人工智能支持下的教学设计框架与实施

赵慧臣 马佳雯 张娜钰

摘   要：目前研究多从人工智能视角分析人工智能如何融于教育、改善教育以及未来教育发展趋势，如何从教育视角落实人工智能改革创新教学的研究相对薄弱。文章比较人工智能在不同行业的应用方式、应用程度，发现人工智能的教育应用采用度低，人工智能与教师教学应用能力息息相关，人工智能赋能教学价值需要从教学系統角度分析。根据教学系统设计原理，人工智能支持下教学设计框架应该包括：开展学习需求分析，发现学生现有技能与就业需求的差距;检测、跟踪及优化教学过程，提高课堂教学有效性;反馈科学全面的评价，实现个性化教学;发展人机协作教学，革新传统教学模式。实施人工智能支持下的教学设计，应分析学习者特点和教学需求，选择适当的人工智能技术;构建人工智能教育数据平台，提供学情分析的数据;整合人工智能技术于教学，追求教学过程最优化;借鉴人工智能应用案例，优化人工智能创新教学设计;提升师生人工智能素养，建设开放共享的教学文化。

关键词：人工智能;教学设计;实现路径;个性化学习

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）13-0007-07

一、引言

人工智能具有无限的开发潜力与应用价值，各个领域纷纷探索人工智能的运用价值，紧跟科技的前进步伐，适应人工智能的发展趋势。从表1中发现，人工智能在不同行业扮演的角色不同，创造价值的方式不同。由于教育的非盈利性，人工智能的教育应用主要在项目、生产、供给三个方面创造价值。目前教育大多运用人工智能的自然语言处理和计算机视觉技术提高教育质量：在项目上运用自然语言处理评估学生表现的新标准重塑教育结构，帮助教师分析预测就业市场的人才需求，从而调节教学，弥补现有技能与就业需求的差距;在教学过程中，通过计算机视觉及时识别学生脱离“队伍”迹象，提高学生兴趣和保留率，自动化教师的日常任务，释放教师的附加价值;在教学效果上，树立学生的自我意识促进学生的个性化学习，实现虚拟教练和虚拟导师，使智能虚拟教师逐渐成为现实。

人工智能赋能教育前景广阔。其中，面对教师空缺问题，人工智能是解决方案之一。联合国教科文组织估计，到2030年实现普及初等教育，全球将需要招募和培训2440万名小学教师和4440万名中学教师填补空缺。《教育部2019年工作要点》中提出，要在2019年实施教育信息化2.0行动计划，重点关注我国智能教育发展方案的制定。人工智能不仅仅解决了教师短缺的问题，同时也为教师利用技术实现个性化教学提供支持。如何在人工智能技术的支持下，更好地将其与教学设计相结合，提升课堂教学效果，扩大人工智能教育应用的影响范围，是一线教育工作者需要解决的重要问题。

二、人工智能支持下教学设计问题的提出

人工智能在教育中怎样发挥作用、具体应用于哪些教学流程，这些问题都值得思考研究。教师作为教育的一线践行者，面临人工智能的冲击与教学技能提升的挑战。人工智能与教育如何深度融合有待探讨，人工智能支持下教学设计如何开展亟待探索。

1.人工智能的教育应用采用度低，教学设计的重要作用值得关注

人工智能在不同行业的应用程度不均衡，如表2所示。横向观察，高科技和电信等数字化指数较高的行业发展基础坚实，整体上人工智能指数相对较高。而教育、医疗等数字化指数较低的行业中，人工智能投资力度较低，使用率相对偏低，推行进度缓慢。纵向对比发现，由于行业特点不同，人工智能应用的侧重点不尽相同。其中，汽车和装配行业中人工智能重点应用于运营;金融服务行业中人工智能重点应用于客户体验，这些均属于本行业内部较为核心的领域。可见，使用过数字人工智能的行业更容易接受和采用人工智能，从而成为人工智能先行者。人工智能作为数字化的转型应用将会加速数字前沿领域的发展，扩大行业或地区的采用者与落后者之间的差距。随着人工智能逐渐成熟与推广，不同行业进一步认识人工智能的价值，逐渐提高人工智能的接受度，提升人工智能的最大效能。

相对于其他行业而言，人工智能与教育的融合速度相对较慢。表2中显示教育领域的人工智能指数和数字化指数微乎其微，然而人工智能方面的花费较高且主要用于产品开发，有针对性的采用度低，人均人工智能资源也极少。教育领域虽然顺应了时代的发展趋势，积极引入了人工智能设备，但是未能与人工智能有效链接发挥其在教育中的功效。而作为教育教学的重要领域，教学设计如何在人工智能的支持下发挥其更大的效能;如何将人工智能与教师教学相结合，发挥人工智能在教学设计领域的重要作用，将提高教师对人工智能的教学应用效果，成为人工智能教学应用的重要命题。

2.人工智能与教师教学应用能力息息相关，教师如何开展教学活动亟待研讨

数字化程度与人工智能采用程度正相关，在数字化成熟度高的行业中，人工智能的普及程度最高。与数字化成熟度一样，不同行业的人工智能应用分为高等、中等、低等三个等级，如图1所示。教育、医疗等则属于低等人工智能应用行业，这些行业与生活密切相关且人与人之间的活动紧密，但是数字化成熟度低，在组织机构上的基础相对薄弱，人工智能应用没有明确的部署，未形成智能化产业链。

目前，教育行业的数据处于积累过程中，智能化机制仍处于起步状态，人工智能在教育的应用属于低等人工智能应用。若提升教育的数字化程度，发展教师群体的数字素养并提高教学应用能力至关重要。《教师教育振兴行动计划（2018—2022年）》提出，要推动以自主、合作、探究为主要特征的教学方式变革。中共中央、国务院颁布《关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见》强调教师要主动适应新人工智能变革，积极有效开展教育教学。人工智能作为新技术的代表，教师如何运用技术、如何把握教学与技术之间的平衡尤为重要。将人工智能新技术应用于教学设计之中、推进教学效果的不断优化，是信息化时代教师迫切需要提升的能力之一。

3.人工智能赋能教学价值，需要从教学系统角度加以分析

人工智能新技术在教育领域前景斐然，以系统观的视角对教育教学加以分析有利于人工智能与教育的结合。教育并不是人工智能应用的热点领域，借鉴人工智能率先应用者的特征，能更好地将人工智能运用于教育。人工智能率先应用者有这几个特征[1]——数字化成熟度高、集中于大型企业、核心活动中应用人工智能、注重增值而不是储存、高层对人工智能的支持。

结合人工智能应用先行者的特征，发现系统地将人工智能运用于教学成为推动人工智能教育应用的重要方式。人工智能的教学应用应该参照其他行业模式，即从教学系统角度分析，争取多方支持;寻求数字化程度高或人工智能先进的企业并与之达成合作关系，加速人工智能与教育的融合;增强与社区、教培机构的互动，推广人工智能的教育应用，探索新的教学方式与学习方法;落实文件政策、资金、设备等，营造人工智能教育应用氛围。人工智能应用于教师教学必将改变原有的教学范式，打破既定的教学平衡。教育不仅要发展学生的语言能力和逻辑思维，还应该通过适宜的方式使每个人获得其最好的发展。人工智能既是教师的助手，也是学生的私人教练，提供优质人才培养方案，切实扩大教育效益。

三、人工智能支持下教学设计研究的反思

人工智能的来临，社会对创新型、智能型、人工智能型人才的需求提高。人工智能影响下的教育教学改革趋势日益明显，深入发掘人工智能支持下教师教学的应用方式势在必行。梳理人工智能在教学设计方面的研究文献，可为构建人工智能支持下教学设计提供参考。

1.人工智能支持下教学变革的研究综述

研究者从不同维度开展了人工智能支持下教学变革的研究。①对于人工智能的教育应用模式，杨现民等分别提出补偿性教育（面向特殊人群）、替代式教育（针对常规业务）以及适应性教育（服务个性发展）三种教育模式。[2]梁迎丽等则将人工智能教育应用分为四种类型——智能导师系统、自动化测评系统、教育游戏与教育机器人。[3]②在人工智能协助教学方面，吴永和等提出了面向教师教学智能代理、辅助教师进行学情分析、依据学情进行自动备课。[4]余胜泉阐述了人工智能教师的12种未来角色，认为教师和人工智能将共同为学生提供精准的学习内容和活动。[5]③在人工智能实现个性化教育方面，范国睿认为教师在对学习数据分析以后，才可能真正实现“因材施教”。[6]吴晓如等认为人工智能将推动个性化教育从理念走向实践，实现学生学习的个性化、教师教学个性化与辅导个性化。[7]④在人工智能取代教师的争议方面，李栋提出人工智能扮演着 “教”的辅助角色，而不能替代教師的真实存在。[8]刘凯等指出未来人工智能教师工作的重点是有针对性地引入新经验，让学生掌握正确对待自己和他人的能力。[9]概况而言，学者对人工智能进行了讨论与多维分析，已关注到人工智能的教学应用方式。人工智能目前仍处于弱人工智能（单一领域、单任务）阶段，远未达到强人工智能（通用领域、多任务）水平。[10]

2.人工智能支持下教学设计研究反思

从目前研究者关注的焦点以及教育发展趋势可以看出，现在的教育正朝着智能化、精准化、个性化、泛在化的方向发展，传统教育方式与教育制度面临新的机遇和挑战。[11]教学设计是教学理论与教学实践之间的桥梁，同时也应伴随技术的发展而不断改进。只有进行一定的教学设计，人工智能才可能在本质上改进教育。[12]所以，推进人工智能与教育的融合要以教学设计为切入点，充分开展人工智能支持下的教学设计研究。

现有研究多从人工智能视角分析人工智能如何融于教育、改善教育，以及未来教育的发展趋势，缺乏从教育视角研究如何落实人工智能改革创新教学，以及如何帮助教师应用人工智能的研究。根据教学系统设计理论及人工智能的特点，建构人工智能支持下教学设计框架，可以引领教师在教学中应用人工智能，加快人工智能的教学实践应用。

四、人工智能支持下教学设计框架

“人工智能+教育”是“互联网+教育”的深化，拥有大数据、云计算等核心驱动力与深度学习、机器学习等关键人工智能的保障。因此，人工智能在教学设计的各个环节都支持实现多层次融合：辅助教师开展学习需求分析，依据需求确定学生学习目标，制定针对性的教学策略，选择适合的人工智能技术检测、追踪并优化教学过程，经过全程的跟踪记录自动进行作业测评，将学生的学习情况反馈于教师，如图2所示。

1.开展学习需求分析，发现学生现有技能与就业需求的差距

由于岗位要求不明确、学生自我定位较差、教育系统无法准确反映雇主需求、劳动力市场的阻力等，学生能力与岗位实际需求不能实现最佳匹配。人工智能借助大数据的支持，在收集数据、分析诊断、预测评估等方面具有巨大优势，可以强化人才供给与社会需求的联系。

一方面，借助人工智能形成的学情分析，教师可以有针对性地开展教学。计算机视觉人工智能跟踪记录学生的学习、生活，收集全面的数据信息，机器学习与自然语言处理对后台的大数据进行分析处理，考察和挖掘学生的心理行为特点，综合掌握学生习得的各项技能及全班学生的学情分布状况，获取详尽的学情分析报告。例如，通过面部表情、数字互动、群体互动和注意力跟踪等新指标，深度学习算法可以识别学习态度以及情感状态，并且可以针对学生情况予以实时支持。例如，一个名为iTalk2Learn的欧盟项目正在开发开源智能辅导平台，预计使用机器学习、用户建模和自然语言处理的组合，实现在整个辅导数学课程中与小学生交流对话。教师根据学生实际学习情况确定动态研培方向，使学生接受与社会发展相匹配的精准教育。

另一方面，人工智能可以在学生就业及改善教育系统和劳动力市场的联系方面发挥作用。人工智能通过搜集就业市场的详细需求、预测未来就业前景、准确评估学生表现、剖析学生自身能力与偏好，帮助学生了解社会中不同行业的工作内容、发展趋势与分布情况，有助于学生及早制定职业规划;协助教师了解学生所掌握技能与其心仪岗位需要的差距，调整课程结构和教学方法;或帮助毕业生充分发扬自身优势，智能化自动匹配就业市场中的招聘信息，提高人才和岗位的匹配效率与毕业生的就业率。

另外，协作对人工智能等数字人工智能来说尤为重要。教育领域需要与不同行业协作并建立伙伴关系，借助合作关系共同使用人工智能和资源、多元化教学媒体与人工智能教学场景，借助人工智能发展教育。[1]这就要求学校领导者认识到人工智能擅长什么，以及如何提高与人和机构合作的能力。

2.构建人工智能教育数据平台，提供学情分析的数据

人工智能大数据可以搜集每个学生在不同学习阶段的学习特点，形成合适的“个性化学习方案”。[1]例如，专门搜集学习行为数据的教育类平台“符号树”，为学生提供一对一的人工智能辅导，培养学生学科素养、思维能力、学习习惯等。教师借助平台的数据精准分析教学，可以更加尊重每个学生的个性，为因材施教提供可能性。

首先，学校应构建数据生态系统，推动教育应用。其次，开放构建数据标准，创建整合的、共享的数据库，实现网络平台的互通、衔接，促进信息之间的传递、融合。最后，教师必须高效利用人工智能进行互动交流，全方位了解学生，增强协作教学，共同优化彼此的教学设计。

3.整合人工智能技术于教学，追求教学过程最优化

人工智能辅助教学可以建设人性化学习系统，对学生的知识进行建模，使学习数据可视化，帮助教师，改善教学设计流程、改变教学方式。[1]人工智能与教学整合，必须对教学流程进行重新建构。教学流程的变化必然影响教师角色的变化，改造教学的变革管理比应用人工智能面临更艰巨的困难。我们需要考虑设定人工智能自动执行什么任务以及如何交接、使用教学成果，例如，虚拟代理和教师之间。

消除政府部门、研究者与教育工作者之间的壁垒，要把人工智能整合到教学流程，依据教学设计环节实现人工智能应用。教师要转变教学理念并主动转换自身角色，提升对人工智能的接受度;变更教学过程的主宰者身份，成为辅导者、监督者、引领者等角色;接受新的人工智能和教学模式，把握人工智能支持下的教育内容和工作重点，熟悉人机协作的教学流程;积极有效使用人工智能教育产品，引导学生形成新的学习方式。

4.借鉴人工智能应用案例，创新人工智能教学设计

积极分析、学习数字化技术成熟行业的成功的人工智能应用案例，与行业或学术界合作进行教学设计创新突破。重点开发已被证实可以大规模推广的有价值的实例并分析其使用范围，例如机器人过程自动化和机器学习等一些人工智能解决问题的应用。

然后，开展人工智能教育教学的探索与实践，推动教学模式、教学方法的改革创新;建立坚实的人工智能教学应用模式，并将其与教师发展战略联系起来。并且，设立人工智能教学应用案例，由点及面形成辐射效应，将促进人工智能创新教师教学活动。由有关部门和研究人员制订实施方案与计划，开展教师培训、应用指导，然后对教师应用人工智能的优势及局限性进行真实记录并剖析研讨，比对人工智能支持的教学设计与传统教育方式的教学设计效果，最终評选出人工智能教学应用模范教师，促进可推广的人工智能支持下教学设计的构建，激发教师对人工智能的热情。

5.提升师生人工智能素养，建设开放共享的教学文化

人们对人工智能教育应用的态度和观念会影响其教育产品的推广和应用，意味着建立一个开放共享的文化应该是优先考虑的事情。营造良好的社会和生态环境，建设支持人类和机器协作的开放共享文化，为学生、教师和各级教育管理者提供精准、便捷、以人为本的优质服务，最终形成“人工智能+教育”的生态系统。[14]因此，政府相关部门应给予资金、人力等支持，学校加强重视，提供教师培训、再学习机会，全面提高一线教师的人工智能素养;增设相关课程，突出学生素养培养;调整评价机制，明确学生素养发展导向。

为使教育行业从人工智能中获益、人工智能的教育价值得到进一步体现，以下几点至关重要：①学生和家长在人工智能解决方案中应扮演倡导者和顾问的角色;主动接受和学习人工智能，在学习过程中利用多种人工智能或产品进行高效的知识与信息管理。②教师和管理员应使用人工智能了解自己、反省自己，及时提高自身素养，持续进行个人专业发展。③决策者和监管机构应制定相关教育政策，为人工智能教育创建一个安全的、受保护的环境;倡导社会公众以一种更加理性的眼光看待人工智能，认识到人工智能在教育领域的重要作用，从而建设有利于人工智能稳健发展、开放包容的教学文化。

参考文献：

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（编辑：王天鹏）