未來教育觀照下的學習與認知：來自人工智能與神經教育學的啟示

師保國 王晴

【摘要】人工智能時代的到來對于教育既是挑戰也是機遇。跨學科的研究將腦科學、心理學與教育學相結合，形成神經教育學以促進教學的發展。人工智能和神經教育學對教學的逐步影響使我們不斷深入思考未來教育的內容和方向，這也是當下教育者不可回避的問題。

【關鍵詞】未來教育;人工智能;神經教育學;教育應對策略

【作者簡介】師保國，“學習與認知”北京市重點實驗室，首都師范大學心理學院副院長，教授;王晴，首都師范大學心理學院碩士研究生（北京100048）

21世紀，飛速發展的科技在改變人類的工作、生活和思維方式的同時，也在引領教育的變革。最近幾年，關于將人工智能、腦科學應用于教育的呼聲越來越高。跨學科的研究將腦科學、心理學與教育學相結合，出現了許多神經教育學類書籍，并論及了教育與腦科學相結合的觀點;國務院《新一代人工智能發展規劃》的印發，以人工智能、機器學習、深度學習、教育大數據等為主題的大量研討會的召開，也促使人們不斷思考人工智能時代對教師、學生帶來的挑戰和機遇;加之經濟全球化的背景下，教育研究的環境愈加多元、開放，各種教育理念和理論不斷碰撞、融合，包括慕課教學、云課堂等在內的“互聯網+”教學平臺層出不窮，這些發展、變化都要求教育者必須在傳統的心理學、教育學基礎之上，進一步思考人工智能和腦科學等新興學科在教育領域的應用是否也將極大促進教育的改革與進步。

未來教育的發展特點

跨學科和人工智能作為教育信息化的關鍵部分，對學校教師和學生都具有一定沖擊力，同時也對未來教育的目標、理論和實踐帶來影響。根據學術界的研究（Chi&Wylie，2014;Hake，1998），未來教育的發展特點將至少體現在以下三個方面：

首先是目標。未來教育的目標正在由傳統的刻板知識體系的掌握向工具的掌握轉變，而未來知識也將會是一種動態的應用而非靜態的獲取。無處不在的智能手機和便攜式筆記本意味著：在智能時代真正的知識將由我們的手指操縱，這有利于使學習者成為知識的主動獲取者和創造者。此外，工作要求的動態性質鼓勵學校開發并專注于知識應用的技能課程（Toner，2011）。同樣，隨著未來教育目標的改變，教育評估也在改變，雖然評估之前被用來測量學習者掌握知識的程度，但現在它從一種終結性衡量標準轉變為過程形成的衡量指標。例如，由美國伍斯特理工學院開發的ASSISTments教育平臺在兩種評估之間提供了良好的協同作用，首先評估學生所需要的標準化測試知識，然后根據需要提供個性化支持（Heffernan & Heffernan，2014）。

其次是教育實踐。未來課堂實踐越來越包含更多有價值的元素，包括有價值的問題、體驗式學習機會、小組合作等。這些變化的結果是增加了學習任務的靈活性（例如，從基于知識的學習到基于問題的學習），學習目標的靈活性（例如，從掌握知識到對知識的搜尋和分析），所需文化的復雜性（例如，從單學科學習到跨學科學習），以及課堂互動和編排的復雜性（例如，從個人學習到支持群體互動]（Dillenbourg，2013）。學校教育實踐的另一個主要挑戰是個性化，當學習者有著不同的經歷、目標和背景時，學校教育系統需要努力提供個性化的學習途徑，同時還需要處理好個性化教育與全面的通識教育之間的關系。

最后是環境。雖然學校教育系統本身保持其結構，但人們對教學和學習環境的看法正在改變，并且已經擴展到課堂以外的非正式場所。以大規模在線公開課程（慕課）的發展為例，教育部在教育信息化和網絡安全工作月報（2018年12月）中提到，“愛課程”網中國大學慕課移動終端已累計下載安裝1795萬人次，平臺在授課程6369門次，新增素材7.5萬條、新增報名454萬人次。放眼世界，除了人數的增加以外，慕課在各個國家的發展也為學習者提供了無障礙環境，許多慕課學習者都來自發展中國家（Christensenetal，2013）。總的來說，慕課平臺率先突破了以往傳統的教學環境并且為達標的學習者提供自己的課程證書，創造了一種新型的學習環境和認證方式。

未來教育是在人工智能背景下的教育，也是在跨學科發展下的教育，教師需要積極轉變自身的角色，我們不再期望教師擁有所有的相關知識并將其傳遞給學習者，相反，教師的重要任務是支持學生尋求、發現和整合信息，并可以成為獨立的思考者。

人工智能與教育神經學關于學習與認知的新研究

1.人工智能的啟示

人工智能的英文簡寫為AI，從廣義上講它表示機器具有與人類思維相同的功能，從而代替人腦進行各種計算、決策和分析，是有效解放人們雙手的智能技術（Payne et al，2008）。近年來，人工智能在教育領域的發展表明未來教育發展方向與人工智能密切相關。

從知識的角度來看，人工智能與教育相結合有助于解決以往知識陳舊而無法替換的問題，并進一步促進知識創新、更新、傳播和管理。例如人工智能圖書館——AI圖書館就可能具備資源共享、個性化定制、大數據追蹤記錄以及智能化檢索體驗等功能，擺脫了傳統檢索方法的束縛。

從受教育者角度來看，“人工智能+教育”可以通過開發智能軟件工具或其他方法來傳授知識或測試學生的學習情況并提出相應的學習建議，讓學習者從“獲取者”轉變為“創新者”，例如人工智能依托一線大數據為學習者提供智能在線學習與教育平臺，誘發學生依據自身興趣主動學習。此外，“人工智能+教育”還可以為學習者營造新的學習空間和環境，改變傳統課堂上的師生互動模式和評估學習程度的手段，并依托VR/AR、大數據等智能技術的幫助，不斷推進“深度學習”。

從教育者的角度來看，人工智能促使教育者重新定位自己，并依據信息技術等手段與學生進行動態互動，提高教學質量。與此同時，圖像識別技術可以幫助教師提高批改作業的速度，使教師擺脫煩瑣和重復的任務。同樣，人工智能可運用在考試當中，使教育部門在考場建設中更加具有針對性，創建更加科學的考試系統;也可用于考生身份的驗證系統，防止單一的驗證方式造成結果誤差;最后，人工智能可以將計算機視覺技術、語音技術和自然語言等技術運用于評卷當中，突破傳統評卷方式的限制，提升評卷的準確性和效率等。

2.教育神經學的啟示

為進一步優化未來教育策略并提高未來教育質量，人們必須對腦的發展規律以及學習的生理、神經機制等問題有更深的認識。神經教育學這一跨領域的學科給予我們很多啟示，并可以在未來教育中得到應用。首先，人類腦的結構和功能不僅取決于基因，還依賴于后天的發展過程，該過程以負責特定任務的神經元之間連接的鞏固為基礎。另外，不同的腦區分別有不同的發展期，這同樣受到內外因共同影響，在關鍵期內進行教育，腦結構將得到優化，一旦錯過發展期神經元將很難再形成新的連接;而使大腦固化的結構發生變化的途徑就是改變現有神經連接的效能，這也是我們之所以對個體進行教育的神經基礎（Antonio，2011）。因此，促進個體腦結構發展需要“及時教育”，教育既不可滯后也不可過于超前。

另外，近年來許多有關神經教育學的研究和研究工具的使用，也引發了教育者對未來教育的思考。例如從生理層面看，睡眠是維持生命不可缺少的過程，同時也會影響兒童的學習效率。研究發現，睡眠與記憶有關系，好的睡眠有助于改善記憶，尤其是視覺情境的情緒記憶成分，缺少睡眠甚至會導致注意力不集中、學習效率低下等問題（Payne，et al，2010）。根據這些研究，教育者可以更加合理地制定出兒童上下學時間以及最低睡眠時間，以幫助學生提高學習效率。此外，心理地圖也能使學生更好地理解知識。繪制心理地圖是向學習者預先呈現一個話題的好方法，通過顏色、運動、繪畫、對照和組織決策的應用，信息得以在我們的心理地圖中編碼，一旦編碼成功，學習者接著就能與他人分享，進一步強化這一學習（梁平，2014）。工具方面，認知的發展與腦發展是同步的，我們可以將認知變化與腦發育聯系起來，建立起測量學習、教學、課程以及其他認知行為的量表，這種量表在教育評價與實踐中將具備廣泛的用途。將認知發展周期與教育評價量表聯系起來的研究，將是腦科學研究對教育研究與實踐的一項直接貢獻;此外，功能磁共振、近紅外腦成像、腦磁圖等與腦功能直接相關的信號工具也可以應用于教育之中，通過腦電信息融合與腦電采集設備充分了解大腦潛能，例如測量個體的情緒調節能力或注意力水平，從而對未來教學產生深遠影響。

教育的應對策略

結合上述思考，參考來自人工智能與神經教育學研究的啟示，對于未來教育人們需要做好充分的應對準備。

1.制訂基于腦與認知發展的教學計劃

伴隨著人工智能的普及和神經科學的發展，未來教育必須積極調整課程并制訂合理的教學計劃，由傳統的“因材施教”深化為“因腦施教”。這是教育目標和實踐所面臨的重大挑戰。傳統的教學方式是將一門學科分成較小的單元部分，然后將單元分成周課時計劃和日課時計劃，再以人們目前所熟知的方式來安排這門課。這種方式看上去是符合邏輯的，但并不是最適合人類大腦學習的設計方式。大腦是動態發展過程，基于腦的課時計劃沒有可供遵循的單一模板，這主要是因為每一個人的大腦都是唯一的，學習不同的知識要求不同的設計方法，學校和教師應根據學生大腦與認知發展規律制定出基于腦的教學計劃的七個階段（梁平，2014），如表1所示。

在制訂合理的教育計劃的同時，可將人工智能運用到教育計劃中，通過大數據平臺構建數字化教學環境，從而為學習者制訂學習計劃。

2.對教育相關的社會資源進行合理分配

人工智能時代所孕育出來的新型智能工具的開發應以“精”而不是“繁”為重點。目前，社會上所開發的人工智能工具更新速度快，智能手機上學習類“APP”就是典型的例子。例如在最近幾年人工智能的發展狀態下，各類外語聽說讀寫軟件紛紛借助于“機器人進行糾正發音或者打分，改變了傳統的師生互動和學習評估方法，這是一個進步。但各類軟件的開發在內容上大體一致，長此以往無疑會造成社會資源的浪費。為了避免工具重復開發，我們應該建立合理的準入標準，促進資源良性分配，使人工智能對學習者和教育技術發揮最大的作用。

3.家庭準備

家庭環境對一個人的成長至關重要，未來教育的良性發展勢必離不開家庭的配合。首先，在生活方面，家長應為孩子提供合理的飲食，形成正確的飲食習慣和規律，保證合理的睡眠時間并提高睡眠質量。良好的生活作息和健康飲食無疑會促進孩子大腦的健康發展，從而為學習打造健康的生理基礎。除此之外，家長也要培養孩子的感知思維能力，并協調左右腦的發展，保持身體上和情感上的安全環境。家庭是孩子的第一課堂，家長應結合未來教育方向，鼓勵孩子掌握信息工具，比如編程知識，以及相關的創客教育和sTEAM課程。滿足孩子的好奇心并鼓勵孩子緊密結合多元知識，養成愛看書、愛鉆研的好習慣。

4.個體適應

人的創造力將是人工智能時代人類保持發展和進步的源泉。因此，學習者應積極調整自己的角色和狀態，提高自己的創造性和批判思維能力;此外，學習者也要積極融入未來教育的氛圍當中，了解最新的科研發展動向，積極學習新型技術與工具，將人工智能轉變成學習的“幫手”。

5.學校、社會、政府共同推進未來教育

充分運用人工智能技術和教育神經學知識為學習者提供精準、合理的教學服務，需要學校、社會和政府的充分合作。為實現“人工智能+教育”，學校應積極更新教學內容，撇棄陳舊過時的教育信息，并提供有關人工智能方面優秀的學習資源、教學理論和一線學習數據;社會方面，需要積極創新人工智能技術，并依托技術發揮科技行業在教育中的作用，為教育提供多元化、精準化的產品和服務，并協助學校培育出市場需要的人才;政府作為人工智能教育發展的引導者，要制定“人工智能教育”良性、可持續發展的指導方針和政策，為學校和社會創新“人工智能+教育”產品及活動提供科學的指導和服務。

在基礎教育中，學校、社會和政府三者要共同合作，為學生提供“人工智能+教育”的科學環境。在小學和中學，通過整合人工智能技術，提供與人工智能相關的課程，如計算機課程或研究性學習課程，以增強中小學生對人工智能的理解。同時，為使學生切實體驗到人工智能的強大功能，增強自身認知，學校可以鼓勵學生積極參與到學校所舉辦的各類教育創新活動中，如人工智能工具介紹和STEAM教育等。這需要學校、社會和政府的共同努力。

在高等教育中，要逐漸形成以學校為實踐者、政府和社會為助力者的人工智能教育實施團隊。高校、政府和社會應合理完善人工智能學科的布局，普及人工智能知識，進行人工智能時代下的素質教育。例如在培養人才方面，計算機或將成為重要的教學內容，編程知識也需要成為每個學生畢業的基本要求。在工具方面，人工智能技術可以運用到學生圖書館、辦公機構之中，讓學生和教師真正體驗到人工智能的強大功能。在教育方面，學校可以通過組織多元化人工智能活動來加強學生對人工智能的認知，并借助社會現有人工智能信息和工具來精心準備，達到科普宣傳的效果。

總之，人工智能、教育神經學與教育的結合勢必會給教育帶來極大的改變，個體、學校、社會和政府都應積極投入到教育變革的浪潮中。

責任編輯 李帆