吳彥文，陳思航，葛 迪，凌毓?jié)?，?遠

（1.華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心；2.華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

0 引言

新工科對應(yīng)的是新興產(chǎn)業(yè)，包括人工智能、云計算、智能制造等，新工科人才對加速我國新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命具有重要意義。然而研究表明，我國現(xiàn)有新工科建設(shè)還存在許多瓶頸問題，例如鐘登華院士［1］總結(jié)其在人才培養(yǎng)中的問題包括：工程教育理念與未來需求不適應(yīng)、人才結(jié)構(gòu)與工程需求不適應(yīng)、知識體系與產(chǎn)業(yè)發(fā)展不適應(yīng)、培養(yǎng)模式與社會實踐不適應(yīng)。在課程教學(xué)中則主要表現(xiàn)為知識更新滯后、師生交流匱乏、教學(xué)缺乏個性化、學(xué)生實踐能力缺失、與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)等。而將AI 雙師教學(xué)模式引入到新工科人才培養(yǎng)中，能夠使人類教師、AI 教師、學(xué)生形成相互反饋的混合式教學(xué)閉環(huán)，融通線上與線下，強化教師與學(xué)生之間的聯(lián)系。一方面，AI 教師既能拓展人類教師的教學(xué)能力，幫助其進行教學(xué)分析與知識更新，并在課堂教學(xué)中將理論知識與實際應(yīng)用更好地結(jié)合起來以匹配市場需求，又能減輕人類教師的工作壓力，如提供備課資源、輔助進行習(xí)題批改等；另一方面，可以賦能學(xué)生的學(xué)習(xí)，如通過智能導(dǎo)學(xué)、學(xué)習(xí)資源推送、學(xué)習(xí)測評等為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)服務(wù)，使其與教師的交流溝通變得更加即時、高效、便捷，幫助學(xué)生養(yǎng)成終生學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。

可見，引入AI 雙師課程教學(xué)輔助新工科人才培養(yǎng)是解決新工科建設(shè)中存在問題的一種有效方案。為此，本文首先探討其可行性及關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)，然后嘗試進行課前、課中、課后的教學(xué)活動設(shè)計，檢驗引入AI 雙師教學(xué)模式對新工科人才培養(yǎng)的作用，最后結(jié)合相關(guān)文獻與實證研究，給出本文的思考與建議，期望能夠為未來AI 雙師課程教學(xué)在新工科人才培養(yǎng)中的應(yīng)用提供參考。

1 相關(guān)研究

1.1 AI 雙師應(yīng)用于新工科教學(xué)可行性分析

AI 雙師可溯源到1991 年研究者所做的一項教小學(xué)生認識鳥兒的案例研究，研究者將案例中的教學(xué)者分為真人組和機器人組，結(jié)果顯示兩者都受到學(xué)生歡迎［2］。此后，關(guān)于AI 雙師教學(xué)的研究逐步成為人們關(guān)注的熱點。AI 雙師在教學(xué)方面的大規(guī)模應(yīng)用目前主要集中于少兒教育領(lǐng)域，如編程貓、斑馬英語等，在高等教育領(lǐng)域雖然尚未形成初具規(guī)模的產(chǎn)品，但相關(guān)研究也不斷涌現(xiàn)。2019 年，余勝泉等［3］研發(fā)了基于育人知識圖譜的個性化助理系統(tǒng)，具有個性化輔導(dǎo)、智能推理等功能，可成為教師教學(xué)的得力幫手；汪時沖等［4］以教室為應(yīng)用場景構(gòu)建新型AI 雙師教學(xué)情景，實現(xiàn)了教學(xué)主體從教師、學(xué)生“雙主體”到教師、機器人和學(xué)生“三主體”的轉(zhuǎn)變；周琴等［5］在2020 年按照“AI+教師”協(xié)同性的高低將其劃分為4 種形態(tài)，即“AI 代理+教師”“AI助手+教師”“AI 導(dǎo)師+教師”“AI 伙伴+教師”，并對AI 雙師如何實現(xiàn)教育轉(zhuǎn)型、突破技術(shù)壁壘等進行展望。

借鑒上述思路，本文嘗試引入AI 雙師對現(xiàn)有新工科教學(xué)進行完善與拓展［6］。AI 雙師新工科教學(xué)對現(xiàn)有新工科教學(xué)的改進如表1 所示。從教學(xué)方法來看，現(xiàn)有新工科教學(xué)方法單一，主要圍繞教學(xué)任務(wù)展開，而引入AI 雙師教學(xué)后，不僅可進行基礎(chǔ)案例的講解，而且可以在項目學(xué)習(xí)中進行總結(jié)提升，從而將最前沿的理論與實際應(yīng)用知識教授給學(xué)生；從教學(xué)流程來看，依托課前預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)評測與智能評價，可實現(xiàn)知識追蹤功能，從而推動精準教學(xué)，在實現(xiàn)學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的同時培養(yǎng)其終生學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

綜上所述，將AI 雙師教學(xué)模式應(yīng)用于新工科人才培養(yǎng)是可行的，其能夠從多方面提升教師的教學(xué)素養(yǎng)與學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，成為新工科人才培養(yǎng)的有效保障。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)框架

由前文可知，引入AI 雙師教學(xué)能夠提升新工科人才培養(yǎng)成效，為此需要搭建關(guān)鍵技術(shù)框架。本文將其劃分為基礎(chǔ)支撐、智能服務(wù)、交互應(yīng)用3 個層級，如圖1 所示。

Table 1 The enhancements of AI+ teacher teaching to existing teaching on new engineering disciplines表1 AI 雙師新工科教學(xué)對現(xiàn)有新工科教學(xué)的改進

Fig.1 Key technology framework of AI+ teacher teaching圖1 AI 雙師教學(xué)關(guān)鍵技術(shù)框架

（1）基礎(chǔ)支撐包括數(shù)據(jù)層、算法層與感知層。數(shù)據(jù)層中采集的數(shù)據(jù)包括學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)資源數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)評價數(shù)據(jù)等，在數(shù)據(jù)采集后可進行個性化的數(shù)據(jù)清洗與裁剪，進而融合有效數(shù)據(jù)特征；算法層中結(jié)合自然語言處理的表征方式與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模式，作為實現(xiàn)AI 雙師教學(xué)模式的核心；感知層賦予機器與人一樣的聽說讀寫等感知能力，是實現(xiàn)智能教育服務(wù)與應(yīng)用的依托［7］。

（2）智能服務(wù)是指為教師與學(xué)生提供量身定制的教學(xué)服務(wù)。依托AI 雙師教學(xué)云平臺，可為學(xué)生提供資源推送、智能答疑、智能檢索等服務(wù)，為教師提供智能備課、學(xué)習(xí)監(jiān)測、情景創(chuàng)設(shè)等服務(wù)。

（3）交互應(yīng)用建立在智能服務(wù)之上，每一個應(yīng)用都是一部分智能服務(wù)的集合。應(yīng)用主體包括人類教師與學(xué)生，學(xué)生能夠使用的應(yīng)用包括個性化學(xué)習(xí)、智能導(dǎo)學(xué)、智能評測等，教師能夠使用的應(yīng)用包括智能批改、學(xué)情分析、協(xié)同教學(xué)等。

2 教學(xué)交互活動設(shè)計

本文基于關(guān)鍵技術(shù)框架，依托認知過程學(xué)習(xí)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)等相關(guān)理論，在實證研究中以新工科課程“人工智能導(dǎo)論”為例進行教學(xué)活動設(shè)計與教學(xué)效果分析［8］。在此之前首先進行教學(xué)內(nèi)容分析、學(xué)情分析與教學(xué)目標分析。在教學(xué)內(nèi)容分析中，梳理相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，包括人工智能的發(fā)展由來、基本理論、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢；在學(xué)情分析中，針對學(xué)生特點如數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)及學(xué)習(xí)障礙等作了歸納整理；在教學(xué)目標分析中，明確教學(xué)目標是通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生了解人工智能發(fā)展概況，掌握人工智能基本原理與技術(shù)應(yīng)用，能夠?qū)唵蔚乃惴ㄟM行分析與實現(xiàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的知識創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新能力。接下來本文進一步結(jié)合新工科人才培養(yǎng)目標，將課前、課中、課后的教學(xué)活動劃分為AI 賦能認知選擇、認知組織、認知整合3 個階段，如圖2 所示。

Fig.2 Design of teaching and learning activities for AI+ teacher courses圖2 AI 雙師課程教學(xué)活動設(shè)計

2.1 課前導(dǎo)學(xué)活動設(shè)計

課前導(dǎo)學(xué)主要包括學(xué)習(xí)資源推送、預(yù)習(xí)測評、學(xué)情分析、在線交流等。這一階段主要是為后面的教學(xué)作準備，需要對浩瀚的新工科課程體系中的相關(guān)知識進行適當取舍，屬于認知驅(qū)動過程中的AI 賦能認知選擇階段。課前導(dǎo)學(xué)活動設(shè)計如表2 所示。

Table 2 Design of pre-class guiding activities表2 課前導(dǎo)學(xué)活動設(shè)計

2.2 課中助學(xué)活動設(shè)計

課中助學(xué)階段包括教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)、自主探究學(xué)習(xí)、AI在線測評、教師實時點評等。這一階段是對新工科課程知識的遷移、應(yīng)用與創(chuàng)造過程，屬于認知驅(qū)動過程中的AI 賦能認知組織階段。課中助學(xué)活動設(shè)計如表3 所示。

Table 3 Design of in-class aiding activities表3 課中助學(xué)活動設(shè)計

2.3 課后伴學(xué)活動設(shè)計

課后階段包括AI 作業(yè)批改、微課輔導(dǎo)、情感激勵、學(xué)習(xí)總結(jié)反思等，目標是使學(xué)生盡可能實現(xiàn)對新工科課程知識的融會貫通，達到評價與批判的高度，屬于認知驅(qū)動的最后階段，即AI 賦能認知整合，最終完成對知識的整體構(gòu)建，開始下一輪學(xué)習(xí)。課后伴學(xué)活動設(shè)計如表4 所示。

2.4 教學(xué)效果分析

為檢驗該教學(xué)設(shè)計實例的教學(xué)效果，本文選取某高校學(xué)習(xí)人工智能導(dǎo)論課程的大二學(xué)生共69 人，開展教學(xué)效果分析。在進行教學(xué)實踐后，結(jié)合周開發(fā)等［9］提出的新工科核心能力矩陣，以調(diào)查問卷形式了解在課程教學(xué)中引入AI雙師后學(xué)生新工科核心能力提升的情況。問卷調(diào)查結(jié)果如表5 所示。

由表5 可知，93.2%的學(xué)生認為學(xué)習(xí)完此課程后，增強了終生學(xué)習(xí)的意愿；96.4%的學(xué)生認為自己的思考與決策能力得到提升；95.3%的學(xué)生認為自己的人機互動能力得到提升?？梢夾I 雙師教學(xué)模式能夠促進新工科人才核心能力的培養(yǎng)，提升新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。

Table 4 Design of after-class accompanying activities表4 課后伴學(xué)活動設(shè)計

Table 5 Results of questionnaire survey on core competence enhancement of new engineering disciplines表5 新工科核心能力提升情況問卷調(diào)查結(jié)果 單位：%

3 思考與建議

在梳理現(xiàn)有AI 雙師教學(xué)文獻、分析本文教學(xué)實例的基礎(chǔ)上，本文給出以下AI 雙師應(yīng)用于新工科教學(xué)的思考與建議：

（1）借助AI 優(yōu)勢，拓展人類教師的教學(xué)深度與廣度。人類教師與AI 教師各有所長，表6 從認知、情感、創(chuàng)意3 個層面對人類教師、AI 教師的擅長領(lǐng)域進行了比較。

Table 6 The skilled fields of human teachers and AI teachers表6 人類教師與AI 教師擅長領(lǐng)域

由此可按照擅長領(lǐng)域?qū)①Y源檢索、作業(yè)批改、答疑等重復(fù)性工作分配給AI 教師，而將價值引導(dǎo)、教學(xué)設(shè)計、點評等創(chuàng)造性工作交給人類教師完成，進而融合AI 教師的優(yōu)勢，從認知、情感、創(chuàng)意3 個層面拓展人類教師教學(xué)的深度與廣度。

（2）進行多維數(shù)據(jù)分析，助力新工科教學(xué)有的放矢。在教學(xué)內(nèi)容準備過程中，AI 教師可運用多維數(shù)據(jù)分析方法進行教材分析、學(xué)習(xí)者分析等。對于教材分析，AI 教師可依據(jù)已有數(shù)據(jù)分析不同教材的使用情況與優(yōu)缺點，從而提供最前沿、權(quán)威的教材。此外，AI 教師可利用知識圖譜、回歸、聚類等技術(shù)為師生提供整體學(xué)習(xí)報告，實現(xiàn)對班級、學(xué)生個體的精準化分析，幫助學(xué)生高效地學(xué)習(xí)新工科知識。

（3）發(fā)揮主觀能動性，探索新工科個性化學(xué)習(xí)服務(wù)。依據(jù)學(xué)情分析結(jié)果，AI 教師能夠為每一位學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)方案，人類教師可對該方案進行審核與修改。但每個學(xué)生的學(xué)習(xí)效果可能有所不同，AI 教師可跟蹤并分析學(xué)生在進行既定方案學(xué)習(xí)時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并反饋給教師和學(xué)生進行動態(tài)調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，AI 教師也可為學(xué)習(xí)者制定新一輪學(xué)習(xí)方案。此外，當學(xué)生進行學(xué)習(xí)時，AI 教師可適時提供視頻資源，并進行文本材料檢索、個性化測評、作業(yè)布置與批改等操作。學(xué)生也可發(fā)揮自己的主觀能動性，通過AI 開展個性化學(xué)習(xí)，如學(xué)習(xí)自測、探究與挖掘知識外延等。

4 結(jié)語

新工科人才是我國在新興產(chǎn)業(yè)取得領(lǐng)先地位所需依托的主力軍，也是實現(xiàn)國富民強的重要保障。本研究在完成可行性分析后將AI 雙師教學(xué)模式引入到基于課程的新工科人才培養(yǎng)中，以改善現(xiàn)有課程教學(xué)中存在的知識更新滯后、師生交流匱乏、教學(xué)缺乏個性化、學(xué)生實踐能力缺失、與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)等問題。關(guān)鍵技術(shù)框架中的基礎(chǔ)支撐部分提供數(shù)據(jù)存儲、高效計算、自動感知的底層服務(wù)，智能服務(wù)部分提供針對教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的各項服務(wù)，交互應(yīng)用部分對智能服務(wù)進行集成，并通過實證研究驗證了引入AI 雙師課程教學(xué)對新工科人才培養(yǎng)的促進效果。后續(xù)研究將繼續(xù)完善AI 雙師教學(xué)環(huán)境，以充分滿足教師與學(xué)生的個性化需求，并大力開展新工科背景下的AI 雙師課程教學(xué)實踐，以更好地服務(wù)于高質(zhì)量新工科人才建設(shè)。