人工智能支持下的教学设计框架与实施

1、    人工智能支持下的教学设计框架与实施    摘要：目前研究多从人工智能视角分析人工智能如何融于教育、改善教育以及未来教育发展趋势，如何从教育视角落实人工智能改革创新教学的研究相对薄弱。文章比较人工智能在不同行业的应用方式、应用程度，发现人工智能的教育应用采用度低，人工智能与教师教学应用能力息息相关，人工智能赋能教学价值需要从教学系统角度分析。根据教学系统设计原理，人工智能支持下教学设计框架应该包括：开展学习需求分析，发现学生现有技能与就业需求的差距；检测、跟踪及优化教学过程，提高课堂教学有效性；反馈科学全面的评价，实现个性化教学；发展人机协作教学，

2、革新传统教学模式。实施人工智能支持下的教学设计，应分析学习者特点和教学需求，选择适当的人工智能技术；构建人工智能教育数据平台，提供学情分析的数据；整合人工智能技术于教学，追求教学过程最优化；借鉴人工智能应用案例，优化人工智能创新教学设计；提升师生人工智能素养，建设开放共享的教学文化。关键词：人工智能，教学设计，实现路径，个性化学习一、引言人工智能具有无限的开发潜力与应用价值，各个领域纷纷探索人工智能的运用价值，紧跟科技的前进步伐，适应人工智能的发展趋势。从表1中发现，人工智能在不同行业扮演的角色不同，创造价值的方式不同。由于教育的非盈利性，人工智能的教育应用主要在项目、生产、供给三个方面创造价

3、值。目前教育大多运用人工智能的自然语言处理和计算机视觉技术提高教育质量：在项目上运用自然语言处理评估学生表现的新标准重塑教育结构，帮助教师分析预测就业市场的人才需求，从而调节教学，弥补现有技能与就业需求的差距；在教学过程中，通过计算机视觉及时识别学生脱离“队伍”迹象，提高学生兴趣和保留率，自动化教师的日常任务，释放教师的附加价值；在教学效果上，树立学生的自我意识促进学生的个性化学习，实现虚拟教练和虚拟导师，使智能虚拟教师逐渐成为现实。人工智能赋能教育前景广阔。其中，面对教师空缺问题，人工智能是解决方案之一。联合国教科文组织估计，到2030年实现普及初等教育，全球将需要招募和培训2440万名小学

4、教师和4440万名中学教师填补空缺。教育部2019年工作要点中提出，要在2019年实施教育信息化2.0行动计划，重点关注我国智能教育发展方案的制定。人工智能不仅仅解决了教师短缺的问题，同时也为教师利用技术实现个性化教学提供支持。如何在人工智能技术的支持下，更好地将其与教学设计相结合，提升课堂教学效果，扩大人工智能教育应用的影响范围，是一线教育工作者需要解决的重要问题。二、人工智能支持下教学设计问题的提出人工智能在教育中怎样发挥作用、具体应用于哪些教学流程，这些问题都值得思考研究。教师作为教育的一线践行者，面临人工智能的冲击与教学技能提升的挑战。人工智能与教育如何深度融合有待探讨，人工智能支持下

5、教学设计如何开展亟待探索。1.人工智能的教育应用采用度低，教学设计的重要作用值得关注人工智能在不同行业的应用程度不均衡，如表2所示。横向观察，高科技和电信等数字化指数较高的行业发展基础坚实，整体上人工智能指数相对较高。而教育、医疗等数字化指数较低的行业中，人工智能投资力度较低，使用率相对偏低，推行进度缓慢。纵向对比发现，由于行业特点不同，人工智能应用的侧重点不尽相同。其中，汽车和装配行业中人工智能重点应用于运营；金融服务行业中人工智能重点应用于客户体验，这些均属于本行业内部较为核心的领域。可见，使用过数字人工智能的行业更容易接受和采用人工智能，从而成为人工智能先行者。人工智能作为数字化的转型应

6、用将会加速数字前沿领域的发展，扩大行业或地区的采用者与落后者之间的差距。随着人工智能逐渐成熟与推广，不同行业进一步认识人工智能的价值，逐渐提高人工智能的接受度，提升人工智能的最大效能。相对于其他行业而言，人工智能与教育的融合速度相对较慢。表2中显示教育领域的人工智能指数和数字化指数微乎其微，然而人工智能方面的花费较高且主要用于产品开发，有针对性的采用度低，人均人工智能资源也极少。教育领域虽然顺应了时代的发展趋势，积极引入了人工智能设备，但是未能与人工智能有效链接发挥其在教育中的功效。而作为教育教学的重要领域，教学设计如何在人工智能的支持下发挥其更大的效能；如何将人工智能与教师教学相结合，发挥人

7、工智能在教学设计领域的重要作用，将提高教师对人工智能的教学应用效果，成为人工智能教学应用的重要命题。2.人工智能与教师教学应用能力息息相关，教师如何开展教学活动亟待研讨数字化程度与人工智能采用程度正相关，在数字化成熟度高的行业中，人工智能的普及程度最高。与数字化成熟度一样，不同行业的人工智能应用分为高等、中等、低等三个等级，如图1所示。教育、医疗等则属于低等人工智能应用行业，这些行业与生活密切相关且人与人之间的活动紧密，但是数字化成熟度低，在组织机构上的基础相对薄弱，人工智能应用没有明确的部署，未形成智能化产业链。目前，教育行业的数据处于积累过程中，智能化机制仍处于起步状态，人工智能在教育的应

8、用属于低等人工智能应用。若提升教育的数字化程度，发展教师群体的数字素养并提高教学应用能力至关重要。教师教育振兴行动计划（20182022年）提出，要推动以自主、合作、探究为主要特征的教学方式变革。中共中央、国务院颁布关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见强调教师要主动适应新人工智能变革，积极有效开展教育教学。人工智能作为新技术的代表，教师如何运用技术、如何把握教学与技术之间的平衡尤为重要。将人工智能新技术应用于教学设计之中、推进教学效果的不断优化，是信息化时代教师迫切需要提升的能力之一。3.人工智能赋能教学价值，需要从教学系统角度加以分析人工智能新技术在教育领域前景斐然，以系统观的视角对教育

9、教学加以分析有利于人工智能与教育的结合。教育并不是人工智能应用的热点领域，借鉴人工智能率先应用者的特征，能更好地将人工智能运用于教育。人工智能率先应用者有这几个特征1数字化成熟度高、集中于大型企业、核心活动中应用人工智能、注重增值而不是储存、高层对人工智能的支持。结合人工智能应用先行者的特征，发现系统地将人工智能运用于教学成为推动人工智能教育应用的重要方式。人工智能的教学应用应该参照其他行业模式，即从教学系统角度分析，争取多方支持；寻求数字化程度高或人工智能先进的企业并与之达成合作关系，加速人工智能与教育的融合；增强与社区、教培机构的互动，推广人工智能的教育应用，探索新的教学方式与学习方法；落

10、实文件政策、资金、设备等，营造人工智能教育应用氛围。人工智能应用于教师教学必将改变原有的教学范式，打破既定的教学平衡。教育不仅要发展学生的语言能力和逻辑思维，还应该通过适宜的方式使每个人获得其最好的发展。人工智能既是教师的助手，也是学生的私人教练，提供优质人才培养方案，切实扩大教育效益。三、人工智能支持下教学设计研究的反思人工智能的来临，社会对创新型、智能型、人工智能型人才的需求提高。人工智能影响下的教育教学改革趋势日益明显，深入发掘人工智能支持下教师教学的应用方式势在必行。梳理人工智能在教学设计方面的研究文献，可为构建人工智能支持下教学设计提供参考。1.人工智能支持下教学变革的研究综述研究者

11、从不同维度开展了人工智能支持下教学变革的研究。对于人工智能的教育应用模式，杨现民等分别提出补偿性教育（面向特殊人群）、替代式教育（针对常规业务）以及适应性教育（服务个性发展）三种教育模式。2梁迎丽等则将人工智能教育应用分为四种类型智能导师系统、自动化测评系统、教育游戏与教育机器人。3在人工智能协助教学方面，吴永和等提出了面向教师教学智能代理、辅助教师进行学情分析、依据学情进行自动备课。4余胜泉阐述了人工智能教师的12种未来角色，认为教师和人工智能将共同为学生提供精准的学习内容和活动。5在人工智能实现个性化教育方面，范国睿认为教师在对学习数据分析以后，才可能真正实现“因材施教”。6吴晓如等认为人

12、工智能将推动个性化教育从理念走向实践，实现学生学习的个性化、教师教学个性化与辅导个性化。7在人工智能取代教师的争议方面，李栋提出人工智能扮演着“教”的辅助角色，而不能替代教师的真实存在。8刘凯等指出未来人工智能教师工作的重点是有针对性地引入新经验，让学生掌握正确对待自己和他人的能力。9概况而言，学者对人工智能进行了讨论与多维分析，已关注到人工智能的教学应用方式。人工智能目前仍处于弱人工智能（单一领域、单任务）阶段，远未达到强人工智能（通用领域、多任务）水平。102.人工智能支持下教学设计研究反思从目前研究者关注的焦点以及教育发展趋势可以看出，现在的教育正朝着智能化、精准化、个性化、泛在化的方向

13、发展，传统教育方式与教育制度面临新的机遇和挑战。11教学设计是教学理论与教学实践之间的桥梁，同时也应伴随技术的发展而不断改进。只有进行一定的教学设计，人工智能才可能在本质上改进教育。12所以，推进人工智能与教育的融合要以教学设计为切入点，充分开展人工智能支持下的教学设计研究。现有研究多从人工智能视角分析人工智能如何融于教育、改善教育，以及未来教育的发展趋势，缺乏从教育视角研究如何落实人工智能改革创新教学，以及如何帮助教师应用人工智能的研究。根据教学系统设计理论及人工智能的特点，建构人工智能支持下教学设计框架，可以引领教师在教学中应用人工智能，加快人工智能的教学实践应用。四、人工智能支持下教学设

14、计框架“人工智能+教育”是“互联网+教育”的深化，拥有大数据、云计算等核心驱动力与深度学习、机器学习等关键人工智能的保障。因此，人工智能在教学设计的各个环节都支持实现多层次融合：辅助教师开展学习需求分析，依据需求确定学生学习目标，制定针对性的教学策略，选择适合的人工智能技术检测、追踪并优化教学过程，经过全程的跟踪记录自动进行作业测评，将学生的学习情况反馈于教师，如图2所示。由于岗位要求不明确、学生自我定位较差、教育系统无法准确反映雇主需求、劳动力市场的阻力等，学生能力与岗位实际需求不能实现最佳匹配。人工智能借助大数据的支持，在收集数据、分析诊断、预测评估等方面具有巨大优势，可以强化人才供给与社

15、会需求的联系。一方面，借助人工智能形成的学情分析，教师可以有针对性地开展教学。计算机视觉人工智能跟踪记录学生的学习、生活，收集全面的数据信息，机器学习与自然语言处理对后台的大数据进行分析处理，考察和挖掘学生的心理行为特点，综合掌握学生习得的各项技能及全班学生的学情分布状况，获取详尽的学情分析报告。例如，通过面部表情、数字互动、群体互动和注意力跟踪等新指标，深度学习算法可以识别学习态度以及情感状态，并且可以针对学生情况予以实时支持。例如，一个名为italk2learn的欧盟项目正在开发开源智能辅导平台，预计使用机器学习、用户建模和自然语言处理的组合，实现在整个辅导数学课程中与小学生交流对话。教师

16、根据学生实际学习情况确定动态研培方向，使学生接受与社会发展相匹配的精准教育。另一方面，人工智能可以在学生就业及改善教育系统和劳动力市场的联系方面发挥作用。人工智能通过搜集就业市场的详细需求、预测未来就业前景、准确评估学生表现、剖析学生自身能力与偏好，帮助学生了解社会中不同行业的工作内容、发展趋势与分布情况，有助于学生及早制定职业规划；协助教师了解学生所掌握技能与其心仪岗位需要的差距，调整课程结构和教学方法；或帮助毕业生充分发扬自身优势，智能化自动匹配就业市场中的招聘信息，提高人才和岗位的匹配效率与毕业生的就业率。2.检测、跟踪及优化教学过程，提高课堂教学有效性人工智能根据学生的知识接受度和学习

17、进度推荐学习目标，协助教师制定具体教学策略，选定最佳教学媒体辅助教学，提高课堂教学有效性。人工智能支持的自适应学习倡导共性教育向个性化发展。学习过程中实时追踪、记录和分析学生的活动和行迹以了解其个性化的学习特点，为学生量体裁衣推送学习资源，采选符合学生认知能力的学习媒体；整理汇总学生的学习表现和问题解决的情况，分析学生进步程度和建设性反馈支持教师工作。教师则更多地关注互动与辅导，增添了教学的机动性与趣味性，促进教育双方的协同发展。例如，coursera的在线课程依靠机器学习帮助教师及时发现问题，当大量学生在作业中发生类似错误时，这表明教师讲课与课程材料之间可能存在差距，教师及时发觉并修正教学轨

18、迹。计算机视觉人工智能通过监测学生的学习状态、跟踪眼球运动、观察表情变化等，判断他们是否参与学习、是否感到困惑或者无聊，以识别学生游离或关注学习的迹象，从而鉴定教学策略的适合性，帮助教师不断改进教学内容，提升学生的课堂参与度，激发学生的学习动机。另外，人工智能可以及时辨别陷入困境的学生并向教师发出预警，以便教师在学生放弃之前给予他们更多物质或精神的支持，可以很大程度上降低辍学风险。1教师可通过人工智能手段挖掘、积累教育数据，分析学生的特长，帮助其扬长避短或查漏补缺，并根据学生的学习特点搭配最适当的学习小组进而形成最有效的团体或班级，设定更确切的学习目标，增加学生学习的信心和成就感。13例如，c

19、ollaboration等人工智能初创行业使用人工智能采集每个学生的经验、知识和能力数据，创建连接网络的瞬时映射，突出每个学生的特殊潜力，打破偏好和偏见，推荐最适合学习目标的小组编制。3.反馈科学全面的评价，实现个性化教学传统教育单纯以测评知识量为目的对学生进行量化评价，单一的评价方式、统一的评价标准压抑了学生个性和创造力，不利于教育的健康发展。人工智能的应用将丰富评价维度变革评价方式，尊重学生的个体差异性，反馈更加客观全面的评价，实现个性化教育服务。人工智能在学生评估上与日俱进。自然语言处理可以扩大人工智能在自动评分方面的实用性，如评判散文等更有创意的作品。2012年由阿克伦大学进行的一项多

20、供应商评估会，由预测建模和分析竞赛平台kaggle主办，大约16，000篇文章分别由评分软件和教师进行评估。计算机与人类教师的成绩匹配度高达85%。然而，自动评分引发了关于创造力和模式中断的问题机器学习如何调节以防止统一思维或所存偏见。因此，人工智能评估不能仅限于知识与技能的总结性测评，还应该协助教师进行自动化测量进而实现过程性评价。自适应学习实行的自动测评方式改良了传统的测试系统，能够结合学生的实时数据恰当地对其学习表现进行过程性评价，以更细致的方式衡量学术能力和成就；凭借搜集的大量数据可以进行更精准、更全面的学生发展情况、发展需求等评价，帮助师生发现问题、解决问题、明确目标，发挥评价的导向

21、功能和激励功能。人工智能让学生的学习过程更具有透明化和可监控性，实现及时跟踪随时反馈。除了监控学生在上课时停顿的次数、回答问题所需的时间，以及在正确回答问题之前尝试的次数这些变量之外，计算机视觉和深度学习可以引入新的信息，如鼠标移动、眼球追踪和情绪分析。通过计算机视觉人工智能，教师可以识别影响学生有意义学习的因素或指标，了解学生的学习表现、心理活动和认知能力，可以实行个性化评价而且规划每个学生的长期成长方案。4.发展人机协作教学，革新传统教学模式在人工智能的支持下，未来教育中“人机结合”将是人工智能融入教育的主要发展形态，教学模式变革也必然发生。人工智能可以掌握文字描述或公式表达类的知识技能，

22、替代人类更快、更准确地完成重复性、机械性的工作，而对于态度、情感、能力等抽象内容，人工智能则难以转变为数据执行人工智能，不能成为教师的工作助理、进行人机协作教学。教师会省去耗时的监督、点名等管理工作和重复性的课堂辅助工作，将有更多时间指导和辅助完成情感以及价值观等“学生增值任务”。人类教师与智能机器人教师分工合作，共同致力于人才培育。例如，虚拟代理可替代教师回答学生常规问题或担任教学督导。2016年，乔治亚理工学院的一位教授及其团队创建了一个机器人教学助手，并且在学生未察觉的情况下，机器人教师助理为学生的在线问题提供解答，时间长达5个月。该教授预测在接下来一年，机器人将能够回答40%的学生提问

23、。借助人工智能的“减负”，教师可以回归教育本源，发挥育人特性。随着人工智能的发展与应用，人类的社会法律和伦理道德都面临新的考验。教师应专注于学生的身心发展，加强学生的思想道德教育、意识形态教育和网络安全防护教育，提高个人维权意识并强化行为规范；引导学生建立起来清晰的理念，比如：可以用人工智能满足自身的生存发展需要，而禁止用其满足自我欲望，形成与人工智能时代相匹配的新价值观。此外，人工智能中的虚拟管家可以利用人工智能追踪学生的活动和行迹，并通过对学生进步程度和建设性反馈的统计提供分析见解来支持教师工作。五、人工智能支持下教学设计的实施建议成功的人工智能转换核心流程包括分析优秀案例、建立数据生态系

24、统、采用正确的技术和工具、形成人工智能集成的工作流程、建立开放共享的合作文化，并且还需要重振员工队伍，如图3所示。其中，五个环节逐层递进，环环相扣，彼此支撑，人工智能产生的价值也随之增大。借鉴此流程，人工智能支持下教学设计应分析学习者特点和教学需求，选择适当的人工智能技术，构建人工智能教育数据平台，创新人工智能教学设计，提升师生人工智能素养。1.分析学习者特点和教学需求，选择适当的人工智能技术提升人工智能的教育应用价值，关键是要找到满足师生需求与教学需求的人工智能技术优化教学过程。融合恰当的人工智能将丰富教学媒体的应用，实现跨领域感知与学习。一方面，学校需要设计教育模式、开发系统课程、管理维护

25、应用设备、培训并指导教师使用人工智能工具等。另一方面，教师要自觉提升自身人工智能的应用能力，熟知学生学段特点和教学内容要求，掌握不同人工智能的特点，选择最佳的人工智能来优化教学。另外，协作对人工智能等数字人工智能来说尤为重要。教育领域需要与不同行业协作并建立伙伴关系，借助合作关系共同使用人工智能和资源、多元化教学媒体与人工智能教学场景，借助人工智能发展教育。1这就要求学校领导者认识到人工智能擅长什么，以及如何提高与人和机构合作的能力。2构建人工智能教育数据平台，提供学情分析的数据人工智能大数据可以搜集每个学生在不同学习阶段的学习特点，形成合适的“个性化学习方案”。1例如，专门搜集学习行为数据的

26、教育类平台“符号树”，为学生提供一对一的人工智能辅导，培养学生学科素养、思维能力、学习习惯等。教师借助平台的数据精准分析教学，可以更加尊重每个学生的个性，为因材施教提供可能性。首先，学校应构建数据生态系统，推动教育应用。其次，开放构建数据标准，创建整合的、共享的数据库，实现网络平台的互通、衔接，促进信息之间的传递、融合。最后，教师必须高效利用人工智能进行互动交流，全方位了解学生，增强协作教学，共同优化彼此的教学设计。3.整合人工智能技术于教学，追求教学过程最优化人工智能辅助教学可以建设人性化学习系统，对学生的知识进行建模，使学习数据可视化，帮助教师，改善教学设计流程、改变教学方式。1人工智能与

27、教学整合，必须对教学流程进行重新建构。教学流程的变化必然影响教师角色的变化，改造教学的变革管理比应用人工智能面临更艰巨的困难。我们需要考虑设定人工智能自动执行什么任务以及如何交接、使用教学成果，例如，虚拟代理和教师之间。消除政府部门、研究者与教育工作者之间的壁垒，要把人工智能整合到教学流程，依据教学设计环节实现人工智能应用。教师要转变教学理念并主动转换自身角色，提升对人工智能的接受度；变更教学过程的主宰者身份，成为辅导者、监督者、引领者等角色；接受新的人工智能和教学模式，把握人工智能支持下的教育内容和工作重点，熟悉人机协作的教学流程；积极有效使用人工智能教育产品，引导学生形成新的学习方式。4.

28、借鉴人工智能应用案例，创新人工智能教学设计积极分析、学习数字化技术成熟行业的成功的人工智能应用案例，与行业或学术界合作进行教学设计创新突破。重点开发已被证实可以大规模推广的有价值的实例并分析其使用范围，例如机器人过程自动化和机器学习等一些人工智能解决问题的应用。然后，开展人工智能教育教学的探索与实践，推动教学模式、教学方法的改革创新；建立坚实的人工智能教学应用模式，并将其与教师发展战略联系起来。并且，设立人工智能教学应用案例，由点及面形成辐射效应，将促进人工智能创新教师教学活动。由有关部门和研究人员制订实施方案与计划，开展教师培训、应用指导，然后对教师应用人工智能的优势及局限性进行真实记录并剖

29、析研讨，比对人工智能支持的教学设计与传统教育方式的教学设计效果，最终评选出人工智能教学应用模范教师，促进可推广的人工智能支持下教学设计的构建，激发教师对人工智能的热情。5.提升师生人工智能素养，建设开放共享的教学文化人们对人工智能教育应用的态度和观念会影响其教育产品的推广和应用，意味着建立一个开放共享的文化应该是优先考虑的事情。营造良好的社会和生态环境，建设支持人类和机器协作的开放共享文化，为学生、教师和各级教育管理者提供精准、便捷、以人为本的优质服务，最终形成“人工智能+教育”的生态系统。14因此，政府相关部门应给予资金、人力等支持，学校加强重视，提供教师培训、再学习机会，全面提高一线教师的人工智能素养；增设相关课程，突出学生素养培养；调整评价机制，明确学生素养发展导向。为使教育行业从人工智能中获益、人工智能的教育价值得到进一步体现，以下几点至关重要：学生和家长在人工智能解决方案中应扮演倡导者和顾问的角色；主动接受和