Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования) | Мир педагогики и психологии №09 (98) Сентябрь 2024

Технологии искусственного интеллекта для организации образовательного процесса в общеобразовательной школе

Ворошилова Анастасия Михайловна
учитель, Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение г. Владимира "Средняя общеобразовательная школа № 13 имени Героя Советского Союза Д.Д. Погодина" методист кафедры цифрового образования и информационной безопасности, Владимирский институт развития образования имени Л.И. Новиковой (ГАОУ ДПО ВО ВИРО им. Л.И. Новиковой), РФ, г. Владимир, voroshilowa2018@yandex.ru

Аннотация: В статье рассматриваются экономические и социальные предпосылки необходимости внедрения технологий ИИ в массовое основное общее образование. Проведен обзор ИИ решений и методических разработок, предлагаемых бизнесом и государством для организации образовательного процесса на ступенях основного и среднего общего образования. Оценена целесообразность применения технологий ИИ при организации образовательного процесса в основной и средней школе. Рассмотрены образовательные инструменты платформ на основе ИИ в контексте индивидуализации процесса обучения, а также методы организации образовательного процесса с применением ИИ технологий. В заключении выделены ключевые навыки (компетенции) человека XXI века, которые целесообразно развивать у учащихся основной и средней школы через организацию образовательного процесса с применением ИИ технологий.
Ключевые слова: образование, индивидуализация образования, искусственный интеллект, цифровая трансформация, цифровая экономика, проектная деятельность, БЯМ, GPT.

Voroshilova Anastasiya Mixajlovna
teacher, Secondary School No. 13, named after Hero of the Soviet Union D.D. Pogodin is a municipal budgetary educational institution in Vladimir, methodologist of the Department of Digital Education and Information Security, The educational institution the Vladimir Institute for Educational Development (SAEI DPO VO VIRO in honor of L.I. Novikova).

Abstract: The article discusses the economic and social prerequisites for the need to introduce AI technologies into mass basic general education. A review of AI solutions and methodological developments proposed by business and the state for organizing the educational process at the levels of basic and secondary general education was carried out. The feasibility of using AI technologies in organizing the educational process in primary and secondary schools has been assessed. Educational tools of platforms based on AI are considered in the context of individualization of the learning process, as well as methods for organizing the educational process using AI technologies. In conclusion, the key skills (competencies) of a person of the 21st century are highlighted, which are advisable to develop in primary and secondary school students through the organization of the educational process using AI technologies.
Keywords: education, individualization of education, artificial intelligence, digital transformation, digital economy, project activity, LLM, GPT.

Всемирная цифровизация экономики на протяжении последних двух десятилетий - очевидный и неизбежный процесс, связанный с глобализацией. В Российской Федерации (РФ) данный процесс носит название "Цифровая Трансформация" (ЦТ) общества и включает в себя шесть основных направлений: здравоохранение, образование, транспорт, развитие городской среды, государственное управление и социальная сфера [3].

В данной статье я буду рассматривать распространение ИИ в российском образовании, а так же каким образом внедрение ИИ влияет на качество организации образовательного процесса учащихся основной общеобразовательной школы (ООО) и средней общеобразовательной школы (СОО). Будет рассмотрена целесообразность применения технологий ИИ в основной и средней школе, а также обучения учащихся применению технологий искусственного интеллекта (ИИ) в образовательном процессе и какие перспективы применения полученных знаний открываются перед учащимися в будущем. Также будет рассмотрена методика организации образовательного процесса учащихся с применением ИИ. Стоит начать с исторического анализа развития вычислительной техники (ВТ) и информационных технологий (ИТ), которые в итоге привели современное общество к ЦТ.

• 1940–1950-е годы: появление ЭВМ на электронных лампах. Они достигали до 30 тонн и достигали в длину до 30 метров, с вычислительной мощностью до 20 тысяч операций в секунду, например, ENIAC. У. Мак-Каллок и У. Питтс создали первую упрощённую схему нейронной сети, в основе которой лежал искусственный нейрон – аналог нейрона человека в виде математической модели.
• 1950–1960-е годы: ЭВМ на основе транзисторов, компьютеры стали меньше и потребляли меньше энергии, вычислительная мощность достигала 500 тысяч операций в секунду, например, IBM 1401, ЭВМ БЭСМ-6 [13]. Разработка компьютерной сети ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network). Математическая модель: многослойный перцептрон Розенблатта, воплощённая в виде электронной машины «Марк-1».
• 1960–1970-е годы: ЭВМ на основе интегральных схем, компьютеры стали ещё меньше и быстрее, вычислительная мощность достигала 10 миллионов операций в секунду, например, IBM/360, ЕС ЭВМ [13]. Была изобретена первая компьютерная мышь, появились первые терминалы с монитором и клавиатурой. Компьютеры стали использоваться для нужд бизнеса. Появление первых сетевых протоколов, первого сервера ARPANET. Развитие технологий искусственного интеллекта (ИИ): первые экспертные системы, персептроны, язык программирования LISP и LISP-машины. Разработка первого головного дисплея VR/AR, который подключался к компьютеру.
• 1971–настоящее время: появление микропроцессоров, микрокомпьютеров и персональных компьютеров, карманных калькуляторов, например, Intel 4004, Bowmar Model 901B, Altair 8800 и Apple I [13].
• 1970–1972 гг. — создание стека протоколов TCP/IP на основе NCP (Network Control Protocol). Появление первых аналогов электронной почты.
• 1978–1980 гг. Появление персональных компьютеров (ПК). Массовое производство Apple II и IBM PC [13]. Новые алгоритмы обратного распространения ошибки для ИИ. Разработка шлема VITAL VR/AR, первого настоящего VR-HMD.
• 1989–1990 гг. Появился протокол HTTP, язык HTML и идентификаторы URI. Была разработана технология WWW (World Wide Web). Развитие технологий ИИ. В 1997 году Deep Blue от IBM обыграл действующего чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова. Программное обеспечение (ПО) для распознавания речи от Dragon Systems в Windows.
• 2000-е годы. Мобильные технологии и Интернет вещей, появление более сложных алгоритмов машинного обучения.
• 2010-е годы: появление технологии автопилота, первых голосовых помощников, биометрических систем, больших языковых моделей (БЯМ), рекомендательных систем, генеративных нейронных сетей, технологии NLP, архитектуры глубоких нейронных сетей Transformer.

Рассмотренные этапы развития ВТ в итоге привели современное общество к ЦТ экономики.

Посылки ЦТ образования.

Среди основных трендов ЦТ экономики выделю следующие [1]:

• Искусственный интеллект и машинное обучение.
• Интернет вещей (IoT).
• Анализ данных, большие данные.
• Облачные технологии.
• Мобильные технологии.

Перечисленные тренды описывают такие процессы в обществе и экономике, как:

- развитие интеллектуальных систем, способных к самообучению и помощи человеку в принятии решений на основе анализа огромного объема данных, поиску неявных закономерностей;

- развитие интеллектуальных рекомендательных систем, которые на основе анализа предпочтений и поисковых запросов пользователей могут строить индивидуальный рекомендательный маршрут.

В экономике так же наблюдается автоматизация множества производственных процессов, что ведет в итоге к уменьшению доли физического труда на производстве в пользу интеллектуального. Автоматизации производственных процессов так же ведет развитие IoT благодаря возможности удаленного подключения различных устройств и сбору и анализу данных с них.

Благодаря облачным технологиям объемы хранимой информации стали в разы больше, а значит анализировать их, человек может только с помощью автоматизированных систем. В результате, бизнес структуры повсеместно внедряют цифровые технологии, стремясь повысить свою эффективность и конкурентоспособность. Цифровизация способствует снижению доли вклада фактора труда в экономический рост и росту вклада капитала практически во всех секторах экономики [1;4;5].

Социально-экономическое развитие общества идет по пути перехода от производства стандартизированной продукции к производству общедоступной индивидуализированной продукции. Его основа — автоматизация и роботизация (интеллектуализация) всех видов производственных процессов. Этот переход получил название новой индустриальной, или технологической (цифровой), революции[1; 2; 3; 4].

Стоит отметить, что необходимость в ЦТ образования стала очевидна с 2020 года во время пандемии короновирусной инфекции COVID-19 [1;4]. Вынужденная изоляция учащихся обнажила необходимость развития дистанционных образовательных технологий (ДО), а так же технологических платформ для самообразования. Массовое ДО продемонстрировало обществу невозможность и неактуальность классно-урочного подхода в сети Интернет, а развитие нейросетевых технологий, в частности, БЯМ на основе архитектуры Transformer невозможность объективной оценки классических домашних заданий по большинству гуманитарных предметов.

Рассмотрение сервисов, технологий, методических материалов, направленных на популяризацию и внедрение технологий с применением ИИ в основной и средней школе.

К тому же переход на новые экономические рельсы невозможен, без перехода от массового образования для всех, к качественному образованию и всестороннему развитию личности каждого. Бизнес структуры являются основными потребителями рабочей силы и заинтересованы в квалифицированных кадрах для цифровой экономики страны. По этой причине мы можем сегодня наблюдать за активностью крупных предприятий на бизнес-рынке страны по направлению разработки новой учебно-методической базы, в частности, преподавания ИИ в основной и средней школе.  В качестве примеров можно привести АНО ДПО «Образовательные технологии Яндекса». Яндекс - российская транснациональная компания в отрасли информационных технологий. Яндекс уже более 15 лет занимается развитием образовательных технологий. Для основной и средней школы были разработаны Яндекс Учебник (сервис с занятиями для начальной и средней школы с автоматической проверкой ответов), платформа Яндекс ЕГЭ, с ИИ помощником, и Яндекс Лицей (курсы программирования для учащихся 8–11 классов длительностью от 3 месяцев до 2 лет).

Рассмотрю в качестве примера особенности образовательных инструментов платформы Яндекс Учебника в контексте индивидуализации процесса обучения. Методическая команда Яндекс Учебника реализовала курсы повышения квалификации (КПК) для учителей информатики «Использование инструментов искусственного интеллекта в педагогической практике», а также, курс «Искусственный интеллект и генеративные нейросети» для учеников 5-11 классов. Курсы разработаны совместно с ФГБНУ «Институт стратегии развития образования» и под научным руководством А.А. Салаховой, доцента кафедры теории и методики обучения математике и информатике Московского педагогического государственного университета [10]. В рамках программы профессионального развития учителей информатики: кадровый резерв учителей информатики Яндекс Учебник популяризировал КПК среди педагогов. Отличительными чертами курса для учителей являются:

- обучение педагогов методам индивидуализации образовательного процесса с помощью ИИ;

- знакомство педагогов с задачами ML, видами нейронных сетей, историей развития ИИ, профессиями, связанными с отраслью ИИ;

- обучение педагогов работе с GPT (техникам промптинга), позволяющими автоматизировать подготовку к учебным занятиям (GPT генерирующими текст, изображения, презентации, видеоконтент).

Отличительными чертами курса для учеников являются:

- углублённый вариант курса для учащихся 10 класса;

- метод проектов для знакомства с устройством нейросетей;

-развитие мягких навыков и глобальных компетенций учащихся, в частности, критического мышления и творческого подхода к решению задачи;

- наличие профориентационных методик в материалах курса.

Кроме КПК по применению нейросетевых технологий в образовательном процессе, компания Яндекс разработала платформу с ИИ помощником для самоподготовки учащихся старшей школы к единому государственному экзамену по информатике. Особенностью платформы является построение индивидуального образовательного маршрута учащегося по результату анализа успешности решаемых им заданий на платформе.

Следует отметить, что методическая команда Яндекс Учебника популяризирует применение ИИ решений среди педагогов через программу обмена опытом, в рамках «Наставнических практик». Данные мероприятия представляют собой серию региональных и всероссийских очных и online-мероприятий (мастер-классов, вебинаров, круглых столов) для учителей информатики, которые посвящены опыту применения ИИ решений, в том числе GPT в образовательном процессе.

Кроме компании Яндекс, разработкой учебно-методического сопровождения образовательного процесса в средней и старшей школе занимаются крупные финансовые структуры, а именно Сбербанк и Т-Банк. Благотворительный фонд «Вклад в будущее» создан Сбербанком в 2015 году. При поддержке фонда был запущен флагманский образовательный проект «Академия ИИ» программы «Цифровые навыки и компетенции». В рамках данного проекта были разработаны методические материалы для учителей по организации технологических кружков по ИИ.  Также в рамках проекта на специализированной образовательной платформе учащиеся могут самостоятельно изучать материалы по машинному обучению.

Т-Банк на протяжении двух лет является организатором профессионального педагогического конкурса грантов «Вклад в поколение», направленного на поддержку учителей математики, информатики и физики, что имеет своей целью повышение мотивации педагогов технических дисциплин к повышению квалификации и педагогического мастерства, что опосредованно влияет на качество технического образования учащихся в основной и средней школе.

Конечно, важно отметить, что не только бизнес заинтересован в ЦТ образования в школе, но и государство принимает соответствующие меры по разработке соответствующих методик, материалов, образовательных ресурсов и мероприятий.

ИИ на сегодняшний день переживает очередное «лето», бурный рост технологий ИИ предоставляет новые возможности трансформации образовательного процесса в обществе. Указом Президента Российской Федерации от 10 октября 2019 г. № 490 «О развитии искусственного интеллекта в Российской Федерации» утверждена Национальная стратегия развития искусственного интеллекта на период до 2030 года [11]. Данная стратегия направлена на стимулирование изучения ИИ на всех ступенях образования. Уже сейчас мы можем наблюдать изменение единого содержания общего образования и методик обучения информатике в средней и старшей школе. Значительные ресурсы экономики страны направлены на переподготовку школьных учителей и просветительской деятельности в школах по направлению ИИ и применению технологий ИИ. Благодаря федеральному проекту ИИ было разработано большое количество образовательных программ для школьников, студентов и работников сферы образования, в том числе бесплатные онлайн-курсы и проектные программы образовательного цента «Сириус». Также, созданы специальные исследовательские центры на базе следующих образовательных и научных организаций: Сколтех, ИТМО, Иннополис, НИУ ВШЭ, МФТИ и ИСП РАН. Важным событием в 2021–2022 учебном году явилась организация Минпросвещением России проведения Всероссийской олимпиады по ИИ для 9–11 классов. Проведение Олимпиады показало значительную заинтересованность учащихся и учителей информатики в изучении технологий ИИ.

К тому же согласно современным тенденциям и требованиям новых ФГОС необходимостью является, чтобы каждый учащийся овладел глобальными компетенциями, критическим мышлением, способностью к самообразованию, нешаблонными методами работы в быстроменяющейся цифровой среде.

Всё же, несмотря на такую активность в производстве методического сопровождения учителя и учащегося в основной и средней школе, следует отметить, что на внедрение и апробацию уйдёт достаточно много времени.

Особенности организации образовательного процесса с применением ИИ. Учащиеся, воспитанные в рамках классно-урочной системы, зачастую «теряются», когда получают практическую задачу самостоятельно найти ответ на поставленную учебную задачу. К тому же зачастую нет осознания значимости проделываемой работы и практического применения результата деятельности. Образовательный процесс в современных реалиях требует организации в виде проектной деятельности, что позволяет развить навыки работы в команде, креативный подход [15] и осознать значимость проделываемой работы, применить полученный результат на практике.

Один из возможных вариантов организации проектной деятельности как для школ, так и для учащихся – реальные задачи, полученные на производстве, в сотрудничестве с бизнесом разного масштаба, например, региональными предприятиями. Подобный способ организации проектной деятельности позволит учащимся осознать значимость проделываемой работы (компетенция субъектности) [15] и получить реальные практические знания и навыки и что немало важно, материальное поощрение за проделанную работу, что повысит мотивацию к будущей практической и исследовательской деятельности. Если учащиеся будут работать над проектом в команде, то они будут развивать свои коммуникативные навыки и компетенцию командного сотрудничества [15], если в индивидуальном формате, то компетенцию субъектности [15].

Второй вариант организации проектной деятельности учащихся – участие в межпредметных соревнованиях и олимпиадах, что способствует формированию функциональной грамотности. В качестве примеров можно привести всероссийские соревнования НТО и конкурс «Большие вызовы» образовательного центра Сириус, подобные технологические соревнования можно организовывать поэтапно начиная со школьного уровня.

Данная работа может быть сложна для педагогов образовательных организаций, что требует соответствующей квалификационной подготовки педагогического состава. Для организации подобной деятельности целесообразно воспользоваться уже готовыми материалами и адаптировать их под свои задачи.  Крупный бизнес сегодня предлагает школам бесплатные методические материалы для организации проектной деятельности с учащимися разных ступеней образования. Подобные материалы могут располагаться в специализированных системах LMS, где учащиеся могут заниматься самообразованием, или же находиться в открытом доступе и использоваться учителем как научно-методическое сопровождение учебного процесса.

Генеративные нейросети могут быть использованы для генерации идей при подготовке проектов, а также для подготовки презентаций, изображений и видео материалов  для защиты.  Данный подход позволяет развивать креативное мышление учащихся (компетенция креативности) [15]. При разработке индивидуального образовательного проекта допустимо и желательно применение поисковых и аналитических возможностей БЯМ.

БЯМ могут быть использованы учащимися для поиска информации и в рамках учебных занятий, а не только проектной деятельности. Применение нейросетевых технологий имеет неочевидные плюсы при организации образовательного процесса.  Так как, при поиске информации с помощью БЯМ учащиеся будут сталкиваться с ситуациями «галлюционирования» нейросетей. Нейросети, в отличие от человека не обладают критическим мышлением и могут выдавать несуществующие факты за действительные. Таким образом, учащиеся будут вынуждены учиться отличать желаемое от действительного и при этом развивать критическое мышление и компетенцию обучаемости. Для быстрой работы по поиску и структурированию информации учащимся необходимо осваивать техники промптинга. Подобные материалы для учащихся и педагогов уже присутствуют в современном образовательном пространстве. Важно, что генеративные нейросети сокращают время по поиску, анализу и структурированию информации, а применение голосовых помощников делает эти процессы комфортными для пользователя.

Кроме проектной деятельности, в образовательном процессе возможно использование специализированных образовательных платформ. Рекомендательные интеллектуальные системы на основе ИИ помогут построить индивидуальный образовательный маршрут для каждого учащегося, который будет осваивать образовательный курс, соответствующий его уровню развития образовательных компетенций и в удобном для себя темпе.

Современные ИИ помощники могут искать и анализировать огромные объёмы информации для пользователя, искать в полученных данных неочевидные учащемуся закономерности, объяснять незнакомые термины, подбирать посильные образовательные задачи. Тем не менее, ИИ на нынешнем этапе своего развития, не может выступать в роли экспертной системы по оценке образовательных результатов учащихся, поэтому заменить учителя пока не может. Важно, чтобы учитель осознавал и стремился к развитию своих глобальных компетенций, чтобы быть примером для учащихся на пути к непрерывному самообразованию длиною в жизнь.

В заключение выделю шесть глобальных компетенций, которые целесообразно развивать с применением ИИ в образовательном процессе в основной и средней школе:

- компетенция критического мышления;

- компетенция креативности;

- компетенция субъектности (авторства собственной деятельности);

- коммуникативная компетенция;

- компетенция командного сотрудничества;

- компетенция обучаемости.

1. Кузьминов Я. И., Фрумин И. Д. Российское образование: достижения, вызовы, перспективы. Монография. – М.: Издательский дом Высшей школы экономики, 2019. – 317с. ISBN 978-5-7598-2043-7.
2. Дворецкая И. В. Карлов И. А., Савицкий К. Л. Измерение перехода школы к цифровой трансформации образования: опыт, трудности, результаты и возможности [Текст] : докл. к XXIII Ясинской (Апрельской) междунар. науч. конф. по проблемам развития экономики и общества, Москва, 2022 г. / И. В. Дворецкая, И. А. Карлов, Э. Кочак, К. Л. Савицкий; Нац. исслед. ун-т «Высшая школа экономики». — М. : Издательский дом Высшей школы экономики, 2022. — 44 с. — ISBN 978-5-7598-2656-9.
3. Назаренко Т. С., Новикова И. С. Цифровая трансформация государственного управления как стратегическое общественное благо // Стратегирование: теория и практика. 2023. Т. 3. № 2. С. 140–157. https://doi.org/10.21603/2782-2435-2023-3-2-140-157
4. Король А. Д., Воротницкий Ю. И. Цифровая трансформация образования и вызовы XXI века. // Высшее образование в России. 2022. Т. 31. № 6. С. 49 – 61 ISSN 2072-0459 (Online) DOI: 10.31992/0869-3617-2022-31-6-48-61.
5. Исмагилов, Н. А. Современные технологии цифровой образовательной среды / Н. А. Исмагилов, И. Р. Хабибуллин, О. В. Азовцева // Молодой ученый. — 2023. — № 12 (459). — С. 155–158. — URL: https://moluch.ru/archive/459/101021/ (дата обращения: 21.07.2024).
6. Даггэн С. Искусственный интеллект в образовании: Изменение темпов обучения. Аналитическая записка ИИТО ЮНЕСКО; пер. с англ.: Паршакова А.В. — Москва: Институт ЮНЕСКО по информационным технологиям в образовании, 2020.
7. Елшанский С.П. Школа будущего: может ли искусственный интеллект обеспечить когнитивную эффективность обучения? // Вестник Томского государственного университета. – 2021. – № 462. – С. 192-201.
8. Альманах «Искусственный интеллект». Индекс 2022 года. Аналитический сборник № 12. - М.: МФТИ, 2023. - С. 36.
9. Константинова Л.В. и др. Генеративный искусственный интеллект в образовании: дискуссии и прогнозы // Открытое образование. – 2023. – Т. 27. – №. 2. – С. 36-48.
10. Самылкина, Н. Н. Основы искусственного интеллекта в школьном курсе информатики: история вопроса и направления развития / Н. Н. Самылкина, А. А. Салахова // Информатика в школе. – 2019. – № 7(150). – С. 32-39. – DOI 10.32517/2221-1993-2019-18-7-32-39 Код доступа: https://school.infojournal.ru/jour/article/view/387/388 . Дата обращения: 10.07.2024.
Список источников
11. Указ Президента Российской Федерации от 10.10.2019 № 490 «О развитии
искусственного интеллекта в Российской Федерации» – Электронный ресурс. – Режим доступа: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001201910110003. Дата обращения: 10.07.2024.
12. Рекомендации ЮНЕСКО по политике в области мобильного обучения. UNESCO, 2015. URL: https://iite.unesco.org/pics/publications/ru/files/3214738.pdf (дата обращения: 05.07.2024).
13. Морозов Ю. М. История и методология вычислительной техники [Электронный ресурс]: учебное пособие / Ю. М. Морозов; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. — Электрон. текстовые дан. (1 файл : 5,4 Мб). — СПб., 2012 — Текстовый документ.— URL:http://dl.unilib.neva.ru/dl/2462.pdf
14. Федеральный закон от 29.12.2012 N 273-ФЗ (ред. от 04.08.2023) «Об образовании в Российской Федерации» – Электронный ресурс. – Режим доступа: https://don_school110.gosuslugi.ru/netcat_files/30/41/Federal_nyy_zakon_Ob_obrazovanii_v_Rossiyskoy_Federatsii_273_FZ.pdf?ysclid=lykjqk32bw859157691. Дата обращения: 10.07.2024.
15. Богуславский М.В., Осмоловская И.М. Современный учебник. Формирование ключевых навыков человека XXI века: методическое пособие для авторов учебников, экспертов, учителей / под ред. И.М. Осмоловской, В. В. Серикова. М. : ФГБНУ «Институт стратегии развития образования РАО», 2022. 180 с. ISBN 978-5-6049294-2-1