基于“人工智能+”的四维情感生成智慧教学模型构建

（淮北师范大学信息学院，淮北 235000）

人工智能（Artificial Intelligence）这一概念在1956达特矛斯 (Dartmouth Conference)会议上由JohnMcCarthy等人提出，认为人工智能就是通过计算机程序使机器实现类人智能行为，达特矛斯会议后人们开始关注人工智能的相关研究，之后的60多年发展中，人工智能经历了“以基于规则的专家系统”为焦点的第一次热潮和以 “机器学习”为特征的第二次热潮后，开始迎接并拥抱“以解释性和通用人工智能”为技术特征的第三次热潮。

人工智能广泛应用于社会的各行各业并产生了深远的影响，国家对人工智能的发展也给与了相应的政策支持。2015年7月，国务院正式发布《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》[1]，将“互联网+人工智能”列为推进“互联网+”11项重点行动之一；2017年7月20日，国务院印发《新一代人工智能发展规划》[2]，指出作为引领未来的战略性技术，人工智能已成为国际竞争的新焦点。除此之外，2016年3月，国家“十三五”规划纲要将“人工智能”一词写入纲要之中，2016年5月，《“互联网+”人工智能3年行动实施方案》[3]为人工智能技术充分发挥其创新的引领作用，为各行业领域依托“互联网+”创业创新提供支撑，为经济发展培育新动能，制定了总体思路与实施目标。2017年10月18日习主席在十九大的开幕会时讲到要“加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”，至此人工智能正式上升到国家战略发展层面。2019年习主席向国际人工智能与教育大会致贺信中指出：“培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命[4]”。“人工智能+教育”作为培养创新型人才、实现教育强国的主要阵地，受到越来越多人的关注。人工智能中智能教学系统、智能文字及语音识别、自然语言理解、虚拟现实技术和大数据的应用革新教育的内容、教学和学习方式及人才培养方向，深化人才培养模式改革，培养学生创新精神和实践能力。

一、人工智能与智慧教育

为理解人工智能与智慧教育的关系，我们必须先厘清智能与智慧的概念。智能一般是指“人将某些能力具化于设备或系统，使硬件或软件具有模拟人行为的能力[5]”；智慧则是“利用知识经验作出好的、善的决策和判断的能力”。祝智庭教授[6]在实践指向的智慧教育中将智慧看成是“办好事”的能力即人的能力，将智能看做“事好办”的能力即工具的能力，由此也可以看出智慧高于智能，智慧创造智能。钱学森的“大成智慧学”认为智慧是由代表“量智”的逻辑思维和代表“性智”的形象思维组成，其特点是在信息流空间内构建新型思维方式和思维体系。人工智能技术的不断发展，使智能由代表“量智”的计算智能、感知智能逐步向代表“性智”的认知智能发展。苹果助手、微软小智以及2018年5月8日谷歌推出AI助手Google Assistant的应用使人工智能由简单对话到关注用户的情感和认知需求。人工智能中智能语音交互、自然语言理解、机器翻译、深度学习与图像识别、虚拟现实技术、知识图谱自动构建技术的应用改变了人与工具的关系，由人类适应工具逐步的向工具适应人类转变。

二、四维情感生成智慧教学模式研究缘起和焦点

1、四维情感生成智慧教学模式建构的必要性分析

互联网及人工智能的发展和应用将教学由传统的、迟钝的层级结构向灵活的网状结构进行转变，在人工智能背景下学习者获取知识的渠道和途径增多，对知识不再局限于简单获取，而是更加关注知识的定向、审慎思维、全局理解和综合应用，在这种情况下个性化知识图谱、团队协作、情感交流、伦理道德的辨识就显得特别重要。四维情感生成智慧教育模式依托于人工智能技术的应用，更加关注开放环境下学习者的自我理解、自我认知、情感交流、伦理辨识，在广阔的知识海洋中构建自己的知识体系和对知识的全局理解，真正的做到给学习者更多可能性的思维方式训练，发展学习者的高阶思维和个性创造，最终构建对知识的全局框架，使各个学科各个知识点之间建立有意义链接，形成有温度的知识共享结构。面对教育的新需求及理论滞后于人工智能技术发展的现状，构建符合人工智能技术发展的新型智慧教学模式刻不容缓。

2、四维情感生成智慧教学模式建构的可行性分析

智能教学系统、智能识别、自然语言理解、虚拟现实技术及大数据的应用对教学的各个阶段（教学前-教学中-教学后）、教学系统的各个要素（学习者、教师、教学内容、教学环境）都产生了巨大的影响。学习分析技术能够统计分析以往教学过程中产生的动态生成数据，在教学前对学习者进行精准学情诊断、优化推荐学习路径；对学习资源的精准推送，有利于推进教师因材施教、学习者个性学习和深度学习的发生；教学后语义分析及语音识别技术的应用能够实现作业自动批改、疑难在线答疑，针对学习者自主性、探究性学习提供辅助。人工智能技术的应用将教师从繁重且复杂的课业任务中解放出来，有更多的时间关注学习者的心理和思维层面，教师的角色则由教学主导者向教学辅助者、情感陪伴者、教学设计师等多重角色进行转变，在时间自主、合理分配下通过知识“教-学-研-创”应用模式提高教师的教育教学、辅助辅导能力，促使教师专业化、精细化发展。智能教学系统、虚拟现实技术支持的沉浸式学习等能够创设更加自然、逼真的教学环境，使学习者的学习方式由学科导向的系统学习向个人导向的系统学习进行转变，实现学习智能化、泛在化、个性化和混合化，有利于学习者的知识生发和建构；大数据的管理和挖掘能够为学习者智能推荐符合教学目标和学习者认知方式、认知规律的学习内容，将学习内容知识表征方式以最符合学习者的知识建构的形式进行推送、减少学习过程的认知负荷，提高学习绩效。国内VIPKIND、51TALK及科大讯飞智能语音系统的应用是人工智能在教育中应用的成功案例，为四维情感生成智慧教学模式研究可行性提供佐证。

三、四维情感生成智慧教学模式框架体系的构建

1、理论基础

（1）交互层次理论

人工智能在智慧教育中的应用，使得教学各要素之间的关系发生了根本性的转变，教学交互层次理论[7]从教学交互的视角提出教学过程中交互由操作交互、信息交互和概念交互三种组成。三个层次相互支持、互为影响，最终实现真正的有意义学习。

（2）人本主义理论

人本主义认为学习即 “内容理解”、“知识形成”和“潜能发挥”[8]的人本主义学习理论重视学习者内心世界的变化，关注学习过程中认知、情感、信念、动机及潜在智能的研究，主张有意义的过程学习。需要层次理论认为人自身潜能确定人的基本需要，自我实现的过程即关注学生内心体验和内在动力，发挥学生的想象力、创造性并最终形成个性化的过程。关注学习者的兴趣、动机及情感的发展与需求并最终达到自我实现这一目的与人工智能参与的智慧型教学模式的目标不谋而合。

（3）关联主义学习理论

关联主义学习理论关注知识的流通和学习生态网络的构建的关联主义学习理论[9]，体现学习和分布式认知的理念，并以此揭示学习的社会机制。学习是将不同专业节点或信息源连接起来的过程；培养和保持不同领域、理念与概念之间的连接是促进持续学习的主要方式；知识的共享和流通是各种学习活动的最终目的；培养学习者持续学习的能力比当前知识的掌握更加重要[10]。关联主义学习理论认为学习可能存在于非人的工具设施中这一观点为人工智能在教育中的应用奠定了坚实的基础。

（4）GROW认识成长理论

GROW模型又被称为教练模型或认识成长模型，首先通过一系列启发性的问题来引导受训者自己找到真正想达到的目标。根据确定的目标搜索关联信息，发现现有客观现实，然后通过一系列情感激励和启发引导受训者对现状进行综合分析，这有助于了解其现有境况、当前信念和局限性，以及现有资源和技能。有了目标和现状分析，确定问题或机会，选择一个有创造性契机的方案，可以激发和培养受训者的创造力。设计行动是这一模型的核心能力，受训者愿意做决定，承诺采取一系列明确具体行动步骤，帮助他们建立自尊、自信，提高自我管理能力。在人工智能条件下人工智能和教师作为教练，学习者作为被教练者或者受训者，通过情感引导，学习者能够提高自我认知、自我责任、完善情感，是一种自我发展和情感激励的有效工具。

2、四维情感生成智慧型教学模式关注焦点

教育在智力集成时代正经历三个阶段：以AR为标志的教育技术化阶段；以情感计算为标志的教育智能化阶段；以人机交互即机器完全理解人类为标志的教育智慧化阶段[11]。经过40多年的发展和努力，教育的技术化已经基本完成，我国教育正处于教育智能化阶段。教育的智能化发展关注教育与人工智能的深度融合，借助人工智能技术精准计算学生的知识基础、学科倾向、思维类型、情感偏好、能力潜质，根据习得规律配置教育教学内容，对学生进行个性化培养。人工智能背景下四维情感生成智慧教学模式依托教育技术化，关注教育智能化发展，充分结合人工智能技术和有温度的教师教育，关注学习者的德行和情感等人性特有的东西并发展其个性、能力、和思维拓展，让学生者在学习的过程中感受爱与被爱的能力并通过人工智能技术重新结构和理解我们的社会规范、伦理道德和情感关系。基于此本研究提出了智慧教学模式的四维空间结构，以关注参与者对机器的微观认知和心理及情感发展。

图1 四维情感生成智慧教学模式的四维空间结构

四维空间结构由物理空间、信息空间、心理空间和价值空间共同组成：学习者现实所处环境、所及设备共同构成物理空间，物理空间为四维情感生成智慧教学模式提供物理环境支持；信息资源空间、信息交互空间、信息网络空间及信息处理工具集库共同构成信息空间，信息空间为四维情感生成智慧教学模式提供数字化环境支撑；学习者的认知、在认知过程中产生的体验感、归属感、效能感以及人工智能技术推动下对社会规范的解构、认识、理解和重塑是心理空间主要关注的焦点，以学习者在群体中获得安全感和落实感为目的，构建与智力发展相匹配的心理发展结构，为本模式提供人性功能支撑；价值空间为学习者的个人价值、学校价值、交往价值、社会价值和伦理价值共同构成，价值空间的形成与完善为本模式提供驱动支撑。四种空间以物理及虚拟形式共存并相互影响，为学习者混合学习、互动学习、协作学习、泛在学习、群体互动生成性学习等多种学习方式提供信息、工具及资源网络的支撑，丰富并完善学生认知模型、教学资源表征模型、教学策略模型、教学设计自动化模型等各种智能化教学体系。四维情感生成智慧教学模式为学习者提供适合、精准、便携、情感体验与人性化的优质服务，为学习者提供更多可能性的思维方式的训练，对知识建立全局性理解提供物理及信息场所，为培养有健全人格、宽厚基础、创新思维、全球视野和社会责任感的新一代人才提供人性支撑及价值驱动。

人工智能技术结合多元交互、信息关联、认知建构，为学习者搭建人工智能背景下智慧教学模式媒体及环境支撑；多元环境内资源空间各信息节点的聚合，为学习者自主学习和协作学习构建学习生态环境，促使四维情感生成智慧教学模式功能由知识共享向知识共创转变；G-R-O-W成长模型作为自我认知、自我发展、情感激励和知识生成的依据，结合数据分析、虚拟现实技术，在尊重学习者个性化学习路径选择和情感表达的基础上，推送符合学习者知识图式和认知发展的学习资源，在交流和协作的基础上自主构建知识体系，促进学习者的主体性发挥、创新性培养和高阶思维的发展，最终达到学习者的自我实现。四维情感生成智慧教学模式坚持以学习者为中心的基本原则，以多元融合、交流体验、创新创造和情感发展为基础，体现模式以情感发展为基础的人本之悦，以创造参与为基础的体验之悦，以内容构造为基础的学习之悦，以未来创新为基础的智慧之悦。

3、四维情感生成智慧教学模式框架体系的构建

教学模式是指在一定教学思想、教学理论和学习理论指导下建立起来的各教学要素之间稳定的教学活动结构框架和可操作性的教学活动进程，是对理论和实践之间教学规律和活动程序的总结与概况[12]。教学模式具有有序性、稳定性、灵活性、发展性和系统性等特点。目前“人工智能+”的思维方式逐渐融入教育领域，智能语音交互、机器翻译与自然语言理解、图像识别与深度学习、虚拟现实、知识图谱自动构建等人工智能技术手段在教学过程中的应用使得原有教学模式不再完全适用，“人工智能+”下四维情感生成智慧教学模式在尊重教学规律的基础上采用系统方法，将人工智能技术融入传统教学模式之中，对教学的各个环节进行设计与组织，在开放、互助和自我发展的物理和信息空间内培养学习者的创新精神、创造能力和自我成长潜力、促进其心理空间和社会空间的发展和完善。

人工智能支持下的四维情感生成智慧教学模型在肯定学习者共性的基础上注重发展个性、在肯定人工智能教学系统在学习路径构建、内容推送、情感识别先进性的基础上注重教师与学生的创造性和情感的体验性、在促进知识生成与内化的同时完善学习者知识架构、丰富学习者的心理和社会价值空间。本模式依据人性化教学与学习者为中心的原则，采用人工智能技术为内核、教师与学生人性互动为外衣的混合教学及学习方式，在优化教师教学模型、丰富学习者经验自组织模型、数据优化资源参照模型和情感认知模型的基础上实现教师与学生的情感、认知与行为的交互，在学习者自主认识和教师引导下不断进行目标-现实-选择-意愿循环从而对知识进行自主建构，最终实现对某一模块知识的全局性认识。

图2 四维情感生成智慧教学模型总体架构

本模式将教学分为课前、课中和课后三个阶段。课前人工智能教学系统协助教师获取教学信息、学生现有的知识水平和学习特征，依据学习者特征与课堂教学目标进行资源制作和课程准备，充分利用人工智能大容量信息存储与检索、挖掘分析和呈现教学过程中的信息能力，分担教师的记忆及认知压力，使教师有更多的时间投入到对教学活动设计、抽象知识形象化、学习者心理空间、价值空间和情感认知空间等更具有创意和挑战的工作中去；课堂教学过程中会产生大量的富有价值的过程性数据，人工智能教学系统基于课堂教学系统存储的大数据，采用诸如遗传算法、统计分析方法、决策树算法等数据挖掘方法，挖掘出学习过程中潜在的稳定的规律，为学习者提供个性化的学习路径和精准的教学内容推送，以完善具有动态生成性的教学模型和学生学习模型。课堂教学中人工智能教学系统利用情感识别和情感计算技术获取学习者的心理及情感状态，教师利用获得数据发现并消除学习者的学习障碍，引导积极正向的情感发展方向和心理行为选择，丰富和完善情感认知建构模型和资源参照模型；课后人工智能教学系统能够针对学习者制定个性化的作业练习，依据规则和模型对作业进行批改，教师依据学习结果对学习服务进行进一步的设计与开发，为学习者知识全局观的建立进行多维度的综合服务。在情感方面教师要继续维持学习者的积极正确的情感态度，思考技术对社会规范的和伦理道德方面的挑战，使学习者建立辩证看问题的研究和学习方法，最终形成正确的内部情感世界和外部社会网络（图3）。

课前、课中和课后三个阶段人工智能教学系统与教师相互配合，各自发挥所长，依据学习者为中心和目标生成原则，在物理空间、信息空间、心理空间和价值空间的依托下，采用多元融合、交流体验、创新创造的沟通交流方式，不断优化教师教学模型、学生学习模型、情感认知构建模型和资源参照模型，让教师在新环境和新模式末教有所乐，学生学有所长，情有所依。

图3 四维情感生成智慧教学模型运用过程

4、实施保障

人工智能与学科教学深度融合创生人工智能教学系统[13]，人工智能教学系统是本模式实施的基础和保障。人工智能教学系统同教师和学生进行协同合作和知识创新，人工智能负责细节知觉、信息检索、长时记忆和推送功能，教师充分发挥其情感和创意方面的优势，使教师成为课程的创新者，学生成为自主学习者，人工智能教学系统成为介导者，三者之间多维交互，持续改进师生教与学。

四、后续关注

当前我国人工智能教育发展的目标是构建平等、开放、适合且灵活的教育生态系统，我们在迎接和拥抱人工智能教育时代同时需要更加关注人工智能在教育应用中的“新区”、“误区”、“盲区”与“禁区”[14]，关注人工智能对教育教学效果提升的显性影响的同时，更加关注人工智能对教育的隐性影响，比如人工智能在教育应用中涉及的伦理问题[15][16]，如何保证教育大数据的安全问题和学习者个人隐私保护问题，防范人工智能教育应用的伦理风险，使人工智能教育应用真正做到以人为本、“科技向善”。