劉艷艷 黃雙根 黃福裕

摘 要：智能課堂助手是人工智能發(fā)展的產(chǎn)物，其采用自然語(yǔ)言處理、情感分析技術(shù)與學(xué)生自然交互，實(shí)現(xiàn)趣味性學(xué)習(xí)、個(gè)性化教學(xué)。從大學(xué)課堂情境、學(xué)具、教具、資源4個(gè)方面的教育價(jià)值進(jìn)行分析，提出智能課堂助手與學(xué)生自然語(yǔ)言交互的課堂教學(xué)架構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)具體應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，智能課堂助手對(duì)學(xué)生的課堂參與度有積極影響，智能課堂助手正向影響學(xué)生課堂情感狀態(tài)，正向情緒高于負(fù)向情緒，課堂不良行為大幅降低。

關(guān)鍵詞：智能課堂助手;自然語(yǔ)言處理;情感分析

DOI：10. 11907/rjdk. 191660 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：G436文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

課堂是學(xué)習(xí)者與教育者知識(shí)獲取、知識(shí)交互、知識(shí)轉(zhuǎn)化的正式學(xué)習(xí)環(huán)境。在該環(huán)境下，教學(xué)是以學(xué)生為中心的自主化、個(gè)性化過(guò)程[1]。近年來(lái)以學(xué)生為中心的教育理念逐漸為高校所接受，該理念弱化了傳統(tǒng)教學(xué)模式中的“教”，強(qiáng)調(diào)知識(shí)內(nèi)化的“學(xué)”，重視學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位[2]。該教育理念強(qiáng)調(diào)把學(xué)生置于學(xué)習(xí)活動(dòng)中心， 充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)動(dòng)力，改變教師的角色和職能，使教師從“教知識(shí)”轉(zhuǎn)向“教學(xué)法”，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)。研究表明，目前以教材、教師、學(xué)生三者為中心的課堂教學(xué)模式仍占主流，教師多采用PPT放映和板書(shū)結(jié)合[3]，課堂氣氛沉悶，課堂設(shè)計(jì)未考慮學(xué)生適應(yīng)力，造成反應(yīng)率低、課堂參與度低[4]等問(wèn)題。

2017年美國(guó)《規(guī)劃未來(lái)迎接人工智能時(shí)代》提出未來(lái)教育的變革，特別是智慧教育中倡導(dǎo)的個(gè)性化、精準(zhǔn)化、自適應(yīng)性、普適性等，都以人工智能為核心技術(shù)[5]。《2018地平線報(bào)告（高等教育版）》提出人工智能和機(jī)器人是長(zhǎng)期發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)：人工智能將進(jìn)一步深入理解學(xué)習(xí)者特征、學(xué)習(xí)者思維模式，從而提升在線學(xué)習(xí)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)性能[6]。隨著人工智能在教育領(lǐng)域的發(fā)展，智慧課堂、智慧學(xué)習(xí)環(huán)境等概念逐漸引入教育領(lǐng)域，智慧課堂引入信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和信息多樣化功能，滿足現(xiàn)代學(xué)生群體轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式的要求。目前，MOOC、雨課堂、云課堂普及率穩(wěn)步增長(zhǎng)，但其過(guò)于重視人與技術(shù)之間的交互，忽視了學(xué)生情感交流，學(xué)習(xí)者整體完成率仍然很低。因此，對(duì)于學(xué)習(xí)者與技術(shù)的擬人化交互以及學(xué)習(xí)者情感交流等開(kāi)展研究非常重要。本文利用智能課堂助手創(chuàng)設(shè)個(gè)性化、情感化、信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，增強(qiáng)課堂交互性，以達(dá)到提高課堂教學(xué)價(jià)值之目的。

1 智能課堂助手

1.1 概述

最早的聊天機(jī)器Eliza起源于麻省理工學(xué)院[7]，它扮演一個(gè)心理學(xué)者角色，目的是使文字談話變得更生動(dòng)。在人工智能發(fā)展的今天，智能對(duì)話技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用廣受關(guān)注。人工智能在非教育領(lǐng)域，為人們提供咨詢、事務(wù)處理、聊天傾訴、心理咨詢、虛擬陪聊等功能，涉及辦公、商業(yè)及個(gè)人休閑娛樂(lè)等方面，具有便利性、娛樂(lè)性、情感化、智能化等特征。而在教育領(lǐng)域，應(yīng)用范圍涉及教師、學(xué)生、課程、學(xué)校等方面輔助和支持功能，包括學(xué)生與教師有效和諧溝通、問(wèn)題咨詢、答題解惑、輔導(dǎo)語(yǔ)言學(xué)習(xí)、模擬教師以及輔助教學(xué)工作等功能，如表1所示。已有研究表明，智能課堂助手支持個(gè)性化輔導(dǎo)、問(wèn)答式交互、情感交流等功能，營(yíng)造自主學(xué)習(xí)、互動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境，提供學(xué)習(xí)資源、練習(xí)模擬、情緒調(diào)節(jié)、課程知識(shí)輔導(dǎo)等服務(wù)[8]。Maderer[9]針對(duì)在線課程創(chuàng)建智能學(xué)習(xí)助手Waston Jill，用來(lái)回答學(xué)生重復(fù)提問(wèn)，實(shí)現(xiàn)高效互動(dòng)。

1.2 智能課堂構(gòu)建

祝智庭[10]將信息技術(shù)分為擬人和擬物兩個(gè)方面。智能課堂助手作為現(xiàn)代信息技術(shù)的一種教學(xué)工具，支持學(xué)習(xí)者與教學(xué)社群、學(xué)習(xí)社群開(kāi)展知識(shí)交互，同時(shí)本身具有深度學(xué)習(xí)、情感計(jì)算、語(yǔ)音識(shí)別等功能，在課堂教學(xué)中可以達(dá)到擬人效果。智能課堂助手構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，具有情景、教具、學(xué)具、資源4方面教育價(jià)值?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的智能課堂助手為學(xué)習(xí)者提供專業(yè)化的教學(xué)資源，為教與學(xué)提供技術(shù)支撐。

2 智能課堂助手的教育價(jià)值

2.1 情境：擬人化課堂學(xué)習(xí)情境

智能課堂助手的交互性和擬人性等特征有助于知識(shí)培養(yǎng)。教師與學(xué)生相互傳遞信息并生成知識(shí)代碼，引入適當(dāng)?shù)姆钦Z(yǔ)言符號(hào)可以提升整個(gè)課堂的教學(xué)效率。神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)和教育學(xué)研究表明，情感狀態(tài)在一定程度上會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和態(tài)度[11]。David Griol等[12]提出并構(gòu)建多模式機(jī)器人教育應(yīng)用Gera，涉及面部表情、手勢(shì)等資源，研究表明學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)由小增大。如圖1所示，當(dāng)語(yǔ)音與文本響應(yīng)提供反饋和表達(dá)時(shí)，智能課堂助手響應(yīng)的是“聽(tīng)”的狀態(tài)。如果用戶給出積極反饋，助手則回應(yīng)“開(kāi)心”或者“驚訝”表情。如果用戶給出的答案不正確，助手則顯示“難過(guò)”或者“鼓勵(lì)”表情，與此同時(shí)會(huì)提供正確答案或另一種答案提示。它利用教育學(xué)、心理學(xué)、教育技術(shù)等學(xué)科方法對(duì)新一代人機(jī)交互、可視化教學(xué)、智能教學(xué)進(jìn)行新的探索，模擬人類自然交流并生成與學(xué)生交互的編碼，形成人機(jī)交互“最人類”的教學(xué)情境與學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.2 教具：基于問(wèn)題教學(xué)法的課堂

基于問(wèn)題教學(xué)法的課堂教學(xué)存在很多障礙與缺失，如教師主動(dòng)提問(wèn)和學(xué)生被動(dòng)回答的機(jī)械式提問(wèn)[13]?，F(xiàn)代信息技術(shù)促使高校大量使用各方面的問(wèn)答系統(tǒng)支持問(wèn)題教學(xué)法在課堂教學(xué)中應(yīng)用，如麻省理工大學(xué)利用Smart回答有關(guān)地理、歷史、文化、科技、娛樂(lè)等方面問(wèn)題[14];PowerAqua系統(tǒng)是一個(gè)基于知識(shí)庫(kù)的智能問(wèn)答系統(tǒng)，容納了各領(lǐng)域的信息知識(shí)庫(kù)[15];智能實(shí)時(shí)英語(yǔ)聊天系統(tǒng)希賽可[16]及智能問(wèn)答系統(tǒng)WordNet[17]提供英語(yǔ)對(duì)話練習(xí)的模擬語(yǔ)境。對(duì)問(wèn)題教學(xué)的現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用調(diào)查發(fā)現(xiàn)，融合情感分析、自然語(yǔ)言處理技術(shù)的問(wèn)答系統(tǒng)較少。融合自然語(yǔ)言和情感分析的技術(shù)應(yīng)用能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂問(wèn)題教學(xué)的不足，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)虛擬交流環(huán)境，與作為教師及學(xué)習(xí)伙伴的智能課堂助手進(jìn)行雙向交互，實(shí)現(xiàn)問(wèn)中學(xué)和學(xué)中問(wèn)。

2.3 學(xué)具：智能課堂助手構(gòu)建參與式互動(dòng)課堂

智能課堂助手可以扮演虛擬教師和學(xué)習(xí)同伴兩個(gè)角色。作為學(xué)習(xí)同伴，學(xué)生只需通過(guò)語(yǔ)音或文本輸入方式與虛擬助手進(jìn)行問(wèn)答交互，學(xué)生可以選擇興趣點(diǎn)知識(shí)、課程知識(shí)向助手提問(wèn)，助手在回答的同時(shí)也可向?qū)W生提出相關(guān)問(wèn)題，兩者雙向交互。詹澤慧等[18]從遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)支持服務(wù)角度分析了虛擬助理在資源推送、教學(xué)互動(dòng)、情緒調(diào)節(jié)和生活輔助4個(gè)方面的服務(wù);Dagnon[19]認(rèn)為，智能助手和在線教育的結(jié)合將有效提高學(xué)習(xí)的趣味性、參與度、可訪問(wèn)性、個(gè)性化以及可擴(kuò)展性，既實(shí)現(xiàn)課堂雙向交互，又實(shí)現(xiàn)課堂每一位學(xué)生都參與互動(dòng)，同時(shí)解決了教師一對(duì)多提問(wèn)的困境，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)大學(xué)課堂學(xué)生參與度的不足。

2.4 資源：基于智能課堂助手的資源整合課堂

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，數(shù)字化資源在課堂教學(xué)中大量應(yīng)用，技術(shù)與知識(shí)整合的教學(xué)資源是學(xué)習(xí)者獲得海量、個(gè)性、精準(zhǔn)資源的有效途徑，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了情境化、個(gè)性化、智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境。情境化、個(gè)性化、有針對(duì)性的教學(xué)資源可以激發(fā)學(xué)生的參與熱情，促進(jìn)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的深層次認(rèn)知[16]。如圖2所示，智能課堂助手在技術(shù)支撐的基礎(chǔ)上結(jié)合知識(shí)庫(kù)生成答案，并將信息以富媒體形式返回給學(xué)習(xí)者。在交互過(guò)程中，根據(jù)上下文語(yǔ)境，結(jié)合情感計(jì)算、深度學(xué)習(xí)，分析學(xué)習(xí)者個(gè)體差異和需求。智能課堂助手向?qū)W生提供技術(shù)、知識(shí)庫(kù)、富媒體、學(xué)習(xí)分析4個(gè)方面的資源支持。

3 研究設(shè)計(jì)與成效

3.1 研究設(shè)計(jì)

3.1.1 框架構(gòu)建

智能課堂助手選用目前熱度、便捷度較高的聊天機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)圖靈機(jī)器人，在平臺(tái)接入微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)學(xué)習(xí)與智慧教學(xué)。如圖3所示，智能虛擬課堂助手響應(yīng)用戶請(qǐng)求，并將用戶請(qǐng)求傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，進(jìn)行語(yǔ)言、可視化界面交互。在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)言交流出現(xiàn)的亂碼進(jìn)行處理并快速組織語(yǔ)言資源。課堂助手提供多種功能幫助教學(xué)內(nèi)容的有效傳遞，如自然語(yǔ)音識(shí)別、文本語(yǔ)音合成、對(duì)話管理、用戶答案分析以及可視化信息交互。

3.1.2 對(duì)象選擇

本文選擇《中國(guó)傳統(tǒng)文化》課程進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。課程持續(xù)5周，共有5個(gè)班參與課堂助手學(xué)習(xí)，每班進(jìn)行5次教學(xué)實(shí)踐。隨機(jī)抽取1個(gè)班進(jìn)行研究與分析，共24人。隨機(jī)選擇1名學(xué)生為觀察對(duì)象，進(jìn)行前測(cè)與后測(cè)研究，以保證觀察的精確性;隨機(jī)選取2節(jié)課觀察，每節(jié)40分鐘，每30秒記錄一次學(xué)生的課堂表現(xiàn)。

3.1.3 教學(xué)干預(yù)過(guò)程

如圖4所示，智能助手與學(xué)生以多種形式對(duì)話，互動(dòng)實(shí)體包括學(xué)生—學(xué)生，學(xué)生—智能課堂助手?；?dòng)屬性包括文字、語(yǔ)音、鏈接、圖片、表情等。由于社交軟件的普及，學(xué)生基本以表情、語(yǔ)音切入話題，互動(dòng)氛圍熱烈。互動(dòng)內(nèi)容覆蓋區(qū)域較廣，概念、類型、時(shí)間及典故問(wèn)答頻次最高。

3.2 干預(yù)成效

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指學(xué)生訪問(wèn)時(shí)間、訪問(wèn)人數(shù)、訪問(wèn)次數(shù)等數(shù)據(jù)，訪問(wèn)次數(shù)指學(xué)生的問(wèn)答次數(shù)以及與智能課堂助手的互動(dòng)次數(shù)。除課前幾分鐘外，訪問(wèn)次數(shù)處于100～290之間，最高達(dá)到298次，200以上次數(shù)較多，而訪問(wèn)人數(shù)基本為24人。

從圖5可知，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為基本在課程的開(kāi)始，利用課前時(shí)間預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)知識(shí)。從數(shù)據(jù)看，學(xué)生之間以及與智能課堂助手之間互動(dòng)頻次較高，基本處于全員在線狀態(tài)，由此可知智能課堂助手對(duì)學(xué)生課堂參與度有積極影響，能夠提高學(xué)習(xí)的積極性與參與度。

3.2.2 情感分析

利用語(yǔ)義分析工具NLPIR對(duì)學(xué)生與智能課堂助手互動(dòng)內(nèi)容進(jìn)行描述性分析，具體情況如表2所示。學(xué)生的情緒狀態(tài)均屬于正面，其中快樂(lè)情緒占比較大。從數(shù)據(jù)可以看出，智能課堂助手應(yīng)用能夠引起學(xué)生的關(guān)注與參與，獲得學(xué)生的好評(píng)和喜愛(ài)。情感交流更能夠促使學(xué)生對(duì)刺激的同化與順應(yīng)。因此，在課堂教學(xué)中應(yīng)該利用富有情感交流屬性的教學(xué)工具，引導(dǎo)學(xué)生在熟悉又熱烈的氣氛下研究問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，掌握學(xué)生的興趣主題，提高教學(xué)效率。

3.2.3 教學(xué)干預(yù)分析

為了解智能課堂助手對(duì)學(xué)生表現(xiàn)和行為干預(yù)的實(shí)時(shí)性和精確性，選擇高校課堂互動(dòng)分析編碼CIAS并結(jié)合學(xué)科學(xué)習(xí)特點(diǎn)對(duì)課堂情況進(jìn)行分析，A組為傳統(tǒng)課堂教學(xué)，B組為智能課堂助手干預(yù)教學(xué)。在多次實(shí)驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)有效性診斷基礎(chǔ)上研究智能課堂助手對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為產(chǎn)生的影響，具體如表3所示。

如變化頻率為負(fù)，說(shuō)明第一節(jié)課的不良行為次數(shù)低于第二節(jié)，從少增多。相反，第一節(jié)課高于第二節(jié)，逐漸減少。從數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生A的課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)屬于正向。A組的低頭、說(shuō)話、睡覺(jué)增長(zhǎng)頻率均高于B組，可知干預(yù)后學(xué)生的課堂不良行為降低了。課堂上的不良行為影響學(xué)生的知識(shí)掌握度及表現(xiàn)水平，改善學(xué)習(xí)者的課堂不良行為對(duì)學(xué)習(xí)效果具有重要意義。從主動(dòng)與被動(dòng)頻率看， B組均為負(fù)數(shù)，而A組大于B組，可知B組的學(xué)習(xí)積極性由低向高轉(zhuǎn)變。相反，A組由高向低轉(zhuǎn)變，達(dá)到了較好的教學(xué)成效。說(shuō)明干預(yù)后學(xué)生對(duì)節(jié)日類型、時(shí)間、典故以及相關(guān)概念均有不同程度的掌握，特別是課堂上的表現(xiàn)，與干預(yù)前有明顯差異。因此，智能課堂助手可以影響學(xué)生的學(xué)習(xí)行為與表現(xiàn)，有利于提高教學(xué)效果，克服學(xué)生的不良行為。

4 結(jié)語(yǔ)

教育是提高人的自然智能的過(guò)程，人工智能是在機(jī)器上實(shí)現(xiàn)教育的工具。智能課堂助手是人工智能應(yīng)用在教育領(lǐng)域的智慧教學(xué)工具，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)學(xué)習(xí)與教學(xué)。對(duì)教育者來(lái)說(shuō)，可以作為教具創(chuàng)設(shè)情境，增加情感體驗(yàn)，輔助教學(xué)，提高教學(xué)效率;對(duì)學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)，智能課堂助手既符合時(shí)代潮流，又結(jié)合了學(xué)生使用社交軟件特點(diǎn)，使學(xué)習(xí)具有趣味性和便捷性，提高了學(xué)生互動(dòng)參與度和主動(dòng)性;對(duì)于課堂而言，作為教學(xué)資源支持工具整合了資源。當(dāng)然，高效的課堂并不僅僅取決于技術(shù)應(yīng)用，還取決于學(xué)習(xí)者群體對(duì)技術(shù)本身的適應(yīng)性。因此，今后將從以下兩個(gè)方面進(jìn)行研究：①在應(yīng)用方面，針對(duì)學(xué)生接受度及學(xué)習(xí)效果進(jìn)行實(shí)踐，利用課堂助手分析學(xué)生學(xué)習(xí)特征、學(xué)生個(gè)體差異及學(xué)習(xí)情境等對(duì)教學(xué)效果的影響;②在開(kāi)發(fā)方面，對(duì)話界面要向大眾化方向發(fā)展，程序應(yīng)適應(yīng)用戶APP使用習(xí)慣。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）