智能課堂助手：人工智能背景下的教學工具

劉艷艷 黃雙根 黃福裕

摘 要：智能課堂助手是人工智能發(fā)展的產物，其采用自然語言處理、情感分析技術與學生自然交互，實現趣味性學習、個性化教學。從大學課堂情境、學具、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生自然語言交互的課堂教學架構，并實現課堂教學具體應用。研究發(fā)現，智能課堂助手對學生的課堂參與度有積極影響，智能課堂助手正向影響學生課堂情感狀態(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（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G436文獻標識碼：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

課堂是學習者與教育者知識獲取、知識交互、知識轉化的正式學習環(huán)境。在該環(huán)境下，教學是以學生為中心的自主化、個性化過程[1]。近年來以學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)教學模式中的“教”，強調知識內化的“學”，重視學生學習的主體地位[2]。該教育理念強調把學生置于學習活動中心， 充分激發(fā)學生自主學習動力，改變教師的角色和職能，使教師從“教知識”轉向“教學法”，引導學生學會自主學習。研究表明，目前以教材、教師、學生三者為中心的課堂教學模式仍占主流，教師多采用PPT放映和板書結合[3]，課堂氣氛沉悶，課堂設計未考慮學生適應力，造成反應率低、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的個性化、精準化、自適應性、普適性等，都以人工智能為核心技術[5]。《2018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)展的關鍵技術：人工智能將進一步深入理解學習者特征、學習者思維模式，從而提升在線學習和自適應學習系統(tǒng)性能[6]。隨著人工智能在教育領域的發(fā)展，智慧課堂、智慧學習環(huán)境等概念逐漸引入教育領域，智慧課堂引入信息化技術，實現人機交互和信息多樣化功能，滿足現代學生群體轉變學習方式的要求。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之間的交互，忽視了學生情感交流，學習者整體完成率仍然很低。因此，對于學習者與技術的擬人化交互以及學習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)設個性化、情感化、信息化學習環(huán)境，增強課堂交互性，以達到提高課堂教學價值之目的。

1 智能課堂助手

1.1 概述

最早的聊天機器Eliza起源于麻省理工學院[7]，它扮演一個心理學者角色，目的是使文字談話變得更生動。在人工智能發(fā)展的今天，智能對話技術在教育領域的應用廣受關注。人工智能在非教育領域，為人們提供咨詢、事務處理、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。而在教育領域，應用范圍涉及教師、學生、課程、學校等方面輔助和支持功能，包括學生與教師有效和諧溝通、問題咨詢、答題解惑、輔導語言學習、模擬教師以及輔助教學工作等功能，如表1所示。已有研究表明，智能課堂助手支持個性化輔導、問答式交互、情感交流等功能，營造自主學習、互動學習環(huán)境，提供學習資源、練習模擬、情緒調節(jié)、課程知識輔導等服務[8]。Maderer[9]針對在線課程創(chuàng)建智能學習助手Waston Jill，用來回答學生重復提問，實現高效互動。

1.2 智能課堂構建

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

2 智能課堂助手的教育價值

2.1 情境：擬人化課堂學習情境

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)。教師與學生相互傳遞信息并生成知識代碼，引入適當的非語言符號可以提升整個課堂的教學效率。神經科學、認知科學、心理學和教育學研究表明，情感狀態(tài)在一定程度上會影響學生的學習效率和態(tài)度[11]。David Griol等[12]提出并構建多模式機器人教育應用Gera，涉及面部表情、手勢等資源，研究表明學生學習興趣和學習動機由小增大。如圖1所示，當語音與文本響應提供反饋和表達時，智能課堂助手響應的是“聽”的狀態(tài)。如果用戶給出積極反饋，助手則回應“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、心理學、教育技術等學科方法對新一代人機交互、可視化教學、智能教學進行新的探索，模擬人類自然交流并生成與學生交互的編碼，形成人機交互“最人類”的教學情境與學習環(huán)境。

2.2 教具：基于問題教學法的課堂

基于問題教學法的課堂教學存在很多障礙與缺失，如教師主動提問和學生被動回答的機械式提問[13]。現代信息技術促使高校大量使用各方面的問答系統(tǒng)支持問題教學法在課堂教學中應用，如麻省理工大學利用Smart回答有關地理、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]提供英語對話練習的模擬語境。對問題教學的現代技術應用調查發(fā)現，融合情感分析、自然語言處理技術的問答系統(tǒng)較少。融合自然語言和情感分析的技術應用能夠彌補傳統(tǒng)課堂問題教學的不足，為學生創(chuàng)設虛擬交流環(huán)境，與作為教師及學習伙伴的智能課堂助手進行雙向交互，實現問中學和學中問。

2.3 學具：智能課堂助手構建參與式互動課堂

智能課堂助手可以扮演虛擬教師和學習同伴兩個角色。作為學習同伴，學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學生提出相關問題，兩者雙向交互。詹澤慧等[18]從遠程學習支持服務角度分析了虛擬助理在資源推送、教學互動、情緒調節(jié)和生活輔助4個方面的服務;Dagnon[19]認為，智能助手和在線教育的結合將有效提高學習的趣味性、參與度、可訪問性、個性化以及可擴展性，既實現課堂雙向交互，又實現課堂每一位學生都參與互動，同時解決了教師一對多提問的困境，彌補了傳統(tǒng)大學課堂學生參與度的不足。

2.4 資源：基于智能課堂助手的資源整合課堂

隨著互聯網、大數據、人工智能在教育領域的應用，數字化資源在課堂教學中大量應用，技術與知識整合的教學資源是學習者獲得海量、個性、精準資源的有效途徑，為學生創(chuàng)設了情境化、個性化、智能化的學習環(huán)境。情境化、個性化、有針對性的教學資源可以激發(fā)學生的參與熱情，促進對學習內容的深層次認知[16]。如圖2所示，智能課堂助手在技術支撐的基礎上結合知識庫生成答案，并將信息以富媒體形式返回給學習者。在交互過程中，根據上下文語境，結合情感計算、深度學習，分析學習者個體差異和需求。智能課堂助手向學生提供技術、知識庫、富媒體、學習分析4個方面的資源支持。

3 研究設計與成效

3.1 研究設計

3.1.1 框架構建

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移動學習與智慧教學。如圖3所示，智能虛擬課堂助手響應用戶請求，并將用戶請求傳輸到控制系統(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內容的有效傳遞，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》課程進行應用實踐。課程持續(xù)5周，共有5個班參與課堂助手學習，每班進行5次教學實踐。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秒記錄一次學生的課堂表現。

3.1.3 教學干預過程

如圖4所示，智能助手與學生以多種形式對話，互動實體包括學生—學生，學生—智能課堂助手。互動屬性包括文字、語音、鏈接、圖片、表情等。由于社交軟件的普及，學生基本以表情、語音切入話題，互動氛圍熱烈。互動內容覆蓋區(qū)域較廣，概念、類型、時間及典故問答頻次最高。

3.2 干預成效

3.2.1 基礎數據分析

基礎數據指學生訪問時間、訪問人數、訪問次數等數據，訪問次數指學生的問答次數以及與智能課堂助手的互動次數。除課前幾分鐘外，訪問次數處于100～290之間，最高達到298次，200以上次數較多，而訪問人數基本為24人。

從圖5可知，學生的學習行為基本在課程的開始，利用課前時間預習及復習知識。從數據看，學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生課堂參與度有積極影響，能夠提高學習的積極性與參與度。

3.2.2 情感分析

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

3.2.3 教學干預分析

為了解智能課堂助手對學生表現和行為干預的實時性和精確性，選擇高校課堂互動分析編碼CIAS并結合學科學習特點對課堂情況進行分析，A組為傳統(tǒng)課堂教學，B組為智能課堂助手干預教學。在多次實驗并對數據有效性診斷基礎上研究智能課堂助手對學習者學習行為產生的影響，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。從數據可以看出，學生A的課堂學習狀態(tài)屬于正向。A組的低頭、說話、睡覺增長頻率均高于B組，可知干預后學生的課堂不良行為降低了。課堂上的不良行為影響學生的知識掌握度及表現水平，改善學習者的課堂不良行為對學習效果具有重要意義。從主動與被動頻率看， B組均為負數，而A組大于B組，可知B組的學習積極性由低向高轉變。相反，A組由高向低轉變，達到了較好的教學成效。說明干預后學生對節(jié)日類型、時間、典故以及相關概念均有不同程度的掌握，特別是課堂上的表現，與干預前有明顯差異。因此，智能課堂助手可以影響學生的學習行為與表現，有利于提高教學效果，克服學生的不良行為。

4 結語

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教育的工具。智能課堂助手是人工智能應用在教育領域的智慧教學工具，可實現移動學習與教學。對教育者來說，可以作為教具創(chuàng)設情境，增加情感體驗，輔助教學，提高教學效率;對學習者來說，智能課堂助手既符合時代潮流，又結合了學生使用社交軟件特點，使學習具有趣味性和便捷性，提高了學生互動參與度和主動性;對于課堂而言，作為教學資源支持工具整合了資源。當然，高效的課堂并不僅僅取決于技術應用，還取決于學習者群體對技術本身的適應性。因此，今后將從以下兩個方面進行研究：①在應用方面，針對學生接受度及學習效果進行實踐，利用課堂助手分析學生學習特征、學生個體差異及學習情境等對教學效果的影響;②在開發(fā)方面，對話界面要向大眾化方向發(fā)展，程序應適應用戶APP使用習慣。

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（責任編輯：杜能鋼）