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關(guān)鍵詞：人機(jī)協(xié)同；人工智能；智能教育機(jī)器人；新型“雙師課堂”；課堂教學(xué)

一、問(wèn)題的提出

新一代人工智能環(huán)境下的教育機(jī)器人可以直接服務(wù)于中小學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)，啟動(dòng)學(xué)習(xí)資源的靈活性，同時(shí)，記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程，監(jiān)督學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)質(zhì)量，起到對(duì)深度個(gè)性化智慧學(xué)習(xí)的支持效果。[1]2016年，《全球教育機(jī)器人發(fā)展白皮書(shū)》將教育機(jī)器人分為機(jī)器人教育以及教育服務(wù)機(jī)器人，并指出教育服務(wù)機(jī)器人是具有教與學(xué)智能的服務(wù)機(jī)器人。[2]2017年7月，《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》指出“要利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式，教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)，交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系”。[3]2018年11月，《人工智能+教育》藍(lán)皮書(shū)分析了智能機(jī)器人可以支持智能學(xué)習(xí)過(guò)程，智能教師助理將替代教師日常工作中重復(fù)的、單調(diào)的、規(guī)則的工作。[4]

人工智能技術(shù)的進(jìn)步，使得機(jī)器人智能化、人性化的特點(diǎn)也越來(lái)越顯著。[5]國(guó)外有研究指出，教育機(jī)器人主要用于提供語(yǔ)言，科學(xué)或者技術(shù)教育。[6]國(guó)內(nèi)有研究指出，教育機(jī)器人產(chǎn)品可以分為十二類(lèi)，其中，應(yīng)用于家庭的，如，兒童娛樂(lè)教育同伴以及家庭智能助理，已有相關(guān)產(chǎn)品；課堂機(jī)器人助教和機(jī)器人教師尚處于概念性階段。總的來(lái)說(shuō)，教育機(jī)器人可以在教學(xué)活動(dòng)中扮演導(dǎo)師，工具或者同伴的角色。[7]

作為導(dǎo)師角色，麻省理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的教育機(jī)器人可以根據(jù)孩子的學(xué)習(xí)風(fēng)格，個(gè)性以及游戲過(guò)程中的學(xué)習(xí)，情緒狀態(tài)而決定自己的行動(dòng)，以更好地作為導(dǎo)師的角色來(lái)輔助孩子們進(jìn)行學(xué)習(xí)。[8]作為同伴角色，有研究使用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)和教育機(jī)器人設(shè)計(jì)了一個(gè)具有真實(shí)場(chǎng)景的系統(tǒng)，教育機(jī)器人在任務(wù)中扮演真正的同伴互動(dòng)角色，對(duì)最終的學(xué)生表現(xiàn)有積極影響。[9]作為工具角色，我國(guó)的機(jī)器人教育主要包括機(jī)器人競(jìng)賽和機(jī)器人教學(xué)，機(jī)器人可以成為學(xué)生綜合能力提升和創(chuàng)新實(shí)踐能力發(fā)展的重要認(rèn)知促進(jìn)工具。[10]

在“人工智能+教育”時(shí)代，人工智能技術(shù)將作為未來(lái)教師工作的有機(jī)組成部分，通過(guò)人機(jī)協(xié)作，輔助其完成日常工作，實(shí)現(xiàn)高效教學(xué)。[11]“雙師課堂”作為協(xié)同教學(xué)的一個(gè)分支，最原始的形式是組織優(yōu)秀教師錄制教學(xué)資源光盤(pán)，配送到農(nóng)村中小學(xué)，部分替代了現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)教師的教學(xué)任務(wù)。[12]2013年，人大附中，友成基金會(huì)以及國(guó)家基礎(chǔ)教育聯(lián)盟，在人大附中的初一數(shù)學(xué)教學(xué)中，正式實(shí)踐了“雙師課堂”的教學(xué)模式。[13]現(xiàn)在常見(jiàn)的“雙師課堂”，是由遠(yuǎn)程的授課教師通過(guò)大屏幕對(duì)線下教室的學(xué)生實(shí)現(xiàn)直播授課，同時(shí)，線下有一位輔導(dǎo)老師在班內(nèi)負(fù)責(zé)維護(hù)課堂秩序、答疑、布置作業(yè)等工作，國(guó)內(nèi)諸多培訓(xùn)機(jī)構(gòu)均是應(yīng)用此模式。也有研究提出“雙師”服務(wù)的概念，所謂“雙師”是指每位學(xué)生除了在校內(nèi)獲得本學(xué)校教師提供的面對(duì)面實(shí)體教學(xué)服務(wù)，還可以在課外借助網(wǎng)絡(luò)對(duì)自身學(xué)科問(wèn)題和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行診斷的基礎(chǔ)上，為每個(gè)學(xué)科配備在線老師，提供一對(duì)一在線輔導(dǎo)。[14]

綜上所述，本研究中定義的新型“雙師課堂”，是指人工智能教育機(jī)器人和教師共同在課堂中承擔(dān)教學(xué)工作，是一種新型的課堂模式人工智能教育機(jī)器人承擔(dān)教師的部分教學(xué)任務(wù)，并提供個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)。國(guó)內(nèi)關(guān)于人工智能教育機(jī)器人作為課堂助教或者作為教師角色的研究較少，有關(guān)人工智能教育機(jī)器人所在課堂的課堂環(huán)境研究描述較為模糊。本研究旨在從已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析新型“雙師課堂”的環(huán)境，并構(gòu)建新型“雙師課堂”的學(xué)習(xí)過(guò)程，在如何開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)和如何實(shí)施人工智能教育機(jī)器人支持的新型“雙師課堂”應(yīng)用方面進(jìn)行探索。

二、人工智能教育機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生

人工智能、語(yǔ)音識(shí)別及仿生科技三項(xiàng)技術(shù)，是發(fā)展教育機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。[15]人工智能作為交叉學(xué)科，其應(yīng)用領(lǐng)域歸納為計(jì)算機(jī)視覺(jué)，自然語(yǔ)言理解與交流、認(rèn)知與推理、機(jī)器人學(xué)、博弈、機(jī)器學(xué)習(xí)等六大領(lǐng)域。

2018年，《人工智能標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)》中提到人工智能的關(guān)鍵技術(shù)有：機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜、自然語(yǔ)言處理、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、生物特征識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。[16]（1）機(jī)器學(xué)習(xí)是現(xiàn)代智能技術(shù)中的重要方法之一，研究從觀測(cè)數(shù)據(jù)（樣本）出發(fā)尋找規(guī)律，利用這些規(guī)律對(duì)數(shù)據(jù)或無(wú)法觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)學(xué)習(xí)模式、學(xué)習(xí)方法以及算法的不同，機(jī)器學(xué)習(xí)分為有監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)。（2）知識(shí)圖譜，本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)義知識(shí)庫(kù)，是一種由節(jié)點(diǎn)和邊組成的圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以符號(hào)形式描述物理世界中的概念及其相互關(guān)系，其基本組成單位是“實(shí)體—關(guān)系—實(shí)體”三元組，以及實(shí)體及其相關(guān) “屬性—值”對(duì)。（3）自然語(yǔ)言處理研究，能實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間用自然語(yǔ)言進(jìn)行有效通信的各種理論和方法。如何理解和產(chǎn)生人類(lèi)自然語(yǔ)言，包括語(yǔ)音和文字兩種形式，而文字又包括詞語(yǔ)形態(tài)、語(yǔ)法、語(yǔ)義、語(yǔ)用和篇章五個(gè)層次，相當(dāng)于提高計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言智能。（4）人機(jī)交互技術(shù)除了傳統(tǒng)的基本交互和圖形交互外，還包括語(yǔ)音交互、情感交互、體感交互及腦機(jī)交互等技術(shù)。（5）計(jì)算機(jī)視覺(jué)旨在模擬人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)，從數(shù)字圖像或視頻中獲得對(duì)視覺(jué)材料的高水平理解，包含了模式識(shí)別、圖像處理、圖像分析、機(jī)器視覺(jué)等。（6）機(jī)器人學(xué)主要涉及到機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能、信息交互、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、應(yīng)用工程以及多機(jī)器人協(xié)調(diào)協(xié)作等方面。具體研究?jī)?nèi)容包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)的建立、感知系統(tǒng)的建立、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制。[17–19]

大數(shù)據(jù)技術(shù)促進(jìn)了人工智能的發(fā)展，給勞動(dòng)力市場(chǎng)帶來(lái)了重大變化，有些工作崗位會(huì)被機(jī)器人取代，未來(lái)社會(huì)的許多工作需要專(zhuān)業(yè)人士與機(jī)器人共同開(kāi)展，這需要社會(huì)廣泛培養(yǎng)思維敏捷，適應(yīng)力強(qiáng)的勞動(dòng)者，使其具備計(jì)算機(jī)基本操作能力和軟技能，足以勝任與機(jī)器打交道的工作，學(xué)會(huì)適應(yīng)人機(jī)協(xié)同環(huán)境，最終人與機(jī)器人協(xié)同工作將成為常態(tài)。[20–21]人工智能技術(shù)將引發(fā)教育教學(xué)系統(tǒng)各要素及其關(guān)系發(fā)生變革!在智能機(jī)器引入學(xué)習(xí)后，教學(xué)交互將實(shí)現(xiàn)人人、人機(jī)等多維互動(dòng)、人和機(jī)器一起工作，會(huì)引發(fā)學(xué)習(xí)者不同的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。[22]

由于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器可以通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)嘗試做出決策，決策的好與壞，由教育者和學(xué)習(xí)者評(píng)估，評(píng)估的結(jié)果作為獎(jiǎng)賞與懲罰來(lái)調(diào)試回報(bào)函數(shù)，通過(guò)人機(jī)協(xié)同的優(yōu)化，從而生成最優(yōu)決策算法。[23]通過(guò)這種人和機(jī)器共同決策的方式，教師與人工智能將發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教育，包容的教育、公平的教育與終身教育，促進(jìn)人的全面發(fā)展。[24]

知識(shí)圖譜、自然語(yǔ)言處理、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器人學(xué)分別針對(duì)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，其中，機(jī)器學(xué)習(xí)包括其延伸的深度學(xué)習(xí)，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需用到的核心方法，是人工智能技術(shù)方法層面的技術(shù)。學(xué)校中的人工智能教育機(jī)器人由于智能技術(shù)的突破，它可以成為數(shù)字化環(huán)境或者智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的一個(gè)組成部分。其可以作為教師的“助教”來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)媒體的簡(jiǎn)單使用，也可以作為“導(dǎo)師”的角色講授知識(shí)內(nèi)容，回答學(xué)生問(wèn)題、為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境、管理學(xué)習(xí)任務(wù)、提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源，進(jìn)而參與并引導(dǎo)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)或者合作學(xué)習(xí)。

綜合關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，目前人工智能教育機(jī)器人用到的關(guān)鍵技術(shù)主要為前五類(lèi)，以及應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中的機(jī)器人學(xué)。為了研究人工智能教育機(jī)器人存在的教學(xué)應(yīng)用，為此，本研究將人工智能教育機(jī)器人中用到的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)分析，如表1所示。

從表1中可以看出，人工智能教育機(jī)器人在課堂的典型用途是智能技術(shù)的綜合實(shí)現(xiàn)，它不是人工智能某項(xiàng)技術(shù)的單方面延伸，而是各種技術(shù)的集成$機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)圖譜的結(jié)合，可以使得學(xué)習(xí)者建模更加精準(zhǔn)，個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑更加準(zhǔn)確；自然語(yǔ)言處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的結(jié)合，可以對(duì)學(xué)習(xí)者照片形式的作業(yè)或者試卷進(jìn)行自動(dòng)批改，大大地減輕了教師的工作量；人機(jī)交互與機(jī)器人學(xué)的結(jié)合，可以使得學(xué)習(xí)者在與人工智能教育機(jī)器人進(jìn)行交互的過(guò)程中更加順暢。

本研究中的人工智能教育機(jī)器人是具有教與學(xué)服務(wù)的實(shí)體機(jī)器人，可以在智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下提供靈活的學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)服務(wù)的支持，同時(shí)，也是各種智能學(xué)習(xí)軟件系統(tǒng)的集成體，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋和分析。它在課堂上幫助教師完成教學(xué)活動(dòng)，輔助教師管理課堂，其融入課堂當(dāng)中，突破了原有的教學(xué)形態(tài)，形成一種雙師主體加學(xué)習(xí)者的教學(xué)形態(tài)。

三、人工智能教育機(jī)器人構(gòu)建的新型“雙師課堂”系統(tǒng)環(huán)境

在新型“雙師課堂”中，各種傳感器，智能移動(dòng)終端（pad，手機(jī)）、可穿戴設(shè)備等會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，雖然可以將這些數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行處理，但若教師需要實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)反饋，會(huì)受制于云端的服務(wù)速度，教師無(wú)法根據(jù)反饋信息了解學(xué)生的實(shí)時(shí)情況。傳統(tǒng)的教育數(shù)據(jù)，如，智能終端數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)瀏覽產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的成績(jī)數(shù)據(jù)等，通常由教師或者教育管理者發(fā)送到云平臺(tái)上，云平臺(tái)接收到使用請(qǐng)求之后將結(jié)果反饋給教育研究者。但是，大量數(shù)據(jù)同時(shí)上傳到云平臺(tái)，會(huì)消耗大量的計(jì)算資源，云服務(wù)延遲帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)影響教師對(duì)于課堂中實(shí)時(shí)個(gè)性化教學(xué)的需求判斷。針對(duì)該現(xiàn)象，可以利用邊緣設(shè)備已具有的計(jì)算能力，將應(yīng)用服務(wù)的部分計(jì)算任務(wù)從云端移到邊緣設(shè)備上執(zhí)行，本研究中主要的邊緣設(shè)備為人工智能教育機(jī)器人。

邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模型，邊緣計(jì)算中邊緣的下行數(shù)據(jù)表示云服務(wù)，上行數(shù)據(jù)表示萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)，而邊緣計(jì)算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源。邊緣計(jì)算開(kāi)發(fā)平臺(tái)一般包括網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用四個(gè)層面，在智能課堂下，這幾個(gè)層面可以集成到新型“雙師課堂”環(huán)境中，由人工智能教育機(jī)器人作為計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用的主體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)教學(xué)應(yīng)用業(yè)務(wù)、計(jì)算并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)循環(huán)過(guò)程。

為了實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)以及精準(zhǔn)教研，數(shù)據(jù)是不可缺少的，如何處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)課堂的實(shí)時(shí)個(gè)性化教學(xué)以及長(zhǎng)期的個(gè)性生涯規(guī)劃，這需要邊緣計(jì)算與云計(jì)算在全學(xué)習(xí)過(guò)程中相互協(xié)同$學(xué)生產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)集成在“人工智能教育機(jī)器人”端，大多數(shù)個(gè)性化教學(xué)通過(guò)“云平臺(tái)”加“大數(shù)據(jù)”平臺(tái)生成反饋結(jié)果，對(duì)于邊緣計(jì)算在教育中的應(yīng)用研究較少。通過(guò)對(duì)邊緣計(jì)算與云計(jì)算的基本了解，人工智能教育機(jī)器人可以作為邊緣計(jì)算的終端設(shè)備有以下優(yōu)點(diǎn)：

一是緩解云平臺(tái)的壓力。每天學(xué)校中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，其中有價(jià)值的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是有限的。有些數(shù)據(jù)的生命周期可以只存在于課堂的幾十分鐘內(nèi)，這些臨時(shí)數(shù)據(jù)的價(jià)值只存在于課堂中，不需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)。有些數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)為半結(jié)構(gòu)化或者非結(jié)構(gòu)化，這些數(shù)據(jù)的清洗在云端是一個(gè)大問(wèn)題。人工智能教育機(jī)器人作為邊緣終端，它代理了云計(jì)算平臺(tái)的一些業(yè)務(wù)，如，數(shù)據(jù)處理與分析$作為智能技術(shù)的綜合體，它可以實(shí)現(xiàn)具體的智能應(yīng)用，而云計(jì)算平臺(tái)可以對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行生命周期的管理以及更新迭代等工作。

二是增加教學(xué)請(qǐng)求的響應(yīng)能力。在課堂中，人工智能教育機(jī)器人直接在師生旁邊提供服務(wù)，這種近距離保證了較低的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。此外，人工智能教育機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)一般是分布式的本地網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分布降低了網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)，為網(wǎng)絡(luò)傳輸速度提供了保證。在個(gè)性化教學(xué)應(yīng)用中，如果是通過(guò)云平臺(tái)響應(yīng)教學(xué)需求，一旦用戶請(qǐng)求過(guò)多，必然會(huì)降低效率，而教師在課堂中沒(méi)有過(guò)多時(shí)間等待云平臺(tái)的反饋結(jié)果所以在課堂上，人工智能教育機(jī)器人可以很好地滿足教師的實(shí)時(shí)需求，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同的高效性、實(shí)時(shí)性。

三是保護(hù)師生的數(shù)據(jù)安全'在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)據(jù)的安全隱私也是值得關(guān)注的問(wèn)題，數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)平臺(tái)之后，存在被第三方使用的風(fēng)險(xiǎn)。云計(jì)算模式下，所有的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)中心，教育研究者很難對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)與使用進(jìn)行細(xì)粒度的控制。而邊緣計(jì)算下，所有隱私數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和使用都通過(guò)人工智能教育機(jī)器人進(jìn)行，教育研究者可以將隱私數(shù)據(jù)限制在防火墻內(nèi)，將一些處理后的數(shù)據(jù)，且需要云平臺(tái)計(jì)算的數(shù)據(jù)上傳到云端，這種模式可以保證數(shù)據(jù)的安全。

圖1所示是人工智能教育機(jī)器人支持下的新型“雙師課堂”環(huán)境模型。

在該環(huán)境中，最上層的是云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)。對(duì)于智慧校園來(lái)說(shuō)，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是極其龐大的，光依靠學(xué)校的服務(wù)器對(duì)于學(xué)校而言是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)，所以這時(shí)候需要用到云計(jì)算平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。“雙師課堂”環(huán)境的核心是邊緣計(jì)算平臺(tái)，邊緣計(jì)算平臺(tái)包括網(wǎng)絡(luò)域、計(jì)算系統(tǒng)、存儲(chǔ)設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)'網(wǎng)絡(luò)域可以是學(xué)校的校園網(wǎng)，在各個(gè)人工智能教育機(jī)器人中也可以設(shè)置一個(gè)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸'計(jì)算系統(tǒng)、存儲(chǔ)、應(yīng)用服務(wù)等全部集成在人工智能教育機(jī)器人中。

其他采集設(shè)備（智能移動(dòng)終端、可穿戴設(shè)備、攝像設(shè)備）與人工智能教育機(jī)器人通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的手段聯(lián)結(jié)。人工智能教育機(jī)器人自身獲取或者從其他采集設(shè)備獲取課堂實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行內(nèi)部存儲(chǔ)；向云平臺(tái)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求獲得許可之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理并做分析；處理分析完畢，人工智能教育機(jī)器人將數(shù)據(jù)可視化并呈現(xiàn)給師生，最后將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存在本地'課后，人工智能教育機(jī)器人可以將其中已處理，有價(jià)值的數(shù)據(jù)上傳到云計(jì)算平臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)，這樣既優(yōu)化了云計(jì)算平臺(tái)上的數(shù)據(jù)清洗工作，也在一定程度上保證了數(shù)據(jù)的有效性，有利于后期大數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確性。

四、人工智能教育機(jī)器人支持的新型“雙師課堂”學(xué)習(xí)過(guò)程環(huán)境分析

人工智能教育機(jī)器人蘊(yùn)含了多種人工智能技術(shù)，不同的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，不同技術(shù)之間的整合也使得人工智能教育機(jī)器人更加智能化、自動(dòng)化。從智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的角度來(lái)說(shuō)，人工智能教育機(jī)器人是學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動(dòng)、教學(xué)活動(dòng)、學(xué)習(xí)時(shí)空的載體。人工智能教育機(jī)器人支持的新型“雙師課堂”形成了一個(gè)閉環(huán)的服務(wù)支持系統(tǒng)，教師與學(xué)生之間“引導(dǎo)—反饋”的交互關(guān)系，同樣也適用于人工智能教育機(jī)器人與學(xué)生之間的關(guān)系。新型“雙師課堂”以教師為起點(diǎn)，教師向人工智能教育機(jī)器人發(fā)送應(yīng)用請(qǐng)求，人工智能教育機(jī)器人響應(yīng)該請(qǐng)求并反饋相關(guān)結(jié)果'教師可以向機(jī)器人發(fā)送了解“學(xué)生實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)進(jìn)度”“學(xué)生情緒現(xiàn)狀”等需求，機(jī)器人根據(jù)學(xué)生反饋的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理分析之后呈現(xiàn)給教師。

在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，課堂由教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)媒體等四個(gè)基本要素組成。在數(shù)字化課堂中，教學(xué)媒體是由軟件和硬件構(gòu)成的數(shù)字化環(huán)境，教學(xué)內(nèi)容不僅僅是教科書(shū)或者數(shù)字教材，還包括如視頻、音頻等多媒體資料，以及豐富的網(wǎng)上資源等。在新型“雙師課堂”中，教師和人工智能教育機(jī)器人都承擔(dān)了教學(xué)工作，在雙師協(xié)同的同時(shí)還有人工智能教育機(jī)器人與數(shù)字化環(huán)境的協(xié)同，可以構(gòu)建新型“雙師課堂”的學(xué)習(xí)環(huán)境模型，如圖2所示。

在此學(xué)習(xí)環(huán)境中，人工智能教育機(jī)器人作為教師，它需要承擔(dān)教師的一部分教學(xué)任務(wù)，而教學(xué)任務(wù)中有些是需要花很大精力才能完成的或者有些是無(wú)法由個(gè)人完成的任務(wù)，所以教師要明確自己有哪些需求是人工智能教育機(jī)器人的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)的。其次，人工智能教育機(jī)器人也需要與數(shù)字化環(huán)境相配合，數(shù)字化環(huán)境作為教師的教學(xué)工具，可以輔助人工智能教育機(jī)器人完成提供或呈現(xiàn)資源的任務(wù)!學(xué)生在此學(xué)習(xí)環(huán)境中，可以直接對(duì)教師和人工智能教育機(jī)器人做出反饋，也可以先反饋到數(shù)字化環(huán)境中再反饋到人工智能教育機(jī)器人。最終，人工智能教育機(jī)器人提供教師原先很難實(shí)現(xiàn)的個(gè)性化學(xué)習(xí)支持，教師則拋棄了重復(fù)性工作，注重于引導(dǎo)學(xué)生思維，鍛煉學(xué)生綜合能力，聚焦“育人”的學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

我們結(jié)合前文所提到的環(huán)境模型，可以得到人工智能教育機(jī)器人支持的新型“雙師課堂”環(huán)境下的課堂數(shù)據(jù)交互模型，如圖3所示。

在此課堂環(huán)境中，所有物化的教學(xué)媒體都與人工智能教育機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接。物聯(lián)網(wǎng)一般分成感知層，可靠傳遞層和智能處理層!感知層是數(shù)字化環(huán)境中常見(jiàn)的設(shè)備：如，電子課桌、電子白板、可穿戴設(shè)備、教室環(huán)境傳感器、智能移動(dòng)終端和其他可采集設(shè)備?？煽總鬟f層是校園中的網(wǎng)絡(luò)或者4G/5G網(wǎng)絡(luò)。而在“雙師課堂”中，智能處理層集成為人工智能教育機(jī)器人，平臺(tái)服務(wù)等采集設(shè)備與人工智能教育機(jī)器人存在信息流動(dòng)，首先由采集設(shè)備獲取到信息，將信息數(shù)據(jù)化之后傳輸?shù)饺斯ぶ悄芙逃龣C(jī)器人，通過(guò)人工智能教育機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理完的算法或者說(shuō)策略反饋到數(shù)字化環(huán)境中，數(shù)字化環(huán)境接收到相關(guān)策略之后' 以不同的形式呈現(xiàn)、反饋給學(xué)生。

教師在該教學(xué)過(guò)程中' 與學(xué)生之間仍然是引導(dǎo)和反饋的關(guān)系。但是與傳統(tǒng)數(shù)字化課堂不同的是，在教學(xué)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)， 教師需要明確自己的教學(xué)任務(wù)以及對(duì)于人工智能教育機(jī)器人的應(yīng)用需求， 并在人工智能教育機(jī)器人上選擇相應(yīng)的功能。教師不需要親自動(dòng)手操作多種數(shù)字化設(shè)備， 而是通過(guò)人工智能教育機(jī)器人統(tǒng)一管理#應(yīng)用數(shù)字化設(shè)備。 學(xué)生在使用數(shù)字化設(shè)備的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信息，這些信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)之后， 由人工智能教育機(jī)器人統(tǒng)一反饋給教師，教師可以分別查詢其即時(shí)需要的信息。

綜上所述，在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師在注重“育人”的同時(shí)，也要明確人工智能教育機(jī)器人“教書(shū)”的職責(zé)。

五、新型“雙師課堂”的設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）新型“雙師課堂”教學(xué)設(shè)計(jì)特征與實(shí)施過(guò)程

在新型“雙師課堂”的教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師需要分清哪些工作是可重復(fù)的、線性的，可以由人工智能教育機(jī)器人取代，哪些工作是需要自身承擔(dān)的。為了新型“雙師課堂”的實(shí)施更加系統(tǒng)有規(guī)劃，我們對(duì)新型“雙師課堂”的教學(xué)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比，如表2所示。

在教學(xué)設(shè)計(jì)的三維目標(biāo)中，知識(shí)與技能是屬于可以通過(guò)記憶或者反復(fù)練習(xí)習(xí)得的，但是過(guò)程與方法、情感態(tài)度這兩個(gè)方面需要教師啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思維上的訓(xùn)練。人工智能教育機(jī)器人雖然可以作為輔助教師，但是教師需要將人工智能教育機(jī)器人融合到原有的課堂環(huán)境下。新型“雙師課堂”的教學(xué)設(shè)計(jì)需要滿足分析數(shù)據(jù)化，活動(dòng)精細(xì)化，人機(jī)協(xié)同化三個(gè)特征。

1. 分析數(shù)據(jù)化

課前階段需要教師準(zhǔn)備學(xué)習(xí)內(nèi)容，首先需要對(duì)教材和學(xué)習(xí)者進(jìn)行分析。在教材分析層面，人工智能教育機(jī)器人可以根據(jù)已有的數(shù)據(jù)給出應(yīng)用最多的教材分析，根據(jù)不同的知識(shí)點(diǎn)，利用知識(shí)圖譜技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析中聚類(lèi)等技術(shù)，人工智能教育機(jī)器人為教師提供班級(jí)的整體學(xué)習(xí)報(bào)告，教師可以了解班級(jí)的分層情況以及每類(lèi)學(xué)生的知識(shí)掌握情況。教師可以根據(jù)自身的判斷及人工智能教育機(jī)器人提供的報(bào)告對(duì)學(xué)情有定性和定量的認(rèn)識(shí)。在課堂中，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的數(shù)據(jù)是過(guò)程化的，教師要時(shí)刻有大數(shù)據(jù)意識(shí)，有良好的信息素養(yǎng)，會(huì)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，將其體現(xiàn)在教學(xué)設(shè)計(jì)當(dāng)中并且在課堂當(dāng)中有所實(shí)施，使得教師對(duì)于班級(jí)整體以及學(xué)生個(gè)體的分析都更加精準(zhǔn)。

2. 活動(dòng)精細(xì)化

在學(xué)習(xí)活動(dòng)層面，教師需要明確的是人工智能教育機(jī)器人參與學(xué)生的哪些學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)方法是自主學(xué)習(xí)還是合作學(xué)習(xí)。一般地，人工智能教育機(jī)器人可以為學(xué)生設(shè)計(jì)個(gè)性化的學(xué)習(xí)任務(wù)，這種個(gè)性化的學(xué)習(xí)任務(wù)會(huì)產(chǎn)生不同的學(xué)習(xí)結(jié)果，但這些結(jié)果最終會(huì)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。人工智能教育機(jī)器人可以跟蹤并分析學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并且直接在本地反饋給教師。對(duì)于基于影音視頻，參考文件、測(cè)試、討論、作業(yè)等材料的具體操作，教師需要明確人工智能教育機(jī)器人在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的參與程度，以及這些活動(dòng)的先后順序。

3. 人機(jī)協(xié)同化

人機(jī)協(xié)同化，廣義上指的是整個(gè)新型 “雙師課堂”的各要素，在教與學(xué)的過(guò)程中，協(xié)調(diào)完成教學(xué)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動(dòng)、教學(xué)活動(dòng)與學(xué)習(xí)時(shí)空之間的融洽。狹義上主要指教師與人工智能教育機(jī)器人在新型“雙師課堂”中的協(xié)作配合。原有的教學(xué)形態(tài)一般是“雙主”教學(xué)模式，現(xiàn)在多了一個(gè)教學(xué)主體人工智能教育機(jī)器人。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)一些一般性問(wèn)題，這些問(wèn)題是封閉的、有答案的，人工智能教育機(jī)器人可以代替回答的，還需要設(shè)計(jì)一些啟發(fā)性的沒(méi)有固定答案的問(wèn)題，這些問(wèn)題分別對(duì)應(yīng)著學(xué)生的知識(shí)層面和情感技能層面。

人工智能教育機(jī)器人提供的學(xué)習(xí)支持雖然是個(gè)性的，但也僅限于資源以及練習(xí)等有規(guī)范的層面，教師帶來(lái)的情感交流以及思維上的引領(lǐng)是機(jī)器很難實(shí)現(xiàn)的。學(xué)習(xí)者的評(píng)價(jià)首先是由人工智能教育機(jī)器人分析課堂中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)給出的，教師根據(jù)該堂課的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和之前課程的評(píng)價(jià)，從而對(duì)于學(xué)生有全新的總的評(píng)價(jià)，這個(gè)總評(píng)橫向是針對(duì)于該堂課的維度，縱向是學(xué)習(xí)者之前課堂的表現(xiàn)以及全學(xué)習(xí)過(guò)程的維度。在支持教學(xué)的過(guò)程中，關(guān)于人工智能教育機(jī)器人出現(xiàn)的突發(fā)問(wèn)題，教師需要做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

（二）研究設(shè)計(jì)案例

本研究設(shè)計(jì)了人工智能教育機(jī)器人的教育應(yīng)用，以中學(xué)數(shù)學(xué)課堂《一元二次方程》為例，教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生知道一元二次方程的概念，能夠熟練地把一元二次方程整理成一般形式。課堂中的應(yīng)用環(huán)境如圖4所示。在進(jìn)行學(xué)習(xí)者分析時(shí)，教師根據(jù)人工智能教育機(jī)器人提供的學(xué)情數(shù)據(jù)對(duì)班級(jí)的學(xué)生有整體的了解，并有一個(gè)系統(tǒng)分類(lèi)。根據(jù)這堂課的知識(shí)點(diǎn)，利用知識(shí)圖譜技術(shù)將與一元二次方程有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)出來(lái)。

人工智能教育機(jī)器人為教師提供了各種各樣的資源，教師根據(jù)知識(shí)點(diǎn)以及學(xué)生的分類(lèi)情況，為每類(lèi)學(xué)生選擇不同的資源，對(duì)影音視頻、參考文件、測(cè)試、作業(yè)等在可控范圍內(nèi)進(jìn)行前期的主觀選擇。在學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)方面，教師選擇一元二次方程的導(dǎo)入情境，通過(guò)語(yǔ)音控制人工智能教育機(jī)器人將視頻投射到電子白板上。在學(xué)習(xí)活動(dòng)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生觀看視頻，學(xué)習(xí)參考文件，做測(cè)試的邏輯順序教師需要提前設(shè)計(jì)好。學(xué)生集體觀看視頻，學(xué)習(xí)參考文件等資源時(shí)，人工智能教育機(jī)器人會(huì)為學(xué)生推送不同的學(xué)習(xí)資源，通過(guò)學(xué)生的智能移動(dòng)終端呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生在智能移動(dòng)終端上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺斯ぶ悄芙逃龣C(jī)器人中，人工智能教育機(jī)器人再為教師實(shí)時(shí)反饋相應(yīng)數(shù)據(jù)。

在教學(xué)活動(dòng)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)智能移動(dòng)終端將問(wèn)題傳輸?shù)饺斯ぶ悄芙逃龣C(jī)器人，對(duì)于能解答的問(wèn)題人工智能教育機(jī)器人隨機(jī)選擇不同的回答方式回應(yīng)學(xué)生；無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題反饋到教師端。課堂完結(jié)后，人工智能教育機(jī)器人根據(jù)本堂課多終端反饋的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)為教師呈現(xiàn)單個(gè)學(xué)習(xí)者的評(píng)價(jià)報(bào)告以及整個(gè)班級(jí)的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)而了解這次課堂的學(xué)生分類(lèi)情況，為下一次做教學(xué)設(shè)計(jì)提供可參考的依據(jù)。

 六、對(duì)“人機(jī)協(xié)同”研究的展望

在新型雙師課堂中人工智能教育機(jī)器人承擔(dān)了部分教師的職能，這意味著在人工智能時(shí)代的學(xué)習(xí)時(shí)空中會(huì)出現(xiàn)新型的“人機(jī)協(xié)同”工作場(chǎng)景。未來(lái)的人工智能課堂，對(duì)于教師來(lái)說(shuō)需要做到以下幾個(gè)方面：

第一，熟悉“人機(jī)協(xié)同”智慧教學(xué)環(huán)境，新型“雙師課堂”對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，熟悉新型“雙師課堂”不僅僅是熟悉人工智能教育機(jī)器人，對(duì)于人工智能教育機(jī)器人中的系統(tǒng)，以及背后的智能平臺(tái)以及大數(shù)據(jù)平臺(tái)包括課堂當(dāng)中使用的多媒體設(shè)備和可穿戴設(shè)備都要有所了解，對(duì)于相應(yīng)的智慧教學(xué)手段也要了解。教師需要接受新型的智慧教學(xué)手段，主動(dòng)地去嘗試“人機(jī)協(xié)同”的新型課堂。

第二，注重“育人”層面的教研活動(dòng)。從核心素養(yǎng)層面來(lái)說(shuō)，人的全面發(fā)展體現(xiàn)在人文底蘊(yùn)，科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新等層面，這些層面是人的生物、思維、社會(huì)屬性的體現(xiàn)，也是人工智能教育機(jī)器人無(wú)法替代教師的核心關(guān)鍵。人工智能教育機(jī)器人能完成重復(fù)性，機(jī)械性的工作，教師如何聚焦有生命特征的工作，結(jié)合傳統(tǒng)的德智體美勞以及現(xiàn)在的核心素養(yǎng)，這需要學(xué)校多開(kāi)展新型“雙師課堂”中有關(guān)能力培養(yǎng)、價(jià)值引領(lǐng)、情感引導(dǎo)的教研活動(dòng)，促進(jìn)教師適應(yīng)教師職能的轉(zhuǎn)變以及人機(jī)協(xié)同的分工。

第三，培養(yǎng)學(xué)生“人機(jī)協(xié)同”的意識(shí)和能力。在新型“雙師課堂”中，不僅教師有“人機(jī)協(xié)同”教學(xué)場(chǎng)景，學(xué)生也有“人機(jī)協(xié)同”學(xué)習(xí)場(chǎng)景。人工智能時(shí)代，與機(jī)器共同學(xué)習(xí)也是基本的信息素養(yǎng)，對(duì)于技術(shù)運(yùn)用也是核心素養(yǎng)中的基本要點(diǎn)。教師在自身學(xué)習(xí)“人機(jī)協(xié)同”的過(guò)程中，也要培養(yǎng)學(xué)生“人機(jī)協(xié)同”的意識(shí)，為學(xué)生在人工智能時(shí)代與機(jī)器一起工作做出前期的積淀。教師可以經(jīng)常組織學(xué)生參加人工智能活動(dòng)，讓學(xué)生多接觸新型的人工智能教育產(chǎn)品，讓學(xué)生接納人工智能教育機(jī)器人等智能設(shè)備成為一種常態(tài)。在人工智能時(shí)代，社會(huì)需求的是能和機(jī)器智能共同工作的人，培養(yǎng)學(xué)生“人機(jī)協(xié)同”的意識(shí)和能力有助于學(xué)生適應(yīng)社會(huì)需求，順應(yīng)時(shí)代的趨勢(shì)和潮流。

本研究首先分析了已有的教育機(jī)器人在教學(xué)中的實(shí)踐案例，論述了智能時(shí)代人工智能的關(guān)鍵技術(shù)以及人機(jī)協(xié)同的相關(guān)概念，并提出人工智能教育機(jī)器人可以在課堂中的典型用途。根據(jù)邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)人工智能教育機(jī)器人作為邊緣計(jì)算的設(shè)備集成體，在課堂中可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，有利于課堂的實(shí)時(shí)個(gè)性化教學(xué)，也有效管理了課堂數(shù)據(jù)，將有價(jià)值的數(shù)據(jù)上傳到云端。同時(shí)，人工智能教育機(jī)器人可以承擔(dān)教師重復(fù)性的工作以及對(duì)于課堂設(shè)備的管理工作。根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境模型以及學(xué)習(xí)過(guò)程環(huán)境模型，提出了基于學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動(dòng)、教學(xué)活動(dòng)三個(gè)層面上的關(guān)于課堂實(shí)施的思考，并設(shè)計(jì)了人工智能教育機(jī)器人的課堂應(yīng)用案例原型。

實(shí)際上，人工智能教育機(jī)器人集成了很多人工智能技術(shù)，但是各技術(shù)的成熟度并不相同，其中比較成熟的是語(yǔ)音識(shí)別計(jì)算，而基于知識(shí)圖譜的個(gè)性化學(xué)習(xí)推薦以及基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的情感計(jì)算等技術(shù)還在實(shí)踐探究過(guò)程中。

此外，人工智能教育機(jī)器人進(jìn)入中小學(xué)課堂中，打破了原有的智慧課堂環(huán)境，如何將新技術(shù)適切地融入課堂中，實(shí)現(xiàn)新型“雙師課堂”下學(xué)生心理發(fā)展以及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和良好習(xí)慣的養(yǎng)成，這是需要關(guān)注的問(wèn)題。因此，人工智能教育機(jī)器人對(duì)于教師的“人機(jī)協(xié)同”能力要求較高，在人工智能教育機(jī)器人深度融合到中小學(xué)課堂過(guò)程中，需要教師的人工智能信息素養(yǎng)的提升。

在下一階段研究過(guò)程中，我們將聚焦到人工智能教育機(jī)器人在課堂中的具體應(yīng)用實(shí)踐，包括人工智能教育機(jī)器人與課堂環(huán)境的整合，以及各種數(shù)據(jù)的融合與處理分析，促進(jìn)人工智能教育機(jī)器人與課堂深度融合，從而減少教師繁重的工作強(qiáng)度，提高教育教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慕逃胶蛢?yōu)質(zhì)資源均衡效果。