人工智能技術(shù) 助力減負(fù)增效

賈積有 張譽(yù)月

引言

近兩年來，中央頒布了一系列關(guān)于學(xué)生評(píng)價(jià)和減負(fù)增效的重要政策文件。2020年10月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》，在“改革學(xué)生評(píng)價(jià)，促進(jìn)德智體美勞全面發(fā)展”一節(jié)中，強(qiáng)調(diào)“構(gòu)建引導(dǎo)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展的考試內(nèi)容體系，改變相對(duì)固化的試題形式，增強(qiáng)試題開放性，減少死記硬背和‘機(jī)械刷題現(xiàn)象”。2021年7月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步減輕義務(wù)教育階段學(xué)生作業(yè)負(fù)擔(dān)和校外培訓(xùn)負(fù)擔(dān)的意見》（以下簡(jiǎn)稱“雙減”）。這些重要文件指明了我國(guó)基礎(chǔ)教育改革的一個(gè)重要方向——減負(fù)增效。

人工智能技術(shù)助力減負(fù)增效的途徑

“雙減”文件不僅指出了“雙減”的重要性，更提出了若干減負(fù)的具體舉措。例如，在“全面壓減作業(yè)總量和時(shí)長(zhǎng)，減輕學(xué)生過重作業(yè)負(fù)擔(dān)”一節(jié)中，強(qiáng)調(diào)“嚴(yán)禁給家長(zhǎng)布置或變相布置作業(yè)，嚴(yán)禁要求家長(zhǎng)檢查、批改作業(yè)”“分類明確作業(yè)總量”“提高作業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。發(fā)揮作業(yè)診斷、鞏固、學(xué)情分析等功能，將作業(yè)設(shè)計(jì)納入教研體系，系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合年齡特點(diǎn)和學(xué)習(xí)規(guī)律、體現(xiàn)素質(zhì)教育導(dǎo)向的基礎(chǔ)性作業(yè)。鼓勵(lì)布置分層、彈性和個(gè)性化作業(yè)，堅(jiān)決克服機(jī)械、無效作業(yè)，杜絕重復(fù)性、懲罰性作業(yè)”“加強(qiáng)作業(yè)完成指導(dǎo)。教師要指導(dǎo)小學(xué)生在校內(nèi)基本完成書面作業(yè)，初中生在校內(nèi)完成大部分書面作業(yè)。教師要認(rèn)真批改作業(yè)，及時(shí)做好反饋，加強(qiáng)面批講解，認(rèn)真分析學(xué)情，做好答疑輔導(dǎo)。不得要求學(xué)生自批自改作業(yè)”。

在教學(xué)實(shí)踐中，如何改變相對(duì)固化的試題形式？如何減少死記硬背和“機(jī)械刷題”現(xiàn)象？如何布置分層和個(gè)性化作業(yè)？在“嚴(yán)禁要求家長(zhǎng)檢查、批改作業(yè)”和“不得要求學(xué)生自批自改作業(yè)”的前提下，教師如何能夠“認(rèn)真批改作業(yè)，及時(shí)做好反饋，加強(qiáng)面批講解，認(rèn)真分析學(xué)情，做好答疑輔導(dǎo)”？這些都是我們切實(shí)面對(duì)且亟須解決的問題。

在傳統(tǒng)的學(xué)校環(huán)境和課堂教學(xué)中，一位教師要面對(duì)幾十個(gè)學(xué)生，很難解決上述問題，也難以很好地貫徹落實(shí)文件精神。如今，人工智能和大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的助力使智能評(píng)測(cè)和輔導(dǎo)得以實(shí)現(xiàn)，從而減負(fù)增效，具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

一、數(shù)字化教學(xué)資源

數(shù)字化教學(xué)資源是教師實(shí)施教、學(xué)生進(jìn)行學(xué)的知識(shí)來源。經(jīng)過四十多年的教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國(guó)已經(jīng)構(gòu)建了海量的教學(xué)資源，如國(guó)家教育資源公共服務(wù)平臺(tái)以及各省市區(qū)的教育資源平臺(tái)等，可以為廣大中小學(xué)校師生提供優(yōu)質(zhì)而免費(fèi)的服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，人工智能技術(shù)可以根據(jù)學(xué)生不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格和認(rèn)知狀態(tài)，為學(xué)生推送內(nèi)容適合、形式恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)資源，供其課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，并支持教師引導(dǎo)下的翻轉(zhuǎn)課堂、雙師課堂等創(chuàng)新實(shí)踐，增強(qiáng)教學(xué)效果。例如，智能教學(xué)系統(tǒng)可以為喜歡圖片和視頻的學(xué)生推送微課視頻，通過圖形、聲音、文字等多種形式幫助學(xué)生理解抽象的概念或現(xiàn)象；為喜歡動(dòng)手操作的學(xué)生推送虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的虛擬實(shí)驗(yàn)或生活場(chǎng)景，使其充分體驗(yàn)、交互、沉浸其中，建構(gòu)知識(shí)、擴(kuò)展技能。

二、適應(yīng)性測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試是教師了解和評(píng)價(jià)學(xué)生的重要環(huán)節(jié)，也是“雙減”落地實(shí)施的重要領(lǐng)域。我所在團(tuán)隊(duì)基于項(xiàng)目反映理論和自適應(yīng)性測(cè)試，分析已有學(xué)科在線系統(tǒng)積累的海量學(xué)生練習(xí)等行為數(shù)據(jù)，運(yùn)用極大似然估計(jì)等算法計(jì)算題目難度、區(qū)分度和猜測(cè)系數(shù)等多維參數(shù)，并鏈接這些參數(shù)設(shè)計(jì)了適應(yīng)性測(cè)試系統(tǒng)。不同于所有學(xué)生題目和時(shí)間都一樣的傳統(tǒng)經(jīng)典測(cè)試，適應(yīng)性測(cè)試系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生做題情況適時(shí)提供最適合學(xué)生的題目。盡管每個(gè)學(xué)生完成題目的數(shù)量和時(shí)間都不相同，也大都少于傳統(tǒng)的測(cè)試方法，但經(jīng)過若干輪測(cè)試后能夠比較穩(wěn)定地獲得學(xué)生的能力水平。

例如，基于一個(gè)在線教學(xué)系統(tǒng)的海量做題記錄，針對(duì)初二數(shù)學(xué)下冊(cè)“勾股定理”一節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，我所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了學(xué)生智能評(píng)測(cè)系統(tǒng)。我們首先選定了關(guān)于勾股定理的123道練習(xí)題，隨后選取了53位學(xué)生的做題數(shù)據(jù)，模擬他們?cè)谧鲱}時(shí)的表現(xiàn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析我們發(fā)現(xiàn)：所有學(xué)生的做題數(shù)量不超過14道，最少為4道，平均為6道，每位學(xué)生的做題記錄和時(shí)間都不相同。更重要的是，所完成題目的重要指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)都很高，并且統(tǒng)計(jì)意義顯著。也就是說，這53人如果真的參加適應(yīng)性測(cè)試，按照能力值進(jìn)行的順序排列與按照傳統(tǒng)得分進(jìn)行的順序排列基本一致。

總而言之，適應(yīng)性測(cè)試可以給每個(gè)學(xué)生提供數(shù)量和內(nèi)容都不同的個(gè)性化題目，而最后的測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)果基本一致。這種適應(yīng)性測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)為教師提供自動(dòng)的學(xué)情分析，減輕學(xué)生的測(cè)試負(fù)擔(dān)，是落實(shí)“雙減”的有力保障。

三、個(gè)性化作業(yè)

智能教學(xué)系統(tǒng)在某個(gè)學(xué)生參加某個(gè)知識(shí)領(lǐng)域的適應(yīng)性測(cè)試之后，計(jì)算出該生在這個(gè)領(lǐng)域的能力值，評(píng)測(cè)出其薄弱環(huán)節(jié)，然后基于這些薄弱環(huán)節(jié)挑選或推薦最適合該生學(xué)習(xí)情況的題目組成作業(yè)，讓該生練習(xí)鞏固。相比傳統(tǒng)的千篇一律的作業(yè)，這種個(gè)性化作業(yè)避免了機(jī)械性、無效性、重復(fù)性和懲罰性的練習(xí)。

學(xué)生在智能教學(xué)系統(tǒng)上完成并提交作業(yè)后，可以立刻看到系統(tǒng)提供的得分和針對(duì)性反饋，就像教師批改反饋一樣。教師也可以借助系統(tǒng)，布置分層和彈性作業(yè)。

在學(xué)生完成作業(yè)后，智能教學(xué)系統(tǒng)通過同構(gòu)異數(shù)的后測(cè)題目，檢測(cè)學(xué)生對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的掌握程度，而不僅僅是對(duì)被輔導(dǎo)題目的死記硬背。這些后測(cè)題目可借助內(nèi)容文本語義相似性等自然語言處理技術(shù)，從已有題目中搜索得出，也可以由教師借助工具手動(dòng)編輯產(chǎn)生。

四、亦師亦友的虛擬教師

個(gè)性化輔導(dǎo)是幫助每個(gè)學(xué)生、特別是學(xué)習(xí)困難的學(xué)生理解和掌握知識(shí)技能的重要步驟。在傳統(tǒng)的班級(jí)教學(xué)環(huán)境下，一位教師即使了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，但由于時(shí)間和精力的限制，也不可能為每個(gè)有需要的學(xué)生提供個(gè)性化的輔導(dǎo)，這使得不少家長(zhǎng)不得不求助于高價(jià)的校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，這正是“雙減”出臺(tái)的原因之一。智能教學(xué)系統(tǒng)就像教師和朋友那樣，陪伴學(xué)生的作業(yè)過程，給予學(xué)生激勵(lì)、表揚(yáng)、提示和幫助。如果學(xué)生依靠自己的思考能夠按時(shí)完成，則基于學(xué)生在線學(xué)習(xí)活動(dòng)指數(shù)給予適時(shí)的表揚(yáng)和鼓勵(lì)；如果實(shí)在難以解決作業(yè)中的問題，則針對(duì)問題內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)給予恰如其分的提示和幫助，直到學(xué)生消滅所有錯(cuò)誤為止。這位亦師亦友的虛擬教師可以通過虛擬人物的形象出現(xiàn)，栩栩如生，具有語音講解和面部表情等表達(dá)方式，并可以通過情感計(jì)算技術(shù)感知學(xué)生的喜怒哀樂等情感狀態(tài)。

人工智能技術(shù)助力減負(fù)增效的典型案例

二十多年來，北京大學(xué)教育學(xué)院教育技術(shù)系和教育信息化國(guó)際研究中心的研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)國(guó)內(nèi)外人工智能等前沿技術(shù)促進(jìn)減負(fù)增效的經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了面向英語和數(shù)學(xué)等學(xué)科教學(xué)的智能教學(xué)系統(tǒng)，將其應(yīng)用到全國(guó)三十多所中小學(xué)的學(xué)科教學(xué)實(shí)踐中，迭代完善，為學(xué)生提供個(gè)性化、適應(yīng)性的學(xué)習(xí)和作業(yè)資源；通過長(zhǎng)時(shí)間、跨地域、嚴(yán)謹(jǐn)深入的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究和基于設(shè)計(jì)的研究，證明了人工智能技術(shù)可以助力減負(fù)增效，為“雙減”的貫徹落實(shí)探索新的道路。本文將剖析來自全國(guó)五個(gè)?。ㄊ小^(qū)）的典型案例，介紹其實(shí)施方法和實(shí)踐效果。

【案例一】河南某農(nóng)村高中基于智能教學(xué)系統(tǒng)的英語教學(xué)實(shí)驗(yàn)

河南省某農(nóng)村高中的一位英語教師借助智能教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)班每周在多媒體機(jī)房安排一節(jié)英語課，借助智能教學(xué)系統(tǒng)練習(xí)詞匯、聽力、對(duì)話等內(nèi)容。每個(gè)學(xué)生聽到的都是個(gè)性化的詞匯發(fā)音和對(duì)話內(nèi)容，完成后能及時(shí)看到成績(jī)和詳細(xì)反饋；經(jīng)過一個(gè)學(xué)年的學(xué)習(xí)，個(gè)性化練習(xí)不僅幫助實(shí)驗(yàn)班學(xué)生提升了學(xué)習(xí)興趣和自信心，與使用傳統(tǒng)教學(xué)方式的對(duì)照班相比，還較大幅度地提升了成績(jī)（13.1%），后測(cè)中的平均成績(jī)顯著高于對(duì)照班學(xué)生。這所學(xué)校的學(xué)生大部分來自農(nóng)村，缺少自主尋找學(xué)習(xí)資料的條件，智能教學(xué)系統(tǒng)給學(xué)生提供了個(gè)性化的作業(yè)和練習(xí)輔導(dǎo)支持。

【案例二】四川某初中基于智能教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)

四川省某初中的一位數(shù)學(xué)教師基于智能教學(xué)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)班實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂：學(xué)生課前使用系統(tǒng)預(yù)習(xí)，教師從系統(tǒng)中了解到學(xué)生情況，先學(xué)后教，以學(xué)定教；課上以學(xué)生為主體，根據(jù)學(xué)生情況講解難點(diǎn)，并讓學(xué)生講解、討論；課后讓學(xué)生繼續(xù)在系統(tǒng)上完成針對(duì)性練習(xí)、復(fù)習(xí)鞏固。實(shí)驗(yàn)班學(xué)生不僅花在作業(yè)上的時(shí)間少于對(duì)照班學(xué)生，而且大幅度提高了班級(jí)成績(jī)：從初一到初三，實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的平均成績(jī)差異從不顯著水平的3.2分上升到顯著水平的7.9分，提高了1倍多。對(duì)實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的調(diào)查表明，他們對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)逐年提高。學(xué)生訪談表明，他們?cè)趯W(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)成績(jī)和學(xué)習(xí)自信心上都有一定程度的提高。家長(zhǎng)也反饋，這種學(xué)習(xí)方式幫助孩子增強(qiáng)了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣和信心，提高了數(shù)學(xué)成績(jī)，同時(shí)也減少了家長(zhǎng)輔導(dǎo)學(xué)習(xí)的時(shí)間和精力。

【案例三】上海某中學(xué)基于智能教學(xué)系統(tǒng)的作業(yè)實(shí)驗(yàn)

上海市某中學(xué)一位數(shù)學(xué)教師基于智能教學(xué)系統(tǒng)，綜合運(yùn)用了多種教學(xué)手段，根據(jù)實(shí)驗(yàn)班學(xué)生不同的學(xué)習(xí)水平進(jìn)行了個(gè)性化的教學(xué)干預(yù)：利用分組功能，給基礎(chǔ)比較弱的學(xué)生布置了初一乃至回溯到小學(xué)的作業(yè)，使其復(fù)習(xí)鞏固前面的基礎(chǔ)知識(shí)，增進(jìn)學(xué)習(xí)自信心，逐步提高成績(jī)；在給學(xué)優(yōu)生進(jìn)行線上練習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行線上直播輔導(dǎo)，將高難度內(nèi)容有效地教授給學(xué)生。初一下的前測(cè)中，實(shí)驗(yàn)班比對(duì)照班的平均分低4.9分；經(jīng)過一年的實(shí)驗(yàn)，在初二下的后測(cè)中，實(shí)驗(yàn)班平均成績(jī)比對(duì)照班高出2.76分，提高幅度為155.9%；標(biāo)準(zhǔn)差差異從2.64減少到-0.11，減少幅度為104.10%;實(shí)驗(yàn)班相對(duì)于對(duì)照班的效果量從-1.0增加到0.57，提高幅度為156.9%。獨(dú)立變量t檢驗(yàn)及協(xié)方差分析表明：在數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，智能教學(xué)系統(tǒng)起到了顯著的正向促進(jìn)作用。

【案例四】云南某初中基于智能教學(xué)系統(tǒng)的幫扶學(xué)困生實(shí)驗(yàn)

云南省某初中借助智能教學(xué)系統(tǒng)，幫助10名外來務(wù)工人員子女學(xué)習(xí)和練習(xí)數(shù)學(xué)，經(jīng)過三個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，7名學(xué)生年級(jí)排名有所上升，其中1名學(xué)生從中等生躍升為優(yōu)等生。學(xué)生表示：“這個(gè)軟件很好用，對(duì)數(shù)學(xué)的提升還是很大的。”“會(huì)從簡(jiǎn)單的開始再慢慢地變難?！薄跋到y(tǒng)還有一個(gè)護(hù)眼模式，這樣不會(huì)傷害眼睛?！薄拔腋惺艿搅死蠋焸兊哪托暮拓?fù)責(zé)，他們每個(gè)星期都會(huì)針對(duì)每個(gè)人的學(xué)習(xí)問題布置相應(yīng)的數(shù)學(xué)作業(yè)；不需要面對(duì)面交流，也不會(huì)令我因?yàn)闆]有學(xué)懂麻煩老師而感到緊張。”個(gè)性化的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)就像一位無時(shí)不在的虛擬教師，可以隨時(shí)給學(xué)困生提供幫助，并且消除學(xué)生在傳統(tǒng)教室里的拘束感、膽怯感和被批評(píng)后的沮喪感。家長(zhǎng)也不再為自身能力不足無法輔導(dǎo)孩子而產(chǎn)生無力感。

【案例五】山東某中學(xué)疫情時(shí)期基于智能教學(xué)系統(tǒng)的在線數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)

因?yàn)樾鹿诜窝滓咔槎坏貌痪蛹覍W(xué)習(xí)期間，山東省一所初中的數(shù)學(xué)教師采用智能教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)教學(xué)，使實(shí)驗(yàn)班“因定制而精彩”。其最大的亮點(diǎn)是作業(yè)內(nèi)容個(gè)性化：既有少量都要做的基礎(chǔ)作業(yè)，也有三個(gè)不同層次的分層作業(yè)，更有各不相同的個(gè)人作業(yè)。數(shù)據(jù)分析表明，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生完成了692份不同的作業(yè)，其中全部都完成的共同作業(yè)只有8份，其他的不同內(nèi)容作業(yè)則大部分由1名學(xué)生完成，少量由2名或者更多名學(xué)生完成。對(duì)照班則按照傳統(tǒng)方式由教師布置內(nèi)容完全相同的作業(yè)。短短兩個(gè)月的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的數(shù)學(xué)測(cè)試成績(jī)差異從不顯著水平（2.4分）上升到非常顯著水平（6.8分）。這種差異明顯的個(gè)性化作業(yè)無法靠教師人工布置，說明智能教學(xué)系統(tǒng)對(duì)減負(fù)增效發(fā)揮了重要作用。

人工智能技術(shù)助力減負(fù)增效的實(shí)踐挑戰(zhàn)

我們基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)開發(fā)的智能教學(xué)系統(tǒng)，能夠給每個(gè)學(xué)生提供內(nèi)容和時(shí)間都不同的個(gè)性化資源、作業(yè)、測(cè)試和輔導(dǎo)。經(jīng)過較大范圍、較長(zhǎng)時(shí)間、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)應(yīng)用實(shí)踐，獲得的測(cè)評(píng)結(jié)果表明，學(xué)生使用該系統(tǒng)學(xué)習(xí)后得出的評(píng)測(cè)效果與傳統(tǒng)教學(xué)模式下所有學(xué)生內(nèi)容和時(shí)間都完全一樣的測(cè)試方法的結(jié)果基本一致，所接受的個(gè)性化輔導(dǎo)效果也比較顯著，能夠有效掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)興趣和自信心，最終取得優(yōu)異成績(jī)。

盡管智能教育系統(tǒng)在一定程度上證明了人工智能等前沿技術(shù)與中小學(xué)學(xué)科教學(xué)的深度融合能夠?yàn)樨瀼芈鋵?shí)“雙減”等政策、促進(jìn)教育公平和均衡發(fā)展做出貢獻(xiàn)，助力減負(fù)增效，但同時(shí)我們也需要認(rèn)識(shí)到，未來，如果想讓更多學(xué)生使用智能教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)、接受適應(yīng)性輔導(dǎo)，還有很多的工作需要去做，比如針對(duì)不同學(xué)科內(nèi)容的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)；更需要學(xué)校管理者、教師和家長(zhǎng)接受數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新觀念，在了解系統(tǒng)功能和成效的前提下，將其應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐、整合到常規(guī)教學(xué)中。

賈積有

教授、博士生導(dǎo)師，北京大學(xué)教育學(xué)院教育技術(shù)系主任、北京大學(xué)教育信息化國(guó)際研究中心主任。曾任德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)等海外高?？妥淌?。教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（2009）學(xué)者。

張譽(yù)月

北京大學(xué)教育學(xué)院教育技術(shù)系碩士。