智能化教学平台的改变与作用

（一）智能教学平台

随着“互联网+”时代的到来，人工智能的快速发展，众多开放式、智能化教学平台如雨后春笋般不断涌现，这些平台的功能不断完善，集智能备课、精准教学、师生互动、测评分析、课后辅导等功能为一体。目前智能化教学平台各式各样，有综合性的智能化教学平台，也有专门针对某一学科的智能化教学平台。为进一步推进教学模式和教学手段改革，提升教学质量，越来越多的智能教学平台被广泛应用，用于解决传统课堂抬头率低、互动性不高等问题，得到了广大师生和家长的认同。

1.智能教学平台的内涵与特征

智能教学平台是基于计算智能技术、学习分析技术、数据挖掘技术以及机器学习等技术，为教师和学生提供个性化教与学的教学系统。其主要的特点是运用人工智能技术智能分析学习者所学内容，构建学习者知识图谱，为学习者提供个性化的学习内容以及学习方案；支持自适应学习，实现学习内容的智能化推荐。智能化教学平台的特征主要体现在以下几个方面：

（1）高效性

高效性是智能化教学平台的一个显著特征。从课前、课中到课后，相比传统教学，通过智能化教学平台进行教学，在各个环节上都更加高效，教学过程更加流畅，教学互动更加深入及时，教学效果更加明显。

课前教师通过智能化教学平台进行备课，可与全国各地教师实时共享教案，吸收其先进的教学理念、学习其先进的教学方法；通过教学平台将课前预习资料推送至学习者的个人学习空间，并与学生进行及时互动交流，及时调整完善教学设计。课中，可通过各种移动终端连接教学平台与教师实时互动。教师可以“一对多”地解决不同学生的问题，让每一位学生都参与到课堂交流中，真正将课堂还给学生。课下，学生可以在平台上完成作业，还可以与学习共同体完成思维碰撞，由平台完成作业批改，给学生实时反馈，大大提高课后辅导的效率。

（2）个性化

现代的教育模式是“标准化教学+标准化考试”，“流水线”上培养的人才是没有竞争力的，比起向学生传授可能被机器人取代的单纯技术，更应该尝试去培养机器人所不能代替的创新创造能力等。这意味着教育的导向要从标准化转向非标准化。

智能化教学平台通过采集到的海量数据和先进算法，根据学生的学习能力、对学习内容的掌握以及努力程度等，为每个学生提供不同的预习资料，布置不同难度的作业（如对学习内容掌握好的学生可以布置一些创新性的、需要发挥创造力的作业；对学习内容掌握一般的学生就布置一些基础性作业），并且课程内容会随着学生学习的进步情况动态调整，略过学生已经掌握的知识点，强化学生薄弱环节，从而真正实现因材施教，实现个性化难度的自适应学习。

除了教学的非标准化，面向人工智能时代的教育改革还包括考试的非标准化。教师有时难以把握考试出题的难易程度，而且针对所有学生都是一套试卷，对学习基础较差的学生来说，每次成绩的分数都偏低不免打压学习的积极性。个性化教学应该为不同的学生准备不同的考试试卷，且不同的试卷并不会增加教师的工作强度。通过智能化教学平台，根据每个学生的学习记录智能组卷，还可以通过机器批改，自动生成教学评估报表，个性化评价学生的进步与不足，指导学生的努力方向。

（3）数据驱动

智能化教学平台可以采集到海量数据。例如，通过签到可以一目了然地看到学生的出勤情况。通过测试题，一方面可以看出教师出题的行为，包括教师的发布时间、是否做过修改；另一方面，还可以看出学生答题行为，包括做了多少题、正确率是多少。通过课堂上教师在智能化教学平台上记录学生的表现，为评价学生提供可量化的参考。

智能化教学平台还能起到行为监测作用，进行对比分析。例如，可以跟踪高考成绩不同、家庭环境不同的学生学习行为，与系统的数据模型进行比对，分析行为差异。从教师角度可以分析不同教龄、不同学历的教师，对教学过程的把控、教学效果等方面有何不同。

对教学评价中评分较高的教师，可以深入剖析他的教学过程具体好在哪里。同样对于成绩较差的学生，通过学习数据可以找到他是何时开始松懈的，是自始至终都不愿意学习，还是在学习过程中遇到困难产生了退缩情绪，从而清楚掌握学习者的学习态度于何时发生了变化，并且可以观察学习者在接收到学习预警后有无变化。

（4）虚实交融

智能化教学平台将虚拟和现实连接起来，促使学习者将学习与实践相结合。随着人工智能的发展，虚拟现实技术更加“智能”。通过人工智能可以提高虚拟空间的效果，带来更佳的用户体验。

①虚拟教师

面向未来的教学，虚拟教师要主动提出好问题，以激发学生思考的热情，积极主动探索问题的答案，并且通过问题要教会学生如何批判地看待世界。此外，更重要的是，虚拟教师要教学生如何提出问题，培养学生面向未来提问的习惯和能力。

②虚拟学习伙伴

虚拟学习伙伴可以与学生协作完成学习任务。虚拟学习伙伴可以通过故意提出错误的理解，激发学习成员的讨论，也可对成员讨论的结果做一总结性概括。借助人工智能为学习者构建虚实相融的学习环境，学习者在虚拟融合的环境中可以进行更加个性化、沉浸式以及趣味化的学习。通过个性化定制虚拟学伴形象，辅助学习者学习，让学习者集中注意力，在规定的时间完成学习任务，优化学习过程。虚拟学伴在学习者完成学习任务时给予点赞，未完成时给予监督鼓励，让学习者感受到人文关怀，积极、主动地去完成任务，不需要在教师和家长的压力和要求下被动地学习。

2.智能教学平台的技术支持

智能教学平台借助自适应、大数据、云计算等技术，实现了教师、学生及家长的全面连接。

（1）自适应提升教学的精准性

随着学习者对个性化学习需求的呼声越来越高，以及学习分析技术的飞速发展，自适应学习技术从开始的不成熟，逐渐发展为成熟可行且有效的学习技术。它可以自动适应不同学生的学习情况，利用知识空间理论，拆分知识点、“打标签”（包括学习内容的难易度、区分度等），智能预测学生的能力水平，为学生推荐学习路径，精细化匹配学习资源，智能侦测学生学习的盲点与重复率，从而指导或帮助人们减少重复学习的时间，提高学习效率。

（2）大数据助推教学过程的科学化和可视化

大数据技术可实现学生学习数据全追踪，持续采集学生学习过程中的各种数据，对点滴进步进行一一记录。通过智能化教学平台将教师和学生在课堂上的每一个互动结果记录下来，并自动生成可视化的数据统计与分析图表。基于此，学生通过查看学习数据，找出不足，及时调整。教师可很好地了解学生学习特点，制订个性化的学习方案，深度分析学习者学习行为与学习数据，随时监测学生发展，从而可以合理调整教学过程、干预学习行为。

（3）云计算拓展了教育资源的共享性

通过云计算，学生的学习资源和教师的备课资源可在云端实现共享，拥有强大计算功能、海量资源的智能化教学平台，可有效解决当前网络教学平台建设中存在的资源重复投资、信息孤岛等问题。此外，学习者可通过网络连接从云端获取所需学习资源和服务。学习者的学习过程数据将实时储存到云端，保证学习数据不丢失，为分析学习者的学习行为提供数据支持。

3.智能教学平台的功能模块

智能教学平台能够提供个性化学习分析、智能推送学习内容等服务。在数据采集上，将学生的学习档案数据、学习行为数据等信息数据存储在数据仓库中。在此基础上，整合自适应技术、推送技术、语义分析等人工智能分析和大数据挖掘技术，以支持学习计算。在学习服务上，提供个性化学习路径推荐服务。由此可见，智能化教学平台依赖三个核心要素，即数据、算法、服务，其中数据是基础，算法是核心，服务是目的，因此本研究尝试从这三方面对智能化教学平台的功能进行解析。

（1）数据层

数据层是教育数据的输入端口，也是面向上层服务的基础接口，主要负责采集、清洗、整理、存储各类教育数据，一方面是收集学习者的学习行为、学习成果、学习过程等信息数据，另一方面需要搜集教师教学数据，包括备课资源等。

（2）算法层

算法层主要由各种融合了教育业务的人工智能算法组成，按照系统的方法，对数据层的各类教学数据进行各种计算、分析，实现数据的智能化处理。比如，通过对班级所有学生的行为数据、基础信息数据和学业数据进行智能学情分析，得出学生个体与班级整体的画像，根据学习者的学习兴趣，为其提供不同的学习资料，布置不同难度的作业，激发学习者的内在学习动机。

（3）服务层

服务层通过接收来自算法层的数据处理结果，提供给用户所需的教育服务。在学习服务上，基于个性化分析结果，为学习者提供涵盖学习内容、学习互动、个性化学习路径等推荐服务，辅助学生进行个性化学习。在教学服务上，通过对教师教学过程数据分析，帮助教师总结得失、监控教学质量、调整教学设计，从而实现教学过程的精准化。

（二）智能教学机器人

1.教学机器人及其特征

国际机器人协会给机器人下的定义是，机器人是有一定自制能力的可编程和多功能的操作机，根据实际环境和感知能力，在没有人工介入的情况下，在特定环境中执行安排好的任务。未来，如若人工智能跨越了情感交流的屏障，人类或许真的能与机器心灵相通。目前，人工智能已经进入社交和情感陪护领域。

在教育领域，教育机器人是以培养学生分析能力、创造能力和实践能力为目标的机器人。教育机器人使用到的关键技术主要有仿生科技、语音识别和自然语言理解等，它的发展目标是希望和“真人教师”一样进行感知、思考和互动，达到减轻教师的工作负担、优化教学效果的目标。教学机器人应具备以下特征：

（1）教学性

教学机器人应该具备广博的知识储备，并且具备自我学习、自我进化的能力，熟悉最新的科技发展成果。它能像真人教师一样，了解自身的专业结构，了解自己的教学法，了解学科知识层存在的问题，通过观察记录学生的学习情况，不断调整教学策略，实现由传统形式单一、经验主导的方式转变为人机协同，达到数据及时分享并深度挖掘的精准、个性化教学，真正完成传道授业解惑等教师的职业要求。

（2）自主性(www.chuimin.cn)

教学机器人应该具备感知能力、思考能力，对教师与学生的状态能够进行及时准确的分析，能够进行自主决策。

（3）交互友好

机器人在与学生交流过程中，应该幽默有趣，能够吸引学生兴趣。作为学习伙伴，教学机器人应该能够进行无障碍人机交流，可以完成问题答疑、提供学习资源、引导学习互动的氛围等。

2.教学机器人的分类

黄荣怀（北京师范大学教授，主要从事智慧学习环境、人工智能与教育、教育技术、知识工程、技术支持的创新教学模式等领域的研究）等将教育机器人分为机器人教育和教育服务机器人，机器人教育主要是以机器人为载体，通过观察、设计、组装、编程、运行机器人，激发学生学习兴趣，训练学生逻辑思维能力，培养学生的创新意识和动手实践能力，让学生在“玩中学”、在实践中获得知识。目前，大部分的学校还未将机器人教育归入正规课堂，多数还是采取课外活动、兴趣班等形式进行机器人教育。一般是学校预先购买机器人器材、套装或散件，再由专门教师进行指导教学。教育服务机器人是指可以执行一系列教与学相关任务的自动化机器。随着人工智能的发展，教育机器人开始频繁地出现在人们的视野内，并逐步应用于教育领域。

从我国教育机器人的发展现状来看，其应用情境分为两类：一是针对儿童的益智类机器人，主要陪伴儿童学习玩耍，为儿童提供多样化的教育方式，寓教于乐地引导儿童学习，促进良好生活习惯的养成，如智能玩具、教育陪伴机器人等；二是在教学领域中，能够为教学活动提供支持的辅助教学类机器人产品，如机器人助教、机器人教师、医疗机器人、特殊教育机器人、虚拟教育机器人等。本研究通过整合当前我国教育机器人的相关案例，分析其中两类七种教育机器人（智能玩具、教育陪伴机器人、机器人助教、机器人教师、医疗机器人、特殊教育机器人、虚拟教育机器人）的使用情况，展示在变革教与学方式中教育机器人的广阔应用前景（见表1-4）。

表1-4　教育机器人的类型

（1）益智陪伴类机器人

比起需要完成固定教学任务的教师来说，机器人可能更容易得到儿童的好感，吸引儿童的注意力。在儿童与机器人的交互中，可以培养儿童的语言表达能力、创造力和想象力，这些能力的发展对于处于认知发展阶段的儿童来说格外重要。如奇幻工房（wonder workshop）公司推出的名为达奇（Dash）和达达（Dot）的两个小机器人，它们是几个可爱的几何形体组合，可以帮助5岁以上的儿童学习编程，开发儿童的动手能力和想象力。

（2）辅助教学类机器人

世界上第一个机器人教师“Saya”是由日本科学家在2009年推出的，并在东京一所小学进行试用，为学生上课。她会讲多种语言，还可与学生互动，回答学生简单的问题，并可以完成点名、朗读课文、布置作业等基本教学活动，此外她还会做出喜怒哀乐等多种表情。韩国也大力推广机器人教师，从2009年起，30个蛋形机器人在韩国小学教学生英语，受到学生的广泛欢迎，并且实践证明，机器人英语教师有助于提升学生英语学习兴趣。

此外，机器人还在医学教育领域扮演着重要角色，传统学医的学生想要独自做手术，需要在医院进行实习，而有时患者及其家属会拒绝实习医生的治疗。当前，亟须借助人工智能、虚拟现实等前沿科技力量提升医学教育水平。医学模拟通过各种教学系统和场景设置，为学习者提供实践学习，使学习者了解患者的病症，无需对真实患者进行实际操作。例如，在医学教学中用机器人来训练医科学生。墨西哥的国立大学，学习者练习了24个机器人患者的各种程序，这些程序连接到一个可以模拟各种疾病的症状的软件系统。患者均配有机械性器官，模拟呼吸系统和人造血液。

人工智能虚拟现实医学奠基人凯斯科萨瓦达思指出，“人工智能与虚拟现实结合是临床医学培训的新模式。”未来，可以将病患的核磁共振、CT扫描等影像数据，通过人工智能系统处理，得到真实复原的全息化人体三维解剖结构并可将其投射在虚拟空间中。学习者可以在虚拟空间中全方位地直接看到病患真实的人体结构的解剖细节，对病变的器官进行观察和立体分析，精确测量病变器官的位置、体积、距离等数据。观察结束后，学习者还可以设计手术治疗方案，评估手术风险，虚拟解剖以及模拟手术切除等。

在我国，对机器人教师的报道也此起彼伏，北京师范大学与网龙华渔共同研发的“未来教师”机器人已经在部分学校开始测试，它不仅可以帮助教师朗读课文、批改作业，还可以通过传感器识别学生的身体状况，如果学生发烧，机器人会提示教师。更为神奇的是，它还可以帮助教师监考，发现作弊的学生。比如江西九江学院的机器人教师“小美”，走进东北大学为机械工程与自动化学院的学生教授“机电信号处理及应用课程”的机器人教师“Nao”。

3.教学机器人应用案例分析——Nao

小i机器人Nao是依托小i硬件智能云，通过云与硬件机器人相结合，使Nao成为能听会说、会跳舞、讲故事的陪伴型机器人。它可结合图片、文字甚至音频视频等媒体给学习者完整回复，让学习者在交流中解决问题。

（1）智能陪伴机器人的基本架构

智能交互机器人的基本架构主要包括以下模块：

①机器人核心模块及运行框架

包括通讯控制模块、服务接口模块、交互业务逻辑及二次开发框架等组成部分。该模块主要负责实现终端与后端服务引擎的通信接口服务，包括学习者与机器人系统的前端交互、响应调度、负载平衡等。

②智能服务引擎

智能服务引擎是自然语言处理和集成专业处理引擎的平台，包括服务控制接口、分词标注引擎、语义分析引擎、聊天对话引擎、场景处理模块、答案处理模块和知识索引管理等。智能服务引擎相当于机器人的“大脑”，是机器人实现智能的关键，它的智能性、精准度、并发性能等各个方面都会对系统产生关键影响。

③统一管理平台

通过智能服务引擎提供的应用程序编程接口（API），对机器人进行统一管理和维护，包括系统管理、运维管理、语音管理、渠道管理、服务管理和知识管理。

（2）陪伴机器人在教学中的作用

陪伴类机器人在定制学习内容、引导学习互动、调节学习情绪方面对学习者的学习发挥有效作用。

在定制学习内容方面，教育机器人能够根据学习者的年龄、性别、兴趣爱好及知识水平为学习者推送适合的学习资源，如情景剧、动画片、电影或者电子图画书等。通过跟踪学习数据判断学生对当前学习内容是否感兴趣，进而判断是否进一步转入深度学习和扩展性学习阶段。

在引导学习互动方面，教育机器人的出现为搭建互动的学习环境提供支持。教育机器可以像人一样行走，它可以随时陪伴在学习者的身边，像父母、教师、朋友一样与学习者交流对话。在交流的过程中，教育机器人能够通过“观察”学习者的表现，在合适的时机进行提示引导，辅助学习者完成学习任务。

在调节学习情绪方面，教育机器人目前还不能识别学习者面部表情的含义、心理状态等，但随着人脸识别技术、机器学习技术的发展，未来机器能够读懂人类的情绪。教育机器人在识别到学习者学习有困难时，可以通过情感交流，鼓励指导学习者，比如“你可以联想某一知识点，结果可能就会出来了”，让学习者感受到学习伙伴的支持，调整好学习心情。在宽松和谐的交流沟通氛围中，与智能陪伴机器人对话能够减弱学习者的畏惧感和焦虑感。

4.智能教学机器人的实践困境与发展趋势

（1）实践困境

智能教学机器人驱动教学应用创新，为教学提供新的工具和资源，促进教学组织方式的进一步变革，有助于吸引学习者的学习兴趣。目前，教学机器人在教学中的应用还处于探索阶段。网龙华渔、科大讯飞等一些教育公司和研究机构设计开发出用于陪伴儿童学习的或是专门用于学校教学的教学机器人，形成了一定的社会影响。

教学机器人在真正的课堂教学中还未发挥其优势，在教学中的普及与推广还存在很多局限，主要体现在智能教学机器人的软硬件设施成本高、价格比较贵，配备教学机器人的家庭和学校需要具有一定的经济基础；教学机器人的智能性还不够；缺少相应的课程内容，教育机器人的设计与开发不仅要有技术上的突破，还要有教学设计师的配合，设计对应的教学内容，推动教学机器人的应用与实践。

未来教学机器人的研究应更关注教育教学的理论与教学机器人的深度融合，实现教学资源的共享。通过研发符合教学需求的新资源和新工具，为教学注入新的活力，助力教学创新。

（2）发展趋势

未来智能教学机器人能够达到与人类的特级教师相当的水平，或者达到特级教师都达不到的水平。智能教学机器人可进行学习障碍诊断与及时反馈，根据学生的学习状态向其提供帮助；智能机器人可与学生进行对话，在对话过程中，了解学生的需求，给予及时响应与反馈；感知学生的知识掌握状态，根据知识掌握程度提供差异化教学方案和个性化陪伴。

未来，希望能够通过智能教学机器人与儿童对话后，对一段时间的对话数据进行分析，发现学生在这段时间内的情感、情绪、认知方面存在的问题，根据发现的这些问题，给学生相应的帮助和支持，从而实现类似人类教师的智慧内置到智能机器人中，具备自然语言理解能力且具有和真人一样的交互性，这是教学机器人的理想发展目标。

（三）智能化学习软件

随着万物互联的实现，人工智能时代的信息变化速度会比互联网时代更快。因此，善于运用学习工具，如在线互动协作工具、信息检索工具、翻译工具等，可能会帮助学习者在学习过程中达到事半功倍的学习效果。

有效的学习工具可以促进学习者的主动学习，比如，在进行英语写作练习时就可以利用英语学习软件，自发组建英语学习小组，就感兴趣的话题展开讨论，写成文字报告，机器批改、同伴互改，学习方式互动性强，好友PK、成绩排行等可以提高学习者英语写作的积极性。随着图像识别技术、语音识别技术的发展，越来越多的拍照搜题类和语音测评类的个性化学习工具被应用于教育领域，成为辅助中小学生课外学习的好帮手。这些软件都运用智能图像识别技术，使学生在遇到难题时，可以通过手机拍照上传，在短时间内就可以给出答案和解题思路。而且这些软件不仅可以识别机打题目，对手写题目的识别正确率也越来越高，在很大程度上提高了学生的学习效率。

这些学习软件作为学生学习的帮手，解决了传统教育环境下辅导机构价格高，优质家教资源少的困境，可以及时辅助学生学习，让学生做作业的过程变得更加轻松，从而让学生更加主动积极地去完成作业，进而促进学生的学习。