研发师德高尚的AI教师*

黄甫全

教育在不经意间就进入了一个新时代。神经科学和人工智能，掀起的教育创新浪潮汹涌澎湃。为响应这种历史召唤，我们华南师大团队几年来努力拓展“德育神经科学与人工智能研发”新方向。教育创新必须落实到课程开发，课程开发的实质是教师发展，新时代的教师发展出现了AI教师研发新路向。这些年我们一直在努力探索神经科学和人工智能与有效教学论的交融创新，首要目标就是研发出师德高尚的AI教师，现在已经形成了一个“师德高尚的AI教师研发方法与系统”。

今天跟大家分享三个主题，第一是“走向智能课程”。之所以要讲课程，就是要彰显课堂。有种倾向把“教育”概念抽象化了，只在那里抽象谈教育，最后什么问题都没找到，什么问题都解决不了。我们把课程定义为“正在进行的教育活动”。正在进行的教育活动，体现在学校里就是师生正在课堂上上课。当代课堂上正在进行的教育活动，一个根本的特征就是走向智能化，创新实施智能课程。第二是“师德高尚的AI教师研发逻辑”。为什么现在AI发展很快，却几乎走不进课堂中呢？因为，现在的AI没有道德修养。一些学校带AI上课，发生AI引诱学生玩耍而不上课，甚至爆粗口的情况。没有道德，绝对不能当教师。还有，AI没有教学能力，它现在只有一种“记忆重述”能力，它可以把教材和辅导材料全部记下来，但是它不能像真人教师一样去备课，然后去组织实施课程。所以，研制师德高尚的AI教师就是要解决两大问题，给AI以真人教师的师德，给它以教学能力。有人担心有了AI教师，我们真人教师就没饭碗了。这种担心是多余的，有了AI教师，一则把我们真人教师从繁重的课堂教学中解放出来;二则逼促真人教师发展角色，从现在的知识传授者角色发展为课程创新者角色。第三是“师德高尚的AI教师研发的一些关键技术”。我们现在正在到处学习，同时也在进行广泛的协同，最主要的是把本科生和研究生组织起来开展研究性学习，挖掘和找准研发的关键技术，努力把它们解决掉。

一、走向智能课程

为什么要研发师德高尚的AI教师？这里有一个乡村教育关怀的动因。我带领的团队从2000年开始就与香港国际人文价值教育学院合作，到内地边远地区的农村小学协同开展“人文价值教育課程开发行动研究”，主要是培训教师，以课程开发为抓手。先是在广东的粤北地区，然后发展到青海的西宁，后来又到广西的恭城与阳朔，前年开始又到了云南的耿马。我们去了以后深深感受到我国的教育公平所面临的难以跨越的城乡二元社会鸿沟，实质是教师教学能力的鸿沟。实际状况是怎么样的呢？至少有两个点：第一点是教师专业发展水平鸿沟越来越大。广州等发达城市的教师教育与培训水平高、教师专业发展水平高，而边远乡村的则相对偏低，城乡教师教学能力的“剪刀差”越来越大。第二点，人才自由流动，水平稍微高一点的边远乡村教师基本上都被发达地区“挖”走了。

这就是现实，怎么办呢？不能不让边远乡村有水平的教师走，拦得了一时拦不了一世呀！可以动员教师奔赴边远乡村，但是能去的和去了能留下的“少得很啦”！杯水车薪，远远满足不了需要。怎么办呢？还是要找找出路，出路在哪里呢？后来，当我们看到神经科学和人工智能的时候，就说“出路有了”！我们就有了一个梦想，如果能开发出像广州市最高教学水平教师的人工智能，“派”它们到边远乡村学校执教，目前城乡教育鸿沟就将荡然无存啦！而且，我们相信AI教师去上课肯定让一个个孩子都非常喜欢。我们可以按照孩子的喜好来研制AI教师，哪个孩子喜欢什么样的就给它“做”成什么样的。其实，经验和研究已经证明了，孩子学不好的部分原因是他不喜欢这个老师。学生不喜欢教师，不喜欢教师讲的，不喜欢按照教师说的方法去学，自然就学不好。但是人工智能就不会，AI教师会为孩子量身定“做”。教师需要讨孩子喜欢，要是能做到，便能成为一个优秀教师。

课堂上课，其实里面蕴含着的是师生一起开展这种活动所具有的教学的智能。从神经科学的角度来看，如果课堂效果好，老师上得好，学生学得好，那就说明这堂课所表现出的教学智能是比较高的。这种能力会随着有效的教学活动，内化到大脑里面去。比如说师范学校的学生，培养方案要求训练师范技能，其实就是要让大家形成教学能力。在华南师范大学，从本科一年级开始，我们会把课堂交给学生，变为学生自主教学的课堂，让学生自己去备课，自己去上课，然后自己来评课。教师成为设计者和组织者，成为坐在下面听课、评课的欣赏者和指导者。当然，更重要的是创新者，要能够把这个课堂加以创新，要能把学生组织起来，让学生上一堂精彩的课。刚从高中步入大学的新生怎么会上课呢？！但是，教师能够把他们组织起来，使他们敢于去上课，去上好课，这就是智慧教育创新，然后它也会内化为大脑里的一种能力，我们把它叫做智慧教育能力。大中小学幼儿园师生，莫不如此。如果将这种教学智能外化，通过神经科学研究把它搞清楚，建构出神经网络再开发为数学模型与算法系统，“融给”人工智能，再拿到实践当中去试验、实验和检验，就发展起了人工智能的教学能力。

AI是有学习能力的，专门有个学科叫机器学习，现在已经开发到机器深度学习。在人工智能领域，深度学习开发非常快，AI具有的学习能力，不是浅表学习能力，而是深度学习能力。神经科学已经确证，人类的知识、行为和心智是由大脑神经激活、环路及其网络决定的。一旦我们把具有教育智慧的大脑神经网络结构搞清楚，并进行技术开发，能够把它融入到人工智能当中去，就会产生一种新课堂。

有这样一幅图片：AI教师在教室前面上课，真人教师在后面支持、组织和引导学生学习。这种课堂场景的变化，表征着师生关系变化，更表征着课堂结构关系变化。其中更重要的是，AI成为了一种教学新媒介。可以想象到，开发和配备课堂教学感知器和传感器，把课堂教学活动一丝一毫都感知和编码为数码化结构化的教学体系，通过物联网传递给AI老师，它一边在上课，一边就能把整个课堂教学情况掌握得清清楚楚;若再开发一个优质教学参照系统和比较前馈系统，师生最为繁重的作业、测试工作就由人工智能承担并共时性地完成了，令大家头痛的作业考试顽疾就悄然宵遁了。

文化哲学分析建构了可能的多种“人—技术—环境”关系模型。有一种为“（人—技术）—环境”模型，就是人与技术一体化，协力建构与环境的理想关系。研发AI教师，可能创新一种崭新而理想的新型教学文化，真人教师与AI教师一体化，学生与AI学伴一体化，进而藉由AI教师与AI学伴的媒介作用，教师、学生与课堂一体化，这就是所谓的“走向智能课程”。在新时代新科技的高速发展应用当中，尤其是在神经科学和人工智能的飞速发展应用当中，我们教育正在飞速地走向智能课程。

二、师德高尚的AI教师研发逻辑

先探讨一个问题：怎么来定义师德高尚的AI教师呢？我们是这样定义的，师德高尚的AI教师是一种特殊的类人智能与类人机器人，具有高尚的师德和卓越的教学能力，会带来一个智能教育化的新时代。这个定义的内涵非常丰富，首先是人工智能。2017年，《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》中明确要求“在中小学阶段设置人工智能相关课程”。人工智能时代已经到来，还不懂、还不会人工智能怎么行呢？其次是类脑智能，有两个意思，由人脑智能所激发的人工智能和仿生人脑的智能，也就是与人脑具有同构性的智能。第三是类人机器人，是里里外外都像人的机器人，发展非常快，我们一定要去学习、掌握和开发应用。另外的内涵还有：神经科学、高尚师德、教学专业能力、教育智能化和智能教育化时代。为什么我们曾经大力提倡教育社会化、社会教育化，而现在没提了？因为长期以来社会没法教育化，或社会教育化还不到时候。然而，人工智能出来以后，社会就可能教育化了。

基于几年的文献研究，我们要把神经科学和人工智能与教育学、课程与教学论交叉融合起来，开发遵德守法型AI教师。现在我们已经清理和建构起了一个基本的逻辑思路，里面主要包含两大研究领域和两大开发主题。

在理论研究层面，第一大领域是德育神经科学。我们要做德育神经科学，一直做到德性神经网络建构，也就是德育神经科学的研究与开发，开发出德性神经网络的数学模型及其算法系统。之所以选择这个主题，除了我前面说的要研发师德高尚的AI教师外，还针对我国现在几乎没有人做德育神经科学研究的现状，努力在我国建构起德育神经科学学科。其实，道德和德育是一个社会须臾不可缺少的东西，进入神经科学时代德育神经科学也是不可或缺的。为了研发AI教师的高尚师德修养，德育神经科学主要作四个方面的研究。一是“道德活动神经科学”研究，探究道德活动的神经激活定位及其环路与网络;二是“道德学习神经科学”研究，基于道德活动神经科学探明的神经激活规律，开发道德学习活动以探明学习经验对道德大脑神经活动及其环路型塑作用机理与规律;三是“神经德育学研究”，基于探明的道德大脑的学习型塑规律，创新一套精准德育课程并验证其培育道德大脑的效应;四是“道德神经网络建构”研究，依据大脑连接组学，持续地研究建构起区域水平、功能柱水平、神经元水平、突触水平以及生化水平的道德大脑神经网络及其数学模型与算法体系。第二大领域是课程技术学与工程学。将人工智能与教育学以及课程与教学论交叉融合起来，开发出有效课堂教学的价值创造型学习体系及其数学模型与算法体系。为了研发AI教师的卓越教学能力，课程技术学与工程学主要作三个层面八个方面的研究。第一个层面第一方面是有效课堂教学的价值创造型学习体系开发研究，研发出价值创造型学习体系的数学模型及其算法体系。第二个层面第二方面是“课堂教学实时转化体系”研究，开发价值创造型学习体系、课堂教学感知器、传感器与物联网融合技术，研发出课堂教师实时转化体系;第三方面是“名师教学参照体系”研究，开发价值创造型学习体系及其名师课目教学数据资源体系;第四方面是“新理论教学参照体系”研究，开发价值创造型学习体系及其新理论课目教学数据资源体系;第五方面是“大数据优选教学参照体系”研究，开发价值创造型学习体系及其大数据优选课目教学数据资源体系;第六方面是“经验自组织教学参照体系”研究，应用深度学习模型与算法，开发价值创造型学习体系及其AI教師课目教学数据资源体系;第七方面是“教学比较与前馈体系”研究，开发课堂教学实时转化体系与前述四层教学参照体系的比较评价系统，对课堂实时教学做出系统鉴定，同时为优化教学系统提出详尽前馈建议。第三个层面第八方面是“智能化价值创造型学习体系”研究，重点在于建构价值创造型学习体系的课程开发系统，也就是备课、上课、评课与补课的教学能力体系。

到技术开发层面，第一大主题是师德高尚的AI教师研发，关键有几点：一是跟踪类脑智能与类人机器人进展，精选最高水平与最具适切性的类脑智能与类人机器人，作为研发样本;二是深入研究价值创造型学习体系，将其中蕴含的教学能力体系融入入选的类脑智能与类人机器人，研发出具有教学能力的AI教师;三是深入研究和优化德性神经网络，进而将其融入入选的类脑智能，研发出德性智能;四是研究德性智能与AI教师融合原理与技术，进行两者融合创生出德性AI教师，进而持续进行有效课程与教学开发试验和实验，开发德性AI教师的师德与教学能力数据资源，研发出既有高尚师德的又有卓越教学能力的类脑智能与类人机器人，并使之成为师德高尚的卓越AI教师。第二大主题是智能教育课程与教学创新开发，主要有两条线。一是人工智能教育课程开发，与大中小学幼儿园合作开发出各个层次需要而适用的人工智能课程与教学体系，包括幼儿园人工智能课程、小学人工智能课程、初中人工智能课程、高中人工智能课程、大学人工智能课程——包含专科、本科、硕士和博士课程系列，还有特殊教育人工智能课程。二是智能课堂创新，包括三个阶段：阶段一是进行人工智能应用开发，实现课堂多媒体技术及其资源的整合;阶段二是创新深度学习课堂，将每个课目每堂课都发展到深度学习层次，基于具体主题综合实现知识习得、行为养成、心智发展与神经成长;阶段三是智能课堂教育创新，AI教师与真人教师联袂执教，创新“双师课堂”。

三、师德高尚AI教师研发的

关键技术

研发师德高尚的AI教师，很多人会怀疑，从事教育学的能行吗？的确，这在国内难度极大。首先是学科交叉文化稀薄，在中央和地方关于人工智能发展文件上，还没有与教育学交叉融合的正式政策引导;在大学里，仍然是学科林立，院系分割，森严壁垒。其次是教育学被规定为文科，教育学类本科基本上都是招收培养的文科生，不具备人工智能开发必需的数理工艺各科知识素养。总之，教育人工智能技术开发没有人才。但是，国外交叉性教育人工智能学科飞速发展与国内教育机器人产业市场飞速扩展，形势逼人。几年来我们一直在尝试寻找技术支撑的合作，但是知名人工智能开发公司推辞说：“你这个太复杂了，我们得开发已有技术的市场！”其他院校的人工智能专家，则要我们拿出“师德高尚的AI教师的结构模型、数学模型及其算法”，他们才能去开发相应的人工智能操作系统。我们去做了，但一下子做不出来。因为数学模型及其算法千万种，AI教师的，必须与已有AI的数学模型及其算法具有亲和性。也就是说，必须先弄懂掌握发展中的类脑智能与类人机器人的数学模型及其算法系列，才能提出或建构与之具有亲和性的AI教师的数学模型及其算法。我们现在不懂数学模型及其算法，怎么办呢？

2018年5月，看了凤凰卫视中文台《世纪大讲堂》的“第二届世界智能大会特别节目”，里面马云讲道：“先告诉大家一个坏消息，中国在人工智能和大数据方面的人才极度缺乏，几乎没什么人才。好消息是全世界都没什么好人才……好处是，大家都没有人才，大家都有机会学习！”于是我们决定，自己动手自力更生。我本人是“文革”期间读的中小学，不分文理科，本科学的是植物保护专业，打下了系统而厚实的数学、化学、物理学以及生命科学的知识底子。我们创办的小学教育专业本科，是数学方向，招收的是理科生，数学系统知识十分了得，尤其没有“理工科恐惧症”，一些学生反倒是“人工智能开发狂”。这样，我们就建设形成了一支非常好的队伍，有国内外一批协同单位专家的智力支持，有校内各院系神经科学、心理学、计算机科技和人工智能专家鼎力相助，有本学科拥有的全国一流教育学课程与教学论队伍积极参与，核心是充满活力和志同道合的年轻博士后、博士生、硕士生和本科生专门学研开发队伍。

经过近几年的探索，我们已经从文献研究阶段进入到理论创新与技术开发阶段。在师德高尚的卓越AI教师项目中，初步确定了四大关键技术研发内容，它们分别为“智能化价值创造型学习系统技术”“遵德守法型类脑智能系统技术”“教学能力型类脑智能与类型机器人系统技术”和“师德高尚卓越AI教师系统技术”。第一大关键技术，是智能化价值创造型学习系统技术。我们通过多年富有成效的课程与教学研究，已经建构起了有效课程与教学的理论或概念模型，称为“大课程论逻辑框架结构整体模型”。基以依据价值哲学逻辑，采用图论分析方法与拓扑建模技术，开发数字化价值创造型学习的教学体系拓扑结构模型，成为一种独特的智能化价值创造型学习系统。第二大关键技术，是遵德守法型类脑智能系统技术。追踪人工智能领域最新的脉冲神经网络研发趋势，选用适宜技术开发平台和语言建构“德性神经网络的数学模型及其算法系统”，并融入适切性开源类脑智能，进而开发融入教师教学道德行为数据集，集成“遵德守法型类脑智能”。第三大关键技术，是教学能力型类脑智能与类人机器人系统技术。跟踪人工智能发展，精选适切性开源类脑智能与类人机器人，采取增强型神经网络图论处理器（GPU-enhanced Neuronal Networks， GeNN）框架，开发“智能化价值创造型学习系统模型”，研发类脑教学智能和类师机器人（teacheroid robot），亦即具有教育教学能力的AI教师。第四大关键技术，是AI教师高尚师德与卓越教学能力体系集成技术。选用适切性的融合技术，集成类脑智能与类人机器人教学能力系统与师德修养系统，建构遵德守法型且具有教育教学能力的类脑智能与类人机器人，也就是德性AI教师。进而通过文献收集和/或教学实验和/或深度学习，采用数据挖掘技术和标注技术，集成并融入高尚师德数据信息与卓越教育教学能力数据信息，持续提升AI教师的道德修养和教育教学能力，开发师德高尚的卓越AI教师。

师德高尚的卓越AI教师，应用前景无可限量。在我们学校教育里面可以广泛应用，包括托儿所、幼儿园、小学、中学、大学，还有特殊教育学校。不仅可以用为教师，还可以开发用为学伴。进而可以用到校外，用到家庭教育和社会教育中，用于学校教育、家庭教育和社会教育的数不胜数的各种课程。服务行业，将是AI教师进一步开发应用的广阔领域。医疗、酒店和导购等职业不用说，养老和陪护职业的AI教师开发应用，前景无比美好！

师德高尚的卓越AI教师，最有价值的效应是促进社会公平和平等。教育上，不分城乡、贫富和民族等，均能享受到AI教师带来的教育机会、过程和结果公平。最为重要的是，师德高尚的卓越AI教师将彻底解构知识霸权。有人总喜欢提“为何现在出不了民国的学术大师”的问题。实际上随着时代的发展，这个问题已经不存在了。现在进入人工智能时代，知识霸权的消解，意味着再也没有高高在上俯視支配我们这些低低在下学子的所谓“学术大师”啦！在一个消解了学术大师的时代，是不需要也不可能产生学术大师的了。在当代，“为什么出不了学术大师”，就成了一个假问题了。研发师德高尚的卓越AI教师，既可以培养一代又一代品德高尚的新型公民，也可以造就一个道德社会，还可以促进民主平等国家建设！