人工智能驱动的智慧课堂探析_李茹.pdf

年第 期总第 期黑龙江高教研究 ，收稿日期：作者简介：李 茹，华中科技大学教育科学研究院博士研究生，石河子大学师范学院讲师，研究方向：教育基本理论。人工智能驱动的智慧课堂探析李茹，（华中科技大学，湖北 武汉；石河子大学，新疆 石河子）摘要：基于人工智能，个性化的智慧课堂正在生成。学校教育有望将人工智能与课堂教学结合起来，加强甚至颠覆传统课堂，生成一种个性化的智慧课堂。这种课堂基于人工智能的驱动，将塑造一种新颖的、动态的个性化框架，将学习者概念化为动态实体，推动教学过程中的互动变化。这种变化能使学生的适应学习机会增加，无论是宏观上的学习目标，还是微观上的教育体验。通过扩展 系统的认知能力，智慧课堂可以创造个性化的学习体验，激发学生的参与度，提高学习效率。智慧课堂伴随着对隐私和福祉的影响和风险，需要教师来弥补智慧课堂之不足。关键词：人工智能；智慧课堂；优势；缺陷中图分类号：文献标志码：文章编号：（）人工智能技术使规模化的个性教育成为可能。在理想的学习环境中，当学习过程能测量和反映学习者的相关特征并且这些数据被用于系统地调整教学时，个性课堂是最成功的。随着数字基础设施建设的提速，包含智慧教育在内的众多应用场景已经涌现。年 月，国务院宣布，将把 教育定位为国家战略，作为到 年将中国培育为 开发领域的世界中心地带的 活用计划的一环。就具体教育场景而言，人工智能驱动的智慧课堂，通过向学习者提供即时和个性化的学习支持，能够创造灵活自主的教学空间和学习空间。自人工智能诞生以来，人们就开始设想智能辅导系统和教育空间，但直到最近该领域才取得了重大进展。技术不仅作为学生可扩展的增强辅助工具，用于完成自动化教学过程中的许多任务，而且能够帮助教师将精力集中在人类天生擅长的关键任务上，从而可以在课堂中实现人类智慧与机器智能的结合。建构系统地适应个别学习者的课堂教学，长期以来一直是个性化教育的奋斗目标。现在，人工智能的最新进展推动了学习过程中更强的人机协作，特别是使智能辅导的各个方面扩大到更大的学生群体。一、智慧课堂理解：为什么智慧课堂是个性课堂借助人工智能，智慧课堂是一种使用计算算法来组织建构交互式学习体验，适应每个学生的个人需求，提供自适应学习的教育过程。这种课堂能够“根据学习者的某些特征改变教学模式、内容或速度，弥补和解决学习者的个人缺点，并发挥他们的优势”。它是个性化教育的一部分，类似于一对一的私人教师。不过，智慧课堂能使教育空间适应群体学习者，因此与针对整个学习者群体的“传统”教学并列。根据实践经验可知，一对一辅导的学习收益，要比传统课堂教学高出很多。私人导师能够更好地评估特定学习者的个人特征，并选择适当的教学方法和材料，确定最近发展区，然后选择位于其中的学习任务。私人导师的其他好处还包括：在辅导过程中能对教学方法的流畅性进行调整，并对学习者情感或动机状态的波动情况作出动态反应。将这种教学模式和效应扩展到更大的学习者群体的愿望，在教育心理学中被称为西格玛问题。尽管我们不能将这种教学效应推向极端和神话，但将一对一辅导的好处扩大到更大的学习者群体，仍然是个性教育和个性课堂背后的驱动力之一。随着全球社会的数字化转型，个性课堂以及个性教育将变得更加必要和紧迫。这不仅是人们迎接全球化和数字革命的机遇和挑战，也是确保每个人都能充分参与、受益并适应新的职业和技能的教育需求。人工智能技术可以支持基于学生学习过程和结果数据的个性化培训。在目前的学校教育体系中，课堂教学的最大问题就是“不同层次的学生在一个教室里按规定时间学习同样的内容”。简单来说，就是几乎每个教室都根据规定的教育过程，让不同层次的学生投入到一种学习模式之中，然而，对学校的评价，取决于社会所需要的人才筛查和学习培养功能。教师的作用更多地被强调公平对待学生，而不是学生的学习成就。因此，传统课堂比起缩小学习差距的作用，反而更能体现和维持学生的差异。与传统课堂相比，驱动的智DOI:10.19903/23-1074/g.2023.07.001慧课堂已被证明可以大大提高学习收益。可以根据学生数据，对学习者的水平进行诊断，并针对自己的目标进行个性化支持。在一定意义上，可以塑造一种完整的学习模型，为学习者推荐所需的时间和路径，起到私人教师的作用。利用人工智能技术，教师可以更加积极地进行教育活动，针对不同学生的个性化特征进行教学。在人工智能助理教师系统的帮助下，可以进行个性化的班级管理，改善教师的教学体验。关于智慧课堂的讨论，通常被称为“课堂”或“融合课堂”。对于专业人士来说，根据其专业领域、经验和兴趣，智慧课堂可能具有完全不同的含义。不过，根据 技术的发展，智慧课堂作为个性课堂的完善形态，是一种更能够收集和分析学习者的相关特征，并根据数据对教学实践的所有方面进行适应性调整的课堂。相关学习者的特征，能在智慧环境下被收集转化为数据变量，并通过教学指导学生之间、师生之间、人机之间展开学习、教学和空间互动。从该结论出发，智慧课堂无疑应当并且必然具有以下三个特征。其一，智慧课堂是一种流动开放的数字学习空间。智能教室既是智能环境的一部分，也是智慧课堂的核心，不仅可以提供基于人机交互的学习范式，还能够构建智能远程教育教室，为学生和教师提供与普通教室不同的课程体验。智能教室既可以主动观察、倾听和服务教师和学生，也可以用演讲和手势进行课堂讨论，并通过物联网连接其他智慧课堂和教育空间。其二，智慧课堂能够收集和分析学习反应，及时有效评估学习者的特征并给出反馈。评估学习者一直面临评价过程追踪难、评价分析实施难、评价效益提升难的困境，但是 技术能够实现学生成长全过程的数据化、学生成长画像的精准刻画、个性化学习支持的智能推送。其三，智慧课堂能够基于及时有效的评估反馈，适时调整随后的教学安排。技术基于数据和算法，通过考虑个人特征和动态发展，不仅可以使教学适应特定的学习者，还可以在特定的时间点调整学生适应教学动态。不难发现，智慧课堂的本质特征集中表现为“基于数据驱动的动态评估和实时调整”。二、智慧课堂的优势：基于人工智能的理解理解人工智能是理解和实现智慧课堂的前提。换言之，要想认清 在教育数字化转型中的作用，需要我们首先理解人工智能是什么以及人工智能与其他技术的区别，才可能具体理解教育变革。现代人工智能是一种借助有效的学习算法和大量高质量的数据来进行算法训练的决策模式，并能够实施感知、推理、学习、预测、决策和执行等动作。随着人工智能成功落地，人们创造了大量的定义。根据国务院关于 新一代人工智能发展规划的通知可知，人工智能是在移动互联网、大数据、超级计算、传感网、脑科学等新理论、新技术以及经济社会发展的强烈需求的共同驱动下，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征的技术融合。欧盟委员会最近在一份白皮书中提出了极端简化的定义，即“人工智能是一种结合了数据、算法和计算能力的技术”。新一代人工智能是对众多技术的融合，因而能够推动软件和硬件的整体升级，引发社会链式突破，推动社会各领域从数字化、网络化向智能化、自动化加速跃迁。根据重点和背景，我们从以下三个方面来把握人工智能。其一，是一种能够从数据中推断模式并得出结论的数字技术。人工智能技术通常基于机器学习和神经网络算法，但算法编程需要大数据智能理论。数据驱动是人工智能的新方法，可以通过自然语言、图像图形和视频来实现非完全信息下的智能决策。其二，是数字化转型的关键步骤，能够将众多不同的技术纳入人工智能的范畴。人工智能的深度应用意味着：社会将成为无时不有、无处不在的智能化环境，智能化水平将大幅提升，个体创造力将得到极大发挥，社会治理智能化水平将大幅提升，社会运行将更加安全高效。其三，表现为具体的智能机器实体，并细化为不同应用领域和场景的机器人。面对社会发挥发展和应用环境，发展出应对复杂动态场景的感知与理解，并表现为“无人机自主控制，无人驾驶的汽车、船舶和轨道交通工具，服务机器人、特种机器人”等核心技术。由此，人工智能将人机智能、混合智能、群体智能连接起来，形成“人在回路”的混合增强智能、人机智能共生以及真实世界环境下的人机群组协同。为了方便理解，我们可以将人工智能描述为一种由人类设计的软件系统，该系统在给定复杂目标的情况下，能够基于感知、解释和推理过程作出决策，该过程基于收集的环境数据，并具有类似人类智慧的属性。这意味着：人工智能系统具有自治性，能够在没有外部控制的情况下进行思考并采取行动，以达到特定任务的目标；人工智能系统具有适应性，能够感知环境并根据环境变化更新其行为；人工智能系统具有交互性，能够在人和其他系统共存的物理或数字维度上运行。从实践来看，尽管许多人工智能系统目前只表现出其中的一些特性，但它们的组合将是未来人工智能发展的趋势。人工智能的科学研究包括几种方法和技术，不仅包括机器学习，还包括机器推理、多智能体系统、智能机器人以及物理硬件组件的集成。借助人工智能的强大功能，智慧课堂可以形成一种使学生和教师不断调整的“适应性”课堂。在这种课堂中，所有教人工智能驱动的智慧课堂探析师和学生都可以根据群体的测量或预测特征，调整教学和学习的不同变量。第一，借助智能环境，智慧课堂能够对学习者特征进行初步评估。智能机器在确定相关的学习者特征后，能够对其进行评估以建立学生模型。第二，智慧课堂能够建构多元化的教学设计。即便是一个教学单元，智慧课堂也能够根据不同学习者的特征，形成或促进实现总体学习目标的不同教学设计。第三，智慧课堂能够根据学习过程展开实时评估和反馈。通过分析学习者的学习绩效和嵌入式评估的信息，智慧课堂能够根据学习者的进度更新学生模型。智慧课堂之所以是个性课堂，在于其所提供的教学实践和学习过程是适时调整的，可以为不同的学习者提供有针对性的建议和对策。因此，智慧课堂既是一种实时评估和建模的课堂，也是一种存在“差异化”和“多元化”的课堂，可以用于不同学习者群体的教学实践和自主学习。借助人工智能技术，智慧课堂能够连接学习者个性和不同学习目标。一方面，智慧课堂源于学生数据的驱动，而学生数据形成了连续统一体的个性化一端。基于数据推送的学习提高了程序的智能，这意味着人工智能可以作出更好的预测和决策。用于培训智能算法的高质量数据越多，则越有可能针对不同学生制定良好结果导向的学习对策。这种不断自我完善的循环强化了学生的学习能力，非常类似于生理学中的正反馈机制。另一方面，这个连续体的另一端联结着学习者的参与目标设定和任务选择，允许学习者个性化的自主学习。虽然智慧课堂假设“只有适应学习者的教学，才是对他们最有利的”，但是关于元认知的心理学研究表明，情况并不一定如此，学习者并不总是选择最适合自己的任务。这意味着倘若将智慧课堂视为一种学生完全自主学习的空间，将无法实现个性化教学；相反，教师的作用是人工智能所不能替代的，其在智慧课堂中发挥着不可或缺的作用。智慧课堂最常见的个性化学习形式，是调整教学材料以适应学习者的“学习风格”。智慧课堂可能存在多种形式和样态，但其本质是一种基于更加动态的个性化方法。通过智能感知，人工智能可以模拟学习者的心理状态，提供个性化指导的算法决策程序。这些算法模型允许个性化，而不是根据当前任务的表现调整下一个任务的难度，或者根据静态预测措施分配用户特定的内容。这些系统在不同领域和背景下的有效性表明，动态学生建模和随后的适应调整是促进学习收益的有效机制。三、智慧课堂的缺陷：人类教师的关键作用智慧课堂无法替代经验丰富的教师，从辩证的角度看，智慧课堂的优势也意味着缺陷，而人工智能技术推动的教育变革已经拉开序幕。人工智能建构的教育空间能以较低的成本，实现学生个人所需要的学习水平，即个性化学习。教育系统利用人工智能，开发出各种程序应用来支持学生学习。人工智能时代的未来教育，可以定义为利用各种教育技术学习知识，并在此基础上进行创造性教育的混合式学习。利用人工智能技术，学生可以在教师的指导下进行混合式学习。每个学生都能成功学习，各自能力都能得到激发和培养的教育，将成为未来教育的发展方向。因此，智慧课堂可以成为有用的学习工具，通过提供有效的数据分析和算法决策来帮助学生学习，并为更高水平