智能课堂助手：人工智能背景下的教学工具

刘艳艳 黄双根 黄福裕

摘 要：智能课堂助手是人工智能发展的产物，其采用自然语言处理、情感分析技术与学生自然交互，实现趣味性学习、个性化教学。从大学课堂情境、学具、教具、资源4个方面的教育价值进行分析，提出智能课堂助手与学生自然语言交互的课堂教学架构，并实现课堂教学具体应用。研究发现，智能课堂助手对学生的课堂参与度有积极影响，智能课堂助手正向影响学生课堂情感状态，正向情绪高于负向情绪，课堂不良行为大幅降低。

关键词：智能课堂助手;自然语言处理;情感分析

DOI：10. 11907/rjdk. 191660 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：G436文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）009-0217-04

Intelligent Classroom Assistant： the Smart Teaching Tool In Artificial Intelligent

LIU Yan-yan，HUAN Shuang-gen，HUAN Fu-yu

（Vocational and Technical College， Jiangxi Agricultural University， Nanchang 330045，China）

Abstract： Intelligent classroom assistant is the development product of artificial intelligence. It uses natural language processing and sentiment analysis technology to interact with students naturally to realize interesting learning and personalized teaching， which can provide an effective direction for this dilemma. This paper discusses the educational value of the four aspects of the situation， teaching tools， teaching aids and resources of the university classroom， and proposes the classroom teaching structure of intelligent classroom assistants and students' natural language interaction， and realizes the specific application of classroom teaching. The study found that intelligent classroom assistants have a positive impact on students' classroom participation; intelligent classroom assistants are positively affecting students' classroom emotional state， positive emotions are higher than negative emotions and classroom bad behavior growth rate is reduced to zero.

Key Words： classroom assistant; natural language processing; emotion analysis

0 引言

课堂是学习者与教育者知识获取、知识交互、知识转化的正式学习环境。在该环境下，教学是以学生为中心的自主化、个性化过程[1]。近年来以学生为中心的教育理念逐渐为高校所接受，该理念弱化了传统教学模式中的“教”，强调知识内化的“学”，重视学生学习的主体地位[2]。该教育理念强调把学生置于学习活动中心， 充分激发学生自主学习动力，改变教师的角色和职能，使教师从“教知识”转向“教学法”，引导学生学会自主学习。研究表明，目前以教材、教师、学生三者为中心的课堂教学模式仍占主流，教师多采用PPT放映和板书结合[3]，课堂气氛沉闷，课堂设计未考虑学生适应力，造成反应率低、课堂参与度低[4]等问题。

2017年美国《规划未来迎接人工智能时代》提出未来教育的变革，特别是智慧教育中倡导的个性化、精准化、自适应性、普适性等，都以人工智能为核心技术[5]。《2018地平线报告（高等教育版）》提出人工智能和机器人是长期发展的关键技术：人工智能将进一步深入理解学习者特征、学习者思维模式，从而提升在线学习和自适应学习系统性能[6]。随着人工智能在教育领域的发展，智慧课堂、智慧学习环境等概念逐渐引入教育领域，智慧课堂引入信息化技术，实现人机交互和信息多样化功能，满足现代学生群体转变学习方式的要求。目前，MOOC、雨課堂、云课堂普及率稳步增长，但其过于重视人与技术之间的交互，忽视了学生情感交流，学习者整体完成率仍然很低。因此，对于学习者与技术的拟人化交互以及学习者情感交流等开展研究非常重要。本文利用智能课堂助手创设个性化、情感化、信息化学习环境，增强课堂交互性，以达到提高课堂教学价值之目的。

1 智能课堂助手

1.1 概述

最早的聊天机器Eliza起源于麻省理工学院[7]，它扮演一个心理学者角色，目的是使文字谈话变得更生动。在人工智能发展的今天，智能对话技术在教育领域的应用广受关注。人工智能在非教育领域，为人们提供咨询、事务处理、聊天倾诉、心理咨询、虚拟陪聊等功能，涉及办公、商业及个人休闲娱乐等方面，具有便利性、娱乐性、情感化、智能化等特征。而在教育领域，应用范围涉及教师、学生、课程、学校等方面辅助和支持功能，包括学生与教师有效和谐沟通、问题咨询、答题解惑、辅导语言学习、模拟教师以及辅助教学工作等功能，如表1所示。已有研究表明，智能课堂助手支持个性化辅导、问答式交互、情感交流等功能，营造自主学习、互动学习环境，提供学习资源、练习模拟、情绪调节、课程知识辅导等服务[8]。Maderer[9]针对在线课程创建智能学习助手Waston Jill，用来回答学生重复提问，实现高效互动。

1.2 智能课堂构建

祝智庭[10]将信息技术分为拟人和拟物两个方面。智能课堂助手作为现代信息技术的一种教学工具，支持学习者与教学社群、学习社群开展知识交互，同时本身具有深度学习、情感计算、语音识别等功能，在课堂教学中可以达到拟人效果。智能课堂助手构建智慧学习环境，具有情景、教具、学具、资源4方面教育价值。基于人工智能技术的智能课堂助手为学习者提供专业化的教学资源，为教与学提供技术支撑。

2 智能课堂助手的教育价值

2.1 情境：拟人化课堂学习情境

智能课堂助手的交互性和拟人性等特征有助于知识培养。教师与学生相互传递信息并生成知识代码，引入适当的非语言符号可以提升整个课堂的教学效率。神经科学、认知科学、心理学和教育学研究表明，情感状态在一定程度上会影响学生的学习效率和态度[11]。David Griol等[12]提出并构建多模式机器人教育应用Gera，涉及面部表情、手势等资源，研究表明学生学习兴趣和学习动机由小增大。如图1所示，当语音与文本响应提供反馈和表达时，智能课堂助手响应的是“听”的状态。如果用户给出积极反馈，助手则回应“开心”或者“惊讶”表情。如果用户给出的答案不正确，助手则显示“难过”或者“鼓励”表情，与此同时会提供正确答案或另一种答案提示。它利用教育学、心理学、教育技术等学科方法对新一代人机交互、可视化教学、智能教学进行新的探索，模拟人类自然交流并生成与学生交互的编码，形成人机交互“最人类”的教学情境与学习环境。

2.2 教具：基于问题教学法的课堂

基于问题教学法的课堂教学存在很多障碍与缺失，如教师主动提问和学生被动回答的机械式提问[13]。现代信息技术促使高校大量使用各方面的问答系统支持问题教学法在课堂教学中应用，如麻省理工大学利用Smart回答有关地理、历史、文化、科技、娱乐等方面问题[14];PowerAqua系统是一个基于知识库的智能问答系统，容纳了各领域的信息知识库[15];智能实时英语聊天系统希赛可[16]及智能问答系统WordNet[17]提供英语对话练习的模拟语境。对问题教学的现代技术应用调查发现，融合情感分析、自然语言处理技术的问答系统较少。融合自然语言和情感分析的技术应用能够弥补传统课堂问题教学的不足，为学生创设虚拟交流环境，与作为教师及学习伙伴的智能课堂助手进行双向交互，实现问中学和学中问。

2.3 学具：智能课堂助手构建参与式互动课堂

智能课堂助手可以扮演虚拟教师和学习同伴两个角色。作为学习同伴，学生只需通過语音或文本输入方式与虚拟助手进行问答交互，学生可以选择兴趣点知识、课程知识向助手提问，助手在回答的同时也可向学生提出相关问题，两者双向交互。詹泽慧等[18]从远程学习支持服务角度分析了虚拟助理在资源推送、教学互动、情绪调节和生活辅助4个方面的服务;Dagnon[19]认为，智能助手和在线教育的结合将有效提高学习的趣味性、参与度、可访问性、个性化以及可扩展性，既实现课堂双向交互，又实现课堂每一位学生都参与互动，同时解决了教师一对多提问的困境，弥补了传统大学课堂学生参与度的不足。

2.4 资源：基于智能课堂助手的资源整合课堂

随着互联网、大数据、人工智能在教育领域的应用，数字化资源在课堂教学中大量应用，技术与知识整合的教学资源是学习者获得海量、个性、精准资源的有效途径，为学生创设了情境化、个性化、智能化的学习环境。情境化、个性化、有针对性的教学资源可以激发学生的参与热情，促进对学习内容的深层次认知[16]。如图2所示，智能课堂助手在技术支撑的基础上结合知识库生成答案，并将信息以富媒体形式返回给学习者。在交互过程中，根据上下文语境，结合情感计算、深度学习，分析学习者个体差异和需求。智能课堂助手向学生提供技术、知识库、富媒体、学习分析4个方面的资源支持。

3 研究设计与成效

3.1 研究设计

3.1.1 框架构建

智能课堂助手选用目前热度、便捷度较高的聊天机器人开发平台图灵机器人，在平台接入微信公众号实现移动学习与智慧教学。如图3所示，智能虚拟课堂助手响应用户请求，并将用户请求传输到控制系统，进行语言、可视化界面交互。在运行过程中，系统对语言交流出现的乱码进行处理并快速组织语言资源。课堂助手提供多种功能帮助教学内容的有效传递，如自然语音识别、文本语音合成、对话管理、用户答案分析以及可视化信息交互。

3.1.2 对象选择

本文选择《中国传统文化》课程进行应用实践。课程持续5周，共有5个班参与课堂助手学习，每班进行5次教学实践。随机抽取1个班进行研究与分析，共24人。随机选择1名学生为观察对象，进行前测与后测研究，以保证观察的精确性;随机选取2节课观察，每节40分钟，每30秒记录一次学生的课堂表现。

3.1.3 教学干预过程

如图4所示，智能助手与学生以多种形式对话，互动实体包括学生—学生，学生—智能课堂助手。互动属性包括文字、语音、链接、图片、表情等。由于社交软件的普及，学生基本以表情、语音切入话题，互动氛围热烈。互动内容覆盖区域较广，概念、类型、时间及典故问答频次最高。

3.2 干预成效

3.2.1 基础数据分析

基础数据指学生访问时间、访问人数、访问次数等数据，访问次数指学生的问答次数以及与智能课堂助手的互动次数。除课前几分钟外，访问次数处于100～290之间，最高达到298次，200以上次数较多，而访问人数基本为24人。

从图5可知，学生的学习行为基本在课程的开始，利用课前时间预习及复习知识。从数据看，学生之间以及与智能课堂助手之间互动频次较高，基本处于全员在线状态，由此可知智能课堂助手对学生课堂参与度有积极影响，能够提高学习的积极性与参与度。

3.2.2 情感分析

利用语义分析工具NLPIR对学生与智能课堂助手互动内容进行描述性分析，具体情况如表2所示。学生的情绪状态均属于正面，其中快乐情绪占比较大。从数据可以看出，智能课堂助手应用能够引起学生的关注与参与，获得学生的好评和喜爱。情感交流更能够促使学生对刺激的同化与顺应。因此，在课堂教学中应该利用富有情感交流属性的教学工具，引导学生在熟悉又热烈的气氛下研究问题、分析问题和解决问题，掌握学生的兴趣主题，提高教学效率。

3.2.3 教学干预分析

为了解智能课堂助手对学生表现和行为干预的实时性和精确性，选择高校课堂互动分析编码CIAS并结合学科学习特点对课堂情况进行分析，A组为传统课堂教学，B组为智能课堂助手干预教学。在多次实验并对数据有效性诊断基础上研究智能课堂助手对学习者学习行为产生的影响，具体如表3所示。

如变化频率为负，说明第一节课的不良行为次数低于第二节，从少增多。相反，第一节课高于第二节，逐渐减少。从数据可以看出，学生A的课堂学习状态属于正向。A组的低头、说话、睡觉增长频率均高于B组，可知干预后学生的课堂不良行为降低了。课堂上的不良行为影响学生的知识掌握度及表现水平，改善学习者的课堂不良行为对学习效果具有重要意义。从主动与被动频率看， B组均为负数，而A组大于B组，可知B组的学习积极性由低向高转变。相反，A组由高向低转变，达到了较好的教学成效。说明干预后学生对节日类型、时间、典故以及相关概念均有不同程度的掌握，特别是课堂上的表现，与干预前有明显差异。因此，智能课堂助手可以影响学生的学习行为与表现，有利于提高教学效果，克服学生的不良行为。

4 结语

教育是提高人的自然智能的过程，人工智能是在机器上实现教育的工具。智能课堂助手是人工智能应用在教育领域的智慧教学工具，可实现移动学习与教学。对教育者来说，可以作为教具创设情境，增加情感体验，辅助教学，提高教学效率;对学习者来说，智能课堂助手既符合时代潮流，又结合了学生使用社交软件特点，使学习具有趣味性和便捷性，提高了学生互动参与度和主动性;对于课堂而言，作为教学资源支持工具整合了资源。当然，高效的课堂并不仅仅取决于技术应用，还取决于学习者群体对技术本身的适应性。因此，今后将从以下两个方面进行研究：①在应用方面，针对学生接受度及学习效果进行实践，利用课堂助手分析学生学习特征、学生个体差异及学习情境等对教学效果的影响;②在开发方面，对话界面要向大众化方向发展，程序应适应用户APP使用习惯。

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（责任编辑：杜能钢）