基于學(xué)者網(wǎng)的協(xié)同教學(xué)模式探索與實(shí)踐
——以人工智能課程為例

賴韓江，楚寒露

（1.中山大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510631）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人工智能已成為眾多行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)和變革力量。2017 年，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提出了“智能教育”的概念，旨在利用智能技術(shù)推動人才培養(yǎng)與教學(xué)改革。2020 年，國際人工智能與教育會議在北京召開，主題為“培養(yǎng)新能力，迎接智能時(shí)代”。在智能時(shí)代，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、推動自主學(xué)習(xí)對于培養(yǎng)創(chuàng)新性人才具有重要意義。

目前，眾多高校開設(shè)了人工智能相關(guān)課程，但人工智能覆蓋面廣，知識更迭快［1］，對學(xué)生的學(xué)習(xí)與老師的教學(xué)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。大量學(xué)者提出采用人工智能技術(shù)賦能教育［2］，推動教育走向國際化。人工智能在賦能教育的過程中可以作為輔助學(xué)習(xí)的工具，如教育大數(shù)據(jù)平臺、智能學(xué)習(xí)機(jī)器人等中的很多算法都是借鑒了人類的學(xué)習(xí)方式，其中強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法［3］是智能體通過探索環(huán)境，從而最大化獎(jiǎng)勵(lì)的過程，可類比于學(xué)生（智能體）通過與老師、同學(xué)等進(jìn)行交互而學(xué)習(xí)新知識的過程。學(xué)習(xí)是一個(gè)探索的過程，是學(xué)生自我提高的過程，協(xié)同交互是學(xué)習(xí)中的重要步驟。為了解人工智能算法的原理，學(xué)生需要查找相關(guān)論文（與環(huán)境進(jìn)行交互），也可以與其他學(xué)生一起學(xué)習(xí)（協(xié)同學(xué)習(xí)）。因此，探索新型協(xié)同交互式教育體系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能算法的興趣也是提高其應(yīng)用與創(chuàng)新能力的過程。

Strijbos［4］認(rèn)為協(xié)同學(xué)習(xí)是個(gè)體在社會群體的教育環(huán)境中通過交互完成學(xué)習(xí)目標(biāo)的過程，在協(xié)同學(xué)習(xí)的過程中，通常由社會團(tuán)體中的教育者引導(dǎo)互動，以增加受教育者達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)的可能性。熊劍［5］指出協(xié)同知識建構(gòu)是一種在協(xié)同學(xué)習(xí)模式下借助技術(shù)形成的學(xué)習(xí)型組織。武學(xué)潤等［6］指出“以學(xué)生為中心”是當(dāng)代大學(xué)教育學(xué)的重要理念，目的是要調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、探索性和積極性，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情和協(xié)作精神。隨著教育技術(shù)的快速發(fā)展，大量在線教育平臺涌現(xiàn)［7］，如學(xué)者網(wǎng)、中國大學(xué)MOOC、網(wǎng)易云課堂、騰訊云課堂等，其中學(xué)者網(wǎng)（www.scholat.com）是一個(gè)基于協(xié)同理念的教研服務(wù)平臺。學(xué)者網(wǎng)不同于一般在線課程平臺，其提供了一種無縫連接到學(xué)術(shù)社區(qū)的新型學(xué)習(xí)方式，可以更好地與學(xué)者們交流協(xié)作，共享學(xué)術(shù)與教學(xué)資源，提供從學(xué)習(xí)到科研的一體化創(chuàng)新環(huán)境［8-10］。

本文以學(xué)者網(wǎng)教學(xué)平臺為基礎(chǔ)構(gòu)建協(xié)同交互教學(xué)模式，從傳統(tǒng)的線下課堂到線上線下相融合的協(xié)同教學(xué)模式轉(zhuǎn)換，從以教師為中心的被動學(xué)習(xí)向以學(xué)生為中心的主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高其創(chuàng)造能力，實(shí)現(xiàn)“人工智能賦能教育、教育服務(wù)人工智能”的新型教學(xué)模式。該種基于學(xué)者網(wǎng)的協(xié)同教學(xué)模式主要包括教學(xué)協(xié)同、過程協(xié)同、科研協(xié)同三大協(xié)同方式，為教學(xué)提供了便捷的協(xié)同交互服務(wù)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與科研創(chuàng)新水平。

1 基于學(xué)者網(wǎng)的協(xié)同理念架構(gòu)

學(xué)者網(wǎng)是一個(gè)面向?qū)W者的社交網(wǎng)絡(luò)平臺，由廣東省服務(wù)計(jì)算工程技術(shù)研究開發(fā)中心研發(fā)，目的在于為教師、學(xué)生、高校、企業(yè)等提供一個(gè)高效的協(xié)同交互平臺。學(xué)者網(wǎng)目前已成為擁有數(shù)十萬教師與學(xué)生用戶、數(shù)千個(gè)科研團(tuán)隊(duì)、數(shù)億條學(xué)術(shù)信息的大型社交科研教學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

學(xué)者網(wǎng)是典型的基于協(xié)同理念的教研服務(wù)平臺［10］，通過融合線上線下的協(xié)作方式促進(jìn)學(xué)生自學(xué)能力的提升，形成以學(xué)生為中心的學(xué)術(shù)型教學(xué)平臺。如圖1 所示，本文基于學(xué)者網(wǎng)的協(xié)同理念實(shí)現(xiàn)階梯式實(shí)踐教學(xué)協(xié)同交互體系，主要包括教學(xué)協(xié)同、過程協(xié)同、科研協(xié)同3 個(gè)過程。

（1）教學(xué)協(xié)同。由教師提供課件等學(xué)習(xí)資料，學(xué)生在教師的主導(dǎo)和協(xié)作下完成基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。學(xué)者網(wǎng)提供充分的課程空間，有效整合教學(xué)資源，為學(xué)生提供一個(gè)線下線上交互的云平臺。

（2）過程協(xié)同。為進(jìn)一步深化學(xué)生認(rèn)知，利用學(xué)者網(wǎng)上的學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，借助云平臺與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提供個(gè)性化、及時(shí)性指導(dǎo)。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)掌握相應(yīng)知識點(diǎn)，從以教師為中心的第一階段過渡到以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)模式，進(jìn)入深度學(xué)習(xí)階段。

（3）科研協(xié)同。提升學(xué)生的科研創(chuàng)新能力是人工智能課程的重要目標(biāo)。學(xué)者網(wǎng)提供了一個(gè)高效的科研協(xié)同平臺，其可面向科研實(shí)體開展科研活動，并記錄科研過程與成果?？蒲袇f(xié)同可鼓勵(lì)學(xué)生開展科研活動，提出新問題、新思路，增強(qiáng)其創(chuàng)新能力，提高其科研素養(yǎng)。

Fig.1 Architecture of step-by-step collaborative teaching圖1 階梯式協(xié)同教學(xué)架構(gòu)

以上3 種協(xié)同方式是階梯式逐步提高的學(xué)習(xí)過程。第一階段的教學(xué)協(xié)同主要是要夯實(shí)基礎(chǔ)，通過課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、教師講解、學(xué)生提問等方式提供基礎(chǔ)的課程知識；第二階段的過程協(xié)同是深化、提高學(xué)生主觀認(rèn)知的過程，是學(xué)生對知識了解、消化并重塑的過程；第三階段的科研協(xié)同是對所學(xué)知識的創(chuàng)新性應(yīng)用，通過科研訓(xùn)練以及相關(guān)文獻(xiàn)閱讀，學(xué)生提出新方法和新思路，進(jìn)一步提升其知識應(yīng)用與創(chuàng)造能力。

2 基于學(xué)者網(wǎng)的協(xié)同教學(xué)模式實(shí)踐

人工智能課程內(nèi)容繁雜、覆蓋面廣，且人工智能領(lǐng)域發(fā)展迅速，知識更迭快，兼具前沿性和創(chuàng)新性。在新工科課程建設(shè)背景下［11］，人工智能課程的教授主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。

（1）突出教師的引領(lǐng)作用。人工智能相關(guān)課程、書籍等資源過多，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中十分困惑，不知如何入門，此時(shí)要突出教師的引領(lǐng)作用。教師必須是一線研究人員，熟悉人工智能領(lǐng)域的發(fā)展。

（2）突出學(xué)生的主觀能動性。人工智能課程知識更新快，學(xué)生要培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)的能力，一方面可在完成作業(yè)后主動學(xué)習(xí)延伸知識，另一方面可與同學(xué)或科研人員交流，通過互動討論實(shí)現(xiàn)知識的深入理解與認(rèn)知。

（3）突出創(chuàng)新與科研能力的培養(yǎng)。人工智能領(lǐng)域有大量懸而未決的問題，在學(xué)習(xí)過程中，教師在教會學(xué)生已知內(nèi)容的基礎(chǔ)上，也要積極鼓勵(lì)其創(chuàng)新，嘗試攻克難題，提高科研水平。

為達(dá)成以上目標(biāo)，學(xué)者網(wǎng)提供了三大空間，詳見圖2。

（1）課程空間。學(xué)者網(wǎng)提供了一個(gè)在線課程管理空間，其中有大量課程資源，教師可以很方便地將課件、論文等相關(guān)資料推送給學(xué)生。此外，學(xué)者網(wǎng)不僅可以對當(dāng)前上課的班級進(jìn)行管理，還可以保存歷史信息，提供了一種供不同年級學(xué)生交互的便捷方式，例如低年級學(xué)生可以向高年級請教，實(shí)現(xiàn)同行學(xué)習(xí)，從而加快學(xué)習(xí)進(jìn)程。在學(xué)者網(wǎng)的答疑互動模塊，學(xué)生可以方便快捷地與教師、科研人員等進(jìn)行交流。學(xué)者網(wǎng)的課程空間還提供了過程管理手段，如教師通過作業(yè)完成情況及時(shí)了解學(xué)生的認(rèn)知程度，及時(shí)干預(yù)學(xué)習(xí)進(jìn)程；通過保存學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與老師的交互行為數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步改善教學(xué)質(zhì)量提供幫助。

（2）學(xué)者空間。學(xué)者網(wǎng)為每個(gè)用戶建立了個(gè)人主頁，即學(xué)者空間。學(xué)者空間中有學(xué)者的個(gè)人信息、學(xué)術(shù)檔案、科研動態(tài)、課程、團(tuán)隊(duì)與好友等信息，以上信息詳細(xì)刻畫了用戶形象，方便教學(xué)資源推送、學(xué)習(xí)興趣挖掘、好友推薦等，極大提高了協(xié)同效率。

（3）科研空間。科研空間是面向科研實(shí)體開展科研活動、記錄科研過程和成果需求而提供的服務(wù)空間?？蒲锌臻g中有新聞通知、上傳資源、分享成員動態(tài)等功能，還可以應(yīng)用站內(nèi)信、在線交流等工具進(jìn)行成員互動。

Fig.2 Collaborative teaching model based on Scholat platform圖2 基于學(xué)者網(wǎng)的協(xié)同教學(xué)模式

基于以上3 個(gè)空間，學(xué)者網(wǎng)可以較好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)協(xié)同、過程協(xié)同和科研協(xié)同的過程。具體表現(xiàn)為：

（1）教學(xué)協(xié)同。利用學(xué)者網(wǎng)的課程空間給教師提供大量協(xié)同工具，如發(fā)布課程資源、布置作業(yè)、回答學(xué)生問題等。為降低人工智能課程的復(fù)雜度，采取層次化學(xué)習(xí)框架，即由教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況提供合適的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)生完成目標(biāo)后教師再不斷設(shè)立新目標(biāo)，分解學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生逐步學(xué)習(xí)，從而建立完善的知識體系。

（2）過程協(xié)同。提供課前、課中、課后等多個(gè)學(xué)習(xí)過程的協(xié)作方式，幫助學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識點(diǎn)。在這個(gè)過程中，從教師主導(dǎo)逐步轉(zhuǎn)化為以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性［12］。學(xué)生帶著問題，通過學(xué)者網(wǎng)的在線交流、站內(nèi)郵箱、動態(tài)分享等功能，與科研團(tuán)隊(duì)和學(xué)者們協(xié)同交互，達(dá)到更為深入的認(rèn)知過程。

（3）科研協(xié)同。學(xué)者網(wǎng)為每位科研人員提供了個(gè)人主頁，也為科研團(tuán)隊(duì)提供了團(tuán)隊(duì)頁面，學(xué)生可在相關(guān)頁面學(xué)習(xí)應(yīng)用知識、培養(yǎng)科研能力，從而實(shí)現(xiàn)從學(xué)習(xí)到研究的過渡，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新水平的提高。

3 協(xié)同教學(xué)模式實(shí)施與教學(xué)效果分析

基于學(xué)者網(wǎng)的課程平臺已被多所高校采納，其中，中山大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的現(xiàn)代人工智能技術(shù)課程采用了教學(xué)協(xié)同、過程協(xié)同和科研協(xié)同的三重協(xié)同教學(xué)模式，培養(yǎng)了290 多名學(xué)生。該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生熟練掌握人工智能的基礎(chǔ)理論知識，重點(diǎn)培養(yǎng)其應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識創(chuàng)新性解決實(shí)際問題的能力。教學(xué)過程主要分為課前、課中和課后3 個(gè)階段，其中課前和課中以教學(xué)協(xié)同為主，課后以過程協(xié)同和科研協(xié)同為主。在課前和課中，教師分別通過發(fā)布相關(guān)資料和課堂講解引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)。課后分為兩個(gè)階段：首先是理解與鞏固階段，學(xué)生采用過程協(xié)同對課堂內(nèi)容進(jìn)行深入理解與內(nèi)化；其次是實(shí)踐和提高階段，在該階段學(xué)生可以聯(lián)系科研導(dǎo)師，進(jìn)行創(chuàng)新性科研實(shí)踐。

在實(shí)踐過程中，基于學(xué)者網(wǎng)的協(xié)同教學(xué)模式優(yōu)勢表現(xiàn)為：①易于理解人工智能算法。人工智能算法往往是模仿人的學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)的，可通過教學(xué)協(xié)同理解人工智能的有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。有監(jiān)督學(xué)習(xí)是指在標(biāo)注信息的指導(dǎo)下進(jìn)行學(xué)習(xí)，這種學(xué)習(xí)方式是有教師指導(dǎo)的學(xué)習(xí)，以教促學(xué)，以學(xué)促教，并最終達(dá)到對人工智能算法的更深理解。②提供了一種便捷的協(xié)作學(xué)習(xí)方式。協(xié)同與交互是學(xué)習(xí)過程的一項(xiàng)基本操作。學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，以學(xué)生—教師、學(xué)生—學(xué)生協(xié)同交互的方式實(shí)現(xiàn)知識的深度挖掘與探索，從而最大程度地重構(gòu)知識的深度學(xué)習(xí)過程。學(xué)者網(wǎng)中有站內(nèi)信、互動交流、最新動態(tài)、資源公告等模塊，提供了一種融合線上線下的交流方式。③提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)與科研熱情。通過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本掌握了人工智能的基礎(chǔ)理論知識，并能將其應(yīng)用于細(xì)粒度分類、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)小游戲等實(shí)踐當(dāng)中。學(xué)生成績有所提高，學(xué)習(xí)熱情有所上升，部分學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開始人工智能相關(guān)研究工作。

學(xué)者網(wǎng)提供了高效的協(xié)作工具，一方面可大大減少教師的工作負(fù)擔(dān)，使其著重于學(xué)習(xí)過程中的引導(dǎo)作用；另一方面可使學(xué)生進(jìn)行自主探索與學(xué)習(xí)，突出其在學(xué)習(xí)過程中的主觀能動性，以適應(yīng)人工智能知識體系的快速更新。

4 結(jié)語

人工智能課程的教學(xué)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的課題。為了更好地應(yīng)對于龐雜的知識體系，本文基于學(xué)者網(wǎng)的協(xié)同理念探索協(xié)同交互式教學(xué)模式，提出階梯式協(xié)作流程：首先利用教學(xué)協(xié)同打好知識基礎(chǔ)，然后利用過程協(xié)同鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，最后利用科研協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。綜上所述，學(xué)者網(wǎng)的海量學(xué)術(shù)與科研資源為人工智能教學(xué)提供了一個(gè)良好平臺。