基于ChatGPT 的智慧教育模式初探

王建新 肖超恩 张 磊

北京电子科技学院，电子与通信工程系，北京市 100070

1 引言

ChatGPT 是由美国OpenAI 公司推出的一款聊天机器人工具，其中，GPT 为Generative Pretraining Transformer 是基于Transformer 结构实现的一种预训练生成模型［1］。 ChatGPT 使用深度学习技术和自注意力机制，能够对文本进行自动编码和生成，并在多个自然语言处理任务中表现出类人级别的性能。 与传统的机器学习模型相比，ChatGPT 能够通过海量数据学习产生强大的文本处理和推断能力，适用于自然语言生成、对话系统、文本摘要、信息检索等应用场景［2，3］。此外，ChatGPT 还支持零样本学习（zero-shot learning）和迁移学习（transfer learning）等，可以将已有知识和经验应用到新的语言和场景中，无需重新进行训练［4］。

智慧教育是一种以信息技术为基础，利用大数据、人工智能和云计算等技术手段进行深入协同、个性化和差异化的教学模式，其目的在于提高教育教学水平和效率，优化学生的学习过程、体验与结果，针对不同层次和学科领域的学生，为其提供更加精准的学习方案和跟踪服务，促进学生的全面发展与独立创新。 相关文献显示，当前我国各大高校已经投入了大量精力和资源开展智慧教育的研究和实践［5，6］。

智慧教室是智慧教育概念的延伸，通过物联网、云计算、大数据、人工智能等现代科技将教育信息化手段与教学内容紧密结合，对传统教室进行智能化改造，为学生提供全面、多样化的教学资源和教学环境，是教学使用的信息空间和物理空间的集合［7］。 智慧教室包括教学知识体系、教学管理体系、教学平台系统和教学条件的智能化建设，从而推动现代教育模式的创新，促进教育信息化的发展［8］。

在2022 年8 月举办的第57 届中国高校教育博览会上，北京市高等教育学会正式发布《高等学校智慧教室建设技术要求》（T／BAHE-202001）团体标准［9］，该标准秉承“统筹、集约、绿色、发展、开放、共享、安全”的原则，设计了高等学校智慧教室建设的总体框架，提出了高等学校智慧教室建设中硬件设施功能、软件应用及教学环境的建设标准，旨在指导高等学校依托信息技术建设智慧学习环境，规范智慧教室建设，促进信息技术在教学中的深入、广泛应用，推动教学理念、教学模式和教学内容改革，支撑信息时代高素质创新人才的培养。

2022 年12 月30 日，由CIO 时代、北达软和高校信息技术创新应用产教融合联盟共同编写的《中国智慧教育白皮书—基于信创体系的智慧教育》在高校信创教育峰会暨高校信息技术创新应用产教融合联盟成立大会上正式发布，主要内容包括：教育信创的背景、教育信创的目标与指导原则、智慧教育的架构框架、教育信创的技术体系、智慧教育与信创化转型、高校信创体系建设、教育信创的实施方法及教育信创的保障体系。 作为白皮书的核心内容之一，白皮书提出了智慧教育的架构框架（SEAF），包括架构开发方法、架构内容框架、智慧教育业务参考模型、智慧教育应用参考模型、信创技术参考模型和信创运营参考模型六大部分内容。 该架构框架可以为智慧教育（教育机构的数字化转型）和教育信创（教育机构的信创化转型）提供系统性的方法论指导［10］。

2023 年初，教育部发布了《智慧教育平台标准规范》，为智慧教育平台体系建设与应用提供重要依据［11］；2 月13 日，在教育部与中国联合国教科文组织全国委员会举办的世界数字教育大会上，中国教育科学研究院院长李永智代表中国教科院正式向海内外发布《中国智慧教育蓝皮书（2022）》与2022 年中国智慧教育发展指数报告［12］。

将智慧教育导入智慧教育平台，把智慧教育平台接入智慧教室， 在智慧教室中引入ChatGPT，可以实现可定制化的学习机器人和虚拟助手，能够在任何时间为学生甚至教师提供学习帮助，并能够适应每个学生的学习需求，掌握学生的学习进度［13］。 智慧教室能够提供互动式教学资料，并利用ChatGPT 进行知识讲解；实时监测和记录学生学习数据，从中获取学习数据并进行全方位分析，以便教师能够更好地调整教学方式和策略［14］。 利用ChatGPT 在语言处理、逻辑推理等领域的优异性能，结合智能化的教学设施，以实现课堂教学的智能化、高效化和个性化［15］。

2 基础架构

基于ChatGPT 的智慧教育模式基础架构如图1 所示，主要包括四个方面：

图1 基于ChatGPT 的智慧教育模式基础架构

（1）个性化学习：通过识别学生的不同需求，系统可以根据学生的实际情况提供个性化的学习体验，如针对不同学生推荐不同的教学材料、题目以及实时调整教学进度等。

（2）智能辅导和评估：系统可以自动生成答疑解惑、可视化讲解、自动批改作业等教师和学生需要的教育辅助功能，同时还可以记录学生的学习表现并进行综合评估。

（3）教育内容创作支持：系统可以自动生成各种教育教学相关的文本，如文章、教案等，为教师提供教材编写、课件制作等方面的支持。

（4）教育大数据分析：系统可以帮助教育机构收集、处理和分析庞大的数据，并根据数据分析结果进行教学内容优化、个性化调整、学生成长评价等多方位的应用。

利用智慧教室通过多种形式如图像处理和人脸识别技术对学生进行实时监测和评估，更好地把握学生的学习情况，为教师提供个性化教育手段和支持；利用ChatGPT 等自然语言处理技术快速智能识别学生问题、推荐相关知识点以及提供解决方案［16］。 智慧教室可以帮助教师更好的掌握学生学习情况，提出教学计划并自适应调整，同时实现考勤、成绩管理、测验评估自动化等多项功能，大大优化教学管理的效率［17］。 基于ChatGPT 的智慧教室可扩大知识获取范畴，通过数据分析和信息采集，为学生个性化推荐课程、资源、题库等内容，为学生打造富有趣味性、时效性和激发学生学习潜能的学习情境［18］。

2.1 个性化学习

个性化学习以学生为中心，在教学过程中，通过ChatGPT 对话形式精准、高效地识别不同学生的不同学习需求，有针对性地提供个性化的教学资源、教学内容及教学手段、方法。

2.1.1 个性化学习的实现意义

针对每个学生的特点，量身制定合适的学习计划，而非强行统一标准，对于学生的学习效率会带来很大的提升。 根据学生的知识层次、学习兴趣等因素差异，在完成基础知识学习的前提下，考虑学生的个体差异，提供不同的教学资源、内容，满足多元化需求，更好地激发学生的学习兴趣。 利用ChatGPT 的教育资源收集与融合能力，实现学校之间和教师之间的教育资源共享，消除学习壁垒，降低学习门槛［19-22］。

2.1.2 ChatGPT 技术在个性化学习中的应用

（1）学习行为和数据分析

通过智慧教室的学习管理系统，收集学生的学习过程数据，形成学生的学习档案；利用该数据推荐有针对性的教学资料、生成讲义、设计练习题等，提供量身定制化服务，从而满足学生不同需求，提高学习效率。

（2）预测式教学指导

ChatGPT 可以通过收集学生的历史学习对话数据，结合各科目知识点进行分析处理，预测学生的未来学习进程，并及时推送有针对性的知识点和解决方案。

（3）能力评估和知识掌握情况监测

通过分析学生问答对话和完成任务等多方数据，可以对学生的能力和知识掌握情况进行实时监控和个性化纠偏，识别错题，根据知识点、难度、互动情况等因素为教师和学生提供智能反馈，及时进行知识点掌握度的反馈辨析，使教师精确地掌握学生知识掌握情况。

2.1.3 实现个性化学习的方法

（1）建立学生学习画像

在应用ChatGPT 之前，需要对学生进行全面准确的描述。 除了学生的基本信息（如年龄、性别、专业等）外，还需要对学生成绩、性格偏好、兴趣特长、学习特点进行描述，构建学生学习画像的特征向量，如借助深度学习技术处理学生数据，挖掘显示学生特征。

（2）提供个性化教育资源

以当前学生学习画像为基础，利用ChatGPT技术，根据学生的性格、学习特点和阅读习惯构建个性化内容推荐系统，向学生推荐适合的学习资源，如基于语义分析的个性化资料库、基于智能辅导模式的答疑解惑等。

（3）智能练习题组卷和测试

根据知识点的难度、覆盖范围，借助自然语言生成技术构造个性化和时效性强的试题，并通过不断演进，将单一知识点扩展为多节点知识点，将简单基础题扩展为复杂综合题，构建海量题库，通过学生实时测试情况进行目标设定，引导学生实现有效学习，如以掌握不牢固的知识点为基础，设计出有针对性的学习内容，制定详细的知识点学习、测试、考核、方法。

2.2 智能辅导和评估

个性化学习基于对每个学生的个性化学习需求进行分析研究，利用ChatGPT 智能技术手段，为学生提供量身定制的教学内容和在线辅导服务。

（1）数据抓取

要实现智能辅导和评估，需要借助数据聚合技术分析学生的学习行为和学习数据。 通过收集学生在学习中的各种活动数据，如个人信息、历史学习记录、练习答题情况、网络搜索记录等，可以建立起一个完整的学生成长轨迹。 通过数据聚合技术进行数据挖掘，可以识别出学生的优势、弱点、特长、兴趣爱好以及其他相关因素，为学生量身打造教学方案，提升教学效果。

（2）语义分析

要实现智能辅导和评估，需要运用自然语言处理技术分析学生的答案和提问。 对学生答题和提问的数据进行分析，可以识别出问题和答案之间的逻辑关系和语义结构，从而有针对性地提供辅导。 此外，学生与机器的对话过程，既是为学生提供个性化的教育辅导的过程，同时也是评价学生语言表达能力和思维深度广度的评估手段。

（3）个性化定制教学

要实现智能辅导和评估，需要通过建立精准的算法模型、训练数据集合，为每个学生生成定制化的教学方案和学习计划，如在做习题时，可以有针对性地推荐学生需要加强的知识点，并为其提供相应的练习；在评估学生的认知水平时，可以基于其历史学习记录和答题情况，预测出未来可能遇到的难点，并采取针对性措施。

（4）自动化服务

要实现智能辅导和评估，需要实现自动化服务，如在线教学平台为学生提供24 小时在线辅导、考试题库共享等功能，对学生的学习数据进行全面监控和分析，不仅实现了对学生指导服务的自动化，还在时间和空间上解放了教师和学生，为学生提供了更便捷的知识获取途径。

实现智能辅导和评估需要运用多种技术手段与工具，包括学生基础数据采集、自然语言处理、机器学习模型、在线教育平台、云计算技术等，将这些技术通过深度融合，构建可持续发展的教育新型模式，激发出学生的学习潜能，改变学生在学习过程中的盲从性、无目的性，达到提升学习效率和效果的目的；教师可以通过获取学生对相关科目问题的提问回答情况，有针对性地指导学生，使用自动化的系统来监督学生的在线活动，并在必要时进行提示、调整任务等。

2.3 教学内容创作支持

教学内容创作是教学的重要支撑。 好的教学内容可以有效提高教学质量，使教学活动的开展更为顺利。 因此，需要建立一套完整的教学内容创作平台。

（1）教学资源库

收集相关领域的优质教学资源，并采用数据标准化手段进行存储和管理，使其能够方便地被用户检索和使用。

（2）创作工具

提供各种形式的在线和离线教学内容创作工具，如文本编辑器、PPT 制作工具、程序设计工具、图像处理工具等。 通过这些工具，用户可以轻松快捷地创建教学内容。

（3）协同助手

提供团队协作功能，使多人可以同时编辑、审核和发布教学内容。 协作工具能够提供版本控制和权限管理等功能，以保证协作的顺畅和有效。 为了提高教学内容创作的质量，需要运用先进的技术手段和方法来增强支持，主要包括人工智能分析、自然语言处理等。

（4）内容审核

要建立一套完善的内容审核机，不仅可以对创作的教学内容进行定性和定量的评价，并且可以对创作者提出对应的反馈意见，主要包括双向审核和评分机制。 双向审核是让内容创作者经过初步编辑后将教学内容分享到在线社区，通过社区里的其他用户对该内容进行协同创作和内容审核；在教学内容创作平台上增加评分机制，让用户评价教学内容的好坏、难易、完整度等指标，为学生和教师提供可参考性的信息。

教学内容创作需要建立完善的教学资源库，提供一系列在线和离线的教学内容创作工具，建立科学合理的内容审核机制等。

2.4 教育大数据分析

教育大数据分析已成为当前教育领域中的研究热点，通过收集、整理、分析学生相关数据，能够更好地了解学生的学习情况，根据这些数据结果对教学内容进行优化、个性化调整和学生成长评价，更好地评价学生学习情况等。

为了更好地进行教育大数据分析，可以建立一个简化的数学模型进行描述：

设有n个学生、m个老师，在每个学期结束时对参与相关课程的学生进行学习效果评估。给定学生成绩数据矩阵Gn×m，其中每个元素gij为学生i在教师j所授课程上的成绩，每门课程对应不同的权重系数w1，w2，…，wm，表示对学生成绩的不同影响因素。

可以通过课程成绩矩阵G的加权平均值来计算：

对上式进行改进，加入更多维度的数据来对学生进行综合学习情况评估，建立一个包括学习状态、学习兴趣、学习难点等要素的评估算法。

（1）学习状态数据

可以通过智能测试方式提问每个学生对各门课程的掌握情况及学习计划，以此了解他们当前的学习状态。 设每个学生i在第j门课程中的状态为sstatusij，状态可取值为0、1、2，分别表示不良、正常、优秀三种情形。（2）学习兴趣数据

可以通过智能对话方式询问每个学生对各门课程的兴趣和偏好，并根据学生反馈数据进行归一化处理。 设每个学生i在第j门课程中的兴趣值为sinterestij，范围在［0，1］之间。

（3）学习难度数据

可以通过智能对话方式询问每个学生在各门课程中遇到的难点，再根据这些数据给出相应的建议和帮助。 设每个学生i在第j门课程中的学习难度为，表示学生i对该课程学习的难度系数。

综合考虑成绩、学习状态、学习兴趣、学习难度因素，进行加权处理，可以得出评估算法公式：

式中，a、b、c均为非负系数，且a＋b＋c＝1。值得注意的是，不同的因素之间的权重系数会存在差异，可以根据实际情况对其进行动态描绘。

最后，设置一个学习标准线，标示学生的平均水平和过高、过低的范围，以此来给出学生成长的具体评价和相应建议。

3 存在的问题及改进方向

（1）隐私保护问题

个性化辅导采用了学生数据作为核心资料，在实现过程中应注重用户数据隐私保护、信息安全等问题［23］，可以采用相关技术来解决这一问题，如多层加密、匿名化、模型剪枝等手段来提高人工智能系统的安全性。

（2）定制服务成本高

由于采用了人工智能方式的个性化学习方法，使技术本身和技术支持的成本显著提高，面临如何将课程与学生匹配以及使用安全可靠的教育平台实现定制服务等问题，可以通过增加互动交流，以视频形式展示公式、模型、推导等晦涩难懂的知识，以及授权系统自动推送自定义策略等方式降低定制服务成本。

（3）强化与传统课堂协调

采用了人工智能技术的学习方式不代表要取代传统教学方式以及优秀课程资源的使用，更多的是两种方式的协同运行［24］。 应当加大对于在线教育的投入力度，推动教育创新，鼓励开放，通过强化与传统课堂的协调，切实提高学生实践动手能力与探索创新能力。

科技更新迭代速度越来越快，在ChatGPT在智慧教室上的应用还远没有达到完美状态，针对当前出现的问题必须加强研究，构建鲁棒性强的智能辅导和学习状态评估系统［25］。 个性化学习借助于智慧教室的数据聚合、大数据分析、智能化管理等技术，利用ChatGPT 实现从输入到输出的端到端的过程，成为未来教育数字化转型的前沿。 尽管存在一些技术和实践上的挑战，需要通过人为干预完成与传统课堂教学的协调以及数据保护等相关问题，但是，这种基于科技导向、全面量身定制、个性化学习的教育教学方法的更迭会不断落地生根，促进我国教育事业的发展，并会产生深远的影响。

4 总结与讨论

基于ChatGPT 的教育模式在智慧教育的引导和智慧教室的承载下会进一步发展壮大，其目根本的是创造一个更适合于学生提升学习效率和激发创新潜力的新发展路径，它强调协同、个性化和差异化，能够更好地整合教育资源，推进教学质量提升，满足大容量、定制化的现实需求，可以开展精准分析和评估、设计相适应的教学模式，在此基础上加强高校与相关行业之间的联系，并为其提供具有实际属性的知识训练。 此外，面对新形势下智慧教育的发展和社会的不断进步，在智慧教育实施过程中，一是加强全程监督，关注整个课程运行的过程和环节；二是关注数据安全问题，保障数据完整性和个人隐私；三是激发学生参与实践创新的意识，鼓励他们对新技术保持开放、包容、共享的态度，并突出从常规方法中寻找问题的解决方案；四是进一步强化实践教学，把智慧教育融入到工程实践中，实现各个教学环节的有机结合。

总之，对于高校来说，研究和应用智慧教育模式具有很大的现实意义，能够显著提高教育教学质量、优化学习过程体验，针对不同层次和学科领域的学生，为其提供更加精准的学习方案和跟踪服务，促进学生的全面发展与创新能力的提升，也为推进中国特色现代化建设、实现高质量经济发展奠定了坚实的文化基础。