ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ КАК ИНСТРУМЕНТ ПЕРСОНАЛИЗАЦИИ В ОБУЧЕНИИ БИОЛОГИИ

ARTIFICIAL INTELLIGENCE AS A TOOL FOR PERSONALIZED BIOLOGY EDUCATION

Sagynysh Demeukhan

Master’s student, Al-Farabi Kazakh National University, al-Farabi av.,

Republic Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Интеграция искусственного интеллекта (ИИ) в образование стала важнейшим инструментом для персонализации обучения и повышения вовлеченности учащихся. В этом исследовании изучается использование ChatGPT в преподавании биологии в 7-м классе, в частности, при преподавании раздела «Выделение». Исследование проводилось среди трех групп учащихся: 7A (традиционные методы), 7B (обучение с помощью ChatGPT) и 7C (обучение с помощью ChatGPT). Для оценки эффективности обучения с помощью ИИ исследование включало анализ первоначального понимания учащихся, итоговую оценку (итоговый тест) и анкетирование учащихся. Результаты показывают, что учащиеся в экспериментальных группах (7B и 7C) продемонстрировали более высокие результаты обучения по сравнению с контрольной группой. В частности, 7B, которая активно использовала ChatGPT, превзошла контрольную группу (7A) на 15% в итоговой оценке. Кроме того, 70% учащихся в группах с поддержкой ИИ сообщили, что ChatGPT помог им более эффективно понимать биологические процессы, предоставляя альтернативные объяснения, наглядные примеры и интерактивное взаимодействие. Тем не менее, исследование также выявило определенные проблемы, такие как необходимость проверки фактов ответов, генерируемых ИИ, и риск того, что студенты станут чрезмерно полагаться на цифровые инструменты. В статье обсуждаются сильные и слабые стороны внедрения ChatGPT в биологическое образование

ABSTRACT

The integration of artificial intelligence (AI) into education has become a crucial tool for personalizing learning and increasing student engagement. This study explores the use of ChatGPT in 7th-grade biology education, specifically in teaching the topic of “Excretion”. The research was conducted among three groups of students: 7A (traditional methods), 7B (ChatGPT-assisted learning), and 7C (ChatGPT-assisted learning). To evaluate the effectiveness of AI-assisted education, the study included an analysis of students' initial understanding, a final assessment (summative test), and a student questionnaire. The results indicate that students in the experimental groups (7B and 7C) demonstrated higher learning outcomes compared to the control group. In particular, 7B, which actively utilized ChatGPT, outperformed the control group (7A) by 15% in the final assessment. Additionally, 70% of students in AI-assisted groups reported that ChatGPT helped them understand biological processes more effectively by providing alternative explanations, visual examples, and interactive engagement. However, the study also identified certain challenges, such as the need for fact-checking AI-generated responses and the risk of students becoming overly reliant on digital tools. The paper discusses the strengths and limitations of implementing ChatGPT in biology education.

Ключевые слова: искусственный интеллект; персонализированное обучение; ChatGPT; биологическое образование; интерактивные технологии; учебная мотивация; успеваемость; критическое мышление; цифровые образовательные инструменты.

Keywords: artificial intelligence; personalized learning; ChatGPT; biology education; interactive technologies; academic motivation; academic performance; critical thinking; digital educational tools.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

В последние годы искусственный интеллект (ИИ) стал неотъемлемой частью различных областей, включая образование. Его интеграция в процесс обучения способствовала персонализации образования, повышению мотивации учащихся и улучшению сохранения знаний [1]. Это особенно актуально для преподавания сложных предметов, таких как биология, где глубокое понимание и визуализация процессов имеют большое значение. 

Традиционные подходы к преподаванию биологии часто не позволяют эффективно передавать сложные биологические концепции, что приводит к снижению вовлеченности учащихся и снижению успеваемости. Внедрение инструментов на основе ИИ, таких как ChatGPT, дает возможность сделать обучение более интерактивным и адаптивным, учитывая индивидуальные потребности каждого учащегося [2].

Новизна исследования

Хотя инструменты на основе ИИ широко используются в высшем образовании, их применение в естественнонаучном образовании в средней школе остается недостаточно изученным [3]. В этом исследовании представлен новый подход к интеграции ChatGPT в программу обучения биологии 7-го класса, в частности, с упором на раздел «Выделение». Исследование оценивает, как ИИ может улучшить понимание учащимися биологических процессов, и сравнивает обучение с помощью ИИ с традиционными методами обучения.

Научное и практическое значение

Результаты этого исследования могут способствовать разработке новых методик обучения биологии и другим предметам естественных наук. Интеграция ИИ в образование повышает качество обучения, способствует критическому мышлению и готовит учащихся к цифровой эпохе [4]. Целью этого исследования является оценка эффективности ChatGPT в преподавании раздела «Выделение» в 7-м классе биологии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование проводилось среди трех классов 7-го класса для оценки эффективности использования ChatGPT в качестве инструмента обучения в образовании по биологии. Учащиеся были разделены на следующие группы: 7A (контрольная группа, традиционные методы) — 17 учеников, 7B (экспериментальная группа, обучение с помощью ChatGPT) — 18 учеников и 7C (экспериментальная группа, обучение с помощью ChatGPT) — 17 учеников. Учебная программа была структурирована на пять основных тем: выделение у растений, выделение у беспозвоночных, выделительная система у позвоночных, выделительная система у человека и заболевания выделительной системы. Учащиеся 7A класса следовали традиционному подходу к обучению, используя учебники, объяснения учителя и письменные задания. В то же время учащиеся классов 7B и 7C использовали ChatGPT в качестве дополнительного инструмента для разъяснения концепций, ответов на вопросы и составления тестовых вопросов.

Исследование оценивало влияние обучения с помощью ChatGPT с использованием трех основных методов. Первый метод — предварительный анализ знаний, поскольку тема «Выделение» была новой для всех учеников, была проведена начальная диагностическая фаза, в ходе которой анализировалась вовлеченность учащихся и выявлялись основные трудности в понимании биологических процессов. Вторым методом было суммативное оценивание (итоговый тест — СОР), проводившееся в конце исследовательского периода для оценки уровня усвоения материала. СОР включал три типа заданий: вопросы с множественным выбором (40%), направленные на проверку базового понимания выделительных функций; открытые вопросы (30%), требовавшие от учащихся объяснения ключевых биологических процессов; а также анализ диаграмм (30%), в котором необходимо было интерпретировать биологические структуры. Окончательные результаты тестирования в каждой группе сравнивались, чтобы определить, насколько использование ChatGPT способствовало повышению успеваемости учащихся.

Третьим методом исследования стала анкета для студентов, которая была проведена среди учащихся экспериментальных классов (7B и 7C) после завершения изучения темы. В ходе опроса учащиеся отвечали на вопросы, касающиеся их восприятия использования ChatGPT в учебном процессе, включая оценку его полезности для понимания материала, выявление основных преимуществ и недостатков обучения с ИИ, а также их отношение к дальнейшему использованию ChatGPT для изучения будущих тем.

В исследовании использовались различные инструменты и материалы, включая сам ChatGPT, который применялся для ответов на вопросы учащихся, создания тестовых заданий и объяснения сложных тем. Для сравнения с экспериментальными группами контрольный класс использовал традиционные учебники и учебные материалы. Опрос проводился с помощью Google Forms, что позволило собрать объективные отзывы учащихся о процессе обучения с использованием ИИ. Для оценки разницы в успеваемости проводился статистический анализ, в ходе которого рассчитывались средние результаты итогового теста (СОР) для каждой группы, измерялось процентное улучшение по сравнению с контрольной группой, а также анализировалась корреляция между использованием ChatGPT и вовлеченностью студентов, основываясь на данных анкетирования.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Результаты суммативного оценивания за раздел

Результаты СОР показали, что использование ChatGPT способствовало повышению успеваемости учащихся в изучении темы «Выделение». Средний балл контрольной группы (7А), обучавшейся традиционными методами, составил 70%, в то время как учащиеся экспериментальных групп, использовавших ChatGPT в качестве вспомогательного инструмента, показали более высокие результаты. В 7В классe средний балл составил 85%, что на 15% выше, чем в контрольной группе, а в 7С — 80%, что на 10% выше, чем у 7А. Таким образом, можно заключить, что применение искусственного интеллекта в учебном процессе оказывает положительное влияние на академическую успеваемость.

Таблица 1.

Сравнение результатов СОР среди классов

2. Результаты анкетирования учащихся

После завершения темы учащиеся экспериментальных групп (7B и 7C) приняли участие в анонимном опросе для оценки своего опыта использования ChatGPT. Основные выводы:

45% учащихся сообщили, что ChatGPT помог им лучше понять биологические концепции.

35% учащихся заявили, что обучение с помощью ИИ было более увлекательным, чем традиционными методами.

20% учащихся отметили, что ChatGPT иногда давал сложные или неясные объяснения, требующие пояснений учителя.

Рисунок 1. Результаты опроса учащихся

Наиболее значительный прирост знаний наблюдался в 7В классе, что может быть связано с более активным использованием ChatGPT. В этом классе учащиеся не только запрашивали разъяснения, но и генерировали дополнительные вопросы, создавали тесты и пытались применять полученные знания на практике. В 7С классе, несмотря на положительную динамику, наблюдалось более пассивное использование AI, что могло повлиять на конечный результат.

Анализ преимуществ и недостатков использования ChatGPT в обучении показал, что его основными достоинствами являются доступность мгновенных разъяснений, возможность адаптации информации под уровень понимания учащихся и увеличение мотивации к изучению материала. Однако существуют и определенные ограничения, такие как потенциальная зависимость учеников от AI, необходимость проверки корректности предоставленных данных, а также риск снижения навыков самостоятельного поиска информации.

Таким образом, проведенное исследование подтверждает, что использование ChatGPT может существенно повысить уровень понимания сложных тем, но его применение должно сочетаться с традиционными методами обучения. Оптимальный эффект достигается при сбалансированном подходе, где AI выполняет вспомогательную роль, помогая ученикам углублять знания, но не заменяя работу с учителем и учебными материалами.

ВЫВОДЫ

Результаты исследования подтверждают, что использование ChatGPT в качестве инструмента обучения биологии может значительно повысить академическую успеваемость и мотивацию учащихся. Анализ итогового тестирования (СОР) показал, что экспериментальные группы 7B и 7C, использовавшие ChatGPT, продемонстрировали более высокие результаты по сравнению с контрольной группой 7A, где применялись только традиционные методы обучения. Наиболее значительный рост был зафиксирован у учащихся 7B, чей средний балл был на 15% выше, чем у контрольной группы, что свидетельствует о высокой эффективности интерактивного и персонализированного подхода к обучению с использованием искусственного интеллекта.

Дополнительное анкетирование учащихся также подтвердило положительное влияние ChatGPT на образовательный процесс. Большинство учеников отметили, что AI-ассистент помог им лучше понять сложные биологические процессы, предоставляя дополнительные объяснения и альтернативные формулировки материала. Повышенный уровень вовлеченности наблюдался в обеих экспериментальных группах, однако в 7B ученики проявляли более активный интерес, самостоятельно формулируя вопросы и проверяя свои знания с помощью ChatGPT, что, вероятно, и привело к их более высоким результатам в тестировании.

Несмотря на положительные аспекты использования ChatGPT, исследование выявило и определенные ограничения. Во-первых, часть учащихся отметила, что некоторые объяснения ИИ были сложными или недостаточно подробными, что требовало дополнительного разъяснения со стороны учителя. Во-вторых, существует риск чрезмерной зависимости от технологий, когда ученики могут полагаться на готовые ответы, не развивая навыки критического мышления и самостоятельного анализа информации. Эти аспекты подчеркивают важность сочетания ChatGPT с традиционными методами обучения и активного контроля со стороны педагога.

Таким образом, результаты исследования подтверждают, что искусственный интеллект может выступать в роли эффективного вспомогательного инструмента для персонализации обучения биологии, однако его внедрение должно быть сбалансированным и сопровождаться методической адаптацией. Оптимальное использование ChatGPT предполагает его применение в качестве интерактивного ресурса, который дополняет традиционные образовательные методы, стимулирует познавательный интерес и способствует более глубокому пониманию учебного материала. В будущем целесообразно проводить дальнейшие исследования с расширенной выборкой учащихся, изучая долгосрочное влияние AI-инструментов на образовательные результаты и когнитивное развитие школьников.

Список литературы:

1. Chen, L., Chen, P., & Lin, Z. (2020). Artificial Intelligence in Education: A Review. IEEE Access.
2. Nguyen, T., & Nguyen, H. (2023). Potential of ChatGPT in Biology Teaching and Learning at the Vietnamese High School. ResearchGate.
3. Mallik, S., & Gangopadhyay, A. (2023). Proactive and Reactive Engagement of Artificial Intelligence Methods for Education: A Review. arXiv preprint arXiv:2301.10231.
4. Yufei, W. (2020). A Review on Artificial Intelligence in Education. Academic Journal of Interdisciplinary Studies, 9(4), 35-39.