеником этой замены и является одной из целей изучения данной ситуации, а не нахождение ускорения мяча при подставлении в формулу числовых значений силы и массы. ИИ может найти числовое значение ускорения не только в этой задаче, но и во множестве других, где описывается то же самое явление, но специально «запутанное» автором задачи путем введения нескольких взаимодействий, требующих для решения, как говорят школьники, «много формул» и большого количества математических преобразований. ИИ чаще всего легко «распутывает» эти ухищрения, выдает решение и конечный ответ.

Но много ли дает ученику преодоление всех этих искусственно созданных затруднений для понимания физической сути рассматриваемых в задаче физических явлений и процессов? Это полезно для формирования вычислительных навыков, составления систем уравнений и их решения и т.п., но в достижении целей понимания физической сути происходящего такая задача, наоборот, уводит в сторону, часто формируя лишь иллюзию понимания. В результате, решая подобные задачи, ученик, перемножив значения силы тока и сопротивления и получив совпавшее с ответом значение напряжения, делает вывод, что он «понял», что такое постоянный ток и закон Ома для участка цепи. В массовой практике превалирует именно такое использование задач, где после формализованной записи условия задачи учитель сразу же задает вопрос: «По какой формуле будет решать?». И именно этот учитель будет считать, что развитию мышления ученика будет препятствовать использование ИИ, а не применяемая им методика.

Возникшее кризисное положение в связи с появлением ИИ, на наш взгляд, содержит в себе потенциальные возможности сбросить исторически наросшие следствия формализации образования в виде неестественных целей; вернуться к основам изучения физики как средства понимания окружающей природы не только с целью прагматического использования плодов этого понимания, но и для осознания своего места в ней, очеловечивания законов природы, поиска смысла для открывающего их субъекта.

Понимание в методике обучения физике является краеугольным камнем, именно оно и было изначальной целью использования физических задач. ИИ не только позволяет вернуться к этой изначальной цели, но и избавляет от рутинных действий, освобождает время для мыслительной работы обучающегося, которая является средством развития мышления, а также представляет ценность саму по себе. При этом важно не упустить из виду, что понимание не может осуществляться беспредметно, без активной деятельности познающего, поэтому понимание алгоритма решения задачи диалектически связано с пониманием и изучаемого физического процесса, и собственных целей решающего субъекта.

Главная проблема выбора понимания в качестве образовательной цели – его многозначность, спектр которой простирается от частных вопросов изучения элементов содержания конкретных учебных предметов до философского осмысления взаимодействия человека с окружающим миром.

В контексте обучения физике ограничимся тремя аспектами: когнитивным, операциональным и личностно-смысловым. Эти аспекты вполне коррелируют по смыслу с предметными, метапредметными и личностными результатами освоения основной образовательной программы в формулировке действующих в среднем общем образовании Федеральных государственных образовательных стандартов (далее – ФГОС СОО); включают их в себя, но при этом не сопоставляются однозначно (так, предметные образовательные результаты относятся не только к когнитивному аспекту, но и к остальным). Рассмотрим эти аспекты.

В когнитивном аспекте изучения физики пониманием можно считать наличие в сознании ученика ментальных моделей (понятий и величин), адекватно характеризующих изучаемое явление и границы их применимости.

Описаний процесса понимания и его характеристик существует много. В качестве примера приведем версию, предложенную И.Г. Кулешовой, как структурированную, полную, подходящую под специфику учебного предмета физики. Исследователь выделила четыре фазы понимания (актуализации личностного опыта и мотивации, узнавания и воспроизведения новой информации, генетического понимания, структурного понимания) и дала описание характеристик (глубины, полноты, отчетливости, обоснованности) каждой из этих фаз [4, с. 103]. Если обучающийся в процессе формирования физического понятия пережил все фазы понимания, характеризуемые достаточной глубиной, полнотой, отчетливостью и обоснованностью, можем сказать, что он «понимает». В конечном итоге у ученика формируются когнитивно-репрезентативные структуры, объединяющие связями все изучаемые ментальные модели и явления окружающего мира между собой. Эти структуры являются теми «окнами» сознания в окружающий мир, которые позволяют не только «смотреть», но и «видеть». Мы полностью согласны с Т.Н. Гнитецкой, которая отмечает, что внешний сигнал можно считать понятым учеником, если он встраивается в имеющиеся у него интеллектуальные структуры, усложняет их, создавая новые элементы и / или связи [2]. Например, понимание закона Всемирного тяготения включает не только воспроизведение формулы и формулировки, но и автоматическое «включение» этого знания в процесс осмысления и критической оценки информации из СМИ, художественных фильмов, связанных с космическими спутниками, планетами, полетами и т.п.

Ю.А. Сауров перечисляет физический материал, в котором следует искать смысл, приводит основные различения и определения – те элементы, которые максимально увеличивают интеллектуальные структуры за счет установления всеобщих связей: различение физических областей на микромир, макромир и мегамир; различение физической реальности в виде объектов и явлений и их модельных описаний; онтологические и гносеологические физические понятия; теоретические и эмпирические методы исследования; различение границ применимости всех знаний; физические и математические объекты, различение фундаментальных физических теорий и картин мира [6, с. 56].

«Надо смелее строить и использовать физические задачи с методологическим содержанием. Помимо собственно физического содержания за ними стоит современное миропонимание» [7, с. 24]. Эти структуры в итоге определяют мировоззрение, которое в тексте ФГОС СОО описано как «сформированность представлений о роли и месте физики и астрономии в современной научной картине мира»*. Мировоззрение «вырастает» из предметных результатов, качественно преобразуется в метапредметные результаты, а затем становится«каркасом», определяющим личностные качества ученика, его жизненную позицию, как точно отмечает А.В. Хуторской: «Метапредметность характеризует выход за предметы, но не уход от них. Метапредмет – это то, что стоит за предметом или за несколькими предметами, находится в их основе и одновременно в корневой связи с ними. Отсюда следует, что метапредметная деятельность не может быть отделена от предметной деятельности, находится в ее основе» [3, с. 3–10].

Операциональный аспект понимания мы связываем с осмысленностью учеником изучаемых им алгоритмов. В этом контексте понимание – это не умение действовать по извне заданному алгоритму; а это характеристика деятельности, в которой обучающийся ясно представляет цель, план действий, возможные затруднения и способы их пре одоления. Даже если в этой деятельности он использует уже готовые обобщенные шаблоны – алгоритмы, он знает, почему выбрал именно этот алгоритм, при каких обстоятельствах этот алгоритм надо видоизменять. Во ФГОС СОО можем найти множество таких алгоритмов: методы научного познания (связанные с измерениями физических величин, выявлением их зависимости друг от друга, выводами, интерпретацией результатов и т.п.), умения распознавать физические явления (процессы) и объяснять их на основе изученных законов, решение расчетных задач с явно заданной физической моделью, критическая оценка информации, поступающей из различных источников и пр.

Обратим внимание, что решение расчетных задач перечисляется среди прочих и никак отдельно не акцентируется; задачи, требующие измерения физических величин и критической оценки информации, ничуть не менее значимы. Понимание алгоритмов учеником, их обобщение на другие предметы и на любую свою деятельность можно считать метапредметным результатом. Понимание можно считать констатацией перехода внешней предметной деятельности во внутренний умственный план – интериори-зацию [1].

Если ИИ возьмет на себя рутинные операции по математическим преобразованиям и расчетам, то это нисколько не помешает пониманию задачи и ее решения учеником при условии, если ученик знает принципы всех сделанных машиной преобразований и сам может их осуществить. Мы научились перемножать числа «столбиком», понимаем, почему это делается именно так, поэтому спокойно «делегируем» такую работу калькулятору. При этом никто не тревожится, что это негативно влияет на развитие наших умственных способностей. Понимая закон сохранения энергии, умея писать уравнение теплового баланса для конкретной ситуации, мы можем в условии задачи, предлагаемой для решения ИИ, менять соотношение масс льда и падающей в него свинцовой детали, также их начальных температур, а затем изучать и критически оценивать рассчитанное ИИ установившееся значение температуры.

Операциональный аспект использования ИИ невозможно рассматривать в отрыве от деятельности, одним из главных признаков которой является ее предметность, характеризующуюся направленностью на получение конечного результата, личностно значимого для обучающегося. Таким образом, понимание в учебной деятельности ребенка приобретает личностно-смысловое значение : ребенок осознает и может формулировать причины, по которым он решает эту задачу, ее личную значимость (мне надо приготовиться к ЕГЭ, я хочу понять, мне важен конечный результат, мне интересен сам процесс решения и пр.). Решение задачи вызывает положительные эмоции: процесс – удовольствие, а получение ответа – удовлетворение и радость. «Предметная деятельность своим продуктам имеет не только преобразованный объект, но и психическое отражение процесса его преобразования – его образ как внутреннюю деятельность, ориентирующую субъекта в освоении объектов внешнего мира и организации своей жизни» [5, с. 45].

Включение физического знания, полученного в процессе решения задачи, в картину мира учащегося как инструмента объяснения реальности формирует его мировоззрение, которое решающим образом влияет на его субъектность (самостоятельность), проявляющуюся и формирующуюся в пространстве возможных выборов из множества альтернатив [9]. ИИ количество таких альтернатив увеличивает, предоставляя весь спектр возможностей: от традиционного решения задачи без использования нейросетей до «экспериментирования» с промтами и исследования возможных задачных ситуаций.

Кроме того, включение в физические задачи контекста не физического характера, который связан с историей, литературой, имеющих воспитательный подтекст, позволяет обсуждать вопросы, в которых физические знания приобретают гуманитарную ценность. Например, задача, в которой спрашивается, сколько блокадных паек получается из муки, привезенной на «полуторке» по дороге жизни Ладожского озера, позволяет обсудить вопрос «Зачем водители рисковали своими жизнями?», представить лишения, которые испытывали жители блокадного Ленинграда.

Известная таксономия Блума обретает новую иерархию, где вершиной становится не синтез (ИИ синтезирует лучше человека), а понимание как объективной ситуации, представленной в задаче, так и субъективной ее значимости для решателя. Учитель физики из тренера по быстрому и точному воспроизведению алгоритмов превращается в наставника в понимании возможностей и границ физического знания, субъектной значимости для ученика. ИИ в этом случае становится необходимым инструментом, а не средством полной подмены человека машиной.

Таким образом, с учетом выделенных нами когнитивного, операционального и личностно-смыслового аспектов можно указать некоторые возможные пути использования физических задач в обучении физике при условии применения ИИ:

• 1.    Концентрация на методологической составляющей задачи. Исследование задач-ной ситуации, выделение ключевой ситуации, связанной с описываемым физическим явлением или объектом, используемых моделей; установление границ их применимости, новых связей в когнитивно-репрезентативных структурах мышления ученика.

• 2.    Экспериментальные задачи. Сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими расчетами, определение погрешностей.

• 3.    Разбор и критическая оценка решения задачи, предложенного ИИ. Изучение «стратегии» решения. Создание текстов задач и промтов, «запутывающих» ИИ с последующим анализом допущенных им ошибок.

• 4.    Конструирование собственных задач. «Экспериментирование» по изменению условия задачи и изучение полученных ИИ ответов с целью более глубокого понимания учебного материала.

• 5.    Использование контекстных задач, имеющих мировоззренческое, воспитательное значение. Выявление и акцентирование внимания в содержании задачи на гуманитарной ее составляющей, личностной значимости деятельности по решению задачи для ученика.

Перечень этих путей не можем назвать полным и исчерпывающим. Они показывают новые возможности для реализации дидактического потенциала физических задач и опровергают утверждение, что ИИ «убивает» физические задачи как средство обучения. При этом решающим «триггером» становится мотивация обучающихся к учебной деятельности: ИИ позволяет глубже изучить предмет или избавиться от выполнения задания. Это очевидно относится не только к обучению физике, но и любому учебному предмету, где ИИ тоже осуществляет активную «экспансию».

Формирование алгоритмических умений по преобразованию формул, математических расчетов является необходимым, но только на начальном этапе обучения решению физических задач. Затем открывается возможность «пропускать» эти освоенные алгоритмы с помощью ИИ. Таким образом, «понимание» в современном обучении физике смещается от операционального умения (решать по алгоритму) к рефлексивно-критическому разбору представленной в задаче ситуации выявления ее методологической составляющей, «экспериментирования» с условиями задачи, конструирования собственных задач, соответствующих потребностям создающего их субъекта и общим образовательным задачам.