可扩展的AI互动模式有助于提升线上学习成效

香港科技大学人文社会科学学院院长兼心理学及认知科学讲座教授李平带领的研究团队，首次从神经科学层面证实，人工智能（AI）教师在提升线上学习成效方面可与真人教师相媲美。近日，相关成果发表于《神经元》。

论文通讯作者李平对《中国科学报》表示，其团队研究发现，学生在观看线上教学视频前，若与授课教师（真人或AI教师）进行8至10分钟简短对话，能有效促进大脑活动同步，提升整体学习效果。

李平（右）与彭颖滢合影。研究团队供图，下同

长期以来，全球众多学生依靠独自观看预录视频学习，这是大型公开网上课程及大型线上课程的基础模式。新冠疫情爆发后，线上视频教学依赖加深，学习人数大增，但学生学习参与度和整体成效却普遍下滑，引发学界对线上学习模式成效的关注。

研究发现，真人教师与AI教师虽学习成效相近，但神经处理路径不同。人际互动会同时启动认知鹰架构建和强烈社会情感处理，并由视线同步调节；AI互动则主要支持由上而下的认知处理。统计显示，无论AI还是人类教师主导的课前互动，在记忆、理解及知识传递层面，学习成效无显著差异。

为进一步探究，研究团队招募57名大学生，随机分为三组实验。无互动组学生按常规直接观看14分钟视频课程，无课前师生互动；真人教师互动组学生在观看视频前，与真人教师进行约8至10分钟简短对话；AI教师互动组学生则与一名外观和声音高度接近真人的AI教师进行相同时长的对话。该AI教师基于GPT-4生成式AI模型，具备语音识别、内容生成、语音合成及头像动画等功能，学生清楚知晓与AI互动。实验中，三组学生均在磁力共振扫描器内观看相同视频课程，研究团队同步记录眼动及大脑神经反应数据，并比较课后学习成绩。

相关学生实验示意图。

研究结果显著。与真人或AI教师交流过的学生，在观看后续视频课程时，大脑中负责信息处理、认知资源分配和社会情感反应等区域的神经活动同步性更高。在记忆、理解能力及知识传递层面，两组学生无明显差异。而未进行课前社会互动的学生，未出现上述神经活动模式，学习成效也明显较差。

李平解释，真人互动组与AI互动组学生，学习过程中大脑活动模式相近，且在理解较具挑战性题目时，表现均优于未课前互动的学生。这表明，即便短暂且由AI促成的社会互动，也能从根本上影响大脑为学习做准备的方式。

尽管AI互动学习成果与真人互动相当，但仍有差异。与AI互动的学生，感知到的社会亲近感较低，听课视线专注程度也较低，不过这并未影响学习效果。两组接受过课前互动学生的脑部影像显示，AI互动组在信息处理、认知控制及社会情感相关脑区出现神经活动同步，眼动追踪数据也显示视线专注情况。虽学生主观社会亲近感低、视线专注弱，但整体学习成果与真人教师互动组同样出色。

这表明，AI无需完美复制真人互动，具备足够社会情感回应能力，结合知识检索与个性化学习运算优势，就能有效支持学生学习。此项研究的新颖贡献在于，揭示了眼球运动、大脑活动与学习成效间的多阶段、互为影响的层级关系，即“眼-脑-行为”对应关系。

曾与真人教师课前互动的学生，视频课堂中视觉专注力分配更一致，视线移动方向与注视模式在学生间及与教师间更协调。进一步统计分析显示，这种共享视觉专注力通过颞上沟脑间同步性转化为更佳学习成效，该脑区是社会感知与语言处理的重要神经枢纽。同时，作为默认模式网络核心节点的后扣带皮层，也显示出显著脑间同步性，通过由上而下的机制引导学生形成协调专注行为，促进学习效果。

论文第一作者、香港科技大学博士后彭颖滢指出，研究揭示了认知历程与大脑运作的双向作用机制。学生专注相同学习内容时，大脑神经活动同步性提高，进而促进专注力资源分配一致性，两者相互强化，支撑学习历程有效运作。

该研究揭示，学生可通过多种途径提升线上学习成效。与真人教师互动通过视觉专注力一致性让学生投入认知资源和社会情感共鸣；AI教师互动则更多支持自上而下的认知加工，并提供一定社会情感支持。

李平认为，这预示教育社会及情感功能将迎重大转变。AI教师若能融入人类沟通细微举动，将有助于学生在数字课堂学习，让学生感受到被关注，建立真实社会情感连接。

随着AI发展，深入了解其如何塑造人类认知历程与大脑功能，以及人类大脑如何适应AI，对发展可扩展且兼具社会情感内涵的学习环境至关重要，也有助于确保AI增强而非取代以人为本的主动学习模式。