基于学者网的协同教学模式探索与实践——以人工智能课程为例

赖韩江，楚寒露

（1.中山大学 计算机学院，广东 广州 510006；2.华南师范大学 计算机学院，广东 广州 510631）

0 引言

随着互联网信息技术的迅猛发展，人工智能已成为众多行业的关键技术和变革力量。2017 年，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》中提出了“智能教育”的概念，旨在利用智能技术推动人才培养与教学改革。2020 年，国际人工智能与教育会议在北京召开，主题为“培养新能力，迎接智能时代”。在智能时代，培养学生的学习兴趣、推动自主学习对于培养创新性人才具有重要意义。

目前，众多高校开设了人工智能相关课程，但人工智能覆盖面广，知识更迭快［1］，对学生的学习与老师的教学都是一个挑战。大量学者提出采用人工智能技术赋能教育［2］，推动教育走向国际化。人工智能在赋能教育的过程中可以作为辅助学习的工具，如教育大数据平台、智能学习机器人等中的很多算法都是借鉴了人类的学习方式，其中强化学习算法［3］是智能体通过探索环境，从而最大化奖励的过程，可类比于学生（智能体）通过与老师、同学等进行交互而学习新知识的过程。学习是一个探索的过程，是学生自我提高的过程，协同交互是学习中的重要步骤。为了解人工智能算法的原理，学生需要查找相关论文（与环境进行交互），也可以与其他学生一起学习（协同学习）。因此，探索新型协同交互式教育体系，提高学生学习人工智能算法的兴趣也是提高其应用与创新能力的过程。

Strijbos［4］认为协同学习是个体在社会群体的教育环境中通过交互完成学习目标的过程，在协同学习的过程中，通常由社会团体中的教育者引导互动，以增加受教育者达成学习目标的可能性。熊剑［5］指出协同知识建构是一种在协同学习模式下借助技术形成的学习型组织。武学润等［6］指出“以学生为中心”是当代大学教育学的重要理念，目的是要调动学生学习的主动性、探索性和积极性，激发其学习热情和协作精神。随着教育技术的快速发展，大量在线教育平台涌现［7］，如学者网、中国大学MOOC、网易云课堂、腾讯云课堂等，其中学者网（www.scholat.com）是一个基于协同理念的教研服务平台。学者网不同于一般在线课程平台，其提供了一种无缝连接到学术社区的新型学习方式，可以更好地与学者们交流协作，共享学术与教学资源，提供从学习到科研的一体化创新环境［8-10］。

本文以学者网教学平台为基础构建协同交互教学模式，从传统的线下课堂到线上线下相融合的协同教学模式转换，从以教师为中心的被动学习向以学生为中心的主动学习转换，从而激发学生的创新思维，提高其创造能力，实现“人工智能赋能教育、教育服务人工智能”的新型教学模式。该种基于学者网的协同教学模式主要包括教学协同、过程协同、科研协同三大协同方式，为教学提供了便捷的协同交互服务，提高了学生的学习效率与科研创新水平。

1 基于学者网的协同理念架构

学者网是一个面向学者的社交网络平台，由广东省服务计算工程技术研究开发中心研发，目的在于为教师、学生、高校、企业等提供一个高效的协同交互平台。学者网目前已成为拥有数十万教师与学生用户、数千个科研团队、数亿条学术信息的大型社交科研教学网络。

学者网是典型的基于协同理念的教研服务平台［10］，通过融合线上线下的协作方式促进学生自学能力的提升，形成以学生为中心的学术型教学平台。如图1 所示，本文基于学者网的协同理念实现阶梯式实践教学协同交互体系，主要包括教学协同、过程协同、科研协同3 个过程。

（1）教学协同。由教师提供课件等学习资料，学生在教师的主导和协作下完成基础知识的学习。学者网提供充分的课程空间，有效整合教学资源，为学生提供一个线下线上交互的云平台。

（2）过程协同。为进一步深化学生认知，利用学者网上的学生学习行为数据，借助云平台与大数据分析技术提供个性化、及时性指导。学生通过自主学习掌握相应知识点，从以教师为中心的第一阶段过渡到以学生为中心的学习模式，进入深度学习阶段。

（3）科研协同。提升学生的科研创新能力是人工智能课程的重要目标。学者网提供了一个高效的科研协同平台，其可面向科研实体开展科研活动，并记录科研过程与成果。科研协同可鼓励学生开展科研活动，提出新问题、新思路，增强其创新能力，提高其科研素养。

Fig.1 Architecture of step-by-step collaborative teaching图1 阶梯式协同教学架构

以上3 种协同方式是阶梯式逐步提高的学习过程。第一阶段的教学协同主要是要夯实基础，通过课程设计、实验操作、教师讲解、学生提问等方式提供基础的课程知识；第二阶段的过程协同是深化、提高学生主观认知的过程，是学生对知识了解、消化并重塑的过程；第三阶段的科研协同是对所学知识的创新性应用，通过科研训练以及相关文献阅读，学生提出新方法和新思路，进一步提升其知识应用与创造能力。

2 基于学者网的协同教学模式实践

人工智能课程内容繁杂、覆盖面广，且人工智能领域发展迅速，知识更迭快，兼具前沿性和创新性。在新工科课程建设背景下［11］，人工智能课程的教授主要包括以下几个方面内容。

（1）突出教师的引领作用。人工智能相关课程、书籍等资源过多，使得学生在学习过程中十分困惑，不知如何入门，此时要突出教师的引领作用。教师必须是一线研究人员，熟悉人工智能领域的发展。

（2）突出学生的主观能动性。人工智能课程知识更新快，学生要培养主动学习的能力，一方面可在完成作业后主动学习延伸知识，另一方面可与同学或科研人员交流，通过互动讨论实现知识的深入理解与认知。

（3）突出创新与科研能力的培养。人工智能领域有大量悬而未决的问题，在学习过程中，教师在教会学生已知内容的基础上，也要积极鼓励其创新，尝试攻克难题，提高科研水平。

为达成以上目标，学者网提供了三大空间，详见图2。

（1）课程空间。学者网提供了一个在线课程管理空间，其中有大量课程资源，教师可以很方便地将课件、论文等相关资料推送给学生。此外，学者网不仅可以对当前上课的班级进行管理，还可以保存历史信息，提供了一种供不同年级学生交互的便捷方式，例如低年级学生可以向高年级请教，实现同行学习，从而加快学习进程。在学者网的答疑互动模块，学生可以方便快捷地与教师、科研人员等进行交流。学者网的课程空间还提供了过程管理手段，如教师通过作业完成情况及时了解学生的认知程度，及时干预学习进程；通过保存学生与学生、学生与老师的交互行为数据，为进一步改善教学质量提供帮助。

（2）学者空间。学者网为每个用户建立了个人主页，即学者空间。学者空间中有学者的个人信息、学术档案、科研动态、课程、团队与好友等信息，以上信息详细刻画了用户形象，方便教学资源推送、学习兴趣挖掘、好友推荐等，极大提高了协同效率。

（3）科研空间。科研空间是面向科研实体开展科研活动、记录科研过程和成果需求而提供的服务空间。科研空间中有新闻通知、上传资源、分享成员动态等功能，还可以应用站内信、在线交流等工具进行成员互动。

Fig.2 Collaborative teaching model based on Scholat platform图2 基于学者网的协同教学模式

基于以上3 个空间，学者网可以较好地实现教学协同、过程协同和科研协同的过程。具体表现为：

（1）教学协同。利用学者网的课程空间给教师提供大量协同工具，如发布课程资源、布置作业、回答学生问题等。为降低人工智能课程的复杂度，采取层次化学习框架，即由教师根据学生的学习情况提供合适的学习目标，学生完成目标后教师再不断设立新目标，分解学习任务，引导学生逐步学习，从而建立完善的知识体系。

（2）过程协同。提供课前、课中、课后等多个学习过程的协作方式，帮助学生更好地掌握相关知识点。在这个过程中，从教师主导逐步转化为以学生为中心，培养学生主动学习的积极性［12］。学生带着问题，通过学者网的在线交流、站内邮箱、动态分享等功能，与科研团队和学者们协同交互，达到更为深入的认知过程。

（3）科研协同。学者网为每位科研人员提供了个人主页，也为科研团队提供了团队页面，学生可在相关页面学习应用知识、培养科研能力，从而实现从学习到研究的过渡，实现创新水平的提高。

3 协同教学模式实施与教学效果分析

基于学者网的课程平台已被多所高校采纳，其中，中山大学计算机学院的现代人工智能技术课程采用了教学协同、过程协同和科研协同的三重协同教学模式，培养了290 多名学生。该课程的教学目标是使学生熟练掌握人工智能的基础理论知识，重点培养其应用基础理论知识创新性解决实际问题的能力。教学过程主要分为课前、课中和课后3 个阶段，其中课前和课中以教学协同为主，课后以过程协同和科研协同为主。在课前和课中，教师分别通过发布相关资料和课堂讲解引导学生进行协作学习。课后分为两个阶段：首先是理解与巩固阶段，学生采用过程协同对课堂内容进行深入理解与内化；其次是实践和提高阶段，在该阶段学生可以联系科研导师，进行创新性科研实践。

在实践过程中，基于学者网的协同教学模式优势表现为：①易于理解人工智能算法。人工智能算法往往是模仿人的学习过程设计的，可通过教学协同理解人工智能的有监督学习算法。有监督学习是指在标注信息的指导下进行学习，这种学习方式是有教师指导的学习，以教促学，以学促教，并最终达到对人工智能算法的更深理解。②提供了一种便捷的协作学习方式。协同与交互是学习过程的一项基本操作。学生成为学习的主体，以学生—教师、学生—学生协同交互的方式实现知识的深度挖掘与探索，从而最大程度地重构知识的深度学习过程。学者网中有站内信、互动交流、最新动态、资源公告等模块，提供了一种融合线上线下的交流方式。③提高了学生的学习与科研热情。通过一个学期的学习，学生基本掌握了人工智能的基础理论知识，并能将其应用于细粒度分类、基于强化学习方法实现小游戏等实践当中。学生成绩有所提高，学习热情有所上升，部分学生已经进入实验室开始人工智能相关研究工作。

学者网提供了高效的协作工具，一方面可大大减少教师的工作负担，使其着重于学习过程中的引导作用；另一方面可使学生进行自主探索与学习，突出其在学习过程中的主观能动性，以适应人工智能知识体系的快速更新。

4 结语

人工智能课程的教学是一项极具挑战性的课题。为了更好地应对于庞杂的知识体系，本文基于学者网的协同理念探索协同交互式教学模式，提出阶梯式协作流程：首先利用教学协同打好知识基础，然后利用过程协同鼓励学生进行主动学习，最后利用科研协同培养学生的科研创新能力。综上所述，学者网的海量学术与科研资源为人工智能教学提供了一个良好平台。