基于ChatGPT 的智慧教育模式初探

王建新 肖超恩 張 磊

北京電子科技學院，電子與通信工程系，北京市 100070

1 引言

ChatGPT 是由美國OpenAI 公司推出的一款聊天機器人工具，其中，GPT 為Generative Pretraining Transformer 是基于Transformer 結構實現的一種預訓練生成模型［1］。 ChatGPT 使用深度學習技術和自注意力機制，能夠對文本進行自動編碼和生成，并在多個自然語言處理任務中表現出類人級別的性能。 與傳統的機器學習模型相比，ChatGPT 能夠通過海量數據學習產生強大的文本處理和推斷能力，適用于自然語言生成、對話系統、文本摘要、信息檢索等應用場景［2，3］。此外，ChatGPT 還支持零樣本學習（zero-shot learning）和遷移學習（transfer learning）等，可以將已有知識和經驗應用到新的語言和場景中，無需重新進行訓練［4］。

智慧教育是一種以信息技術為基礎，利用大數據、人工智能和云計算等技術手段進行深入協同、個性化和差異化的教學模式，其目的在于提高教育教學水平和效率，優化學生的學習過程、體驗與結果，針對不同層次和學科領域的學生，為其提供更加精準的學習方案和跟蹤服務，促進學生的全面發展與獨立創新。 相關文獻顯示，當前我國各大高校已經投入了大量精力和資源開展智慧教育的研究和實踐［5，6］。

智慧教室是智慧教育概念的延伸，通過物聯網、云計算、大數據、人工智能等現代科技將教育信息化手段與教學內容緊密結合，對傳統教室進行智能化改造，為學生提供全面、多樣化的教學資源和教學環境，是教學使用的信息空間和物理空間的集合［7］。 智慧教室包括教學知識體系、教學管理體系、教學平臺系統和教學條件的智能化建設，從而推動現代教育模式的創新，促進教育信息化的發展［8］。

在2022 年8 月舉辦的第57 屆中國高校教育博覽會上，北京市高等教育學會正式發布《高等學校智慧教室建設技術要求》（T／BAHE-202001）團體標準［9］，該標準秉承“統籌、集約、綠色、發展、開放、共享、安全”的原則，設計了高等學校智慧教室建設的總體框架，提出了高等學校智慧教室建設中硬件設施功能、軟件應用及教學環境的建設標準，旨在指導高等學校依托信息技術建設智慧學習環境，規范智慧教室建設，促進信息技術在教學中的深入、廣泛應用，推動教學理念、教學模式和教學內容改革，支撐信息時代高素質創新人才的培養。

2022 年12 月30 日，由CIO 時代、北達軟和高校信息技術創新應用產教融合聯盟共同編寫的《中國智慧教育白皮書—基于信創體系的智慧教育》在高校信創教育峰會暨高校信息技術創新應用產教融合聯盟成立大會上正式發布，主要內容包括：教育信創的背景、教育信創的目標與指導原則、智慧教育的架構框架、教育信創的技術體系、智慧教育與信創化轉型、高校信創體系建設、教育信創的實施方法及教育信創的保障體系。 作為白皮書的核心內容之一，白皮書提出了智慧教育的架構框架（SEAF），包括架構開發方法、架構內容框架、智慧教育業務參考模型、智慧教育應用參考模型、信創技術參考模型和信創運營參考模型六大部分內容。 該架構框架可以為智慧教育（教育機構的數字化轉型）和教育信創（教育機構的信創化轉型）提供系統性的方法論指導［10］。

2023 年初，教育部發布了《智慧教育平臺標準規范》，為智慧教育平臺體系建設與應用提供重要依據［11］；2 月13 日，在教育部與中國聯合國教科文組織全國委員會舉辦的世界數字教育大會上，中國教育科學研究院院長李永智代表中國教科院正式向海內外發布《中國智慧教育藍皮書（2022）》與2022 年中國智慧教育發展指數報告［12］。

將智慧教育導入智慧教育平臺，把智慧教育平臺接入智慧教室， 在智慧教室中引入ChatGPT，可以實現可定制化的學習機器人和虛擬助手，能夠在任何時間為學生甚至教師提供學習幫助，并能夠適應每個學生的學習需求，掌握學生的學習進度［13］。 智慧教室能夠提供互動式教學資料，并利用ChatGPT 進行知識講解；實時監測和記錄學生學習數據，從中獲取學習數據并進行全方位分析，以便教師能夠更好地調整教學方式和策略［14］。 利用ChatGPT 在語言處理、邏輯推理等領域的優異性能，結合智能化的教學設施，以實現課堂教學的智能化、高效化和個性化［15］。

2 基礎架構

基于ChatGPT 的智慧教育模式基礎架構如圖1 所示，主要包括四個方面：

圖1 基于ChatGPT 的智慧教育模式基礎架構

（1）個性化學習：通過識別學生的不同需求，系統可以根據學生的實際情況提供個性化的學習體驗，如針對不同學生推薦不同的教學材料、題目以及實時調整教學進度等。

（2）智能輔導和評估：系統可以自動生成答疑解惑、可視化講解、自動批改作業等教師和學生需要的教育輔助功能，同時還可以記錄學生的學習表現并進行綜合評估。

（3）教育內容創作支持：系統可以自動生成各種教育教學相關的文本，如文章、教案等，為教師提供教材編寫、課件制作等方面的支持。

（4）教育大數據分析：系統可以幫助教育機構收集、處理和分析龐大的數據，并根據數據分析結果進行教學內容優化、個性化調整、學生成長評價等多方位的應用。

利用智慧教室通過多種形式如圖像處理和人臉識別技術對學生進行實時監測和評估，更好地把握學生的學習情況，為教師提供個性化教育手段和支持；利用ChatGPT 等自然語言處理技術快速智能識別學生問題、推薦相關知識點以及提供解決方案［16］。 智慧教室可以幫助教師更好的掌握學生學習情況，提出教學計劃并自適應調整，同時實現考勤、成績管理、測驗評估自動化等多項功能，大大優化教學管理的效率［17］。 基于ChatGPT 的智慧教室可擴大知識獲取范疇，通過數據分析和信息采集，為學生個性化推薦課程、資源、題庫等內容，為學生打造富有趣味性、時效性和激發學生學習潛能的學習情境［18］。

2.1 個性化學習

個性化學習以學生為中心，在教學過程中，通過ChatGPT 對話形式精準、高效地識別不同學生的不同學習需求，有針對性地提供個性化的教學資源、教學內容及教學手段、方法。

2.1.1 個性化學習的實現意義

針對每個學生的特點，量身制定合適的學習計劃，而非強行統一標準，對于學生的學習效率會帶來很大的提升。 根據學生的知識層次、學習興趣等因素差異，在完成基礎知識學習的前提下，考慮學生的個體差異，提供不同的教學資源、內容，滿足多元化需求，更好地激發學生的學習興趣。 利用ChatGPT 的教育資源收集與融合能力，實現學校之間和教師之間的教育資源共享，消除學習壁壘，降低學習門檻［19-22］。

2.1.2 ChatGPT 技術在個性化學習中的應用

（1）學習行為和數據分析

通過智慧教室的學習管理系統，收集學生的學習過程數據，形成學生的學習檔案；利用該數據推薦有針對性的教學資料、生成講義、設計練習題等，提供量身定制化服務，從而滿足學生不同需求，提高學習效率。

（2）預測式教學指導

ChatGPT 可以通過收集學生的歷史學習對話數據，結合各科目知識點進行分析處理，預測學生的未來學習進程，并及時推送有針對性的知識點和解決方案。

（3）能力評估和知識掌握情況監測

通過分析學生問答對話和完成任務等多方數據，可以對學生的能力和知識掌握情況進行實時監控和個性化糾偏，識別錯題，根據知識點、難度、互動情況等因素為教師和學生提供智能反饋，及時進行知識點掌握度的反饋辨析，使教師精確地掌握學生知識掌握情況。

2.1.3 實現個性化學習的方法

（1）建立學生學習畫像

在應用ChatGPT 之前，需要對學生進行全面準確的描述。 除了學生的基本信息（如年齡、性別、專業等）外，還需要對學生成績、性格偏好、興趣特長、學習特點進行描述，構建學生學習畫像的特征向量，如借助深度學習技術處理學生數據，挖掘顯示學生特征。

（2）提供個性化教育資源

以當前學生學習畫像為基礎，利用ChatGPT技術，根據學生的性格、學習特點和閱讀習慣構建個性化內容推薦系統，向學生推薦適合的學習資源，如基于語義分析的個性化資料庫、基于智能輔導模式的答疑解惑等。

（3）智能練習題組卷和測試

根據知識點的難度、覆蓋范圍，借助自然語言生成技術構造個性化和時效性強的試題，并通過不斷演進，將單一知識點擴展為多節點知識點，將簡單基礎題擴展為復雜綜合題，構建海量題庫，通過學生實時測試情況進行目標設定，引導學生實現有效學習，如以掌握不牢固的知識點為基礎，設計出有針對性的學習內容，制定詳細的知識點學習、測試、考核、方法。

2.2 智能輔導和評估

個性化學習基于對每個學生的個性化學習需求進行分析研究，利用ChatGPT 智能技術手段，為學生提供量身定制的教學內容和在線輔導服務。

（1）數據抓取

要實現智能輔導和評估，需要借助數據聚合技術分析學生的學習行為和學習數據。 通過收集學生在學習中的各種活動數據，如個人信息、歷史學習記錄、練習答題情況、網絡搜索記錄等，可以建立起一個完整的學生成長軌跡。 通過數據聚合技術進行數據挖掘，可以識別出學生的優勢、弱點、特長、興趣愛好以及其他相關因素，為學生量身打造教學方案，提升教學效果。

（2）語義分析

要實現智能輔導和評估，需要運用自然語言處理技術分析學生的答案和提問。 對學生答題和提問的數據進行分析，可以識別出問題和答案之間的邏輯關系和語義結構，從而有針對性地提供輔導。 此外，學生與機器的對話過程，既是為學生提供個性化的教育輔導的過程，同時也是評價學生語言表達能力和思維深度廣度的評估手段。

（3）個性化定制教學

要實現智能輔導和評估，需要通過建立精準的算法模型、訓練數據集合，為每個學生生成定制化的教學方案和學習計劃，如在做習題時，可以有針對性地推薦學生需要加強的知識點，并為其提供相應的練習；在評估學生的認知水平時，可以基于其歷史學習記錄和答題情況，預測出未來可能遇到的難點，并采取針對性措施。

（4）自動化服務

要實現智能輔導和評估，需要實現自動化服務，如在線教學平臺為學生提供24 小時在線輔導、考試題庫共享等功能，對學生的學習數據進行全面監控和分析，不僅實現了對學生指導服務的自動化，還在時間和空間上解放了教師和學生，為學生提供了更便捷的知識獲取途徑。

實現智能輔導和評估需要運用多種技術手段與工具，包括學生基礎數據采集、自然語言處理、機器學習模型、在線教育平臺、云計算技術等，將這些技術通過深度融合，構建可持續發展的教育新型模式，激發出學生的學習潛能，改變學生在學習過程中的盲從性、無目的性，達到提升學習效率和效果的目的；教師可以通過獲取學生對相關科目問題的提問回答情況，有針對性地指導學生，使用自動化的系統來監督學生的在線活動，并在必要時進行提示、調整任務等。

2.3 教學內容創作支持

教學內容創作是教學的重要支撐。 好的教學內容可以有效提高教學質量，使教學活動的開展更為順利。 因此，需要建立一套完整的教學內容創作平臺。

（1）教學資源庫

收集相關領域的優質教學資源，并采用數據標準化手段進行存儲和管理，使其能夠方便地被用戶檢索和使用。

（2）創作工具

提供各種形式的在線和離線教學內容創作工具，如文本編輯器、PPT 制作工具、程序設計工具、圖像處理工具等。 通過這些工具，用戶可以輕松快捷地創建教學內容。

（3）協同助手

提供團隊協作功能，使多人可以同時編輯、審核和發布教學內容。 協作工具能夠提供版本控制和權限管理等功能，以保證協作的順暢和有效。 為了提高教學內容創作的質量，需要運用先進的技術手段和方法來增強支持，主要包括人工智能分析、自然語言處理等。

（4）內容審核

要建立一套完善的內容審核機，不僅可以對創作的教學內容進行定性和定量的評價，并且可以對創作者提出對應的反饋意見，主要包括雙向審核和評分機制。 雙向審核是讓內容創作者經過初步編輯后將教學內容分享到在線社區，通過社區里的其他用戶對該內容進行協同創作和內容審核；在教學內容創作平臺上增加評分機制，讓用戶評價教學內容的好壞、難易、完整度等指標，為學生和教師提供可參考性的信息。

教學內容創作需要建立完善的教學資源庫，提供一系列在線和離線的教學內容創作工具，建立科學合理的內容審核機制等。

2.4 教育大數據分析

教育大數據分析已成為當前教育領域中的研究熱點，通過收集、整理、分析學生相關數據，能夠更好地了解學生的學習情況，根據這些數據結果對教學內容進行優化、個性化調整和學生成長評價，更好地評價學生學習情況等。

為了更好地進行教育大數據分析，可以建立一個簡化的數學模型進行描述：

設有n個學生、m個老師，在每個學期結束時對參與相關課程的學生進行學習效果評估。給定學生成績數據矩陣Gn×m，其中每個元素gij為學生i在教師j所授課程上的成績，每門課程對應不同的權重系數w1，w2，…，wm，表示對學生成績的不同影響因素。

可以通過課程成績矩陣G的加權平均值來計算：

對上式進行改進，加入更多維度的數據來對學生進行綜合學習情況評估，建立一個包括學習狀態、學習興趣、學習難點等要素的評估算法。

（1）學習狀態數據

可以通過智能測試方式提問每個學生對各門課程的掌握情況及學習計劃，以此了解他們當前的學習狀態。 設每個學生i在第j門課程中的狀態為sstatusij，狀態可取值為0、1、2，分別表示不良、正常、優秀三種情形。（2）學習興趣數據

可以通過智能對話方式詢問每個學生對各門課程的興趣和偏好，并根據學生反饋數據進行歸一化處理。 設每個學生i在第j門課程中的興趣值為sinterestij，范圍在［0，1］之間。

（3）學習難度數據

可以通過智能對話方式詢問每個學生在各門課程中遇到的難點，再根據這些數據給出相應的建議和幫助。 設每個學生i在第j門課程中的學習難度為，表示學生i對該課程學習的難度系數。

綜合考慮成績、學習狀態、學習興趣、學習難度因素，進行加權處理，可以得出評估算法公式：

式中，a、b、c均為非負系數，且a＋b＋c＝1。值得注意的是，不同的因素之間的權重系數會存在差異，可以根據實際情況對其進行動態描繪。

最后，設置一個學習標準線，標示學生的平均水平和過高、過低的范圍，以此來給出學生成長的具體評價和相應建議。

3 存在的問題及改進方向

（1）隱私保護問題

個性化輔導采用了學生數據作為核心資料，在實現過程中應注重用戶數據隱私保護、信息安全等問題［23］，可以采用相關技術來解決這一問題，如多層加密、匿名化、模型剪枝等手段來提高人工智能系統的安全性。

（2）定制服務成本高

由于采用了人工智能方式的個性化學習方法，使技術本身和技術支持的成本顯著提高，面臨如何將課程與學生匹配以及使用安全可靠的教育平臺實現定制服務等問題，可以通過增加互動交流，以視頻形式展示公式、模型、推導等晦澀難懂的知識，以及授權系統自動推送自定義策略等方式降低定制服務成本。

（3）強化與傳統課堂協調

采用了人工智能技術的學習方式不代表要取代傳統教學方式以及優秀課程資源的使用，更多的是兩種方式的協同運行［24］。 應當加大對于在線教育的投入力度，推動教育創新，鼓勵開放，通過強化與傳統課堂的協調，切實提高學生實踐動手能力與探索創新能力。

科技更新迭代速度越來越快，在ChatGPT在智慧教室上的應用還遠沒有達到完美狀態，針對當前出現的問題必須加強研究，構建魯棒性強的智能輔導和學習狀態評估系統［25］。 個性化學習借助于智慧教室的數據聚合、大數據分析、智能化管理等技術，利用ChatGPT 實現從輸入到輸出的端到端的過程，成為未來教育數字化轉型的前沿。 盡管存在一些技術和實踐上的挑戰，需要通過人為干預完成與傳統課堂教學的協調以及數據保護等相關問題，但是，這種基于科技導向、全面量身定制、個性化學習的教育教學方法的更迭會不斷落地生根，促進我國教育事業的發展，并會產生深遠的影響。

4 總結與討論

基于ChatGPT 的教育模式在智慧教育的引導和智慧教室的承載下會進一步發展壯大，其目根本的是創造一個更適合于學生提升學習效率和激發創新潛力的新發展路徑，它強調協同、個性化和差異化，能夠更好地整合教育資源，推進教學質量提升，滿足大容量、定制化的現實需求，可以開展精準分析和評估、設計相適應的教學模式，在此基礎上加強高校與相關行業之間的聯系，并為其提供具有實際屬性的知識訓練。 此外，面對新形勢下智慧教育的發展和社會的不斷進步，在智慧教育實施過程中，一是加強全程監督，關注整個課程運行的過程和環節；二是關注數據安全問題，保障數據完整性和個人隱私；三是激發學生參與實踐創新的意識，鼓勵他們對新技術保持開放、包容、共享的態度，并突出從常規方法中尋找問題的解決方案；四是進一步強化實踐教學，把智慧教育融入到工程實踐中，實現各個教學環節的有機結合。

總之，對于高校來說，研究和應用智慧教育模式具有很大的現實意義，能夠顯著提高教育教學質量、優化學習過程體驗，針對不同層次和學科領域的學生，為其提供更加精準的學習方案和跟蹤服務，促進學生的全面發展與創新能力的提升，也為推進中國特色現代化建設、實現高質量經濟發展奠定了堅實的文化基礎。