研發師德高尚的AI教師*

黃甫全

教育在不經意間就進入了一個新時代。神經科學和人工智能，掀起的教育創新浪潮洶涌澎湃。為響應這種歷史召喚，我們華南師大團隊幾年來努力拓展“德育神經科學與人工智能研發”新方向。教育創新必須落實到課程開發，課程開發的實質是教師發展，新時代的教師發展出現了AI教師研發新路向。這些年我們一直在努力探索神經科學和人工智能與有效教學論的交融創新，首要目標就是研發出師德高尚的AI教師，現在已經形成了一個“師德高尚的AI教師研發方法與系統”。

今天跟大家分享三個主題，第一是“走向智能課程”。之所以要講課程，就是要彰顯課堂。有種傾向把“教育”概念抽象化了，只在那里抽象談教育，最后什么問題都沒找到，什么問題都解決不了。我們把課程定義為“正在進行的教育活動”。正在進行的教育活動，體現在學校里就是師生正在課堂上上課。當代課堂上正在進行的教育活動，一個根本的特征就是走向智能化，創新實施智能課程。第二是“師德高尚的AI教師研發邏輯”。為什么現在AI發展很快，卻幾乎走不進課堂中呢？因為，現在的AI沒有道德修養。一些學校帶AI上課，發生AI引誘學生玩耍而不上課，甚至爆粗口的情況。沒有道德，絕對不能當教師。還有，AI沒有教學能力，它現在只有一種“記憶重述”能力，它可以把教材和輔導材料全部記下來，但是它不能像真人教師一樣去備課，然后去組織實施課程。所以，研制師德高尚的AI教師就是要解決兩大問題，給AI以真人教師的師德，給它以教學能力。有人擔心有了AI教師，我們真人教師就沒飯碗了。這種擔心是多余的，有了AI教師，一則把我們真人教師從繁重的課堂教學中解放出來;二則逼促真人教師發展角色，從現在的知識傳授者角色發展為課程創新者角色。第三是“師德高尚的AI教師研發的一些關鍵技術”。我們現在正在到處學習，同時也在進行廣泛的協同，最主要的是把本科生和研究生組織起來開展研究性學習，挖掘和找準研發的關鍵技術，努力把它們解決掉。

一、走向智能課程

為什么要研發師德高尚的AI教師？這里有一個鄉村教育關懷的動因。我帶領的團隊從2000年開始就與香港國際人文價值教育學院合作，到內地邊遠地區的農村小學協同開展“人文價值教育課程開發行動研究”，主要是培訓教師，以課程開發為抓手。先是在廣東的粵北地區，然后發展到青海的西寧，后來又到廣西的恭城與陽朔，前年開始又到了云南的耿馬。我們去了以后深深感受到我國的教育公平所面臨的難以跨越的城鄉二元社會鴻溝，實質是教師教學能力的鴻溝。實際狀況是怎么樣的呢？至少有兩個點：第一點是教師專業發展水平鴻溝越來越大。廣州等發達城市的教師教育與培訓水平高、教師專業發展水平高，而邊遠鄉村的則相對偏低，城鄉教師教學能力的“剪刀差”越來越大。第二點，人才自由流動，水平稍微高一點的邊遠鄉村教師基本上都被發達地區“挖”走了。

這就是現實，怎么辦呢？不能不讓邊遠鄉村有水平的教師走，攔得了一時攔不了一世呀！可以動員教師奔赴邊遠鄉村，但是能去的和去了能留下的“少得很啦”！杯水車薪，遠遠滿足不了需要。怎么辦呢？還是要找找出路，出路在哪里呢？后來，當我們看到神經科學和人工智能的時候，就說“出路有了”！我們就有了一個夢想，如果能開發出像廣州市最高教學水平教師的人工智能，“派”它們到邊遠鄉村學校執教，目前城鄉教育鴻溝就將蕩然無存啦！而且，我們相信AI教師去上課肯定讓一個個孩子都非常喜歡。我們可以按照孩子的喜好來研制AI教師，哪個孩子喜歡什么樣的就給它“做”成什么樣的。其實，經驗和研究已經證明了，孩子學不好的部分原因是他不喜歡這個老師。學生不喜歡教師，不喜歡教師講的，不喜歡按照教師說的方法去學，自然就學不好。但是人工智能就不會，AI教師會為孩子量身定“做”。教師需要討孩子喜歡，要是能做到，便能成為一個優秀教師。

課堂上課，其實里面蘊含著的是師生一起開展這種活動所具有的教學的智能。從神經科學的角度來看，如果課堂效果好，老師上得好，學生學得好，那就說明這堂課所表現出的教學智能是比較高的。這種能力會隨著有效的教學活動，內化到大腦里面去。比如說師范學校的學生，培養方案要求訓練師范技能，其實就是要讓大家形成教學能力。在華南師范大學，從本科一年級開始，我們會把課堂交給學生，變為學生自主教學的課堂，讓學生自己去備課，自己去上課，然后自己來評課。教師成為設計者和組織者，成為坐在下面聽課、評課的欣賞者和指導者。當然，更重要的是創新者，要能夠把這個課堂加以創新，要能把學生組織起來，讓學生上一堂精彩的課。剛從高中步入大學的新生怎么會上課呢？！但是，教師能夠把他們組織起來，使他們敢于去上課，去上好課，這就是智慧教育創新，然后它也會內化為大腦里的一種能力，我們把它叫做智慧教育能力。大中小學幼兒園師生，莫不如此。如果將這種教學智能外化，通過神經科學研究把它搞清楚，建構出神經網絡再開發為數學模型與算法系統，“融給”人工智能，再拿到實踐當中去試驗、實驗和檢驗，就發展起了人工智能的教學能力。

AI是有學習能力的，專門有個學科叫機器學習，現在已經開發到機器深度學習。在人工智能領域，深度學習開發非常快，AI具有的學習能力，不是淺表學習能力，而是深度學習能力。神經科學已經確證，人類的知識、行為和心智是由大腦神經激活、環路及其網絡決定的。一旦我們把具有教育智慧的大腦神經網絡結構搞清楚，并進行技術開發，能夠把它融入到人工智能當中去，就會產生一種新課堂。

有這樣一幅圖片：AI教師在教室前面上課，真人教師在后面支持、組織和引導學生學習。這種課堂場景的變化，表征著師生關系變化，更表征著課堂結構關系變化。其中更重要的是，AI成為了一種教學新媒介。可以想象到，開發和配備課堂教學感知器和傳感器，把課堂教學活動一絲一毫都感知和編碼為數碼化結構化的教學體系，通過物聯網傳遞給AI老師，它一邊在上課，一邊就能把整個課堂教學情況掌握得清清楚楚;若再開發一個優質教學參照系統和比較前饋系統，師生最為繁重的作業、測試工作就由人工智能承擔并共時性地完成了，令大家頭痛的作業考試頑疾就悄然宵遁了。

文化哲學分析建構了可能的多種“人—技術—環境”關系模型。有一種為“（人—技術）—環境”模型，就是人與技術一體化，協力建構與環境的理想關系。研發AI教師，可能創新一種嶄新而理想的新型教學文化，真人教師與AI教師一體化，學生與AI學伴一體化，進而藉由AI教師與AI學伴的媒介作用，教師、學生與課堂一體化，這就是所謂的“走向智能課程”。在新時代新科技的高速發展應用當中，尤其是在神經科學和人工智能的飛速發展應用當中，我們教育正在飛速地走向智能課程。

二、師德高尚的AI教師研發邏輯

先探討一個問題：怎么來定義師德高尚的AI教師呢？我們是這樣定義的，師德高尚的AI教師是一種特殊的類人智能與類人機器人，具有高尚的師德和卓越的教學能力，會帶來一個智能教育化的新時代。這個定義的內涵非常豐富，首先是人工智能。2017年，《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》中明確要求“在中小學階段設置人工智能相關課程”。人工智能時代已經到來，還不懂、還不會人工智能怎么行呢？其次是類腦智能，有兩個意思，由人腦智能所激發的人工智能和仿生人腦的智能，也就是與人腦具有同構性的智能。第三是類人機器人，是里里外外都像人的機器人，發展非常快，我們一定要去學習、掌握和開發應用。另外的內涵還有：神經科學、高尚師德、教學專業能力、教育智能化和智能教育化時代。為什么我們曾經大力提倡教育社會化、社會教育化，而現在沒提了？因為長期以來社會沒法教育化，或社會教育化還不到時候。然而，人工智能出來以后，社會就可能教育化了。

基于幾年的文獻研究，我們要把神經科學和人工智能與教育學、課程與教學論交叉融合起來，開發遵德守法型AI教師。現在我們已經清理和建構起了一個基本的邏輯思路，里面主要包含兩大研究領域和兩大開發主題。

在理論研究層面，第一大領域是德育神經科學。我們要做德育神經科學，一直做到德性神經網絡建構，也就是德育神經科學的研究與開發，開發出德性神經網絡的數學模型及其算法系統。之所以選擇這個主題，除了我前面說的要研發師德高尚的AI教師外，還針對我國現在幾乎沒有人做德育神經科學研究的現狀，努力在我國建構起德育神經科學學科。其實，道德和德育是一個社會須臾不可缺少的東西，進入神經科學時代德育神經科學也是不可或缺的。為了研發AI教師的高尚師德修養，德育神經科學主要作四個方面的研究。一是“道德活動神經科學”研究，探究道德活動的神經激活定位及其環路與網絡;二是“道德學習神經科學”研究，基于道德活動神經科學探明的神經激活規律，開發道德學習活動以探明學習經驗對道德大腦神經活動及其環路型塑作用機理與規律;三是“神經德育學研究”，基于探明的道德大腦的學習型塑規律，創新一套精準德育課程并驗證其培育道德大腦的效應;四是“道德神經網絡建構”研究，依據大腦連接組學，持續地研究建構起區域水平、功能柱水平、神經元水平、突觸水平以及生化水平的道德大腦神經網絡及其數學模型與算法體系。第二大領域是課程技術學與工程學。將人工智能與教育學以及課程與教學論交叉融合起來，開發出有效課堂教學的價值創造型學習體系及其數學模型與算法體系。為了研發AI教師的卓越教學能力，課程技術學與工程學主要作三個層面八個方面的研究。第一個層面第一方面是有效課堂教學的價值創造型學習體系開發研究，研發出價值創造型學習體系的數學模型及其算法體系。第二個層面第二方面是“課堂教學實時轉化體系”研究，開發價值創造型學習體系、課堂教學感知器、傳感器與物聯網融合技術，研發出課堂教師實時轉化體系;第三方面是“名師教學參照體系”研究，開發價值創造型學習體系及其名師課目教學數據資源體系;第四方面是“新理論教學參照體系”研究，開發價值創造型學習體系及其新理論課目教學數據資源體系;第五方面是“大數據優選教學參照體系”研究，開發價值創造型學習體系及其大數據優選課目教學數據資源體系;第六方面是“經驗自組織教學參照體系”研究，應用深度學習模型與算法，開發價值創造型學習體系及其AI教師課目教學數據資源體系;第七方面是“教學比較與前饋體系”研究，開發課堂教學實時轉化體系與前述四層教學參照體系的比較評價系統，對課堂實時教學做出系統鑒定，同時為優化教學系統提出詳盡前饋建議。第三個層面第八方面是“智能化價值創造型學習體系”研究，重點在于建構價值創造型學習體系的課程開發系統，也就是備課、上課、評課與補課的教學能力體系。

到技術開發層面，第一大主題是師德高尚的AI教師研發，關鍵有幾點：一是跟蹤類腦智能與類人機器人進展，精選最高水平與最具適切性的類腦智能與類人機器人，作為研發樣本;二是深入研究價值創造型學習體系，將其中蘊含的教學能力體系融入入選的類腦智能與類人機器人，研發出具有教學能力的AI教師;三是深入研究和優化德性神經網絡，進而將其融入入選的類腦智能，研發出德性智能;四是研究德性智能與AI教師融合原理與技術，進行兩者融合創生出德性AI教師，進而持續進行有效課程與教學開發試驗和實驗，開發德性AI教師的師德與教學能力數據資源，研發出既有高尚師德的又有卓越教學能力的類腦智能與類人機器人，并使之成為師德高尚的卓越AI教師。第二大主題是智能教育課程與教學創新開發，主要有兩條線。一是人工智能教育課程開發，與大中小學幼兒園合作開發出各個層次需要而適用的人工智能課程與教學體系，包括幼兒園人工智能課程、小學人工智能課程、初中人工智能課程、高中人工智能課程、大學人工智能課程——包含專科、本科、碩士和博士課程系列，還有特殊教育人工智能課程。二是智能課堂創新，包括三個階段：階段一是進行人工智能應用開發，實現課堂多媒體技術及其資源的整合;階段二是創新深度學習課堂，將每個課目每堂課都發展到深度學習層次，基于具體主題綜合實現知識習得、行為養成、心智發展與神經成長;階段三是智能課堂教育創新，AI教師與真人教師聯袂執教，創新“雙師課堂”。

三、師德高尚AI教師研發的

關鍵技術

研發師德高尚的AI教師，很多人會懷疑，從事教育學的能行嗎？的確，這在國內難度極大。首先是學科交叉文化稀薄，在中央和地方關于人工智能發展文件上，還沒有與教育學交叉融合的正式政策引導;在大學里，仍然是學科林立，院系分割，森嚴壁壘。其次是教育學被規定為文科，教育學類本科基本上都是招收培養的文科生，不具備人工智能開發必需的數理工藝各科知識素養。總之，教育人工智能技術開發沒有人才。但是，國外交叉性教育人工智能學科飛速發展與國內教育機器人產業市場飛速擴展，形勢逼人。幾年來我們一直在嘗試尋找技術支撐的合作，但是知名人工智能開發公司推辭說：“你這個太復雜了，我們得開發已有技術的市場！”其他院校的人工智能專家，則要我們拿出“師德高尚的AI教師的結構模型、數學模型及其算法”，他們才能去開發相應的人工智能操作系統。我們去做了，但一下子做不出來。因為數學模型及其算法千萬種，AI教師的，必須與已有AI的數學模型及其算法具有親和性。也就是說，必須先弄懂掌握發展中的類腦智能與類人機器人的數學模型及其算法系列，才能提出或建構與之具有親和性的AI教師的數學模型及其算法。我們現在不懂數學模型及其算法，怎么辦呢？

2018年5月，看了鳳凰衛視中文臺《世紀大講堂》的“第二屆世界智能大會特別節目”，里面馬云講道：“先告訴大家一個壞消息，中國在人工智能和大數據方面的人才極度缺乏，幾乎沒什么人才。好消息是全世界都沒什么好人才……好處是，大家都沒有人才，大家都有機會學習！”于是我們決定，自己動手自力更生。我本人是“文革”期間讀的中小學，不分文理科，本科學的是植物保護專業，打下了系統而厚實的數學、化學、物理學以及生命科學的知識底子。我們創辦的小學教育專業本科，是數學方向，招收的是理科生，數學系統知識十分了得，尤其沒有“理工科恐懼癥”，一些學生反倒是“人工智能開發狂”。這樣，我們就建設形成了一支非常好的隊伍，有國內外一批協同單位專家的智力支持，有校內各院系神經科學、心理學、計算機科技和人工智能專家鼎力相助，有本學科擁有的全國一流教育學課程與教學論隊伍積極參與，核心是充滿活力和志同道合的年輕博士后、博士生、碩士生和本科生專門學研開發隊伍。

經過近幾年的探索，我們已經從文獻研究階段進入到理論創新與技術開發階段。在師德高尚的卓越AI教師項目中，初步確定了四大關鍵技術研發內容，它們分別為“智能化價值創造型學習系統技術”“遵德守法型類腦智能系統技術”“教學能力型類腦智能與類型機器人系統技術”和“師德高尚卓越AI教師系統技術”。第一大關鍵技術，是智能化價值創造型學習系統技術。我們通過多年富有成效的課程與教學研究，已經建構起了有效課程與教學的理論或概念模型，稱為“大課程論邏輯框架結構整體模型”。基以依據價值哲學邏輯，采用圖論分析方法與拓撲建模技術，開發數字化價值創造型學習的教學體系拓撲結構模型，成為一種獨特的智能化價值創造型學習系統。第二大關鍵技術，是遵德守法型類腦智能系統技術。追蹤人工智能領域最新的脈沖神經網絡研發趨勢，選用適宜技術開發平臺和語言建構“德性神經網絡的數學模型及其算法系統”，并融入適切性開源類腦智能，進而開發融入教師教學道德行為數據集，集成“遵德守法型類腦智能”。第三大關鍵技術，是教學能力型類腦智能與類人機器人系統技術。跟蹤人工智能發展，精選適切性開源類腦智能與類人機器人，采取增強型神經網絡圖論處理器（GPU-enhanced Neuronal Networks， GeNN）框架，開發“智能化價值創造型學習系統模型”，研發類腦教學智能和類師機器人（teacheroid robot），亦即具有教育教學能力的AI教師。第四大關鍵技術，是AI教師高尚師德與卓越教學能力體系集成技術。選用適切性的融合技術，集成類腦智能與類人機器人教學能力系統與師德修養系統，建構遵德守法型且具有教育教學能力的類腦智能與類人機器人，也就是德性AI教師。進而通過文獻收集和/或教學實驗和/或深度學習，采用數據挖掘技術和標注技術，集成并融入高尚師德數據信息與卓越教育教學能力數據信息，持續提升AI教師的道德修養和教育教學能力，開發師德高尚的卓越AI教師。

師德高尚的卓越AI教師，應用前景無可限量。在我們學校教育里面可以廣泛應用，包括托兒所、幼兒園、小學、中學、大學，還有特殊教育學校。不僅可以用為教師，還可以開發用為學伴。進而可以用到校外，用到家庭教育和社會教育中，用于學校教育、家庭教育和社會教育的數不勝數的各種課程。服務行業，將是AI教師進一步開發應用的廣闊領域。醫療、酒店和導購等職業不用說，養老和陪護職業的AI教師開發應用，前景無比美好！

師德高尚的卓越AI教師，最有價值的效應是促進社會公平和平等。教育上，不分城鄉、貧富和民族等，均能享受到AI教師帶來的教育機會、過程和結果公平。最為重要的是，師德高尚的卓越AI教師將徹底解構知識霸權。有人總喜歡提“為何現在出不了民國的學術大師”的問題。實際上隨著時代的發展，這個問題已經不存在了。現在進入人工智能時代，知識霸權的消解，意味著再也沒有高高在上俯視支配我們這些低低在下學子的所謂“學術大師”啦！在一個消解了學術大師的時代，是不需要也不可能產生學術大師的了。在當代，“為什么出不了學術大師”，就成了一個假問題了。研發師德高尚的卓越AI教師，既可以培養一代又一代品德高尚的新型公民，也可以造就一個道德社會，還可以促進民主平等國家建設！