基于教育數字人的智能教學場景研究

摘"要：虛擬數字人作為元宇宙的重要角色之一，在教育中的應用潛能巨大。新一代學生群體對數字化的期待和元宇宙技術的發展要求教育融入虛擬數字人。首先，提出了教育數字人的系統設計與實現。其次，將教育數字人的應用場景涵蓋教育教學的各個過程，應用場景主要分為教學準備、教學實施和教學改進3個環節，每個環節包括學生和教師兩個維度。最后，聚焦教育數字人發展的未來趨勢和展望，即未來教育將與人工智能深度融合、教育個性化得到實現、教育管理與服務智能化得以實現。

關鍵詞：教育數字人"智能教學"元宇宙""教學場景

Research"on"Intelligent"Teaching"Scenarios"Based"on"Educational"Digital"Human

XU"Huixin1"""WANG"Shaoxuan2

1.Zhejiang"Business"Technology"Institute，"Ningbo，"Zhejiang"Province，"315012"China；2.Zhejiang"Fashion"Institute"of"Technology，"Ningbo，"Zhejiang"Province，"315211"China

Abstract：As"one"of"the"important"roles"in"the"metaverse，"virtual"digital"humans"have"enormous"potential"for"application"in"education."Driven"by"students'"expectations"for"digitization"and"the"development"of"metaverse"technology，"educational"integration"of"digital"humans"has"become"imperative."This"study"presents"a"systematic"frameworkfor"designing"educational"digital"humans，"and"maps"their"application"scenarios"across"instructional"processes."The"application"scenarios"are"mainly"divided"into"three"aspects："teaching"preparation，"teaching"implementation，"and"teaching"improvement，"each"of"which"includes"two"dimensions："students"and"teachers."Finally，"regarding"the"future"trends"and"prospects"of"the"development"of"digital"education，"education"will"deeply"integrate"with"artificial"intelligence，"achieve"personalized"education，"and"realize"intelligent"education"management"and"service.

KeyWords：Education"digital"people;"Intelligent"tutoring;"Metaverse;"Teaching"scenario

人工智能（Artificial"Intelligence，AI）作為引領新一輪產業變革和科技革命的重要驅動力，為教育現代化帶來了更多可能性。在規模化教育背景下，個性化教育與普惠教育之間的矛盾難以調和。學生在課前和課后缺少有效學習指導、教師課后答疑資源緊缺等問題限制了教育個性化程度的提升。推動優質教育資源規模化、實現普惠教育與個性化教育的平衡亦是我國實現教育強國建設的關鍵之一。

1"研究現狀

徐曼等人［1］全面分析了我國數字人領域相關政策，可以看出，國家對數字人產業的支持力度是逐步提升的。夏翠娟等人［2］提出虛擬數字人的應用被視為元宇宙的第一扇大門和最確定的賽道，已經在娛樂傳媒、金融銷售、文化旅游等領域得到廣泛應用，顯現出了獨特的價值和光明的前景。顧小清等人［3］認為元宇宙通過虛擬現實（Virtual"Reality，VR）建模的方式呈現真實社會場景、以人機交互的方式連接真實世界與虛擬世界，為學習者延伸了一個教育時空突破、學習體驗拓展、生活世界延伸的學習生態。對于學習者而言，元宇宙呈現了不同時空的真實教學情境，其可以親身體驗知識的產生過程，在實踐中加深對知識的認識并創造知識。從世界的角度來看，元宇宙將使現實世界以突破常規的形式被改造或創造。

奚駿等人［4］對數字人的概念、特征、實現技術、應用現狀進行了概述，之后引入教育數字人的概念，闡述了教育數字人的基本內涵與特征。特征主要表現為師生交互、知識情境、技術實現3個方面。接著，本文提出了數字人信息模型，并在此基礎上構建了教育數字人信息模型，闡釋了教育數字人的關鍵技術。王龔等人［5］通過搭建多樣化的虛擬教學場景、構建定制特征的數字人學生、生成模擬真實學生的問答、分析過程性實訓成長數據、構建虛擬助教協助教學技能學習，為教師提供強體驗、富交互、高擬真、生成性的低風險教學實訓環境。實踐表明，在元宇宙實訓場景中，職前教師能夠反復嘗試和試錯，并與數字人學生互動反饋，促進其對教學過程進行反思與改進，獲得的教學經驗可以有效遷移到教學實踐中，以此應對未來教育的新需求。魏小東等人［6］提出了人機協同內容生成構建可信學習資源、角色場景融合實現多元反饋方式、實時學習行為分析支持情感表達、整合通用設備接口促進教育應用普及的虛擬數字人第二語言教育應用策略。

祝智庭等人［7］提出數字人教育方面的核心應用場景應涵蓋教育教學的各個過程。王同聚［8］提出“三師課堂”，其中，虛擬數字人教師負責線上、線下視頻授課，智能機器人教師負責知識性問題的答疑，人類教師負責線下現場教學活動的指導。陳衛東等人［9］通過對10個教育場景中數字人角色的分析，構建了數字人教育應用實踐框架，明確其關鍵應用領域，并探討數字人的可用性評估、互動設計、敘事設計和循證導向策略。郭全中［10］認為虛擬數字人是元宇宙核心的組成要素，并分析了現在虛擬數字人領域的融資情況，通過分析融資情況，可以看出游戲是其最大市場，教育方面的應用還有待提升。

2"系統設計與實現

基于AI領域的自然語言處理（"Natural"Language"Processing，"NLP）、語音識別、語義理解、知識圖譜等多項技術，教育數字人能夠有效識別和分析用戶輸入的問題，理解其語義和意圖，進而提供相應的答案和服務。基于深度學習技術，根據用戶反饋和數據，教育數字人主動優化自身的模型和算法，從而增加場景的適應性與功能的針對性。

教育數字人與網絡課程平臺深度融合，內嵌于課程平臺，同時對接大語言模型的文檔問答能力，能夠快速擴充其知識庫范圍，針對本門課程的內容與知識，進行知識答疑、資源推薦、智能出題、學習督促提醒等。

2.1"知識庫的建設

基于NLP技術對用戶輸入問題的句法分析、語義分析、信息抽取、知識庫查詢、答案生成、答案評估與優化，在過程中，教育數字人基于深度學習模型不斷提高NLP的性能，最終實現快速、準確的學習答疑效果。知識庫的建設是整個教育數字人系統的基礎，知識庫的規模決定了助教的智能水平。

2.2"提問和回答處理

教育數字人以問答為主要形式來實現學習答疑、資源推薦、智能出題等多個功能。基于意圖識別、答案生成、深度學習3個環節形成閉環，實現快速、準確的提問與回答效果。

教育數字人能夠精準識別用戶的提問意圖，使用上、下文對話對系統進行session切分，對用戶的輸入進行分詞處理，將大段的文本信息切割成更小、更便于處理的句子或詞組。利用ngram特征、主題模型特征，對用戶的問題進行多維度的特征提取，通過關鍵詞提取、情感分析、實體識別等方法，提取出問題中的關鍵信息。使用NLP相關技術處理原始問題。例如：在對用戶問題的意圖識別中，首先對用戶所提問題進行智能分詞；其次，運用訓練出的基礎模型對分析糾錯、詞嵌入轉換等處理，結合上一步提取的多維度特征數據，輸出用戶問題的高維空間向量表示；再次，將用戶問題的高維空間向量表示輸入模型，進行深度計算；最后，對計算結果和標準知識庫中的知識進行匹配，實現用戶意圖的定位。

在意圖識別的基礎上，教育數字人結合對話管理策略與話術拼接，生成各種指令，提供相應的回答或服務。當用戶提問表述完整、準確時，教育數字人會在知識庫找到對應標準問題并返回答案；當用戶提問的問題在文檔中有相關知識時，教育數字人會返回大模型命中的文檔相關段落整合、提煉后的答案；當用戶提問較為模糊，或提問了知識庫中沒有涉及的問題時，教育數字人會根據提取的關鍵詞推送關聯度較高的問題。在答案生成方面，教育數字人有全場景的應對模式，機器人容錯率極高，也能夠對用戶的模糊提問進行有效引導。

針對學生的問答數據，教育數字人基于Transformer技術構建能夠自動學習和回答用戶問題的深度學習模型，在問答數據收集、分析的基礎上，不斷進行模型的訓練和優化，以適應不斷豐富的提問意圖和學習場景。針對知識庫中沒有涉及的問題，教育數字人采用監督學習和無監督學習結合的方法。系統通過大數據分析、用戶行為數據分析等技術，能夠快速發現未知、相似問題并聚類、訓練，自動識別有效未知問題，最終實現智能的標簽生成、相似問法生成、答案模板的生成。

3"教育數字人的智能教學應用場景

結合前期研究工作，以超星平臺為依據，在學生端和教師端，可以根據自身喜好設計數字人學伴和數字人助教的外觀，并將設計出的數字人模型展示在應用層。學生或教師可以根據系統內置的人物、膚色、服裝、動作等設計數字人，也可以自由創作設計，同樣，系統可以生成學生或教師自身的數字人分身。該教育數字人將貫穿教育、學習和師生互動的每一個環節。

3.1"教學活動準備環節

在教師端，利用超星教育數字人的智能分析功能，教師可以通過設計出的數字人快速整理教學資源，如課件、教案、習題、視頻等。同時，教育數字人利用強大的數據分析與搜索引擎功能，會根據平臺獲取的學生學習特點和需求智能分析學情，為教師制訂針對性的教學計劃，精準把握教學內容。利用機器學習算法，教育數字人能夠預測不同教學方案可能帶來的教學效果，為教師提供科學的教學決策依據。

在學生端，學生可以通過設計出的數字人獲得接下來一周內的課程安排，快速瀏覽數字人提供的課前預習提示資料、大綱和相關測驗。如果在預習過程中有疑問，則可以向數字人提出問題或向數字人留言，該留言可以被直接推給該課程老師。

3.2"教學活動實施環節

在教學活動環節中，以教師和學生的課堂交流為主，適當發揮教育數字人的作用。

在教師端，通過平臺內置的虛擬現實技術，教師可以在平臺中發放模擬實驗環境的教學任務，讓學生進行安全、便捷的實驗學習。這種虛擬實驗方式是理論知識的具象化實現，將理論知識轉化為實踐操作，并且實驗成本低、安全隱患低，豐富了教師教學的教學內容。平臺能夠記錄學生的操作過程，實時地將學生操作記錄和實驗過程傳送給教師，根據反饋，教師可以與學生進行師生數字人之間的互動或課堂現場的互動教學。課程即將結束時，教師端的數字人可以對學生的學習情況進行全面評估，包括學習態度、學習進度、學習效果等，這為教師提供了精準的教學建議，有助于調整教學策略，優化教學效果。

在學生端，在平臺的模擬實驗環境，學生可以在真人教師和設計的智能學伴的陪同下進行實訓，如果有實驗節點或知識模糊之處，則可以向真人教師或智能學伴提出問題，進而促進任務完成。在課程即將結束時，學生端的智能學伴數字人會對整堂課堂內容與該生學習過程中遇到的難點進行梳理，形成知識清單作為總結與今后復習的資料。

3.3"教育實踐改進環節

技術更新和算法改進可以提高教育數字人對教學的智能教學過程支持，為學生和教師提供個性化的教學支持。

在教師端，教育數字人通過對學習行為分析、學業成績評估和預測，為教育評價提供科學和可量化的依據，便于教師及時發現學生的學習問題，并采取有效的干預措施，提升課程的教學質量，進而促進學生的全面發展。同時，教育數字人獲取互聯網教育數據、探究教育規律，更新算法和模型，為教育研究提供了有力的支持。

在學生端，學生在大學所學的課程與其在課程中獲得的知識、技能和能力表現可以針對性地形成學生的學習畫像，該畫像展示了學生的知識技能掌握情況、能力分布情況。教育數字人可以根據該畫像匹配到相關工作崗位，以及可投遞簡歷的公司、薪資待遇等，為學生邁向下一階段奠定了基礎。學生進入工作崗位一年后，可以通過教育數字人向學習過的課程進行反饋，為進一步提升教師教學能力、深化校企融合提供支持。

4"未來發展趨勢與展望

隨著科技的飛速發展，AI在教育領域的應用日益廣泛，其中，教育數字人作為新興的教育技術，正逐漸改變我們的教育方式和學習體驗。教育數字人發展趨勢如下。

4.1"人工智能與教育的深度融合

教育的發展趨勢必然要與最新技術相融合。隨著深度學習、NLP、計算機視覺等核心技術的不斷優化，教育數字人將能夠更精準地理解學生的學習需求，提供個性化的學習路徑和資源。這種深度融合不僅提升了教育平臺的智能化水平，更為學生帶來了更加高效、便捷的學習體驗。未來，教育數字人將不僅局限于簡單的答疑和輔導，而是能夠參與到教學設計的全過程，為教師提供更加精準的教學建議和資源推薦。隨著VR、增強現實等技術在教育領域的應用，教育數字人可以為學生創造沉浸式的學習環境，大大提高學生學習和教師授課的趣味性，增強師生在虛擬空間的互動性。

4.2"個性化教育的實現

隨著人口減少，未來教育的特點將注重個性化教育。采用AI和大數據分析技術，通過收集學生的學習特點，教育數字人可以為學生提供個性化的學習計劃、學習內容和學習方法。個性化的學習不僅能夠使學習效果最大化，更能夠激發學生的學習興趣，推動學生更具創造力。

教育數字人將能夠更深入地挖掘學生的學習數據，通過神經網絡算法等先進技術，準確判斷學生的知識薄弱點和潛在問題，并為他們提供針對性的輔導和反饋。同時，教育數字人還將能夠根據學生的學習進度和反饋，動態調整教學策略和內容，實現真正的因材施教。

4.3"教育管理與服務的智能化

AI與教育的融合也將促進教育管理與服務的智能化。通過引入AI和大數據技術，教育系統可以更好地分析學生的學習情況和問題，及時給予指導和幫助。同時，教師可以利用智能化的工具和資源，設計更加富有創意和有效的教學活動，提高教學效果。

教育數字人在教育管理與服務中也將發揮更大的作用。例如：基于智能安防系統、自動化教學設備和智能教室的普及，教育數字人將能夠協助教師進行課堂管理和教學評估，提高教學效率和質量。此外，教育數字人還可以通過智能問答和互動服務，為學生提供更加便捷和高效的學習支持。

5"結語

教育數字人作為新興教育技術，正逐漸改變我們的教育方式和學習體驗。隨著AI技術的不斷創新及其在教育中的應用越來越普遍，教育數字人在教育領域勢必將會發揮更加重要的作用，未來教育的發展空間也更廣闊。后續研究需要進一步優化數字人在教育方面的應用，將教育元宇宙、虛擬數字人、智能機器人技術與課堂教學進行深度融合，以加速教育行業的數智化轉型。同時，順應AI時代的教育發展需要，培養智慧型、創新型人才，使教育元宇宙為師生造福，實現新技術與教育的雙向促進和良性發展。

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