人工智能優(yōu)化課堂中的小組合作學(xué)習(xí)框架設(shè)計

劉珊珊

摘? 要 小組合作學(xué)習(xí)是課堂教學(xué)中常采用的教學(xué)組織方式，然而在活動前的異質(zhì)分組、角色分工與責(zé)任分配，活動中的監(jiān)控和指導(dǎo)及活動后的評價與激勵方面存在一些問題。人工智能技術(shù)在教育應(yīng)用中的獨(dú)特優(yōu)勢具備解決課堂中小組合作學(xué)習(xí)問題的能力。提出利用人工智能技術(shù)優(yōu)化小組合作學(xué)習(xí)框架，旨在為改善課堂中小組合作學(xué)習(xí)效果提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 小組合作學(xué)習(xí);人工智能技術(shù);大數(shù)據(jù);深度學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）18-0074-03

AI Optimized Framework Design of Cooperative Learning in Classroom//LIU Shanshan

Abstract Group cooperative learning is often used in classroom tea-

ching. However， there are many problems in heterogeneous grouping，

role division and responsibility allocation before activities， monito-ring and guidance in activities， and evaluation and incentive after

activities. The unique advantages of artificial intelligence technology

in the application of education have the ability to solve the problem of cooperative learning in the classroom. This paper proposes to opti-

mize the framework of group cooperative learning by using artificial intelligence technology in order to improve the effect of cooperative learning in classroom.

Key words group cooperative learning; artificial intelligence tech-nology; big data; deep learning

1? 問題的提出

自20世紀(jì)90年代初引進(jìn)美國的合作學(xué)習(xí)法，我國學(xué)者經(jīng)歷了近30年的實(shí)踐探索，發(fā)現(xiàn)課堂中學(xué)生之間的關(guān)系比任何其他要素對學(xué)生學(xué)習(xí)的成績、社會化和發(fā)展的影響都更強(qiáng)有力[1]。同時，合作學(xué)習(xí)對學(xué)生的高階思維培養(yǎng)具有獨(dú)特的組織形式優(yōu)勢[2]。因此，學(xué)生之間的小組合作學(xué)習(xí)成為課堂教學(xué)中非常流行的教學(xué)方式。然而在現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)踐中，小組合作學(xué)習(xí)卻存在諸多問題，例如：在活動前對學(xué)生的情況不加以考慮即貿(mào)然組織小組合作學(xué)習(xí);活動過程中學(xué)生參與程度不均衡，出現(xiàn)“能者代勞”而其他組員坐“順風(fēng)車”的情況，教師在活動過程中缺乏指導(dǎo)和監(jiān)控;活動后的評價機(jī)制不完善;等等。這些問題都影響著小組合作學(xué)習(xí)的效果。

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用也取得巨大進(jìn)展。人工智能在教育應(yīng)用中有智能化、自動化、個性化、多元化和協(xié)同化的典型特征[3]。這些在教育中所顯現(xiàn)的特征，使利用人工智能技術(shù)輔助小組合作學(xué)習(xí)活動的開展，進(jìn)而優(yōu)化合作效果，成為一種可能。

2? 文獻(xiàn)綜述

2.1? 小組合作學(xué)習(xí)出現(xiàn)問題的原因

小組合作學(xué)習(xí)是指學(xué)生在小組或團(tuán)隊(duì)中為了完成共同的目標(biāo)與任務(wù)，有明確的責(zé)任分工的互助性學(xué)習(xí)[4]。小組合作學(xué)習(xí)具有四個基本特征：以異質(zhì)小組為基本形式，以小組明確的目標(biāo)達(dá)成為標(biāo)準(zhǔn)，以小組成員相互依賴的合作性活動為主體，以小組總體成績作為評價和獎勵的依據(jù)。在課堂教學(xué)實(shí)踐中出現(xiàn)種種問題的原因基本已被探明，除了教師主觀上對合作學(xué)習(xí)的內(nèi)涵和組織方式理解得不夠深入以外，更多的是教師雖有意識改進(jìn)，但是受客觀條件制約難以實(shí)施的。

2.1.1? 小組合作前的異質(zhì)分組? 小組的構(gòu)成直接影響小組學(xué)習(xí)活動的開展與學(xué)習(xí)成績的好壞，小組合作有效性的一個潛在障礙就是小組異質(zhì)的不充分[5]，因?yàn)樾〗M合作中的異質(zhì)分組需要綜合考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、性別、能力、氣質(zhì)和性格及家庭背景等因素，但基于教師的個人認(rèn)知能力，無法對一個班的學(xué)生就以上因素進(jìn)行準(zhǔn)確分析和評價，再給出最優(yōu)的分組策略。不僅是因?yàn)榻處煙o法記住多種分組要素，還因?yàn)椴煌幕顒尤蝿?wù)常常需要變化小組人員數(shù)量，同時如學(xué)習(xí)成績等要素還會隨著時間產(chǎn)生變化。

2.1.2? 小組合作中的指導(dǎo)與監(jiān)控? 在合作學(xué)習(xí)過程中，教師的干預(yù)會顯著影響合作學(xué)習(xí)的成效[6]。在小組合作過程中需要教師給予及時、適度的組織和調(diào)控，以保證小組合作學(xué)習(xí)的順利進(jìn)行。即在活動過程中，教師要對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題要進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)。但是在現(xiàn)實(shí)課堂中，一位教師面對多個小組，無法全程跟蹤活動的開展情況，大部分時間是巡視活動或重點(diǎn)跟進(jìn)個別小組的任務(wù)完成情況，以確定全班整體活動進(jìn)度，很容易忽視在小組合作學(xué)習(xí)過程中遇到問題的其他小組。同時由于課堂中的小組合作時間較短，學(xué)生缺乏合作學(xué)習(xí)方法的訓(xùn)練，常常會發(fā)生為了完成任務(wù)而“能者代勞”的情況，其他學(xué)生在合作學(xué)習(xí)中體會不到合作的樂趣和成就感而產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣下降。

2.1.3? 小組合作后的評價與激勵? 應(yīng)該重視對小組合作學(xué)習(xí)的評價和獎勵。當(dāng)活動結(jié)束時，教師應(yīng)根據(jù)自己的監(jiān)控情況和合作學(xué)習(xí)小學(xué)對合作學(xué)習(xí)的反饋情況，對學(xué)生進(jìn)行評價，以激勵和小組評價為主?；诮虒W(xué)工學(xué)理論，影響課堂學(xué)習(xí)質(zhì)量及社會心理氣氛的因素主要有任務(wù)結(jié)構(gòu)、獎勵結(jié)構(gòu)和權(quán)威結(jié)構(gòu)，其中獎勵結(jié)構(gòu)被多方證明是合作學(xué)習(xí)賴以提高學(xué)業(yè)成績的最為關(guān)鍵的因素[7]。與此同時，小組合作后的評價也是多方面的，可以從評價標(biāo)準(zhǔn)、評價內(nèi)容、評價主體和評價方法等多方面進(jìn)行。這些豐富的評價方式必然要考慮多種要素，在課堂中僅靠有限時間內(nèi)的教師個人判斷，難以進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的評價。

2.2? 人工智能教育應(yīng)用主要技術(shù)

2018年發(fā)布的《人工智能標(biāo)準(zhǔn)化白皮書》給出的人工智能定義為：人工智能是利用數(shù)字計算機(jī)或者數(shù)字計算機(jī)控制的機(jī)器模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能，感知環(huán)境、獲取知識并使用知識獲得最佳結(jié)果的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用中主要的技術(shù)層級有數(shù)據(jù)層、算法層、感知層、認(rèn)知層及應(yīng)用層[8]。其中，數(shù)據(jù)層的代表技術(shù)是教育大數(shù)據(jù)，教育大數(shù)據(jù)產(chǎn)生于各種教育實(shí)踐活動;算法層的代表技術(shù)是深度學(xué)習(xí)，主要用于數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)測行為和優(yōu)化決策;感知層的代表技術(shù)是識別技術(shù)，用于對語音、文字、圖像的識別與處理;認(rèn)知層的代表技術(shù)是自然語言處理，主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與學(xué)習(xí)者的溝通交流;應(yīng)用層指代的則是各類人工智能技術(shù)的集中體現(xiàn)。

2.3? 人工智能與教師的協(xié)同方式

我國學(xué)者余勝泉教授在探索人機(jī)協(xié)同方式時提出人機(jī)協(xié)同分析教學(xué)框架，在教學(xué)過程中根據(jù)人工智能的智能程度和配合教師完成的工作性質(zhì)，將人工智能和教師的關(guān)系分為AI代理、AI助手、AI教師和AI伙伴四種層次[9]。

2.4? 人工智能技術(shù)在合作學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

研究者之前就考慮用計算機(jī)來輔助開展合作學(xué)習(xí)，稱為計算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)（CSCL），目的是輔助、支持小組成員共同建構(gòu)知識和解決問題[10]。CSCL的應(yīng)用形式主要是在線合作學(xué)習(xí)，面向?qū)ο笠詫W(xué)生為主。為了優(yōu)化CSCL的應(yīng)用模式，研究者對線上學(xué)生學(xué)習(xí)行為跟蹤建立認(rèn)知投入度分析框架來確?；顒有Ч?，也有研究者基于知識知覺進(jìn)行CSCL活動工具的設(shè)計，后期更是出現(xiàn)了基于mCSCL（移動設(shè)備支持下的協(xié)作學(xué)習(xí)）的對協(xié)作伙伴的探索。

后期人工智能被應(yīng)用在學(xué)習(xí)者的合作學(xué)習(xí)中，并以多種身份促進(jìn)合作，例如：以協(xié)調(diào)者身份通過各種方式使用各種策略來促進(jìn)學(xué)習(xí)者的深入對話和合作反思;以同伴身份成為學(xué)習(xí)者在合作過程中的伙伴，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者知識建構(gòu)。同時，人們也在探索人工智能在合作學(xué)習(xí)環(huán)境中的作用，認(rèn)為最強(qiáng)的生生在線交互可能發(fā)生在沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中，以此來增強(qiáng)交互感和現(xiàn)場感，進(jìn)而來促進(jìn)生生之間的合作。

之前的研究者探究的計算機(jī)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)在合作學(xué)習(xí)中的應(yīng)用主要集中在遠(yuǎn)程在線形式的合作學(xué)習(xí)，并以此證明了人工智能技術(shù)優(yōu)化小組合作學(xué)習(xí)的可能性。但是研究者忽略了人工智能技術(shù)在課堂中小組合作學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。我國義務(wù)教育階段的教學(xué)以學(xué)校中的課堂教學(xué)為主，小組合作學(xué)習(xí)也是課堂教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生知識建構(gòu)和思維發(fā)展的主要形式，因此，利用人工智能技術(shù)優(yōu)化小組合作學(xué)習(xí)，對增強(qiáng)合作學(xué)習(xí)的效果具有重要意義。

3? 人工智能優(yōu)化小組合作學(xué)習(xí)框架

對人工智能教育應(yīng)用的主要技術(shù)特點(diǎn)和課堂中影響小組合作學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行整合，形成人工智能優(yōu)化小組合作學(xué)習(xí)框架，如表1所示。

3.1? 合作前的科學(xué)分組與分工

活動開展前的準(zhǔn)備工作是合作學(xué)習(xí)順利開展的重要基礎(chǔ)，主要工作包括對學(xué)生進(jìn)行異質(zhì)分組，在分組的結(jié)果上進(jìn)行角色分工和責(zé)任分配。學(xué)生在活動前了解自己的學(xué)習(xí)伙伴并明確彼此的角色和責(zé)任，有助于提升活動效率和質(zhì)量。大數(shù)據(jù)支持下的異質(zhì)分組除了考慮學(xué)生的基本信息，還需要分析學(xué)生成長過程中生成的多方面與活動分組有關(guān)的數(shù)據(jù)，借助深度學(xué)習(xí)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對班級內(nèi)的學(xué)生進(jìn)行合理分工，根據(jù)學(xué)生的性格、能力、興趣和成績等多方面因素幫助教師進(jìn)行角色分工和責(zé)任分配。在此過程中，人工智能的隱喻角色是“教師”，幫助教師借助數(shù)據(jù)更科學(xué)地進(jìn)行決策。然而人工智能對應(yīng)教師的角色是“AI代理”，意味著人工智能技術(shù)僅是輔助教師進(jìn)行活動前的準(zhǔn)備，教師還需要根據(jù)具體課程情況、任務(wù)性質(zhì)和學(xué)生意愿對結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

3.2? 合作過程中全程監(jiān)控與指導(dǎo)

在活動過程中，人工智能技術(shù)會對每一個小組進(jìn)行全程監(jiān)控、必要的指導(dǎo)與協(xié)作。通過語音識別、圖像識別和表情識別，記錄每位成員的發(fā)言次數(shù)、發(fā)言內(nèi)容，監(jiān)控學(xué)生的參與情況、交互質(zhì)量和沖突管理;通過檢測學(xué)生合作過程，在學(xué)生遇到問題時或是組織混亂時利用深度學(xué)習(xí)算法和自然語言處理提供必要的提示、相關(guān)的學(xué)習(xí)資源及指導(dǎo)，指明任務(wù)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生深入探索與合作，在合作過程中提供相應(yīng)的搜索工具、探究工具，幫助學(xué)生解決問題。在此過程中，人工智能監(jiān)控功能的隱喻角色是“教師”，幫助教師跟蹤監(jiān)控小組活動的實(shí)時情況。人工智能指導(dǎo)功能的隱喻角色是“教師”，需要進(jìn)行明確指導(dǎo)、給出權(quán)威意見和指明活動要求和規(guī)則;而當(dāng)人工智能承擔(dān)小組成員角色進(jìn)行任務(wù)協(xié)助時，隱喻角色是“伙伴”。此時，教師可以在管理系統(tǒng)中觀察小組合作學(xué)習(xí)的整體情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一小組的合作活動出現(xiàn)問題，且靠其自身小組系統(tǒng)無法糾正時，要進(jìn)行及時干預(yù)。

活動中人工智能借助教育大數(shù)據(jù)分析學(xué)生的表現(xiàn)，通過自然語言處理技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)與學(xué)生進(jìn)行溝通，進(jìn)行預(yù)測和干預(yù)，最后將活動中采集的多方面數(shù)據(jù)存入大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，為后續(xù)的活動評價及下次活動分組積累依據(jù)。在此階段，人工智能對應(yīng)教師的角色是“AI教師”，系統(tǒng)具備認(rèn)知功能，能夠在感知和認(rèn)知方面顯著增強(qiáng)教師的能力，進(jìn)而突破教師的認(rèn)知極限，使教師具有更大的教育創(chuàng)造力。

3.3? 合作后的客觀多維評價與虛擬獎勵

合作活動后，在教師進(jìn)行合作成果展示的同時，人工智能技術(shù)會通過活動過程中收集的數(shù)據(jù)，針對合作過程中每位成員的交互質(zhì)量、任務(wù)完成情況、責(zé)任承擔(dān)情況和貢獻(xiàn)率等方面表現(xiàn)進(jìn)行客觀、科學(xué)和多維評價，以對學(xué)生的合作學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評價及肯定，給學(xué)生進(jìn)行深入合作指明方向，提升學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)學(xué)生合作的成就感和向心力，激發(fā)學(xué)生的合作興趣和動力。同時，系統(tǒng)在小組活動過程中支持自我評價和生生匿名互評，學(xué)生在獲得對小組合作成果的評價后，再根據(jù)提供的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自我評價和生生匿名互評，有助于調(diào)整自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)和改進(jìn)自己的合作技巧，對長時間培養(yǎng)合作能力有促進(jìn)作用。評價環(huán)節(jié)的人工智能隱喻角色是“教師”，對于教師而言的角色是“AI助手”，幫助教師完成評價報告。

在活動結(jié)束后，人工智能可針對學(xué)生的表現(xiàn)給予積分激勵，不同積分級別賦予不同的虛擬榮譽(yù)稱號，以促進(jìn)學(xué)生的合作動力。在激勵階段，對于教師而言的角色為“AI代理”。

整體優(yōu)化框架基于教育大數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的各種實(shí)踐數(shù)據(jù)和多方面?zhèn)€性化數(shù)據(jù)，科學(xué)地進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，進(jìn)而做出正確判斷。

4? 總結(jié)與展望

目前，課堂小組合作學(xué)習(xí)效果不理想，主要是因?yàn)榛顒忧爱愘|(zhì)分組不充分，角色分工和責(zé)任分配不明確;活動中的監(jiān)控和指導(dǎo)不及時;忽視活動后的評價和激勵。人工智能技術(shù)在線上小組合作活動中的實(shí)踐，有豐富經(jīng)驗(yàn)并都取得了一定效果，運(yùn)用其在教育領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)技術(shù)、識別技術(shù)、深度學(xué)習(xí)算法和自然語言處理技術(shù)，可以構(gòu)建優(yōu)化課堂小組合作學(xué)習(xí)框架，輔助教師增強(qiáng)課堂中小學(xué)合作學(xué)習(xí)效果?？蚣芑诮逃髷?shù)據(jù)，在活動前、中和后期扮演者“教師”和“伙伴”的隱喻角色，同時在人機(jī)協(xié)同的理念下根據(jù)任務(wù)特征扮演“AI代理”“AI助手”和“AI教師”的角色，以減輕教師的工作負(fù)荷和擴(kuò)展教師的認(rèn)知能力，促進(jìn)合作學(xué)習(xí)的效果，培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力。

教師對開展課堂中小組合作學(xué)習(xí)具有重要作用，一切技術(shù)手段都是為了輔助教師促進(jìn)學(xué)生深入學(xué)習(xí)。教師應(yīng)在教學(xué)過程中起主導(dǎo)作用，提升活動設(shè)計能力，根據(jù)數(shù)據(jù)做出適時合理判斷是關(guān)鍵，而不應(yīng)因?yàn)槿斯ぶ悄芗夹g(shù)的介入而退位。教師應(yīng)將人工智能作為強(qiáng)有力的輔助工具，在增強(qiáng)自身能力的同時發(fā)揮其作用，最終促進(jìn)課堂合作學(xué)習(xí)效果的增強(qiáng)?！?/p>

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