“人工智能+教育”背景下地方高校雙語課程智慧課堂建設(shè)路徑研究

熊齊 潘梅森

(湖南文理學(xué)院國際學(xué)院 湖南常德 415000)

1 相關(guān)背景

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，人類社會當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入了一個人工智能的大數(shù)據(jù)時代。大數(shù)據(jù)、云計算、深度學(xué)習(xí)、圖像識別、語音識別等人工智能技術(shù)逐漸成為當(dāng)今社會的熱點。人工智能技術(shù)目前已經(jīng)廣泛用于醫(yī)療、教育、金融等領(lǐng)域。2017年7月國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出：“利用智能技術(shù)加快推動人才培養(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。開展智能校園建設(shè)，推動人工智能在教學(xué)、管理、資源建設(shè)等全流程應(yīng)用。開發(fā)立體綜合教學(xué)場、基于大數(shù)據(jù)智能的在線學(xué)習(xí)教育平臺。開發(fā)智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系統(tǒng)。建立以學(xué)習(xí)者為中心的教育環(huán)境，提供精準(zhǔn)推送的教育服務(wù)，實現(xiàn)日常教育和終身教育定制化。[1]”作為國家戰(zhàn)略層面的重大部署，規(guī)劃的發(fā)布把我國新一代人工智能研究和應(yīng)用推向了一個前所未有的高潮，也標(biāo)志著我國的教育也進(jìn)入了一個人工智能的智慧時代。

近年來，隨著科技的發(fā)展，很多高校開展了智慧教育工作。智慧教育是指將互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)融入教育教學(xué)全過程。比如教育數(shù)據(jù)化和學(xué)習(xí)分析。數(shù)據(jù)化的意思就是把一種現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍票矸治龅牧炕问降倪^程[2]。比如：大腦活動、調(diào)查問卷以及學(xué)生的表現(xiàn)等形式可以用某種方式轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)[3]。在全球范圍內(nèi)“數(shù)據(jù)治理”的教育政策背景下[4]，學(xué)校的日常管理越來越倚重“數(shù)據(jù)化”。再如：對教學(xué)質(zhì)量的評價日益傾向于量化評估[5]，基于計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)對教育“數(shù)據(jù)化”以推動“智慧校園”的建設(shè)[6-7]。目前，在線學(xué)習(xí)平臺在教育領(lǐng)域正變得越來越普遍，這有利于教學(xué)的企業(yè)自動收集和處理學(xué)生數(shù)據(jù)，用于教學(xué)的評估和管理[8]。

學(xué)習(xí)分析（Learning Analytics）是把學(xué)生學(xué)習(xí)后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)收集后進(jìn)行分析的一種活動[9-11]。教育的重大決策需要大數(shù)據(jù)分析提供全面、可靠的信息源。數(shù)據(jù)的質(zhì)量及其合理運用直接影響教育質(zhì)量[12-13]。任何計算機(jī)應(yīng)用程序的使用都會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。隨著這幾年來線上教育的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的學(xué)習(xí)活動的數(shù)據(jù)。通過大數(shù)據(jù)架構(gòu)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并利用這些反饋的信息改進(jìn)教育過程[14]。大數(shù)據(jù)是一種資源，也是一種工具，它可以對教育過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以挖掘有價值的信息，提供基于個性化教育的教育模式。在線學(xué)習(xí)是一個不間斷的過程。這期間存在著非常多的學(xué)習(xí)交流活動[15]。XIA X[16]通過對這些交互活動之間相關(guān)性的分析，設(shè)計了一種合適的算法。它可以根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則推薦學(xué)習(xí)方案，以實現(xiàn)個性化教育。在這種情況下，大數(shù)據(jù)就成為了一種自適應(yīng)學(xué)習(xí)的工具。

除了在線學(xué)習(xí)，DrAYTON-BROOKS S M等人[17]把學(xué)習(xí)分析引入了護(hù)理臨床教育中。通過對學(xué)生在電子臨床管理系統(tǒng)中記錄的大量臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，教師能夠更好地了解學(xué)生臨床實習(xí)的情況，為基于能力的護(hù)理教育提供有用的信息。

但是受技術(shù)和資金等條件的限制，很多地方高校直到現(xiàn)在還沒開展智慧教育的工作，無法在人工智能時代下享受科技的發(fā)展提升教學(xué)質(zhì)量的便利。目前很多地方高校中外合作辦學(xué)雙語教學(xué)還是沿用的傳統(tǒng)的教學(xué)方式，還存在一些影響教學(xué)質(zhì)量的因素，急需通過引入人工智能技術(shù)進(jìn)行解決。

2 人工智能時代高校教學(xué)質(zhì)量提升的策略：PDCA循環(huán)

PDCA 循環(huán)理論[18]，是由美國質(zhì)量管理專家戴明（Deming）提出的。它是全面質(zhì)量管理的思想基礎(chǔ)和方法依據(jù)。P的含義是計劃（Plan），就是根據(jù)預(yù)期的結(jié)果確立目標(biāo)以及制訂行動計劃；D的含義是實施（Do），就是按照計劃的內(nèi)容，采取具體的行動計劃；C的含義是檢查（Check），即收集數(shù)據(jù)以供分析檢查執(zhí)行計劃的實際結(jié)果，與目標(biāo)進(jìn)行對比，找出差異，評估計劃的適用性和完整性對執(zhí)行的影響，判斷哪些是正確的、哪些是錯誤的，分析并找出問題；A的含義是改進(jìn)措施（Act），也就是對檢查階段的結(jié)果進(jìn)行處理，對成功的經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)推廣，經(jīng)過檢驗的可行標(biāo)準(zhǔn)成為下一循環(huán)實施的標(biāo)準(zhǔn)；對未達(dá)到預(yù)期的結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，對那些未解決或新出現(xiàn)的問題可納入下一個PDCA 循環(huán)去解決。人工智能時代下的教與學(xué)與傳統(tǒng)方式的教與學(xué)有著很大的不同。我們可以借助PDCA 循環(huán)理論，更好地利用人工智能提升教學(xué)質(zhì)量。

2.1 人工智能時代下基于PDCA循環(huán)的雙語教學(xué)質(zhì)量提升框架

根據(jù)人工智能時代下地方高校中外合作辦學(xué)雙語教學(xué)的質(zhì)量特點，可以設(shè)計如圖1所示的PDCA循環(huán)框架用來提升教學(xué)質(zhì)量。在圖1中，我們分別把“教學(xué)大綱、教案、教學(xué)計劃”放在P（Plan）內(nèi)，“課堂教學(xué)、實驗實訓(xùn)、課后復(fù)習(xí)等”放在“D（Do）”內(nèi)，“教學(xué)檢查”放在“C（Check）”內(nèi)，最后把“如何改進(jìn)”放在“A（Act）”內(nèi)，而閉環(huán)的中心是“學(xué)生”，表示以學(xué)生為本，教學(xué)質(zhì)量的提升應(yīng)體現(xiàn)在學(xué)生運用專業(yè)知識能力的提高上。

圖1 基于PDCA循環(huán)的雙語課程教學(xué)質(zhì)量提升框架

采用PDCA 循環(huán)理論來提高雙語課程教學(xué)質(zhì)量，是一項系統(tǒng)工程。學(xué)生的水平是在不斷動態(tài)變化著的，課程的授課教師也不是一成不變的。教師需要根據(jù)學(xué)生目前的水平，對相應(yīng)的人工智能技術(shù)能否達(dá)到課程設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果采取相應(yīng)的教學(xué)模式，因材施教。通過PDCA循環(huán)，老師可以驗證人工智能輔助的教學(xué)效果，可以逐漸熟悉和完善人工智能的一些應(yīng)用，進(jìn)而不斷提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

2.2 地方高校在人工智能時代下基于PDCA 理論的教學(xué)質(zhì)量提升的基本路徑

2.2.1 計劃階段

在這一階段主要是教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的確定。具體體現(xiàn)在雙語教學(xué)課程的教學(xué)大綱、教案，所選定的教材。一般來說，由于地方高校中外合作項目的雙語課程由外方大學(xué)指定，所以大綱的編寫基本參照外方的課程大綱，教材也是根據(jù)外方課程大綱的建議選擇。所以這兩個方面的改進(jìn)空間不大，其中最有改進(jìn)空間的就是課程教案。課程教案需要反映課程的重點、難點，能對學(xué)生實現(xiàn)真正意義上的因材施教和個性化教育，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，發(fā)揮其主觀能動性。傳統(tǒng)的在大屏幕演示PPT的方法由于缺少互動性很難達(dá)到這樣的效果。在人工智能時代下，各類學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)（Learning Management System，LMS）被廣泛用于大學(xué)的教學(xué)過程中[19]。這里比較常見的有雨課堂、微助教、百度智慧課堂等。國內(nèi)很多有名的大學(xué)如西安交通大學(xué)、貴州大學(xué)等在幾年前就開展了雨課堂教學(xué)。而很少有地方高校采用LMS教學(xué)。

教師利用LMS 可以把制作的課件、課程中涉及的專業(yè)詞匯、與課程有關(guān)的資料以及一些課前測試題目在手機(jī)上推送給學(xué)生。學(xué)生接收到相關(guān)資料后，規(guī)定其在一定的時間內(nèi)觀看課件并完成課前測試題，即時得到自動評分，同時學(xué)生可以將預(yù)習(xí)過程中遇到的問題提交到LMS。教師可以實時查看已預(yù)習(xí)學(xué)生人數(shù)和測試題答題情況、學(xué)生反饋等，方便老師進(jìn)行課前學(xué)情分析、明確上課的重點難點，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。這個步驟對地方高校中外合作辦學(xué)的雙語教學(xué)尤其重要。因為雙語教學(xué)的外方教師上課的時候沒有中文解釋，學(xué)生很難理解和聽懂一些專業(yè)詞匯。通過預(yù)習(xí)，學(xué)生事先了解了這些專業(yè)詞匯的中文含義和英語發(fā)音，上課的時候也就更容易聽懂和理解。

2.2.2 執(zhí)行階段

在課堂教學(xué)階段，教師可以把LMS 課前預(yù)習(xí)情況反饋給學(xué)生，使學(xué)生認(rèn)識到該章節(jié)的易錯點及自己在預(yù)習(xí)中的出錯點，使其聽課針對性更強(qiáng)。教師結(jié)合預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)內(nèi)容并依據(jù)學(xué)生課前預(yù)習(xí)結(jié)果進(jìn)行針對性教學(xué)。LMS 軟件在學(xué)生的手機(jī)端可以同步接收PPT。如果學(xué)生遇到不懂的問題，可以利用LMS 軟件隨時向老師發(fā)送“不懂”的訊號，教師則會同步收到，從而可以實時調(diào)整課程節(jié)奏并重點講解。有些LMS軟件還彈幕功能，學(xué)生可以隨時表達(dá)自己的觀點、想法以及不懂的問題。地方高校中外合作辦學(xué)項目的學(xué)生由于英語水平參差不齊，這個功能可以使學(xué)生克服膽怯心理，敢于在課堂上通過這種形式與老師進(jìn)行互動，可以使教師有效地了解課堂的教學(xué)效果。

在實驗環(huán)節(jié)，針對部分編程課程，教師可以利用現(xiàn)在的云計算平臺給學(xué)生開展在線編程實踐。比如：現(xiàn)在很多公司都開發(fā)了面向高校的私有教育云平臺，在平臺上可以開設(shè)編程語言、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)安全、人工智能、網(wǎng)絡(luò)工程等實驗。這些基于云平臺的實驗系統(tǒng)，一般都可以提供講解的視頻，以及配套的實驗指導(dǎo)，幫助教師一站式解決實驗難題。同時，在實驗完成后，系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的操作情況，自動生成實驗報告，自動生成評語，自動給報告打分。當(dāng)然這些平臺一般都是收費的，使用平臺的學(xué)生人數(shù)越多價格越貴。但是國內(nèi)的百度大腦（AI Studio）提供了一個免費的教育云平臺。目前。在這個平臺上既可以進(jìn)行常規(guī)的編程入門教學(xué)，比如Python語言、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。也可以開展強(qiáng)算力需求的機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)教學(xué)?？梢栽诰€分享PPT、PDF 等課件，甚至可以開展視頻教學(xué)，讓學(xué)生在線通過視頻學(xué)習(xí)。利用這個平臺，老師們不僅可以展示Notebook 實驗給學(xué)生，還可以在線分享PPT、PDF等文件給班級學(xué)生，更可以插入視頻，學(xué)生在線視頻學(xué)習(xí)。

課后復(fù)習(xí)階段，學(xué)生們都希望及時解決遇到不懂的問題。在LMS 軟件的支持下，學(xué)生可以把存在的疑問反饋到LMS 教學(xué)課堂平臺上，并與教師和同學(xué)進(jìn)行交流討論；教師可以一對一的答疑解惑進(jìn)行個性化指導(dǎo)。這種方法的好處是便于老師收集學(xué)生的問題，缺點是不可能做到實時解答學(xué)生的問題。近年來，人工智能的自然語言處理技術(shù)（NLP）得到長足的發(fā)展，人工智能助教系統(tǒng)也走進(jìn)了大學(xué)校園。比如：在美國等科技發(fā)達(dá)地區(qū)的大學(xué)里，有的AI助教已經(jīng)達(dá)到了以假亂真的地步。再如：美國佐治亞理工學(xué)院的AI 助教Jill Waston。在這種背景下，教師可以遴選幾門重要的課程，通過LMS以及歷年的考試、作業(yè)等途徑收集課程中學(xué)生可能存在的問題，利用NLP技術(shù)也制作一個AI智能助教，輔助老師課后對學(xué)生進(jìn)行答疑，緩解地方高校的雙語師資緊缺的現(xiàn)狀。

2.2.3 檢查階段

這個階段就是檢查實際教學(xué)效果與開始計劃階段的教學(xué)目標(biāo)之間的差距。這種檢查包括自查和他查兩個方面。

（1）自查。自查就是任課老師通過PDCA的運用，發(fā)現(xiàn)教師教學(xué)設(shè)計和教學(xué)行為、教學(xué)效果之間的關(guān)系，找出存在的問題與癥結(jié)，以不斷提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和高效性，提升教師教學(xué)能力。

對教學(xué)設(shè)計，我國有的教育專家曾提出一種優(yōu)化教學(xué)設(shè)計的方法。首先明確要解決的問題，然后提出解決問題的方案并進(jìn)行實驗驗證。如果提出的方案正確，就將該方案投入實際使用；如果實驗驗證的結(jié)果與預(yù)期不符，就修改方案或者嘗試其他方案；如此循環(huán)直到成功[20]。由此可見，提高教學(xué)設(shè)計的過程與PDCA循環(huán)過程存在著很強(qiáng)的內(nèi)在相似性。

實際操作過程中，任課老師通過LMS 或者教學(xué)云平臺收集教學(xué)過程中學(xué)生產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)，包括學(xué)生的到課率、課件查看率、課堂上的互動次數(shù)、測試題目的準(zhǔn)確率、實驗的完成情況等。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的大數(shù)據(jù)算法來分析、改進(jìn)教學(xué)情況，實現(xiàn)個性化教學(xué)。其中圖2是人工智能優(yōu)化教學(xué)設(shè)計的過程圖。

圖2 人工智能優(yōu)化教學(xué)設(shè)計的過程

（2）他查。他查就是由外人，也就是由學(xué)校負(fù)責(zé)教學(xué)督導(dǎo)的人員對課程的教學(xué)情況進(jìn)行的階段性內(nèi)部質(zhì)量審核工作。包括平時進(jìn)行的聽課評課工作，以及期末的教學(xué)質(zhì)量檢查。在傳統(tǒng)的檢查過程中需要準(zhǔn)備的資料具體包括以下方面。

①任課教師的課程教案、教學(xué)手冊等。教學(xué)手冊包括教學(xué)進(jìn)度表和學(xué)生的考勤情況以及平時成績。

②考核記錄，包括老師批改的試卷、作業(yè)的評分和評語等。

工作人員主要檢查課程教案是否與課程大綱相吻合，學(xué)生是否所掌握了相應(yīng)的知識和技能，是否讓大多數(shù)學(xué)生達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。但是這些判斷的主觀性很強(qiáng)。在使用了LMS 教學(xué)系統(tǒng)或云平臺教學(xué)環(huán)境后，我們可以收集到一些量表數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和音視頻資料等。根據(jù)這些資料，可以對教師的教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)、客觀的評價。

2.2.4 行動階段

針對自查和他查中占有的大數(shù)據(jù)資料，采用相應(yīng)的人工智能分析模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，得出分析報告，幫助教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，找出學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中和老師在教學(xué)過程中有可能存在的一些問題，輔助教師開展教學(xué)工作，改進(jìn)教學(xué)設(shè)計。其過程如圖3所示。

圖3 人工智能提高教學(xué)質(zhì)量的過程

改進(jìn)后的教學(xué)設(shè)計需要在下一輪的課程教學(xué)中實施，通過計劃、實施、檢查這3 個階段來檢驗行動方案是否解決了問題。如果改進(jìn)了現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，這些改進(jìn)將納入教案中成為下一輪課程教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

人工智能的發(fā)展改變了人們的生活，給人們帶來了極大的便利。但是人工智能在教育中的應(yīng)用還處于一個初始階段，還只是在一些一流高校中得到應(yīng)用，很多地方本科院校都沒有開展或者沒有大規(guī)模開展。所以地方本科院校在中外合作項目的雙語教學(xué)中引入人工智能的時候，師生雙方都將會遇到一些困難和問題。如果解決不好，就無法發(fā)揮人工智能在教學(xué)中的作用，達(dá)不到提高教學(xué)質(zhì)量的目的，無法提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。為了避免出現(xiàn)這種情況，該文提出了基于PDCA 循環(huán)的教學(xué)質(zhì)量提高框架?；谶@個建設(shè)路徑，將影響教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵點都納入PDCA 循環(huán)中，在這個路徑的規(guī)范和指引下，把人工智能應(yīng)用到在教學(xué)中去，因材施教，提高相關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量。