人機協同教育：未來教育發展的必由之路

方海光

首都師范大學教育學院教授、博士生導師，北京師范大學兼職教授。北京市教育大數據協同創新研究基地主任，教育部數學教育技術應用與創新研究中心主任，中國電子教育學會青少年教育專委會主任。研究方向為人工智能教育、教育大數據、教育機器人、數學教育技術等。

魏寧

北京市東城區教育科學研究院研修員，《中國信息技術教育》雜志特約撰稿人/專欄作者。

人機協同教育：基本理念與分類框架

魏寧：方教授您好，近年來，數字技術的發展進入了“快車道”。特別是隨著生成式人工智能的爆發，人與機器之間未來將呈現怎樣的關系成為大眾津津樂道的話題，折射在教育領域，就演變成了“教師與機器之間的關系”的討論。但就我的理解，自從技術進入教育領域以來，人機關系就被不斷討論著。您如何看待教育領域人機關系的發展脈絡？

方海光：是的，近年來人工智能的快速發展，讓人機關系成為一個熱門話題。但其實這并不是一個新鮮的話題，即使在教育領域，對人機關系的討論也由來已久。隨著技術自身的發展，“人機關系”里面的“機”至少經歷了四個發展階段：

第一個階段是\"工具\"階段。工具相對于教師的關系，反映在教學中就是教師使用的教具，如黑板、粉筆以及幻燈、投影、電影、電視等電化教學工具，反映在學生的學習中就成了學生使用的學具，如鋼筆、直尺等。這時，人是工具的制造者和使用者，占據絕對主導地位，而工具只處于輔助的地位。

“人機關系”里面的“機”至少經歷了四個發展階段：第一個階段是“工具”階段，第二個階段是“計算機”階段，第三個階段是“人工智能”階段，第四個階段是“超級智能”階段。

第二個階段是“計算機”階段。計算機就不是一般意義上的工具了，它具有高速的運算功能和強大的記憶功能，可以幫助教師完成那些重復性、機械性的工作，減輕教師的負擔。在這時的人機關系中，機器已經成為教師的好幫手。

第三個階段是“人工智能”階段。處于“機”的位置的人工智能，擁有更加強大的功能，能夠完成更多復雜的任務，并且能夠更好地與人類教師進行交互。這時的人機關系強調的是在保證教師主體地位的前提下，充分發揮人工智能的優勢。

第四個階段是超級智能”階段。隨著人工智能的快速發展，可以預見，在不久的未來，“機”將擁有更強大的學習、推理、解決問題、創新乃至自主決策的能力，其智能也將超越人類，成為名副其實的“超級智能”。彼時的人機關系必將出現顛覆式的改變，人類教師不得不更多地考慮超級智能帶來的倫理、法律等問題，并做好風險預防。

魏寧：今天，我們無疑已經處在從“人工智能”到“超級智能”的發展階段，人機關系也必將被賦予全新的意義。對于教育而言，您如何看待未來的人機關系？

方海光：剛才我們談到了教育領域中人機關系的歷史脈絡，不難發現，隨著機器也就是技術的不斷發展進步，隨著人類與機器在教育領域交互的日益深入，人類智能和機器智能之間的界限也將逐漸被打破，更多的雙向賦能和深度協同將重塑人機關系，推動人類與機器之間形成高度融合和動態互動的協同關系。

具體到人機協同的過程，一方面人類將自身的行為、偏好、意見、情感轉化為數據流，反饋給機器系統，另一方面機器也會將自身的行為、性能、傾向、決策轉化為數據流，反饋給人類系統。通過控制、傳輸、交互、行動等環節，使得人類和機器能夠實時了解彼此的狀態，設定共同的教育目標，執行各自的任務，并且協調彼此的意圖、行動和認識。

這是一個不斷循環的過程，人類和機器通過觀察和學習對方的智能強化自身的能力，同時也調整自身的行為和策略，以便更有效地配合對方，從而在更廣泛、更復雜的任務中實現高效協同。

魏寧：確實，人機協同教育是一個值得期待的美好前景。具體到當前的教育環境中，有哪些可以應用的主要場景呢？

方海光：人機協同教育能夠廣泛應用于多元的教育教學場景中，我們可以簡要列舉如下：

人機協同可以賦能教學場景，綜合教師智慧和機器智能的核心優勢，優化、創新教學目標、教學設計、教學實施、教學評價等教學全過程。例如，在教學目標的制訂上，借助大數據與人工智能技術獲取、分析學生的學習數據，輔助教師熟悉學生的學習起點，從而設計出更符合學生實際、能夠促進學生發展的教學目標。在教學活動的設計上，教師可以借助大模型，設計并優化教學內容、教學方法、教學案例以及各種學習單。在教學實施過程中，各種教學智能體已經得到了廣泛的應用，而智能教學機器人可以扮演智能導師、智能助教、智能學伴等多種身份。在教學評價上，人工智能在數據分析、實時反饋、預測評估等方面同樣不可或缺。

除了教學場景外，人機協同在學校管理、教科研、德育、心理健康咨詢等方面也有著廣闊的應用前景，為提升學校教育質量、推進個性化教育、培養學生綜合素質帶來了新的可能性，必將推動學校整體變革和進步。

從人機協同的組織形式和實踐樣態來觀察，從“人”的維度可以劃分為教師和學生兩類角色，從“機”的維度可以劃分為數字孿生、虛擬化身、智能機器人三類形態。兩個維度通過兩兩組合，形成六種人機協同教育的類型。

魏寧：今天，以人工智能為代表的數字化技術的迅猛發展，正在快速改變著技術賦能教育的格局，新技術的不斷涌現，讓人機協同教育的美好場景加速落地。從您的觀察來看，人機協同教育有哪些值得期待的新樣態？

方海光：上面我們談到了人機協同教育擁有廣泛、多元的應用場景，面向未來，技術會不斷更新，但如果從人機協同的組織形式和實踐樣態來觀察，大致可以按如下的視角分類：

我們分別從“人”“機”兩個維度進行考察，從“人”的維度可以劃分為教師和學生兩類角色，從“機”的維度可以劃分為數字孿生、虛擬化身、智能機器人三類形態。兩個維度通過兩兩組合，形成六種人機協同教育的類型—一教師與數字孿生協同、教師與虛擬化身協同、教師與智能機器人協同；學生與數字孿生協同、學生與虛擬化身協同、學生與智能機器人協同。

魏寧：您能舉例說明一下每種人機協同教育類型的具體情形嗎？

方海光：好的，我們從“機”的角度來逐一說明。

首先是數字孿生，數字孿生是物理世界與虛擬世界之間的鏡像映射，由物理系統和虛擬系統構成，數據在兩個系統間流動，實現雙向集成。師生與數字孿生的協同指的是與數字孿生緊密協作，共同完成教學或學習任務，這時數字孿生與師生本人在物理空間上是完全分離的。例如，教師利用基于數字孿生的機器人遠程操作平臺，進行遠程編程指導。學生借助數字孿生在虛擬實驗室中模擬真實實驗過程，通過交互操作，理解實驗原理，提高問題解決能力。

虛擬化身指的是一種可感知的數字表示，是特定的人實時執行行為的某種反映，從某種意義上來說，基于生成式人工智能形成的智能體就可以看作我們的虛擬化身。例如，在視頻教學中，教師可以通過虛擬化身與學生展開對話和互動。而虛擬化身在與學生協同時，更多扮演的是導師角色，即通過對學生學習狀況的診斷，為學生定制個性化的學習方案。虛擬化身還具備情感交互功能，可以通過語音、表情等方式傳遞積極情緒，緩解學習壓力。

智能機器人比較好理解，就是外觀和形態與人類相似，能夠與師生進行互動，并且可以扮演導師、同伴等角色的實體機器人。教師可以和智能機器人配合開展教學，提高學生的學習興趣，增強互動性，在某些學習任務中，智能機器人還可以擔任教師的角色。學生可以把智能機器人當作“智慧學伴”，實現答疑解惑、學習陪伴等多種效果。

上述六種人機協同教育的類型在教學中會因教學需求、場景的變化而變化，形成一個多元、復雜的人機協同教育系統。在實踐中，需要從系統視角出發，促進系統中各要素之間的和諧共生，讓人機協同教育取得最優效果。

人機協同教育：實踐案例與效果反饋

魏寧：上述六種人機協同教育的類型，有些已經進人教育實踐中，并且有著不錯的發展勢頭，如虛擬化身在基于生成式人工智能的教學智能體中的體現、數字孿生在一些理科虛擬仿真實驗室中的應用等等。但總的來說，這些人機協同教育的實踐應用還處于起步階段，特別是智能機器人進入課堂的案例尚不多見。從技要想讓智能機器人進課堂，需要從機器人硬件制造、教育軟件開發、教育內容提供到教育系統集成，形成一個完整、成熟的產業鏈。

術角度，打造一個“機器人教師”需要做好哪些方面的準備工作？

方海光：是這樣的，隨著以人工智能為代表的新技術的快速發展，人機協同教育正逐步顯現出獨有的優勢，實踐應用不斷推陳出新，重塑了傳統的教學模式。

近年來，在上述六種人機協同教育類型中中，我們也進行了若干實踐探索。具體到智能機器人的教學實踐中，確實需要一定的實施條件。

因為一個可用于教學的智能機器人，除了要有一個機器人的實體，還要有大量的教育專業的內容支撐。從技術角度，它涵蓋了機器人制造、知識圖譜、教育領域垂直大模型等關鍵技術，同時，在教育內容開發、教學策略設計、教育心理應用等專業化方面的支持也尤為重要。只有把技術和教育專業內容進行有效整合，才能讓智能機器人在教學活動中發揮出應有的作用。此外，在實施中還需考慮到智能交互、情景感知等技術的運用，以及社會接受度、倫理道德與法律等方面的影響因素。

總的來說，要想讓智能機器人進課堂，需要從機器人硬件制造、教育軟件開發、教育內容提供到教育系統集成，形成一個完整、成熟的產業鏈。雖然，自前還只有小范圍實驗性質的探索，但我相信，以中國現階段的機器人技術、大模型技術的發展勢頭，加上從國家到各地區對教育數字化、人工智能教育的重視，“機器人教師”出現在課堂上已經不是一件遙遠的事情了。

魏寧：您能否為老師們呈現一個完整的智能機器人的教學案例，供大家參考？

方海光：好的，我和大家分享一個人機協同的“雙師課堂”案例，它屬于基于智能機器人的人機協同教育，其中出場的機器人教師“小娜”是我們團隊研發的智能機器人。

該教學案例是某校六年級的一節語文課，題目是《六月二十七日望湖樓醉書》。值得一提的是，本節課的教學設計，包括教學流程的規劃、教學內容的整合、教學資源的推薦，都是在小娜幫助下完成的，大大提高了課前準備的效率和質量。

本節課一開始，授課教師就向全班同學介紹了智能機器人“小娜”，小娜向同學們自我介紹：“同學們好！我是小娜，在上課的過程中，我會盡力幫助大家，希望和大家一起度過愉快的40分鐘，現在讓我們一起來探索知識的奧秘吧。”

接下來，小娜出示畫面，請學生猜測對應的古詩句和詩人，在同學們爭相回答后，小娜根據大家的回答進行總結，并對學生的表現做出評價。通過機器人教師與學生之間的互動游戲，在增加課堂趣味性的同時，幫助學生了解詩人和詩句，漸漸進人古詩的意境。

下一環節是詳細解析《六月二十七日望湖樓醉書》以及詩人蘇軾，在此過程中，機器人教師小娜向學生出示蘇軾的生平、時代背景及其政治遭遇，并生成蘇軾生平的時間線，幫助學生理解詩歌內容與蘇軾個人經歷之間的緊密聯系。在學生回答問題后，小娜對學生的評價再次進行總結。

本詩寫的是雨，很多詩人都曾以雨為題材進行創作，為了拓展學生的視野，同時為了將不同詩歌中的“雨意”進行對比，課堂中進行了一場以“雨”為主題的飛花令游戲。游戲的方式是由小娜隨機生成一個數字，對應學生的學號，選中的學生與小娜進行飛花令游戲，看誰說得又快又準，這也是本節課的高潮，讓學生興味盎然。

以上我重點呈現了本節課中智能機器人的表現，就整節課來說，圍繞教學目標，人類教師與機器人教師展開緊密配合，順利完成各項學習任務，智能機器人的引入，也給課堂教學增添了新的活力。

魏寧：課后老師和同學們的反映如何？

方海光：在本節課后，我們第一時間對教師和學生進行了訪談。授課教師表示，智能機器人的加入，讓課堂的對話深度明顯加強了，也有助于學生更好地理解古詩的背景、意境，詩人的經歷、情感，對教學目標的實現提供了很好的助力。學生們則普遍認為對這種新穎的教學方式有濃厚的興趣。

本節課的聽課專家也對人機協同的“雙師課堂”給予了高度評價，認為智能機器人在動態化資源生成、現場互動答疑等方面表現出色，這一創新的教學形式極大地激發了學生的學習興趣，改變了傳統的教學方式和師生關系。

同時，大家也都表示，期望未來智能機器人能具備更強大的情感支持功能。

人機協同教育：教師準備與未來展望

魏寧：您向我們介紹了人機協同教育在組織形式和樣態上的分類，也分享了智能機器人的教學案例。人機協同教育突破了傳統教學的模式，也給教師帶來了全新的挑戰。通過您的研究和實踐經歷，您覺得在人機協同教育的過程中，教師應做好哪些準備，才能保障人機協同教育的成功實施？

方海光：人機協同教育絕不僅僅是簡單地在課堂上增加了“機”這樣一個角色，不論是教學智能體，還是智能機器人，它們的引入，都突破了原有的教學空間，重塑了課堂中師生的認知方式、行為模式，推動課堂教學向更加智能化、個性化、高效化的方向邁進，進而變革課堂教學。

因此，以智能機器人為代表的人機協同教育對教師提出了更高的要求，教師要想駕馭人機協同教育、取得理想的教學效果，就必須超越單一的技術層面，深入探索、構建以教學目標、需求為導向，以教學效果為核心的人機協同教學設計，真正實現人機在課堂中的深層次融合。

以智能機器人為例，教師首先要做的是明確教學內容，確定本節課的教學主題和任務。不同的教學任務會指向不同的應用場景，如新授課注重知識傳授、作業課側重學生獨立完成作業、復習課側重幫助學生鞏固所學知識、實驗課側重科學探究和實踐操作，這將為智能機器人應用場景的選擇提供依據。

其次，要選定教學方法，需綜合考慮教學目標、教學內容、學生情況、資源狀況等因素。在明確教學內容、方法的基礎上，厘清教學需求，依據需求選擇適配的智能機器人應用場景。例如，智能機器人可以勝任陳述性知識的講解，那么在新授課中，可以在情境導入時扮演教師角色等。

總之，智能機器人自身的功能決定了它能夠勝任的場景，而教師將決定這些場景匹配哪些教學內容與教學方法。數字孿生、虛擬化身的應用也應遵循同樣的思考模式。

魏寧：當人機協同越來越多地出現在教育教學場景中時，教師還是非常需要一個能夠幫助自已進行人機協同教學設計的思考框架，這方面您有什么好的建議？

方海光：是的，教師在開始嘗試進行人機協同教育的時候，非常需要一個好的支架來幫助自己構建一個有效的人機協同教學設計方案。著名教育心理學家和教育技術學家羅伯特·加涅曾提出過“九大教學事件”理論，該理論在人機協同時代，教師的協同素養和能力至關重要，提升教師的協同素養也是應對人機協同教育的必然要求。

為傳統教學提供了清晰的結構框架，提升了教學活動的連貫性和有效性。我認為，在人機協同教育中，加涅的“九大教學事件”理論依然可以為教師提供適用的、有效的指導，幫助教師建立起人機協同教育的應用框架。在這“九大教學事件”中，數字孿生、虛擬化身、智能機器人都能不同程度地實現相關目標，為了便于敘述，我就把它們統稱為“智能機器”，下面具體予以說明。

1.引起注意。在人機協同教育中，“引起注意”包含兩個層次的含義：第一，引起學生的注意，智能機器可以吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，從而營造出更積極的學習氛圍，讓學生沉浸其中，進入深度學習狀態；第二，引起教師的注意，為教師實時提供學生的學習數據，以便教師及時介入，并對學生進行個性化指導。

2.定制學習目標。在人機協同教育中，學生的學習目標會隨著學習進程的推進和學生能力的提升不斷調整，智能機器將為教師提供學生的表現數據，教師保障學習目標始終位于學生的“最近發展區”

3.規劃建橋路徑。教師在智能機器輔助下，深入了解學生的原有知識基礎，策劃多樣化的學習活動，以保障學生順利將新知識融入已有知識中。在這一過程中，智能機器可以提供關鍵的個性化習題、互動思維導圖以及其他創新性學習工具，更好地激活學生的記憶，為新知識的學習搭建“穩固的橋梁”。

4.呈現學習內容。智能機器將遵循學生的認知規律，依據學生的不同學習風格和需求，以多樣化的方式呈現學習內容，保障學生的學習體驗。

5.提供學習指導。智能機器可通過數據分析和推薦算法，為學生提供定制化的學習材料和個性化指導，并根據學生的實時反饋，動態調整學習材料的難度和范圍，確保學習活動位于學生的“最近發展區”。

6.引發行為表現。智能機器可以通過練習、體驗、探究等不同的活動方式評估學生的認知水平，從而為教師提供反饋，教師基于反饋結論，設計更具針對性的教學活動，回應學生的學習行為表現，促進學生認知進階。

7.適時給予反饋。在人機協同教育過程中，反饋連接了智能機器、教師和學生三者。其中，智能機器對學生的反饋能夠為學生提供及時的指導和建議，而智能機器和教師之間的相互反饋則是人機協同教育中反饋機制的核心。

8.評估學習結果。智能機器可以通過在線測試或作業自動評分系統，對學習結果進行評估，不但減輕了教師的工作負擔，還提高了評估的效率和準確性。

9.鞏固遷移。智能機器通過高度仿真的模擬環境，為學生提供接近真實世界的實踐環境，引導學生將所學知識應用到新的情境中，達到鞏固知識和遷移的目的。

一次完整的人機協同教育教學的實施，是以構建框架為基礎，逐步厘清教師、學生、智能機器三者在上述“九大教學事件”中的協同形式，從而得以順利開展的。

魏寧：我們相信，隨著技術的不斷進步，人機協同教育將呈現出更加廣闊的前景。但與此同時，人機協同教育也會給教師帶來更大的挑戰，您認為，人機協同教育對教師提出了哪些新要求？

方海光：任何時代的課堂，教師都是核心角色，人機協同時代也不例外。在人機協同時代，教師的協同素養和能力至關重要，提升教師的協同素養也是應對人機協同教育的必然要求。

具體來說，教師需要具備熟練的技術應用能力，知道如何開展人機協同教育的教學設計、實施與評價。其核心是，要充分理解人機協同教育對傳統教育教學方式帶來的變革，人機協同強調的是人類與智能機器間的緊密合作，利用技術構建一個更具互動性、個性化的學習環境，提升學生的學習參與度和深度，實現教學過程的優化、創新，這是教師協同素養的重要表現。

為了有效應對人機協同教育，有必要對教師開展相關的專業培訓，培訓內容包括人機協同教育的基本概念、原理，人機協同教育的相關技術、方法等。學校要加強基于人機協同“雙師課堂”的教研活動。我們還建議各地區、學校在準備實施人機協同教育時，出臺相應的“人機協同教育應用指南”，以幫助教師更好地開展人機協同教學設計。

魏寧：人機協同教育的逐步開展，無疑將對未來的課堂教學乃至學校教育產生沖擊和影響。您如何看待人機協同教育給未來教育帶來的變革？

方海光：在即將到來的人機協同時代，人與智能機器“雙師”課堂的出現，將推動傳統教學模式的變革與重構，這無疑將給課堂教學帶來深刻的變革。

首先，教師角色將發生深刻轉變。在人機協同教育中，教師不再僅僅是知識的傳遞者，智能機器可以在一定程度上分擔教師的教學工作。但是，我們必須看到，當前的智能機器還無法真正理解學生的內在需求，也無法感知學生的實時情感變化，這些還只能通過教師的觀察來把握。更為重要的是，教師要成為學生價值觀念的引領者、正向情感塑造的導師和創新思維的啟發者。例如，針對某歷史事件的討論，教師能夠引導學生多角度地審視問題，培養學生的批判性思維和多元文化理解能力，這樣的深度思考、價值引領，目前的智能機器還難以勝任。

這也告訴我們，在人機協同時代，教師的作用依然是不可替代的，智能機器釋放了教師的潛能，教師應更加專注于學生核心素養的培養、價值觀的塑造、情感態度的引導以及創新能力的激發。

其次，學習方式將發生深刻轉變。不論是數字孿生、虛擬化身還是智能機器人，它們的引入，都將打破傳統課堂的時空限制，重塑學生的學習模式與路徑，給學生營造出全新的、更具沉浸式的學習環境。這樣的學習環境更有利于基于真實情境的項目式學習的開展，更有助于團隊合作以及人機共研解決問題，從而培養學生的創新意識和實踐能力。

魏寧：最后，您對人機協同教育的前景有何展望？對人機協同時代的教師有何期待？

方海光：展望未來，人類與智能機器深度融合的人機協同教育將成為教育發展的必由之路。在人機協同時代，學生、教師、智能機器之間將構建起一個新型的學習共同體，即新型的人機協同“三元課堂”。三者通過不斷地交流、研討以及彼此的分享，實現共同進步與成長，這將是一個“人機共生”的時代，也必將是一個創造力勃發的時代。

但需要我們牢記的是，人機協同的本質不是智能機器替代人，而是讓智能機器成為教學中師生最靠譜的“隊友”和伙伴。

魏寧：感謝方教授和大家分享關于人機協同教育的思考，希望對老師們有所啟發，也期望更多的老師勇于嘗試、探索人機協同教育這一全新的教育教學方式，不斷創新教育教學新樣態。

方海光：感謝《中國信息技術教育》雜志對人機協同教育的關注，期待更多的中小學教師成為未來人機協同時代的領跑者和引路人。