人工智能整合教學研究的熱點、主題與趨勢分析*——基于圖譜分析和技術整合的視角

崔向平 趙 龍 盧彩晨 靳建設 李 莉

人工智能整合教學研究的熱點、主題與趨勢分析*——基于圖譜分析和技術整合的視角

崔向平1趙 龍1盧彩晨2靳建設3李 莉3

（1．蘭州大學 高等教育研究院，甘肅蘭州 730000；2．中國教育科學研究院，北京 100000；3．甘肅省教育科學研究院，甘肅蘭州 730000）

目前，人工智能整合教學已成為實現深度學習、培養學生高階思維的重要途徑。基于此，文章以CNKI學術期刊全文數據庫在1985～2021年收錄的1820篇關于人工智能整合教學研究的CSSCI與核心期刊文獻為數據源，首先從圖譜分析視角，結合關鍵詞共現和主題詞聚類，分析了我國人工智能整合教學的研究熱點，即智能技術催生教學新形態、智能技術開啟教育新階段，并劃分出關鍵技術、理論基礎、融合形態、應用素養四類主題。隨后，文章從技術整合視角，基于SAMR模型，提出人工智能整合教學研究的應用趨勢表現為技術平移應用、功能融合應用和主體創新應用。最后，文章梳理了研究結論，并針對現有問題進行說明及建議，以期為我國人工智能整合教學的理論與實踐研究提供一定的數據和理論支持，為該領域的未來研究方向提供新的思路。

人工智能；智慧教學；智能技術；技術整合模型

新一代信息技術縱深發展引發的社會變革給教育教學領域帶來了深遠的影響，尤其是人工智能在教育教學領域的廣泛應用，促使研究者開始意識到其對教學理念、教學方法以及教學環境的沖擊是不容忽視的，由此引發了研究者對人工智能整合教學的討論。人工智能整合教學是指通過人工智能、大數據、云計算等技術進行教學系統優化，從而使教學各要素在功能效果上相互適應、相互彌補、相互合作、相互促進。國外人工智能整合教學的研究起步較早，在理論與實踐研究方面產生了較多的成果。郭炯等[1]對國外人工智能教學應用研究進行了綜述，指出國外研究者在探索認知特征、學習本質和教育規律的基礎上，關注將人工智能技術嵌入各類教學平臺、學習、決策等工具、系統、平臺中，為構建體驗學習情境、規范學習行為、評估學業水平和能力結構、制定個性化學習路徑和內容等研究提供了支持。反觀我國人工智能整合教學的研究，雖然起步晚，但也形成了一定的學術共同體和研究成果。尤其在近幾年更是呈指數級倍增的態勢，也出現了廣泛、多元的研究現象，但其引發的話題討論比較分散。基于此，本研究將采用知識圖譜分析法，對我國人工智能整合教學研究的熱點、主題進行整理和分析，并歸納其在技術整合理論視角下的發展趨勢，以期為今后人工智能整合教學的理論和實踐研究提供方向指引，并為教學的轉型發展提供參考。

一 研究設計

1 數據來源與統計

我國人工智能整合教學研究的相關文獻最早可檢索于1985年，華東師范大學教授袁煥安介紹了以人工智能技術為核心的智能型計算機輔助系統（Intelligent Computer-Assioted Instruction，ICAI）的工作原理[2]。此后，不同領域的研究者從不同的角度圍繞人工智能技術整合教育教學進行了研究，并取得了豐富的研究成果。基于此，本研究以CNKI學術期刊全文數據庫為數據來源，以“人工智能教學”“AI教學”“智能化教學”“智慧教學”等為主題詞進行檢索，且選定“CSSCI”與“核心”期刊的文獻，發表時間為1985～2021年，共檢索到2016篇文獻，刪除會議邀請、征稿等與主題內容無關的文獻后，共得有效樣本文獻為1820篇。

2 分析工具與方法

知識圖譜利用圖形量化方法將抽象數據可視化，并結合共現、聚類等方式來反映一個學科領域的整體概況，具有科學性和直觀性，而這也是其在學科領域越來越受到研究者追捧的關鍵。因此，本研究采用CiteSpace 5.8.R3和Text Mining 5.9分析軟件，借助關鍵詞共現與主題詞聚類知識圖譜分析我國人工智能整合教學研究的熱點，并提煉當下時興的主題。另外，在檢索到的文獻中，不乏將人工智能技術與學科教育理念相結合，開發出智能教學工具并將其進行實踐的研究，為梳理其中的實踐經驗及成果，本研究從技術整合的理論視角，根據魯本·R·普恩特杜拉博士于2006年提出的技術與教學整合創新模型（Substitution, Augmentation, Modification, Redefinition, SAMR），歸納出我國人工智能整合教學研究的技術選擇和發展動態。

二 人工智能整合教學的研究熱點及主題

1 關鍵詞共現知識圖譜：人工智能整合教學研究熱點

本研究通過CiteSpace 5.8.R3對文獻進行共現網絡分析，以“Keywords”作為圖譜分析節點，設定時間跨度為1985～2021年，選擇時間切片為1年中較常出現的前50%的關鍵詞類別分析其發展特征，繪制了人工智能整合教學研究關鍵詞共現知識圖譜（如圖1所示），結果顯示：在關鍵詞共現網絡中共有616個節點，1437條連線，網絡整體密度為0.076。依據“圓越大說明關鍵詞出現頻率越高”的原則，可知“人工智能”出現的頻率最高，處于基礎且重要地位；其次是“機器人”“智慧教育”等。本研究整理了出現次數大于20且中心度大于0.2的關鍵詞（如表1所示），可以發現：詞頻較高的關鍵詞為人工智能、機器人、智慧教育、人機協同，中心度較高的關鍵詞為人工智能、機器人、智慧教育、人才培養，這印證了我國人工智能整合教學在應用實踐和技術驅動方面與機器人、大數據具有密不可分的關系，也反映出人工智能整合教學的研究熱點主要包括：智能技術催生教學新形態和智能技術開啟教育新階段。

圖1 關鍵詞共現知識圖譜

圖2 主題詞聚類知識圖譜

表1 人工智能整合教學研究出現次數大于20且中心度大于0.2的關鍵詞

2 主題詞聚類知識圖譜：人工智能整合教學研究主題

為聚焦當前人工智能整合教學研究的不同主題，本研究利用Text Mining 5.9（TM 5.9）軟件，通過對主題詞進行TF-IDF算法聚類分析[3]，繪制了主題詞聚類知識圖譜（如圖2所示），據此大致可以將我國人工智能整合教學研究主題分為4大類：人工智能整合教學的關鍵技術研究、人工智能整合教學的理論基礎研究、人工智能整合教學的融合形態研究、人工智能整合教學的應用素養研究。本研究從每個主題中選取熱度較高的6個關鍵詞，以揭示該主題的核心內容，得到人工智能整合教學研究主題及關鍵詞，如表2所示。

表2 人工智能整合教學研究主題及關鍵詞

（1）人工智能整合教學的關鍵技術研究

近年來，隨著人工智能在教與學中的深度應用，教學內容、教學過程、教學評價的呈現方式與特性發生了改變。另外，圍繞人工智能作為增強教學“效果器”的研究，促使研究者展開了在教學內容、教學過程、教學評價等方面的技術研發。其中，閆志明等[4]以“知識圖譜技術、擴展現實技術”為技術驅動面向教學內容的研究，打破了物理世界與虛擬世界的連接壁壘，實現了內容的可操作性，加強了專業知識與科研實踐之間的交互；鐘琦等[5]、高紅麗等[6]以“智能導學系統、智能教學系統”為技術集成面向教學過程的研究，即教師在學生層面對特定的主題領域和技能進行的教學實踐，深化了“以學生為中心”的教學理念，提升了學習者自主性學習的能力；宋宇等[7]以“學習分析技術”為技術監管面向教學評價的研究，在提高課堂教學有效性的同時，也強化了過程性評價、總結性評價、混合評價的決策支持服務。此外，結合心理學、教育學及腦科學等學科思維，凸顯人工智能時代下學習本質、教育價值與認知特征關聯的教育大數據、學情分析服務技術、自適應學習技術、5G技術等，促進了人工智能與學科教學的結合。

（2）人工智能整合教學的理論基礎研究

伴隨著智能時代的到來，以及人工智能話題的“炒作”和媒體報道的廣泛影響，機器人、智能機器人、智慧學伴、AI教師等代替教師職業的話題成為社會關注的焦點，也引發了我國研究者在智能時代諸多“威脅”面前對人工智能整合教學相關理論及內涵的審視，并主要明晰了人工智能整合教學的內在邏輯和學理依據，包括人工智能、人類教師的本質屬性及其關系。其中，劉磊等[8]從海德格爾的技術哲學觀層面，深入分析了人工智能嵌入教師教育系統的內在邏輯、優勢潛力及應然狀態。而在人類教師該以何種態度應對人工智能發展勢態的研究中，李棟[9]呼吁人工智能時代的教師要以學習意識、開放意識作為“行動思維”，以經驗整合、知識傳授與智慧創新作為“角色定位”，在成己成物、成事成人與自發自覺的“行動中”凸顯教師的內在尊嚴。另外，余勝泉[10]提出AI教師在未來可能承擔的十二個角色，既體現了人工智能在完成機械、重復的任務和在創新性交互、個性化體驗等方面的優勢，又反映了人類教師在感知和思維的整體性、社會性、情感性等方面的優勢，這為人機協同的發生機制提供了理論支撐。

（3）人工智能整合教學的融合形態研究

人工智能技術的日新月異和關鍵技術的不斷深化，為重塑智能時代教學形態打下了堅實基礎，同時也加快了從早期模仿式教學、計算機輔助教學轉向智慧教學的變更速度[11]，尤其是圍繞人工智能貫穿式、嵌入式、輔助式等混合教學形態的討論，將人工智能整合教學融合形態的研究推向新高潮。例如，柳晨晨等[12]提出的基于教育機器人的主體貫穿式教學模式，探尋了人工智能賦能教師可能發展的理想狀態和存在的教學課堂，為“人—機”雙師型課堂形態的研究奠定了基礎；顧小清等[13]根據人工智能大腦嵌入教育的理念，從理論層面分析了人工智能與教育教學融合的本質，并進行了數據驅動教學創新的形態設計，剖析了教育教學業務需求與人工智能功能的組合，由此產生了教育大數據驅動的教學模式。此外，對精準教學的“高效保真”[14]、個性化教學的“按需定制”[15]、沉浸式教學的“虛實共生”[16]等形態的探索，體現了人工智能對教學過程、方法、理念的貫穿、嵌入和輔助，也引發了技術支持下的教育教學從早期“機械主義”向“智能主義”過渡。

（4）人工智能整合教學的應用素養研究

在未來教育中，人工智能不會代替教師，但是使用人工智能的教師會代替不使用人工智能的教師[17]。伴隨著人工智能與教學融合形態的不斷演變，如何構建人工智能教育應用素養框架引起了研究者的重視，圍繞教師具備人工智能知識、人機協同思維、人工智能應用能力及倫理道德觀念的研究由此展開。在人工智能知識觀層面，整合技術的學科教學知識（Technological Pedagogical Content Knowledge，TPACK）模型成為研究者探索21世紀教師應具備知識與能力的框架基礎。例如，閆志明等[18]構建了整合學科內容知識、教學法知識和人工智能技術知識的人工智能技術的學科教學知識（AI Technological Pedagogical Content Knowledge，AI-TPACK）模型；在人工智能素養觀層面，數據素養[19]、數字素養[20]、智能素養[21]、數智素養[22]成為探討教師開展人機協同的基本素養；在人工智能倫理觀層面，任安波等[23]梳理的國外嵌入式倫理教學和模擬倫理實驗方法，為我國在人工智能教育應用倫理規則的制定、倫理規范體系的搭建以及人工智能倫理教育的開展等方面帶來了啟示，同時明確了教師和學生在運用人工智能進行教學與學習過程中所要具備的道德規范、安全意識和應用邊界，為探索教師人工智能應用素養的提升策略提供了新思路，同時也保障了人工智能時代機器賦能教學的和諧發展。

三 人工智能整合教學研究的應用趨勢

從橫向上對熱點和主題進行探析，有利于研究者了解人工智能整合教學研究的具體內容，但從全面把握人工智能整合教學研究應用的實際情況來看，還需從縱向上梳理人工智能在教學應用研究中的技術選擇和技術應用。對此，本研究從技術整合的理論視角出發，基于對人工智能整合教學研究在應用層面存在的技術整合教學層級分類，分析了其應用趨勢。

1 人工智能整合教學研究的應用層級分類

技術整合的概念最初由美國學者馬爾科·揚西蒂于1993年提出，聚焦于企業生產過程中技術的選取與應用[24]。如今，技術整合由關注企業生產中的技術選取與應用逐漸轉為指導教育過程、破解教育難題的路徑選擇，也因此形成了一些經典的技術整合理論模型，如SAMR、RAT、TIM、TAM、UTAUT、TPACK等[25]。

相較于其他模型，SAMR模型更能反映技術與教學整合發展的趨勢，其基于增強和轉化的整合關系，闡述了技術如何通過代替（Substitution）、提升（Augmentation）、修改（Modification）、重塑（Redefinition）四個步驟實現對教學功能及結構的轉變和強化[26]。在SAMR模型中，代替（S）表示技術可以作為直接的工具替代品，沒有引發功能上的變化；提升（A）表示技術仍然是一個直接的工具替代品，但在功能上有所改進，而在結構上沒有變化；修改（M）表示技術允許重大的任務重新設計，在結構上出現局部變化；重塑（R）表示技術允許重新定義以往任務或創造新任務，引發結構和功能產生本質性的變化。因此，本研究以“代替”“提升”“修改”“重塑”為關鍵節點，將人工智能整合教學研究應用中存在的關鍵技術及體現的功能效果，劃分為三類人工智能整合教學研究的應用層級，即技術平移應用（S）、功能融合應用（A和M）和主體創新應用（R），如圖3所示。

圖3 人工智能整合教學研究的應用層級劃分

2 人工智能整合教學研究的應用趨勢

上文已對人工智能整合教學研究的應用層級進行了分類，而這三個類別所折射出的整合屬性、整合應用和整合效果是不容忽視的，尤其是在人工智能整合教學的迭代過程中，其所折射出的意義及啟示是未來技術整合教學研究可持續發展的關鍵。

（1）人工智能整合教學的技術平移應用

技術的平移使教師從復雜、低效的工作中得以解脫，且可憑借智能技術的“代具彌補”性，實現對學習者學習活動的設計和實施、學習投入的追蹤和評估、學習過程的監控和干預等。在此技術平移應用的過程中，研究者較為關注機器學習算法、模式識別、智能導學系統、智能教學系統等智能技術載體如何代替教師完成重復性的指導與反饋任務，以及如何提升學生的學習體驗和學習感知。例如，紙筆考試智能網上評卷系統的設計與應用，可有效提升教師考試評卷工作的質量和效率[27]；基于網絡教育平臺的智能學習質量監控系統，在輔助教師對學生學習過程的跟蹤記錄、分析評價和預警反饋等方面有所幫助[28]；“AI+5G”視域下智適應學習平臺的設計，為學生提供了強大的學習支持服務，并在提高學生的學習體驗方面有一定的作用[29]。可見，未來人工智能整合教學的技術平移應用，將會代替教師某項單一技能的技術功能，彌補教師教學過程中的“缺陷”，并凸顯在個性化教學過程中實施“因人而異”教學方案的優勢。

（2）人工智能整合教學的功能融合應用

功能的融合促使人工智能與課堂產生了聯結，即進行了以人工智能為代表的功能理性與教學空間所追求的價值理性之間的匹配，實現了物理空間、社會空間和信息空間三元世界的融合。在此功能融合應用的過程中，研究者注重運用各類智能終端、現代化設施、智能云平臺、智慧教學工具來營造支持教師開展互動式教學、支持學生進行泛在式學習的場域和環境。而智慧課堂是人工智能整合教學功能融合應用階段的典型代表，其概念最早由靖國平[30]提出，他認為智慧課堂是“轉識為智”、啟迪智慧的地方。智慧課堂的信息化建設最早開始于2010年上海市虹口區推出的“電子書包”項目，這一項目改變了傳統的教學模式和學習方式，為技術賦能智慧課堂奠定了基礎；此后，智慧課堂在技術的更迭中其功能不斷拓展，結構也隨之發生變化。例如，劉邦奇[31]以“云—臺—端”為技術支撐構建了智慧教學生態系統，即“智慧課堂3.0”，進而推進了人才培養模式和教學方式的變革。可見，未來人工智能整合教學的功能融合應用，將會以“智慧課堂n.0”的形態，不斷完善“化知為識，轉識成智”的發生之域，進而催生出智慧教學的多元化智能樣態。

（3）人工智能整合教學的主體創新應用

主體的創新重塑著教學環境，即通過維持人工智能實體與教育教學主體的平衡，實現人機“共教、共學、共生”的教育新生態。在主體創新應用的過程中，研究者聚焦5G、大數據、擴展現實、區塊鏈等主流技術與人工智能技術相結合對教法生態和學法生態的賦能：①在教法生態中，“人工智能+”以AI代理、AI助手、AI教師、AI伙伴等技術融合實體賦能教師，并通過基于雙師理念構建的新式“雙師課堂”[32]，揭示了智能環境下規模化教學和個性化培養的邏輯必然與實踐機理，形成了新的教學智能；②在學法生態中，“人工智能+”以智能導學、智能理學、智能啟學等主體協同方式賦能學生，并以具身模擬方式推進“人—機”融合學習[33]，揭示了智能環境下學習的發生機理，形成了新的學習隱喻。可見，未來人工智能整合教學的主體創新應用，將會以“精準、個性、優化、協同、思維、創造”的智慧教育為依托[34]，不斷強化教學智能在深度學習開展、學科教學模式構建、核心素養培育等的應用，不斷深化學習智慧從淺層識記、理解、應用向深度分析、評價、創造的拓展與轉化。

四 總結與建議

1 研究總結

本研究從圖譜分析的聚類視角、技術整合的發展視角，回顧了1985～2021年我國人工智能整合教學研究領域內文獻的熱點、主題以及應用趨勢，發現人工智能整合教學研究主要集中在以下方面：①從人工智能整合教學研究熱點的綜合透析來看，我國人工智能整合教學研究將突出兩點內容，分別是智能技術催生教學新形態，強化教師發展格局和學生學習生態；智能技術開啟教育新階段，體現智能時代人才發展的旨趣。②從人工智能整合教學研究主題的聚類探析來看，我國人工智能整合教學研究形成了關鍵技術、理論基礎、融合形態、應用素養四個研究主題。這些主題的研究，在技術、理論、形態、素養層面上促進了人工智能與教學雙向賦能的可能性，推動了教學從“知識學習”向“智慧學習”的轉變。③從人工智能整合教學研究應用趨勢的深入分析來看，我國人工智能整合教學研究經歷了技術平移、功能融合、主體創新三個應用整合階段，呈現了我國技術賦能教育教學的發展前景，實現了人工智能技術在教學領域從輔助向內融的過渡[35]。

2 研究建議

基于上述對人工智能整合教學研究熱點、主題以及應用趨勢的總結，本研究針對人工智能整合教學研究中出現的問題提出建議，主要如下：

①研究成果應進一步強化其“服務性”。通過關鍵詞共現、聚類所得到的熱點、主題，可以發現：人工智能整合教學的研究范圍比較寬泛，研究成果也比較豐富。但值得注意的是，這些研究成果多停留在對現象的理論性分析，而對人工智能整合教學實踐、實證的探索相對較少。例如，目前仍缺乏在智能環境下揭示學生認知規律、教師教學規律等方面的研究成果，這一定程度上與人工智能整合教學的研究集中于教育技術學領域有關，也與許多研究因技術、環境等問題受困有關。由于人工智能領域具有一定的跨學科特點，因此應在借鑒和整合相關學科領域技術、理論、方法的同時，聯合新科技企業進行技術應用，以指導并促進相關實踐、實證研究的不斷深入，提高理論研究成果的轉化率，進一步體現人工智能整合教學研究成果的“服務性”。

②人工智能整合教學的倫理問題仍存在深入探索的空間。在學校教育教學過程中使用人工智能的主要倫理問題是：如果出了問題，誰來擔責？[36]結合人工智能整合教學應用素養主題的相關研究成果，可以發現：目前對于人工智能整合教學倫理的研究僅關注在教師層面使用人工智能存在的道德規范、安全意識和應用邊界。而倫理研究具有系統性，需從教育人工智能倫理的整體視角出發，對其內涵、原則、風險規避等進行清晰的界定。因此，未來有必要對教育人工智能的倫理問題做進一步研究，以厘清教育人工智能系統中所反映的人機倫理關系，體現教育人工智能中學生主體發展需求的倫理原則，規避技術設計與教育價值所帶來的倫理風險。

③構建教育元宇宙的教學模式。從技術整合趨勢的角度來看，人工智能整合教學發展的最高層級是通過技術實現對教學系統的重塑。隨著新一代信息技術的不斷更迭和發展，新技術與新理念的相互融合將碰撞出功能融合的課堂新形態、主體創新的智慧新生態，并且新形態、新生態的產生又會促使多元世界（如物理世界、數字世界、生物世界）的進一步融合，形成多元宇宙[37]。因此，后續研究有必要從構建教育元宇宙的教學模式出發，豐富、發展以人工智能為技術集成載體整合教育教學的相關理論和實踐。

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Analysis of Hotspots, Themes and Trends of Artificial Intelligence Integrating Teaching Research——Based on Perspective of Atlas Analysis and Technology Integration

CUI Xiang-ping1ZHAO Long1LU Cai-cheng2JIN Jian-she3LI Li3

At present, artificial intelligence (AI) integrating teaching has become an important way to realize deep learning and cultivate students’ high-level thinking. Based on this, taking 1820 CSSCI and core journal documents of AI integrating teaching research collected in CNKI academic journal full-text database from 1985 to 2021 as data sources, this paper firstly analyzed the research hotspots of AI integrating teaching in China from the perspective of atlas analysis and combined with keyword co-occurrence and topic word clustering. It was found that the research hotspots were intelligent technology promoting new teaching forms and intelligent technology opening new education stages, and could be divided into four topics, namely key technology, theoretical basis, integration form, and application literacy. Secondly, from the perspective of technology integration, based on SAMR (Substitution, Augmentation, Modification, Redefinition) model, it was proposed in this paper that the application trend of AI integrating teaching research was exhibited in the applications of technology translation, function integration and subject innovation. Finally, the research conclusion was combed, and the explanations and suggestions for existing problems were provided, in order to provide certain data and theory support for the theoretical and practical research of AI integrating teaching in our country, and provide new ideas for future research directions in this field.

artificial intelligence; smart teaching; intelligent technology; technology integration model

G40-057

A

1009—8097（2022）08—083—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.8.010

本文為中國教育科學研究院“第四次工業革命條件下職業技術教育改革研究”項目（項目編號: 010120200009）、2020年度甘肅省哲學社會科學規劃項目“基于COOC平臺的創客教育模式構建與應用研究”（項目編號：20YB010）的階段性研究成果。

崔向平，教授，博士，研究方向為高等教育信息化、在線教育、智能教育等，郵箱為cuixp@lzu.edu.cn。

2021年11月10日

編輯：小時