AI全科教师主讲课堂的学习动机增强效应探析-基于一项对比试验的实证研究

/AI全科教师主讲课堂的学习动机增强效应探析——基于一项对比试验的实证研究【摘要】教育人工智能的技术革新与教育现代化的发展诉求孕育了AI教师主讲课堂，而学习动机增强效应是衡量此课堂教学成效的重要标准。基于此，文章依托ARCS(Attention，Relevance，Confidence，Satisfaction)动机模型，开展了AI课堂与传统课堂学习动机效应的对比实验：一方面，通过量表数据的描述性统计分析、独立样本t检验，探究了AI课堂与传统课堂的学习动机效应差异；另一方面，通过访谈文本编码分析，剖析了AI课堂学习动机增强效应的成因，结果发现：相比传统课堂，AI课堂的学习动机效应高于传统课堂，且AI课堂的满意度很高；AI课堂中小组合作和AI教师的外形、动作、表情、声音等属性，影响学习动机增强效应的发挥。据此，文章从注意、相关、自信和满意四维度提出发挥AI课堂学习动机增强效应的有效策略，以期增强学生的学习动机，进一步提升AI全科教师主讲课堂的教学成效。【关键词】AI教师；AI课堂；传统课堂；学习动机；ARCS动机模型

在教育人工智能开发相关国家政策的支持和引领下[1]，具有人类特征的虚拟数字人和AI教师正如火如荼地推动教育教学的智能化发展[2]，为发展智能教育提供了新路径。学习动机增强效应是指AI全科教师主讲课堂的代理主体(即AI教师)对学习动机调节与强化的介导作用，有利于提升课堂成效。AI教师的行动指令来源主要有两种：一种是将AI教师作为替代技术，由人类教师在课堂上对之进行操控；另一种是将AI教师作为信息源，直接向学生提供指令[3]。2018年，华南师范大学德育神经科学与人工智能实验室开发了AI全科教师华君[4]，其不仅具备社会代理人所期望的特征和类人外形，而且实现了语言交互、表情变化、行走巡堂、动作指示、眼神巡视等功能，其主讲课例的学习成效显著高于同课异构的真人教师[5]。在本研究中，华君主要凭借真人教师提供的指令来讲解学习内容、指导学习活动，在指令范围内具有一定的自主性和社交性，能够传授知识、组织教学课堂活动，也可以跨越时间和空间的限制彰显名师智慧[6]。而华君的自主教学能力，为探究学习动机效应提供了必要条件。考虑到ARCS动机模型是动机理论和实践研究关注的焦点[7]，故本研究引入此模型，并基于比较研究范式，探究AI课堂与传统课堂的学习动机效应差异，剖析AI课堂学习动机增强效应的成因。 一、研究问题 ARCS动机模型最早由Keller[8]提出，强调人们富有动机地进行价值创造，被认为是探究学习动机的经典模型。此模型包括注意(A)、相关(R)、自信(C)、满意(S)四维度及其十二亚维，具体为：“注意”包括知觉唤醒、激发探究、变化程度，“相关”包括目标定向、动机匹配、熟悉程度，“自信”包括期望成功、挑战情境、归因方式，“满意”包括内在强化、外部奖励、公平待遇[9]。此模型重视从实践层面分析动机的生成机制，基于注意、相关、自信和满意四个既具有层次递进性又高度相关的过程表征学习动机[10]。其中，“注意”在于借助丰富的材料、新颖的方法等捕捉学生的兴趣，激发其好奇心；“相关”提出目标要求或者让学生确立目标，为学生提供个人成就机会、合作活动、积极榜样等支持，建立学习目标与学习内容之间的联系；“自信”会影响学生的毅力、成就及其学习过程中的投入度，通过明确成功的要求和评估标准等方式，帮助学生树立自信心；“满意”需要采取激励措施，让学生在学习的过程中体验到学习的成就感和满足感。在此模型中，学生的好奇心(“注意”)、动机或价值观(“相关”)与其对成功的期望(“自信”)，能够帮助其筛选出那些与学习内容高度相关的目标，并且引导学生付出努力实现目标(“满足”)[11]。AI全科教师主讲课堂之所以学习成效显著，主要在于注重学生的学习过程[12]，这与ARCS动机模型强调的动机生成过程相契合，即从“吸引注意力激发好奇心”到“明确学习目标和学习相关内容”，再从“建立自信寄予学习期望”到“满意所付出的学习努力”，故适宜选取ARCS动机模型作为学习动机效应考察的基础理论依托。 众多学者通过大量实证研究，揭示了AI教师作为智能代理主体可以辅助教学或发挥技术媒介作用，从而提升课堂成效：①AI教师发挥智能代理主体作用。例如，Hong等[13]通过仿人机器人系统与无机器人系统的学习结果对比实验，发现引入仿人机器人系统辅助的教学材料，课堂教学效率和学习动机更高；Hsieh等[14]创建了AI教师和ARCS动机模型干预的智能课堂，证实了AI教师与学生的互动能提高学习效率；Edwards等[15]将远程操控屏幕机器人与实体机器人教师进行同课异构，发现学生认为两类课堂都具有可信度，其中远程操控屏幕机器人所在课堂的可信度更高、学生更加关注教学内容，而实体机器人教师所在课堂的学生行为模仿能力更高——此观点得到了其他研究的证实，如Chang等[16]认为，相较于虚拟机器人，学生对AI教师参与的辅助课堂满意度更高，且拥有更高的参与度和更真实的体验。②AI教师作为新兴技术更能提高课堂成效。例如，Chin等[17]分别探究了基于传统PPT的学习系统、基于AI教师的学习系统对学习成绩和学习动机的影响，发现后者的促进作用高于前者。AI教师与学生的交互时间越长，对提高学习成绩的效果越明显[18]。另外，有研究者认为，机器人表演的幽默动作、声音效果和反馈在一定程度上可以吸引轻度智力缺陷学生的注意力，激发学生的学习兴趣与动机[19]；机器人辅导系统与学生的互动能够增强学习动机，动机的增强又作用于学习结果，提高学习成效[20]。整体而言，已有研究聚焦于AI教师作为辅助教学主体或教学技术，探究课堂学习动机、学习结果等教学问题，较少将AI教师作为教学主体探究学习动机效应及其增强成因，特别是对于AI教师如何充分发挥智能代理主体的作用来激发和增强学生的学习动机缺少系统分析。因此，本研究将AI全科教师主讲课堂(下文简称“AI课堂”)和真人单科教师主讲课堂(下文简称“传统课堂”)进行同课异构，重点探讨以下问题：①AI课堂与传统课堂的学习动机效应是否存在差异?②AI课堂如何发挥学习动机增强效应? 二、研究设计 为解答上述研究问题，本研究采用比较研究范式，使用融通性混合方法，开展AI课堂与传统课堂学习动机效应的对比实验，从A、R、C、S四维度及其十二亚维分析学习动机效应差异，探究AI课堂学习动机增强效应的成因。 (一)研究对象 本研究以深圳、广州、东莞三所小学的269名三年级学生为研究对象，在这三所小学分别开展了语文、数学、英语科目“AI与真人教师”的同课异构教学观摩活动。其中，语文课以“美丽的小兴安岭”为课例样本，数学课以“小数的初步认识”为课例样本，英语课则以"MyFamily"为课例样本。在学生规模、教室环境、课程安排、教学内容等方面，AI课堂和传统课堂基本一致；为了避免或降低新奇效应的影响，每个课例开展之前都会调查学生对AI教师的了解情况。AI课堂的学生在此同课异构教学开展前至少参加过1次AI教师执教的课堂或者听说、接触过其他类型的机器人，传统课堂的学生从未接触过任何形式的AI课堂。AI课堂采用AI全科教师华君主讲、真人教师辅助的双师型模式(两者的时间占比大约为4∶1)：AI全科教师华君主要承担教学和课堂组织管理工作，并作为主要技术介入课堂多媒体环境；而传统课堂采用传统的真人单科教师主讲模式。经统计，AI课堂学生共有134人，传统课堂学生共有135人。 (二)研究工具 ①量表：为有效测量AI课堂与传统课堂的学习动机效应差异，本研究对Keller[21]开发的教学材料动机调查问卷(InstructionalMaterialsMotivationSurvey，IMMS)进行修订，形成“AI课堂学习动机调查量表”和“传统课堂学习动机调查量表”。两个量表均包括A、R、C、S四维度，每个维度均设4个题项，共16个题项。各题项采用李克特五点量表计分，用1～5分表示从“完全同意”到“完全不同意”，所得量表平均分越低，表示学习动机效应越高。同课异构结束后，本研究通过纸质版量表分别向AI课堂、传统课堂的学生发放，学生完成后逐一检查，确保所有题项均填写完整。经统计，AI课堂回收量表134份，有效量表为134份；传统课堂共回收量表135份，有效量表为135份。 ②访谈：为了解学生和教师对AI课堂激发、强化学习动机的看法，并探究AI课堂学习动机增强效应的成因，本研究邀请AI课程开发相关领域的专家指导，经反复研磨、调整和修改，形成了“AI课堂学习动机调查访谈提纲”和“传统课堂学习动机调查访谈提纲”。本研究采取随机抽取的方法选择访谈对象，从每科的AI课堂和传统课堂各抽取5名，共有30名学生参加了访谈。访谈文本借助“讯飞听见”软件进行转录，按ARCS动机模型的四维度及其十二亚维进行分析。 (三)研究过程 本研究采用AMOS24.0、SPSS26.0和NVivo12.0等软件分析数据，先通过正态分布检验，分析量表数据是否具有统计学意义；之后分析量表的信效度和访谈文本编码的信度，保证数据具有可靠性和有效性；在此基础上，进行描述性统计分析、独立样本t检验和访谈文本编码分析。 三、研究分析 (一)描述性统计与独立样本t检验分析 本研究应用SPSS26.0对量表数据进行描述性统计分析，结果表明，AI课堂的动机平均值低于传统课堂(1.795＜1.915)，而平均值越低，说明学习动机效应越高，可见AI课堂的学习动机效应高于传统课堂。具体来说，在注意、相关、自信维度，AI课堂的平均值均略低于传统课堂，说明AI课堂在这三个维度的学习表现略好；而在满意维度，AI课堂的平均值大大低于传统课堂，说明AI课堂的满意度很高。 本研究采用独立样本t检验分析AI课堂与传统课堂的学习动机差异，结果表明，AI课堂和传统课堂的动机水平不存在显著性差异(p=0.130＞0.05)。但是，在满意维度，显著性p值为0.004＜0.01，效应值为0.355＞0.3，说明AI课堂和传统课堂的满意度存在一定的显著性差异，也就是说学生的满意度受AI教师的影响。 (二)访谈文本编码分析 参考点数是反映学习动机效应水平的指标，参考点数越多，说明学习动机效应越强。本研究依托ARCS动机模型的四维度及其十二亚维，进行了AI课堂与传统课堂的学习动机效应编码分析，结果表明：在注意维度，AI课堂的总参考点数远多于传统课堂(74＞33)，尤其是在“知觉唤醒”“激发探究”“变化程度”三个亚维，AI课堂的参考点数明显多于传统课堂，说明AI课堂更能吸引学生注意力、激发其学习好奇心；至于相关、自信、满意三个维度，除了“目标定向”“归因方式”两个亚维的AI课堂参考点数也是明显多于传统课堂，其他亚维两者相差不大，说明AI课堂在帮助学生明晰学习目标、提升自我效能感方面发挥了重要作用——此观点在访谈文本中得到了印证，如陈同学表示：“我发现小数可以用于我们的生活，如称体重、量身高等。”而懂得应用小数解决生活中的实际问题，说明学生对学习目标与学习内容之间的关系有明确感知，也从侧面凸显了AI课堂学习目标的定向作用。另外，张同学表示：“我帮同学解决了能不能去掉0的问题——0.05不能去掉0，不然数会变大。然后，机器人老师夸我善于思考，乐于帮助同学，我特别开心。”AI教师对学生的肯定不仅为学生带来了愉快的学习体验，而且提升了其学习自豪感，增强了学生的自信心。 为进一步探究AI课堂和传统课堂学习动机效应在上述维度及其亚维存在明显差异的原因，本研究以AI课堂和传统课堂的主要差异为落脚点，从AI课堂学习模式和AI教师作为代理主体如何增强学习动机效应两个方面进行探析，结果表明：AI课堂中小组合作学习模式和AI教师的外形、动作、表情、声音等属性，影响学习动机增强效应的发挥。具体来说，AI课堂中小组合作的参考点数多达50，而传统课堂的参考点数只有14，说明小组合作在发挥学习动机增强效应方面起了关键性作用；而在AI教师属性中，动作的参考点数最高，说明AI教师的动作设计对于发挥学习动机增强效应十分重要；同时，AI教师的外形、声音、表情也会在一定程度上影响学习动机增强效应的发挥。 四、结论与策略 (一)结论 本研究通过描述性统计与独立样本t检验分析，发现AI课堂的学习动机效应高于传统课堂，且AI课堂的满意度很高，而学生的满意度受AI教师的影响。同时，本研究通过访谈文本编码分析，发现在注意维度的“知觉唤醒”“激发探究”“变化程度”三个亚维、相关维度的“目标定向”亚维和自信维度的“归因方式”亚维上，AI课堂与传统课堂的学习动机效应存在明显差异；AI课堂中小组合作和AI教师的外形、动作、表情、声音等属性，影响学习动机增强效应的发挥。具体来说，AI教师的外形、动作、表情等属性可以吸引学生的注意力、唤醒学生的知觉，如可爱的外形和生动的语言讲解能激发学生探究的好奇心，结合灵活的肢体语言可以启发学生进一步思考，而生动的表情能促进学生与教师之间的情感交流。另外，AI教师能引导学生建立学习目标与学习内容之间的联系，明确学习方向；当学生取得进步时，AI教师可以通过正向反馈的归因方式增强学生的自信心。此外，小组合作在发挥学习动机增强效应方面起了关键性作用，这是AI课堂满意度很高的重要原因。 (二)策略 上述结论表明，AI课堂主要通过AI教师的具身属性吸引学生注意力，帮助学生明晰学习目标并建立其与学习内容之间的联系，提升学生的自我效能感来增强其自信心，采用小组合作学习模式提高学生的课堂满意度。据此，本研究从注意、相关、自信和满意四维度提出发挥AI课堂学习动机增强效应的有效策略。 1.优化AI教师具身属性设计，吸引学生注意力 注意力是有效学习发生的前提。AI教师能够激发学生的好奇心、上进心，使其产生浓厚的学习兴趣[22]。本研究发现，AI教师的外形、动作、表情、声音等属性影响学习动机增强效应的发挥：①在外形属性上，AI教师的拟人外形设计可以吸引学生的关注[23]。本研究选用的AI教师华君不仅外形可爱，而且有灵活的肢体动作、标准流利的发音，符合小学生对AI教师形象的审美，能有效激发学生的探究欲。②在动作属性层面，相对于静止的机器人或录音机、摄像机等多媒体辅助教学工具，会移动的机器人可以灵活变化手势、姿势等动作，被证实更能吸引学生的注意力[24]。③在表情属性上，AI教师的面部表情特别是与学生互动后的肯定表情，是重要的肢体语言媒介。学生通过观察AI教师的表情，与其进行情感互动，能产生积极的情感体验[25]。有研究表明，机器人的个性化凝视可以提升动机[26]，故AI教师在眼神交互上被赋予了更多的改进期望。④在声音属性上，本研究选用的AI教师华君有萌萌的声音，很快吸引了小学生的注意力，且其音质有很强的亲和力，贴合小学生的心理依赖需求。另外，AI教师声音的属性变化若能适应教学内容，则更能吸引学生的注意力[27]。综上，可从优化AI教师具身属性设计的角度来吸引学生注意力，包括设计拟人外形，灵活变化肢体动作，优化面部微表情尤其是眼神交互功能，从响度、音调、语速等方面提升音质，并注重将AI教师具身属性设计与教学内容相结合等。 2.发挥AI教师引领作用，明晰学生学习目标 相关性强调学习目标和学习内容符合学生的客观需求，符合学生当前的认知结构和认知发展水平，与学生学习经验建立联系，启发学生思考[28]。当学习目标与学生自身的学习期望、学习准备高度相关时，更能激发学生的学习兴趣，维持学生的学习积极性[29]。因此，有必要让学生明晰学习目标，而这需要发挥AI教师的引领作用。在学习过程中，学生可能会产生这样的疑惑：“我为什么要学这个?学了这个有什么用?”对此，AI教师应先分析学生的认知水平和学习需求，判断学生的学习能力，再确定教学目标，通过举例或直接阐明学习内容的价值，并充分调动自身的多媒体智能优势[30]，引导学生结合学习材料和自己的生活经验来熟悉学习内容、迁移应用所学知识；同时，引导学生将学习目标分解在不同的学习路径中，形成不同路径的目标导向。当学生感受学习目标与学习内容密切相关时，便容易激发求知欲、探索欲和学习欲。 3.应用AI教师正向反馈的归因方式，增强学生自信心 AI教师正向反馈的归因方式，能促使学生将取得的进步与个人努力挂钩，提升其自我效能感，从而增强自信心。具体来说，AI教师应向学生提供及时、正面、具体的反馈：①及时的反馈能够让学生感受到AI教师的关注，从而建立自我认同、树立自信心。有研究指出，AI教师及时分析学生答题结果的正确与否，能够激励学生理解学习内容[31]。在本研究的访谈中，有学生提及希望AI教师能够对其完成的学习任务和展示的学习成果及时给予回应。②AI教师对学生的正面鼓励和表扬，能够增强其独立完成学习任务的信心。Deublein等[32]认为，AI教师给予积极的反馈是提升学习成效的关键要素之一；而Davison等[33]通过研究，发现相较于机械的耳机传递媒介，社交机器人的肯定给儿童的心态带来了更积极的影响，增强了其通过后天努力改变现状的自信，促进了其成长型心态的发展。③正面的反馈基于具体性原则[34]，AI