基于元模块法构建人工智能教学应用模型的研究
作者：曾海 王竹青 邱崇光
来源：《中国电化教育》2021年第11期
        摘要：人工智能在教育理论与实践中的应用研究成为教育升级的重要契入点，但它在教学系统中的应用多是经验性的，缺乏系统性、完备性和扩展性，应用范例内容多是散点状分布，还没形成明晰的体系和结构化的应用模型。该文基于系统论和“元认知”理论，结合技术本质的理论逻辑体系，提出“元模块”概念，在此基础上研究人工智能的五个元功能、六个元应用及其基础应用体系，并应用到教育基础应用和教育高端应用模块中。根据研究出的教学设计指导思想和路线图框架下，构建了基于元模块法的人工智能教学应用模型。元模块方法及其建立的人工智能模块化教学应用模型具有灵活性、高效性、先进性的优势，借此，展望了这种模型在赋能各教学环节、人工智能技术与教育的双向整合、促进受教育者全面发展等方面的理论价值和良好应用前景。
        关键词：人工智能；元模块；元功能；元应用；教学系统；教学模型
        中图分类号：G434 文献标识码：A
        本文系广东教育科学“十三五”规划2020年粤港澳大湾区国际教育示范区建设专项“新技术赋能湾区乡村教师协同创新发展智慧生态的实践研究”（项目编号：2020WQYB011）研究成果。
        目前，人工智能在教育理论与实践中应用研究呈爆发式增长，成为教育升级的重要契入点。智能化学习环境助力了智能化教学策略的实施，展现了技术的先进性。但人工智能在教学系统中的应用多处于经验性探索阶段，不利于人工智能技术在教育中的深入应用。主要体现为：一是缺乏系统性。目前的应用范例内容多是专家经验和教师应用心得，在教学各领域中的应用多是散点状分布，没有形成明晰体系，更没有上升为结构化的应用模型。二是缺乏完备性。即不明确现有的应用成果是否全面合理，是否有遗漏，是否有重复，也不知还有多少发展空间。三是缺乏扩展性。具体应用如发生变化或升级就需要把教学系统推倒重来，效率低下。总之，缺乏系统性的研究探索是很难实现有规模有效率的向深层次发展的。
        本文基于系统论和“元认知”概念和方法，结合技术本质的理论逻辑体系，推导出人工智能的元功能、元应用，并向教育领域的基础应用和高端应用层面延伸，通过系统性和结构化方法，实现模块化方法搭建教学应用模型的目的。作为构建先进教学模型的理论出发点，本文下面将对现有教学设计理论进行全域概览并条理化。
        （一）教学系统的主要内容
        教学设计理论和方法都是针对教学系统的。为了将教学设计理论条理化，可以将教学系统主要内容进行分析，然后按主要内容组织教学设计理论体系。我们认为教学系统可抽象分为指导理论、学习者、教育技术、学习行为、信息资源、教学目标等主要内容，其间存在一定的相互作用，如图1所示。
        （二）现代教学设计理论的主要流派
        教学设计是根据课程标准的要求和教学对象的特点，将教学诸要素有序安排，确定合适模块化教学
的教学方案的设想和计划。一般包括教学目标、教学重难点、教学方法、教学步骤与时间分配等环节[1]。教学模式是在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构框架和活动程序[2]。它是从宏观上把握教学活动整体及各要素之间内部关系的一种稳定状态。以前述教学系统的主要内容为核心，梳理出现代教学设计理论的主要流派。
        1.理论本位。即教学设计理论的理论指导，主要包含基本学习理论和其他理论。学习理论主要有行为主义、认知主义、人本主义、建构主义、关联主义等理论[3]。其他理论主要有复杂系统论、教育心理学理论、组织行为学理论等。
        2.人本位。即教学设计理论的学习者，主要是指学习要因材施教，注重个性化，强调以学习者为中心，教学设计重视个性化发展[4]。
        3.技术本位。即教学设计理论的教育技术应用，主要包含技术工具化理论和技术整合理论。前者是由一系列的技术以各种工具形式的使用来实现，后者是由技术和所运用系统的相应改造和双向整合来进行。
        4.知识本位。即教学设计理论的信息资源运用，主要包含知识组织迁移理论和知识融合
创新理论，是指面向知识，落实于资源，由对一系列包含知识的资源进行迁移、交叉、融合等各种教学操作。
        5.程序本位。即教学设立理论的学习行为，主要包含面向过程理论和面向对象理论。前者是指教学由一系列行为有序组成，后者指教学是一系列對象的有序集成。
        6.目标本位。即教学设计理论的教学目标，主要包含目标教学设计理论和综合学习设计理论。前者的核心概念是将教学目标分割化和单元化，后者的核心概念是教学目标整体化推进，具有全局性优势。
        综上，教学设计理论的主要流派概况及关系表达如图2所示。
        人工智能技术的兴起，教学理念、教学内容、教学手段等都会发生重要变革，呼唤着教师全面提升教学设计能力和水平。根据人工智能对先进性和适配性的要求，我们在构建人工智能模块化教学应用模型时，可综合教学设计理论主要流派的各自优势特点和适合性进行指导：以建构主义和关联主义学习理论为指导，以学习者为中心落实人本位思想，力求实现教育与技术的双向融合，支持知识的有效迁移、交叉和融合，采取面向对象的方法，在目标牵引学习分析时实施综合学习设立理论，实现有意义的综合学习。因此，人工智能应用于教学设计的模块化思路就这样可以确定下来。
        （一）教学设计的模块化思路和原则
        开放性、自组织性、复杂性，整体性、关联性等是所有系统的共同的基本特征。模块化设计的指导思想是基于系统论，从整体出发研究系统整体和组成系统整体各要素的相互关系，从本质上说明其结构、功能、行为和动态，以把握系统整体，达到最优的目标[5]。具体方法上，我们借用“元”的概念来实现模块化。美国心理学家J·H·弗拉维尔（John H.Flavell）提出“元认知”概念，认为元认知是指一个人所具有的关于自己思维活动和学习活动的认知和监控，其实质就是对认知的认知，是认知活动的核心，在认知活动中起着重要作用[6]。美国
著名技术思想家布莱恩·阿瑟（Brian Arthur）在《技术的本质：技术是什么，它是如何进化的？》中指出：“我们现在已经为技术建立了一个共同的结构，即它们是由零部件组成的组件系统或模块。其中一部分形成了核心集合，其他部分行使支持功能，它们自己可能还有子集合和次级零部件”[7]。
        我们以系统论和元认知的主要概念和思想作为理论依据，结合技术本质的理论逻辑体系，提出“元模块”概念。元模块是一个体系，包括元功能、元应用和一系列逐步升级的应用模块。人工智能技术的元功能是技术中最基础的技术，人工智能的元应用是它的各种应用中最基础的应用。经分析研究，我们认为这些元模块具有如下“三性”：基础性，是不可再分的；可组织性，可叠加、可多层次组合；开放性，是可升级可变化的。这些也是我们确定元模块的检验标准。同时抽象出元模块的总原则是：模块数量最小化，模块覆盖最大化。
        （二）元模块的体系构建
        1.各层次元模块的确定。本文所指的人工智能技术主要是指由机器学习、深度学习、大数据、数据挖掘、云计算、“互联网+”和先进算法等组成的技术支持和技术的概念，它们都是以数据、信息和知识三大资源为基础的技术。
        通过对人工智能技术的详细分析，我们认为人工智能技术的元功能是海量记忆、高速运算、深入观察、精确推理、深度学习。在此基础上上升一个层次，元应用是数据挖掘、模式识别、规律发现、最优决策、知识开拓、智能创意[8]。其基础应用包含数据采集、数据分类、识别图像、听辨音频、观看视频、理解文字、语言翻译、构建模型、智能推送[9]。通过分析人工智能在教学系统中的应用，我们认为人工智能在教育系统中的应用分为两个层次。教育基础应用层：教学教法、备课答疑、训练练习、考试考核、测量评价、教务管理、资源开发、制度法规、心理支持等。教育高端应用层：教师助教、技能教练、学习伴侣、智能学习平台、智能教学资源库、智能阅卷测评、智能出题解题、智能备课、智能创作、心理辅导员、智能班主任、学习生态管理、人生学习规划、游戏化学习陪伴、个人健康顾问、交流展示平台等。它们都是符合以上分析中所说的“三性”检验标准和元模块抽象原则的。
        2.元模块的体系构建。元模块体系包括人工智能技术的三个元模块层次，加上对教育系统的两个元模块教育应用层次，共五个层次，如图3所示。此图仅反映各元模块的分类和五个层次的分布情况，它们之间不存在位置权重和隶属关系。

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