學(xué)科教育研究中的機(jī)器學(xué)習(xí)：分析框架、國(guó)際比較與啟示

王晶瑩 周丹華 楊鈺雯 張玉瑩 李春密

（1.北京師范大學(xué)，北京 100875； 2.重慶市第七中學(xué)校，重慶 400030； 3.河南省洛陽(yáng)理工學(xué)院 附屬高級(jí)中學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471027）

一、問(wèn)題提出與研究篩選

數(shù)據(jù)時(shí)代加速了人類(lèi)記錄、存儲(chǔ)和應(yīng)用各類(lèi)信息的能力，借助機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、語(yǔ)法語(yǔ)義分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)挖掘教育現(xiàn)象背后的規(guī)律與作用機(jī)理，在教育領(lǐng)域融合信息加工研究范式的計(jì)算教育學(xué)應(yīng)運(yùn)而生[1]。機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的核心，能有效助力計(jì)算教育學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)教育研究方法的革新。機(jī)器學(xué)習(xí)始于執(zhí)行人類(lèi)“指令”，其方法模型可分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)四類(lèi)，現(xiàn)有研究多將其定義為“通過(guò)經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)改進(jìn)的計(jì)算機(jī)算法”或“利用數(shù)據(jù)或以往經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化計(jì)算機(jī)程序”。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)模擬人腦對(duì)事物思維方式的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隨后大數(shù)據(jù)和計(jì)算能力的提高使其從收斂速度慢和局部收斂的Back Propagation (簡(jiǎn)稱(chēng)BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)展到深度學(xué)習(xí)，使得機(jī)器學(xué)習(xí)能夠應(yīng)用于眾多學(xué)科，拓展了人工智能的領(lǐng)域范圍。機(jī)器學(xué)習(xí)重在從數(shù)據(jù)中獲取“經(jīng)驗(yàn)”以提高計(jì)算機(jī)的性能，數(shù)據(jù)挖掘則是從海量數(shù)據(jù)中找出有用知識(shí)，使用包括機(jī)器學(xué)習(xí)在內(nèi)的處理方法挖掘數(shù)據(jù)背后信息的過(guò)程。總體來(lái)說(shuō)，機(jī)器學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘目標(biāo)的路徑之一，也是實(shí)現(xiàn)人工智能的核心技術(shù)。計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的理論深化與科技高速發(fā)展為計(jì)算教育學(xué)的實(shí)踐提供保障，技術(shù)支持的教學(xué)設(shè)計(jì)與平臺(tái)開(kāi)發(fā)亦提高了教與學(xué)的效率[2]；同時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)在教與學(xué)行為和規(guī)律方面的研究逐步涌現(xiàn)，拓展了傳統(tǒng)教育研究自上而下的致力于教法和學(xué)法改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)假設(shè)-驗(yàn)證范式。教育研究的傳統(tǒng)范式受制于人類(lèi)已知經(jīng)驗(yàn)，困于假設(shè)-驗(yàn)證的研究路徑，使得寶貴的數(shù)據(jù)資源難以為背后的教與學(xué)規(guī)律服務(wù)，計(jì)算教育學(xué)的誕生紓解了這一困局。

基于此，筆者分別選取國(guó)內(nèi)外教育技術(shù)領(lǐng)域的CSSCI和SSCI期刊，以“機(jī)器學(xué)習(xí)”和“教育”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索。在中國(guó)知網(wǎng)檢索獲取2004—2021年的139篇文獻(xiàn)，2004—2015年集中在引介和評(píng)述國(guó)外研究，2017年至今轉(zhuǎn)向?qū)嵶C研究、階段性案例、經(jīng)驗(yàn)概述和發(fā)展現(xiàn)狀。國(guó)外研究始于1995年，在Web of Science核心集刊以“Machine learning”和“Education”為關(guān)鍵詞檢索，得到10513篇文獻(xiàn)。鑒于本研究聚焦機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)科教育領(lǐng)域的最新應(yīng)用，時(shí)間跨度上截取最近五年，使用三步論文篩選策略進(jìn)行文獻(xiàn)的精選工作：第一步使用特定關(guān)鍵詞搜索數(shù)據(jù)庫(kù)；第二步篩選標(biāo)題和摘要；第三步詳細(xì)閱讀論文。同時(shí)依據(jù)以下三條科學(xué)原則制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，篩選符合研究目標(biāo)的合格文獻(xiàn)：第一，研究?jī)?nèi)容以基于真實(shí)數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)科教育領(lǐng)域的應(yīng)用案例為主，聚焦于學(xué)科教學(xué)，或使用機(jī)器“訓(xùn)練”和“測(cè)試”檢驗(yàn)改進(jìn)模型及構(gòu)建模型過(guò)程；第二，類(lèi)型是實(shí)證研究，研究方法多元，采用定量、定性或混合方法；第三，研究對(duì)象包括基礎(chǔ)教育到高等教育階段的學(xué)生和教師。最終科學(xué)地篩選出機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于學(xué)科教育的實(shí)證研究文獻(xiàn)50篇，國(guó)內(nèi)與國(guó)外各為25篇。

朱軍文等通過(guò)對(duì)2014—2019年教育實(shí)證研究的梳理，發(fā)現(xiàn)教育學(xué)領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容主要涉及學(xué)生發(fā)展、教師發(fā)展、教育評(píng)價(jià)、課程教學(xué)、公平與質(zhì)量等議題[3]。田雪葳等提出國(guó)際科學(xué)教育研究主要可分為教師的教、學(xué)生的學(xué)、教師教育、課程評(píng)估（課程設(shè)計(jì)評(píng)估、教育技術(shù)和政策制定）以及科學(xué)文化（文化、社會(huì)和性別問(wèn)題、環(huán)境教育和科學(xué)史）五個(gè)領(lǐng)域[4]。王晶瑩等運(yùn)用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析將其研究領(lǐng)域分為基于數(shù)據(jù)挖掘的教育學(xué)規(guī)律研究、認(rèn)知與行為模擬的在線教育研究、基于大數(shù)據(jù)的學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和情感參與研究、師生人格和性別分析四大研究主題[5]。

綜上所述，筆者認(rèn)為學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及教師的教、學(xué)生的學(xué)、教與學(xué)的互動(dòng)（課程、媒體、環(huán)境、教材教法、師生情感等）、教與學(xué)的評(píng)價(jià)以及相關(guān)政策研究。從類(lèi)別分布上看，國(guó)內(nèi)外在教師的教和學(xué)生的學(xué)兩方面研究數(shù)量持平；國(guó)內(nèi)的學(xué)生情感研究最多，國(guó)外則教學(xué)評(píng)價(jià)研究最多，國(guó)內(nèi)的教學(xué)媒體研究數(shù)量也多于國(guó)外。雖然國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于學(xué)科教育研究，但是在課程、教材和政策研究領(lǐng)域的應(yīng)用還較為匱乏，相較于教師教學(xué)而言，國(guó)內(nèi)外更注重學(xué)生學(xué)習(xí)的研究，學(xué)生情感、教學(xué)媒體和教學(xué)評(píng)價(jià)的研究側(cè)重點(diǎn)存在國(guó)內(nèi)外差異，國(guó)內(nèi)學(xué)者更為關(guān)注前兩者，而國(guó)外學(xué)者更為關(guān)注后者，見(jiàn)圖1。為進(jìn)一步剖析學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果，本論文構(gòu)建了多層次分析框架，展開(kāi)國(guó)際比較、探討應(yīng)用維度和水平，以期對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的教育學(xué)應(yīng)用研究提供啟示。

圖1 國(guó)內(nèi)外學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)精選文獻(xiàn)的研究類(lèi)型分布

二、學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用效果的分析框架

縱觀國(guó)際學(xué)界，機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)科教育研究中的應(yīng)用尚處于初期階段。國(guó)外學(xué)者正致力于科學(xué)化和系統(tǒng)化分析框架的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐，其中比較具有代表性的研究來(lái)自美國(guó)密歇根大學(xué)的翟小銘[6]，他從技術(shù)性、有效性、教學(xué)性三個(gè)角度建構(gòu)機(jī)器學(xué)習(xí)在科學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用分析框架。技術(shù)性主要指機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)——自動(dòng)化，即計(jì)算機(jī)在多大程度上可以像人類(lèi)一樣獨(dú)立運(yùn)行，即由訓(xùn)練/學(xué)習(xí)過(guò)程和測(cè)試/預(yù)測(cè)過(guò)程兩個(gè)過(guò)程決定；人機(jī)一致性水平則作為有效性的特征因素，教學(xué)性的維度設(shè)定主要考查學(xué)生通過(guò)評(píng)估結(jié)果的受益程度。目前國(guó)外基于機(jī)器學(xué)習(xí)評(píng)估進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的工作成為實(shí)踐前沿，并在此基礎(chǔ)上循證支持科學(xué)教學(xué)中師生的互動(dòng)過(guò)程、訪問(wèn)或使用應(yīng)用程序的模式與頻率。該評(píng)估框架反映了經(jīng)驗(yàn)證據(jù)和理論基礎(chǔ)對(duì)測(cè)試得分和其他行為表現(xiàn)的解釋程度，能夠?qū)⑽墨I(xiàn)定位進(jìn)而判斷其研究水平，但由于其專(zhuān)注于機(jī)器學(xué)習(xí)在科學(xué)教育評(píng)價(jià)中如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提供有效測(cè)量手段的程度及其教學(xué)潛力，難以直接遷移至學(xué)科教育研究的分析和評(píng)定中，需要根據(jù)學(xué)科教育研究本身和國(guó)內(nèi)研究實(shí)情開(kāi)發(fā)新的分析框架。

表1 學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用效果的分析框架

本論文在參考該分析框架的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建構(gòu)了學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用效果的分析框架，將技術(shù)性、有效性和教學(xué)性更新為技術(shù)性、有效性和應(yīng)用性，并重新界定其內(nèi)涵，使得新框架可以有效地應(yīng)用于學(xué)科教育領(lǐng)域。在技術(shù)性維度上吸收了評(píng)估框架中自動(dòng)化的技術(shù)特征并將其視為程序性，考慮到自動(dòng)化的訓(xùn)練和測(cè)試兩個(gè)過(guò)程，將使用機(jī)器算法構(gòu)建模型的復(fù)雜度、研究的程序性作為衡量技術(shù)性的重要指標(biāo)。在有效性維度上，鑒于經(jīng)驗(yàn)的主觀性決定從研究整體論視域思考研究對(duì)象是否適合應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)（研究對(duì)象的適切性），使用的方法能否推廣（研究方法的推廣度），研究過(guò)程的合理性以及研究結(jié)果的普適性作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用性維度上，保留了原評(píng)估框架中機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)教 學(xué)的改進(jìn)作用，細(xì)化到宏觀的教與學(xué)整體結(jié)果預(yù)測(cè)，中觀的認(rèn)知、情感或行為以及微觀具體的教與學(xué)結(jié)果的解釋和論證。層次劃分參照評(píng)估框架對(duì)文獻(xiàn)聚類(lèi)的分析結(jié)果與國(guó)內(nèi)實(shí)情，最終得到學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用效果的分析框架。

精選的國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)除研究?jī)?nèi)容不同外，各維度水平也存在差異，研究者根據(jù)應(yīng)用效果的分析框架對(duì)國(guó)內(nèi)外50篇實(shí)證研究文獻(xiàn)進(jìn)行協(xié)議評(píng)分。首先兩位評(píng)分員精讀每一篇論文，對(duì)照分析框架判斷文獻(xiàn)評(píng)定維度的狀況和水平，根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每一篇論文進(jìn)行獨(dú)立打分；之后第三名評(píng)分員與其成立協(xié)議評(píng)分小組，監(jiān)督前兩者對(duì)評(píng)定結(jié)果的對(duì)照和審查，對(duì)不同之處進(jìn)行重新閱讀、協(xié)商和共同評(píng)議等程序來(lái)科學(xué)化地解決差異，直到所有評(píng)分達(dá)成一致認(rèn)可。為進(jìn)一步探索國(guó)內(nèi)外機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)科教育研究中的應(yīng)用差異，筆者基于應(yīng)用效果分析框架對(duì)五大研究主題的平均分進(jìn)行比較，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)各類(lèi)型在具體維度上的差異?？傮w看來(lái)，五大研究主題的國(guó)內(nèi)外水平均高于等級(jí)3，且在教師教學(xué)主題的差異最為顯著，這一主題的國(guó)外平均分明顯高于國(guó)內(nèi)。學(xué)生學(xué)習(xí)、學(xué)生情感和教學(xué)評(píng)價(jià)所處等級(jí)基本持平，國(guó)外教學(xué)媒體的研究則略顯優(yōu)勢(shì)。縱觀國(guó)內(nèi)外學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果，技術(shù)性和有效性的水平較高，應(yīng)用性相對(duì)薄弱，國(guó)外長(zhǎng)于技術(shù)性的復(fù)雜性和程序性，國(guó)內(nèi)則長(zhǎng)于有效性的合理性，且在應(yīng)用性的三個(gè)二級(jí)指標(biāo)國(guó)內(nèi)外存在較大差異，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)于中觀應(yīng)用，國(guó)外長(zhǎng)于宏觀和微觀論述，總體看來(lái)微觀應(yīng)用研究在9個(gè)二級(jí)指標(biāo)中均值最為薄弱，見(jiàn)圖2。有鑒于此，為進(jìn)一步厘清國(guó)內(nèi)外差異，需要對(duì)學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用維度和所處水平進(jìn)行更為具體和深度的研究，通過(guò)研究案例解讀各研究維度和比較視角的具體狀況與水平異同。

圖2 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)在五個(gè)研究維度（左）和三個(gè)分析視角（右）的得分比較

三、學(xué)科教育研究中機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用維度與水平

（一）教師的教：國(guó)外精于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用的算法追求，國(guó)內(nèi)重在落實(shí)教學(xué)應(yīng)用的服務(wù)初衷

當(dāng)前我國(guó)機(jī)器學(xué)習(xí)在教師教學(xué)研究層面的復(fù)雜性、程序性和適切性維度與國(guó)外存在明顯差距。國(guó)外對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的研究?jī)?nèi)容與應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是算法設(shè)計(jì)和模型建構(gòu)方面更為細(xì)致深入，并且報(bào)告更為完備的機(jī)器學(xué)習(xí)研究程序。例如，有學(xué)者利用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin Technology）構(gòu)建了教師能力評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)融合模型[7]，包括基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集策略和差異化傳輸策略的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模型以及基于可擴(kuò)展置標(biāo)語(yǔ)言（EXtensible Markup Language，簡(jiǎn)稱(chēng)XML）信息模板的數(shù)據(jù)清洗模型，并結(jié)合C4.5決策樹(shù)算法、隨機(jī)森林算法和GAP-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建了三種教師專(zhuān)業(yè)能力序列挖掘模型，對(duì)教師能力展開(kāi)精準(zhǔn)化測(cè)評(píng)。同樣，古鐵雷斯（Gutiérrez）等開(kāi)發(fā)并評(píng)估了一項(xiàng)名為“社交挖掘（Social Mining）”的教師績(jī)效評(píng)估系統(tǒng)，通過(guò)采集分析學(xué)生的情感信息對(duì)教師教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)估[8]。該系統(tǒng)采用支持向量機(jī)和隨機(jī)森林算法以提高算法性能與優(yōu)化參數(shù)，多次驗(yàn)證與迭代展示了算法執(zhí)行與驗(yàn)證過(guò)程，并在墨西哥阿瓜斯卡連特斯理工大學(xué)展開(kāi)實(shí)踐，研究結(jié)果表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確率。由此可見(jiàn)，國(guó)外研究更加注重對(duì)算法設(shè)計(jì)和實(shí)踐流程的描繪，追求算法優(yōu)化的完美和精準(zhǔn)，其程序具有更高的再現(xiàn)性。

相較而言，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)在“教師的教”方面的普適性和應(yīng)用性維度表現(xiàn)更好，聚焦于智能技術(shù)對(duì)教師教學(xué)的方式方法以及課程的模式策略等的優(yōu)化改進(jìn)，以便應(yīng)用于不同課堂教學(xué)環(huán)境。例如，胡航等基于深度學(xué)習(xí)框架，結(jié)合認(rèn)知與腦科學(xué)機(jī)制以及數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)規(guī)律，通過(guò)眼動(dòng)儀和ERP腦電波等技術(shù)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的認(rèn)知-品質(zhì)-技術(shù)的交互[9]。宋宇等基于教師錄播課視頻對(duì)師生課堂對(duì)話的過(guò)程性規(guī)律進(jìn)行分析，開(kāi)發(fā)了對(duì)話編碼規(guī)則與數(shù)據(jù)挖掘序列，獲得適宜中國(guó)課堂的對(duì)話模式，展現(xiàn)了課堂對(duì)話的學(xué)科規(guī)律。由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)研究側(cè)重課堂教法和微觀要素提取，具備有效的普適性與指導(dǎo)性[10]。綜上，機(jī)器學(xué)習(xí)在教師教學(xué)方面的應(yīng)用研究存在國(guó)內(nèi)外差異，國(guó)外追求算法精準(zhǔn)，注重教與學(xué)結(jié)果的整體預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)則更彰顯“接地氣”的教學(xué)適用性，關(guān)切學(xué)生認(rèn)知、情感和行為等中觀層面的一般性應(yīng)用。

（二）學(xué)生情感：國(guó)外專(zhuān)注動(dòng)機(jī)等內(nèi)部情感表現(xiàn)挖掘，國(guó)內(nèi)聚焦表情反應(yīng)等外部信息提取

圖3 “教師的教”學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用效果的分布圖

機(jī)器學(xué)習(xí)也被積極應(yīng)用于學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、情感和行為的研究中，捕捉和分析學(xué)科學(xué)習(xí)過(guò)程的情緒情感、行為姿態(tài)等，為改進(jìn)教育教學(xué)提供了新思路。相較于學(xué)生認(rèn)知與行為層面的信息詮釋?zhuān)瑢?duì)真實(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中的情感分析可以較為精準(zhǔn)地反映學(xué)習(xí)者的內(nèi)隱信息。學(xué)生情感研究方面，國(guó)外文獻(xiàn)在普適性維度較為突出，國(guó)內(nèi)則在推廣度上表現(xiàn)更好。具體來(lái)看，國(guó)外研究更為關(guān)注學(xué)生內(nèi)部思維和動(dòng)機(jī)等情感表現(xiàn)的挖掘。例如，耶爾韋萊（J?rvel?）等建立了一個(gè)基于學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)模型，探討動(dòng)機(jī)與學(xué)習(xí)行為之間的聯(lián)系[11]。國(guó)內(nèi)研究側(cè)重學(xué)生外部情感信息的提取，如面部表情、情緒反應(yīng)等，用以反映學(xué)生學(xué)習(xí)困難以及教師評(píng)價(jià)等問(wèn)題。江波等提出了基于面部表情的學(xué)習(xí)困難自動(dòng)識(shí)別算法，并設(shè)計(jì)在線測(cè)評(píng)的困惑誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，結(jié)果表現(xiàn)出極高的正確率[12]。韓麗等基于面部表情對(duì)課堂教學(xué)效果展開(kāi)分析，利用多姿態(tài)人臉檢測(cè)和面部表情識(shí)別技術(shù)獲取學(xué)生的情緒變化，完成及時(shí)的教學(xué)反饋以幫助教師準(zhǔn)確掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)[13]。綜上，學(xué)生情感研究的“側(cè)面印證”有時(shí)比“正面回應(yīng)”更有說(shuō)服力，機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)生情感分析的應(yīng)用再次說(shuō)明情感作為三維學(xué)習(xí)結(jié)果（認(rèn)知-情感-行為）的重要價(jià)值。

（三）教學(xué)評(píng)價(jià)：國(guó)外致力于學(xué)科學(xué)習(xí)互動(dòng)的評(píng)價(jià)創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)集中于教育大數(shù)據(jù)的挖掘與建模

機(jī)器學(xué)習(xí)在教與學(xué)評(píng)價(jià)中的作用愈加凸顯，分析可知，國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)研究各維度得分差異并不顯著，僅在普適性上國(guó)內(nèi)略高。國(guó)外文獻(xiàn)致力于具體學(xué)科教學(xué)互動(dòng)中評(píng)價(jià)模式的創(chuàng)新，拉姆（Lamb）等將機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于科學(xué)寫(xiě)作過(guò)程，對(duì)學(xué)習(xí)者的寫(xiě)作能力進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋，獲取針對(duì)性的認(rèn)知訓(xùn)練以提高寫(xiě)作能力[14]。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)聚焦于在線數(shù)據(jù)的挖掘與建模，胡航等基于數(shù)百名大學(xué)生在線學(xué)習(xí)日志數(shù)據(jù)、一卡通消費(fèi)和借閱圖書(shū)日志數(shù)據(jù)，構(gòu)建了在線學(xué)習(xí)行為、早起行為、借閱行為和學(xué)習(xí)績(jī)效的預(yù)測(cè)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了結(jié)合決策樹(shù)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)行為診斷模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)干預(yù)與資源推薦[15]。綜上所述，在教學(xué)評(píng)價(jià)方面，國(guó)外文獻(xiàn)更多投入到學(xué)生學(xué)業(yè)能力的測(cè)評(píng)及其精準(zhǔn)提升，國(guó)內(nèi)重在揭示現(xiàn)狀、預(yù)測(cè)發(fā)展以實(shí)現(xiàn)教學(xué)干預(yù)，共同朝著拓寬成績(jī)與能力的評(píng)價(jià)邊界而不懈努力。

（四）學(xué)生的學(xué)：國(guó)外落腳校內(nèi)外學(xué)生管理模式的探索，國(guó)內(nèi)傾向?qū)W習(xí)過(guò)程與習(xí)慣養(yǎng)成干預(yù)

圖4 “學(xué)生情感”與“教學(xué)評(píng)價(jià)”學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用效果的分布圖

在學(xué)生的學(xué)方面，研究者利用機(jī)器學(xué)習(xí)探討學(xué)習(xí)者在課堂內(nèi)外的學(xué)習(xí)結(jié)果，旨在深度分析學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、情感、行為數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化教育過(guò)程、教學(xué)管理和支持輔助等層面的實(shí)施水平與達(dá)成質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)研究中的整體差異并不明顯，國(guó)外文獻(xiàn)在應(yīng)用性、程序性和合理性維度得分相對(duì)較高，國(guó)內(nèi)則在復(fù)雜性、適切性和推廣度維度更勝一籌。具體來(lái)看，國(guó)外文獻(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用集中在課堂教學(xué)輔助、教學(xué)管理和學(xué)習(xí)監(jiān)測(cè)等學(xué)科主題，延伸至學(xué)生學(xué)校生活的各個(gè)層面，多數(shù)具備完整的應(yīng)用背景和算法過(guò)程。例如，博施（Bosch）利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行成長(zhǎng)心態(tài)干預(yù)以培養(yǎng)學(xué)生的進(jìn)取意識(shí)與成功信念[16]；侯賽因（Hussain）通過(guò)對(duì)學(xué)生每節(jié)課的練習(xí)、活動(dòng)和空閑時(shí)間編碼計(jì)算，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法輸出學(xué)生學(xué)期中每節(jié)課的分?jǐn)?shù)以預(yù)測(cè)期末結(jié)束前輟學(xué)風(fēng)險(xiǎn)[17]。國(guó)內(nèi)研究致力于學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣養(yǎng)成、學(xué)習(xí)過(guò)程與結(jié)果測(cè)評(píng)等，徐家臻等以真實(shí)課堂教學(xué)視頻為數(shù)據(jù)源并結(jié)合人體骨架信息，基于自適應(yīng)算法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識(shí)別學(xué)生課堂行為，以?xún)?yōu)化教學(xué)策略和提高教學(xué)效率[18]。同時(shí)，在線學(xué)習(xí)主體的關(guān)注也成為重要趨勢(shì)，張曉峰等側(cè)重學(xué)習(xí)云空間個(gè)體認(rèn)知投入度，構(gòu)建了基于支持向量機(jī)的認(rèn)知投入量化算法以解決在線學(xué)習(xí)云輟學(xué)率高、學(xué)習(xí)投入不足等問(wèn)題[19]。由此可見(jiàn)，機(jī)器學(xué)習(xí)在助力學(xué)生學(xué)習(xí)研究方面的成果突出，貫穿于課堂內(nèi)外，兼顧過(guò)程管理、學(xué)業(yè)監(jiān)測(cè)、行為預(yù)測(cè)等諸多方面，探索多維度、寬場(chǎng)域的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用模式將是其未來(lái)的發(fā)展方向。

（五）教學(xué)媒體：國(guó)外關(guān)注構(gòu)建課堂內(nèi)外教學(xué)管理體系，國(guó)內(nèi)展現(xiàn)在線教育系統(tǒng)的個(gè)性化輔導(dǎo)

智能教學(xué)媒體是機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于學(xué)科教育研究的主要載體，以學(xué)習(xí)系統(tǒng)和虛擬平臺(tái)為主要教學(xué)形式，涉及教學(xué)管理、個(gè)性化輔導(dǎo)與評(píng)價(jià)決策等多種途徑，以此優(yōu)化學(xué)習(xí)環(huán)境、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。國(guó)外文獻(xiàn)在復(fù)雜性、普適性與宏觀和微觀應(yīng)用性維度表現(xiàn)較好，而國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)在中觀應(yīng)用性、適切性與合理性維度表現(xiàn)更為突出。國(guó)外文獻(xiàn)覆蓋智能輔導(dǎo)、課堂管理和作業(yè)管理等多領(lǐng)域，同時(shí)服務(wù)并根植于學(xué)科本質(zhì)，應(yīng)用性與普適性良好。例如，范萊恩（VanLehn）等開(kāi)發(fā)了一款龍騎士智能輔導(dǎo)系統(tǒng)（Dragoon Intelligent Tutoring System）以針對(duì)性解決高等數(shù)學(xué)和科學(xué)教學(xué)中動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模的教學(xué)難點(diǎn)，并展示了完整的操作流程與實(shí)踐結(jié)果[20]。除此之外，國(guó)內(nèi)研究還在個(gè)性化方面有所側(cè)重，例如，王艷芳以人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，針對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)目標(biāo)、風(fēng)格以及喜好等提供學(xué)習(xí)資源與指導(dǎo)[21]。教學(xué)媒體的后續(xù)研究難點(diǎn)在于把握好大規(guī)模應(yīng)用與精準(zhǔn)化輔導(dǎo)并進(jìn)的因地制宜的實(shí)踐進(jìn)程。

圖5 “學(xué)生的學(xué)”與“教學(xué)媒體”學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用效果的分布

四、啟示與建議

（一）把準(zhǔn)航向，開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)技術(shù)與詮釋教育本質(zhì)協(xié)同共進(jìn)

大數(shù)據(jù)時(shí)代的社會(huì)計(jì)算為科學(xué)研究提供了不同視角，由此催生了計(jì)算教育學(xué)，但教育如何被“計(jì)算”以及能否被有效“計(jì)算”成為當(dāng)下學(xué)界爭(zhēng)論與努力的焦點(diǎn)。新銳的互聯(lián)網(wǎng)科技、人工智能等領(lǐng)域極大地推動(dòng)了教育研究方法的創(chuàng)新，在此過(guò)程中海量數(shù)據(jù)驅(qū)使教育學(xué)從基于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知模式向基于量化信息的數(shù)據(jù)化認(rèn)知模式轉(zhuǎn)變，推動(dòng)計(jì)算教育學(xué)走向科學(xué)化和精準(zhǔn)化[22]。保守派對(duì)計(jì)算教育學(xué)的應(yīng)用行為和學(xué)科倫理產(chǎn)生質(zhì)疑，我們應(yīng)該客觀地吸取不同聲音的意見(jiàn)和建議，還需要面向未來(lái)的教育研究，即教育大數(shù)據(jù)如何科學(xué)預(yù)測(cè)和解釋復(fù)雜的教育過(guò)程、揭示教與學(xué)活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律……這些已經(jīng)成為計(jì)算教育學(xué)領(lǐng)域的重要課題。通過(guò)對(duì)比機(jī)器學(xué)習(xí)的學(xué)科教育研究可知，國(guó)外的教學(xué)研究更多追求技術(shù)本身的精準(zhǔn)與創(chuàng)新，呈現(xiàn)完備的程序運(yùn)演過(guò)程，國(guó)內(nèi)則專(zhuān)注于機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化改進(jìn)教學(xué)策略和教師指導(dǎo)的效果。我們應(yīng)當(dāng)清醒地認(rèn)識(shí)到，利用新興技術(shù)手段解決教育的本質(zhì)問(wèn)題才是計(jì)算教育學(xué)的根本與靈魂，而問(wèn)題的關(guān)鍵就在于對(duì)“人”的關(guān)切。機(jī)器學(xué)習(xí)為學(xué)科教育研究提供更加科學(xué)量化的多模態(tài)數(shù)據(jù)，這并非是教學(xué)和管理“權(quán)柄”的轉(zhuǎn)移，教育工作者應(yīng)當(dāng)對(duì)教學(xué)過(guò)程做好科學(xué)規(guī)劃、監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，同時(shí)為學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展和教師的有效教學(xué)提供切實(shí)支持。

（二）內(nèi)生驅(qū)動(dòng)，提升課程與教材研究力度并突破政策研究瓶頸

基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)打破了長(zhǎng)期以來(lái)社會(huì)科學(xué)研究囿于經(jīng)驗(yàn)性思辨和傳統(tǒng)研究方法的行動(dòng)詮釋與事實(shí)解釋的困局。社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析、情感分析、數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)推動(dòng)了大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算教育學(xué)的發(fā)展，教育大數(shù)據(jù)、復(fù)雜算法和高階算力支持下的教育政策計(jì)算也必將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。北京大學(xué)葉曉陽(yáng)博士基于隨機(jī)干預(yù)實(shí)驗(yàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)展教育政策文本分析，為循證教育決策提供精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。相比而言，機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)科教育研究中的應(yīng)用機(jī)制還有待深度挖掘?？v觀國(guó)內(nèi)外研究，機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)科教育研究中的應(yīng)用很少涉及課程與教材分析維度。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的學(xué)科教材研究可以拓展傳統(tǒng)的內(nèi)容分析，通過(guò)教材大數(shù)據(jù)的挖掘揭示課程的內(nèi)在教學(xué)機(jī)理與實(shí)施規(guī)律。借助諸如主題建模、文本聚類(lèi)、信息抽取、文本自動(dòng)摘要等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過(guò)文本內(nèi)容的深度分析揭示主流教材的內(nèi)在規(guī)律與實(shí)施路徑?？傊?，教育大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)是對(duì)教育現(xiàn)象與規(guī)律的機(jī)器認(rèn)識(shí)論，有助于揭示課程與教學(xué)研究的黑箱，突破教與學(xué)規(guī)律的研究瓶頸，科學(xué)測(cè)評(píng)教材質(zhì)量并開(kāi)展循證決策。

（三）應(yīng)用主導(dǎo)，打造教與學(xué)全方位的計(jì)算教育研究系統(tǒng)

應(yīng)對(duì)新時(shí)代的挑戰(zhàn)，計(jì)算教育學(xué)將助力以領(lǐng)域知識(shí)和智能技術(shù)融合為基礎(chǔ)的課程、管理、決策、實(shí)施、評(píng)價(jià)等教學(xué)體系中各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化發(fā)展[23]。在當(dāng)前的計(jì)算教育學(xué)研究中，機(jī)器學(xué)習(xí)活躍在自適應(yīng)輔導(dǎo)系統(tǒng)、定制學(xué)習(xí)、自動(dòng)評(píng)估和教師支持等環(huán)節(jié)，通過(guò)教育大數(shù)據(jù)挖掘更好地詮釋教與學(xué)的關(guān)系，為揭示課程與教學(xué)作用規(guī)律的黑箱研究提供腳手架，捕捉教與學(xué)的復(fù)雜作用過(guò)程與機(jī)制?？v觀學(xué)科教育研究五大領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中的機(jī)器學(xué)習(xí)方法各有千秋。總體而言，國(guó)內(nèi)聚焦中觀層面的學(xué)習(xí)結(jié)果，較為關(guān)注行為和情感層面的外顯化表現(xiàn)；而國(guó)外側(cè)重整體思維，從系統(tǒng)視域考查學(xué)生宏觀層面的學(xué)習(xí)結(jié)果，并落地于具體的學(xué)科能力。機(jī)器學(xué)習(xí)的學(xué)科教育研究案例提供了更加科學(xué)與清晰地認(rèn)識(shí)計(jì)算教育學(xué)應(yīng)用的實(shí)踐場(chǎng)景，也促使我們反思我國(guó)學(xué)科教育如何更好地基于國(guó)際視野、立足本土，落實(shí)新興技術(shù)應(yīng)用為學(xué)科教育本質(zhì)服務(wù)的初衷。

綜上，在經(jīng)歷了從電子學(xué)習(xí)到機(jī)器學(xué)習(xí)的萌生期后，計(jì)算范式為學(xué)科教育研究的范式轉(zhuǎn)型帶來(lái)了生機(jī)。學(xué)科教育研究的計(jì)算時(shí)代已來(lái)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算教育學(xué)的根本目標(biāo)在于揭示復(fù)雜教育系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律與運(yùn)行機(jī)制，核心在于將假設(shè)-驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的教育學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榇髷?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的“計(jì)算+教育”的信息加工范式?？v觀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，課程、教材、政策研究成為機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于學(xué)科教育研究的薄弱環(huán)節(jié)。因此，我們?nèi)诤蠙C(jī)器學(xué)習(xí)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，也需要立足國(guó)內(nèi)應(yīng)用的實(shí)情探討計(jì)算教育學(xué)的應(yīng)用倫理與邊界，推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)在學(xué)科教育本質(zhì)研究的方法論突破，解決傳統(tǒng)研究范式在學(xué)科教育領(lǐng)域的瓶頸與局限。