[摘" "要] 教育智能體在數(shù)智空間中可扮演虛擬教師等角色并提供各類育人功能，對學(xué)習(xí)者的認知和情感發(fā)展有著重要影響。研究基于多媒體學(xué)習(xí)認知情感理論，利用教育智能體為學(xué)習(xí)者提供不同類型的認知支持與情感支持，并借助EEG信號探究不同類型的支持對學(xué)習(xí)的影響及其腦機制問題，為教育智能體的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)：教育智能體的問題化元認知提示和積極情緒設(shè)計的組合是最有效的支持方式，可全方位改善學(xué)習(xí)者的元認知水平、情緒狀態(tài)、學(xué)習(xí)效果和大腦認知過程；大腦額葉區(qū)的Alpha、Beta、Gamma波越活躍，學(xué)習(xí)者的元認知水平越高，但也造成了更多的認知負擔(dān)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。最后，研究提出三條教育智能體設(shè)計和開展相關(guān)研究的建議：合理設(shè)置問題化元認知提示，引領(lǐng)學(xué)習(xí)者高階思維能力的發(fā)展；融合問題化元認知提示與積極情緒設(shè)計，促進學(xué)習(xí)者認知和情感的全面發(fā)展；借助EEG技術(shù)揭示腦機制，提供教育智能體優(yōu)化的底層邏輯。

[關(guān)鍵詞] 教育智能體； 腦電圖信號； 腦機制； 元認知提示； 情緒設(shè)計

[中圖分類號] G434" " " " " " [文獻標志碼] A

一、引" "言

教育智能體（Pedagogical Agent，PA），又稱為教學(xué)代理，是用以滿足不同教學(xué)目標要求的、類似教師或同伴的虛擬角色，可作為教師或?qū)W習(xí)伙伴，利用語言或表情與學(xué)習(xí)者交流，還可融入各類學(xué)習(xí)環(huán)境中，為學(xué)習(xí)者提供認知支持以及包含社會文化的學(xué)習(xí)體驗[1]。早期的教育智能體主要擔(dān)任導(dǎo)學(xué)角色，輔助教師解答學(xué)生疑問并提供即時反饋[2]。隨著人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的飛速發(fā)展，教育智能體的形象更加逼真、功能愈發(fā)智能，可為學(xué)習(xí)者講解教學(xué)內(nèi)容、推送學(xué)習(xí)資源、提供交互反饋和情感支持等，給學(xué)習(xí)者帶來更加個性化、智能化的學(xué)習(xí)體驗。教育智能體不僅承載著傳授知識的基本職能，更有著獨特的育人功能。如何充分發(fā)揮教育智能體的育人優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者發(fā)展高階思維能力并養(yǎng)成數(shù)智空間中良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，這是亟須解決的新型教育問題，更是主動權(quán)必須掌握于人而不是機器的教育問題[3]。因此，教育智能體為學(xué)習(xí)者提供的支持不應(yīng)只是知識的“傳遞者”，而應(yīng)該扮演促進學(xué)習(xí)者認知和情感全面發(fā)展的“真導(dǎo)師”。

然而，當前鮮有研究對教育智能體如何為學(xué)習(xí)者提供有效支持、不同類型的支持影響學(xué)習(xí)的內(nèi)部機制等問題開展深入探索。基于此，本研究通過教育智能體的元認知提示與情緒設(shè)計，為學(xué)習(xí)者提供認知和情感支持，并借助腦電圖（Electroencephalogram，EEG）信號深入剖析學(xué)習(xí)者獲得不同支持時的大腦認知規(guī)律，以回應(yīng)“教育智能體如何提供更有效的支持”這一核心問題，為教育智能體的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，為數(shù)智空間中的人才培養(yǎng)提供新的視角和解決方案。

二、理論框架與文獻綜述

（一）理論框架

多媒體學(xué)習(xí)認知情感理論（Cognitive-Affective Theory of Learning with Media，CATLM）是Moreno在Mayer的多媒體學(xué)習(xí)認知理論基礎(chǔ)上提出的[4]。該理論提出了情感中介假設(shè)與元認知中介假設(shè)，認為情感和動機因素通過增加或減少認知來調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)，而元認知因素可以通過調(diào)節(jié)認知和情感過程來影響學(xué)習(xí)（如圖1所示）。具體來說，根據(jù)情感中介假設(shè)，積極情緒能夠促進學(xué)習(xí)者深入思考，調(diào)動更充分的認知加工資源理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而提高學(xué)習(xí)效果。元認知中介假設(shè)認為，當學(xué)習(xí)者能夠意識到自己的知識水平、情感和動機的優(yōu)勢與局限性時，就可以通過元認知中的計劃和監(jiān)控能力，理解自身所要付出的認知努力，進而更好地調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)。基于多媒體學(xué)習(xí)認知情感理論，在教學(xué)視頻、虛擬現(xiàn)實等各類學(xué)習(xí)環(huán)境中，教育智能體可通過自身的語言、表情、動作、聲音和交互等功能激發(fā)學(xué)習(xí)者的積極情緒、引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的元認知活動，進而幫助學(xué)習(xí)者啟動、維持和控制認知加工過程，促進深度認知處理和有意義學(xué)習(xí)的發(fā)生，最終提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)表現(xiàn)?？偟膩碚f，通過對教育智能體的元認知引導(dǎo)功能和情緒特征進行合理設(shè)計，為學(xué)習(xí)者提供認知和情感支持，有望全面改進學(xué)習(xí)者的認知過程、情緒狀態(tài)、元認知水平及學(xué)習(xí)效果。

（二）相關(guān)研究現(xiàn)狀與問題的提出

以往的國內(nèi)外相關(guān)研究主要關(guān)注教育智能體的形象、性別等呈現(xiàn)方式和交互反饋等功能設(shè)計對學(xué)習(xí)的影響[5]。近年來，有研究者也開始關(guān)注教育智能體的情緒特征對學(xué)習(xí)的影響。例如：劉清堂等人的研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者對提供學(xué)習(xí)情況和積極情緒反饋的教育智能體的接受程度顯著高于僅提供學(xué)習(xí)情況反饋的教育智能體[6]；Lawson和Mayer通過實驗證明，教育智能體的積極情緒特征也激發(fā)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生了相應(yīng)的積極情緒，學(xué)習(xí)者認為具有積極情緒的教育智能體更可信、更人性化[7]?？梢?，教育智能體的情緒設(shè)計可以作為激發(fā)學(xué)習(xí)者積極情緒的有效方法，進而幫助學(xué)習(xí)者主動調(diào)節(jié)認知加工過程、促進深度認知處理，最終獲得良好的學(xué)習(xí)效果。

元認知提示指整合在學(xué)習(xí)情境中，通過引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的元認知活動（如計劃、監(jiān)控、調(diào)節(jié)、評估等）來支持其對認知活動監(jiān)控及調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑，提升學(xué)習(xí)效果[8]。元認知提示一般以問題或建議的形式呈現(xiàn)，可分為問題化提示和結(jié)構(gòu)化提示兩種類型。其中，問題化提示以高開放式問題呈現(xiàn)，指導(dǎo)性較弱，旨在引發(fā)學(xué)習(xí)者對任務(wù)完成及元認知決策所需步驟的深層獨立思考；結(jié)構(gòu)化提示則以低開放式問題呈現(xiàn)，除問題本身外，還會通過增加額外的指導(dǎo)、例子或縮小答案選擇范圍等方式來幫助學(xué)習(xí)者降低任務(wù)的復(fù)雜性和范圍，提升元認知意識[9]。國內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，兩種提示在提升學(xué)習(xí)者元認知知識或技能方面具有不同程度的積極作用。例如：Molenaar等人的研究發(fā)現(xiàn)，提供問題化提示和結(jié)構(gòu)化提示均有助于增強學(xué)習(xí)者的元認知活動，且接受問題化提示的學(xué)生表現(xiàn)更好[10]。

綜上所述，情緒設(shè)計可作為教育智能體提供情感支持的手段，但還沒有研究將元認知提示作為教育智能體提供認知支持的手段。因此，也沒有研究將教育智能體的元認知提示與情緒設(shè)計相結(jié)合，為學(xué)習(xí)者提供元認知和情感的雙重支持，對其內(nèi)部機制尤其是大腦認知規(guī)律也缺乏深入探索。

因此，本研究基于多媒體學(xué)習(xí)認知情感理論，通過EEG信號和相關(guān)測量工具深入探究教育智能體的元認知提示（問題化和結(jié)構(gòu)化）和情緒設(shè)計（中性和積極）對學(xué)習(xí)的影響及其腦機制問題，具體將解決以下3個研究問題：教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果有何影響；教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計對學(xué)習(xí)者的元認知水平和情緒體驗有何影響，元認知水平和情緒體驗對學(xué)習(xí)效果是否存在預(yù)測作用；教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計的腦機制是什么。最終，本研究將根據(jù)上述問題的發(fā)現(xiàn)回應(yīng)“教育智能體如何提供更有效的支持”這一核心問題。

三、研究方法

（一）實驗設(shè)計與被試

本研究采用2（元認知提示）×2（情緒設(shè)計）的兩因素被試間實驗設(shè)計，教育智能體的元認知提示設(shè)計包括“問題化提示”“結(jié)構(gòu)化提示”兩種類型，情緒設(shè)計包括“中性情緒”“積極情緒”兩種類型，最終形成四個實驗組：“問題化提示amp;中性情緒”組、“問題化提示amp;積極情緒”組、“結(jié)構(gòu)化提示amp;中性情緒”組、“結(jié)構(gòu)化提示amp;積極情緒”組。從T大學(xué)招募非生物專業(yè)的被試120人，去除先前知識水平較高、腦電數(shù)據(jù)測量中斷的被試16人，最終保留104人（男生11人，女生93人，年齡在18～25歲之間），將男生和女生分別隨機分配至四個實驗組中，每組被試25～29人，四組被試的年齡（F=1.152，p=0.332）以及性別比例都不存在顯著性差異（χ2=4.640，p=0.201）。

（二）學(xué)習(xí)材料

本研究將教育智能體融入較為常見的在線視頻學(xué)習(xí)情境中，為學(xué)習(xí)者提供元認知提示和情感支持。視頻學(xué)習(xí)材料來源于高中生物人教版統(tǒng)編教材中“有氧呼吸的過程”這一章節(jié)的配套視頻資源。參考De Backer等人[9]的研究，教育智能體的元認知提示（問題化和結(jié)構(gòu)化）出現(xiàn)在視頻學(xué)習(xí)開始之前、知識點之間以及視頻學(xué)習(xí)結(jié)束之后，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)任務(wù)的目標、計劃、進度及自我評價進行深層次思考，開展計劃、監(jiān)控、調(diào)節(jié)、評估等元認知活動，樣例如圖2（a）（b）所示。問題化提示設(shè)置開放式提問并要求學(xué)習(xí)者在文本框中予以回答，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者開展元認知活動；結(jié)構(gòu)化提示則為學(xué)習(xí)者提供相應(yīng)的參考選項并要求學(xué)習(xí)者根據(jù)參考選項在文本框中予以回答，以此來降低元認知任務(wù)的復(fù)雜性。參考朱珂等人[11]的研究，教育智能體的情緒設(shè)計（中性和積極）貫穿于整個視頻學(xué)習(xí)材料，樣例如圖2（c）（d）所示。中性情緒的教育智能體采用中性表情、平靜語調(diào)和中性情感詞匯；積極情緒的教育智能體采用微笑表情、熱情語調(diào)和積極情感詞匯。

（三）測量變量及工具

本研究使用的測量工具及其說明，見表1。

（四）實驗流程

本研究的實驗流程，如圖3所示。

四、結(jié)果分析與討論

本研究導(dǎo)出四個實驗組的學(xué)習(xí)效果、元認知水平、情緒體驗和各腦區(qū)腦波指標的平均值（M）與標準差（SD），見表2。采用兩因素方差分析探究教育智能體的元認知提示與情緒設(shè)計對各因變量的主效應(yīng)和交互作用；采用線性回歸分析探究元認知水平和積極情緒對學(xué)習(xí)效果的預(yù)測作用；采用相關(guān)性分析探究腦認知與元認知水平、情緒狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)聯(lián)。

（一）教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的影響

教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計對保持和遷移測試成績均無顯著的主效應(yīng)，但存在邊緣顯著或顯著的交互作用（F=2.839，p=0.095，η2=0.028；F=4.989，p=0.028，η2=0.048）。進一步的簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，在問題化提示條件下，教育智能體的積極情緒顯著提升了遷移測試成績（p=0.039）。通過此結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

第一，教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計對學(xué)習(xí)者的保持測試成績沒有顯著的影響。這或許是因為本研究中的視頻學(xué)習(xí)內(nèi)容為陳述性知識，相對比較簡單，學(xué)習(xí)時長也較短，學(xué)習(xí)者對知識記憶的難度不大，因此，教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計均未對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)數(shù)量產(chǎn)生顯著的影響。

第二，教育智能體的問題化提示和積極情緒設(shè)計組合可顯著提升學(xué)習(xí)者的遷移測試成績。這說明當教育智能體通過問題化元認知提示和積極情緒設(shè)計為學(xué)習(xí)者提供認知和情感的雙重支持時，更有利于學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度理解與遷移應(yīng)用。這是因為問題化提示以高開放式問題呈現(xiàn)，給學(xué)習(xí)者更多的空間獨立思考決策并最終完成任務(wù)，在這個過程中充分調(diào)動自身的元認知活動，進而提高知識的遷移能力。當學(xué)習(xí)者遇到元認知這類高階思維任務(wù)時，教育智能體的積極情緒營造了一種輕松愉悅的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠幫助學(xué)習(xí)者有效分配認知加工資源、加深對知識的理解，最終提高學(xué)習(xí)質(zhì)量[14]。

（二）教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計對學(xué)習(xí)者元認知水平和情緒體驗的影響，以及元認知水平和情緒體驗對學(xué)習(xí)效果的預(yù)測作用

情緒體驗：教育智能體的元認知提示對積極情緒有顯著的主效應(yīng)（F=10.437，p=0.002，η2=0.095），問題化提示顯著優(yōu)于結(jié)構(gòu)化提示。情緒設(shè)計的主效應(yīng)和二者的交互作用都不顯著。

元認知水平：教育智能體的元認知提示對元認知評價的主效應(yīng)邊緣顯著（F=3.349，p=0.070，η2=0.032），問題化提示顯著優(yōu)于結(jié)構(gòu)化提示，情緒設(shè)計無顯著的主效應(yīng)。元認知提示和情緒設(shè)計對元認知評價存在顯著的交互作用（F=7.070，p=0.009，η2=0.066）。簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，在問題化提示條件下，積極情緒顯著提升了元認知評價水平（p=0.021）；在積極情緒條件下，問題化提示顯著提升了元認知評價水平（p=0.002）。元認知提示和情緒設(shè)計對元認知計劃、監(jiān)控和調(diào)節(jié)都無顯著的主效應(yīng)和交互作用。

情緒體驗與元認知水平對學(xué)習(xí)效果的預(yù)測作用：將積極情緒及元認知水平作為自變量，將學(xué)習(xí)效果（保持和遷移測試成績之和）作為因變量，進行線性回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)積極情緒與元認知中的監(jiān)控、調(diào)節(jié)和評價都對學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生了正向影響。多元線性回歸方程及其統(tǒng)計檢驗量分別為：學(xué)習(xí)效果=4.503+0.069×積極情緒+0.022×元認知監(jiān)控（F=3.226，p=0.044）；學(xué)習(xí)效果=4.565+0.072×積極情緒+0.019×元認知調(diào)節(jié)（F=3.176，p=0.046）；學(xué)習(xí)效果=4.643+0.071×積極情緒+0.016×元認知評價（F=3.176，p=0.046）。

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：

首先，教育智能體的問題化提示可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的積極情緒。此發(fā)現(xiàn)與Feng等人[15]的研究結(jié)論一致，問題化提示可以有效激發(fā)學(xué)習(xí)者的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，并幫助學(xué)習(xí)者進行情緒調(diào)節(jié)，最終產(chǎn)生積極的情緒狀態(tài)。此外，控制—價值理論認為，積極情緒可由控制活動或?qū)Y(jié)果的認知評估而誘發(fā)[16]，教育智能體的問題化提示通過為學(xué)習(xí)者提供具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，提升了學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)過程和成果的控制、感知與評價水平，從而對學(xué)習(xí)者的情緒產(chǎn)生了積極影響。

其次，教育智能體的問題化提示及其與積極情緒設(shè)計組合時，可提升學(xué)習(xí)者的元認知評價水平。這表明教育智能體為學(xué)習(xí)者提供問題化提示和積極情緒設(shè)計的雙重支持時，可以有效促進學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)過程與成果的深層反思，使其更有效地評估和調(diào)節(jié)認知過程進而提升元認知評價能力。可能的原因包括：一方面，問題化提示能夠鼓勵學(xué)習(xí)者進行自我解釋，積極參與學(xué)習(xí)過程并開展深層次的反思與評價；另一方面，教育智能體呈現(xiàn)出的積極情緒線索可以改善學(xué)習(xí)者的認知能力，并激活學(xué)習(xí)者更高水平的學(xué)習(xí)動機，促使其調(diào)用更多的元認知學(xué)習(xí)策略。

最后，學(xué)習(xí)者的元認知水平和積極情緒體驗對學(xué)習(xí)效果具有一定的預(yù)測作用。這表明教育智能體通過恰當?shù)恼J知支持（問題化提示）和情感支持（積極情緒設(shè)計），激發(fā)了學(xué)習(xí)者的積極情緒，提升了學(xué)習(xí)者的元認知水平，進而促進了學(xué)習(xí)者對知識的記憶和遷移應(yīng)用，最終實現(xiàn)高效的學(xué)習(xí)，符合前述的多媒體學(xué)習(xí)認知情感理論的核心觀點與假設(shè)。

（三）教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計的腦機制

1. 腦電指標的選取

人類的大腦是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最高級的部分，包括左右大腦半球，每個半球包含額葉、顳葉、頂葉、枕葉四個區(qū)域，與人類的認知和情緒等活動相關(guān)[17]。例如：大腦前額葉皮層與元認知監(jiān)控高度相關(guān)，專門負責(zé)策略的選擇和行為的控制[18]，額葉也與情緒有關(guān)[19]；顳葉尤其與聽覺信息加工、長時記憶的形成和儲存有密切關(guān)系[20]，頂葉與枕葉在視覺注意中發(fā)揮重要作用，可以幫助引導(dǎo)視覺注意[21]。EEG信號是使用電生理指標來反映大腦活動的數(shù)據(jù)，是評估認知和情緒的重要方法[22]。EEG信號從頻域上可以分為Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma五種波型，但Delta波通常在無意識或極度疲倦狀態(tài)下出現(xiàn)，Theta波在心理和精神上呈現(xiàn)極度松弛狀態(tài)下（如常說的“半夢半醒之間”）出現(xiàn)，Alpha、Beta、Gamma波通常用于學(xué)習(xí)場景中反映學(xué)習(xí)者的認知與情緒狀態(tài)[23]。綜上所述，本研究導(dǎo)出額葉、顳葉、頂葉、枕葉四個腦區(qū)的Alpha、Beta、Gamma波，用以分析大腦工作機制問題。

2. 腦電數(shù)據(jù)分析

四組的Alpha、Beta、Gamma波均在額葉區(qū)有強烈的平均功率譜能量，且Alpha、Beta波的平均功率譜能量要強于Gamma波。這是因為額葉作為大腦發(fā)育中最高級的一部分，對人的高級的、目的性行為有重要作用[24]。除此之外，“問題化提示amp;中性情緒”組三種腦波的平均功率譜能量都最強烈（如圖4所示，顏色越淺代表平均功率譜能量越強烈），但該組的保持和遷移測試成績均為最低（見表2），可見過于活躍的大腦狀態(tài)反而會阻礙學(xué)習(xí)。

腦波數(shù)據(jù)的差異情況：教育智能體的元認知提示對額葉區(qū)的Beta、Gamma波主效應(yīng)顯著（F=5.574，p=0.020，η2=0.053；F=7.161，p=0.009，η2=0.067），問題化提示顯著高于結(jié)構(gòu)化提示。教育智能體的情緒設(shè)計對額葉、枕葉區(qū)的Gamma波主效應(yīng)顯著（F=6.040，p=0.015，η2=0.058；F=6.502，p=0.012，η2=0.061），中性情緒顯著高于積極情緒。教育智能體的元認知提示和情緒設(shè)計對所有腦區(qū)的三種腦波都存在顯著的交互作用。進一步的簡單效應(yīng)分析表明，在問題化提示條件下，教育智能體的中性情緒顯著提升了額葉、顳葉、頂葉、枕葉區(qū)的Alpha波（p=0.002；p=0.006；p=0.004；p=0.009）和Beta波（plt;0.001；p=0.031；p=0.015；p=0.001）以及Gamma波（plt;0.001；p=0.001；plt;0.001；plt;0.001）；在中性情緒設(shè)計條件下，教育智能體的問題化提示顯著提高了額葉、顳葉、頂葉、枕葉區(qū)的Alpha波（p=0.001；p=0.010；p=0.017；p=0.037）和Gamma波（plt;0.001；p=0.003；plt;0.001；plt;0.001），以及額葉、頂葉、枕葉區(qū)的Beta波（plt;0.001；p=0.026；p=0.002）。

腦波數(shù)據(jù)與其他測量指標之間的相關(guān)性：元認知水平與額葉區(qū)的Alpha、Beta波，以及顳葉與額葉區(qū)的Gamma波顯著正相關(guān)（r=0.232，p=0.018；r=0.271，p=0.005；r=0.225，p=0.022；r=0.193，p=0.049）；遷移測試成績與額葉區(qū)的Alpha、Gamma波顯著負相關(guān)（r=-0.203，p=0.039；r=-0.208，p=0.034）。

通過上述分析，可以得出如下結(jié)論：

第一，問題化提示與中性情緒的組合顯著提升了學(xué)習(xí)者大腦的活躍程度。首先，教育智能體問題化提示和中性情緒設(shè)計組合時提升了額葉、顳葉區(qū)的Alpha波。Alpha波多在學(xué)習(xí)者平靜及放松時出現(xiàn)[25]，表明此種組合設(shè)計使得學(xué)習(xí)者的大腦過于放松。其次，當教育智能體的問題化提示和中性情緒設(shè)計組合時，額葉和枕葉區(qū)的Beta波也十分活躍，Beta波不僅能反映學(xué)習(xí)者的注意力情況，還可以作為認知負荷的衡量指標[26]，表明該組合設(shè)計使學(xué)習(xí)者在信息加工時投入了過多精力，造成了一定的認知負擔(dān)。最后，教育智能體的問題化提示和中性情緒組合時提升了額葉、頂葉與枕葉區(qū)的Gamma波。Gamma波與感知、記憶和注意等高級認知活動密切相關(guān)，在大腦額葉有較多分布[27]。額葉可以負責(zé)學(xué)習(xí)過程中的元認知監(jiān)控活動，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進行自我決策。因此，該組合設(shè)計使學(xué)習(xí)者進行了更深入的元認知調(diào)動，提高了信息加工中的高級認知水平，但學(xué)習(xí)者也付出了更多的努力。

第二，學(xué)習(xí)者的腦波與元認知水平和學(xué)習(xí)效果之間存在著一定的關(guān)聯(lián)機制。首先，學(xué)習(xí)者的元認知水平與額葉區(qū)的Alpha、Beta波，以及額葉、顳葉區(qū)的Gamma波顯著正向相關(guān)。這表明學(xué)習(xí)者元認知的調(diào)動程度與其額葉區(qū)的腦波活動存在較強的關(guān)聯(lián)，可作為元認知水平的腦波指標表征。其次，學(xué)習(xí)者的遷移測試成績與其額葉區(qū)的Alpha、Gamma波顯著負相關(guān)，即額葉區(qū)的Alpha、Gamma波高度活躍時，對學(xué)習(xí)效果有抑制作用?？傮w來講，大腦的放松或活躍程度、認知負荷與學(xué)習(xí)成績密切相關(guān)，過于放松或活躍的大腦狀態(tài)、較高的認知負荷水平使得學(xué)習(xí)者無法有效地分配認知資源，最終導(dǎo)致了較差的學(xué)習(xí)效果。

五、結(jié)論及建議

總體來講，教育智能體的問題化元認知提示和積極情緒設(shè)計的組合是最有效的支持方式，對學(xué)習(xí)者的元認知水平、情緒狀態(tài)、學(xué)習(xí)效果和大腦認知可發(fā)揮全方位的促進作用，可有效改善在線環(huán)境中學(xué)習(xí)者缺乏高階交互、情感共鳴，以及認知負擔(dān)過重等現(xiàn)象[28]。本研究提出教育智能體的優(yōu)化設(shè)計策略及利用EEG信號深化數(shù)智時代大腦認知發(fā)展研究的建議，以期為人工智能時代下教育智能體的功能設(shè)計提供參考，推動教育智能體向“真導(dǎo)師”角色實質(zhì)性邁進。

（一）合理設(shè)置問題化元認知提示，引領(lǐng)學(xué)習(xí)者高階思維能力的發(fā)展

通過教育智能體提供問題化元認知提示，可以有效引導(dǎo)學(xué)習(xí)者開展深度思考、監(jiān)控學(xué)習(xí)進度、評估理解程度并調(diào)整學(xué)習(xí)策略，促進其高階思維能力的發(fā)展。本研究發(fā)現(xiàn)，當教育智能體通過問題化元認知提示為學(xué)習(xí)者提供認知支持時，有效提升了學(xué)習(xí)者的元認知評價能力及學(xué)習(xí)效果。這與以往研究結(jié)論一致，進一步證實了問題化元認知提示可以有效發(fā)展學(xué)習(xí)者的元認知技能，在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)能力、深化知識理解以及實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標方面具有關(guān)鍵作用?；诖?，未來研究應(yīng)當考慮在各類數(shù)智學(xué)習(xí)環(huán)境下，尤其是在生成式人工智能的加持下，通過教育智能體主動為學(xué)習(xí)者提供問題化元認知提示，以優(yōu)化基于ChatGPT等人工智能技術(shù)的會話代理的交互功能，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者主動監(jiān)控學(xué)習(xí)進程，滿足學(xué)習(xí)者的深層認知需求，從而實現(xiàn)更加高效的學(xué)習(xí)[29]。

（二）融合問題化元認知提示與積極情緒設(shè)計，促進學(xué)習(xí)者認知和情感的全面發(fā)展

利用教育智能體同時提供元認知提示和積極情緒的雙重支持，幫助學(xué)習(xí)者及時調(diào)節(jié)情緒狀態(tài)，維持合理的認知加工資源分配。本研究中，當教育智能體提供問題化提示支持時，積極情緒設(shè)計（如鼓勵性的語言或微笑表情等）調(diào)和了學(xué)習(xí)者的高認知負擔(dān)狀態(tài)，幫助學(xué)習(xí)者合理控制了認知負荷，更有利于學(xué)習(xí)者知識遷移能力的提升。此結(jié)論也進一步證實了元認知提示與積極情緒設(shè)計相輔相成，能有效促進認知處理、增強元認知技能、改善學(xué)習(xí)情緒，共同有效推動學(xué)習(xí)進程。基于此，未來研究應(yīng)更加注重教育智能體認知支持與情感支持的協(xié)同作用，如利用大語言模型技術(shù)，實現(xiàn)更加智能化、人性化的對話機制，以實時監(jiān)測、調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)者的情緒狀態(tài)，進而適時引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的認知方向，扮演有情感溫度的“真導(dǎo)師”，促進學(xué)習(xí)者認知和情感的全面發(fā)展。

（三）借助EEG信號揭示腦機制，提供教育智能體優(yōu)化的底層邏輯

教育者和研究者還應(yīng)持續(xù)深入探索教育智能體影響大腦認知發(fā)展的底層邏輯，以腦為導(dǎo)向促進學(xué)習(xí)者在數(shù)智化環(huán)境中的有效學(xué)習(xí)。本研究借助EEG信號揭示了部分教育智能體影響大腦認知的機理：學(xué)習(xí)者的元認知水平越高，其額葉區(qū)的Alpha、Beta波，額葉與顳葉區(qū)的Gamma波越活躍；學(xué)習(xí)者的遷移測試成績越差，其認知負荷越高、注意力越渙散，額葉區(qū)的Alpha、Beta、Gamma波也越活躍。這些發(fā)現(xiàn)不僅為教育智能體的優(yōu)化設(shè)計提供了腦機制方面的依據(jù)，還可為促進學(xué)習(xí)者在數(shù)智空間中的大腦認知發(fā)展及有效學(xué)習(xí)的研究與實踐提供參考。此外，還可借助心率變異性、皮膚電反應(yīng)和肌電圖等多模態(tài)采集及分析技術(shù)實時關(guān)注學(xué)習(xí)者在數(shù)智空間中的內(nèi)在狀態(tài)與認知行為，據(jù)此通過教育智能體為學(xué)習(xí)者提供更精準、有效的個性化認知與情感支持[30]。

本研究仍存在一些不足及后續(xù)改進的方向。第一，研究中采用的教育智能體的有用性、易用性以及性別、形象等基本特征尚未經(jīng)過系統(tǒng)評估；第二，本研究中的被試為大學(xué)生，并且多為女性，研究結(jié)論是否適用于其他年齡和性別的學(xué)習(xí)者仍有待驗證。因此，后續(xù)研究應(yīng)該著重關(guān)注這些可能對研究結(jié)論產(chǎn)生影響的因素，進一步拓展教育智能體的“育人”功能。

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How Can Pedagogical Agents Provide More Effective Support？ —Exploration of Brain Mechanisms and Optimization Strategies Based on EEG Signals

WANG Xue， SUN Minglin， YANG Jie， DENG Li

（Faculty of Education， Tianjin Normal University， Tianjin 300387）

[Abstract] Pedagogical agents （PAs） can serve as virtual teachers， offering various nurturing functions in the Digital Intelligence Space（DIS）， significantly influencing learners' cognitive and affective development. Based on the cognitive-affective theory of learning with media （CATLM）， this study provides learners with different types of cognitive and affective support through PAs， and explores the impact of the support on learning and its brain mechanism with the help of EEG signals， so as to provide a scientific basis for the optimal design of PAs. It has been found that the combination of problematic metacognitive prompts and positive emotional design of the PA is the most effective support for enhancing learners' metacognitive levels， emotional states， learning outcomes， and brain cognitive processes comprehensively. Specifically， the more active the Alpha， Beta， and Gamma waves are in the frontal regions of the brain， the higher the learner's metacognitive level is， but it also creates an increased cognitive load， leading to" poor learning outcomes. Finally， three recommendations are proposed for designing PAs and conducting related research： reasonably setting up problematic metacognitive prompts to foster the development of learners' higher-order thinking ability; integrating these prompts with positive emotional design to promote learners' comprehensive cognitive and emotional development; and leveraging EEG signals to reveal brain mechanisms and provide the underlying logic for the optimization of PAs to provide a reference for pedagogical exploration and practice in the Digital Intelligence Space.

[Keywords] Pedagogical Agents; EEG; Brain Mechanism; Metacognitive Prompt; Emotional Design

基金項目：2021年國家自然科學(xué)基金青年項目“教學(xué)視頻中情緒設(shè)計對學(xué)習(xí)的影響機制及其優(yōu)化方法研究”（項目編號：62107030）；2024年天津師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項目“在線學(xué)習(xí)環(huán)境下虛擬數(shù)字人的應(yīng)用創(chuàng)新：基于元認知與情感支架的理論與實踐研究”（項目編號：2024KYCX124F）

[作者簡介] 王雪（1981—），女，黑龍江綏濱人。教授，博士，主要從事多媒體畫面語言學(xué)、數(shù)字教育媒體、學(xué)習(xí)分析、人工智能教育應(yīng)用研究。E-mail：wangxuetjnu@qq.com。