人工智能時(shí)代教學(xué)模式變革研究

李 青

（上海海洋大學(xué)信息化管理辦公室 上海 201306）

0 引言

《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中提出教育信息化是順應(yīng)智能環(huán)境下教育發(fā)展的必然選擇，人工智能等新技術(shù)會(huì)深刻改變當(dāng)前的人才需求以及教育理念、形態(tài)和生態(tài)。我們國(guó)家于2017年7月發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，其中強(qiáng)調(diào)發(fā)展智能教育，主動(dòng)應(yīng)對(duì)新技術(shù)浪潮帶來(lái)的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)[1]。

發(fā)展人工智能方式教育是指利用新技術(shù)推動(dòng)人才培養(yǎng)，使傳統(tǒng)教育教學(xué)方式發(fā)生變革，形成智能學(xué)習(xí)、交互學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的新型教育形態(tài)[2]。利用人工智能、大數(shù)據(jù)來(lái)提供數(shù)據(jù)支撐，全面、智能、科學(xué)地進(jìn)行教育教學(xué)過(guò)程分析，幫助學(xué)習(xí)者在立體教育環(huán)境中，準(zhǔn)確掌握自身學(xué)習(xí)狀態(tài)。通過(guò)新技術(shù)應(yīng)用加快建設(shè)教育資源建設(shè)，管理方式改變，建設(shè)以學(xué)習(xí)者為中心的教育生態(tài)，提供精準(zhǔn)指導(dǎo)，使智能教育貫穿于日常教育中，輔助學(xué)習(xí)。

1 人工智能教學(xué)模式是教育現(xiàn)代化的必然要求

人工智能賦能教學(xué)會(huì)伴隨著諸多問(wèn)題的產(chǎn)生。第一，教師未建立對(duì)人工智能的信任，使用意愿不強(qiáng)，缺少專(zhuān)業(yè)應(yīng)用指導(dǎo)。第二，技術(shù)與教學(xué)未充分融合，在教和學(xué)的雙向活動(dòng)中，人工智能技術(shù)僅是知識(shí)單向傳遞的手段，造成空間差異下的距離感，缺失溫度和情感。第三，教師缺乏對(duì)自身角色轉(zhuǎn)變的正確認(rèn)知，未明晰人機(jī)學(xué)習(xí)關(guān)系、人機(jī)協(xié)調(diào)等關(guān)系。最后，外部環(huán)境也存在諸多待解決的問(wèn)題，如人工智能應(yīng)用解決方案、專(zhuān)業(yè)人才隊(duì)伍、應(yīng)用場(chǎng)景資源等。

人工智能應(yīng)用于教學(xué)成為新時(shí)代背景下教育趨勢(shì)，人工智能教學(xué)模式是教育現(xiàn)代化的必然要求，通過(guò)對(duì)人工智能在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用問(wèn)題研究，需進(jìn)一步研究人工智能關(guān)鍵技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，從關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)知中明確人工智能的核心功能，優(yōu)化教師實(shí)行智能化教學(xué)的行為，啟發(fā)學(xué)生思維實(shí)現(xiàn)個(gè)性教學(xué)[3]。

2 教育教學(xué)模式變革研究

人工智能技術(shù)是一種強(qiáng)有力的新技術(shù)，與教育教學(xué)結(jié)合后，可以大力推動(dòng)當(dāng)前教育變革，使目前的教育模式發(fā)生翻天覆地的改變，也可以說(shuō)成是一種沖擊。教育模式可以包括教學(xué)空間與資源建設(shè)、教學(xué)方法與范式、教學(xué)指導(dǎo)與評(píng)價(jià)等方面，本研究嘗試從這三點(diǎn)入手，探討人工智能在教育教學(xué)模式方面帶來(lái)的變革和挑戰(zhàn)。

同時(shí)，任何科技都需要以“科技向善”為應(yīng)用宗旨，無(wú)論科技如何改變教育模式變革，都不可改變教育的本質(zhì)，新科技的應(yīng)用突破了現(xiàn)有教育模式，擴(kuò)展了教育邊界，目的是讓學(xué)習(xí)者在數(shù)字時(shí)代背景下，利用新技術(shù)更好地培養(yǎng)個(gè)人必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力，更好地理解數(shù)字時(shí)代下社會(huì)與技術(shù)的關(guān)系，處理好社會(huì)與技術(shù)的問(wèn)題，使自身的核心素養(yǎng)得到真正地提高，充分達(dá)成全面發(fā)展、立德樹(shù)人的育人目標(biāo)。

3 教育模式的變革及實(shí)踐方式

3.1 教學(xué)空間與資源建設(shè)

資源環(huán)境的改變是教學(xué)變革的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)教室采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，適合知識(shí)傳授型教學(xué)，創(chuàng)新線(xiàn)下教學(xué)環(huán)境是讓空間和設(shè)施均可作為教學(xué)互動(dòng)的場(chǎng)所和工具，向?qū)W生充分傳遞知識(shí)內(nèi)容，通過(guò)“人工智能+智慧終端+統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集”的方式搭載智慧設(shè)施，構(gòu)建靈活多變的空間，實(shí)現(xiàn)教學(xué)環(huán)境中的高維互動(dòng)。

線(xiàn)上學(xué)習(xí)空間已經(jīng)成為教學(xué)環(huán)境重要組成部分，學(xué)生可以在線(xiàn)上完成資源搜索、知識(shí)學(xué)習(xí)、協(xié)作交流、開(kāi)展探究活動(dòng)等。線(xiàn)上線(xiàn)下教學(xué)環(huán)境旨在培養(yǎng)核心素養(yǎng)視域下，以學(xué)生發(fā)展為中心，建立全新的線(xiàn)上線(xiàn)下育人環(huán)境，讓教學(xué)環(huán)境走向“虛實(shí)融合”的形態(tài)，在兩個(gè)空間中利用好各自?xún)?yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)空間上的數(shù)字孿生。在這個(gè)全新的學(xué)習(xí)空間中，傳統(tǒng)的教師角色會(huì)發(fā)生變化，將由知識(shí)傳授轉(zhuǎn)為學(xué)習(xí)指導(dǎo)，教師需要幫助學(xué)生如何去創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)場(chǎng)景，建立學(xué)習(xí)過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)習(xí)難點(diǎn)，評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果，讓學(xué)生發(fā)展知識(shí)和能力素養(yǎng)的全面培養(yǎng)。傳統(tǒng)教師的教學(xué)任務(wù)也會(huì)從課前備課，講稿設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)個(gè)性化教學(xué)，制作引導(dǎo)性任務(wù)，布局線(xiàn)上教學(xué)空間。

在教學(xué)資源方面，人工智能的語(yǔ)義分析技術(shù)、聚類(lèi)分析技術(shù)可以對(duì)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行語(yǔ)義分類(lèi)、資源匯聚，建成標(biāo)簽化的學(xué)習(xí)資源，面對(duì)學(xué)生需求時(shí)，可以通過(guò)自適應(yīng)的方式將資源送達(dá)學(xué)生端。知識(shí)圖譜是構(gòu)建教學(xué)資源的重要抓手，知識(shí)圖譜不僅僅是教學(xué)知識(shí)點(diǎn)通過(guò)結(jié)點(diǎn)以及結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系形成的圖狀關(guān)系網(wǎng)，更需要標(biāo)記出知識(shí)與能力的素養(yǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)結(jié)點(diǎn)需要與相關(guān)的教學(xué)資源關(guān)聯(lián)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有唯一性，可以將知識(shí)圖譜擴(kuò)展為“知識(shí)素養(yǎng)圖譜”，通過(guò)多學(xué)科、多模態(tài)的知識(shí)素養(yǎng)圖譜，建立學(xué)科內(nèi)核心素養(yǎng)的關(guān)聯(lián)，建立學(xué)科間跨學(xué)科能力地圖，強(qiáng)調(diào)本學(xué)科、學(xué)科間的相互關(guān)聯(lián)，淡化單一知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，這樣對(duì)于研究學(xué)習(xí)者知識(shí)素養(yǎng)的掌握提供了科學(xué)依據(jù)，也可以通過(guò)此向?qū)W習(xí)者推送相適應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，教師也可由此掌握教學(xué)效果，建立更多類(lèi)的教學(xué)資源應(yīng)用，可建設(shè)包括課標(biāo)庫(kù)、學(xué)歷案庫(kù)、學(xué)后反思庫(kù)、真實(shí)情境案例庫(kù)、自適應(yīng)題庫(kù)等多種資源應(yīng)用。

（1）課標(biāo)庫(kù)。將課程標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行拆分，對(duì)應(yīng)至知識(shí)圖譜。

（2）學(xué)歷案庫(kù)。集中存儲(chǔ)公開(kāi)的優(yōu)秀學(xué)歷案、教師制作的學(xué)歷案，供教師學(xué)習(xí)和備課參考。

（3）真實(shí)情境庫(kù)。用來(lái)激發(fā)學(xué)生達(dá)成深度學(xué)習(xí)的各種問(wèn)題、任務(wù)或者項(xiàng)目式活動(dòng)，根據(jù)學(xué)科匯總，方便教師教學(xué)備課選用。

（4）學(xué)后反思庫(kù)。提供常見(jiàn)的學(xué)后反思引導(dǎo)模板、匯總優(yōu)秀的學(xué)后反思。

（5）自適應(yīng)題庫(kù)。以項(xiàng)目反映理論（Item Response Theory，IRT）為建設(shè)基礎(chǔ)，采用自適應(yīng)的遺傳算法原理，為不同層次的學(xué)生提供個(gè)性化測(cè)試服務(wù)，以此準(zhǔn)確，科學(xué)地分析每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

3.2 教學(xué)方法與范式

人工智能在教學(xué)空間與資源建設(shè)方面提供了一系列轉(zhuǎn)變可能，進(jìn)入到教學(xué)階段后，人的參與是將技術(shù)如何融合到教育變革中的關(guān)鍵一步，教師在教學(xué)方面，首先需要熟悉及認(rèn)知人工智能給教育帶來(lái)的變革，其次要學(xué)會(huì)使用大數(shù)據(jù)、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等各種人工智能學(xué)習(xí)平臺(tái)或資源，利用好這些工具輔助備課，生成個(gè)性化測(cè)試內(nèi)容，開(kāi)展智能化精準(zhǔn)指導(dǎo)教學(xué)，從一位育人者的角度開(kāi)展教學(xué)工作。

（1）建設(shè)滿(mǎn)足教學(xué)的備課系統(tǒng)。支持教師在線(xiàn)備課，存儲(chǔ)教師在線(xiàn)備課成果。支持初備、主備、復(fù)備、補(bǔ)備多種備課模式，教師可將歷史教案導(dǎo)入后再編輯。在線(xiàn)備課時(shí)，教師可調(diào)用知識(shí)素養(yǎng)圖譜中的知識(shí)及資源，查看學(xué)情分析數(shù)據(jù)，讓教案設(shè)置更有針對(duì)性，支持從教案庫(kù)中搜索和引用推薦教案，備課時(shí)上傳的圖片、附件、音頻、視頻、鏈接、文檔等資源自動(dòng)匯聚至學(xué)校云空間，方便非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及重復(fù)利用。備課系統(tǒng)通過(guò)人工智能技術(shù)，提供全庫(kù)智能教案對(duì)照分析，分析教案庫(kù)每學(xué)科、名家教案、推薦教案、學(xué)校優(yōu)秀教案被引用次數(shù)、被引用量。

（2）建設(shè)試題制作工具。智能化識(shí)別文檔中的試題，批量采集并設(shè)置提醒、關(guān)鍵字、難易程度、適應(yīng)課程、關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)等屬性，導(dǎo)入試題庫(kù)時(shí)支持查重篩選，快速完成試題的批量上傳與管理。

（3）建設(shè)個(gè)性化作業(yè)制作系統(tǒng)。教師在布置作業(yè)時(shí)，可根據(jù)學(xué)習(xí)者模型中的動(dòng)態(tài)學(xué)情數(shù)據(jù)，為不同層次的學(xué)生設(shè)計(jì)制作個(gè)性化作業(yè)。

人工智能下的教學(xué)方式變革，也需要學(xué)生積極轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，學(xué)生需要具備對(duì)智能化平臺(tái)及資源的熟練使用能力，認(rèn)真對(duì)待每一次學(xué)習(xí)過(guò)程，改變以往被動(dòng)學(xué)習(xí)的態(tài)度，積極做好自適應(yīng)下的新知預(yù)習(xí)，學(xué)習(xí)過(guò)程思考及交互測(cè)試，幫助智能化平臺(tái)更好地描繪學(xué)生知識(shí)能力畫(huà)像，使個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑、學(xué)習(xí)者模型、個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)的生成更精準(zhǔn)。

（1）基于人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)開(kāi)展個(gè)性化學(xué)習(xí)支持，推薦個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑，按需推送學(xué)習(xí)資源。

（2）建立學(xué)習(xí)者模型。參考PAPI(Public and Private Information)規(guī)范、IMS-LIP(IMS Learner Information Package)規(guī)范和CELTS-11學(xué)習(xí)者模型規(guī)范基礎(chǔ)，從基本信息、學(xué)習(xí)目標(biāo)、認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)風(fēng)格5個(gè)維度構(gòu)建學(xué)習(xí)者模型[4]。學(xué)生深度學(xué)習(xí)的成效需要結(jié)合量化指標(biāo)和質(zhì)性指標(biāo)完成，量化指標(biāo)方面利用動(dòng)態(tài)采集到的學(xué)習(xí)跟蹤數(shù)據(jù)（學(xué)習(xí)活動(dòng)、學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)空間、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)成果等）評(píng)估學(xué)生的認(rèn)知水平，質(zhì)性指標(biāo)通過(guò)在教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中依據(jù)評(píng)估量表打標(biāo)記錄，作為學(xué)生個(gè)性化發(fā)展性評(píng)價(jià)依據(jù)。

（3）建立個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑模型。一方面利用等級(jí)反應(yīng)模型和布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類(lèi)理論，結(jié)合知識(shí)圖譜、分層作業(yè)難度，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生整體知識(shí)理解水平的評(píng)估；另一方面利用人工智能算法（矩陣分解算法、隱馬爾科夫模型），實(shí)現(xiàn)依據(jù)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)（學(xué)習(xí)時(shí)間、點(diǎn)擊次數(shù)、問(wèn)題解答時(shí)間與嘗試次數(shù)）實(shí)時(shí)跟蹤診斷學(xué)生對(duì)于題目難度級(jí)別的適應(yīng)情況。從學(xué)生個(gè)體和群體行為中，挖掘最佳學(xué)習(xí)路徑，并通過(guò)評(píng)價(jià)反饋或者人工干預(yù)調(diào)整。

（4）建立個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)特征實(shí)現(xiàn)AI學(xué)情診斷，為學(xué)生輸出個(gè)人學(xué)習(xí)報(bào)告，倡導(dǎo)學(xué)生自我驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)調(diào)整學(xué)習(xí)過(guò)程，完善自身知識(shí)體系。

3.3 教學(xué)指導(dǎo)與評(píng)價(jià)

未來(lái)教師對(duì)學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)會(huì)由學(xué)習(xí)成績(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，更加關(guān)注學(xué)生的價(jià)值觀、情感與行為等核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。通過(guò)人工智能技術(shù)下的教學(xué)空間和教學(xué)方式優(yōu)化，整個(gè)教育過(guò)程中的行為數(shù)據(jù)會(huì)逐步積累，從海量信息數(shù)據(jù)中提取用戶(hù)個(gè)性化數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生行為特征進(jìn)行刻畫(huà)和分析，會(huì)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)指導(dǎo)和評(píng)價(jià)產(chǎn)生變革。通過(guò)建立學(xué)生畫(huà)像模型，可以為其匹配精準(zhǔn)化的教學(xué)服務(wù)，同時(shí)也可以輔助教學(xué)效果評(píng)價(jià)的生成。

學(xué)生畫(huà)像的建立可分為幾個(gè)步驟：

（1）構(gòu)建評(píng)價(jià)模型。針對(duì)學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)，將核心素養(yǎng)與教學(xué)理念對(duì)接，結(jié)合學(xué)習(xí)者模型，考慮不同學(xué)科的要求，整體設(shè)計(jì)，構(gòu)建個(gè)人多維度評(píng)價(jià)模型。

（2）數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理。學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展數(shù)據(jù)基于學(xué)習(xí)者模型實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程和學(xué)習(xí)周期的線(xiàn)上線(xiàn)下教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和預(yù)處理。數(shù)據(jù)來(lái)源包括線(xiàn)上學(xué)習(xí)平臺(tái)、教學(xué)系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)的各類(lèi)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、清洗、轉(zhuǎn)化，排除干擾數(shù)據(jù)，精簡(jiǎn)處理數(shù)據(jù)規(guī)模。

（3）建立標(biāo)簽庫(kù)和語(yǔ)義化標(biāo)簽。將預(yù)處理的數(shù)據(jù)利用主成分分析和因子分析法提取特征標(biāo)簽，根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的特征進(jìn)行歸類(lèi)，反映學(xué)習(xí)偏好、學(xué)習(xí)效果、互動(dòng)頻率、高階思維、學(xué)習(xí)的持續(xù)性和穩(wěn)定性等。可將標(biāo)簽進(jìn)行趣味化命名，引起學(xué)生的興趣，如學(xué)霸高手、單元測(cè)試達(dá)人等稱(chēng)號(hào)。標(biāo)簽庫(kù)包括與客觀數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的事實(shí)標(biāo)簽，與統(tǒng)計(jì)相關(guān)的模型標(biāo)簽，與預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)相關(guān)的預(yù)測(cè)標(biāo)簽。

（4）數(shù)據(jù)可視化。在因子分析基礎(chǔ)上，根據(jù)提取出的標(biāo)簽和學(xué)生數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行特征分析和聚類(lèi)分析。通過(guò)人工智能可視化數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)刻畫(huà)出“學(xué)生畫(huà)像”。

4 結(jié)束語(yǔ)

教育的本質(zhì)是基于美好、創(chuàng)造美好的，讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，樹(shù)立正確價(jià)值觀，必備品格和關(guān)鍵能力，對(duì)知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀三維目標(biāo)進(jìn)行整合[5]。人工智能時(shí)代的到來(lái)，通過(guò)智能技術(shù)和數(shù)據(jù)賦能讓學(xué)生更了解自己，讓教師更了解學(xué)生，讓家長(zhǎng)更了解孩子，其帶給教育領(lǐng)域的教學(xué)模式變革必將成為一項(xiàng)新的發(fā)展戰(zhàn)略，人工智能技術(shù)在教育教學(xué)模式變革的落地關(guān)鍵在于：利用好技術(shù)，創(chuàng)造線(xiàn)上線(xiàn)下教育空間，精準(zhǔn)識(shí)別教師和學(xué)生在教學(xué)任務(wù)、學(xué)習(xí)情境、教育評(píng)價(jià)過(guò)程中所需要的服務(wù)和問(wèn)題解決能力，建立教學(xué)模式和學(xué)習(xí)需求的完美匹配，讓每一個(gè)人在屬于自己的社會(huì)屬性中找到最適合自己發(fā)展的教育軌道。