作者：汪時沖、方海光、張鴿、馬濤
摘要
智能技術(shù)能夠加快教學方法改革，能夠促進學生的個性化學習，是未來教育的基礎(chǔ)。人機協(xié)同教育可以發(fā)揮教師與人工智能的不同優(yōu)勢，促進學生的個性化發(fā)展。未來學校如何促進教師與人工智能教育機器人作為“雙師”協(xié)同教學是值得研究的問題。因此，可以基于人工智能教育機器人的應(yīng)用場景，分析人工智能關(guān)鍵技術(shù)對教育機器人的支持，在云計算平臺基礎(chǔ)和邊緣計算環(huán)境框架下，構(gòu)建人工智能教育機器人支持的新型“雙師課堂”環(huán)境，進一步給出相應(yīng)的學習過程和應(yīng)用，并基于該課堂環(huán)境下人工智能教育機器人教學應(yīng)用實施的相關(guān)案例，探討課堂應(yīng)用效果及其相關(guān)措施。人工智能教育機器人是人工智能技術(shù)集成化，具象化的課堂體現(xiàn)，可以作為課堂中的另一名“教師”角色，形成一種新的人機協(xié)同的“雙師課堂”教學形態(tài)。在未來教育當中，教師需要熟悉“人機協(xié)同”智慧教學環(huán)境，開展注重“育人”的教學活動，同時培養(yǎng)學生“人機協(xié)同”的意識和能力，為人工智能時代社會的人才需求打下良好基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：人機協(xié)同；人工智能；智能教育機器人；新型“雙師課堂”；課堂教學
一、問題的提出
新一代人工智能環(huán)境下的教育機器人可以直接服務(wù)于中小學學生學習，啟動學習資源的靈活性，同時，記錄學習者的學習過程，監(jiān)督學習者的學習質(zhì)量，起到對深度個性化智慧學習的支持效果。[1]2016年，《全球教育機器人發(fā)展白皮書》將教育機器人分為機器人教育以及教育服務(wù)機器人，并指出教育服務(wù)機器人是具有教與學智能的服務(wù)機器人。[2]2017年7月，《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》指出“要利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式，教學方法改革，構(gòu)建包含智能學習，交互式學習的新型教育體系”。[3]2018年11月，《人工智能+教育》藍皮書分析了智能機器人可以支持智能學習過程，智能教師助理將替代教師日常工作中重復的、單調(diào)的、規(guī)則的工作。[4]
人工智能技術(shù)的進步，使得機器人智能化、人性化的特點也越來越顯著。[5]國外有研究指出，教育機器人主要用于提供語言，科學或者技術(shù)教育。[6]國內(nèi)有研究指出，教育機器人產(chǎn)品可以分為十二類，其中，應(yīng)用于家庭的，如，兒童娛樂教育同伴以及家庭智能助理，已有相關(guān)產(chǎn)品；課堂機器人助教和機器人教師尚處于概念性階段?？偟膩碚f，教育機器人可以在教學活動中扮演導師，工具或者同伴的角色。[7]
作為導師角色，麻省理工大學開發(fā)的教育機器人可以根據(jù)孩子的學習風格，個性以及游戲過程中的學習，情緒狀態(tài)而決定自己的行動，以更好地作為導師的角色來輔助孩子們進行學習。[8]作為同伴角色，有研究使用混合現(xiàn)實技術(shù)和教育機器人設(shè)計了一個具有真實場景的系統(tǒng)，教育機器人在任務(wù)中扮演真正的同伴互動角色，對最終的學生表現(xiàn)有積極影響。[9]作為工具角色，我國的機器人教育主要包括機器人競賽和機器人教學，機器人可以成為學生綜合能力提升和創(chuàng)新實踐能力發(fā)展的重要認知促進工具。[10]
在“人工智能+教育”時代，人工智能技術(shù)將作為未來教師工作的有機組成部分，通過人機協(xié)作，輔助其完成日常工作，實現(xiàn)高效教學。[11]“雙師課堂”作為協(xié)同教學的一個分支，最原始的形式是組織優(yōu)秀教師錄制教學資源光盤，配送到農(nóng)村中小學，部分替代了現(xiàn)場教學教師的教學任務(wù)。[12]2013年，人大附中，友成基金會以及國家基礎(chǔ)教育聯(lián)盟，在人大附中的初一數(shù)學教學中，正式實踐了“雙師課堂”的教學模式。[13]現(xiàn)在常見的“雙師課堂”，是由遠程的授課教師通過大屏幕對線下教室的學生實現(xiàn)直播授課，同時，線下有一位輔導老師在班內(nèi)負責維護課堂秩序、答疑、布置作業(yè)等工作，國內(nèi)諸多培訓機構(gòu)均是應(yīng)用此模式。也有研究提出“雙師”服務(wù)的概念，所謂“雙師”是指每位學生除了在校內(nèi)獲得本學校教師提供的面對面實體教學服務(wù)，還可以在課外借助網(wǎng)絡(luò)對自身學科問題和優(yōu)勢進行診斷的基礎(chǔ)上，為每個學科配備在線老師，提供一對一在線輔導。[14]
綜上所述，本研究中定義的新型“雙師課堂”，是指人工智能教育機器人和教師共同在課堂中承擔教學工作，是一種新型的課堂模式人工智能教育機器人承擔教師的部分教學任務(wù)，并提供個性化學習服務(wù)。國內(nèi)關(guān)于人工智能教育機器人作為課堂助教或者作為教師角色的研究較少，有關(guān)人工智能教育機器人所在課堂的課堂環(huán)境研究描述較為模糊。本研究旨在從已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析新型“雙師課堂”的環(huán)境，并構(gòu)建新型“雙師課堂”的學習過程，在如何開展教學設(shè)計和如何實施人工智能教育機器人支持的新型“雙師課堂”應(yīng)用方面進行探索。
二、人工智能教育機器人應(yīng)運而生
人工智能、語音識別及仿生科技三項技術(shù)，是發(fā)展教育機器人的關(guān)鍵技術(shù)。[15]人工智能作為交叉學科，其應(yīng)用領(lǐng)域歸納為計算機視覺，自然語言理解與交流、認知與推理、機器人學、博弈、機器學習等六大領(lǐng)域。
2018年，《人工智能標準化白皮書》中提到人工智能的關(guān)鍵技術(shù)有：機器學習、知識圖譜、自然語言處理、人機交互、計算機視覺、生物特征識別、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實。[16]（1）機器學習是現(xiàn)代智能技術(shù)中的重要方法之一，研究從觀測數(shù)據(jù)（樣本）出發(fā)尋找規(guī)律，利用這些規(guī)律對數(shù)據(jù)或無法觀測的數(shù)據(jù)進行預測。根據(jù)學習模式、學習方法以及算法的不同，機器學習分為有監(jiān)督學習、無監(jiān)督學習和強化學習。（2）知識圖譜，本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)化的語義知識庫，是一種由節(jié)點和邊組成的圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以符號形式描述物理世界中的概念及其相互關(guān)系，其基本組成單位是“實體—關(guān)系—實體”三元組，以及實體及其相關(guān) “屬性—值”對。（3）自然語言處理研究，能實現(xiàn)人與計算機之間用自然語言進行有效通信的各種理論和方法。如何理解和產(chǎn)生人類自然語言，包括語音和文字兩種形式，而文字又包括詞語形態(tài)、語法、語義、語用和篇章五個層次，相當于提高計算機的語言智能。（4）人機交互技術(shù)除了傳統(tǒng)的基本交互和圖形交互外，還包括語音交互、情感交互、體感交互及腦機交互等技術(shù)。（5）計算機視覺旨在模擬人類的視覺系統(tǒng)，從數(shù)字圖像或視頻中獲得對視覺材料的高水平理解，包含了模式識別、圖像處理、圖像分析、機器視覺等。（6）機器人學主要涉及到機器人本體機構(gòu)，運動學和動力學、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能、信息交互、運動規(guī)劃、應(yīng)用工程以及多機器人協(xié)調(diào)協(xié)作等方面。具體研究內(nèi)容包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及驅(qū)動、控制系統(tǒng)的建立、感知系統(tǒng)的建立、運動規(guī)劃和控制。[17–19]
大數(shù)據(jù)技術(shù)促進了人工智能的發(fā)展，給勞動力市場帶來了重大變化，有些工作崗位會被機器人取代，未來社會的許多工作需要專業(yè)人士與機器人共同開展，這需要社會廣泛培養(yǎng)思維敏捷，適應(yīng)力強的勞動者，使其具備計算機基本操作能力和軟技能，足以勝任與機器打交道的工作，學會適應(yīng)人機協(xié)同環(huán)境，最終人與機器人協(xié)同工作將成為常態(tài)。[20–21]人工智能技術(shù)將引發(fā)教育教學系統(tǒng)各要素及其關(guān)系發(fā)生變革!在智能機器引入學習后，教學交互將實現(xiàn)人人、人機等多維互動、人和機器一起工作，會引發(fā)學習者不同的學習體驗。[22]
由于機器學習技術(shù)的發(fā)展，機器可以通過強化學習技術(shù)嘗試做出決策，決策的好與壞，由教育者和學習者評估，評估的結(jié)果作為獎賞與懲罰來調(diào)試回報函數(shù)，通過人機協(xié)同的優(yōu)化，從而生成最優(yōu)決策算法。[23]通過這種人和機器共同決策的方式，教師與人工智能將發(fā)揮各自優(yōu)勢，協(xié)同實現(xiàn)個性化教育，包容的教育、公平的教育與終身教育，促進人的全面發(fā)展。[24]
知識圖譜、自然語言處理、人機交互、計算機視覺、機器人學分別針對具體的應(yīng)用領(lǐng)域，其中，機器學習包括其延伸的深度學習，是實現(xiàn)應(yīng)用所需用到的核心方法，是人工智能技術(shù)方法層面的技術(shù)。學校中的人工智能教育機器人由于智能技術(shù)的突破，它可以成為數(shù)字化環(huán)境或者智慧學習環(huán)境的一個組成部分。其可以作為教師的“助教”來實現(xiàn)教學媒體的簡單使用，也可以作為“導師”的角色講授知識內(nèi)容，回答學生問題、為學生創(chuàng)設(shè)情境、管理學習任務(wù)、提供個性化的學習資源，進而參與并引導學生的個性化學習或者合作學習。
綜合關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域來看，目前人工智能教育機器人用到的關(guān)鍵技術(shù)主要為前五類，以及應(yīng)用領(lǐng)域當中的機器人學。為了研究人工智能教育機器人存在的教學應(yīng)用，為此，本研究將人工智能教育機器人中用到的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用進行了系統(tǒng)分析，如表1所示。
從表1中可以看出，人工智能教育機器人在課堂的典型用途是智能技術(shù)的綜合實現(xiàn)，它不是人工智能某項技術(shù)的單方面延伸，而是各種技術(shù)的集成$機器學習和知識圖譜的結(jié)合，可以使得學習者建模更加精準，個性化學習路徑更加準確；自然語言處理與計算機視覺的結(jié)合，可以對學習者照片形式的作業(yè)或者試卷進行自動批改，大大地減輕了教師的工作量；人機交互與機器人學的結(jié)合，可以使得學習者在與人工智能教育機器人進行交互的過程中更加順暢。
本研究中的人工智能教育機器人是具有教與學服務(wù)的實體機器人，可以在智慧學習環(huán)境下提供靈活的學習資源，實現(xiàn)學習服務(wù)的支持，同時，也是各種智能學習軟件系統(tǒng)的集成體，完成數(shù)據(jù)的實時反饋和分析。它在課堂上幫助教師完成教學活動，輔助教師管理課堂，其融入課堂當中，突破了原有的教學形態(tài)，形成一種雙師主體加學習者的教學形態(tài)。
在新型“雙師課堂”中，各種傳感器，智能移動終端（pad，手機）、可穿戴設(shè)備等會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，雖然可以將這些數(shù)據(jù)上傳到云端進行處理，但若教師需要實時的數(shù)據(jù)反饋，會受制于云端的服務(wù)速度，教師無法根據(jù)反饋信息了解學生的實時情況。傳統(tǒng)的教育數(shù)據(jù)，如，智能終端數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)瀏覽產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的成績數(shù)據(jù)等，通常由教師或者教育管理者發(fā)送到云平臺上，云平臺接收到使用請求之后將結(jié)果反饋給教育研究者。但是，大量數(shù)據(jù)同時上傳到云平臺，會消耗大量的計算資源，云服務(wù)延遲帶來的風險會影響教師對于課堂中實時個性化教學的需求判斷。針對該現(xiàn)象，可以利用邊緣設(shè)備已具有的計算能力，將應(yīng)用服務(wù)的部分計算任務(wù)從云端移到邊緣設(shè)備上執(zhí)行，本研究中主要的邊緣設(shè)備為人工智能教育機器人。
邊緣計算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模型，邊緣計算中邊緣的下行數(shù)據(jù)表示云服務(wù)，上行數(shù)據(jù)表示萬物互聯(lián)服務(wù)，而邊緣計算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計算中心路徑之間的任意計算和網(wǎng)絡(luò)資源。邊緣計算開發(fā)平臺一般包括網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用四個層面，在智能課堂下，這幾個層面可以集成到新型“雙師課堂”環(huán)境中，由人工智能教育機器人作為計算、存儲、應(yīng)用的主體，進而實現(xiàn)響應(yīng)教學應(yīng)用業(yè)務(wù)、計算并存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)循環(huán)過程。
為了實現(xiàn)個性化學習以及精準教研，數(shù)據(jù)是不可缺少的，如何處理各項數(shù)據(jù)，實現(xiàn)課堂的實時個性化教學以及長期的個性生涯規(guī)劃，這需要邊緣計算與云計算在全學習過程中相互協(xié)同$學生產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)集成在“人工智能教育機器人”端，大多數(shù)個性化教學通過“云平臺”加“大數(shù)據(jù)”平臺生成反饋結(jié)果，對于邊緣計算在教育中的應(yīng)用研究較少。通過對邊緣計算與云計算的基本了解，人工智能教育機器人可以作為邊緣計算的終端設(shè)備有以下優(yōu)點：
一是緩解云平臺的壓力。每天學校中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，其中有價值的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是有限的。有些數(shù)據(jù)的生命周期可以只存在于課堂的幾十分鐘內(nèi)，這些臨時數(shù)據(jù)的價值只存在于課堂中，不需要長期存儲。有些數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)為半結(jié)構(gòu)化或者非結(jié)構(gòu)化，這些數(shù)據(jù)的清洗在云端是一個大問題。人工智能教育機器人作為邊緣終端，它代理了云計算平臺的一些業(yè)務(wù)，如，數(shù)據(jù)處理與分析$作為智能技術(shù)的綜合體，它可以實現(xiàn)具體的智能應(yīng)用，而云計算平臺可以對該應(yīng)用進行生命周期的管理以及更新迭代等工作。
二是增加教學請求的響應(yīng)能力。在課堂中，人工智能教育機器人直接在師生旁邊提供服務(wù)，這種近距離保證了較低的網(wǎng)絡(luò)延時。此外，人工智能教育機器人的網(wǎng)絡(luò)一般是分布式的本地網(wǎng)絡(luò)，簡單的網(wǎng)絡(luò)分布降低了網(wǎng)絡(luò)的波動，為網(wǎng)絡(luò)傳輸速度提供了保證。在個性化教學應(yīng)用中，如果是通過云平臺響應(yīng)教學需求，一旦用戶請求過多，必然會降低效率，而教師在課堂中沒有過多時間等待云平臺的反饋結(jié)果所以在課堂上，人工智能教育機器人可以很好地滿足教師的實時需求，實現(xiàn)人機協(xié)同的高效性、實時性。
三是保護師生的數(shù)據(jù)安全'在物聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)據(jù)的安全隱私也是值得關(guān)注的問題，數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)平臺之后，存在被第三方使用的風險。云計算模式下，所有的數(shù)據(jù)都存儲于數(shù)據(jù)中心，教育研究者很難對數(shù)據(jù)的訪問與使用進行細粒度的控制。而邊緣計算下，所有隱私數(shù)據(jù)的存儲和使用都通過人工智能教育機器人進行，教育研究者可以將隱私數(shù)據(jù)限制在防火墻內(nèi)，將一些處理后的數(shù)據(jù)，且需要云平臺計算的數(shù)據(jù)上傳到云端，這種模式可以保證數(shù)據(jù)的安全。
圖1所示是人工智能教育機器人支持下的新型“雙師課堂”環(huán)境模型。
在該環(huán)境中，最上層的是云平臺和大數(shù)據(jù)平臺。對于智慧校園來說，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是極其龐大的，光依靠學校的服務(wù)器對于學校而言是一個沉重的負擔，所以這時候需要用到云計算平臺和大數(shù)據(jù)分析平臺?！半p師課堂”環(huán)境的核心是邊緣計算平臺，邊緣計算平臺包括網(wǎng)絡(luò)域、計算系統(tǒng)、存儲設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)'網(wǎng)絡(luò)域可以是學校的校園網(wǎng)，在各個人工智能教育機器人中也可以設(shè)置一個網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸'計算系統(tǒng)、存儲、應(yīng)用服務(wù)等全部集成在人工智能教育機器人中。
其他采集設(shè)備（智能移動終端、可穿戴設(shè)備、攝像設(shè)備）與人工智能教育機器人通過物聯(lián)網(wǎng)的手段聯(lián)結(jié)。人工智能教育機器人自身獲取或者從其他采集設(shè)備獲取課堂實時數(shù)據(jù)后，進行內(nèi)部存儲；向云平臺發(fā)送服務(wù)請求獲得許可之后，進行數(shù)據(jù)的預處理并做分析；處理分析完畢，人工智能教育機器人將數(shù)據(jù)可視化并呈現(xiàn)給師生，最后將這些實時數(shù)據(jù)緩存在本地'課后，人工智能教育機器人可以將其中已處理，有價值的數(shù)據(jù)上傳到云計算平臺和大數(shù)據(jù)平臺，這樣既優(yōu)化了云計算平臺上的數(shù)據(jù)清洗工作，也在一定程度上保證了數(shù)據(jù)的有效性，有利于后期大數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確性。
人工智能教育機器人蘊含了多種人工智能技術(shù)，不同的技術(shù)可以實現(xiàn)不同的功能，不同技術(shù)之間的整合也使得人工智能教育機器人更加智能化、自動化。從智慧學習環(huán)境的角度來說，人工智能教育機器人是學習內(nèi)容、學習活動、教學活動、學習時空的載體。人工智能教育機器人支持的新型“雙師課堂”形成了一個閉環(huán)的服務(wù)支持系統(tǒng)，教師與學生之間“引導—反饋”的交互關(guān)系，同樣也適用于人工智能教育機器人與學生之間的關(guān)系。新型“雙師課堂”以教師為起點，教師向人工智能教育機器人發(fā)送應(yīng)用請求，人工智能教育機器人響應(yīng)該請求并反饋相關(guān)結(jié)果'教師可以向機器人發(fā)送了解“學生實時學習進度”“學生情緒現(xiàn)狀”等需求，機器人根據(jù)學生反饋的數(shù)據(jù)，進行處理分析之后呈現(xiàn)給教師。
在傳統(tǒng)的教學過程中，課堂由教師、學生、教學內(nèi)容和教學媒體等四個基本要素組成。在數(shù)字化課堂中，教學媒體是由軟件和硬件構(gòu)成的數(shù)字化環(huán)境，教學內(nèi)容不僅僅是教科書或者數(shù)字教材，還包括如視頻、音頻等多媒體資料，以及豐富的網(wǎng)上資源等。在新型“雙師課堂”中，教師和人工智能教育機器人都承擔了教學工作，在雙師協(xié)同的同時還有人工智能教育機器人與數(shù)字化環(huán)境的協(xié)同，可以構(gòu)建新型“雙師課堂”的學習環(huán)境模型，如圖2所示。
在此學習環(huán)境中，人工智能教育機器人作為教師，它需要承擔教師的一部分教學任務(wù)，而教學任務(wù)中有些是需要花很大精力才能完成的或者有些是無法由個人完成的任務(wù)，所以教師要明確自己有哪些需求是人工智能教育機器人的應(yīng)用可以實現(xiàn)的。其次，人工智能教育機器人也需要與數(shù)字化環(huán)境相配合，數(shù)字化環(huán)境作為教師的教學工具，可以輔助人工智能教育機器人完成提供或呈現(xiàn)資源的任務(wù)!學生在此學習環(huán)境中，可以直接對教師和人工智能教育機器人做出反饋，也可以先反饋到數(shù)字化環(huán)境中再反饋到人工智能教育機器人。最終，人工智能教育機器人提供教師原先很難實現(xiàn)的個性化學習支持，教師則拋棄了重復性工作，注重于引導學生思維，鍛煉學生綜合能力，聚焦“育人”的學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)。
我們結(jié)合前文所提到的環(huán)境模型，可以得到人工智能教育機器人支持的新型“雙師課堂”環(huán)境下的課堂數(shù)據(jù)交互模型，如圖3所示。
在此課堂環(huán)境中，所有物化的教學媒體都與人工智能教育機器人通過網(wǎng)絡(luò)連接。物聯(lián)網(wǎng)一般分成感知層，可靠傳遞層和智能處理層!感知層是數(shù)字化環(huán)境中常見的設(shè)備：如，電子課桌、電子白板、可穿戴設(shè)備、教室環(huán)境傳感器、智能移動終端和其他可采集設(shè)備。可靠傳遞層是校園中的網(wǎng)絡(luò)或者4G/5G網(wǎng)絡(luò)。而在“雙師課堂”中，智能處理層集成為人工智能教育機器人，平臺服務(wù)等采集設(shè)備與人工智能教育機器人存在信息流動，首先由采集設(shè)備獲取到信息，將信息數(shù)據(jù)化之后傳輸?shù)饺斯ぶ悄芙逃龣C器人，通過人工智能教育機器人進行數(shù)據(jù)處理，將處理完的算法或者說策略反饋到數(shù)字化環(huán)境中，數(shù)字化環(huán)境接收到相關(guān)策略之后' 以不同的形式呈現(xiàn)、反饋給學生。
教師在該教學過程中' 與學生之間仍然是引導和反饋的關(guān)系。但是與傳統(tǒng)數(shù)字化課堂不同的是，在教學設(shè)計的環(huán)節(jié)， 教師需要明確自己的教學任務(wù)以及對于人工智能教育機器人的應(yīng)用需求， 并在人工智能教育機器人上選擇相應(yīng)的功能。教師不需要親自動手操作多種數(shù)字化設(shè)備， 而是通過人工智能教育機器人統(tǒng)一管理#應(yīng)用數(shù)字化設(shè)備。 學生在使用數(shù)字化設(shè)備的過程中會產(chǎn)生相應(yīng)的信息，這些信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)之后， 由人工智能教育機器人統(tǒng)一反饋給教師，教師可以分別查詢其即時需要的信息。
綜上所述，在該教學環(huán)節(jié)中，教師在注重“育人”的同時，也要明確人工智能教育機器人“教書”的職責。
五、新型“雙師課堂”的設(shè)計與實施
（一）新型“雙師課堂”教學設(shè)計特征與實施過程
在新型“雙師課堂”的教學設(shè)計過程中，教師需要分清哪些工作是可重復的、線性的，可以由人工智能教育機器人取代，哪些工作是需要自身承擔的。為了新型“雙師課堂”的實施更加系統(tǒng)有規(guī)劃，我們對新型“雙師課堂”的教學設(shè)計與傳統(tǒng)教學設(shè)計進行了對比，如表2所示。
在教學設(shè)計的三維目標中，知識與技能是屬于可以通過記憶或者反復練習習得的，但是過程與方法、情感態(tài)度這兩個方面需要教師啟發(fā)學生進行思維上的訓練。人工智能教育機器人雖然可以作為輔助教師，但是教師需要將人工智能教育機器人融合到原有的課堂環(huán)境下。新型“雙師課堂”的教學設(shè)計需要滿足分析數(shù)據(jù)化，活動精細化，人機協(xié)同化三個特征。
1. 分析數(shù)據(jù)化
課前階段需要教師準備學習內(nèi)容，首先需要對教材和學習者進行分析。在教材分析層面，人工智能教育機器人可以根據(jù)已有的數(shù)據(jù)給出應(yīng)用最多的教材分析，根據(jù)不同的知識點，利用知識圖譜技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析中聚類等技術(shù)，人工智能教育機器人為教師提供班級的整體學習報告，教師可以了解班級的分層情況以及每類學生的知識掌握情況。教師可以根據(jù)自身的判斷及人工智能教育機器人提供的報告對學情有定性和定量的認識。在課堂中，學生學習過程的數(shù)據(jù)是過程化的，教師要時刻有大數(shù)據(jù)意識，有良好的信息素養(yǎng)，會利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，將其體現(xiàn)在教學設(shè)計當中并且在課堂當中有所實施，使得教師對于班級整體以及學生個體的分析都更加精準。
2. 活動精細化
在學習活動層面，教師需要明確的是人工智能教育機器人參與學生的哪些學習活動，學生的學習方法是自主學習還是合作學習。一般地，人工智能教育機器人可以為學生設(shè)計個性化的學習任務(wù)，這種個性化的學習任務(wù)會產(chǎn)生不同的學習結(jié)果，但這些結(jié)果最終會對應(yīng)到相應(yīng)的知識點。人工智能教育機器人可以跟蹤并分析學生學習活動中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并且直接在本地反饋給教師。對于基于影音視頻，參考文件、測試、討論、作業(yè)等材料的具體操作，教師需要明確人工智能教育機器人在學習活動中的參與程度，以及這些活動的先后順序。
3. 人機協(xié)同化
人機協(xié)同化，廣義上指的是整個新型 “雙師課堂”的各要素，在教與學的過程中，協(xié)調(diào)完成教學目標，實現(xiàn)學習內(nèi)容、學習活動、教學活動與學習時空之間的融洽。狹義上主要指教師與人工智能教育機器人在新型“雙師課堂”中的協(xié)作配合。原有的教學形態(tài)一般是“雙主”教學模式，現(xiàn)在多了一個教學主體人工智能教育機器人。教師在教學設(shè)計的過程中，需要設(shè)計一些一般性問題，這些問題是封閉的、有答案的，人工智能教育機器人可以代替回答的，還需要設(shè)計一些啟發(fā)性的沒有固定答案的問題，這些問題分別對應(yīng)著學生的知識層面和情感技能層面。
人工智能教育機器人提供的學習支持雖然是個性的，但也僅限于資源以及練習等有規(guī)范的層面，教師帶來的情感交流以及思維上的引領(lǐng)是機器很難實現(xiàn)的。學習者的評價首先是由人工智能教育機器人分析課堂中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)給出的，教師根據(jù)該堂課的實時評價和之前課程的評價，從而對于學生有全新的總的評價，這個總評橫向是針對于該堂課的維度，縱向是學習者之前課堂的表現(xiàn)以及全學習過程的維度。在支持教學的過程中，關(guān)于人工智能教育機器人出現(xiàn)的突發(fā)問題，教師需要做好應(yīng)急準備。
（二）研究設(shè)計案例
本研究設(shè)計了人工智能教育機器人的教育應(yīng)用，以中學數(shù)學課堂《一元二次方程》為例，教學目標是學生知道一元二次方程的概念，能夠熟練地把一元二次方程整理成一般形式。課堂中的應(yīng)用環(huán)境如圖4所示。在進行學習者分析時，教師根據(jù)人工智能教育機器人提供的學情數(shù)據(jù)對班級的學生有整體的了解，并有一個系統(tǒng)分類。根據(jù)這堂課的知識點，利用知識圖譜技術(shù)將與一元二次方程有關(guān)的知識點呈現(xiàn)出來。
人工智能教育機器人為教師提供了各種各樣的資源，教師根據(jù)知識點以及學生的分類情況，為每類學生選擇不同的資源，對影音視頻、參考文件、測試、作業(yè)等在可控范圍內(nèi)進行前期的主觀選擇。在學習內(nèi)容的呈現(xiàn)方面，教師選擇一元二次方程的導入情境，通過語音控制人工智能教育機器人將視頻投射到電子白板上。在學習活動實施過程中，學生觀看視頻，學習參考文件，做測試的邏輯順序教師需要提前設(shè)計好。學生集體觀看視頻，學習參考文件等資源時，人工智能教育機器人會為學生推送不同的學習資源，通過學生的智能移動終端呈現(xiàn)給學生，學生在智能移動終端上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺斯ぶ悄芙逃龣C器人中，人工智能教育機器人再為教師實時反饋相應(yīng)數(shù)據(jù)。
在教學活動實施過程中，學生通過智能移動終端將問題傳輸?shù)饺斯ぶ悄芙逃龣C器人，對于能解答的問題人工智能教育機器人隨機選擇不同的回答方式回應(yīng)學生；無法識別的問題反饋到教師端。課堂完結(jié)后，人工智能教育機器人根據(jù)本堂課多終端反饋的數(shù)據(jù)，實時為教師呈現(xiàn)單個學習者的評價報告以及整個班級的學習情況，進而了解這次課堂的學生分類情況，為下一次做教學設(shè)計提供可參考的依據(jù)。
六、對“人機協(xié)同”研究的展望
在新型雙師課堂中人工智能教育機器人承擔了部分教師的職能，這意味著在人工智能時代的學習時空中會出現(xiàn)新型的“人機協(xié)同”工作場景。未來的人工智能課堂，對于教師來說需要做到以下幾個方面：
第一，熟悉“人機協(xié)同”智慧教學環(huán)境，新型“雙師課堂”對于教師來說，熟悉新型“雙師課堂”不僅僅是熟悉人工智能教育機器人，對于人工智能教育機器人中的系統(tǒng)，以及背后的智能平臺以及大數(shù)據(jù)平臺包括課堂當中使用的多媒體設(shè)備和可穿戴設(shè)備都要有所了解，對于相應(yīng)的智慧教學手段也要了解。教師需要接受新型的智慧教學手段，主動地去嘗試“人機協(xié)同”的新型課堂。
第二，注重“育人”層面的教研活動。從核心素養(yǎng)層面來說，人的全面發(fā)展體現(xiàn)在人文底蘊，科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創(chuàng)新等層面，這些層面是人的生物、思維、社會屬性的體現(xiàn)，也是人工智能教育機器人無法替代教師的核心關(guān)鍵。人工智能教育機器人能完成重復性，機械性的工作，教師如何聚焦有生命特征的工作，結(jié)合傳統(tǒng)的德智體美勞以及現(xiàn)在的核心素養(yǎng)，這需要學校多開展新型“雙師課堂”中有關(guān)能力培養(yǎng)、價值引領(lǐng)、情感引導的教研活動，促進教師適應(yīng)教師職能的轉(zhuǎn)變以及人機協(xié)同的分工。
第三，培養(yǎng)學生“人機協(xié)同”的意識和能力。在新型“雙師課堂”中，不僅教師有“人機協(xié)同”教學場景，學生也有“人機協(xié)同”學習場景。人工智能時代，與機器共同學習也是基本的信息素養(yǎng)，對于技術(shù)運用也是核心素養(yǎng)中的基本要點。教師在自身學習“人機協(xié)同”的過程中，也要培養(yǎng)學生“人機協(xié)同”的意識，為學生在人工智能時代與機器一起工作做出前期的積淀。教師可以經(jīng)常組織學生參加人工智能活動，讓學生多接觸新型的人工智能教育產(chǎn)品，讓學生接納人工智能教育機器人等智能設(shè)備成為一種常態(tài)。在人工智能時代，社會需求的是能和機器智能共同工作的人，培養(yǎng)學生“人機協(xié)同”的意識和能力有助于學生適應(yīng)社會需求，順應(yīng)時代的趨勢和潮流。
本研究首先分析了已有的教育機器人在教學中的實踐案例，論述了智能時代人工智能的關(guān)鍵技術(shù)以及人機協(xié)同的相關(guān)概念，并提出人工智能教育機器人可以在課堂中的典型用途。根據(jù)邊緣計算的特點，發(fā)現(xiàn)人工智能教育機器人作為邊緣計算的設(shè)備集成體，在課堂中可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)反饋，有利于課堂的實時個性化教學，也有效管理了課堂數(shù)據(jù)，將有價值的數(shù)據(jù)上傳到云端。同時，人工智能教育機器人可以承擔教師重復性的工作以及對于課堂設(shè)備的管理工作。根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境模型以及學習過程環(huán)境模型，提出了基于學習內(nèi)容、學習活動、教學活動三個層面上的關(guān)于課堂實施的思考，并設(shè)計了人工智能教育機器人的課堂應(yīng)用案例原型。
實際上，人工智能教育機器人集成了很多人工智能技術(shù)，但是各技術(shù)的成熟度并不相同，其中比較成熟的是語音識別計算，而基于知識圖譜的個性化學習推薦以及基于計算機視覺的情感計算等技術(shù)還在實踐探究過程中。
此外，人工智能教育機器人進入中小學課堂中，打破了原有的智慧課堂環(huán)境，如何將新技術(shù)適切地融入課堂中，實現(xiàn)新型“雙師課堂”下學生心理發(fā)展以及學生的學習興趣和良好習慣的養(yǎng)成，這是需要關(guān)注的問題。因此，人工智能教育機器人對于教師的“人機協(xié)同”能力要求較高，在人工智能教育機器人深度融合到中小學課堂過程中，需要教師的人工智能信息素養(yǎng)的提升。
在下一階段研究過程中，我們將聚焦到人工智能教育機器人在課堂中的具體應(yīng)用實踐，包括人工智能教育機器人與課堂環(huán)境的整合，以及各種數(shù)據(jù)的融合與處理分析，促進人工智能教育機器人與課堂深度融合，從而減少教師繁重的工作強度，提高教育教學質(zhì)量，實現(xiàn)規(guī)?；慕逃胶蛢?yōu)質(zhì)資源均衡效果。
作者簡介：汪時沖，首都師范大學教育學院在讀碩士研究生，研究方向：人工智能教育，教育機器人；方海光，首都師范大學教育學院教授，系本文通訊作者，研究方向：教育大數(shù)據(jù)，人工智能教育，智能教育機器人，智慧教育等；張鴿，首都師范大學教育學院副教授，碩士生導師，研究方向：教育理論與教學管理；馬濤，特級教師，北京市海淀區(qū)教育網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心主任，研究方向：信息技術(shù)教育，移動學習，智慧校園應(yīng)用等。
