基于“人工智能+”的四維情感生成智慧教學模型構建

（淮北師范大學信息學院，淮北 235000）

人工智能（Artificial Intelligence）這一概念在1956達特矛斯 (Dartmouth Conference)會議上由JohnMcCarthy等人提出，認為人工智能就是通過計算機程序使機器實現類人智能行為，達特矛斯會議后人們開始關注人工智能的相關研究，之后的60多年發展中，人工智能經歷了“以基于規則的專家系統”為焦點的第一次熱潮和以 “機器學習”為特征的第二次熱潮后，開始迎接并擁抱“以解釋性和通用人工智能”為技術特征的第三次熱潮。

人工智能廣泛應用于社會的各行各業并產生了深遠的影響，國家對人工智能的發展也給與了相應的政策支持。2015年7月，國務院正式發布《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》[1]，將“互聯網+人工智能”列為推進“互聯網+”11項重點行動之一；2017年7月20日，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》[2]，指出作為引領未來的戰略性技術，人工智能已成為國際競爭的新焦點。除此之外，2016年3月，國家“十三五”規劃綱要將“人工智能”一詞寫入綱要之中，2016年5月，《“互聯網+”人工智能3年行動實施方案》[3]為人工智能技術充分發揮其創新的引領作用，為各行業領域依托“互聯網+”創業創新提供支撐，為經濟發展培育新動能，制定了總體思路與實施目標。2017年10月18日習主席在十九大的開幕會時講到要“加快建設制造強國，加快發展先進制造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合”，至此人工智能正式上升到國家戰略發展層面。2019年習主席向國際人工智能與教育大會致賀信中指出：“培養大批具有創新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命[4]”。“人工智能+教育”作為培養創新型人才、實現教育強國的主要陣地，受到越來越多人的關注。人工智能中智能教學系統、智能文字及語音識別、自然語言理解、虛擬現實技術和大數據的應用革新教育的內容、教學和學習方式及人才培養方向，深化人才培養模式改革，培養學生創新精神和實踐能力。

一、人工智能與智慧教育

為理解人工智能與智慧教育的關系，我們必須先厘清智能與智慧的概念。智能一般是指“人將某些能力具化于設備或系統，使硬件或軟件具有模擬人行為的能力[5]”；智慧則是“利用知識經驗作出好的、善的決策和判斷的能力”。祝智庭教授[6]在實踐指向的智慧教育中將智慧看成是“辦好事”的能力即人的能力，將智能看做“事好辦”的能力即工具的能力，由此也可以看出智慧高于智能，智慧創造智能。錢學森的“大成智慧學”認為智慧是由代表“量智”的邏輯思維和代表“性智”的形象思維組成，其特點是在信息流空間內構建新型思維方式和思維體系。人工智能技術的不斷發展，使智能由代表“量智”的計算智能、感知智能逐步向代表“性智”的認知智能發展。蘋果助手、微軟小智以及2018年5月8日谷歌推出AI助手Google Assistant的應用使人工智能由簡單對話到關注用戶的情感和認知需求。人工智能中智能語音交互、自然語言理解、機器翻譯、深度學習與圖像識別、虛擬現實技術、知識圖譜自動構建技術的應用改變了人與工具的關系，由人類適應工具逐步的向工具適應人類轉變。

二、四維情感生成智慧教學模式研究緣起和焦點

1、四維情感生成智慧教學模式建構的必要性分析

互聯網及人工智能的發展和應用將教學由傳統的、遲鈍的層級結構向靈活的網狀結構進行轉變，在人工智能背景下學習者獲取知識的渠道和途徑增多，對知識不再局限于簡單獲取，而是更加關注知識的定向、審慎思維、全局理解和綜合應用，在這種情況下個性化知識圖譜、團隊協作、情感交流、倫理道德的辨識就顯得特別重要。四維情感生成智慧教育模式依托于人工智能技術的應用，更加關注開放環境下學習者的自我理解、自我認知、情感交流、倫理辨識，在廣闊的知識海洋中構建自己的知識體系和對知識的全局理解，真正的做到給學習者更多可能性的思維方式訓練，發展學習者的高階思維和個性創造，最終構建對知識的全局框架，使各個學科各個知識點之間建立有意義鏈接，形成有溫度的知識共享結構。面對教育的新需求及理論滯后于人工智能技術發展的現狀，構建符合人工智能技術發展的新型智慧教學模式刻不容緩。

2、四維情感生成智慧教學模式建構的可行性分析

智能教學系統、智能識別、自然語言理解、虛擬現實技術及大數據的應用對教學的各個階段（教學前-教學中-教學后）、教學系統的各個要素（學習者、教師、教學內容、教學環境）都產生了巨大的影響。學習分析技術能夠統計分析以往教學過程中產生的動態生成數據，在教學前對學習者進行精準學情診斷、優化推薦學習路徑；對學習資源的精準推送，有利于推進教師因材施教、學習者個性學習和深度學習的發生；教學后語義分析及語音識別技術的應用能夠實現作業自動批改、疑難在線答疑，針對學習者自主性、探究性學習提供輔助。人工智能技術的應用將教師從繁重且復雜的課業任務中解放出來，有更多的時間關注學習者的心理和思維層面，教師的角色則由教學主導者向教學輔助者、情感陪伴者、教學設計師等多重角色進行轉變，在時間自主、合理分配下通過知識“教-學-研-創”應用模式提高教師的教育教學、輔助輔導能力，促使教師專業化、精細化發展。智能教學系統、虛擬現實技術支持的沉浸式學習等能夠創設更加自然、逼真的教學環境，使學習者的學習方式由學科導向的系統學習向個人導向的系統學習進行轉變，實現學習智能化、泛在化、個性化和混合化，有利于學習者的知識生發和建構；大數據的管理和挖掘能夠為學習者智能推薦符合教學目標和學習者認知方式、認知規律的學習內容，將學習內容知識表征方式以最符合學習者的知識建構的形式進行推送、減少學習過程的認知負荷，提高學習績效。國內VIPKIND、51TALK及科大訊飛智能語音系統的應用是人工智能在教育中應用的成功案例，為四維情感生成智慧教學模式研究可行性提供佐證。

三、四維情感生成智慧教學模式框架體系的構建

1、理論基礎

（1）交互層次理論

人工智能在智慧教育中的應用，使得教學各要素之間的關系發生了根本性的轉變，教學交互層次理論[7]從教學交互的視角提出教學過程中交互由操作交互、信息交互和概念交互三種組成。三個層次相互支持、互為影響，最終實現真正的有意義學習。

（2）人本主義理論

人本主義認為學習即 “內容理解”、“知識形成”和“潛能發揮”[8]的人本主義學習理論重視學習者內心世界的變化，關注學習過程中認知、情感、信念、動機及潛在智能的研究，主張有意義的過程學習。需要層次理論認為人自身潛能確定人的基本需要，自我實現的過程即關注學生內心體驗和內在動力，發揮學生的想象力、創造性并最終形成個性化的過程。關注學習者的興趣、動機及情感的發展與需求并最終達到自我實現這一目的與人工智能參與的智慧型教學模式的目標不謀而合。

（3）關聯主義學習理論

關聯主義學習理論關注知識的流通和學習生態網絡的構建的關聯主義學習理論[9]，體現學習和分布式認知的理念，并以此揭示學習的社會機制。學習是將不同專業節點或信息源連接起來的過程；培養和保持不同領域、理念與概念之間的連接是促進持續學習的主要方式；知識的共享和流通是各種學習活動的最終目的；培養學習者持續學習的能力比當前知識的掌握更加重要[10]。關聯主義學習理論認為學習可能存在于非人的工具設施中這一觀點為人工智能在教育中的應用奠定了堅實的基礎。

（4）GROW認識成長理論

GROW模型又被稱為教練模型或認識成長模型，首先通過一系列啟發性的問題來引導受訓者自己找到真正想達到的目標。根據確定的目標搜索關聯信息，發現現有客觀現實，然后通過一系列情感激勵和啟發引導受訓者對現狀進行綜合分析，這有助于了解其現有境況、當前信念和局限性，以及現有資源和技能。有了目標和現狀分析，確定問題或機會，選擇一個有創造性契機的方案，可以激發和培養受訓者的創造力。設計行動是這一模型的核心能力，受訓者愿意做決定，承諾采取一系列明確具體行動步驟，幫助他們建立自尊、自信，提高自我管理能力。在人工智能條件下人工智能和教師作為教練，學習者作為被教練者或者受訓者，通過情感引導，學習者能夠提高自我認知、自我責任、完善情感，是一種自我發展和情感激勵的有效工具。

2、四維情感生成智慧型教學模式關注焦點

教育在智力集成時代正經歷三個階段：以AR為標志的教育技術化階段；以情感計算為標志的教育智能化階段；以人機交互即機器完全理解人類為標志的教育智慧化階段[11]。經過40多年的發展和努力，教育的技術化已經基本完成，我國教育正處于教育智能化階段。教育的智能化發展關注教育與人工智能的深度融合，借助人工智能技術精準計算學生的知識基礎、學科傾向、思維類型、情感偏好、能力潛質，根據習得規律配置教育教學內容，對學生進行個性化培養。人工智能背景下四維情感生成智慧教學模式依托教育技術化，關注教育智能化發展，充分結合人工智能技術和有溫度的教師教育，關注學習者的德行和情感等人性特有的東西并發展其個性、能力、和思維拓展，讓學生者在學習的過程中感受愛與被愛的能力并通過人工智能技術重新結構和理解我們的社會規范、倫理道德和情感關系。基于此本研究提出了智慧教學模式的四維空間結構，以關注參與者對機器的微觀認知和心理及情感發展。

圖1 四維情感生成智慧教學模式的四維空間結構

四維空間結構由物理空間、信息空間、心理空間和價值空間共同組成：學習者現實所處環境、所及設備共同構成物理空間，物理空間為四維情感生成智慧教學模式提供物理環境支持；信息資源空間、信息交互空間、信息網絡空間及信息處理工具集庫共同構成信息空間，信息空間為四維情感生成智慧教學模式提供數字化環境支撐；學習者的認知、在認知過程中產生的體驗感、歸屬感、效能感以及人工智能技術推動下對社會規范的解構、認識、理解和重塑是心理空間主要關注的焦點，以學習者在群體中獲得安全感和落實感為目的，構建與智力發展相匹配的心理發展結構，為本模式提供人性功能支撐；價值空間為學習者的個人價值、學校價值、交往價值、社會價值和倫理價值共同構成，價值空間的形成與完善為本模式提供驅動支撐。四種空間以物理及虛擬形式共存并相互影響，為學習者混合學習、互動學習、協作學習、泛在學習、群體互動生成性學習等多種學習方式提供信息、工具及資源網絡的支撐，豐富并完善學生認知模型、教學資源表征模型、教學策略模型、教學設計自動化模型等各種智能化教學體系。四維情感生成智慧教學模式為學習者提供適合、精準、便攜、情感體驗與人性化的優質服務，為學習者提供更多可能性的思維方式的訓練，對知識建立全局性理解提供物理及信息場所，為培養有健全人格、寬厚基礎、創新思維、全球視野和社會責任感的新一代人才提供人性支撐及價值驅動。

人工智能技術結合多元交互、信息關聯、認知建構，為學習者搭建人工智能背景下智慧教學模式媒體及環境支撐；多元環境內資源空間各信息節點的聚合，為學習者自主學習和協作學習構建學習生態環境，促使四維情感生成智慧教學模式功能由知識共享向知識共創轉變；G-R-O-W成長模型作為自我認知、自我發展、情感激勵和知識生成的依據，結合數據分析、虛擬現實技術，在尊重學習者個性化學習路徑選擇和情感表達的基礎上，推送符合學習者知識圖式和認知發展的學習資源，在交流和協作的基礎上自主構建知識體系，促進學習者的主體性發揮、創新性培養和高階思維的發展，最終達到學習者的自我實現。四維情感生成智慧教學模式堅持以學習者為中心的基本原則，以多元融合、交流體驗、創新創造和情感發展為基礎，體現模式以情感發展為基礎的人本之悅，以創造參與為基礎的體驗之悅，以內容構造為基礎的學習之悅，以未來創新為基礎的智慧之悅。

3、四維情感生成智慧教學模式框架體系的構建

教學模式是指在一定教學思想、教學理論和學習理論指導下建立起來的各教學要素之間穩定的教學活動結構框架和可操作性的教學活動進程，是對理論和實踐之間教學規律和活動程序的總結與概況[12]。教學模式具有有序性、穩定性、靈活性、發展性和系統性等特點。目前“人工智能+”的思維方式逐漸融入教育領域，智能語音交互、機器翻譯與自然語言理解、圖像識別與深度學習、虛擬現實、知識圖譜自動構建等人工智能技術手段在教學過程中的應用使得原有教學模式不再完全適用，“人工智能+”下四維情感生成智慧教學模式在尊重教學規律的基礎上采用系統方法，將人工智能技術融入傳統教學模式之中，對教學的各個環節進行設計與組織，在開放、互助和自我發展的物理和信息空間內培養學習者的創新精神、創造能力和自我成長潛力、促進其心理空間和社會空間的發展和完善。

人工智能支持下的四維情感生成智慧教學模型在肯定學習者共性的基礎上注重發展個性、在肯定人工智能教學系統在學習路徑構建、內容推送、情感識別先進性的基礎上注重教師與學生的創造性和情感的體驗性、在促進知識生成與內化的同時完善學習者知識架構、豐富學習者的心理和社會價值空間。本模式依據人性化教學與學習者為中心的原則，采用人工智能技術為內核、教師與學生人性互動為外衣的混合教學及學習方式，在優化教師教學模型、豐富學習者經驗自組織模型、數據優化資源參照模型和情感認知模型的基礎上實現教師與學生的情感、認知與行為的交互，在學習者自主認識和教師引導下不斷進行目標-現實-選擇-意愿循環從而對知識進行自主建構，最終實現對某一模塊知識的全局性認識。

圖2 四維情感生成智慧教學模型總體架構

本模式將教學分為課前、課中和課后三個階段。課前人工智能教學系統協助教師獲取教學信息、學生現有的知識水平和學習特征，依據學習者特征與課堂教學目標進行資源制作和課程準備，充分利用人工智能大容量信息存儲與檢索、挖掘分析和呈現教學過程中的信息能力，分擔教師的記憶及認知壓力，使教師有更多的時間投入到對教學活動設計、抽象知識形象化、學習者心理空間、價值空間和情感認知空間等更具有創意和挑戰的工作中去；課堂教學過程中會產生大量的富有價值的過程性數據，人工智能教學系統基于課堂教學系統存儲的大數據，采用諸如遺傳算法、統計分析方法、決策樹算法等數據挖掘方法，挖掘出學習過程中潛在的穩定的規律，為學習者提供個性化的學習路徑和精準的教學內容推送，以完善具有動態生成性的教學模型和學生學習模型。課堂教學中人工智能教學系統利用情感識別和情感計算技術獲取學習者的心理及情感狀態，教師利用獲得數據發現并消除學習者的學習障礙，引導積極正向的情感發展方向和心理行為選擇，豐富和完善情感認知建構模型和資源參照模型；課后人工智能教學系統能夠針對學習者制定個性化的作業練習，依據規則和模型對作業進行批改，教師依據學習結果對學習服務進行進一步的設計與開發，為學習者知識全局觀的建立進行多維度的綜合服務。在情感方面教師要繼續維持學習者的積極正確的情感態度，思考技術對社會規范的和倫理道德方面的挑戰，使學習者建立辯證看問題的研究和學習方法，最終形成正確的內部情感世界和外部社會網絡（圖3）。

課前、課中和課后三個階段人工智能教學系統與教師相互配合，各自發揮所長，依據學習者為中心和目標生成原則，在物理空間、信息空間、心理空間和價值空間的依托下，采用多元融合、交流體驗、創新創造的溝通交流方式，不斷優化教師教學模型、學生學習模型、情感認知構建模型和資源參照模型，讓教師在新環境和新模式末教有所樂，學生學有所長，情有所依。

圖3 四維情感生成智慧教學模型運用過程

4、實施保障

人工智能與學科教學深度融合創生人工智能教學系統[13]，人工智能教學系統是本模式實施的基礎和保障。人工智能教學系統同教師和學生進行協同合作和知識創新，人工智能負責細節知覺、信息檢索、長時記憶和推送功能，教師充分發揮其情感和創意方面的優勢，使教師成為課程的創新者，學生成為自主學習者，人工智能教學系統成為介導者，三者之間多維交互，持續改進師生教與學。

四、后續關注

當前我國人工智能教育發展的目標是構建平等、開放、適合且靈活的教育生態系統，我們在迎接和擁抱人工智能教育時代同時需要更加關注人工智能在教育應用中的“新區”、“誤區”、“盲區”與“禁區”[14]，關注人工智能對教育教學效果提升的顯性影響的同時，更加關注人工智能對教育的隱性影響，比如人工智能在教育應用中涉及的倫理問題[15][16]，如何保證教育大數據的安全問題和學習者個人隱私保護問題，防范人工智能教育應用的倫理風險，使人工智能教育應用真正做到以人為本、“科技向善”。