智能課堂助手：人工智能背景下的教學(xué)工具

劉艷艷 黃雙根 黃福裕

摘 要：智能課堂助手是人工智能發(fā)展的產(chǎn)物，其采用自然語言處理、情感分析技術(shù)與學(xué)生自然交互，實現(xiàn)趣味性學(xué)習(xí)、個性化教學(xué)。從大學(xué)課堂情境、學(xué)具、教具、資源4個方面的教育價值進行分析，提出智能課堂助手與學(xué)生自然語言交互的課堂教學(xué)架構(gòu)，并實現(xiàn)課堂教學(xué)具體應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，智能課堂助手對學(xué)生的課堂參與度有積極影響，智能課堂助手正向影響學(xué)生課堂情感狀態(tài)，正向情緒高于負向情緒，課堂不良行為大幅降低。

關(guān)鍵詞：智能課堂助手;自然語言處理;情感分析

DOI：10. 11907/rjdk. 191660 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：G436文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）009-0217-04

Intelligent Classroom Assistant： the Smart Teaching Tool In Artificial Intelligent

LIU Yan-yan，HUAN Shuang-gen，HUAN Fu-yu

（Vocational and Technical College， Jiangxi Agricultural University， Nanchang 330045，China）

Abstract： Intelligent classroom assistant is the development product of artificial intelligence. It uses natural language processing and sentiment analysis technology to interact with students naturally to realize interesting learning and personalized teaching， which can provide an effective direction for this dilemma. This paper discusses the educational value of the four aspects of the situation， teaching tools， teaching aids and resources of the university classroom， and proposes the classroom teaching structure of intelligent classroom assistants and students' natural language interaction， and realizes the specific application of classroom teaching. The study found that intelligent classroom assistants have a positive impact on students' classroom participation; intelligent classroom assistants are positively affecting students' classroom emotional state， positive emotions are higher than negative emotions and classroom bad behavior growth rate is reduced to zero.

Key Words： classroom assistant; natural language processing; emotion analysis

0 引言

課堂是學(xué)習(xí)者與教育者知識獲取、知識交互、知識轉(zhuǎn)化的正式學(xué)習(xí)環(huán)境。在該環(huán)境下，教學(xué)是以學(xué)生為中心的自主化、個性化過程[1]。近年來以學(xué)生為中心的教育理念逐漸為高校所接受，該理念弱化了傳統(tǒng)教學(xué)模式中的“教”，強調(diào)知識內(nèi)化的“學(xué)”，重視學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位[2]。該教育理念強調(diào)把學(xué)生置于學(xué)習(xí)活動中心， 充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)動力，改變教師的角色和職能，使教師從“教知識”轉(zhuǎn)向“教學(xué)法”，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會自主學(xué)習(xí)。研究表明，目前以教材、教師、學(xué)生三者為中心的課堂教學(xué)模式仍占主流，教師多采用PPT放映和板書結(jié)合[3]，課堂氣氛沉悶，課堂設(shè)計未考慮學(xué)生適應(yīng)力，造成反應(yīng)率低、課堂參與度低[4]等問題。

2017年美國《規(guī)劃未來迎接人工智能時代》提出未來教育的變革，特別是智慧教育中倡導(dǎo)的個性化、精準(zhǔn)化、自適應(yīng)性、普適性等，都以人工智能為核心技術(shù)[5]?！?018地平線報告（高等教育版）》提出人工智能和機器人是長期發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)：人工智能將進一步深入理解學(xué)習(xí)者特征、學(xué)習(xí)者思維模式，從而提升在線學(xué)習(xí)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)性能[6]。隨著人工智能在教育領(lǐng)域的發(fā)展，智慧課堂、智慧學(xué)習(xí)環(huán)境等概念逐漸引入教育領(lǐng)域，智慧課堂引入信息化技術(shù)，實現(xiàn)人機交互和信息多樣化功能，滿足現(xiàn)代學(xué)生群體轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式的要求。目前，MOOC、雨課堂、云課堂普及率穩(wěn)步增長，但其過于重視人與技術(shù)之間的交互，忽視了學(xué)生情感交流，學(xué)習(xí)者整體完成率仍然很低。因此，對于學(xué)習(xí)者與技術(shù)的擬人化交互以及學(xué)習(xí)者情感交流等開展研究非常重要。本文利用智能課堂助手創(chuàng)設(shè)個性化、情感化、信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，增強課堂交互性，以達到提高課堂教學(xué)價值之目的。

1 智能課堂助手

1.1 概述

最早的聊天機器Eliza起源于麻省理工學(xué)院[7]，它扮演一個心理學(xué)者角色，目的是使文字談話變得更生動。在人工智能發(fā)展的今天，智能對話技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用廣受關(guān)注。人工智能在非教育領(lǐng)域，為人們提供咨詢、事務(wù)處理、聊天傾訴、心理咨詢、虛擬陪聊等功能，涉及辦公、商業(yè)及個人休閑娛樂等方面，具有便利性、娛樂性、情感化、智能化等特征。而在教育領(lǐng)域，應(yīng)用范圍涉及教師、學(xué)生、課程、學(xué)校等方面輔助和支持功能，包括學(xué)生與教師有效和諧溝通、問題咨詢、答題解惑、輔導(dǎo)語言學(xué)習(xí)、模擬教師以及輔助教學(xué)工作等功能，如表1所示。已有研究表明，智能課堂助手支持個性化輔導(dǎo)、問答式交互、情感交流等功能，營造自主學(xué)習(xí)、互動學(xué)習(xí)環(huán)境，提供學(xué)習(xí)資源、練習(xí)模擬、情緒調(diào)節(jié)、課程知識輔導(dǎo)等服務(wù)[8]。Maderer[9]針對在線課程創(chuàng)建智能學(xué)習(xí)助手Waston Jill，用來回答學(xué)生重復(fù)提問，實現(xiàn)高效互動。

1.2 智能課堂構(gòu)建

祝智庭[10]將信息技術(shù)分為擬人和擬物兩個方面。智能課堂助手作為現(xiàn)代信息技術(shù)的一種教學(xué)工具，支持學(xué)習(xí)者與教學(xué)社群、學(xué)習(xí)社群開展知識交互，同時本身具有深度學(xué)習(xí)、情感計算、語音識別等功能，在課堂教學(xué)中可以達到擬人效果。智能課堂助手構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，具有情景、教具、學(xué)具、資源4方面教育價值。基于人工智能技術(shù)的智能課堂助手為學(xué)習(xí)者提供專業(yè)化的教學(xué)資源，為教與學(xué)提供技術(shù)支撐。

2 智能課堂助手的教育價值

2.1 情境：擬人化課堂學(xué)習(xí)情境

智能課堂助手的交互性和擬人性等特征有助于知識培養(yǎng)。教師與學(xué)生相互傳遞信息并生成知識代碼，引入適當(dāng)?shù)姆钦Z言符號可以提升整個課堂的教學(xué)效率。神經(jīng)科學(xué)、認知科學(xué)、心理學(xué)和教育學(xué)研究表明，情感狀態(tài)在一定程度上會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和態(tài)度[11]。David Griol等[12]提出并構(gòu)建多模式機器人教育應(yīng)用Gera，涉及面部表情、手勢等資源，研究表明學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動機由小增大。如圖1所示，當(dāng)語音與文本響應(yīng)提供反饋和表達時，智能課堂助手響應(yīng)的是“聽”的狀態(tài)。如果用戶給出積極反饋，助手則回應(yīng)“開心”或者“驚訝”表情。如果用戶給出的答案不正確，助手則顯示“難過”或者“鼓勵”表情，與此同時會提供正確答案或另一種答案提示。它利用教育學(xué)、心理學(xué)、教育技術(shù)等學(xué)科方法對新一代人機交互、可視化教學(xué)、智能教學(xué)進行新的探索，模擬人類自然交流并生成與學(xué)生交互的編碼，形成人機交互“最人類”的教學(xué)情境與學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.2 教具：基于問題教學(xué)法的課堂

基于問題教學(xué)法的課堂教學(xué)存在很多障礙與缺失，如教師主動提問和學(xué)生被動回答的機械式提問[13]?，F(xiàn)代信息技術(shù)促使高校大量使用各方面的問答系統(tǒng)支持問題教學(xué)法在課堂教學(xué)中應(yīng)用，如麻省理工大學(xué)利用Smart回答有關(guān)地理、歷史、文化、科技、娛樂等方面問題[14];PowerAqua系統(tǒng)是一個基于知識庫的智能問答系統(tǒng)，容納了各領(lǐng)域的信息知識庫[15];智能實時英語聊天系統(tǒng)希賽可[16]及智能問答系統(tǒng)WordNet[17]提供英語對話練習(xí)的模擬語境。對問題教學(xué)的現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用調(diào)查發(fā)現(xiàn)，融合情感分析、自然語言處理技術(shù)的問答系統(tǒng)較少。融合自然語言和情感分析的技術(shù)應(yīng)用能夠彌補傳統(tǒng)課堂問題教學(xué)的不足，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)虛擬交流環(huán)境，與作為教師及學(xué)習(xí)伙伴的智能課堂助手進行雙向交互，實現(xiàn)問中學(xué)和學(xué)中問。

2.3 學(xué)具：智能課堂助手構(gòu)建參與式互動課堂

智能課堂助手可以扮演虛擬教師和學(xué)習(xí)同伴兩個角色。作為學(xué)習(xí)同伴，學(xué)生只需通過語音或文本輸入方式與虛擬助手進行問答交互，學(xué)生可以選擇興趣點知識、課程知識向助手提問，助手在回答的同時也可向?qū)W生提出相關(guān)問題，兩者雙向交互。詹澤慧等[18]從遠程學(xué)習(xí)支持服務(wù)角度分析了虛擬助理在資源推送、教學(xué)互動、情緒調(diào)節(jié)和生活輔助4個方面的服務(wù);Dagnon[19]認為，智能助手和在線教育的結(jié)合將有效提高學(xué)習(xí)的趣味性、參與度、可訪問性、個性化以及可擴展性，既實現(xiàn)課堂雙向交互，又實現(xiàn)課堂每一位學(xué)生都參與互動，同時解決了教師一對多提問的困境，彌補了傳統(tǒng)大學(xué)課堂學(xué)生參與度的不足。

2.4 資源：基于智能課堂助手的資源整合課堂

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，數(shù)字化資源在課堂教學(xué)中大量應(yīng)用，技術(shù)與知識整合的教學(xué)資源是學(xué)習(xí)者獲得海量、個性、精準(zhǔn)資源的有效途徑，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了情境化、個性化、智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境。情境化、個性化、有針對性的教學(xué)資源可以激發(fā)學(xué)生的參與熱情，促進對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深層次認知[16]。如圖2所示，智能課堂助手在技術(shù)支撐的基礎(chǔ)上結(jié)合知識庫生成答案，并將信息以富媒體形式返回給學(xué)習(xí)者。在交互過程中，根據(jù)上下文語境，結(jié)合情感計算、深度學(xué)習(xí)，分析學(xué)習(xí)者個體差異和需求。智能課堂助手向?qū)W生提供技術(shù)、知識庫、富媒體、學(xué)習(xí)分析4個方面的資源支持。

3 研究設(shè)計與成效

3.1 研究設(shè)計

3.1.1 框架構(gòu)建

智能課堂助手選用目前熱度、便捷度較高的聊天機器人開發(fā)平臺圖靈機器人，在平臺接入微信公眾號實現(xiàn)移動學(xué)習(xí)與智慧教學(xué)。如圖3所示，智能虛擬課堂助手響應(yīng)用戶請求，并將用戶請求傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，進行語言、可視化界面交互。在運行過程中，系統(tǒng)對語言交流出現(xiàn)的亂碼進行處理并快速組織語言資源。課堂助手提供多種功能幫助教學(xué)內(nèi)容的有效傳遞，如自然語音識別、文本語音合成、對話管理、用戶答案分析以及可視化信息交互。

3.1.2 對象選擇

本文選擇《中國傳統(tǒng)文化》課程進行應(yīng)用實踐。課程持續(xù)5周，共有5個班參與課堂助手學(xué)習(xí)，每班進行5次教學(xué)實踐。隨機抽取1個班進行研究與分析，共24人。隨機選擇1名學(xué)生為觀察對象，進行前測與后測研究，以保證觀察的精確性;隨機選取2節(jié)課觀察，每節(jié)40分鐘，每30秒記錄一次學(xué)生的課堂表現(xiàn)。

3.1.3 教學(xué)干預(yù)過程

如圖4所示，智能助手與學(xué)生以多種形式對話，互動實體包括學(xué)生—學(xué)生，學(xué)生—智能課堂助手?；訉傩园ㄎ淖帧⒄Z音、鏈接、圖片、表情等。由于社交軟件的普及，學(xué)生基本以表情、語音切入話題，互動氛圍熱烈。互動內(nèi)容覆蓋區(qū)域較廣，概念、類型、時間及典故問答頻次最高。

3.2 干預(yù)成效

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指學(xué)生訪問時間、訪問人數(shù)、訪問次數(shù)等數(shù)據(jù)，訪問次數(shù)指學(xué)生的問答次數(shù)以及與智能課堂助手的互動次數(shù)。除課前幾分鐘外，訪問次數(shù)處于100～290之間，最高達到298次，200以上次數(shù)較多，而訪問人數(shù)基本為24人。

從圖5可知，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為基本在課程的開始，利用課前時間預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)知識。從數(shù)據(jù)看，學(xué)生之間以及與智能課堂助手之間互動頻次較高，基本處于全員在線狀態(tài)，由此可知智能課堂助手對學(xué)生課堂參與度有積極影響，能夠提高學(xué)習(xí)的積極性與參與度。

3.2.2 情感分析

利用語義分析工具NLPIR對學(xué)生與智能課堂助手互動內(nèi)容進行描述性分析，具體情況如表2所示。學(xué)生的情緒狀態(tài)均屬于正面，其中快樂情緒占比較大。從數(shù)據(jù)可以看出，智能課堂助手應(yīng)用能夠引起學(xué)生的關(guān)注與參與，獲得學(xué)生的好評和喜愛。情感交流更能夠促使學(xué)生對刺激的同化與順應(yīng)。因此，在課堂教學(xué)中應(yīng)該利用富有情感交流屬性的教學(xué)工具，引導(dǎo)學(xué)生在熟悉又熱烈的氣氛下研究問題、分析問題和解決問題，掌握學(xué)生的興趣主題，提高教學(xué)效率。

3.2.3 教學(xué)干預(yù)分析

為了解智能課堂助手對學(xué)生表現(xiàn)和行為干預(yù)的實時性和精確性，選擇高校課堂互動分析編碼CIAS并結(jié)合學(xué)科學(xué)習(xí)特點對課堂情況進行分析，A組為傳統(tǒng)課堂教學(xué)，B組為智能課堂助手干預(yù)教學(xué)。在多次實驗并對數(shù)據(jù)有效性診斷基礎(chǔ)上研究智能課堂助手對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為產(chǎn)生的影響，具體如表3所示。

如變化頻率為負，說明第一節(jié)課的不良行為次數(shù)低于第二節(jié)，從少增多。相反，第一節(jié)課高于第二節(jié)，逐漸減少。從數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生A的課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)屬于正向。A組的低頭、說話、睡覺增長頻率均高于B組，可知干預(yù)后學(xué)生的課堂不良行為降低了。課堂上的不良行為影響學(xué)生的知識掌握度及表現(xiàn)水平，改善學(xué)習(xí)者的課堂不良行為對學(xué)習(xí)效果具有重要意義。從主動與被動頻率看， B組均為負數(shù)，而A組大于B組，可知B組的學(xué)習(xí)積極性由低向高轉(zhuǎn)變。相反，A組由高向低轉(zhuǎn)變，達到了較好的教學(xué)成效。說明干預(yù)后學(xué)生對節(jié)日類型、時間、典故以及相關(guān)概念均有不同程度的掌握，特別是課堂上的表現(xiàn)，與干預(yù)前有明顯差異。因此，智能課堂助手可以影響學(xué)生的學(xué)習(xí)行為與表現(xiàn)，有利于提高教學(xué)效果，克服學(xué)生的不良行為。

4 結(jié)語

教育是提高人的自然智能的過程，人工智能是在機器上實現(xiàn)教育的工具。智能課堂助手是人工智能應(yīng)用在教育領(lǐng)域的智慧教學(xué)工具，可實現(xiàn)移動學(xué)習(xí)與教學(xué)。對教育者來說，可以作為教具創(chuàng)設(shè)情境，增加情感體驗，輔助教學(xué)，提高教學(xué)效率;對學(xué)習(xí)者來說，智能課堂助手既符合時代潮流，又結(jié)合了學(xué)生使用社交軟件特點，使學(xué)習(xí)具有趣味性和便捷性，提高了學(xué)生互動參與度和主動性;對于課堂而言，作為教學(xué)資源支持工具整合了資源。當(dāng)然，高效的課堂并不僅僅取決于技術(shù)應(yīng)用，還取決于學(xué)習(xí)者群體對技術(shù)本身的適應(yīng)性。因此，今后將從以下兩個方面進行研究：①在應(yīng)用方面，針對學(xué)生接受度及學(xué)習(xí)效果進行實踐，利用課堂助手分析學(xué)生學(xué)習(xí)特征、學(xué)生個體差異及學(xué)習(xí)情境等對教學(xué)效果的影響;②在開發(fā)方面，對話界面要向大眾化方向發(fā)展，程序應(yīng)適應(yīng)用戶APP使用習(xí)慣。

參考文獻：

[1] 姜強，趙蔚，劉紅霞，等. 能力導(dǎo)向的個性化學(xué)習(xí)路徑生成及評測[J]. 現(xiàn)代遠程教育研究，2015（6）：104-111.

[2] 譚志虎，胡迪青，田媛，等. 微助教對高校大班課堂互動教學(xué)的重構(gòu)[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)，2018（1）：107-113.

[3] 陳凡. 以學(xué)生為中心的教學(xué)何以可能——基于51所大學(xué)本科課堂現(xiàn)狀的實證研究[J]. 高校教育研究，2017，38（10）：75-82.

[4] 趙輝，陳勁松. 大學(xué)課堂中的教學(xué)行為、學(xué)習(xí)投入與學(xué)習(xí)收獲——學(xué)生視角的調(diào)查[J]. 高教探索，2018（3）：37-42.

[5] 馬玉慧，柏茂林，周政. 智慧教育時代我國人工智能教育應(yīng)用的發(fā)展路徑探究——美國《規(guī)劃未來，迎接人工智能時代》報告解讀及啟示[J]. 電化教育研究，2017（3）：123-128.

[6] 金慧，邵鈺，胡盈瀅. 智能化教育生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建與創(chuàng)新-《地平線報告》啟示[J]. 遠程教育雜志：高等教育版，2018（5）：3-14.

[7] ALLEN JAMES. 自然語言的理解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[8] 詹澤慧，梁婷，馬子程. 基于虛擬助理的遠程學(xué)習(xí)支持服務(wù)及技術(shù)難點[J]. 現(xiàn)代遠程教育研究，2014（6）：95-103， 111.

[9] MADERER J. Artificial intelligence course creates AI teaching assistant[N]. The Science Daily， 2018-12-2.

[10] 祝智庭. 信息技術(shù)改變教育[J]. 教育與職業(yè)，2006（7）：104-106.

[11] 梁迎麗，劉陳. 人工智能教育應(yīng)用的現(xiàn)狀分析、典型特征與發(fā)展趨勢[J]. 中國電化教育，2018（3）：24-30.

[12] GRIOL D，CALLEJAS Z. An architecture to develop multimodal educative applications with chatbots[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems，2013，10（3）：175-179.

[13] 李茂森. 大學(xué)課堂教學(xué)中傾聽的缺失與回歸[J]. 當(dāng)代教育科學(xué)，2015（5）：11-14.

[14] 馮升. 聊天機器人問答系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用，2016（4）：34-36.

[15] YIN L，YI H，XU Z. A question answering system built on domain knowlege base[M]. Web-Age Information Management . Springer International，2015.

[16] 丁竹卉，賈積有，陳宇淏，等. 中學(xué)英語教學(xué)中應(yīng)用智能教學(xué)系統(tǒng)的效果評估——以“希賽可”為例[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)，2012（4）：68-72.

[17] DU Q. A relationship-based social question and answer system in social network[J]. Journal of information and Computational Science，2015（10）：3783-3798.

[18] 詹澤慧，梁婷，馬子程. 基于虛擬助理的遠程學(xué)習(xí)支持服務(wù)及技術(shù)難點[J]. 現(xiàn)代遠程教育研究，2014（6）：95-103.

[19] SU D. Are chatbots the missing link in online education[EB/OL]. ?http：//escholarship.edu， 2017.

[20] 鄧敏杰，梁存良. 基于學(xué)習(xí)參與的數(shù)字化資源教學(xué)研究[J]. 教學(xué)與管理：理論版，2017（1）：96-98.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）