雙減背景下人工智能服務課后學習的實踐與研究

摘" 要" 國家積極推進教育信息化2.0，全面推動教育現代化，開啟智能時代教育。以智能自習室及智能仿真學習機應用為切入點，探討人工智能在學生課后學習方面的應用與實踐，為人工智能賦能教育與學習提供實證研究根據，提出相應的發展建議并探討其未來發展方向。研究表明，人工智能可以提供個性化學習方案，促進學生課后學習，減輕課業負擔，有效提高學生的學習效率。

關鍵詞" 人工智能；智能自習室；智能仿真學習機；個性化學習

中圖分類號：G633.67" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）05-0094-07

0" 引言

自2016年以來，國內探討人工智能和教育的文獻數量呈現指數級增長，這與人工智能技術在圍棋等領域取得的突破和國家從戰略高度重視人工智能機器教育應用的最新發展息息相關。2016年，李世石和柯潔先后被谷歌設計的人工智能圍棋程序“阿爾法狗”（AlphaGo）打敗，讓世人嘆為觀止[1]。從2017年至2019年，國家出臺多份文件，表明對人工智能的教育應用十分重視，這些文件包括《新一代人工智能發展規劃》《教育信息化2.0行動計劃》《關于開展人工智能助推教師隊伍建設行動試點工作的通知》等。其中，教育部發布的《教育信息化2.0行動計劃》提出，要推動人工智能在教學、管理等方面的全流程應用[2。這份文件指明了人工智能時代人才培養的方向。

以上國家層面政策文件的出臺，推動了國內2016年以來人工智能與教育相關研究的快速發展。但是以往大多數的研究局限在解讀國外人工智能研發的文件、辨別與人工智能相關概念或者預測人工智能對教育的可能影響，很多缺少實證研究根據。

2021年7月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的意見》，明確提出“雙減”的主要任務和措施，并要求各地落實“雙減”精神，有效減輕學生過重作業負擔和校外培訓負擔。自“雙減”政策實施以來，各中小學學生課業負擔明顯減輕，學習壓力得到極大的緩解，各方面工作都有了長足的進展。然而，“雙減”背景之下的課后服務工作如何提升教學質量、提高教學效率，要從政策的立意和價值出發，面對實施的現狀和問題，探討針對性策略。爭取做到既讓家長收獲到“雙減”的好處，又能提高學校的整體教學水平和效果。簡單來說，就是既要關注立意和價值，又要落實工作實施[3]。

基于以上兩點，本研究以智能自習室及智能仿真學習機應用為切入點，探討人工智能在學生課后學習方面的應用與實踐，為人工智能賦能教育與學習提供實證研究根據，提出相應的發展建議并探討其未來發展方向。

1" 智能自習室和智能仿真學習機簡介

一直以來，在班級授課制度下，一個教師很難為全班40或者50名學生設置個性化的學習方案，每個學生雖然都在同一個課堂聽課，但是每個學生對知識的掌握程度還是不一樣。在傳統教學方式下，一個教師精力有限，不可能每天都去分析每個學生對知識點的掌握程度，而智能自習室和智能仿真學習機的出現，很好地解決了這一難題。

智能自習室起源于21世紀初歐美的一些圖書館和博物館，2010年以后在中國逐漸引起關注。智能自習室以互聯網為核心，運用人工智能、虛擬現實等科技革命的成果為學習者的學習提供科技保障和支持。

2021年3月26日，廈門大學附屬實驗中學與愛果凍科技聯合共建人工智能教育研究中心，2021年11月4日，智能自習室正式投入使用。

試驗階段，研究中心先安排10名學生在智能自習室自習，智能自習室有專門的教師值班，每天傍晚5點到晚上10點開放，智能自習室內空間大，衛生干凈，有適當開放的網絡，并適時讓學生體驗虛擬游戲。智能自習室內放置有智能仿真學習機若干臺，該學習機基于智能感知、教學算法與數據決策等技術，對學習者、教師、教學內容、教學媒體及教育環境進行自動分析，實施精準干預，支持個性化學習與規?；虒W，形成教育的智能生態，培養學習者智能素養和實現教育高績效的理論與實踐。智能仿真學習機的工作原理可用圖1來表示。

學習機對學生課后作業的輔導，采用任務完成制，每項任務均有時間提醒和計時功能。學生對課后作業有問題，可以通過學習機向各科教師提問，提問方式可以是語音或者視頻在線聯系相關教師，也可以拍照上傳標注疑問給相關教師。提交作業后，系統可以自動批改，也可以由平臺教師在線批改。針對學生做錯的題，平臺可以對其進行匯總，推送匹配度高的題目和相關知識點講解。在此過程中，人工智能的技術支撐包括計算智能技術、學習分析技術、數據挖掘技術、圖像識別、語音識別、機器學習和自然語言處理技術顯得尤為重要。

2" 研究方法和過程

本研究使用準實驗研究法和問卷調查法，試圖通過智能自習室和智能仿真學習機的使用，來探討人工智能在學生課后學習方面的應用與實踐。本研究分別設置兩個對照組和一個實驗組，實驗組為從2021年11月4日至2022年1月15日期間，九年級10名使用智能自習室和智能仿真學習機的學生，對照組一為同一時間階段九年級10名未參與使用智能自習室和智能仿真學習機的學生，對照組二為同一時間階段九年級10名未參與使用智能自習室和智能仿真學習機且未參與學校課后學習的學生。在研究實驗之前，先對對照組和實驗組的學生進行課后學習情況的前測，選取的是剛結束的期中考試情況較接近的學生，調查結果如表1所示，可發現三組學生的學習基礎相當，課后學習情況沒有顯著差距。

通過實驗組兩個多月使用智能自習室和智能仿真學習機所產生的數據和他們自身使用情況的問卷調查反饋，探查人工智能與學生課后學習之間的關系。

智能仿真學習機可以全程記錄學生學習軌跡，做練習時間，形成學生數據畫像，通過AI幫助學生定位已掌握的知識點，基本掌握的知識點、掌握較差的知識點，并能計算出節約了多長時間、寫作業效率提升了多少、減少了多少無效練習題，掌握了多少道錯題。具體智能減負的規則如圖2所示。要計算減少了多少無效習題，研究中心主要通過智能減負知識點中的已掌握數據來計算，例如之前二元一次方程，這個知識點上次做的題目正確率≥百分80%，研究中心會判定為已經掌握的，下次學習內容遇到相同的題目，可以設定減負習題。要計算節省了多長時間，研究中心根據已批改課業作答總時長和課業作答總題目數算出每題平均作答時長，節省時長=每題作答時長×無需作答題數。效率提升=無需作答題數/課業總題數×100。

在研究期間，研究中心讓實驗組的10名學生每天晚自習（6點50至9點20）堅持前往智能自習室自習。每天自習室有教師值班，同時安排一位學生每天將課后作業布置在智能仿真學習機上，每一個學生每天按照布置的語文、數學、英語、物理、化學、生物和歷史七科作業完成任務。他們完成作業后，拍照上傳作業即表示任務完成。在學期結束時，研究中心針對學生對智能自習室的使用情況，還設置了一份問卷調查，讓這10位學生配合完成。問卷調查一共設置23道題目，具體內容如附錄1所示。

3" 實踐結果分析

首先是實驗組的結果，根據AI智能記錄學生的學習情況和智能分析學生的學習情況，使用智能仿真學習機學習的10位學生課業總數、課業批改數、課業平均準確率、節約時間、提升效率、減少無效習題、掌握錯題、已掌握知識點、基本掌握知識點和掌握較差知識點較差的情況如表2所示。

從表2可以看出，朱同學1課業總數較少，其他的數據也較少，這主要是因為朱同學拍的照片比較模糊，學習機無法識別，所以沒有產生數據。從其他學生使用后產生的數據，可以看出，智能仿真學習機不僅可以幫助學習者不同程度地節約時間、提升效率、減少無效習題，還可以幫助學習者統計已做過、已積累的錯題的掌握程度、已經掌握的知識點、基本掌握的知識點和掌握較差的知識點，進而基于學習者的薄弱知識點推送個性化的學習知識和習題。

其次，對于對照組1的學生，研究中心利用智能仿真學習機的功能來進行檢驗。將對照組的學生在研究期間每天在學校自主完成的課后作業，包括語文、數學、英語、物理、化學、生物和歷史作業，上傳至智能仿真學習機上，讓智能仿真學習機進行分析，得到的情況如表3所示。

對于對照組2的學生，研究中心同樣利用智能仿真學習機的功能來進行檢驗。與對照組一進行同樣的操作，將其在研究期間每天自主完成的各科課后作業上傳至智能仿真學習機上，讓智能仿真學習機進行分析，得到的情況如表4所示。

從表2和表3的對比中，可以看出，相比于使用了智能仿真學習機和智能自習室的學生，未使用智能仿真學習機學習的學生課業準確率較低，并且其掌握錯題數較多，已掌握知識點也較少，未使用的學生的總體作業學習情況沒有使用了的學生好，可見智能仿真學習機對于學習還是有所幫助的。

由表4可知，未參與使用智能自習室和智能仿真學習機且未參與學校課后學習的學生學習情況沒有使用了智能仿真學習機和智能自習室的學生好，同時也沒有未使用智能仿真學習機學習但參加了學校課后學習的學生好，這說明不論是智能自習室和智能仿真學習機的使用，還是學校課后學習的效果，都對學生的學習情況有影響而且是正向的影響。

通過對比實驗組和對照組的學習在課業平均準確率、掌握錯題、已掌握知識點、掌握較差知識點來分析其大致的學習情況，由圖3可見。在課業平均準確率方面，參與使用智能自習室和智能仿真學習機的組相對較高，說明其在這方面對學生有明顯的幫助；在掌握錯題方面，由于智能仿真學習機的消滅錯題功能，大大提高了學生的掌握錯題數，可見效果也不一般；在掌握知識點方面，使用智能自習室和智能仿真學習機學習的學生情況也較其他兩組學生較好?？傮w而言，在學校進行課后學習并且參與使用智能自習室和智能仿真學習機的學習效果是不錯的，能提高學生的作業準確率，幫助學生掌握更多的錯題及知識點，從而對學生學習有一定的促進作用。

2022年1月21日，研究中心對使用智能自習室和智能仿真學習機的10名學生進行網絡問卷調查，內容包括學生基本信息，對智能仿真學習機功能的評價、學習效果評價和開放性問題。經過調查，得到如圖4所示的結論。

研究中心發現所有的學生都認為智能自習室比傳統自習室更具有吸引力，90%以上的學生對智能仿真學習機使用任務完成制表示很滿意，80%的學生對智能仿真學習機對于任務設置時間提醒感到很滿意。對于學習機可以向任課老師提問，90%的學生都對此功能很滿意。80%的學生對學習機可以拍照標注疑難題目的功能表示很滿意。70%的學生對于學習機可以根據錯題推送匹配度高的題目這項功能表示滿意。智能自習室可以適當開放網絡，90%的學生對此功能表示滿意。

在學習中遇到問題時，有30%的學生上網找答案，50%的學生現場找教師，20%的學生使用學習機做疑難標記發送給教師。使用智能自習室的學生中有一部分學生平時比較靦腆，幾乎不會主動詢問教師作業，研究表明，還是有20%的學生使用學習機做疑難標記發給教師，說明學習機可以在一定程度上幫助學生緩解膽怯心理，積極提問。

對于智能仿真學習機的多項功能，90%的學生認為“任務完成制”功能有利于提高他們的學習效率，超過60%的學生認為，任務有計時功能、在線提問各科老師、拍照上傳作業時可標注疑問、錯題匯總及智能推送匹配度高的題目，以及定時開放網絡對提高他們的學習效率都大有幫助。結果可見圖5。

為了檢驗智能仿真學習機和智能自習室的使用效果，在教學實驗之后，還需分別對對照組和實驗組再次進行智能仿真學習機使用情況的后測，收集并分析研究對象在不同的學習條件下，學生學習情況的變化，以此作為研究有效的依據。

對比了實驗班的10名學生期中考試和期末考試各科總分和年級里的相對位次，這10名學生初次進入智能自習室剛好在期中考試時。由表5可見，實驗組在實驗前后有明顯差異的變化，對照組1、對照組2則變化相對不大。

通過對比實驗組兩次考試的數據，結果由表6所示。研究中心發現，表中的三個維度的P值均小于0.05，因此對照班和實驗班在后測數據上是存在顯著差異的。因此可以知道，10名學生中有7名學生期末考試各科總分和在年級里的相對位次均比期中考試有不同程度的提高，而這三位期末考試成績未見提升的學生，在期末考試期間均存在較為緊張、心態不穩等主觀因素。

4" 應用極限及對策

受各種條件因素的影響，此次研究的實驗時間相對有限，選取的樣本數量較少，故可能在一定程度上影響了實驗的全面性和準確性。前期進入智能自習室學習的學生只有10名，在使用智能自習室和智能仿真學習機后，這10名學生對于人工智能可以幫助自己提升學習效率基本是認可的，大部分學生學習成績也獲得了一定的進步，但是由于智能仿真學習機還處于開發階段，還未大面積鋪開讓更多的學生使用，接下來的階段，將在學校讓更多的學生參與體驗。

智能仿真學習機對于學生在作業中出現的錯誤進行不斷分析，為精準定位學習者未掌握的知識點提供了有利條件。但是目前智能仿真學習機只針對學生的錯題進行匯總分析，再推送匹配度高的題目和學生未掌握的知識點講解，讓學生自主學習和理解，卻沒有為學習者開發出針對不同知識點的推理過程，學習者很難通過觀看、探究等方式和教師或者智能機器人互動來彌補知識缺漏。未來智能仿真學習機可以推出在線教師講解知識點或者讓教育機器人輔導學生來解決這一難題。

通過使用智能仿真學習機，研究中70%的學生成績有所提升，說明人工智能可以有效提升學習者的知識與能力，但30%的學生由于存在期末考試緊張和心態不穩等情感與態度方面的問題，人工智能未能及時提供相應的支持和幫助。美國心理學家維納認為，人的活動成敗受六個因素的影響，即能力高低、努力程度、任務難易、運氣好壞、身心狀態和外界環境。學生考試緊張和心態不穩與學生身心狀態有關，是屬于內部、不穩定且可控的因素。如果教師或者智能機器人能及時發現，將可以立即對學生對癥下藥、改進教學，實現因材施教的目的。因此，在保護學生隱私的前提下，進行情感計算，為學生提供情感與態度、方法與過程的呵護和陪伴，將是未來智能仿真學習機研究的一個重要方向。

5" 結束語

智能自習室和智能仿真學習機以各種人工智能技術作為支撐，自動批改學習者作業，解答學習者疑問，精準定位學習者薄弱知識點，為學習者提供個性化學習方案，實現了“因材施教”的理想教育理念。智能仿真學習機利用人工智能技術，融合了線上與線下的教育和學習方式，為學生課后減負增效作出了有效的嘗試。在保護學習者隱私的前提下，未來人工智能將在更大程度上滿足學習者的個性化學習需求，為學習者提供更多情感支持，教師在注重對學生知識傳授的同時也將更注重學習指導和品德育人。

6" 參考文獻

[1]賈積有.人工智能賦能教育與學習[J].遠程教育雜志，2018，36（1）：39-47.

[2]教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知

[A/OL]. （2018-04-18）[2023-09-21]. http：//www.moe.

gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_33

4188.html.

[3]魏軍.“雙減”背景下提升小學課后服務質量的策略[J].教書育人，2023（2）：15-17.

附錄1：

智能自習室使用調查問卷

親愛的同學：

您好！忙碌的一學期工作已經結束，感謝您對智能自習室的支持！一直以來智能自習室致力于促進人工智能教育、學習和體驗的深度融合，加速新時代智慧教育創新發展與應用。為提高您在自習室的學習質量和學習體驗，誠邀您填寫使用感受，您的反饋與建議是我們前行的動力。

1.您的姓名：______________

2.您所在的學校：____________

3.您所在的年級：_______________

4.您所在的班級：__________________

5.學習機采用任務完成制，我會較感興趣去學習。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

6.我希望有人提醒我作業任務。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

7.當學習機中任務有時間提醒時，我會盡快完成任務。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

8. 學習機中任務有計時功能，對我學習有輔助作用。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

9. 學習機可以向各科教師提問，我會積極進行提問。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

10.遇到難題時我會利用智能學習機進行

解決。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

11.我在學習機拍照上傳作業時會進行標注疑問。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

12. 學習機可以對錯題進行匯總并智能推送匹配度高的題目，對我的學習有幫助。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

13. 人工智能題庫的推送頻率適中，不會影響我的學習節奏。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

14. 我認為智能自習室可以適當開放網絡。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

15. 智能自習室定時開放網絡，提供電子游戲時間，我會更樂意去學習。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

16. 我認為人工智能自習室比傳統自習室更具有吸引力。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

17. 目前智能自習室學習機的眾多功能，您認為以下哪個功能有助于您提高學習效率？（可以

多選）

A. 采用任務完成制

B. 任務有時間提醒

C. 任務有計時功能

D. 在線提問各科教師

E. 拍照上傳作業時可標注疑問

F. 錯題匯總及智能推送匹配度高的題目

G. 智能自習室值班老師控制網絡

H. 定時開放網絡

18. 您更喜歡學習設備的界面是哪一種“畫風”？

A. 小清新（現有的）

B. 炫酷風

C. 卡通

D. 中國風

E.其他__________

19. 您有使用過學習軟件或者設備嗎？

A. 步步高

B. 科大訊飛

C. 作業幫APP

D. 大力學習燈

E.其他__________

20. 我會希望家長了解自己的學習進度。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

21. 我會希望家長了解自己每日學習時長。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

22. 我對本校開設的人工智能自習室內容經常與父母交流。

A.非常不符合

B. 不符合

C. 不確定

D. 符合

E. 非常符合

23. 您對智能自習室還有哪些建議？

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