核專業(yè)課程認(rèn)知智能教育技術(shù)探索

何慶華 何小鎖

［摘 要］ 隨著以“四新”建設(shè)為載體的高等教育質(zhì)量革命繼續(xù)深入，智能教育與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的深度融合將是未來高等教育的常見形態(tài)，一流課程和一流專業(yè)建設(shè)也將在智能時(shí)代進(jìn)入新的發(fā)展階段。在這樣一個(gè)大的背景下，智慧教育智能認(rèn)知技術(shù)逐漸進(jìn)入教育領(lǐng)域，在理解學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)、教師教學(xué)方法、知識(shí)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，為教師建立個(gè)性化的智慧教育解決方案。擬以核科學(xué)與技術(shù)系“核信息獲取與處理”課堂大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為教學(xué)決策提供適應(yīng)性信息，為后續(xù)個(gè)性化的因材施教提供依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］ 認(rèn)知智能教育；核信息獲取與處理；教學(xué)行為

［基金項(xiàng)目］ 2020年度南京航空航天大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新時(shí)期教育強(qiáng)國(guó)背景下核專業(yè)課程思政模式探索”（2020YJXGG23）；2020年度南京航空航天大學(xué)教師教學(xué)能力提升研究課題“核專業(yè)課程認(rèn)知智能教育技術(shù)探索——以核信息獲取與處理課程為例”（20JF0602）

［作者簡(jiǎn)介］ 何慶華（1986—），男，甘肅慶陽人，理學(xué)博士，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授（通信作者），碩士生導(dǎo)師，主要從事夸克核物理與核技術(shù)應(yīng)用研究；何小鎖（1995—），男，安徽安慶人，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2021級(jí)材料科學(xué)與工程（核技術(shù)與材料工程）專業(yè)博士研究生，研究方向?yàn)榧用茌椛錅y(cè)量。

［中圖分類號(hào)］ G641［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）25-0001-04［收稿日期］ 2022-09-07

引言

智能教育的興起給教育領(lǐng)域帶來了深刻的變革，越來越多的大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在課堂上，如可以代替教師回答學(xué)生問題、在教學(xué)平臺(tái)采集學(xué)生課堂行為數(shù)據(jù)的虛擬助教，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、知識(shí)水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)進(jìn)度等做出分析和預(yù)測(cè)的教育機(jī)器人等［1-4］。由此可以看出，人工智能技術(shù)推動(dòng)教育形態(tài)和教育模式進(jìn)行改革與重構(gòu)，成為教育信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在智能時(shí)代，傳統(tǒng)課程教學(xué)與智能教育結(jié)合將撬動(dòng)并引領(lǐng)高等教育的內(nèi)涵式發(fā)展，繼續(xù)推動(dòng)以“四新”（新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科）建設(shè)為載體的高等教育質(zhì)量革命向深入發(fā)展，一流本科教育建設(shè)也必將進(jìn)入新的發(fā)展階段［5］。

除了大數(shù)據(jù)技術(shù)擴(kuò)展自身的驅(qū)動(dòng)外，特殊時(shí)期也改變了當(dāng)前的教學(xué)方式，加速高等教育向智能教育新時(shí)代邁進(jìn)［6］。同時(shí)，新的問題也伴隨而來，教師作為直接參與者，是解決當(dāng)前智能時(shí)代高等教育突出問題的關(guān)鍵，在后續(xù)的教育教學(xué)改革中，將肩負(fù)重要的育人使命和創(chuàng)新責(zé)任。借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，課堂的教育教學(xué)行為越來越多地以數(shù)據(jù)形式得以存儲(chǔ)，而數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的信息也將為教學(xué)決策提供信息反饋，為后續(xù)個(gè)性化的因材施教提供依據(jù)［7］。

在智能教育技術(shù)探索工作中，筆者嘗試將大數(shù)據(jù)技術(shù)深層次融入核科學(xué)與技術(shù)這種特定領(lǐng)域教育應(yīng)用場(chǎng)景中，通過采集核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中“核信息獲取與處理”課程的課堂教育教學(xué)行為，形成一定的數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合核專業(yè)課程認(rèn)知教育進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的學(xué)科認(rèn)知，通過智能分析反饋，提升核專業(yè)課程的教學(xué)水平。

一、課程學(xué)情分析及認(rèn)知智能技術(shù)方法

（一）課程學(xué)情分析

“核信息獲取與處理”課程是核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的專業(yè)課之一，面向大三學(xué)生開設(shè)，該年級(jí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“大學(xué)物理”“原子物理”“原子核物理”“輻射探測(cè)器”“核電子學(xué)及數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)”等基礎(chǔ)課程，這門課主要培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用這些知識(shí)去解決實(shí)際核物理實(shí)驗(yàn)問題的能力，需要學(xué)生具有較全面的知識(shí)背景，這對(duì)部分學(xué)生來說有一定難度［6］。

本課程知識(shí)點(diǎn)繁多，包含大量的大一、大二課程知識(shí)，在學(xué)習(xí)中還需及時(shí)復(fù)習(xí)其他課程的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生不易把知識(shí)點(diǎn)串起來解決問題，知識(shí)整合能力培養(yǎng)也是難點(diǎn)。學(xué)生前期主要是理論知識(shí)學(xué)習(xí)，缺乏具體實(shí)踐，理論聯(lián)系實(shí)踐的能力以及在實(shí)際問題中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和凝練科學(xué)理論的能力。

（二）認(rèn)知智能技術(shù)方法

智慧教育智能認(rèn)知技術(shù)進(jìn)入教育領(lǐng)域，在理解學(xué)生學(xué)習(xí)個(gè)性、教師教學(xué)方法、課堂知識(shí)內(nèi)容之間邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，為教師建立個(gè)性化的智慧教育解決方案，不斷向“讓學(xué)生學(xué)得更好”這一目標(biāo)邁進(jìn)。本工作擬探索出一種新時(shí)期高校課程改革背景下認(rèn)知智能教育的可行性方案，主要包括以下兩個(gè)方面：（1）在核專業(yè)課程中，將認(rèn)知智能這種較深層次的應(yīng)用和核科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的體系相結(jié)合。（2）通過把核專業(yè)知識(shí)圖譜與學(xué)生個(gè)性化智能分析相結(jié)合進(jìn)行核專業(yè)課程智能教學(xué)探索，結(jié)合實(shí)踐結(jié)果，為智能教育與傳統(tǒng)課堂教學(xué)深度融合的未來教育給出建議，為教學(xué)決策提供適應(yīng)性信息，為個(gè)性化的因材施教提供依據(jù)（見圖1）。

對(duì)教學(xué)對(duì)象進(jìn)行“用戶畫像”，學(xué)情分析做到準(zhǔn)確化、精細(xì)化和個(gè)體化。通過采集課堂中學(xué)生在聽課、作業(yè)、預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)場(chǎng)景中的行為數(shù)據(jù)，給學(xué)生個(gè)體與群體“畫像”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的準(zhǔn)確刻畫。在實(shí)施過程中，以本校核科學(xué)與技術(shù)系的“核信息獲取與處理”課程作為實(shí)踐課堂，實(shí)踐中需要一名助教人員對(duì)學(xué)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，同時(shí)通過多媒體技術(shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行多維數(shù)據(jù)采集，包括課堂上教師行為對(duì)學(xué)生行為的影響，例如教師授課時(shí)在教室中所處的位置、教師與學(xué)生互動(dòng)等；還包括不同授課內(nèi)容時(shí)學(xué)生的行為數(shù)據(jù)，例如講解概念型知識(shí)點(diǎn)、觀看視頻以及公式講解等；其他維度還包括答題時(shí)間、正確率、問題環(huán)節(jié)微表情、與他人討論頻率、提問等。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，最后反饋教學(xué)，對(duì)學(xué)生做到個(gè)性化教學(xué)指導(dǎo)。

二、課堂教學(xué)行為數(shù)據(jù)收集

通過在教學(xué)課堂現(xiàn)場(chǎng)對(duì)學(xué)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合其他維度采集的信息，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并反饋教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)得更好。為了更加全面、真實(shí)地收集課堂教學(xué)過程中學(xué)生的各項(xiàng)行為數(shù)據(jù)，例如：學(xué)生對(duì)不同授課內(nèi)容的反應(yīng)、學(xué)生上課注意力或者興趣轉(zhuǎn)折點(diǎn)的誘因以及學(xué)生在課堂上聽課時(shí)對(duì)教師各種行為的反應(yīng)等數(shù)據(jù)。本研究安排一名助教進(jìn)行課堂全程記錄并整理各項(xiàng)數(shù)據(jù)，用于后續(xù)研究分析。

本研究在不同時(shí)間對(duì)學(xué)生的課堂行為數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：授課內(nèi)容的分類、具體授課內(nèi)容、教師行為、學(xué)生行為、學(xué)生興趣轉(zhuǎn)折點(diǎn)、學(xué)生回答問題情況等。將課堂中有關(guān)學(xué)生聽課的各項(xiàng)行為的部分?jǐn)?shù)據(jù)收集在表1中，用于分析學(xué)生在不同情景下的課堂行為，掌握不同授課內(nèi)容及相關(guān)教師行為對(duì)學(xué)生行為的影響，記錄學(xué)生的反應(yīng)變化及其誘發(fā)原因與持續(xù)時(shí)間，反映學(xué)生的興趣轉(zhuǎn)折點(diǎn)等。

三、結(jié)果與討論

通過分析課堂現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)教師授課以及學(xué)生聽課的各項(xiàng)行為課堂數(shù)據(jù)可知：學(xué)生上課時(shí)的注意力、興趣以及聽課質(zhì)量在很大程度上受教師授課內(nèi)容、授課方式以及授課風(fēng)格等因素的影響。從授課內(nèi)容角度分析，視頻以及圖片型的課程內(nèi)容最能引起學(xué)生的興趣，概念以及公式型的課程內(nèi)容比較枯燥，如果沒有技巧很難引起學(xué)生的興趣，授課過程中結(jié)合案例、小故事以及課外小知識(shí)進(jìn)行講解能夠有效提高授課質(zhì)量。首先，從教師行為角度分析，當(dāng)教師在講臺(tái)正常授課，但沒有與學(xué)生交流時(shí)，只有前排少數(shù)學(xué)生會(huì)認(rèn)真聽課；當(dāng)教師走下講臺(tái)與學(xué)生互動(dòng)，眼神交流，能使得大部分學(xué)生看向黑板或教師。其次，在教師提醒認(rèn)真聽課或者說明將要講解的內(nèi)容為重點(diǎn)時(shí)，能引起絕大部分學(xué)生的注意。最后，教師布置課堂小練習(xí)或者要求記筆記并逐個(gè)檢查學(xué)生的完成情況時(shí)，所有學(xué)生均能認(rèn)真聽課。

對(duì)于學(xué)生在課堂中興趣發(fā)生變化的情況，引起學(xué)生抬頭聽課的誘發(fā)點(diǎn)有：（1）教師走下講臺(tái)。（2）教師提問。（3）講解與專業(yè)相關(guān)的小故事。（4）教師要求推導(dǎo)公式或記筆記。而當(dāng)教師面向黑板推導(dǎo)公式時(shí)，學(xué)生普遍低頭。另外，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，約有50%的學(xué)生能正確回答問題。

經(jīng)過以上分析，我們針對(duì)智能化教育與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的深度融合的未來教育中可能面臨的問題提出以下幾點(diǎn)建議，旨在為教師制訂個(gè)性化的智慧教育解決方案，不斷向“讓學(xué)生學(xué)得更好”這一目標(biāo)邁進(jìn)：（1）從學(xué)校角度出發(fā)，在節(jié)奏更快的智能時(shí)代，學(xué)校要根據(jù)社會(huì)需求的變化及時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃和方案，適當(dāng)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，使得其對(duì)專業(yè)有更加全面的了解。（2）教師作為智能教育的改革先鋒，應(yīng)不斷提升專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)。課前應(yīng)當(dāng)盡量豐富授課展示內(nèi)容，如在PPT中多加入視頻和圖片元素，能夠在一定程度上提高學(xué)生聽課的注意力；授課時(shí)適當(dāng)增加與學(xué)生的互動(dòng)，還可以在授課內(nèi)容中補(bǔ)充課外小知識(shí)以及增加說明的例子；按需要增加問答環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)能夠提起學(xué)生的興趣；在授課過程中適當(dāng)提醒學(xué)生注意聽講也非常重要；在課后需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼n外作業(yè)，以幫助學(xué)生更好地鞏固課上內(nèi)容。（3）從學(xué)生角度來說，為應(yīng)對(duì)未來智能教育，當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)當(dāng)盡快適應(yīng)智能多媒體教學(xué)。針對(duì)大數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)教學(xué)（如課堂提問、考試成績(jī)等）等多渠道反饋信息并及時(shí)進(jìn)行自我調(diào)整，確保學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)效率。智能化教育時(shí)代學(xué)生應(yīng)當(dāng)以興趣為導(dǎo)向，以大數(shù)據(jù)反饋為指導(dǎo)，以學(xué)習(xí)本領(lǐng)為目的，向“讓學(xué)生學(xué)得更好”這一目標(biāo)大步邁進(jìn)。

結(jié)語

本研究從當(dāng)代的認(rèn)知智能教育技術(shù)出發(fā)，以南京航空航天大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)系“核信息獲取與處理”課堂大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)認(rèn)知智能教育與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的深度融合模式進(jìn)行初步探索。通過對(duì)課堂內(nèi)外教師以及學(xué)生各項(xiàng)行為數(shù)據(jù)的收集、整理與分析，包括不同授課內(nèi)容學(xué)生的行為數(shù)據(jù)、課堂上教師行為對(duì)學(xué)生行為的影響等，筆者認(rèn)為學(xué)生對(duì)生動(dòng)的課堂內(nèi)容展示以及頗有感染力的授課技巧更加感興趣，例如以動(dòng)畫方式展示的授課內(nèi)容以及活躍的課堂氣氛，更加能夠讓學(xué)生集中聽課注意力。同時(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果，筆者針對(duì)未來教育的智能模式給出建議，旨在為教師建立個(gè)性化的智慧教育解決方案，在未來的智能模式教育中讓學(xué)生學(xué)得更好。

參考文獻(xiàn)

［1］李勖，孫林巖，汪應(yīng)洛.教育模式發(fā)展展望：從遠(yuǎn)程教育到智能教育［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2000，29（2）：163-167.

［2］樸鐘鶴.教育的革命：韓國(guó)智能教育戰(zhàn)略探析［J］.教育科學(xué)，2012，28（4）：87-91.

［3］金聰，劉金安.人工智能教育在能力培養(yǎng)中的作用及改革設(shè)想［J］.計(jì)算機(jī)時(shí)代，2006（9）：66-67+69.

［4］ 賈積有.國(guó)外人工智能教育應(yīng)用最新熱點(diǎn)問題探討［J］.中國(guó)電化教育，2010（7）：113-118.

［5］胡波，馮輝，韓偉力，等.加快新工科建設(shè)，推進(jìn)工程教育改革創(chuàng)新：“綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”綜述［J］.復(fù)旦教育論壇，2017（2）：20-27+2.

［6］何慶華.高校核信息獲取與處理課程線上教學(xué)實(shí)踐與思考［J］.教育現(xiàn)代化，2020，7（96）：123-127.

［7］梁文鑫.大數(shù)據(jù)時(shí)代：課堂教學(xué)將迎來真正的變革［J］.北京教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，8（1）：14-16.

Abstract： Through the construction of new engineering， medical， agricultural， and liberal arts facilities， the quality revolution in higher education continues to develop. Higher education will continue to integrate intelligent education with traditional classroom teaching in the future， and the construction of top courses and top majors will also enter a new phase of development in the intelligent era. Intelligent cognitive education technology gradually enters the field of education in the context of this large background. By understanding the logical relationship between the learning characteristics of students， the teaching methods of teachers， and the knowledge content， personalized intelligent education solutions can be developed for teachers. With the “big data” of nuclear information acquisition and processing in the classrooms of the Department of Nuclear Science and Technology， this work is intended to provide adaptive information for teaching decisions and to provide a basis for individualized instruction.

Key words： cognitive intelligence education; nuclear information acquisition and processing; teaching behavior