智能教育应用的人机双向反馈:机理、模型与实施原则

作者简介:
董艳,北京师范大学教育学部教授,博士生导师,北京师范大学教育技术学院副院长,研究方向:面向未来的学与教、STEM教育与PBL项目化学习等,yan.dong@bnu.edu.cn;李心怡,北京师范大学教育学部博士研究生,研究方向:人工智能教育应用、STEM教育等,l_xinyi@126.com。北京 100875;郑娅峰,通讯作者,河南财经政法大学计算机与信息工程学院教授,硕士生导师,研究方向:学习分析,教育数据挖掘,教育大数据可视化,zlzyf@126.com。河南 郑州 450047;翟雪松,浙江大学教育学院特聘研究员,博士生导师,研究方向:智慧学习环境,教育信息系统,xszhai@zju.edu.cn。浙江 杭州 310028

原文出处:
开放教育研究

内容提要:

人工智能教育应用是实现个性化、智能化、情境化教学的重要技术支撑,其实施手段和应用效果受到教育界的高度关注。当前,人工智能教育应用中的人机交互关系主要包括静态反馈、动态反馈、混合反馈三类,其交互主体本质上均以机器为中心,学生处于被动地位。面向人类智能发展的未来,增强人工智能教育应用的反馈性、智慧性、迁移性特征,促进学习者的主体性发展,重构人工智能教育应用的发展生态,是人工智能教育应用转型升级的关键路径。本研究在归纳国内外学习者反馈素养相关研究基础上提出“感知反馈、认知统合、评价判断、采取行动、情感管理、动机调控”六类核心要素,通过搭建不同领域和层次的多元支架,构建面向智能教育应用的人机双向反馈机制模型,探讨解决人工智能教育应用面临的人机关系困境的路径,为未来智能教育发展提供理论思考和实践借鉴。


期刊代号:G1
分类名称:教育学
复印期号:2021 年 09 期

字号:

      [中图分类号]G434 [文献标识码]A [文章编号]1007-2179(2021)02-0026-08

      一、问题提出

      随着人工智能技术不断应用于教育领域,人机之间的协同与交互成为研究关注的重点。《新一代人工智能发展规划》也将提升人机交互能力作为发展人工智能关键共性技术的重要目标之一。2019年国际人工智能与教育大会发布的《北京共识》提出人工智能教育应以人为本,在赋能教育的基础上促进人机互动与协作。现阶段人工智能教育应用的交互在一定程度上可能加重了学生对机器的依赖性,剥夺了学生的主体地位甚至影响了学生高阶认知能力的培养。在人机交互过程中,反馈是不可缺少的组成部分,加强人工智能教育应用中反馈机制设计与创新应用有助于提升学习者在技术时代的反馈能力发展,提高人机交互的实际效果。近年来,反馈素养这一概念逐渐得到学术界的关注,学者们主要通过探究其内涵、结构要素及影响机制,思考如何提升学习者的反馈效果(董艳,2020)。

      作为学术概念,反馈素养最早由英国学者萨顿提出,用来研究学习者如何通过对反馈的感知、吸收与应用促进其在教学交互中的参与和学习投入。学习者不仅要作为“信息接收方”理解与感知反馈信息,还要主动作为“信息发送方”回应反馈方。当前反馈素养研究主要从理论演绎与实践归纳两条路径构建相应的结构要素和提升策略。比如,研究者在理论层面结合社会建构主义框架将其划分为四要素:感知反馈、采取行动、作出评价和管理情感;基于评价理论构建五维度框架(真实性、认知挑战、情感挑战、评价判断、执行反馈);在实践层面,反馈障碍研究将反馈素养归纳为自我评估、评价素养、目标设定与约束、投入与动机。具体模型、研究来源及其主要结构要素见表1。

      

      综合上述模型分析,本研究提出反馈素养模型的六个核心元素:感知反馈、认知统合、评价判断、采取行动、情感管理、动机调控(见表2)。这些要素不仅反映了学习者面对反馈的内在心理过程,也体现出学习者基于反馈开展行动的关键环节。这些要素可以在智能系统设计中加以整合,促进学习者与智能系统间的交互设计。

      关注人机双向反馈对于提升学习者主体地位、培养高阶能力以及加强情感交互具有重要价值(Baker,2016)。现阶段,关于人机之间反馈的研究仍停留在机器对学习者的适应性反馈,而对学习者向机器发出的反向反馈过程与机制关注不足。本研究将基于现有人工智能的反馈机理、反馈模型及双向反馈模型的构建原则,探索智能教育应用的人机双向反馈机制。

      

      二、反馈机理

      研究表明,人工智能技术的分析越精准,其对学习者主动性的剥夺可能就越彻底。这种人机地位的不平等,使学习者逐步从学习的主体沦为接收机器反馈的客体,将对学生的长期发展造成不良影响(韩宁等,2020)。一方面,人工智能通过采集和分析学生学习过程中的客观数据,提供个性化学习内容与路径等反馈信息,提升学生的学习绩效,改变知识学习与创新活动的形式。但这一过程主要由机器主导,学习者处于被动接收地位,主观能动性无法充分体现(张刚要等,2020)。另一方面,人工智能提供的反馈信息替代了学习者在学习过程中的自我评价、自我监控和自我决策等认知活动,使学习者从全程参与变为部分参与,在模糊学习主体的同时也阻碍了学习者高阶认知能力的发展(李建中,2019)。因此,解决这些问题,还需要深入探究人工智能教育应用的反馈作用机制。反馈作为系统有机运行的主要环节,是人工智能教育系统的关键要素。然而,现有研究对其探讨不足,更没有深入剖析其机制。

      (一)人工智能教育应用的反馈形态

      基于经典的拉斯韦尔与香农-韦弗的单双向传播模式及人工智能带来的静态资源与动态资源形态,本研究将反馈机理归纳为静态反馈、动态反馈、混合反馈。静态反馈主要指反馈信息从机器流向学习者,计算机通过算法与学习者交互,并从固定的资源库中选取内容呈现给学习者。早期智能导学系统依靠涵盖学习者学习风格、个性特征的学生模型,以预设的形式与学生交互。静态反馈模型使学习者被动参与人机交互,难以动态适应学习者的认知变化;动态反馈主要依托人工智能的自适应技术,借助大数据、学习分析、自然语言理解、多模态等分析方法,实时获取学习者学习行为、情绪和认知等数据并动态更新学习模型,精准提供个性化的学习资源与路径等反馈信息。动态反馈模型实现了数据采集的多元化与动态化,但由于缺少灵活双向的沟通机制,对学生主观生成的信息采集不足。混合反馈面向实际教学应用场景,综合考虑教师、同伴、学习者个体与人工智能应用之间的多元交互,并将动态与静态反馈相结合。其研究结论已应用于外语教学,通过采用自动评价与人工评价相结合的方式提升学生的写作水平。综上,现阶段人工智能应用的反馈机制具有动态性和单向性,其中数据和资源实现了动态更新;人机交互以“机器→学生”的单向反馈为主,“学生→机器”的反馈渠道和信息较匮乏。本研究仍将深入探究反馈机制,以推进入机协同和人机双向反馈。

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