基于“人性結(jié)構(gòu)”理論的AI助教系統(tǒng)模型研究

楊彥軍　羅吳淑婷　童慧

[摘? ?要] 人工智能時代的主流教育形態(tài)是借助現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)學(xué)習(xí)者個性特征為其提供精準(zhǔn)個性化學(xué)習(xí)服務(wù)的大規(guī)模個性化教育。教師在知識掌握、認(rèn)知能力、情緒管理、生理素質(zhì)等諸方面的“缺陷”日漸暴露，斯蒂格勒的“人性結(jié)構(gòu)”理論啟示：基于人工智能的AI助教系統(tǒng)將是未來課堂教學(xué)中有效彌補(bǔ)教師缺陷、激發(fā)教師潛能的關(guān)鍵性“技術(shù)”。文章在對人工智能時代的課程教學(xué)活動、現(xiàn)有AI助教系統(tǒng)的功能及人機(jī)協(xié)同教學(xué)現(xiàn)狀深入考察的基礎(chǔ)上，認(rèn)為AI助教系統(tǒng)在認(rèn)知方面表現(xiàn)更加出色，但教師在情感和創(chuàng)意方面的智慧是無可替代的?；诖颂岢隽宋磥碚n堂教學(xué)行為分析框架和AI助教系統(tǒng)模型，模型中包含了“AI替代”“AI協(xié)助”“AI增強(qiáng)”“AI賦能”四種不同的功能關(guān)系。最后展望了未來AI助教系統(tǒng)研究所面臨的挑戰(zhàn)，以期為智能時代AI助教系統(tǒng)的研究提供理論上的參考和思路上的借鑒。

[關(guān)鍵詞] 人工智能; 教師“缺陷”; AI助教系統(tǒng); 人性結(jié)構(gòu); 大規(guī)模個性化教育

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

[作者簡介] 楊彥軍（1981—），男，甘肅天水人。副教授，博士，主要從事信息技術(shù)與教育等方面的研究。E-mail：ts.yyj@126.com。童慧為通訊作者，E-mail：leiyuth@126.com。

一、引? ?言

近年來提出的工業(yè)4.0理論，以工業(yè)發(fā)展核心技術(shù)為參照，對工業(yè)革命后的社會形態(tài)作了細(xì)致的劃分，即認(rèn)為18世紀(jì)以來人類社會經(jīng)歷了蒸汽化為主要特征的工業(yè)1.0時代、電氣化為主要特征的2.0時代、信息化為主要特征的3.0時代，目前進(jìn)入了以智能化為主要特征的工業(yè)4.0時代。與人類社會發(fā)展階段相適應(yīng)，人類的主要教育形態(tài)也進(jìn)入了普通學(xué)校教育[1]。以班級授課制為主要特征的普通學(xué)校系統(tǒng)能夠高效率、大規(guī)模地培養(yǎng)具有相同知識和技能的同質(zhì)化人才，這完全適應(yīng)工業(yè)3.0及以前的社會需要。但工業(yè)4.0時代的制造業(yè)生產(chǎn)方式是以3D打印為主要代表的增材制造方式，傳統(tǒng)生產(chǎn)流水線上的工人將被各種工業(yè)機(jī)器人和工業(yè)級3D打印機(jī)取代，這將從根本上改變社會生產(chǎn)系統(tǒng)對人才結(jié)構(gòu)的要求。人工智能時代需要的是具備21世紀(jì)技能的個性化創(chuàng)新型人才，但當(dāng)前我們的教育卻正在以工業(yè)1.0時代的方式為工業(yè)4.0社會培養(yǎng)人，這就亟須現(xiàn)有教育系統(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)性變革以適應(yīng)人工智能時代對大規(guī)模個性化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。MOOC的出現(xiàn)為大規(guī)模個性化教育提供了資源支持、基于互聯(lián)網(wǎng)+的各種教育教學(xué)創(chuàng)新模式正在為未來教育變革提供多元化的解決方案，大規(guī)模個性化教育正逐漸呈現(xiàn)在人們面前。

大規(guī)模個性化教育（Large-scale Personalized Education）就是借助互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，能夠大規(guī)模根據(jù)每個學(xué)習(xí)者個性特征為其提供包括定制化培養(yǎng)方案、個性化教學(xué)方法和個性化學(xué)習(xí)路徑等內(nèi)容的個性化學(xué)習(xí)服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)+教育形態(tài)。大規(guī)模個性化教育將成為人工智能時代的主流教育形態(tài)[2]。傳統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)個性化教育的主要途徑有個別化教學(xué)（Individualized Instruction）、差異化教學(xué)（Differentiated Instruction）和適應(yīng)性學(xué)習(xí)（Adaptive Learning）。這些形式的個性化教育，其師生互動質(zhì)量相對較高，但卻難以滿足大規(guī)模、低成本、高速率開展人才培養(yǎng)工作的需求。隨著工業(yè)4.0時代的到來，教育的個性化與規(guī)?；瘺_突不斷凸顯，當(dāng)人們自覺不自覺地將教師與各種專門型人工智能體相比較時，教師作為凡人的“缺陷”正逐漸暴露于人們的眼前：首先表現(xiàn)在教師知識掌握方面的缺陷，教師在知識面、知識儲量和知識更新速度等方面都難以和專門型的人工智能體相比;其次表現(xiàn)在教師認(rèn)知能力方面的局限，主要包括作為人類普通一員的教師感覺過程的選擇性、知覺組織的整體性、工作記憶容量的有限性等方面[3];第三表現(xiàn)在教師情緒管理方面的缺陷，教師在情緒識別、情緒穩(wěn)定性和認(rèn)知無偏見等方面存在明顯不足;第四表現(xiàn)在教師生理素質(zhì)的局限，包括生理結(jié)構(gòu)、體力、耐力等方面的缺陷。隨著當(dāng)前普通學(xué)校教育系統(tǒng)中對個性化學(xué)習(xí)的不斷重視，教育的“規(guī)?；焙汀皞€性化”矛盾不斷凸顯，逐漸暴露于人們面前的教師缺陷成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模個性化教育的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

教師諸方面“缺陷”的日漸暴露，將“人是缺陷存在”這一哲學(xué)命題呈現(xiàn)在大眾面前。當(dāng)代法國著名技術(shù)哲學(xué)家貝爾納·斯蒂格勒（Bernard Stiegler）正是基于這一前提性認(rèn)識，提出了自己的“人性結(jié)構(gòu)”理論，他認(rèn)為與各種動物的天賦“性能”存在于自身之內(nèi)不同的是，人類因其“缺陷”創(chuàng)造形成的“代具”則存在于自身之外，這也意味著人和技術(shù)相互“存在”于各自之中，人最終是以“人—技術(shù)（代具）”的方式存在。斯蒂格勒的“人性結(jié)構(gòu)”理論讓我們認(rèn)識到：所謂的教師“缺陷”其實(shí)是人工智能時代凸顯出來的人類共性問題，教師以“人—技術(shù)（代具）”結(jié)構(gòu)存在是常態(tài)，“技術(shù)（代具）”與教師的有機(jī)結(jié)合既非“節(jié)外生枝”，也非“取而代之”，而是和諧共生以追求教育教學(xué)的至善。在文字印刷時代教師是以“人+紙筆（或粉筆黑板）”、在計(jì)算機(jī)時代教師是以“人+計(jì)算機(jī)”的顯性技術(shù)結(jié)構(gòu)方式生存，教師以“人+人工智能”的人機(jī)協(xié)同工作方式存在，將成為人工智能時代的新常態(tài)。聯(lián)合國教科文組織和布羅孚圖盧（ProFuturo）在2019年移動學(xué)習(xí)周期間發(fā)布的《教育中的人工智能：可持續(xù)發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)》（Artificial Intelligence in Education： Challenges and Opportunities for Sustainable Development）工作報(bào)告也提出了由教師和虛擬教師構(gòu)成的“雙教師模式”解決方案以支持個性化學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)[4]?；谌斯ぶ悄艿腁I助教系統(tǒng)將是未來課堂教學(xué)中有效彌補(bǔ)教師缺陷、激發(fā)教師潛能的關(guān)鍵性“技術(shù)（代具）”。那么AI助教系統(tǒng)究竟應(yīng)該如何與教師和諧共生，AI助教系統(tǒng)應(yīng)該具備哪些功能，這是需要繼續(xù)深入探索的問題。

二、人工智能時代的課程教學(xué)及其

人機(jī)協(xié)同分工

AI助教系統(tǒng)就是借助以人工智能、人機(jī)交互、學(xué)習(xí)分析、混合現(xiàn)實(shí)等為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，能夠輔助教師開展高質(zhì)量大規(guī)模個性化教學(xué)的智能教學(xué)系統(tǒng)。為了深入分析AI助教系統(tǒng)應(yīng)該具備哪些功能，首先要明確人工智能時代的課程教學(xué)中人機(jī)該如何協(xié)同分工。為此，有必要對人工智能時代的課程教學(xué)活動、現(xiàn)有AI助教系統(tǒng)的功能等作深入考察。

（一）人工智能時代的課程教學(xué)活動分析

基于人工智能的課程教學(xué)還是一種未來時態(tài)，目前不可能實(shí)際觀察到其具體活動及特征，但現(xiàn)有的關(guān)于未來課堂或未來教室的“概念型產(chǎn)品”和相關(guān)理論研究可以作為我們分析的基礎(chǔ)。近年來由英特爾公司發(fā)布的《英特爾未來教室——橋項(xiàng)目（Intel Project Bridge）》、Daniel Nemroff創(chuàng)作發(fā)布的《教育中的技術(shù)，未來教室（Technology in Education， A Future Classroom）》、康寧（Corning）公司發(fā)布的《玻璃構(gòu)成的一天（A Day Made of Glass 2）》等“概念型產(chǎn)品”較有代表性。其中，《英特爾未來教室——橋項(xiàng)目》在教學(xué)方式方面強(qiáng)調(diào)教師的實(shí)時監(jiān)控和遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)，在授課方面重視真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)和學(xué)習(xí)者的自主探究，在實(shí)驗(yàn)方面注重結(jié)合3D打印技術(shù)促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，體現(xiàn)了一個人機(jī)無縫互聯(lián)的智慧課程模式。后兩個案例呈現(xiàn)的情境具有相似性，凸顯教學(xué)中的人機(jī)互動及多終端融合，教學(xué)過程中師生使用智慧感應(yīng)觸摸板和智慧課桌，其支持多屏互動和全息投影立體模型授課、學(xué)習(xí)者線上自主學(xué)習(xí)、物體屬性自動感應(yīng)與相關(guān)結(jié)果可視化呈現(xiàn)，為學(xué)習(xí)者帶來全新的交互體驗(yàn)。圖1和圖2是按照時間順序提取的前兩個視頻中的師生教與學(xué)活動序列。綜合對兩個視頻中師生具體活動的分析，可發(fā)現(xiàn)AI助教的主要功能包括可視化評價和智能推送、教學(xué)資源/任務(wù)的分享與推送、學(xué)習(xí)進(jìn)度實(shí)時監(jiān)控、多屏互動/多點(diǎn)觸控授課、基于技術(shù)的真實(shí)情境創(chuàng)建、跨越空間的遠(yuǎn)程互動、3D打印建模仿真實(shí)驗(yàn)、在線資源智能檢索、在線學(xué)習(xí)與測試等。

在相關(guān)理論研究方面，劉智明等人認(rèn)為，未來課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)注重在技術(shù)的深度介入下強(qiáng)化課前導(dǎo)學(xué)、課堂練習(xí)、課后復(fù)習(xí)三個階段，并歸納AI助教系統(tǒng)應(yīng)包括基于PAD等無線終端授課、采集/儲存/分析及呈現(xiàn)相關(guān)教學(xué)信息數(shù)據(jù)、基于VR/AR與體感交互的真實(shí)情境創(chuàng)建、遠(yuǎn)程視頻會議、課程內(nèi)容的全過程錄制和3D打印等功能[5]。吳曉如等人則認(rèn)為，未來課程教學(xué)的重點(diǎn)在于升級與拓展AI助教系統(tǒng)功能以支持課內(nèi)課外全場景教學(xué)的應(yīng)用，AI助教系統(tǒng)的功能應(yīng)包括各類教學(xué)資源分享與推送、智能評價、多種互動服務(wù)及教學(xué)工具的提供、家校學(xué)情溝通與班級管理等[6]?？梢?，相關(guān)理論研究均注重AI助教系統(tǒng)的深入介入以促進(jìn)未來教學(xué)的課前初步掌握、課堂深度加工、課后鞏固反思，換句話說，就是期望促進(jìn)AI助教系統(tǒng)在課內(nèi)課外的一體化應(yīng)用[7]?；谝陨详P(guān)于未來課堂“概念型產(chǎn)品”的質(zhì)性分析及相關(guān)理論研究，對可預(yù)見未來的主要課程教學(xué)活動描述如圖3所示。

在課前，AI助教系統(tǒng)協(xié)助教師獲取信息、制作資源、輔助備課，將課前學(xué)習(xí)資源和任務(wù)分享推送給學(xué)習(xí)者供其自主探究學(xué)習(xí)，在此過程中對學(xué)習(xí)者的知識基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)方法習(xí)慣、興趣特點(diǎn)等和課前預(yù)習(xí)情況進(jìn)行細(xì)致分析。在課中，AI助教系統(tǒng)形象呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容輔助教師授課，并實(shí)時監(jiān)控學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度、診斷學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)障礙、呈現(xiàn)可視化的教學(xué)評價，提供個性化指導(dǎo)輔助;學(xué)習(xí)者可通過在線資源智能檢索、利用3D打印機(jī)在基于技術(shù)創(chuàng)建的真實(shí)情境中進(jìn)行建模實(shí)驗(yàn)等，期間課堂的全景數(shù)據(jù)都會被采集與分析;遇到困難可以求助專業(yè)人員進(jìn)行跨越空間的遠(yuǎn)程互動。在課后，學(xué)習(xí)者將收到精準(zhǔn)推送的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行在線自主學(xué)習(xí)，家長能實(shí)時掌握學(xué)習(xí)者每日的課程軌跡和身體狀況、與教師在線溝通與交流，教師也可以及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整與反思?？梢钥吹剑磥碚n程教學(xué)活動具有教學(xué)方法個性化、教學(xué)指導(dǎo)精準(zhǔn)化、教學(xué)環(huán)境智能化等特點(diǎn)。

（二）現(xiàn)有AI助教系統(tǒng)的功能分析

基于自然語言處理、深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)的各種專門型AI助教系統(tǒng)已經(jīng)較多，通過分析其功能也可以為建構(gòu)AI助教系統(tǒng)功能模型提供借鑒。為此，本研究對目前幾個比較有影響的AI助教系統(tǒng)功能進(jìn)行分析（相關(guān)信息均來自相關(guān)產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)、研究文章及媒體報(bào)道），分析結(jié)果見表1。

通過上面分析可以看出，現(xiàn)有AI助教系統(tǒng)的功能可以大致劃分為三類：（1）輔助教師解決人機(jī)交互、常規(guī)課堂管理等方面的簡單體力勞動為主的工作，具體包括資源獲取、語音控制課件、人臉識別簽到、資源共享、信息校對、朗讀示范等功能。（2）輔助教師解決重復(fù)性的認(rèn)知性工作：具體包括數(shù)據(jù)采集、作業(yè)批改、智能組卷、常見問題解答、知識點(diǎn)講解、可視化報(bào)告等功能。（3）彌補(bǔ)教師先天心理缺陷完成的認(rèn)知性工作：具體包括教學(xué)過程數(shù)據(jù)采集、學(xué)情診斷、學(xué)情分析、抄襲檢測、表情識別、個性化推送等功能。但是也可以看出，現(xiàn)有的AI助教系統(tǒng)對學(xué)習(xí)者的體質(zhì)和心理健康等課堂全景數(shù)據(jù)采集不夠全面;對學(xué)習(xí)者的語言、情感、動作的分析，社會化網(wǎng)絡(luò)（即人際網(wǎng)絡(luò)）的分析不夠深入;特別是遠(yuǎn)程互動分享、真實(shí)情境創(chuàng)建和3D打印建模仿真實(shí)驗(yàn)等功能運(yùn)用不夠成熟?，F(xiàn)有的AI助教系統(tǒng)無法對學(xué)習(xí)者個性特征進(jìn)行細(xì)致全面的分析并提供與之匹配的教學(xué)內(nèi)容與指導(dǎo)。

（三）未來課堂人機(jī)協(xié)同教學(xué)工作分配

在未來智能化的課程教學(xué)中，教師與AI助教系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)同工作方式將成為教學(xué)常態(tài)，AI助教系統(tǒng)將如何與教師和諧共生呢？斯蒂格勒基于“人—技術(shù)（代具）”的人性結(jié)構(gòu)認(rèn)識，對技術(shù)是人的本質(zhì)外化這個問題展開的批判，深入到了當(dāng)代資本主義開創(chuàng)的“熵增”的“人類紀(jì)”和當(dāng)今社會出現(xiàn)的普遍“無產(chǎn)階級化”等問題。外在化思想邏輯演繹到盡頭，就會出現(xiàn)技術(shù)架空人類的危機(jī)，但斯氏對此有清醒的認(rèn)識，因而在自己的思想體系中發(fā)展了西蒙棟的個性化思想，認(rèn)為技術(shù)物體是可以個性化的，但它離開了人類的個性化根本不可能存在，技術(shù)與人處在跨個性化的過程中[8]。斯蒂格勒思想體系對技術(shù)外化的批判非常深刻，強(qiáng)調(diào)人與技術(shù)的和諧共生，但卻對如何處理人與技術(shù)的關(guān)系等實(shí)踐問題沒能給出答案，只是用“技術(shù)是人類的解藥，也是人類的毒藥;我們要對技術(shù)的高速發(fā)展心存警惕，應(yīng)時刻保持批判性;我們需要創(chuàng)造一種新的技術(shù)文化，去應(yīng)對技術(shù)的時代”的警醒指明方向[9]。2018年11月，在上海召開的“首屆未來哲學(xué)論壇”上斯蒂格勒作了題為《人類世中的愚蠢和人工智能》的演講，他指出，人工智能其實(shí)是一種“人工愚蠢（Artificial Stupidity）”，在聲稱人工智能比人更了解人的時代，人們不愿意耗費(fèi)精力去作出思考、判斷和決策，這才是AI對人類的最大挑戰(zhàn)，人工智能的發(fā)展只有在新的技術(shù)文化關(guān)照下才可能為世界的熵增最小化作出貢獻(xiàn)。他雖不能也不愿對人與人工智能如何協(xié)同工作給出具體答案，但正如他的神話故事中所說的，普羅米修斯偷送給人類的“技術(shù)創(chuàng)造技能”或許是永遠(yuǎn)不可外化為“代具”的關(guān)鍵部分，這將保證人類在人工智能面前能夠永遠(yuǎn)“道高一丈”。正如富蘭克·利維和理查德·默南（Frank Levy & Richard Murnane）在《與機(jī)器人共舞（Dancing with Robots： Human Skills for Computerized Work）》、趙勇等人在《不要讓人去做機(jī)器的工作（Nerve Send a Human to Do a Machines Job）》中表達(dá)的核心思想：在人機(jī)共生的智能社會，人和技術(shù)在學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)中有各自的“生態(tài)位”，人類擅長的事讓人類做，機(jī)器擅長的事讓機(jī)器做，達(dá)到人機(jī)優(yōu)勢互補(bǔ)的新生態(tài)。至于人機(jī)該如何分工，利維和默南（Levy & Murname）提出的“與機(jī)器人共舞”框架指出，讓計(jì)算機(jī)解決程序化的問題，讓人類解決非結(jié)構(gòu)化的問題、處理新的信息以及完成非程序化的任務(wù)[10]。趙勇等人提的教師和技術(shù)的“生態(tài)位”框架認(rèn)為，技術(shù)的“生態(tài)位”是完成機(jī)械的、重復(fù)的任務(wù)，提供創(chuàng)新性的展示與交互方式，以及促進(jìn)個性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn);教師的“生態(tài)位”則是批判性思考，以及社會與情感交互[11]。祝智庭教授、余勝泉教授等人已經(jīng)對人機(jī)協(xié)同分工作了細(xì)致的分析[12-14]。此外，德國哲學(xué)家康德對人類精神活動的劃分及相應(yīng)的批判或許更具全局性啟示意義，他把人類的精神世界分為知、情、意三大類，認(rèn)為科學(xué)可能在認(rèn)知方面所向無敵，但面對情感、意志則無能為力，因此，留下了兩個沒有被科學(xué)侵占的地盤。人工智能正好與此相對應(yīng)，在智能方面人類已經(jīng)無法匹敵，但在情感、意志方面，機(jī)器還是傻瓜。所以，人類未來應(yīng)該利用自身智慧，從過去的體力、智力領(lǐng)地撤到利用情感、意志的智慧領(lǐng)地[15]。

因此，可以分別從認(rèn)知、情感、創(chuàng)意三個方面對教師和AI助教系統(tǒng)各自擅長領(lǐng)域的工作內(nèi)容進(jìn)行歸納及劃分。在認(rèn)知層面，教師主要負(fù)責(zé)抽象知識形象化、碎片知識系統(tǒng)化、思維性推理和經(jīng)驗(yàn)化想象等工作內(nèi)容，幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建知識點(diǎn)之間的聯(lián)系和完整的知識體系。AI助教系統(tǒng)則憑借在細(xì)節(jié)知覺、長時記憶、信息檢索與推送等方面的出色表現(xiàn)來挖掘、存儲并呈現(xiàn)教學(xué)過程中的信息，以分擔(dān)教師的認(rèn)知壓力。其次是情感層面，教師在價值引導(dǎo)、社交指導(dǎo)、情感干預(yù)方面具有不可替代的地位，但AI助教系統(tǒng)對于表情動作言語中的情感識別、情感計(jì)算比教師更勝一籌。最后是教師調(diào)節(jié)和支配行動達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的創(chuàng)意活動，包括教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)服務(wù)研發(fā)、綜合活動組織等。而AI助教系統(tǒng)則解決的是創(chuàng)意工作前期的重復(fù)性體力勞動工作并創(chuàng)設(shè)更能激發(fā)創(chuàng)意的情境以促進(jìn)教師創(chuàng)意工作的聚焦。綜上可以看出，兩者工作內(nèi)容之間既可精準(zhǔn)區(qū)分，又有著不可斷裂的聯(lián)系，未來課堂人機(jī)協(xié)同教學(xué)應(yīng)秉持教師和AI助教系統(tǒng)各自負(fù)責(zé)其擅長內(nèi)容的原則進(jìn)行工作分配。

三、基于“人性結(jié)構(gòu)”理論的AI助教系統(tǒng)建模

（一）基于“人性結(jié)構(gòu)”理論的教學(xué)行為分析

根據(jù)以上分析，人機(jī)協(xié)同的教學(xué)工作方式應(yīng)當(dāng)包括教師主導(dǎo)和AI助教系統(tǒng)主導(dǎo)兩大部分。教師主導(dǎo)是指教師起著關(guān)鍵性作用、AI助教系統(tǒng)作為輔助工具的協(xié)同工作方式，其側(cè)重點(diǎn)是AI助教系統(tǒng)可以輔助、但無法替代教師進(jìn)行工作（如圖譜化學(xué)習(xí)者分析）。AI助教系統(tǒng)主導(dǎo)是指AI助教系統(tǒng)起著替代性（教師無須參與）或決定性的作用（教師進(jìn)行活動安排組織），雖然后者的教師工作AI助教系統(tǒng)也無法替代，但不同的是，若無AI助教系統(tǒng)的參與，此項(xiàng)工作教師將無從展開（如教學(xué)資源、任務(wù)推送和跨越空間的遠(yuǎn)程互動）?；诖?，本文圍繞未來課堂課前、課中、課后三個時段，在人機(jī)協(xié)同工作的基礎(chǔ)上提出未來課堂的教學(xué)行為框架，見表2。

具體來講，教師與AI助教系統(tǒng)的協(xié)同工作主要體現(xiàn)在以下方面。（1）課前主要是圍繞課程展開的教學(xué)設(shè)計(jì)，包括“圖譜化學(xué)習(xí)者分析”“數(shù)據(jù)化教學(xué)內(nèi)容分析”“教學(xué)活動設(shè)計(jì)”“個性化教學(xué)資源研發(fā)”等教學(xué)行為。教師作為教學(xué)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)者，必須親自參與分析決策和活動、資源的設(shè)計(jì)，與此同時AI助教系統(tǒng)將可視化呈現(xiàn)其利用大數(shù)據(jù)技術(shù)全力尋找的價值信息以供教師參考。其后AI助教系統(tǒng)將把精心設(shè)計(jì)過的教學(xué)內(nèi)容和資源推送給學(xué)習(xí)者，此過程教師無須參與。

（2）課中，教師作為教學(xué)的主導(dǎo)角色，需要幫助學(xué)生建立知識點(diǎn)之間的聯(lián)系、構(gòu)建完整的知識體系并傳授技能，同時，還需要傳遞積極正向的情感態(tài)度，引導(dǎo)正確的價值和信仰。在教學(xué)過程中，AI助教系統(tǒng)會協(xié)助教師形象地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容并全方位采集學(xué)生的動態(tài)數(shù)據(jù)，畢竟部分學(xué)習(xí)者畏于與教師溝通，其消極情緒及困難又不易被察覺，這方面需要AI助教系統(tǒng)借助相關(guān)模型精準(zhǔn)識別學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)障礙并提出初步的解決建議，以供教師在進(jìn)行教學(xué)評價和個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)時參考。與傳統(tǒng)教學(xué)不同的是，未來課堂教學(xué)注重學(xué)習(xí)者創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)，對此創(chuàng)設(shè)基于技術(shù)的真實(shí)情境、開展3D打印建模仿真實(shí)驗(yàn)并邀請專家進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時互動指導(dǎo)。這些教學(xué)行為都需要AI助教系統(tǒng)來支撐，一線教師不需要打開技術(shù)的盒子了解具體原理，但是需要應(yīng)用這些技術(shù)開展所需的教學(xué)活動。（3）課后，教師需要依據(jù)學(xué)習(xí)者的不同層次水平設(shè)計(jì)相應(yīng)的課后學(xué)習(xí)服務(wù)，期間AI助教系統(tǒng)會協(xié)助教師生成具有較強(qiáng)針對性、滿足個人不同需求的作業(yè)練習(xí)并推薦相關(guān)資源給學(xué)習(xí)者。之后AI助教系統(tǒng)還可利用基于作業(yè)大數(shù)據(jù)訓(xùn)練出來的規(guī)則和模型對學(xué)習(xí)者的作業(yè)進(jìn)行批改，并形成綜合分析報(bào)告。在情感方面，教師要維持學(xué)習(xí)者積極樂觀的情感態(tài)度，并幫助學(xué)習(xí)者形成良好的內(nèi)部社會網(wǎng)絡(luò)和豐富的外部社會網(wǎng)絡(luò)。在體質(zhì)健康方面，AI助教系統(tǒng)可對學(xué)習(xí)者的身體狀況進(jìn)行24小時無休眠監(jiān)測，如有異常情況會及時向教師和家長反映并提供應(yīng)對策略。除此之外，AI助教系統(tǒng)也會采集教師的動態(tài)數(shù)據(jù)并借助相關(guān)模型計(jì)算出教師的行為模式，并推薦可供參考的行為模式及適應(yīng)性改進(jìn)方案。同時，AI助教系統(tǒng)還是搭建家庭與學(xué)校溝通橋梁的關(guān)鍵點(diǎn)，將學(xué)習(xí)者在校表現(xiàn)與評價結(jié)果推送給家長，有助于家長了解孩子的學(xué)習(xí)狀況并對其進(jìn)行正確的教育引導(dǎo)。

（二）基于“人性結(jié)構(gòu)”理論的AI助教系統(tǒng)模型

通過上述對人工智能時代的課堂教學(xué)行為的分析來看，教師和AI助教系統(tǒng)在未來課堂教學(xué)中的地位和參與比重會依據(jù)教學(xué)工作創(chuàng)造性程度的不同而有所區(qū)別，人機(jī)協(xié)同將呈現(xiàn)一種技術(shù)透明的無縫融合狀態(tài)。2009年，魯本·R·普恩泰德拉（Ruben R. Puentedura）博士建立了一種技術(shù)與教學(xué)整合創(chuàng)新模型——SAMR模型。在SAMR模型中，S表示替代（Substitution），技術(shù)作為工具替代某些要素，但在功能上沒有變化;A表示擴(kuò)增（Augmentation），技術(shù)作為改進(jìn)工具，實(shí)現(xiàn)功能上擴(kuò)增，但結(jié)構(gòu)上沒有變化;M表示修改（Modification），技術(shù)支持對重大任務(wù)進(jìn)行新設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)局部變化;R表示重塑（Redefinition），技術(shù)支持創(chuàng)造全新任務(wù)，引發(fā)結(jié)構(gòu)與模式產(chǎn)生本質(zhì)變化。據(jù)此，AI助教系統(tǒng)的功能也可以進(jìn)一步細(xì)分為“AI替代”（S）、“AI協(xié)助”（A）、“AI增強(qiáng)”（M）、“AI賦能”（R）四種。如圖4所示。

（1）“AI替代”是指教師無須參與、可全部交付AI助教系統(tǒng)獨(dú)立處理，如批改作業(yè)等重復(fù)性體力勞動的工作。這些教學(xué)行為教師一樣可以等質(zhì)完成，只是實(shí)現(xiàn)方式不一樣，AI助教系統(tǒng)僅作為教學(xué)工具并沒有改變教學(xué)本身的結(jié)構(gòu)，屬于“替代”階段。（2）“AI協(xié)助”負(fù)責(zé)為教師提供一些輔助性的支持工具，促使教師更專注于教學(xué)中創(chuàng)造性程度較高、情感導(dǎo)向性較強(qiáng)、本身規(guī)則性較弱等只有教師可以勝任的工作，這正是AI助教系統(tǒng)所缺失的。這一階段AI助教系統(tǒng)仍然充當(dāng)傳統(tǒng)教學(xué)工具的替代品，所處理的工作教師也能完成。不同的是AI助教系統(tǒng)參與的效果會優(yōu)于教師，也為教學(xué)過程帶來實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)，屬于“擴(kuò)增”階段。（3）“AI增強(qiáng)”負(fù)責(zé)的是教師可以獨(dú)立完成但表現(xiàn)并不是很出色的工作。該階段AI助教系統(tǒng)的使用與教學(xué)任務(wù)的設(shè)計(jì)相結(jié)合，改變了原有任務(wù)的教學(xué)行為，這些教學(xué)行為需要通過AI助教系統(tǒng)的驅(qū)動才能完成，屬于“修改”階段。（4）“AI賦能”負(fù)責(zé)的工作通俗來說就是教師本身無法完成、但AI助教系統(tǒng)使教師能完成的工作。該階段AI助教系統(tǒng)的參與促使教師創(chuàng)造全新的學(xué)習(xí)任務(wù)，為教師帶來深刻的變革體驗(yàn)，屬于“重構(gòu)”階段。總而言之，教師與AI助教系統(tǒng)的這四種關(guān)系是生態(tài)系統(tǒng)，而不是層次結(jié)構(gòu)。理想的教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)是AI助教系統(tǒng)成為教師的有機(jī)組成部分，與教師生態(tài)位的有效整合，兩者的工作邊界沒有切實(shí)的分割界限。

通過上述討論可以發(fā)現(xiàn)，AI助教系統(tǒng)體現(xiàn)為“AI替代”“AI協(xié)助”“AI增強(qiáng)”“AI賦能”這四種功能在引發(fā)教育結(jié)構(gòu)變革的程度上依次遞增，如圖5所示。與此同時，隨著技術(shù)在教育結(jié)構(gòu)重構(gòu)中的作用日益凸顯，其彌補(bǔ)教師在生理素質(zhì)、知識掌握、情緒管理以及認(rèn)知能力等方面缺陷的能力也逐步提高。因而客觀地看，AI助教系統(tǒng)可以作為教師的“代具性存在”以彌補(bǔ)教師的“缺陷存在”，與教師構(gòu)成“人—技術(shù)”的結(jié)構(gòu)，AI助教系統(tǒng)的提出對當(dāng)下實(shí)施大規(guī)模個性化教學(xué)來說至關(guān)重要。

四、AI助教系統(tǒng)研究進(jìn)展及挑戰(zhàn)

2019年4月，美國高校教育信息化協(xié)會學(xué)習(xí)促進(jìn)會認(rèn)為虛擬助手、虛擬教師等在未來新興技術(shù)中具有強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿16]。近幾年，國內(nèi)的AI助教系統(tǒng)的相關(guān)研究主要集中在以下三個方面：其一是基于某一技術(shù)展開的AI助教系統(tǒng)研究，如手勢識別[17]、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)[18-19]、深度學(xué)習(xí)技術(shù)[20]等;其二是針對在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的AI助教系統(tǒng)研究，張新明[21]、賈積有[22]、王永明[23]等都進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì);其三是測試/測評類[24-25]的AI助教系統(tǒng)。此外還有面對不同課程教學(xué)的AI助教系統(tǒng)研究，如英語[26]、數(shù)學(xué)[27]、物理[28]等。AI助教系統(tǒng)在未來的研究過程中還將面對多方面的挑戰(zhàn)。

（一）通用教育人工智能發(fā)展面臨瓶頸

教師和AI助教系統(tǒng)要達(dá)到高質(zhì)量和諧共生，在客觀上就要求AI助教系統(tǒng)變得更加“智能”和“透明”，成為教師的“上手之物”。教學(xué)智慧的生成是一個循序漸進(jìn)的過程，是由專業(yè)情感、教學(xué)知識、反思實(shí)踐三位一體轉(zhuǎn)化而成。[29]但整體來看，目前已推出的AI助教系統(tǒng)實(shí)際上都是只能完成特定任務(wù)、難以遷移到其他情境中的“弱人工智能”。例如，Auto Tutor可以提供朗讀示范，但不會證明數(shù)學(xué)定理;ASSISTments、北極星AI助教可以診斷學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，卻不能為其制定教學(xué)計(jì)劃;句酷批改網(wǎng)適用于語文作文的批改，但外文作文則不行。AI助教系統(tǒng)的深入發(fā)展急需教育領(lǐng)域“強(qiáng)人工智能”的發(fā)展成熟，但在整個強(qiáng)人工智能發(fā)展面臨諸多瓶頸的當(dāng)下，通用教育人工智能的成熟亦是困難重重。在未來的研究中需要有效融合各種現(xiàn)代技術(shù)以“培養(yǎng)”AI助教系統(tǒng)元能力的形成，在不預(yù)設(shè)解決具體問題的情況下能夠解決教育教學(xué)中的現(xiàn)實(shí)問題，從而進(jìn)階至通用教育人工智能階段。

（二）腦機(jī)融合交互方式亟待新的突破

教師和AI助教系統(tǒng)要有效協(xié)同還需要人機(jī)交互方式的創(chuàng)新，當(dāng)前交互方式已由傳統(tǒng)的鍵盤鼠標(biāo)輸入逐漸發(fā)展為語音手勢識別、多點(diǎn)觸摸、眼動追蹤等方式。但這些方式依然存在需要額外佩戴設(shè)備、識別準(zhǔn)確率低等諸多問題。近些年快速興起的腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）技術(shù)成為新的突破口，它從大腦讀取下來的神經(jīng)信號會被傳輸?shù)浇獯a器中進(jìn)行翻譯，并立即發(fā)送到另一端AI助教系統(tǒng)的接口形成操作指令進(jìn)行一系列的動作輸出，這將真正實(shí)現(xiàn)人腦“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”與外部“物聯(lián)網(wǎng)”的直接溝通。目前腦機(jī)接口技術(shù)的教育應(yīng)用相對較少，主要集中在學(xué)習(xí)狀態(tài)識別、注意力水平測量、學(xué)習(xí)動機(jī)評估、學(xué)習(xí)風(fēng)格鑒定和身體感官重建五個方面[30]。2019年5月，我國已經(jīng)出現(xiàn)“腦語者（Brain Talker）”腦機(jī)編解碼集成芯片，但真正要走入課堂還是有較長的路要走。但不可否認(rèn)的是，隨著腦機(jī)接口技術(shù)的不斷發(fā)展和在教育領(lǐng)域的不斷探索，必然會為教師和學(xué)習(xí)者帶來全新的交互體驗(yàn)，對智慧時代的課堂產(chǎn)生巨大的影響。

（三）實(shí)用全息呈現(xiàn)技術(shù)任重道遠(yuǎn)

隨著智慧時代學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)環(huán)境訴求的不斷提高，信息呈現(xiàn)方式從傳統(tǒng)的平面二維世界向三維立體的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)過渡。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有利于增強(qiáng)真實(shí)性，但其配備的頭戴式顯示設(shè)備體積和重量較大，還易使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生眩暈感，體驗(yàn)時間不宜過長。全息投影技術(shù)則不然，全息投影系統(tǒng)將光線折射在空氣或者其他特殊的介質(zhì)上，真正呈現(xiàn)出3D影像，學(xué)習(xí)者可以從任何角度觀看到影像的不同側(cè)面，獲得與現(xiàn)實(shí)世界相同的視覺效果。也可以加配觸摸屏實(shí)現(xiàn)與學(xué)習(xí)者的互動，整個過程無須佩戴任何設(shè)備即可身臨亦幻亦真的環(huán)境中。但是全息投影的介質(zhì)問題并沒有得到很好的解決，目前只在嚴(yán)格控制的條件下（搭配較暗光線）才能呈現(xiàn)。之前美、日科學(xué)家分別用蒸汽幕布和激光技術(shù)解決了介質(zhì)問題，但由于技術(shù)不成熟，成本高，商業(yè)前景不太樂觀。全息投影的理想介質(zhì)就是空氣，未來有望設(shè)計(jì)出不受光線明暗的影響在自然光照環(huán)境中即可呈現(xiàn)的真全息影像，這將從根本上顛覆教學(xué)內(nèi)容的視覺表達(dá)模式。

（四）信息安全與倫理道德問題急需重視

基于大數(shù)據(jù)的人工智能的快速發(fā)展，讓信息安全和倫理道德問題成為更加凸顯且急需面對的重大社會問題。AI助教系統(tǒng)作為人工智能在教育系統(tǒng)應(yīng)用的核心業(yè)態(tài)，也必將面臨諸多挑戰(zhàn)。AI助教系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)信息是海量的，但智慧時代不能變成一個沒有隱私、沒有禁忌的時代[31]。從教育的終極價值關(guān)懷來看，我們對教育空間構(gòu)成的思考除了要考慮其物理存在和對象表現(xiàn)之層次外，還必須涉及其人格表達(dá)這一更深的層次，即要著重思考人之心智的活動以及由人所構(gòu)成的位格世界（也稱人格世界）對其自身的意義[32]。面對海量的個人原始數(shù)據(jù)，AI助教系統(tǒng)應(yīng)該收集哪些，不該收集哪些，收集之后如何使用，使用后會不會出現(xiàn)新的“鴻溝”，AI助教系統(tǒng)需要無止境地變得更加“聰明”，進(jìn)而從教師手中接過工作嗎？AI助教系統(tǒng)真的不會取代教師嗎？諸如此類的信息安全和倫理道德問題急需重視和解決。這不但需要技術(shù)持續(xù)發(fā)展以解決安全隱患，更需要如斯蒂格勒所說的建立“新的技術(shù)文化”，好在人們已經(jīng)行動起來，聯(lián)合國倡導(dǎo)的人工智能應(yīng)用的人本主義價值取向逐漸成為共識，人工智能應(yīng)用的基本原則逐漸確立[33]。

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Study on the Model of AI Teaching Assistant System Based on Theory of

"Human Nature Structure"

YANG Yanjun，? LUO Wushuting，? TONG Hui

（1.Institute of Education Development， Nanchang University， Nanchang Jiangxi 330031;

2.College of Education， Jiangxi Science & Technology Normal University， Nanchang Jiangxi 330038）

[Abstract] In the age of artificial intelligence， the mainstream educational form is characterized by the large-scale personalized education that provides learners with precise and personalized learning services by means of modern information technology according to the characteristics of learners. Teachers' defects in general knowledge， cognitive ability， emotional management and physiological quality are increasingly exposed. According to Stigler's theory of "human nature structure"， AI teaching assistant system based on artificial intelligence will be a "key technology" in future classroom teaching to effectively make up for teachers' defects and stimulate teachers' potential. On the basis of in-depth investigation of teaching activities in the age of artificial intelligence， the function of the existing AI teaching assistant system and the current situation of human-machine collaborative teaching， this paper holds that the AI teaching assistant system is better at cognition， but the emotional and creative intelligence of teachers are irreplaceable. Then， this paper proposes a future classroom teaching behavior analysis framework and a AI teaching assistant system model， which include four different functional relations of "AI substitution"， "AI assistance"， "AI enhancement" and "AI empowerment". Finally， the future challenges of AI teaching assistant system research are prospected so as to provide theoretical references and ideas for the study of AI teaching assistant system in the intelligent era.

[Keywords] Artificial Intelligence; Teachers "Defects"; AI Teaching Assistant System; Human Structure; Large-scale Personalized Education