基于人工智能的課堂師生對(duì)話分析：IRE的自動(dòng)分類與分水平構(gòu)建

楊曉哲 王晴晴 蔣佳龍

[摘? ?要] 已有大量研究關(guān)注課堂中的師生對(duì)話，并對(duì)其進(jìn)行了不同類型的編碼與分析，但目前的編碼仍受到專業(yè)人員的水平與時(shí)間限制。為提高課堂對(duì)話編碼速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的課堂對(duì)話分類與即時(shí)反饋，采用人工智能技術(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型對(duì)課堂中的提問(wèn)、回答、反饋進(jìn)行自動(dòng)編碼。研究發(fā)現(xiàn)：該模型實(shí)現(xiàn)了基于語(yǔ)義的課堂對(duì)話質(zhì)量評(píng)估，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)課堂師生對(duì)話中IRE模型的分水平評(píng)估，即對(duì)提問(wèn)層次水平、回答層次水平和反饋層次水平進(jìn)行評(píng)估與分類；構(gòu)建了全面、快速、準(zhǔn)確的課堂對(duì)話評(píng)估方式，成為進(jìn)一步理解課堂中學(xué)習(xí)發(fā)生過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為大規(guī)模課堂智能分析奠定重要基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 師生對(duì)話； 機(jī)器學(xué)習(xí)； 自動(dòng)分類； 人工智能

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 楊曉哲（1988—），男，福建泉州人。副教授，博士，主要從事教育信息化、信息科技、學(xué)習(xí)科學(xué)研究。E-mail：yangxz@vip.163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金2022年度教育學(xué)一般課題“中小學(xué)課堂智能分析的標(biāo)準(zhǔn)建構(gòu)與應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：BHA220144）

一、引? ?言

課堂對(duì)話是課堂環(huán)境中發(fā)生的社會(huì)化建構(gòu)過(guò)程，也是課堂中進(jìn)行知識(shí)共享、構(gòu)建群體認(rèn)知的重要環(huán)節(jié)。對(duì)話有助于學(xué)生展開批判性思維，通過(guò)相互理解來(lái)加深學(xué)習(xí)效果。有效的課堂對(duì)話應(yīng)該發(fā)生在師生之間，并遵循目的性、互惠性、支持性和積累性的方式展開。然而，在真實(shí)的課堂教學(xué)中，對(duì)話質(zhì)量存在巨大差異，有時(shí)僅限于簡(jiǎn)單的問(wèn)答，沒有展開平等、深入和開放的對(duì)話過(guò)程。為了提高課堂對(duì)話的有效性，教師同伴之間采取相互觀察的方式，通過(guò)相互提醒和建議以改進(jìn)教學(xué)。教育研究者還利用課堂視頻錄像等方式進(jìn)行課堂對(duì)話編碼，以提高反饋的準(zhǔn)確性。然而，這種手動(dòng)編碼方式耗時(shí)且難以為教師提供及時(shí)有效的反饋，對(duì)教學(xué)改進(jìn)的作用非常有限。因此，提高課堂對(duì)話編碼速度并實(shí)現(xiàn)即時(shí)反饋對(duì)于課堂對(duì)話自動(dòng)分類至關(guān)重要。為此，本研究采用機(jī)器學(xué)習(xí)模型和人工智能技術(shù)對(duì)課堂師生對(duì)話進(jìn)行自動(dòng)分類編碼。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂師生對(duì)話的快速自動(dòng)編碼，分析課堂師生對(duì)話的質(zhì)量，為教師改進(jìn)教學(xué)提供可行途徑。

二、研究現(xiàn)狀與文獻(xiàn)綜述

（一）課堂對(duì)話研究

課堂對(duì)話是一種在課堂環(huán)境中教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的多向交流互動(dòng)，能夠增強(qiáng)知識(shí)理解與建構(gòu)。已有研究表明，有效的課堂對(duì)話能促進(jìn)學(xué)習(xí)成就的達(dá)成[1]。對(duì)于課堂對(duì)話模式分類的探索起源已久，研究者通過(guò)話語(yǔ)分析方法建立了分層描述框架，提出了“啟動(dòng)—響應(yīng)—反饋（IRF）”結(jié)構(gòu)[2]，這被認(rèn)為是課堂對(duì)話模式的經(jīng)典模型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有助于區(qū)分課堂中對(duì)話的關(guān)聯(lián)與關(guān)系。之后，米恩（Mehan）采用民族志方法，對(duì)IRF結(jié)構(gòu)作了新的詮釋，提出IRE結(jié)構(gòu)，即“教師啟動(dòng)—學(xué)生回應(yīng)—教師評(píng)價(jià)”[3]。米恩強(qiáng)調(diào)了課堂對(duì)話中教師反饋對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)作用。卡茲頓（Cazden）用民族志方法完善了IRE結(jié)構(gòu)，豐富了其變式[4]。IRE對(duì)話框架自建立以來(lái)，一直作為課堂互動(dòng)分析的重要結(jié)構(gòu)模型被廣泛地應(yīng)用。

教師在教學(xué)中可以使用課堂對(duì)話來(lái)發(fā)展和鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)，利用學(xué)生的已有知識(shí)并幫助學(xué)生成為獨(dú)立的學(xué)習(xí)者。史密斯（Smith）發(fā)現(xiàn)，允許學(xué)生更多參與的課堂話語(yǔ)導(dǎo)致了更多的批判性思維和更好的學(xué)習(xí)效果[5]。麥考密克（McCormick）和多納托（Donato）分析了班會(huì)、教師日記、訪談等各種數(shù)據(jù)來(lái)源，發(fā)現(xiàn)教師在課堂對(duì)話中為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了重要支架[6]。雖然課堂中對(duì)話的重要性得到認(rèn)可，但長(zhǎng)期以來(lái)課堂對(duì)話存在兩個(gè)傾向：一是，教師對(duì)課堂中對(duì)話的重要性關(guān)注不足。沃林（Waring）的研究指出，在大量、連續(xù)的IRE指令下，學(xué)生的主動(dòng)性很難被滿足，教師也很少讓學(xué)生自主地提出開放性的問(wèn)題，這是造成課堂對(duì)話質(zhì)量與水平低下的原因之一[7]。二是，教師作為話語(yǔ)協(xié)調(diào)者，常常操縱和主導(dǎo)著課堂對(duì)話。霍沃思（Haworth）發(fā)現(xiàn)，小學(xué)生在小組任務(wù)中進(jìn)行討論時(shí)，常模仿教師的話語(yǔ)模式，這限制了學(xué)生在討論中的自由[8]。因此，進(jìn)一步發(fā)展IRE對(duì)話的分類編碼，不僅應(yīng)關(guān)注結(jié)構(gòu)，還需構(gòu)建結(jié)構(gòu)下的分水平編碼，這將成為深度理解課堂對(duì)話的關(guān)鍵。

“對(duì)話式教學(xué)與學(xué)習(xí)”（Dialogic Teaching-and-Learning）這一概念由羅哈斯—德拉蒙德等人提出，他們發(fā)現(xiàn)參與者之間的對(duì)話式互動(dòng)，即對(duì)話式教學(xué)與學(xué)習(xí)對(duì)教師和學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程有很大的幫助[9]。“對(duì)話式教學(xué)與學(xué)習(xí)”尤其強(qiáng)調(diào)利用語(yǔ)言的力量來(lái)激發(fā)和擴(kuò)展學(xué)生的理解、思考和學(xué)習(xí)，并鼓勵(lì)學(xué)生公平地參與課堂對(duì)話。如此，課堂對(duì)話就既有教師課前預(yù)設(shè)的部分，也有課堂中生成的部分。課堂對(duì)話過(guò)程不全是教師設(shè)定好的問(wèn)題，還包括教師在課堂中不斷生成的問(wèn)題。學(xué)生參與對(duì)話的過(guò)程會(huì)改變和影響整個(gè)課堂對(duì)話的內(nèi)容與質(zhì)量。從“對(duì)話式教學(xué)與學(xué)習(xí)”的視角出發(fā)，整個(gè)課堂對(duì)話的過(guò)程中，無(wú)論是提問(wèn)、回答還是反饋，都可以呈現(xiàn)為不同的水平和層次。教師既可以提出簡(jiǎn)單的、有標(biāo)準(zhǔn)答案的問(wèn)題，也可以提出開放性的、需要推理回答的問(wèn)題。開放性的對(duì)話能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)者元認(rèn)知和反思的過(guò)程。學(xué)生對(duì)于探討沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的開放式問(wèn)題表現(xiàn)出極大熱情，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)觀點(diǎn)進(jìn)行深入的闡釋、推理和論證[10]。對(duì)課堂對(duì)話質(zhì)量的研究備受關(guān)注，如克利巴德（Kliebard）等基于課堂話語(yǔ)將教學(xué)活動(dòng)分為結(jié)構(gòu)化、誘導(dǎo)、回答和反饋，以此劃分一個(gè)個(gè)“話語(yǔ)周期”并得到 “師生話語(yǔ)的相對(duì)占比”，進(jìn)而分析課堂中的對(duì)話質(zhì)量[11]。

隨著對(duì)課堂對(duì)話研究的深入，越來(lái)越多的編碼框架能夠?qū)φn堂話語(yǔ)進(jìn)行量化觀察和分析。近十年來(lái)，國(guó)際課堂對(duì)話評(píng)價(jià)指標(biāo)不斷更新，研究者總結(jié)出它們一般包括事實(shí)類話語(yǔ)、個(gè)人信息分享、分析式話語(yǔ)、歸納式話語(yǔ)和推斷式話語(yǔ)等編碼類別。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的ITIAS分類系統(tǒng)（Information Technology-based Interaction Analysis System）中，進(jìn)一步將教師提問(wèn)劃分為封閉性提問(wèn)和開放性提問(wèn)[12]。有研究者提出，從邀請(qǐng)解釋、明確推理、表達(dá)想法等維度來(lái)衡量教師課堂教學(xué)話語(yǔ)的效度，并提出了課堂教學(xué)對(duì)話分析SEDA（Scheme for Educational Dialogue Analysis）方案[13]。有研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)根據(jù)教師提問(wèn)和學(xué)生不同反饋的特征分類編碼框架[14]，亦有研究者構(gòu)建了基于人工智能的課堂分析標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)——高品質(zhì)課堂智能分析標(biāo)準(zhǔn)（CEED），該標(biāo)準(zhǔn)包括三個(gè)方面（課堂效益、課堂公平、課堂民主）和九個(gè)維度，并整合多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行課堂對(duì)話分析[15]。

盡管編碼體系取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但課堂對(duì)話分析還是較依賴經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的研究人員進(jìn)行手工標(biāo)注來(lái)完成。隨著技術(shù)發(fā)展，通過(guò)攝像等方式對(duì)課堂進(jìn)行記錄，后期采取人工編碼的方式，特別是結(jié)合NVivo等常用軟件對(duì)課堂進(jìn)行編碼，能大大提高課堂對(duì)話編碼的效率。盡管有了軟件的輔助，但是課堂對(duì)話編碼仍然需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，無(wú)法立即反饋給一線教師。教師無(wú)法及時(shí)得到關(guān)于課堂對(duì)話進(jìn)展情況的反饋。這已被證明是導(dǎo)致低質(zhì)量課堂對(duì)話的一個(gè)重要因素。因此，如何實(shí)現(xiàn)課堂對(duì)話自動(dòng)、快速地編碼分析對(duì)改進(jìn)課堂對(duì)話非常重要。

（二）課堂對(duì)話的自動(dòng)分類研究

自動(dòng)分類是一種計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別分類的技術(shù)。與手動(dòng)分類相比，自動(dòng)分類的速度更快，也更能節(jié)約人力、物力。文本自動(dòng)分類越來(lái)越受到各行各界應(yīng)用層面的關(guān)注。使用基于規(guī)則的文本分類方法已經(jīng)被用于大量行業(yè)場(chǎng)景之中。例如：使用文本自動(dòng)分類區(qū)分垃圾郵件內(nèi)容。傳統(tǒng)的文本分類往往依靠一定的明確規(guī)則，甚至有的時(shí)候要限定一些特定的關(guān)鍵詞。然而，近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，采用有監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)等方式的文本分類應(yīng)用越發(fā)廣泛。與傳統(tǒng)文本分類相比，機(jī)器學(xué)習(xí)方式只需要預(yù)先對(duì)一定的文本進(jìn)行分類標(biāo)簽的人工標(biāo)注，然后通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練，就能夠提升文本分類的準(zhǔn)確度和靈活性。例如：運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文本段落與句子分類[16]；基于Attention-based C-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文本分類[17]；基于錄音文本進(jìn)行自動(dòng)分類[18]。有監(jiān)督的深度學(xué)習(xí)更好地利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)了更加精準(zhǔn)、高效的文本分類。庫(kù)薩利（Kowsari）等研究發(fā)現(xiàn)，基于深度學(xué)習(xí)的模型對(duì)各種文本分類任務(wù)的效率有顯著提高[19]。此外，已有不少研究采用了有監(jiān)督學(xué)習(xí)對(duì)文本進(jìn)行情感分類。例如：有研究者提出了基于GRU對(duì)文檔進(jìn)行多標(biāo)簽情感分類的GRU+Attention 模型[20]，還有研究者采用有監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行學(xué)習(xí)成績(jī)預(yù)測(cè)、輟學(xué)率預(yù)測(cè)等[21]，亦有研究者采用雙向LSTM模型進(jìn)行文本情感分類[22]。

現(xiàn)有研究中，已有少量研究通過(guò)自動(dòng)編碼的方式對(duì)課堂話語(yǔ)進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)分析，并探索使用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行課堂話語(yǔ)的自動(dòng)編碼。福特（Ford）等設(shè)計(jì)了一個(gè)語(yǔ)言環(huán)境分析系統(tǒng)（LENA）。該系統(tǒng)能夠記錄并自動(dòng)檢測(cè)課堂語(yǔ)言環(huán)境信息，采用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的方式，對(duì)課堂中包括教師教授、師生對(duì)話和小組活動(dòng)在內(nèi)的不同事件時(shí)間段進(jìn)行了分類[23]。研究者還嘗試用人工智能技術(shù)對(duì)課堂話語(yǔ)分類進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別判斷[24]。布蘭查德（Blanchard）等開發(fā)了能夠自動(dòng)檢測(cè)課堂回答的模型，這一模型能對(duì)課堂對(duì)話中的問(wèn)題和回答進(jìn)行自動(dòng)編碼，采用自動(dòng)化課堂對(duì)話問(wèn)答模型能夠?qū)φn堂中的問(wèn)答環(huán)節(jié)進(jìn)行文本判定和區(qū)分[25]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)信息化環(huán)境下課堂話語(yǔ)的特點(diǎn)，從話語(yǔ)分析的維度，利用貝葉斯分類器實(shí)現(xiàn)了課堂話語(yǔ)的半自動(dòng)化分析[26]；對(duì)不同學(xué)科的課堂對(duì)話進(jìn)行自動(dòng)編碼與分析探索，構(gòu)建了數(shù)學(xué)課堂的話語(yǔ)分析體系[27]；借助人工編碼與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法對(duì)大規(guī)模中小學(xué)課堂進(jìn)行話語(yǔ)分析，發(fā)掘了中小學(xué)課堂“以基礎(chǔ)知識(shí)類對(duì)話為基礎(chǔ)、多元對(duì)話組合推進(jìn)”的對(duì)話模式[28]。

盡管已有研究對(duì)課堂對(duì)話的自動(dòng)分類已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整體歸類分析，區(qū)分一般形式的對(duì)話，包括判斷不同的課堂時(shí)間段類型，但尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂對(duì)話的質(zhì)量分水平判定，以往研究中的自動(dòng)編碼分析尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同對(duì)話層次的分類與不同對(duì)話水平的質(zhì)量評(píng)估，應(yīng)用于診斷課堂對(duì)話質(zhì)量時(shí)存在一定的局限性，難以給出更具針對(duì)性的教學(xué)改進(jìn)建議。這正是本研究的重點(diǎn)突破范疇。

三、研究過(guò)程與方法

（一）數(shù)據(jù)集

課堂視頻數(shù)據(jù)集為研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)校所提供的課堂實(shí)錄素材。課堂視頻數(shù)據(jù)集由1008節(jié)課組成，其中，小學(xué)672節(jié)課，初中336節(jié)課。對(duì)每節(jié)課堂視頻進(jìn)行課堂話語(yǔ)的文字轉(zhuǎn)錄，得到共計(jì)358410條話語(yǔ)。課堂視頻采取整節(jié)課全程錄制的方式，真實(shí)地保留了課堂的全過(guò)程，完整地記錄了課堂中教師的聲音，以及學(xué)生發(fā)言回答的聲音。

（二）編碼框架

課堂話語(yǔ)分析存在多種不同的編碼框架。課堂分析的出發(fā)點(diǎn)和觀察視角不同，由此產(chǎn)生的編碼框架的價(jià)值和指向也不同。采用什么樣的編碼框架能夠更全面地描述對(duì)話及其質(zhì)量呢？雖然不同研究者的定義與方法之間存在差異，但也有相似之處。總體而言，面向師生對(duì)話的交互功能包括以下幾點(diǎn)：（1）能引起深層思考的邀請(qǐng)，如教師提出真實(shí)的問(wèn)題并進(jìn)一步要求明確說(shuō)明和解釋；（2）進(jìn)行解釋與推理；（3）進(jìn)行批判性思維訓(xùn)練、挑戰(zhàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)；（4）在知識(shí)間產(chǎn)生鏈接和關(guān)聯(lián)；（5）試圖通過(guò)解決分歧達(dá)成共識(shí)[29]。也有研究團(tuán)隊(duì)以社會(huì)文化理論為基礎(chǔ)，提出側(cè)重微觀層面分析的對(duì)話分析編碼方案SEDA，分解為8個(gè)組、33個(gè)類別。如以I（ Iinvite Elaboration or Reasoning） 代表邀請(qǐng)解釋/推理，其中，I又可細(xì)分為I1～I(xiàn)6，I1代表邀請(qǐng)解釋或證明他人想法，I2代表邀請(qǐng)?jiān)u估他人想法，I3代表基于已有想法邀請(qǐng)推理，I4代表邀請(qǐng)?zhí)峁├碛桑琁5代表邀請(qǐng)預(yù)測(cè)，I6代表邀請(qǐng)細(xì)化或舉例。又如，以P（Positioning and Coordination）代表定位與協(xié)調(diào)，P可細(xì)分為P1～P6，P1代表總結(jié)概括，P2代表比較，P3代表提出解決方案，P4代表轉(zhuǎn)變觀點(diǎn)，P5代表質(zhì)疑，P6代表同意或不同意[13]。此后，亦有學(xué)者對(duì)此框架進(jìn)行精簡(jiǎn)以便更好地應(yīng)用于研究與實(shí)踐。SEDA及其衍生編碼框架囊括了課堂對(duì)話的方向與類別，能夠幫助探究師生如何在課堂對(duì)話中進(jìn)行推理、反思、啟發(fā)。

基于以上編碼框架，研究團(tuán)隊(duì)提出一種維度更聚焦、指向分水平更明確的課堂對(duì)話編碼框架。研究團(tuán)隊(duì)以I-R-E（啟動(dòng)—回應(yīng)—評(píng)價(jià)）編碼框架為基礎(chǔ)，在每個(gè)維度上作了進(jìn)一步劃分與闡釋。最終構(gòu)建了課堂對(duì)話分水平編碼框架，將課堂中的教師或?qū)W生提問(wèn)分為三個(gè)層次水平，相關(guān)編碼規(guī)則見表1。

（三）處理步驟

將所有的課堂視頻提取音頻信息，通過(guò)智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音轉(zhuǎn)錄成文字。在數(shù)據(jù)標(biāo)簽部分，根據(jù)編寫的“IRE分級(jí)編碼規(guī)則”，20名研究人員經(jīng)培訓(xùn)后各自進(jìn)行獨(dú)立編碼。完成首輪編碼后，就編碼不一致部分進(jìn)行討論與修改，以提高編碼可靠性。初始數(shù)據(jù)的編碼是后期機(jī)器學(xué)習(xí)編碼數(shù)據(jù)的重要依據(jù)。

本研究基于上述數(shù)據(jù)集構(gòu)建了一個(gè)課堂對(duì)話自動(dòng)分類模型，將處理后的數(shù)據(jù)分為“訓(xùn)練集” “驗(yàn)證集”“測(cè)試集”。訓(xùn)練結(jié)束后，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。最后使用最優(yōu)模型對(duì)新的課堂對(duì)話數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類預(yù)測(cè)。

（四）課堂對(duì)話分類模型實(shí)現(xiàn)

預(yù)訓(xùn)練模型具備較好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，在特定領(lǐng)域的任務(wù)場(chǎng)景中，僅需要采用標(biāo)注好的數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整訓(xùn)練，即可得到特定任務(wù)場(chǎng)景的預(yù)測(cè)模型。預(yù)訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種更好的參數(shù)初始化方式，使得在目標(biāo)任務(wù)上收斂速度更快，在特定場(chǎng)景使用時(shí)不需要單獨(dú)標(biāo)注大量的語(yǔ)料來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練，大大降低了下游任務(wù)所需的樣本數(shù)據(jù)和計(jì)算算力，節(jié)約時(shí)間，提升效率。

BERT是一種基于Transformers雙向編碼器表示的（Bidirectional? Encoder? Representation? From Transformers， BERT） 預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型。Bert具有很強(qiáng)的泛化能力，從而為下游特定任務(wù)創(chuàng)建更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)模型。同卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，Bert模型在訓(xùn)練過(guò)程中采用了掩碼語(yǔ)言模型（Masked Language Model，MLM）和下一句預(yù)測(cè)（Next Sentence Predict，NSP）兩個(gè)方法作為預(yù)訓(xùn)練過(guò)程中的任務(wù)，利用 Self-attention機(jī)制可以獲取雙向上下文信息，能夠?qū)W習(xí)句子與句子間的關(guān)系等更多特征，特別適合預(yù)測(cè)對(duì)話分類等具有深層語(yǔ)義特征的任務(wù)問(wèn)題。使用Bert有兩個(gè)步驟，第一步，采用大量無(wú)監(jiān)督的語(yǔ)料進(jìn)行語(yǔ)言模型預(yù)訓(xùn)練；第二步，再運(yùn)用少量標(biāo)注的語(yǔ)料進(jìn)行微調(diào)來(lái)完成具體任務(wù)。從0開始預(yù)訓(xùn)練需要花費(fèi)巨大的計(jì)算資源，為節(jié)約資源，本文選擇Bert-base-Chinese預(yù)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行微調(diào)，微調(diào)即利用標(biāo)記好的語(yǔ)料對(duì)通用語(yǔ)言模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得到具體的分類模型。

首先，對(duì)課堂對(duì)話數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)為模型需要的編碼格式，使用輔助標(biāo)記符[CLS]和[SEP]表示句子的開始和分隔，對(duì)于單句分類，只需要一個(gè)句子輸入，不需要分隔SEP標(biāo)記，得到token_ids、category、seq_len、mask。然后根據(jù)特征轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)的embedding，這里的embedding是三種embedding的組合，分別是token、segment、position級(jí)別。獲得句子級(jí)的嵌入表達(dá)后用encoder模型進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練算法為BERT專用的Adam算法，損失函數(shù)采用二元交叉熵?fù)p失函數(shù)，可對(duì)BERT進(jìn)行微調(diào)處理和反饋。最后，采取全連接層得到概率分布的分類標(biāo)簽整體情況。

如表2所示，使用Bert進(jìn)行課堂對(duì)話分類任務(wù)訓(xùn)練時(shí)，我們通常先構(gòu)造一個(gè)Bert Model，然后由它從輸入語(yǔ)句中提取特征，每一個(gè)epoch后會(huì)在驗(yàn)證集上進(jìn)行驗(yàn)證，并給出相應(yīng)的f1值，如果f1值大于此前最高分，則保存模型參數(shù)，否則flags加1。如果flags大于3，即連續(xù)3個(gè)epoch模型的性能都沒有繼續(xù)優(yōu)化，則停止訓(xùn)練過(guò)程。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間沒有優(yōu)化則自動(dòng)停止訓(xùn)練，保存最優(yōu)分類模型。

四、結(jié)果與分析

（一）數(shù)據(jù)集描述

確定課堂對(duì)話數(shù)據(jù)集來(lái)自1008節(jié)課，共計(jì)358410條話語(yǔ)。按照6∶2∶2的比例劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集。如表3所示，對(duì)IRE進(jìn)行三類數(shù)據(jù)的分配設(shè)置，并進(jìn)一步對(duì)分水平的IRE進(jìn)行數(shù)據(jù)分配設(shè)置（見表4）。

（二）分類模型評(píng)估結(jié)果

經(jīng)過(guò)隨機(jī)劃分訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，重復(fù)進(jìn)行模型微調(diào)訓(xùn)練后取平均值作為最終的評(píng)估結(jié)果。本研究采用準(zhǔn)確率（Precision）、召回率（Recall）、F1數(shù)值（F1 Score）作為課堂對(duì)話分類模型效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。表5為IRE三類分類整體指標(biāo)的評(píng)估情況，整體準(zhǔn)確率達(dá)79.57%。其中，提問(wèn)I的識(shí)別準(zhǔn)確率最高，為84.11%，回答R的準(zhǔn)確率達(dá)81.84%，反饋E的準(zhǔn)確率為72.75。從F1數(shù)值整體來(lái)看，達(dá)到了78.73%，表明該模型整體預(yù)測(cè)處于較高水平。

表6為IRE分水平整體指標(biāo)的評(píng)估情況。在F1數(shù)值（表明預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率）上，排名前四的是I2、E1、E2、I1。判斷準(zhǔn)確率較低的是E3，準(zhǔn)確率為58.63%。在分水平整體準(zhǔn)確率上，達(dá)到了73.07%，整體上達(dá)到了較好的準(zhǔn)確率水平。因此，在IRE整體分類判斷水平評(píng)估上，該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果能夠在真實(shí)課堂中展開分類自動(dòng)判斷。

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，課堂對(duì)話分類模型信效度良好，且與人工編碼的結(jié)果接近。結(jié)果表明，該模型有助于對(duì)課堂對(duì)話的分類和分水平診斷分析。通過(guò)對(duì)課堂對(duì)話自動(dòng)化分析，能較準(zhǔn)確識(shí)別課堂對(duì)話中IRE模型中的不同水平，能夠?qū)μ釂?wèn)層次水平、回答層次水平和反饋層次水平進(jìn)行評(píng)估。這種全面、快速、準(zhǔn)確的課堂對(duì)話評(píng)估方式是本研究的重要發(fā)現(xiàn)。

五、研究探討與反思

（一）研究貢獻(xiàn)與局限性

本研究采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，開創(chuàng)性地在課堂編碼領(lǐng)域里嘗試對(duì)課堂對(duì)話進(jìn)行IRE自動(dòng)化分水平編碼與質(zhì)量評(píng)估。其主要貢獻(xiàn)包括：在理論層面，基于經(jīng)典的課堂對(duì)話IRE模型，進(jìn)一步結(jié)合以往研究，建構(gòu)了IRE分水平的編碼框架。該框架能夠基于語(yǔ)義，針對(duì)課堂對(duì)話的質(zhì)量進(jìn)行分水平判定與分析，關(guān)注了課堂對(duì)話中封閉的、簡(jiǎn)單的、推理的、開放的等不同層級(jí)的問(wèn)題、回答與反饋。在實(shí)踐層面，自動(dòng)化分析極大地減少了課堂對(duì)話編碼的時(shí)間與難度，降低了人工工作量。本研究采用的框架不僅便于教師教學(xué)反思與理解，自動(dòng)編碼的方式也能為教師和學(xué)生提供更多及時(shí)的反饋，也將有助于學(xué)生思考參與課堂的過(guò)程。本研究實(shí)現(xiàn)了課堂對(duì)話自動(dòng)編碼IRE的突破性進(jìn)展。

本研究同樣具有一定的局限性：一是，采用了機(jī)器學(xué)習(xí)的算法模型并經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練與測(cè)試，但課堂對(duì)話中的有些話語(yǔ)判斷依舊存在偏差。例如：教師講授時(shí)帶有疑問(wèn)語(yǔ)氣的表達(dá)，易被機(jī)器錯(cuò)誤判定為教師提問(wèn)，仍需通過(guò)進(jìn)一步的算法和數(shù)據(jù)集修正來(lái)解決這一問(wèn)題。二是，本研究所使用的Bert-base-Chinese中，考慮到傳統(tǒng)NLP對(duì)中文分詞顆粒度存在一定的切分適配問(wèn)題，其在細(xì)粒度級(jí)別上進(jìn)行的判斷還不夠精準(zhǔn)，存在一定誤差。

（二）基于課堂師生對(duì)話內(nèi)容的自動(dòng)分類反思

基于課堂多維度數(shù)據(jù)，采用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能診斷與智能反饋，能幫助我們研究教與學(xué)認(rèn)知的復(fù)雜規(guī)律，亦是人工智能在教育領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的主要方向之一[30]。首先，在理論層面上，構(gòu)建師生對(duì)話模型的分類標(biāo)準(zhǔn)，是基于課堂師生對(duì)話內(nèi)容的自動(dòng)分類與分析研究的基礎(chǔ)。建構(gòu)合理、高效的分水平模型框架，有助于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化編碼對(duì)內(nèi)容語(yǔ)義的理解，有助于一線教師加強(qiáng)教學(xué)反思并加深對(duì)教學(xué)規(guī)律的理解。本研究基于經(jīng)典課堂對(duì)話模型所構(gòu)建的三級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)與細(xì)節(jié)，能更有效地關(guān)注到課堂中開放的、平等的、帶有推理性和啟發(fā)性的提問(wèn)、回答及反饋，這將有助于教師把握課堂對(duì)話的教學(xué)效果。其次，提升反饋的時(shí)效性與有效性是課堂對(duì)話自動(dòng)分類與評(píng)估研究應(yīng)用于實(shí)踐的導(dǎo)向。在課堂中，教師在管理學(xué)生與進(jìn)行知識(shí)傳授之間分身乏術(shù)，課堂話語(yǔ)的短時(shí)性也致使教師在獨(dú)立完成教學(xué)時(shí)很難注意到對(duì)話的分布與質(zhì)量，課堂反饋對(duì)教師來(lái)說(shuō)尤其重要。提升反饋的時(shí)效性，使教師在課后能及時(shí)反思，通過(guò)反思促進(jìn)有效對(duì)話、提升對(duì)話質(zhì)量并提高課堂管理技能，同時(shí)，這種反饋可以用于專業(yè)教師培訓(xùn)[31]。此外，有效的形成性反饋也可以幫助學(xué)生更好地理解對(duì)話，促進(jìn)他們的思維和學(xué)習(xí)[32]。以往研究中，利用ASR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂對(duì)話中教師提問(wèn)與學(xué)生回答對(duì)話片段的區(qū)分[25]，但尚未對(duì)課堂對(duì)話進(jìn)行更進(jìn)一步的分層評(píng)估。本研究通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了課堂對(duì)話自動(dòng)化分析，基于語(yǔ)義對(duì)課堂對(duì)話進(jìn)行了IRE模型中的不同水平分類，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速分析。本研究基于中國(guó)課堂的語(yǔ)境與語(yǔ)義進(jìn)行了課堂對(duì)話自動(dòng)分類與評(píng)估的探索，在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展。

（三）課堂對(duì)話自動(dòng)分類與評(píng)估研究面臨的挑戰(zhàn)

課堂對(duì)話自動(dòng)分類與評(píng)估得益于對(duì)語(yǔ)音等數(shù)據(jù)的捕捉與分析技術(shù)。大數(shù)據(jù)的支持使得對(duì)課堂對(duì)話教學(xué)的大規(guī)模研究以及大范圍的國(guó)際比較研究成為可能。但隨著算法與大數(shù)據(jù)逐步應(yīng)用于教育教學(xué)研究，其中的倫理問(wèn)題也愈發(fā)凸顯，數(shù)據(jù)的采集和使用安全問(wèn)題不僅涉及基本隱私，更會(huì)在深入研究中產(chǎn)生更多倫理問(wèn)題和數(shù)據(jù)安全隱患。因此，教育研究人員仍需非常謹(jǐn)慎。一方面，所有的數(shù)據(jù)收集都應(yīng)該在符合學(xué)術(shù)、道德倫理標(biāo)準(zhǔn)和尊重隱私的前提下進(jìn)行；另一方面，要特別警惕人工智能技術(shù)在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的技術(shù)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)偏差與推理誤判。盡管人工智能基于海量的數(shù)據(jù)，使用相對(duì)準(zhǔn)確的算法進(jìn)行計(jì)算，但是仍然存在一定的偏差可能性，仍需警惕數(shù)據(jù)的假象，避免過(guò)分看重?cái)?shù)據(jù)分析的結(jié)果，將課堂學(xué)習(xí)的過(guò)程簡(jiǎn)單化、標(biāo)簽化和模式化。如何理解課堂中的對(duì)話依舊是一個(gè)變化、動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的過(guò)程，技術(shù)無(wú)法解決所有問(wèn)題，未來(lái)研究應(yīng)著眼于進(jìn)一步探索人機(jī)協(xié)同的新方式，使人工智能以更融合的方式打開課堂“黑箱”、理解課堂教學(xué)，為課堂研究本身提供更全面的數(shù)據(jù)與證據(jù)支持。

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Analysis of Classroom Teacher-Student Dialogue Based on Artificial Intelligence： Automatic Classification and Sub-level Construction of IRE

YANG Xiaozhe1，? WANG Qingqing1，? JIANG Jialong2

（1.The Institute of Curriculum & Instruction， East China Normal University， Shanghai 200062

2.College of Computer and Cyber Security， Fujian Normal University， Fuzhou Fujian 350007）

[Abstract] A large number of studies have focused on teacher-student dialogues in the classroom and different types of coding and analysis have been conducted for them， but the current coding is still limited by the level and time of professionals. In order to improve the coding speed of classroom dialogues and realize automatic classroom dialogue classification and instant feedback， a neural network analysis model is adopted to automatically encode questions， answers and feedback in class through artificial intelligence technology. The results show that the model realizes semantic-based quality assessment of classroom dialogues， and can realize the sub-level assessment of IRE model in classroom teacher-student dialogues in a short period of time， i.e.， to assess and classify the questioning level， the answering level and the feedback level. This study constructs a comprehensive， fast and accurate classroom dialogue assessment method， which becomes a key link to further understand the learning process in the classroom， and lays an important foundation for large-scale classroom intelligent analysis.

[Keywords] Teacher-Student Dialogue; Machine Learning; Automatic Classification; Artificial Intelligence