人機(jī)協(xié)同教育的發(fā)展演變、系統(tǒng)運(yùn)作和結(jié)構(gòu)類(lèi)型

摘要：人機(jī)協(xié)同教育是人機(jī)融合發(fā)展的重要體現(xiàn)。當(dāng)前，相關(guān)研究主要聚焦人工智能技術(shù)如何重塑教育的基本理念、應(yīng)用方法、實(shí)踐模式等方面，較少對(duì)人機(jī)協(xié)同教育的系統(tǒng)運(yùn)作與結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行探討。人機(jī)協(xié)同教育是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，“人”與“機(jī)”關(guān)系的變化影響著整個(gè)協(xié)同教育系統(tǒng)的發(fā)展。縱觀人類(lèi)技術(shù)的發(fā)展歷史，人機(jī)協(xié)同教育經(jīng)歷了從工具、計(jì)算機(jī)、人工智能到超級(jí)智能四個(gè)工具發(fā)展階段，不同的工具特性帶來(lái)不同的人機(jī)協(xié)同關(guān)系。在人類(lèi)與機(jī)器組成的人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)中，二者主要通過(guò)數(shù)據(jù)流在控制、傳輸、交互和行動(dòng)環(huán)節(jié)的流轉(zhuǎn)，明確彼此狀態(tài)、設(shè)定共同教育目標(biāo)、執(zhí)行各自任務(wù)，在多輪反饋和調(diào)整中實(shí)現(xiàn)協(xié)同。基于協(xié)同主體的不同，智能時(shí)代的人機(jī)協(xié)同可以分為教師與數(shù)字孿生、虛擬化身、實(shí)體機(jī)器人等的協(xié)同教學(xué)結(jié)構(gòu)，以及學(xué)生與數(shù)字孿生、虛擬化身、實(shí)體機(jī)器人等的協(xié)同學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)。每種協(xié)同結(jié)構(gòu)的主體都是通過(guò)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)的。未來(lái)人機(jī)協(xié)同可能全面賦能教、學(xué)、管、研的各個(gè)方面。因此，不僅要構(gòu)建人機(jī)協(xié)同教育理論體系，還要深入探索人機(jī)協(xié)同教育的發(fā)生機(jī)制、運(yùn)行規(guī)律以及應(yīng)用成效，通過(guò)理論和實(shí)踐的互證，推動(dòng)人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：人機(jī)協(xié)同教育；發(fā)展階段；系統(tǒng)運(yùn)作；結(jié)構(gòu)類(lèi)型

中圖分類(lèi)號(hào)：G434" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1009-5195（2024）04-0031-08" doi10.3969/j.issn.1009-5195.2024.04.004

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基金項(xiàng)目：全國(guó)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度教育部重點(diǎn)項(xiàng)目“人機(jī)協(xié)同視域下的‘雙師課堂’教學(xué)模式構(gòu)建和效果評(píng)價(jià)研究”（DCA230461）。

作者簡(jiǎn)介：方海光，博士，教授，博士生導(dǎo)師，首都師范大學(xué)教育學(xué)院（北京 100048）； 孔新梅，博士研究生，首都師范大學(xué)教育學(xué)院（北京 100048）；洪心、舒麗麗，碩士研究生，首都師范大學(xué)教育學(xué)院（北京" 100048）。

一、問(wèn)題的提出

以ChatGPT為代表的生成式人工智能加速了教育數(shù)字化的發(fā)展，重構(gòu)了人機(jī)協(xié)同和知識(shí)生成的方式。新一代人工智能呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、跨界融合、人機(jī)協(xié)同、群智開(kāi)放等新特征（中華人民共和國(guó)中央人民政府，2017），大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的知識(shí)學(xué)習(xí)、人機(jī)協(xié)同的增強(qiáng)智能、跨媒體的協(xié)同處理等成為未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。針對(duì)在教育教學(xué)實(shí)踐中引入人機(jī)協(xié)同，當(dāng)前已開(kāi)展了一些理論和模型研究，如智能時(shí)代人機(jī)協(xié)同教育的哲學(xué)基礎(chǔ)（方海光等，2022）、主體合作方式（方海光等，2024）、課堂模式（汪時(shí)沖等，2019；方海光等，2022）、學(xué)習(xí)理念（郝祥軍等，2022）、群智融合與共生（許為等，2021）等。還有一些研究聚焦人機(jī)交互在教育中的應(yīng)用，如ChatGPT如何支持深度探究性學(xué)習(xí)（李海峰等，2023），人機(jī)協(xié)同在多人在線游戲、知識(shí)管理和元宇宙環(huán)境中的作用（Sowa et al.，2021；Hou et al.，2023），人機(jī)協(xié)同教育在未來(lái)教育場(chǎng)景中的潛能（祝智庭等，2023）以及人機(jī)協(xié)同教育的技術(shù)框架（黃榮懷等，2023）等。

較多研究聚焦于人工智能技術(shù)如何重塑教育的基本理念（呂寒雪，2023；方旭等，2023）、應(yīng)用方法（武法提等，2024）、實(shí)踐模式（王一巖等，2024）等，較少對(duì)人機(jī)協(xié)同教育的系統(tǒng)運(yùn)作與結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行探討。人機(jī)協(xié)同教育是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)（方海光等，2022），“人”與“機(jī)”主體關(guān)系的變化影響著整個(gè)協(xié)同教育系統(tǒng)的發(fā)展。本研究從系統(tǒng)論的視角，探討人類(lèi)與機(jī)器的關(guān)系隨著“機(jī)”的更迭而產(chǎn)生的變化，并在此基礎(chǔ)上，剖析人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)理及結(jié)構(gòu)類(lèi)型，旨在為深度探究人機(jī)協(xié)同教育的發(fā)生機(jī)制提供參考。

二、人機(jī)協(xié)同教育的發(fā)展演變

1.人機(jī)協(xié)同教育中 “機(jī)”的更迭

人機(jī)協(xié)同，顧名思義指的是人與機(jī)器在工作過(guò)程中發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，執(zhí)行各自擅長(zhǎng)的工作，共同認(rèn)識(shí)、相互制約，共同決策、相互監(jiān)督（楊燦軍等，2000）。人機(jī)協(xié)同的思想誕生于工業(yè)時(shí)代，是指人與機(jī)器在勞動(dòng)層面的協(xié)作關(guān)系（毛剛等，2021）。近年來(lái)隨著人工智能的發(fā)展，“人”與“機(jī)器”之間的協(xié)同發(fā)生了革命性的變化，超越了工業(yè)時(shí)代人與器物之間的使動(dòng)關(guān)系，也超越了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的范疇，指向了人類(lèi)智能和人工智能融合的高級(jí)形態(tài)（方海光等，2022；徐振國(guó)等，2024）。縱觀人類(lèi)技術(shù)的發(fā)展歷史，人機(jī)協(xié)同教育經(jīng)歷了四個(gè)“機(jī)”的發(fā)展階段，如圖1所示。

圖1 人機(jī)協(xié)同教育中 “機(jī)”的更迭

第一，“工具”階段。人類(lèi)主要從自然界直接獲取和利用自然物進(jìn)行簡(jiǎn)單加工制作形成工具。人與“工具”之間的協(xié)同過(guò)程，人類(lèi)占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位，人類(lèi)是工具的制造者和使用者，“機(jī)”是在人類(lèi)勞動(dòng)活動(dòng)中被動(dòng)的、附屬的工具，此時(shí)“人—機(jī)”關(guān)系表現(xiàn)為一種從屬關(guān)系，而非交互式的發(fā)展關(guān)系（崔中良等，2024）。在教育學(xué)領(lǐng)域中，早期的“機(jī)”體現(xiàn)為教師使用的黑板、粉筆、教材等教具，以及學(xué)生使用的書(shū)本、鉛筆、圓規(guī)等學(xué)具。

第二，“計(jì)算機(jī)”階段。計(jì)算機(jī)可以為人類(lèi)感知、記憶、計(jì)算等提供支持，并可模擬人類(lèi)的決策過(guò)程。人類(lèi)可以通過(guò)操作計(jì)算機(jī)完成一些重復(fù)性、單調(diào)性的任務(wù)，可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的記憶能力和運(yùn)算能力來(lái)輔助人類(lèi)進(jìn)行資源檢索、作業(yè)批改、決策判斷等，以減輕重復(fù)性勞動(dòng)造成的認(rèn)知資源浪費(fèi)。

第三，“人工智能”階段。近年來(lái)，人工智能技術(shù)快速發(fā)展，“機(jī)”能夠替代人類(lèi)完成更多復(fù)雜的任務(wù)。“機(jī)”本質(zhì)上是對(duì)人類(lèi)器官功能的延伸和拓展，是模仿和強(qiáng)化人類(lèi)信息儲(chǔ)存和處理能力的結(jié)果。在人類(lèi)的監(jiān)督和干預(yù)下，人工智能可以完成復(fù)雜的、超越人類(lèi)認(rèn)知范圍的任務(wù)，但最終決策權(quán)在人。比如教師與機(jī)器的智能交互，是在保證教師教育主體地位基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮教師和機(jī)器的核心優(yōu)勢(shì)。

第四，“超級(jí)智能”階段。在未來(lái)，“機(jī)”能夠擁有更復(fù)雜的算法結(jié)構(gòu)，在理解、學(xué)習(xí)、推理、創(chuàng)新和解決問(wèn)題等方面將可能強(qiáng)于人類(lèi)，成為超級(jí)智能。超級(jí)智能可以無(wú)需人類(lèi)直接干預(yù)，自行做出判斷并執(zhí)行任務(wù)，即在人類(lèi)不參與決策的情況下完全自主決策。比如學(xué)生可以在教師不參與的情況下，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和風(fēng)格與超級(jí)智能直接互動(dòng)，獲得良好的教育體驗(yàn)。但是超級(jí)智能在執(zhí)行過(guò)程中可能帶來(lái)倫理和法律問(wèn)題，存在比較大的風(fēng)險(xiǎn)，需要做好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防。

2.人機(jī)協(xié)同教育中人類(lèi)與機(jī)器之間的關(guān)系

“人”與“機(jī)”之間的關(guān)系隨著“機(jī)”的變化而不斷發(fā)展。以ChatGPT為代表的生成式人工智能促進(jìn)人類(lèi)智能和人工智能形成人機(jī)協(xié)同新樣態(tài)（王志軍等，2023）。假設(shè)將人類(lèi)與機(jī)器之間的接近程度定義為R0，人類(lèi)智能可達(dá)的范圍定義為R1，機(jī)器智能可達(dá)的范圍定義為R2，我們可將人工智能時(shí)代下人類(lèi)智能與機(jī)器智能之間的關(guān)系劃分為如圖2所示的4種情況。

圖2 人機(jī)協(xié)同教育中人類(lèi)與機(jī)器之間的關(guān)系

（1）獨(dú)立工作。此種關(guān)系存在兩種情況：一是人類(lèi)與機(jī)器主體之間是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，機(jī)器以其類(lèi)人的智慧與人類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)工作機(jī)會(huì)、生存空間和社會(huì)關(guān)系（馬艷華等，2022）； 二是二者完全獨(dú)立，互不相干，工作任務(wù)完全分離。此時(shí)人類(lèi)智能與機(jī)器智能之間的關(guān)系為相離，二者的接近程度為R0＞R1＋R2。

（2）互為補(bǔ)充。此種關(guān)系下，人類(lèi)與機(jī)器各有所長(zhǎng)，協(xié)同工作，互為補(bǔ)充，此時(shí)二者之間的關(guān)系為相交，接近程度為R1＋R2＞R0＞R1。例如，人工智能擅長(zhǎng)處理復(fù)雜的計(jì)算和大樣本數(shù)據(jù)，人類(lèi)擅長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)雜決策、社交和情感交流等。人工智能主要基于對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的分析，完成低創(chuàng)造性、高重復(fù)性的工作；人類(lèi)則掌握任務(wù)執(zhí)行的全部信息并承擔(dān)任務(wù)執(zhí)行的主體責(zé)任，決定任務(wù)完成的情況。

（3）相互依賴。人類(lèi)智能與機(jī)器智能各有所長(zhǎng)又各有不足，需依賴對(duì)方來(lái)彌補(bǔ)自身的弱點(diǎn)。例如，機(jī)器因數(shù)據(jù)的有限性，無(wú)法確保做出的預(yù)測(cè)和決策的正確性，需要人類(lèi)依靠經(jīng)驗(yàn)和主觀能動(dòng)性來(lái)驗(yàn)證和指導(dǎo)；而人類(lèi)因沒(méi)有足夠的精力和成本采集和分析數(shù)據(jù)，需借助機(jī)器智能來(lái)延伸和拓展人類(lèi)智能。此時(shí)，人類(lèi)智能和機(jī)器智能的關(guān)系為相交，二者的接近程度為R1＞R0＞R1－R2。人類(lèi)和機(jī)器建立良好的伙伴關(guān)系，相輔相成，二者的任務(wù)屬于同一性質(zhì)，既有分工，又有深度交集。

（4）二者融合。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類(lèi)智能和機(jī)器智能之間的相互依賴關(guān)系可能會(huì)進(jìn)一步加深，形成一種完全的、深層次的混合協(xié)同。此時(shí)，二者之間的關(guān)系完全重疊，接近程度R0＝0，人類(lèi)智能和機(jī)器智能共享、協(xié)調(diào)使用信息和資源，拓展和延伸彼此的智能。

人類(lèi)與機(jī)器不同的協(xié)同關(guān)系可能產(chǎn)生不同的協(xié)同結(jié)果。隨著技術(shù)的進(jìn)步和人機(jī)互動(dòng)日益深入，人類(lèi)智能和機(jī)器智能的界限將逐漸被打破，雙向賦能和深度協(xié)同將重塑人類(lèi)系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)的協(xié)同樣態(tài)，推動(dòng)二者形成高度融合和動(dòng)態(tài)互動(dòng)的協(xié)同關(guān)系。

三、人機(jī)協(xié)同教育的系統(tǒng)運(yùn)作

人機(jī)協(xié)同教育是一個(gè)系統(tǒng)化協(xié)同、知識(shí)分布加工和共享，以及自組織有序發(fā)展的過(guò)程（方海光等，2022）。系統(tǒng)科學(xué)認(rèn)為，任何系統(tǒng)都處在內(nèi)部子系統(tǒng)及其環(huán)境之間的相互作用和聯(lián)系中（鄒珊剛等，1987，p.48）。人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)包含機(jī)器子系統(tǒng)、教師子系統(tǒng)和學(xué)生子系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)。作為一個(gè)非平衡開(kāi)放的復(fù)雜系統(tǒng)，人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)的演化動(dòng)力主要有兩類(lèi)：一是人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系。環(huán)境的不斷變換和更新影響著人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)中共生單元的走向和生成（方海光等，2024）。理想的環(huán)境能夠積極地促進(jìn)人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)單元進(jìn)行能量交換和物質(zhì)轉(zhuǎn)換。二是組成人機(jī)協(xié)同教育的人類(lèi)子系統(tǒng)和機(jī)器子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)是一種由人類(lèi)子系統(tǒng)和機(jī)器子系統(tǒng)組合而成的多層次、多維度的復(fù)合型智能系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間具有復(fù)雜的非線性相互作用（方海光等，2022）。由于不同變量耦合在一起，處于一種互動(dòng)的關(guān)系之中，組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素一旦發(fā)生改變，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)失衡。人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)在失衡中可能產(chǎn)生新的變量和組織，進(jìn)而影響人類(lèi)子系統(tǒng)和機(jī)器子系統(tǒng)之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)。這就是人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)互動(dòng)和深度融合的進(jìn)程。

具體而言，在人機(jī)協(xié)同過(guò)程中，一方面人類(lèi)將自身的行為、偏好、意見(jiàn)和情感等轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流，反饋給機(jī)器系統(tǒng)（王佳航等，2024）；另一方面，機(jī)器也將自身的行為、性能、傾向和決策等轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流，反饋給人類(lèi)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)流通過(guò)控制、傳輸、交互和行動(dòng)等環(huán)節(jié)，使人類(lèi)和機(jī)器明確彼此的狀態(tài)、設(shè)定共同的教育目標(biāo)，然后執(zhí)行各自任務(wù)（如圖3所示）。協(xié)同過(guò)程中的數(shù)據(jù)流不是靜態(tài)的，而是動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)更新的，在協(xié)同空間中不斷被綜合、分析和解讀，不斷循環(huán)。每一階段的狀態(tài)和任務(wù)執(zhí)行情況都通過(guò)數(shù)據(jù)流被反饋到人類(lèi)系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)中，二者通過(guò)不斷調(diào)整，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和提升。

圖3 人機(jī)協(xié)同教育的運(yùn)作流程

（1）明確彼此狀態(tài)

在開(kāi)展協(xié)同任務(wù)之前，人類(lèi)和機(jī)器都需要了解當(dāng)前的狀態(tài)，包括自身及對(duì)方在當(dāng)前環(huán)境中所處的狀態(tài)。一是了解自身的狀態(tài)。人類(lèi)通過(guò)感官來(lái)感知周?chē)h(huán)境信息，知覺(jué)自身所處的位置、時(shí)間、情緒和任務(wù)的進(jìn)程等。這種能力使人類(lèi)可以快速適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。而機(jī)器通過(guò)傳感器如攝像頭、GPS等來(lái)收集環(huán)境信息，從而分析自身所處的位置、時(shí)空、性能以及任務(wù)的進(jìn)程等。同時(shí)，機(jī)器還可以利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行推理和預(yù)測(cè)，以優(yōu)化其行為和決策，從而更好地完成教育任務(wù)。二是了解對(duì)方所處的狀態(tài)。人類(lèi)系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)可以通過(guò)觀察和交互等方式來(lái)了解彼此的情況。例如，人類(lèi)和機(jī)器可以通過(guò)觀察對(duì)方的行為、語(yǔ)言等來(lái)判斷對(duì)方的情緒、意圖和需求，調(diào)整雙方的互動(dòng)過(guò)程，以更好地滿足教學(xué)活動(dòng)和需求。

（2）設(shè)定共同目標(biāo)

首先，設(shè)定共同目標(biāo)的前提是為人類(lèi)子系統(tǒng)和機(jī)器子系統(tǒng)搭建可相互理解與溝通的環(huán)境，這種環(huán)境包含對(duì)物理世界的共同理解、交互的詞匯以及對(duì)事物表示的形式（Stalnaker，2002）。只有具備一致的、可供相互理解的溝通環(huán)境和機(jī)制，雙方才能實(shí)現(xiàn)有效交互，從而形成共同的教育目標(biāo)。其次，雙方基于對(duì)彼此狀態(tài)的了解，通過(guò)語(yǔ)音、文本、圖像、動(dòng)作等多種交互方式進(jìn)行溝通。溝通過(guò)程中，人類(lèi)系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)之間是一種合作博弈的關(guān)系（方海光等，2024），雙方的偏好沖突越少，越容易形成共同的目標(biāo)。多元便捷與恰當(dāng)?shù)慕换シ绞讲粌H能減少談判和溝通的頻率，還能提高整體互動(dòng)的效率。雙方所形成的共同目標(biāo)并不是一成不變的，其應(yīng)具備動(dòng)態(tài)調(diào)整的能力，可以隨著問(wèn)題、狀態(tài)、動(dòng)機(jī)和環(huán)境的變化，相應(yīng)地調(diào)整和更新。每一輪的協(xié)同行為和狀態(tài)都會(huì)對(duì)下一輪的目標(biāo)設(shè)定產(chǎn)生影響，因此，在前一輪共同目標(biāo)之后所形成的新目標(biāo)是基于上一輪協(xié)同行為和狀態(tài)的多重影響協(xié)調(diào)后的結(jié)果。這種動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制有助于在不斷變化的環(huán)境中確保目標(biāo)的相關(guān)性和有效性。在教學(xué)任務(wù)中，確立共同的教學(xué)目標(biāo)有利于提高人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)完成教學(xué)任務(wù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升教學(xué)效果和效率。

（3）執(zhí)行各自任務(wù)

在確定共同教育目標(biāo)之后，人類(lèi)子系統(tǒng)和機(jī)器子系統(tǒng)按照共同約定的目標(biāo)，構(gòu)建雙邊承諾，明確各自的責(zé)任和任務(wù)，分工執(zhí)行行為方案。人類(lèi)和機(jī)器在執(zhí)行時(shí)所依賴的機(jī)制和技術(shù)不同：人類(lèi)依賴于自身的生理結(jié)構(gòu)和神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)完成復(fù)雜的行為任務(wù)，而機(jī)器則依賴于程序、數(shù)據(jù)和算法，通過(guò)預(yù)設(shè)的邏輯和計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。當(dāng)雙方各自完成任務(wù)后，將再次回到“明確彼此狀態(tài)”的階段，評(píng)估當(dāng)前的任務(wù)進(jìn)展和狀態(tài)變化，進(jìn)入新一輪的協(xié)同循環(huán)。在這一循環(huán)過(guò)程中，各子系統(tǒng)可以更好地理解對(duì)方行為背后的原因和動(dòng)機(jī)，進(jìn)而調(diào)節(jié)自己的行為和期望。通過(guò)多次協(xié)同循環(huán)，人類(lèi)系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)通過(guò)觀察和學(xué)習(xí)對(duì)方來(lái)強(qiáng)化自身的學(xué)習(xí)，同時(shí)調(diào)整自身的行為和策略，以更有效地引導(dǎo)和配合對(duì)方，形成更高層次的合作智能，在更廣泛和更復(fù)雜的任務(wù)中實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同。

四、人機(jī)協(xié)同教育的結(jié)構(gòu)類(lèi)型

人機(jī)協(xié)同教育結(jié)構(gòu)是支持人機(jī)協(xié)同教學(xué)和學(xué)習(xí)的組織方式和樣態(tài)。黃榮懷等（2023）在人機(jī)協(xié)同iSTAR框架中，提出了在物理空間、虛擬空間、混合空間中，人類(lèi)教師與教育機(jī)器人、虛擬化身以及數(shù)字孿生有機(jī)聯(lián)動(dòng)的三種典型形態(tài)。其中，虛擬化身指的是一種可感知的數(shù)字表示，是特定的人實(shí)時(shí)執(zhí)行的行為的一定反映（Bailenson et al.，2004）；教育機(jī)器人指外觀和形態(tài)同人類(lèi)類(lèi)似，可以與師生進(jìn)行互動(dòng)且可以作為共同學(xué)習(xí)者、同伴或?qū)煹冉巧∕uin et al.，2021）的實(shí)體機(jī)器人；數(shù)字孿生系統(tǒng)由兩個(gè)系統(tǒng)組成，即物理系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)，虛擬系統(tǒng)包含了關(guān)于物理系統(tǒng)的所有基本信息（Liljaniemi et al.，2020），數(shù)據(jù)在物理—數(shù)字對(duì)象之間流動(dòng)，在兩個(gè)方向上完全集成。

基于iSTAR框架，本研究構(gòu)建了人機(jī)協(xié)同教育的6種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，如圖4所示。在該分類(lèi)模型中，人類(lèi)包含教師和學(xué)生兩類(lèi)，機(jī)器智能可分為數(shù)字孿生、虛擬化身和實(shí)體機(jī)器人三類(lèi)，按照兩兩組合共形成6種人機(jī)協(xié)同教育結(jié)構(gòu)。根據(jù)教師和學(xué)生的劃分，人機(jī)協(xié)同教育結(jié)構(gòu)可分為人機(jī)協(xié)同教學(xué)結(jié)構(gòu)和人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)，人機(jī)協(xié)同教學(xué)結(jié)構(gòu)又包括教師與數(shù)字孿生協(xié)同、教師與虛擬化身協(xié)同、教師與實(shí)體機(jī)器人協(xié)同三類(lèi)，人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)則包括學(xué)生與數(shù)字孿生協(xié)同、學(xué)生與虛擬化身協(xié)同、學(xué)生與實(shí)體機(jī)器人協(xié)同三類(lèi)。

圖4 人機(jī)協(xié)同教育的結(jié)構(gòu)類(lèi)型

1.人機(jī)協(xié)同教學(xué)結(jié)構(gòu)分類(lèi)及特征

第一，教師＋數(shù)字孿生協(xié)同。數(shù)字孿生由物理系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)在兩個(gè)系統(tǒng)之間流動(dòng)，虛擬系統(tǒng)可以表示、監(jiān)控、理解和預(yù)測(cè)物理系統(tǒng)的狀態(tài)和行為。教師和數(shù)字孿生協(xié)同教學(xué)是教師和數(shù)字孿生體共同協(xié)作承擔(dān)教學(xué)工作，教師的數(shù)字孿生體與其映射的教師的真實(shí)身體完全分離，是以教師分身在場(chǎng)為目的而構(gòu)建的獨(dú)立于教師的數(shù)字化存在（張剛要等，2023）。例如，基于數(shù)字孿生的機(jī)器人遠(yuǎn)程操作平臺(tái)，允許教師進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和遠(yuǎn)程編程，教師可以利用該平臺(tái)配合學(xué)生完成機(jī)器人編程任務(wù)，遠(yuǎn)程指導(dǎo)和監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程（Kaarlela et al.，2022）。在這種協(xié)同教學(xué)模式下，數(shù)字孿生體通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流和動(dòng)態(tài)反饋，精準(zhǔn)地模擬和反映教師的教學(xué)行為和意圖，監(jiān)控物理系統(tǒng)中的教學(xué)進(jìn)展，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并提供實(shí)時(shí)的解決方案和建議。而且，數(shù)字孿生體的獨(dú)立存在性使其可以在教師無(wú)法親臨現(xiàn)場(chǎng)的情況下，執(zhí)行教學(xué)任務(wù)，確保教學(xué)活動(dòng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

第二，教師＋虛擬化身協(xié)同。教師和虛擬化身協(xié)同教學(xué)指的是教師和虛擬化身協(xié)作承擔(dān)教學(xué)工作，如在視頻會(huì)議中，人類(lèi)教師為學(xué)習(xí)活動(dòng)創(chuàng)建學(xué)習(xí)材料（Mizrahi et al.，2004），并借助虛擬化身來(lái)促進(jìn)小組在線對(duì)話和互動(dòng)。虛擬化身不僅能夠在虛擬空間中完成信息共享和情感交流，還能夠進(jìn)行超現(xiàn)實(shí)的社會(huì)互動(dòng)（李海峰等， 2022），引導(dǎo)學(xué)生討論、回答問(wèn)題、提供反饋等。此外，虛擬化身還可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析和學(xué)習(xí)行為跟蹤，幫助教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和需求，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略和方法。新一代人工智能技術(shù)的應(yīng)用，如ChatGPT，進(jìn)一步提升了虛擬化身的功能和智能水平，可以幫助教師設(shè)定教學(xué)目標(biāo)，提供精準(zhǔn)化的教學(xué)資源和教學(xué)策略。

第三，教師＋實(shí)體機(jī)器人協(xié)同。實(shí)體機(jī)器人可用于課內(nèi)活動(dòng)和課外活動(dòng)，扮演教師的角色或同伴的角色。教師與實(shí)體機(jī)器人協(xié)同教學(xué)是由教師與實(shí)體機(jī)器人共同承擔(dān)教學(xué)任務(wù)，形成的人機(jī)協(xié)同課堂。實(shí)體機(jī)器人因其高度智能化和互動(dòng)性的特點(diǎn)，能夠通過(guò)有趣和互動(dòng)的方式引導(dǎo)兒童學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的參與感和興趣，可以在課堂上充當(dāng)輔助教師的角色。例如，幼兒園社會(huì)輔助機(jī)器人KindSAR通過(guò)社交互動(dòng)游戲輔助教師教學(xué)，促進(jìn)兒童的幾何思維和元認(rèn)知發(fā)展（Keren et al.，2014）。實(shí)體機(jī)器人不僅能夠在課堂上充當(dāng)“教師”的角色，還可以為教師提供各種各樣的教學(xué)資源，例如可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)學(xué)生的評(píng)價(jià)報(bào)告和班級(jí)學(xué)習(xí)情況，幫助教師更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展和需求（汪時(shí)沖等，2019）。此外，實(shí)體機(jī)器人還可以在課外活動(dòng)中扮演學(xué)生的“同伴”，參與到學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活中。

2.人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)分類(lèi)及特點(diǎn)

第一，學(xué)生＋數(shù)字孿生協(xié)同。學(xué)生與數(shù)字孿生協(xié)同學(xué)習(xí)是指利用數(shù)字孿生體輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程。數(shù)字孿生體在物理形態(tài)、行為狀態(tài)以及基本功能上與人具有同質(zhì)性，能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的雙向連接、映射和動(dòng)態(tài)交互（褚樂(lè)陽(yáng)等，2019）。數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)同步和模擬，可以在虛擬空間中真實(shí)再現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和狀態(tài)，形成逼真的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；還可以通過(guò)動(dòng)態(tài)交互幫助學(xué)生更好地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。此外，數(shù)字孿生體還能夠模擬各種復(fù)雜和多變的學(xué)習(xí)情境，幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐和訓(xùn)練。例如，數(shù)字孿生體可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生通過(guò)交互操作，理解實(shí)驗(yàn)的步驟和原理，提高動(dòng)手能力和問(wèn)題解決能力。

第二，學(xué)生＋虛擬化身協(xié)同。在學(xué)生與虛擬化身協(xié)同學(xué)習(xí)過(guò)程中，虛擬化身主要扮演導(dǎo)師的角色，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。虛擬化身基于自然語(yǔ)言處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)與學(xué)習(xí)者的文字或語(yǔ)音互動(dòng)，并對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行診斷，提供相應(yīng)的反饋和支持。在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬化身如ChatGPT可用于學(xué)生的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，基于學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣生成適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)內(nèi)容，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)背景和學(xué)習(xí)進(jìn)度，協(xié)助學(xué)生制定學(xué)習(xí)目標(biāo)，定制個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案和作業(yè)測(cè)驗(yàn)（趙曉偉等，2023）。虛擬化身還具備情感交互的能力，能夠通過(guò)語(yǔ)音和表情等方式傳遞情感支持，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中保持積極的情緒狀態(tài)。

第三，學(xué)生＋實(shí)體機(jī)器人協(xié)同。實(shí)體機(jī)器人與學(xué)生在學(xué)習(xí)中的互動(dòng)和交流，形成了學(xué)生與實(shí)體機(jī)器人的協(xié)同學(xué)習(xí)。為確保二者的協(xié)同效應(yīng)，學(xué)生要主動(dòng)將其當(dāng)成學(xué)習(xí)伙伴，以一種新的方式去展開(kāi)學(xué)習(xí)、獲取資源（陳倩倩等，2023）。例如，學(xué)生可利用“智慧學(xué)伴”進(jìn)行學(xué)習(xí)疑難問(wèn)答、學(xué)情報(bào)告分析、學(xué)習(xí)督促提醒、學(xué)習(xí)陪伴激勵(lì)等，幫助學(xué)習(xí)者完成不同階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)（盧宇等，2020）。學(xué)生與實(shí)體教育機(jī)器人之間的多元交互和有機(jī)協(xié)同，可促進(jìn)學(xué)生智慧和機(jī)器智能的共同增長(zhǎng)。實(shí)體機(jī)器人通過(guò)模擬人類(lèi)的情感和行為，可與學(xué)生建立起親密的伙伴關(guān)系，為其提供情感支持和激勵(lì)，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中保持積極的情緒狀態(tài)。這種人機(jī)互動(dòng)不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的互動(dòng)性和參與度。

以上6類(lèi)人機(jī)協(xié)同教育結(jié)構(gòu)，每一類(lèi)的協(xié)同主體都是通過(guò)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)的。然而，協(xié)同主體的數(shù)量和種類(lèi)往往會(huì)因教學(xué)場(chǎng)景和教學(xué)需求的變化而發(fā)生變化，如雙師協(xié)同課堂、三師協(xié)同課堂等，這種情況下，將形成多元復(fù)雜的人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)以及多主體、多層次的互動(dòng)和協(xié)作。任何兩種協(xié)同主體之間都可能存在不同程度的相互作用，使得人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)內(nèi)部要素之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)更加多樣，其影響協(xié)同效應(yīng)的因素也更為復(fù)雜。只有從復(fù)雜系統(tǒng)的視角去認(rèn)識(shí)和理解人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)，才能更好地把握其運(yùn)作的機(jī)理，從而促成更顯著的協(xié)同效應(yīng)。

五、人機(jī)協(xié)同教育的應(yīng)用示例

1.虛擬化身支持的人機(jī)協(xié)同自主學(xué)習(xí)

本案例呈現(xiàn)的是一位在校初中生課后與虛擬化身ChatGPT開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過(guò)程。學(xué)習(xí)目標(biāo)是設(shè)計(jì)弘揚(yáng)中國(guó)傳統(tǒng)文化的方案，由學(xué)生發(fā)起對(duì)話，虛擬化身ChatGPT一步一步地引導(dǎo)學(xué)生思考，實(shí)現(xiàn)遞進(jìn)式的問(wèn)題聚焦和迭代式的問(wèn)答，最終為學(xué)生開(kāi)展中國(guó)傳統(tǒng)文化項(xiàng)目給出相應(yīng)的建議和啟示。學(xué)生與ChatGPT的生成式對(duì)話，如圖5所示，這是虛擬化身支持的人機(jī)協(xié)同自主學(xué)習(xí)。

在這個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開(kāi)展過(guò)程中，學(xué)生的人類(lèi)智能與虛擬化身ChatGPT的機(jī)器智能相互依賴。首先，ChatGPT通過(guò)學(xué)生的問(wèn)題了解學(xué)生當(dāng)前的狀態(tài)，然后二者基于文字交互，設(shè)定共同的目標(biāo)，執(zhí)行各自的任務(wù)，輸出文字或圖片等。人機(jī)在交互過(guò)程中不斷調(diào)整對(duì)對(duì)方的理解，最終形成共同目標(biāo)和任務(wù)。在此次項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生和ChatGPT進(jìn)行了6輪協(xié)作，二者的關(guān)系為相交，接近程度為R1＞R0＞R1－R2；協(xié)同結(jié)構(gòu)為分類(lèi)5，協(xié)同主體為學(xué)生和虛擬化身，二者相互依賴，是良好的伙伴關(guān)系，相互影響。

圖5 虛擬化身支持的人機(jī)協(xié)同自主學(xué)習(xí)

2.教育機(jī)器人支持的人機(jī)協(xié)同雙師課堂

教育機(jī)器人支持的人機(jī)協(xié)同教育課堂，是人類(lèi)教師和機(jī)器教師共同主導(dǎo)的雙師課堂。其中，人類(lèi)教師為一名小學(xué)四年級(jí)英語(yǔ)教師，機(jī)器教師為一個(gè)實(shí)體教育機(jī)器人，班級(jí)一共有30位學(xué)生，教學(xué)內(nèi)容為小學(xué)四年級(jí)英語(yǔ)第一冊(cè)“Unit2 My Schoolbag”，課程形式為“拓展學(xué)習(xí)活動(dòng)”。

人機(jī)協(xié)同教育的方式為：人類(lèi)教師教授My Schoolbag的學(xué)習(xí)內(nèi)容，機(jī)器教師作為助教輔助人類(lèi)教師引入拓展學(xué)習(xí)的練習(xí)題目，并播放圖片投射到大屏。教師的人類(lèi)智能和教育機(jī)器人的人工智能互為補(bǔ)充，二者相交，接近程度為R1＋R2＞R0＞R1。同時(shí)，學(xué)生作答情況反饋給機(jī)器教師，機(jī)器教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況給予個(gè)性化的指導(dǎo)。在這個(gè)教學(xué)過(guò)程中，教師、學(xué)生、實(shí)體機(jī)器人組成協(xié)同結(jié)構(gòu)，共同推進(jìn)教學(xué)和學(xué)習(xí)的發(fā)生。其協(xié)同主體的種類(lèi)為3種，包含1位人類(lèi)教師、1位機(jī)器教師和30位學(xué)生；同時(shí)存在3種相互作用：一是機(jī)器教師輔助人類(lèi)教師引入拓展性練習(xí)題目，即人類(lèi)教師與機(jī)器教師之間的相互作用；二是人類(lèi)教師為學(xué)生解釋題目并答疑解惑，即人類(lèi)教師與學(xué)生之間的相互作用；三是學(xué)生將答案?jìng)鬏斀o機(jī)器教師，機(jī)器教師根據(jù)答案反饋學(xué)生，即機(jī)器教師與學(xué)生之間的相互作用。

圖6 教育機(jī)器人支持的人機(jī)協(xié)同雙師課堂

六、總結(jié)與展望

人機(jī)協(xié)同教育是人機(jī)融合發(fā)展的重要體現(xiàn)。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)人機(jī)協(xié)同可能走進(jìn)日常教學(xué)，全面賦能“教、學(xué)、管、研”等各個(gè)方面。因此，不僅要完善相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，構(gòu)建人機(jī)協(xié)同教育理論體系，還要從實(shí)踐出發(fā)，深入探索人機(jī)協(xié)同教育的發(fā)生機(jī)制、運(yùn)行規(guī)律以及應(yīng)用成效，通過(guò)理論和實(shí)踐的互證，推動(dòng)人機(jī)協(xié)同教育系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

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收稿日期 2024-02-25 責(zé)任編輯 汪燕

Development and Evolution， System Operation， and Structural Types of

Human-Machine Collaborative Education

FANG Haiguang， KONG Xinmei， HONG Xin， SHU Lili

Abstract： Human-machine collaborative education is an important manifestation of the integration and development of human and machine. Currently， related research mainly focuses on how artificial intelligence technology reshapes basic educational concepts， application methods， and modes of practice， with less discussion on the system operation and structural types of human-machine collaborative education. Human-machine collaborative education is a complex system， where the changes in the relationship between “human” and “machine” affect the development of the entire collaborative education system. Throughout the history of technological development， human-machine collaborative education has gone through four stages of tool development： tools， computers， AI and superintelligence. Characteristics of different tools lead to different human-machine collaborative relationships. In the human-machine collaborative education system， human and machine mainly interact through the flow of data in control， transmission， interaction and action processes， clarifying each other’s states， setting common educational goals， and executing their respective tasks， achieving collaboration through multiple rounds of feedback and adjustment. Based on different collaborative subjects， human-machine collaboration in the intelligent era can be divided into collaborative teaching structures between teachers and digital twins， virtual avatars， physical robots， etc.， and collaborative learning structures between students and digital twins， virtual avatars， physical robots， etc. And subjects of collaborative structures achieve educational goals through interaction. In the future， human-machine collaboration may comprehensively empower all aspects of teaching， learning， management and research. Therefore， it is necessary not only to construct a theoretical system of human-machine collaborative education but also to deeply explore the mechanisms， operational rules and application effects of it， promoting the sustainable development of the human-machine collaborative education system through the mutual verification of theory and practice.

Keywords： Human-Machine Collaborative Education; Development Stages; System Operation; Structural Types