生成式人工智能ChatGPT助推工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)的探索與實踐

李承超　姜朋明

［摘 要］2022年11月，生成式人工智能ChatGPT的發(fā)布引發(fā)了教育領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。ChatGPT因其具備自然語言理解能力與多維感觀文本、圖片、視頻等素材生成能力，深刻影響著當(dāng)前高等教育教學(xué)方式。文章以土木工程學(xué)科工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)為目標(biāo)，從專業(yè)英語學(xué)習(xí)、教學(xué)內(nèi)容情景模擬、學(xué)習(xí)指導(dǎo)等方面展示ChatGPT的教育應(yīng)用潛能，并通過教學(xué)案例分析驗證ChatGPT在工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)方面的優(yōu)勢，揭示了以ChatGPT為代表的生成式人工智能在教與學(xué)當(dāng)中帶來的巨大變革以及所面臨的局限。

［關(guān)鍵詞］ChatGPT；工程地質(zhì)課程；雙語教學(xué)；教育應(yīng)用

［中圖分類號］ G642 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0097-04

隨著國際交流合作的日益加深與我國“一帶一路”建設(shè)的持續(xù)推進，高等教育雙語化進程成為培養(yǎng)新型國際化人才的關(guān)鍵[1]。工程地質(zhì)作為土木工程學(xué)科中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要涉及地質(zhì)構(gòu)造基礎(chǔ)概念、巖土體物理力學(xué)特性、工程地質(zhì)勘查方法以及不良地質(zhì)現(xiàn)象對各類工程影響等方面的學(xué)科知識，是從事土木工程設(shè)計與施工不可或缺的前置基礎(chǔ)[2]。因此，開展工程地質(zhì)課程雙語建設(shè)對培養(yǎng)具有寬廣國際視野的土木工程師，服務(wù)于國家“一帶一路”長遠建設(shè)具有十分重要的意義。

工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)實踐經(jīng)驗表明，由于部分學(xué)生不具備聽說讀寫所需的英語專業(yè)基礎(chǔ)詞匯量，大量生僻難懂的英文專業(yè)術(shù)語大大降低了其課堂知識吸收的效率與積極性，但如果在雙語教學(xué)當(dāng)中花費大量時間和精力教授學(xué)生英文專業(yè)術(shù)語的理解與表達，又往往難以在有限的課時內(nèi)幫助學(xué)生掌握、理解專業(yè)知識，偏離實際教學(xué)目標(biāo)[3-4]。此外，工程地質(zhì)課程知識體系是多學(xué)科交叉融合，概念寬泛復(fù)雜，如果脫離實際地質(zhì)環(huán)境與感官體驗（視覺、聽覺、觸覺等）進行教學(xué)，就難以讓學(xué)生深刻理解地質(zhì)構(gòu)造概念和工程地質(zhì)現(xiàn)象，這進一步加大了工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)的難度。因此，如何調(diào)動工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加強學(xué)生地質(zhì)環(huán)境實際感觀體驗與專業(yè)英語表述能力，成為提高工程地質(zhì)雙語課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵難題。

2022年11月，生成式人工智能ChatGPT正式發(fā)布，其在自動生成用戶所需文本、圖像、視頻、音頻等多維感官識別內(nèi)容方面展現(xiàn)了卓越性能，從而引發(fā)了教育領(lǐng)域的廣泛關(guān)注與討論[5]。一些學(xué)者[6]認為將ChatGPT作為一種教學(xué)輔助工具，可以極大發(fā)揮教師與學(xué)生的創(chuàng)造力，其提供的個性化智能輔導(dǎo)將改善教師的教學(xué)模式以及加強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。因此，本文以ChatGPT為主要研究對象，利用其三項核心能力（啟發(fā)式內(nèi)容生成能力、對話情景理解能力、序列任務(wù)執(zhí)行能力）探討在工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)中的教育應(yīng)用潛力。

一、生成式人工智能ChatGPT在工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)中的應(yīng)用能力

生成式人工智能ChatGPT的問世標(biāo)志著人類文明已經(jīng)進入了人工智能的“快車道”，并進一步加快了全球“數(shù)字教育”的建設(shè)。其中，基于Transformer模型架構(gòu)以及強化學(xué)習(xí)、指示微調(diào)、思維鏈等技術(shù)的合理運用，ChatGPT在情景理解與內(nèi)容生成方面顯示出了較為突出的能力，尤其是在教育應(yīng)用方面，主要具有以下三項核心能力。

（一） 啟發(fā)性內(nèi)容生成能力

ChatGPT能夠基于既定教學(xué)目標(biāo)生成專業(yè)英語詞庫、工程分析案例、文獻調(diào)研結(jié)果等教育資源。這些富有啟發(fā)性和創(chuàng)意性的內(nèi)容不僅能夠成為學(xué)生學(xué)習(xí)聯(lián)想的素材，也能夠在思維廣度上給學(xué)生帶來啟發(fā)。

針對工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)目標(biāo)，ChatGPT可以依據(jù)教學(xué)大綱內(nèi)容生成相應(yīng)的專業(yè)英語詞匯庫，輔助學(xué)生進行專業(yè)術(shù)語英文單詞的學(xué)習(xí)。例如，在工程地質(zhì)礦物物理力學(xué)性質(zhì)教學(xué)設(shè)計中，教師可以輸入某種具體礦物種類，利用ChatGPT生成顏色、光澤、硬度等專業(yè)英語詞匯，并通過不同礦物的積累形成專業(yè)英語詞庫，助力學(xué)生進行工程地質(zhì)課程的雙語學(xué)習(xí)，提高學(xué)生英文學(xué)習(xí)能力。此外，ChatGPT能夠基于學(xué)生提問的工程地質(zhì)現(xiàn)象生成案例分析雙語范文或啟發(fā)式思路提示，為學(xué)生提供開闊的工程地質(zhì)知識補充，從而以人機協(xié)同方式輔助學(xué)生學(xué)習(xí)。例如，ChatGPT可以從地質(zhì)作用、地質(zhì)條件等方面生成中英文案例揭示正、逆、平移等斷層的形成原因以及對應(yīng)的異同點，并引用前沿科學(xué)文獻術(shù)語解釋不同斷層構(gòu)造對工程建設(shè)的影響與防治措施，為學(xué)生提供開闊創(chuàng)新的學(xué)習(xí)思路。

（二）對話情景理解能力

ChatGPT能夠在與教師和學(xué)生的多輪問答中掌握上、下文信息，進行語義理解與合理推斷，捕捉教師和學(xué)生提出問題的關(guān)鍵與意圖，生成符合邏輯的連貫性回復(fù)，并能夠結(jié)合相應(yīng)輔助設(shè)計軟件生成多維感官體驗回復(fù)，包括圖片、音頻、視頻等輔助模態(tài)數(shù)據(jù)，為教師和學(xué)生帶來良好的交互感官體驗，提高教師的教學(xué)效率與學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

針對工程地質(zhì)課程教學(xué)內(nèi)容，ChatGPT能夠結(jié)合markdown、Maxproxy等輔助軟件調(diào)用生成相應(yīng)的多維感官教學(xué)素材，具體包括地質(zhì)現(xiàn)象圖片、地質(zhì)災(zāi)害視頻等，輔助教師設(shè)計具有創(chuàng)新性的教學(xué)活動；例如，ChatGPT可以根據(jù)師生對喀斯特地貌的描述自主搜索現(xiàn)實生活中相應(yīng)的喀斯特地質(zhì)現(xiàn)象案例，并結(jié)合markdown軟件調(diào)用具體現(xiàn)實圖片進行地質(zhì)現(xiàn)象分析，從而加深學(xué)生對工程地質(zhì)課程內(nèi)容的理解。此外，ChatGPT與Maxproxy軟件可以結(jié)合使用，自動生成相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的視頻。例如，師生可以根據(jù)對地震液化現(xiàn)象的教學(xué)需求，調(diào)用Maxproxy從網(wǎng)站上下載地震液化案例的相關(guān)圖像和視頻素材，然后再使用ChatGPT編寫腳本自動將這些素材合成為一個完整的視頻，并插入教師的現(xiàn)場講解，使學(xué)生能夠身臨其境地感觸地震液化現(xiàn)象的產(chǎn)生與危害。

（三）序列任務(wù)執(zhí)行能力

ChatGPT能夠基于教學(xué)大綱內(nèi)容，理解課程內(nèi)容與課時分配間的邏輯關(guān)系，逐層分析不同課程內(nèi)容在教學(xué)當(dāng)中的比重，完成基于不同考查目標(biāo)的測試題目的布置，并能夠根據(jù)學(xué)生課后習(xí)題反饋生成相應(yīng)的輔助習(xí)題并講解解題思路，循序漸進地加深學(xué)生對課堂知識的理解。

針對工程地質(zhì)課堂內(nèi)容測試目標(biāo)，ChatGPT能夠根據(jù)測試范圍、考查目標(biāo)、題目類型、英文詞匯量等命題要求，自動生成多種備選測試題目并給出詳細的解題步驟。例如，在工程地質(zhì)考試命題中，ChatGPT能夠根據(jù)不同題型的分值比例，按照教學(xué)大綱內(nèi)容比重合理安排不同題型中各章節(jié)知識點的分布，精準(zhǔn)全面覆蓋工程地質(zhì)課程教學(xué)內(nèi)容，并可以根據(jù)教師要求自動調(diào)整卷面難度以及英文詞匯量，從而達到智能靈活命題的要求。此外，ChatGPT還能夠根據(jù)學(xué)生課后習(xí)題的反饋情況，總結(jié)學(xué)生課堂知識薄弱點，從而輔助教師對學(xué)生這方面課后習(xí)題進行鍛煉。例如，圍繞河流侵蝕、搬運與沉積作用相關(guān)知識點，學(xué)生難以把握紊流的計算，ChatGPT可以根據(jù)課后習(xí)題反饋針對不同學(xué)生的易錯點，生成不同的習(xí)題解析過程，加強學(xué)生對這方面知識點的掌握與運用。

二、生成式人工智能ChatGPT在工程地質(zhì)雙語課程教學(xué)中的應(yīng)用論證

本研究從工程地質(zhì)課程雙語教與學(xué)兩個維度出發(fā)，分別選取專業(yè)英語詞庫生成、課堂知識點圖片展示以及輔助批閱試題三個具體教育應(yīng)用場景，對ChatGPT（2023年3月發(fā)布的GPT-4）在工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)中的應(yīng)用進行論證。

（一）專業(yè)英語詞庫生成

當(dāng)師生給出具體礦物種類后，ChatGPT可以自動生成其物理性質(zhì)的中英文描述文本，且能夠根據(jù)師生需求統(tǒng)計總結(jié)英文文本中的專業(yè)英語詞匯。例如，教師通過對石膏物理性質(zhì)的提問，讓ChatGPT生成中英文對照的描述文本，輔助進行工程地質(zhì)課程雙語的教學(xué)。再通過ChatGPT積累總結(jié)石膏物理性質(zhì)描述中的專業(yè)英文詞匯，生成學(xué)生課后鞏固和復(fù)習(xí)的英文詞庫（見表1）。經(jīng)過多輪測試，只要不斷輸入工程地質(zhì)課程知識點相關(guān)的中英文問題，ChatGPT便能夠不斷積累工程地質(zhì)教學(xué)當(dāng)中的專業(yè)英語詞匯，形成適用于工程地質(zhì)雙語教學(xué)的專業(yè)英語詞庫，提高學(xué)生雙語學(xué)習(xí)能力與效率。筆者通過多輪測試驗證了ChatGPT已經(jīng)初步具備輔助雙語教學(xué)的應(yīng)用能力。

（二）圖片展示

當(dāng)學(xué)生對地質(zhì)構(gòu)造的內(nèi)容難以理解時，教師可以利用ChatGPT生成相應(yīng)的圖片進行展示，還可以讓ChatGPT識別圖片內(nèi)容進行相應(yīng)知識點的描述。例如，根據(jù)斷層地質(zhì)構(gòu)造的描述，采用ChatGPT生成對應(yīng)的Unsplash圖片鏈接，并調(diào)用markdown進行現(xiàn)實斷層圖片展示。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合圖片識別內(nèi)容利用ChatGPT對斷層地質(zhì)構(gòu)造進行描述，從多維感官加強學(xué)生對地質(zhì)構(gòu)造的認識與理解（見表2）。經(jīng)過多輪測試，筆者發(fā)現(xiàn)圖片展示的正確性取決于對問題描述的詳細程度，越詳細的描述越能夠增加圖片匹配度，也可以在生成圖片之前多設(shè)置幾道關(guān)于斷層地質(zhì)構(gòu)造知識點的問題，ChatGPT可以根據(jù)上、下文語境結(jié)合問題描述調(diào)用正確圖片。通過以上試驗，本研究可以初步驗證ChatGPT已經(jīng)具備較好的輔助教學(xué)功能，所生成的圖片具有一定準(zhǔn)確性，圖片描述邏輯清晰，且能夠抓住關(guān)鍵知識點。不過值得注意的是，對于較復(fù)雜的情景圖片展示，ChatGPT識別與反饋能力還有待提高。

（三）輔助批閱

教師不僅可以根據(jù)教學(xué)目的利用ChatGPT生成不同知識點對應(yīng)的習(xí)題，還可以讓ChatGPT自主識別與判斷學(xué)生習(xí)題反饋的正誤，并給出具體修正意見，加深學(xué)生對解題思路與計算方法的理解，最終達成輔助批閱的基本任務(wù)。在生成的輔助批閱文本中，ChatGPT首先給出正確與否的判斷，然后從語法與內(nèi)容方面給出學(xué)生習(xí)題作答錯誤的原因，并給出合理的解題思路與正確答案。通過ChatGPT的輔助批閱，學(xué)生可以很好地認識到自己英文寫作中的拼寫與語法錯誤習(xí)慣，并得到及時糾正，從而提高學(xué)生對工程地質(zhì)課程雙語學(xué)習(xí)的能力（見表3）。此外，教師可以根據(jù)ChatGPT給出的習(xí)題答案與自我分析得到的習(xí)題答案進行對比驗證，有助于開闊教師教學(xué)思路，從多個角度給學(xué)生講解工程地質(zhì)課程的知識點。筆者通過多輪測試驗證了ChatGPT能夠持續(xù)輸出類似的輔助批閱結(jié)果，具備習(xí)題解答正誤判斷與錯因分析等基本功能，展示了其具有較高的教育應(yīng)用價值。

三、結(jié)語

以ChatGPT為代表的生成式人工智能所具備的情景對話能力與多維感觀素材生成能力，在教育界得到了廣泛應(yīng)用。筆者成功將ChatGPT應(yīng)用在土木工程學(xué)科工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)當(dāng)中，發(fā)展了雙語教學(xué)、多維感觀教學(xué)和課后輔助教學(xué)等多種智能教學(xué)模式，突破了傳統(tǒng)工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)需圍繞書本進行大量記憶和練習(xí)的局限，提高了教師與學(xué)生在工程地質(zhì)課程教與學(xué)當(dāng)中分析與思考的能力，從而驗證了生成式人工智能ChatGPT在高等教育體系中的巨大應(yīng)用潛能。

近年來，部分專家悲觀地認為教師終將被ChatGPT所取代[6]，但以工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)為代表的ChatGPT應(yīng)用測試表明，在人工智能驅(qū)動的數(shù)字化教學(xué)背景下，教學(xué)仍然離不開教師的個人教學(xué)能力，ChatGPT只是對教師教學(xué)能力的延展與開拓。面對ChatGPT對教育領(lǐng)域的革命性沖擊，教師應(yīng)該保持積極探索、開發(fā)的態(tài)度建立教育共生關(guān)系，同時也要高度重視人工智能在教育中潛在的安全與道德問題，辯證地發(fā)揮出ChatGPT在教育領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢。

［ 參 考 文 獻 ］

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[3］ 張永杰，王桂堯，周德泉，等.工程地質(zhì)課程雙語教學(xué)實踐探討[J].高等建筑教育，2014，23（1）：94-98.

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［責(zé)任編輯：雷 艷］