[论文解读] Enhancing STEM Learning with ChatGPT and Bing Chat as Objects to Think With: A Case Study

Marco Antonio Rodrigues Vasconcelos, Renato P. dos Santos|arXiv (Cornell University)|May 1, 2023

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一句话总结

本研究采用建构主义框架，探究ChatGPT与Bing Chat作为STEM教育中‘用于思考的工具’的作用。通过一项单一样本研究，分析学生与AI的互动日志，发现这些AI能增强反思性思维、问题解决能力及概念理解，尽管在与协作学习整合以及可靠性方面仍存在关键挑战，影响其有效实施。

ABSTRACT

This study investigates the potential of ChatGPT and Bing Chat, advanced conversational AIs, as "objects-to-think-with," resources that foster reflective and critical thinking, and concept comprehension in enhancing STEM education, using a constructionist theoretical framework. A single-case study methodology was used to analyse extensive interaction logs between students and both AI systems in simulated STEM learning experiences. The results highlight the ability of ChatGPT and Bing Chat to help learners develop reflective and critical thinking, creativity, problem-solving skills, and concept comprehension. However, integrating AIs with collaborative learning and other educational activities is crucial, as is addressing potential limitations like concerns about AI information accuracy and reliability of the AIs' information and diminished human interaction. The study concludes that ChatGPT and Bing Chat as objects-to-think-with offer promising avenues to revolutionise STEM education through a constructionist lens, fostering engagement in inclusive and accessible learning environments.

研究动机与目标

• 探究类似ChatGPT与Bing Chat的大语言模型如何在STEM学习中作为‘用于思考的工具’发挥作用。
• 研究这些AI工具对学生反思性与批判性思维、创造力及概念理解的影响。
• 评估AI整合在协作性与包容性学习环境中的作用。
• 识别信息准确性不足及AI媒介学习中人际互动减少等局限性。
• 为在建构主义STEM教育框架中有效利用AI提供基于证据的建议。

提出的方法

• 采用单一样本研究设计，分析学生在模拟STEM学习任务中与ChatGPT和Bing Chat的广泛互动日志。
• 研究应用建构主义理论框架，阐释学生如何将AI作为认知工具共同建构知识。
• 收集学生在使用两种AI系统进行问题解决与概念探究时的互动日志。
• 质性分析聚焦于对话模式、推理深度以及批判性思维与概念发展的证据。
• 研究人员从准确性、相关性与教学价值角度评估AI生成回应的质量。
• 对ChatGPT与Bing Chat进行对比分析，以评估用户参与度与学习成效的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 学生如何在STEM情境中将ChatGPT与Bing Chat作为认知工具，以支持反思性与批判性思维？
• RQ2 这些AI系统在多大程度上提升了学生在STEM学科中的概念理解与问题解决能力？
• RQ3 在建构主义学习环境中整合大语言模型具有哪些教学优势与风险？
• RQ4 使用AI如何影响协作学习环境中学生的参与度与人际互动质量？
• RQ5 AI生成内容在准确性、可靠性与教育诚信方面存在哪些挑战？

主要发现

• ChatGPT与Bing Chat通过迭代式对话与寻求解释的互动，有效支持学生发展反思性与批判性思维。
• 当学生通过提问与假设检验使用AI探索复杂STEM概念时，其概念理解能力得到提升。
• 这些工具通过支持快速构思与替代解题路径，促进了创造力与问题解决能力。
• 互动日志显示，当AI作为认知建构的支架时，学生对内容的参与度更高。
• 尽管存在优势，但AI生成信息的可靠性与准确性问题引发关注，尤其当回应中存在事实性错误时。
• 在AI媒介学习中观察到人际互动减少，表明需将AI结构化地整合进协作学习活动。