人工智能的課堂教學(xué)行為分析方法及其應(yīng)用

　　摘要：隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展及課堂教學(xué)環(huán)境的改變，使課堂教學(xué)行為的深度分析成為可能。該文在對(duì)人工智能技術(shù)的教育應(yīng)用現(xiàn)狀及課堂教學(xué)行為分析方法的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以“數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)”“行為建模與計(jì)算”和“智能服務(wù)”三個(gè)功能模塊為核心的課堂教學(xué)行為智能分析模型，并以課堂S-T行為分析為例驗(yàn)證該分析模型的有效性。將實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，得到了教師們的認(rèn)可，實(shí)驗(yàn)成果能為教師的教學(xué)反思、教師的專業(yè)發(fā)展及教學(xué)管理提供支持。根據(jù)教師在應(yīng)用過(guò)程中所反饋的意見(jiàn)，還提出了具有針對(duì)性的行為識(shí)別模型優(yōu)化策略。研究成果能為基于人工智能技術(shù)的課堂教學(xué)行為分析研究提供一些借鑒，也能為課堂教學(xué)行為的改善、教師的專業(yè)發(fā)展以及教學(xué)質(zhì)量的提升提供一定的支持。

　　關(guān)鍵詞：人工智能;課堂教學(xué)行為;智能分析

　　《智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)》已于2006年3月正式出刊,雙月刊。是由中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)和哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合主辦，是中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)會(huì)刊之一。

　　一、引言

　　人工智能(Artificial Intelligence)是研究、開(kāi)發(fā)用于模擬和延伸人類(lèi)智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)[1]。當(dāng)前，人工智能技術(shù)已滲入人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，社會(huì)對(duì)人才的需求正在發(fā)生改變，教育的變革也相應(yīng)引發(fā)。美國(guó)《國(guó)家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃》中提到要利用人工智能技術(shù)改進(jìn)教育機(jī)會(huì)，實(shí)施個(gè)性化學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)等[2]。我國(guó)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出要發(fā)展“智能教育”，推動(dòng)人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改革[3]。《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》提出要推進(jìn)智能教育，開(kāi)展以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)，推動(dòng)人工智能在教學(xué)、管理等方面的全流程應(yīng)用等[4]。

　　隨著智能教學(xué)環(huán)境的建設(shè)和普及，與之相適應(yīng)的教育教學(xué)模式及課堂教學(xué)行為分析等研究，成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。進(jìn)行課堂教學(xué)行為分析，探究課堂教學(xué)活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制，幫助教師反思獲得實(shí)踐性知識(shí)，有利于促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量的提升。然而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)行為分析方法，多是通過(guò)自我報(bào)告法、人工觀察手動(dòng)編碼等方法采集和分析數(shù)據(jù)，存在著編碼主觀性強(qiáng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所獲得樣本量小等缺點(diǎn)，不利于發(fā)現(xiàn)普遍的教學(xué)規(guī)律。智能教學(xué)環(huán)境的日益普及為這些問(wèn)題的解決帶來(lái)了契機(jī)。利用智能技術(shù)自動(dòng)采集和編碼教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)，能更為全面且及時(shí)地識(shí)別課堂教學(xué)行為，自動(dòng)化地對(duì)課堂教學(xué)行為進(jìn)行分析和可視化呈現(xiàn)，洞悉課堂教學(xué)情境，為教師的專業(yè)發(fā)展和教學(xué)質(zhì)量的提升提供了有力支持。

　　本文結(jié)合人工智能的特點(diǎn)及課堂教學(xué)行為分析的相關(guān)理論，提出了課堂教學(xué)行為智能分析模型。通過(guò)實(shí)例應(yīng)用進(jìn)行分析和研究，以期為當(dāng)前課堂教學(xué)行為分析研究提供借鑒和參考。

　　二、相關(guān)研究

　　(一)人工智能的教育應(yīng)用研究

　　當(dāng)前，人工智能與教育的融合、發(fā)展研究產(chǎn)生了較多的成果，在應(yīng)用研究方面大致可分為以下四種類(lèi)型：

　　1.智能在線學(xué)習(xí)平臺(tái)

　　隨著在線學(xué)習(xí)，特別是MOOC及智能教學(xué)平臺(tái)的快速發(fā)展，在線學(xué)習(xí)平臺(tái)記錄下學(xué)習(xí)者所產(chǎn)生的大量的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些面向教學(xué)系統(tǒng)和學(xué)習(xí)過(guò)程的海量數(shù)據(jù)是進(jìn)行學(xué)習(xí)分析的數(shù)據(jù)來(lái)源。基于教育大數(shù)據(jù)利用人T智能技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，實(shí)時(shí)洞悉學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)施精準(zhǔn)教學(xué)，以適應(yīng)學(xué)習(xí)者各異的學(xué)習(xí)特征，促進(jìn)其個(gè)性化發(fā)展。

　　大量的研究聚焦于學(xué)習(xí)者的在線學(xué)習(xí)心理、行為分析及學(xué)習(xí)績(jī)效預(yù)測(cè)等。如：學(xué)者M(jìn)acfadyen基于在線學(xué)習(xí)平臺(tái)所記錄的學(xué)習(xí)者行為數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)績(jī)效進(jìn)行了預(yù)測(cè)[5]。李爽基于在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了學(xué)習(xí)投入評(píng)測(cè)模型，并進(jìn)一步分析了在線學(xué)習(xí)投入與學(xué)習(xí)績(jī)效之間的關(guān)系等[6]。

　　2.智能教育助理

　　該領(lǐng)域的研究主要包括智能教學(xué)系統(tǒng)、教育機(jī)器人、學(xué)習(xí)同伴等。智能教學(xué)系統(tǒng)(ITS)，是指一個(gè)能夠模擬人類(lèi)教師來(lái)幫助、輔導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)的智能系統(tǒng)[7]。其核心組件包括領(lǐng)域知識(shí)模型、學(xué)習(xí)者模型、教學(xué)法模型和人機(jī)接口模型型[8]。學(xué)者Hilles等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了智能教學(xué)系統(tǒng)MDB以支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)并取得了較好效果[9]。

　　孫波等基于在線學(xué)習(xí)者的面部表情利用智能技術(shù)對(duì)其情感進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，再通過(guò)虛擬教師的情感表達(dá)與學(xué)習(xí)者進(jìn)行互動(dòng)，以實(shí)施學(xué)習(xí)干預(yù)[10]。智能機(jī)器人作為STEM教具能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力和實(shí)踐操作能力[11]。綦春霞等利用智慧學(xué)伴，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科能力進(jìn)行測(cè)評(píng)、診斷并實(shí)施精準(zhǔn)干預(yù)，以推進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)科能力的持續(xù)進(jìn)階[12]。

　　3.智慧教室

　　智慧教室(Smart Classrooms)是在先進(jìn)信息技術(shù)支持下構(gòu)建的個(gè)性化、數(shù)字化、智能化的新型學(xué)習(xí)環(huán)境[13]，具有主動(dòng)感知教學(xué)情境、自動(dòng)采集分析數(shù)據(jù)、適配性推送學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)工具多樣化等特征。智慧教室為教師的教學(xué)決策和學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)提供了多元化的、多維度的數(shù)據(jù)支持，是學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)和能力發(fā)展的智能化空間。學(xué)者Angeli等在課堂中利用數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)不同認(rèn)知風(fēng)格的學(xué)習(xí)者的問(wèn)題解決過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析，該方法可為課堂教學(xué)的研究和教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供支持[14]。

　　學(xué)者Holstein等給K12任課教師佩戴混合現(xiàn)實(shí)的智能眼鏡，以增強(qiáng)教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、元認(rèn)知及行為的感知，便于教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并提供針對(duì)性指導(dǎo)[15]。國(guó)內(nèi)學(xué)者張俍等基于心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科理論設(shè)計(jì)了融合多模態(tài)數(shù)據(jù)的“智能課堂”，以此為科學(xué)的教學(xué)評(píng)價(jià)提供實(shí)證基礎(chǔ)，從而能提升教師的課堂表現(xiàn)，推動(dòng)教師教育的變革[16]。陳靚影等基于多模態(tài)自然感知技術(shù)，探究課堂上學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的智能化分析方法，該方法能真實(shí)反映學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣狀態(tài)，為教師改進(jìn)教學(xué)方法、提高教學(xué)效果提供了可靠依據(jù)及手段[17]。

　　4.智能校園

　　智能校園是以網(wǎng)絡(luò)化信息流轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，以人工智能技術(shù)為手段，以集成化教學(xué)資源及應(yīng)用為依托，實(shí)現(xiàn)了校園中師生教學(xué)、管理決策的智能化和科學(xué)化[18]。美國(guó)布拉德利大學(xué)的Uskov教授對(duì)智慧大學(xué)的概念模型進(jìn)行了系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，他認(rèn)為智慧大學(xué)是由具有一定智能水平的智慧教室、智慧學(xué)院、智慧課程、智慧教學(xué)、智慧技術(shù)和其他特殊組件構(gòu)成的一個(gè)智慧系統(tǒng)，并以布拉德利大學(xué)為例介紹了智慧大學(xué)的建設(shè)情況[19]。同時(shí)，Uskov教授還設(shè)計(jì)了智能學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)，以提升智慧大學(xué)的智能水平[20]。