基于元模塊法構建人工智能教學應用模型的研究

曾海 王竹青 邱崇光

摘要：人工智能在教育理論與實踐中的應用研究成為教育升級的重要契入點，但它在教學系統(tǒng)中的應用多是經(jīng)驗性的，缺乏系統(tǒng)性、完備性和擴展性，應用范例內(nèi)容多是散點狀分布，還沒形成明晰的體系和結構化的應用模型。該文基于系統(tǒng)論和“元認知”理論，結合技術本質(zhì)的理論邏輯體系，提出“元模塊”概念，在此基礎上研究人工智能的五個元功能、六個元應用及其基礎應用體系，并應用到教育基礎應用和教育高端應用模塊中。根據(jù)研究出的教學設計指導思想和路線圖框架下，構建了基于元模塊法的人工智能教學應用模型。元模塊方法及其建立的人工智能模塊化教學應用模型具有靈活性、高效性、先進性的優(yōu)勢，借此，展望了這種模型在賦能各教學環(huán)節(jié)、人工智能技術與教育的雙向整合、促進受教育者全面發(fā)展等方面的理論價值和良好應用前景。

關鍵詞：人工智能；元模塊；元功能；元應用；教學系統(tǒng)；教學模型

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

本文系廣東教育科學“十三五”規(guī)劃2020年粵港澳大灣區(qū)國際教育示范區(qū)建設專項“新技術賦能灣區(qū)鄉(xiāng)村教師協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展智慧生態(tài)的實踐研究”（項目編號：2020WQYB011）研究成果。

一、模塊化教學模型的需求和教學設計理論概覽

目前，人工智能在教育理論與實踐中應用研究呈爆發(fā)式增長，成為教育升級的重要契入點。智能化學習環(huán)境助力了智能化教學策略的實施，展現(xiàn)了技術的先進性。但人工智能在教學系統(tǒng)中的應用多處于經(jīng)驗性探索階段，不利于人工智能技術在教育中的深入應用。主要體現(xiàn)為：一是缺乏系統(tǒng)性。目前的應用范例內(nèi)容多是專家經(jīng)驗和教師應用心得，在教學各領域中的應用多是散點狀分布，沒有形成明晰體系，更沒有上升為結構化的應用模型。二是缺乏完備性。即不明確現(xiàn)有的應用成果是否全面合理，是否有遺漏，是否有重復，也不知還有多少發(fā)展空間。三是缺乏擴展性。具體應用如發(fā)生變化或升級就需要把教學系統(tǒng)推倒重來，效率低下?？傊狈ο到y(tǒng)性的研究探索是很難實現(xiàn)有規(guī)模有效率的向深層次發(fā)展的。

本文基于系統(tǒng)論和“元認知”概念和方法，結合技術本質(zhì)的理論邏輯體系，推導出人工智能的元功能、元應用，并向教育領域的基礎應用和高端應用層面延伸，通過系統(tǒng)性和結構化方法，實現(xiàn)模塊化方法搭建教學應用模型的目的。作為構建先進教學模型的理論出發(fā)點，本文下面將對現(xiàn)有教學設計理論進行全域概覽并條理化。

（一）教學系統(tǒng)的主要內(nèi)容

教學設計理論和方法都是針對教學系統(tǒng)的。為了將教學設計理論條理化，可以將教學系統(tǒng)主要內(nèi)容進行分析，然后按主要內(nèi)容組織教學設計理論體系。我們認為教學系統(tǒng)可抽象分為指導理論、學習者、教育技術、學習行為、信息資源、教學目標等主要內(nèi)容，其間存在一定的相互作用，如圖1所示。

（二）現(xiàn)代教學設計理論的主要流派

教學設計是根據(jù)課程標準的要求和教學對象的特點，將教學諸要素有序安排，確定合適的教學方案的設想和計劃。一般包括教學目標、教學重難點、教學方法、教學步驟與時間分配等環(huán)節(jié)[1]。教學模式是在一定教學思想或教學理論指導下建立起來的較為穩(wěn)定的教學活動結構框架和活動程序[2]。它是從宏觀上把握教學活動整體及各要素之間內(nèi)部關系的一種穩(wěn)定狀態(tài)。以前述教學系統(tǒng)的主要內(nèi)容為核心，梳理出現(xiàn)代教學設計理論的主要流派。

1.理論本位。即教學設計理論的理論指導，主要包含基本學習理論和其他理論。學習理論主要有行為主義、認知主義、人本主義、建構主義、關聯(lián)主義等理論[3]。其他理論主要有復雜系統(tǒng)論、教育心理學理論、組織行為學理論等。

2.人本位。即教學設計理論的學習者，主要是指學習要因材施教，注重個性化，強調(diào)以學習者為中心，教學設計重視個性化發(fā)展[4]。

3.技術本位。即教學設計理論的教育技術應用，主要包含技術工具化理論和技術整合理論。前者是由一系列的技術以各種工具形式的使用來實現(xiàn)，后者是由技術和所運用系統(tǒng)的相應改造和雙向整合來進行。

4.知識本位。即教學設計理論的信息資源運用，主要包含知識組織遷移理論和知識融合創(chuàng)新理論，是指面向知識，落實于資源，由對一系列包含知識的資源進行遷移、交叉、融合等各種教學操作。

5.程序本位。即教學設立理論的學習行為，主要包含面向過程理論和面向對象理論。前者是指教學由一系列行為有序組成，后者指教學是一系列對象的有序集成。

6.目標本位。即教學設計理論的教學目標，主要包含目標教學設計理論和綜合學習設計理論。前者的核心概念是將教學目標分割化和單元化，后者的核心概念是教學目標整體化推進，具有全局性優(yōu)勢。

綜上，教學設計理論的主要流派概況及關系表達如圖2所示。

人工智能技術的興起，教學理念、教學內(nèi)容、教學手段等都會發(fā)生重要變革，呼喚著教師全面提升教學設計能力和水平。根據(jù)人工智能對先進性和適配性的要求，我們在構建人工智能模塊化教學應用模型時，可綜合教學設計理論主要流派的各自優(yōu)勢特點和適合性進行指導：以建構主義和關聯(lián)主義學習理論為指導，以學習者為中心落實人本位思想，力求實現(xiàn)教育與技術的雙向融合，支持知識的有效遷移、交叉和融合，采取面向對象的方法，在目標牽引學習分析時實施綜合學習設立理論，實現(xiàn)有意義的綜合學習。因此，人工智能應用于教學設計的模塊化思路就這樣可以確定下來。

二、人工智能技術應用于教學設計的模塊化思路

（一）教學設計的模塊化思路和原則

開放性、自組織性、復雜性，整體性、關聯(lián)性等是所有系統(tǒng)的共同的基本特征。模塊化設計的指導思想是基于系統(tǒng)論，從整體出發(fā)研究系統(tǒng)整體和組成系統(tǒng)整體各要素的相互關系，從本質(zhì)上說明其結構、功能、行為和動態(tài)，以把握系統(tǒng)整體，達到最優(yōu)的目標[5]。具體方法上，我們借用“元”的概念來實現(xiàn)模塊化。美國心理學家J·H·弗拉維爾（John H.Flavell）提出“元認知”概念，認為元認知是指一個人所具有的關于自己思維活動和學習活動的認知和監(jiān)控，其實質(zhì)就是對認知的認知，是認知活動的核心，在認知活動中起著重要作用[6]。美國著名技術思想家布萊恩·阿瑟（Brian Arthur）在《技術的本質(zhì)：技術是什么，它是如何進化的？》中指出：“我們現(xiàn)在已經(jīng)為技術建立了一個共同的結構，即它們是由零部件組成的組件系統(tǒng)或模塊。其中一部分形成了核心集合，其他部分行使支持功能，它們自己可能還有子集合和次級零部件”[7]。

我們以系統(tǒng)論和元認知的主要概念和思想作為理論依據(jù)，結合技術本質(zhì)的理論邏輯體系，提出“元模塊”概念。元模塊是一個體系，包括元功能、元應用和一系列逐步升級的應用模塊。人工智能技術的元功能是技術中最基礎的技術，人工智能的元應用是它的各種應用中最基礎的應用。經(jīng)分析研究，我們認為這些元模塊具有如下“三性”：基礎性，是不可再分的；可組織性，可疊加、可多層次組合；開放性，是可升級可變化的。這些也是我們確定元模塊的檢驗標準。同時抽象出元模塊的總原則是：模塊數(shù)量最小化，模塊覆蓋最大化。

（二）元模塊的體系構建

1.各層次元模塊的確定。本文所指的人工智能技術主要是指由機器學習、深度學習、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”和先進算法等組成的技術支持和技術群的概念，它們都是以數(shù)據(jù)、信息和知識三大資源為基礎的技術。

通過對人工智能技術的詳細分析，我們認為人工智能技術的元功能是海量記憶、高速運算、深入觀察、精確推理、深度學習。在此基礎上上升一個層次，元應用是數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、規(guī)律發(fā)現(xiàn)、最優(yōu)決策、知識開拓、智能創(chuàng)意[8]。其基礎應用包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分類、識別圖像、聽辨音頻、觀看視頻、理解文字、語言翻譯、構建模型、智能推送[9]。通過分析人工智能在教學系統(tǒng)中的應用，我們認為人工智能在教育系統(tǒng)中的應用分為兩個層次。教育基礎應用層：教學教法、備課答疑、訓練練習、考試考核、測量評價、教務管理、資源開發(fā)、制度法規(guī)、心理支持等。教育高端應用層：教師助教、技能教練、學習伴侶、智能學習平臺、智能教學資源庫、智能閱卷測評、智能出題解題、智能備課、智能創(chuàng)作、心理輔導員、智能班主任、學習生態(tài)管理、人生學習規(guī)劃、游戲化學習陪伴、個人健康顧問、交流展示平臺等。它們都是符合以上分析中所說的“三性”檢驗標準和元模塊抽象原則的。

2.元模塊的體系構建。元模塊體系包括人工智能技術的三個元模塊層次，加上對教育系統(tǒng)的兩個元模塊教育應用層次，共五個層次，如圖3所示。此圖僅反映各元模塊的分類和五個層次的分布情況，它們之間不存在位置權重和隸屬關系。

3.元模塊體系的特征分析。該體系具有兩個特點：一是基礎性，它在每一個層次中都是最基礎的，這是對人工智能技術和教育系統(tǒng)細致分析的結果。二是時效性。它是一定時期下選出的，隨著技術進步，關于人工智能的三個層次的模塊可能有變化。隨著對教育系統(tǒng)在信息化和數(shù)字化道路上的發(fā)展進化，其對應的兩個層次的模塊，也必然有新變化和新發(fā)展。

三、基于元模塊法構建人工智能的教學應用模型

（一）人工智能模塊化教學應用模型構建的總指導思想

模塊法構建教學應用模型的總指導思想是，通過元模塊法建立一套符合教育教學規(guī)律和融合人工智能技術的，簡潔的、標準化的、易組合的人工智能技術教學應用模型，它們是分層次的、可復制、可疊加、可升級的構件，然后由它們拼裝起具有廣泛應用價值的人工智能教學模型，這是模型設計的模塊化思路。其教學設計原則是：理論上重視：以建構主義學習理論為主，關聯(lián)主義理論分支補充其中。人性上重視：以學習者為中心，實施個性化學習，追求因材施教。技術上重視：以技術整合理論為本，特別關注教育與技術雙向深度整合。資源上重視：知識的本位，注重知識的有效遷移、交叉融合，特別鼓勵探索與創(chuàng)新。行為上重視：程序本位，運用面向對象的方法，對全過程行為進行細致的學習分析。目標上重視：以綜合學習設計理論為指導，其特點是面向完整任務，整合不同學習領域的目標（陳述性或概念性領域，程序性或技能性領域，情感性或態(tài)度性領域），實現(xiàn)有意義的綜合學習過程。

（二）人工智能模塊化教學應用模型構建的路線圖

人工智能技術模塊化教學應用模型的路線圖如下頁圖4所示，它是我們實施元模塊法構建教育系統(tǒng)的總思路。為了使人工智能深入介入設計的教育系統(tǒng)模型，根據(jù)我們對智慧教育系統(tǒng)已有的研究成果，要求系統(tǒng)具有智慧教育“四自”原則（即自適應、自組織、自激勵、自探索）的機制[10]，這在總的指導思想中也有體現(xiàn)。我們按照路線圖最終搭建起完整的適合教學應用的系統(tǒng)模型。

（三）基于元模塊法構建人工智能的教學應用模型

現(xiàn)代遠程教育體系是在數(shù)字技術和互聯(lián)網(wǎng)技術基礎上發(fā)展起來的，數(shù)字流貫穿整個教育系統(tǒng)，它形成了數(shù)字流框架。這方面的研究成果已經(jīng)很多了，如姜強等詳細設計了支持自適應特性的大型教育系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程[11]。人工智能背景下的智慧教育和智慧師訓體系如果具有“四自”特性，數(shù)據(jù)流框架會復雜一些，但是功能也會更強加大。

按照前述指導思想，把人工智能的元模塊體系和數(shù)據(jù)流框架組織起來，就得到了基于元模塊法構建人工智能技術下模塊化的教學應用模型，如圖5所示。它符合人工智能技術模塊化教學應用設計的總指導思想，它是多樣的、可變化的、可升級的、有可操作性，而且是標準化、簡潔性、易組合的，它可支撐強大的系統(tǒng)功能，是可以有效地服務于智慧教學目標。

四、元模塊法構建的人工智能教學應用模型的應用優(yōu)勢

（一）模塊化教學生態(tài)系統(tǒng)具有靈活性

針對迅速進步的在線教育，業(yè)界提出了“彈性教學”概念。黃榮懷提出了七個關鍵因素：流暢的通信平臺、適切的數(shù)字資源、便利的學習工具、多樣的學習方式、靈活的教學組織、有效的支持服務、密切的政企校協(xié)同[12]，這些因素可以實現(xiàn)不同的組合形式，如政府主導型、學校組織型和社會服務型，這些類型將在不同情境下靈活發(fā)揮作用，表現(xiàn)出高度的靈活性。

本文提出的元模塊法構建的教學生態(tài)模式，就是實現(xiàn)這個彈性教學思想的具體途徑。模塊化方法可以方便的組合出各種教學類型的五個關鍵要素：彈性的時間安排、靈活的學習地點、重構的學習內(nèi)容、多樣的學習方法、多維的學習評價。還有相應的五個輔助要素：適合的學習資源、便利的學習空間、合理的技術運用、有效地學習支持、異質(zhì)的學習伙伴。這“五主五輔”要素就實現(xiàn)了教學系統(tǒng)靈活性。

（二）模塊化教學生態(tài)系統(tǒng)具有高效性

我們?yōu)槿斯ぶ悄芗夹g建立了一個模塊化的結構，它是由一系列的元功能和元應用組成，它可以按照需要被集合和組成一些功能性的集團，這些功能集團是相對穩(wěn)定的，可以用來完成既定的教學任務。布萊恩·阿瑟（Brian Arthur）認為“將技術的構件模塊化可以更好地預防不可知的變動，同時還簡化了設計過程”[13]。由于簡化了變動設計后的復雜重組過程，設計者就獲得更大的使用靈活性，就更容易讓它們互相組合，以不同的角色共同服務于一個整體目標，這體現(xiàn)了高效性。模塊化簡化了智慧教學生態(tài)系統(tǒng)的設計過程，當模塊被反復利用并且使用的次數(shù)足夠多的時候，更加覺得模塊法的方便、高效和低成本。

（三）模塊化教學生態(tài)系統(tǒng)具有先進性

根據(jù)科技部新一代人工智能發(fā)展研究中心發(fā)布《智能教育創(chuàng)新應用發(fā)展報告》[14]，我們定性的畫出元功能的技術成熟度和技術適配性對人工智能教學應用影響的定性規(guī)律，以教育基礎應用為例，畫出表現(xiàn)其發(fā)生發(fā)展的示意圖，如圖6所示。人工智能技術是高速進步的先進技術，其技術適配性和技術成熟度必然迅速提高，由其抽象出的元功能也必然高速進步，依托這些快速進步的元功能，元模塊構建的智能教學模型和其各種應用必然也具有進步性。

五、元模塊法應用于教學系統(tǒng)的理論價值和實踐探索

（一）元模塊法構建人工智能教學應用模型的理論價值

1.促進了結構化教學設計理論的發(fā)展。用元模塊法進行教學設計，由于元模塊的獨立性和分層次設計，使得它形成的教學系統(tǒng)是結構化的，只需各種模塊的重新組合和適當增減，就可以組成新的系統(tǒng)，系統(tǒng)的適應性和經(jīng)濟性肯定上了一個新的臺階，結構化教學設計理論在其中必然誕生和發(fā)展。

2.促進了模塊化大型教學生態(tài)系統(tǒng)設計理論的發(fā)展。元模塊方法構建的智能化的學習生態(tài)系統(tǒng)直觀地對應程序設計的各種各層的“對象”，便于大型程序的設計、開發(fā)和調(diào)試。這種實踐必然同時推動了大型程序設計理論發(fā)展。

（二）元模塊法構建人工智能教學應用模型的技術價值

1.直接反映人工智能技術如何賦能各教學環(huán)節(jié)。教育技術發(fā)展到今天，特別強調(diào)技術向教學系統(tǒng)賦能。元模塊化方法根據(jù)不同的教學目的，組裝適應各種教學目的應用系統(tǒng)時，直接揭示出如何向教學的每一個環(huán)節(jié)賦能，明確了向哪里賦能，賦哪些具體的“能”。促進了人工智能向教學備課、教學講授、練習訓練、測試考評、教學管理、人文培養(yǎng)等方面的升級應用。

2.有力促進了人工智能與教學系統(tǒng)雙向整合。教育技術界存在一個著名的喬布斯之問，它質(zhì)疑信息技術在教育領域的應用效果。元應用模塊法可以從根本上促進了技術與教育的雙向整合，不同方式組合的技術模塊可以隨時方便地進行技術應用調(diào)整，使技術與教育從應用性整合、工具性整合、單方面的整合，發(fā)展為融合性的整合、交互式的整合、雙向的整合。

（三）元模塊法在智慧教學中的實踐探索

根據(jù)《教育信息化2.0行動計劃》部署，廣州市廣播電視大學參與廣州市的“智慧培訓工程”和“協(xié)同創(chuàng)新工程”。智慧培訓工程依托廣州市級教師發(fā)展中心建設和教師信息技術提升2.0工程，充分融合新技術、新媒體和新網(wǎng)絡，旨在創(chuàng)建了一個國內(nèi)領先、具有示范意義的泛在教師智慧研訓空間，促進優(yōu)質(zhì)教育教學資源共建、共用、共享，形成“互聯(lián)互通”的智慧師訓學習生態(tài)，打造教師協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展的長效機制[15]。

廣州市中小學教師繼續(xù)教育網(wǎng)服務于廣州市的教師培訓和專業(yè)成長，為適應業(yè)務高速增長的實際情況以及未來發(fā)展規(guī)劃，充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能技術，將“廣州市中小學教師繼續(xù)教育網(wǎng)”升級為“廣州市中小學教師繼續(xù)教育網(wǎng)云”，打造智慧培訓的網(wǎng)絡平臺[16]。教師通過智慧師訓學習生態(tài)實現(xiàn)基于元功能和元應用基礎上的教育基礎應用的模塊（如教學教法、備課答疑、訓練練習等），改革教學模型，創(chuàng)新教法實踐，例如翻轉課堂就是針對教學教法的創(chuàng)新性改革模式。通過智能學習平臺、網(wǎng)絡研修社區(qū)、名師工作坊等搭建教學教法、備課答疑、資源開發(fā)的共享、共建，通過智能備課平臺、智能交流研修平臺、名師面對面平臺，幫助教師從“教學新手”成長為“技術熟練者”。

基于人工智能在數(shù)據(jù)發(fā)掘、規(guī)律發(fā)現(xiàn)、知識開拓等方面的元應用，可高效實現(xiàn)師生的訓練練習、考試考核、測量評價等模塊，形成可隨時提取更新的智能化題庫，可以完成滿足學生個體的有針對性的考試考核，搭建起智能測評評價體系。“智慧課室”通過對課堂教學活動，包括語音、圖像、交互等行為進行實時的數(shù)據(jù)提取和分析，形成教師課堂教學分析報告，為教師進行教學反思和教研分析提供數(shù)據(jù)支持，幫助教師成為“教學反思者”，有利于教師專業(yè)發(fā)展。中小學學?？衫迷獞玫淖顑?yōu)決策、智能創(chuàng)意、模式識別等實現(xiàn)學校的教務管理智能化、制度法規(guī)民主、有效和高效，推進了智能化校園的建設。

理論分析和我們的教學實踐都表明；這種結構化應用模型在人工智能賦能各教學環(huán)節(jié)、人工智能技術與教育的雙向整合、促進受教育者全面發(fā)展等方面都有良好的運用前景。由于人工智能在教學中的應用正在飛速的發(fā)展，新的運用思想，新的運用模式，新的運用工具層出不窮，要求相應的教學環(huán)境和教學平臺必須不斷的調(diào)整和升級跟進。元模塊法構建的教學模型具有靈活的可組裝性，可以用較低的成本實現(xiàn)不斷地升級更新，因此它在更新速度十分迅速的人工智能教育應用和教師繼續(xù)教育中，都具有廣泛的應用前景。

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作者簡介：

曾海：副教授，碩士，研究方向為遠程教育、教育信息化、教師繼續(xù)教育。

王竹青：副教授，碩士，研究方向為教師專業(yè)化發(fā)展、遠程教育。

邱崇光：教授，研究方向為教育技術、教師繼續(xù)教育。

A Study on Building a Model of Artificial Intelligence Teaching Application Based on Metamodule Method

Zeng Hai， Wang Zhuqing， Qiu Chongguang（College of Teacher Education， Guangzhou Open University， Guangzhou 510091， Guangdong）

Abstract： Research on the application of artificial intelligence in education theory and practice has become an important element for education upgrading. However， its application in the teaching system is mostly empirical and lacks systematicity， completeness and extensibility. The content of its application examples is mostly scattered and not yet a clear system and structured application model. This paper proposes the concept of “Meta-module” based on Systematic Theory and “Metacognition” Theory， combined with the theoretical logic system of the nature of technology. On the basis of “Meta-module”， this paper studies five meta-functions and six meta-applications of AI and its basic application system， and apply them to the basic application and the high-end application modules in education. Under the guidance of the teaching design idea derived from the research， an artificial intelligence teaching application model based on Meta-module Method is constructed. The Meta-module Method and its Artificial Intelligence Modular Teaching Application Model have the advantages of flexibility， efficiency and advancement. This paper has looked forward to the theoretical value and good application prospect of this model in the aspects of empowering various teaching links， the two-way integration of AI technology and education， and promoting the all-round development of the educated.

Keywords： Artificial Intelligence； meta-module； meta-function； meta-application； teaching system； teaching model

收稿日期：2021年9月27日

責任編輯：邢西深