科大研究揭示AI教师课前互动堪比真人教师　有助提升学生大脑同步及学习成效

全球数以百万计的学生长期透过独自观看预录视频进行学习，这种学习模式一直是世界各地大型公开网上课程（MOOC）及大型线上课程的基础。新冠疫情爆发以来，社会对线上视频教学的依赖显著加深，学习人数大幅上升，惟学生的学习参与度及整体学习成效却普遍出现下降，引发学界对线上学习模式成效的广泛关注。

香港科技大学（科大）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教授领导的研究团队发现，学生在观看线上教学视频前，若先与授课教师（不论是真人还是人工智能［AI］教师）进行简短对话（8至10分钟），可有效促进学生的大脑活动同步，提升整体学习效果。

真人教师与AI教师可达致相若的学习成效，但其所涉及的神经处理路径并不相同。人际互动同时启动认知鹰架的构建及强烈的社会情感处理，并透过视线同步加以调节；而AI互动则主要支持由上而下的认知处理。研究显示，无论由AI或由人类教师主导的课前互动，在记忆、理解及知识传递三个层面上，学习成效在统计上并无显著差异。

相关研究成果于国际学术期刊《Neuron》发表，题为〈Scaffolding human and AI instruction: neural alignment and learning gains in online education〉，首次从神经科学层面提供实证，显示AI教师在提升网上学习成效方面，可媲美真人教师。

研究方法

研究团队招募了57名大学生，并将他们随机分为三组进行实验：

• 第一组（无互动组）：按照常规方式直接观看14分钟的视频课程，课前没有进行任何师生互动；
• 第二组（真人教师互动组）：在观看视频课程前，先与真人教师进行约8至10分钟的简短对话；
• 第三组（AI教师互动组）：与一名外观和声音均高度接近真人的AI教师进行相同时长的简短对话。该AI教师以GPT-4生成式AI模型为基础，具备语音识别、内容生成、语音合成及头像动画等功能。学生清楚知道自己正在与AI教师互动。

全部三组学生随后在磁力共振扫描器内观看相同的14分钟视频课程，研究团队同步记录三组学生的眼动及大脑神经反应数据，并比较其课后学习成绩。

研究结果

研究结果相当显著。无论是与真人教师还是AI教师交流过的学生，在随后观看视频课程时，其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均呈现更高程度的同步性。在记忆、理解能力及知识传递三个层面上，两组学生之间皆未观察到明显差异。

相较之下，未曾在课前与教师进行社会互动的学生则并未出现上述神经活动模式，其学习成效也明显不如曾进行课前互动的学生。

李教授解释：“研究显示，真人互动组与AI互动组的学生，在学习过程中展现出相近似的大脑活动模式，且在学习成效上，尤其是在理解较具挑战性的题目时，两组学生的表现均明显优于未进行课前互动的学生。这显示，社会互动——即使只是短暂、且由AI促成——也能从根本上影响大脑为学习作好准备的方式。”

殊途同归

尽管AI互动带来的学习成果与真人互动相当，但研究也发现两者仍存在一些差异。与AI互动的学生，其感知到的社会亲近感较低，并且在听课过程中视线专注程度也较低。然而，这并未影响他们的学习效果。

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的脑区出现神经活动同步，而眼动追踪数据则显示出视线专注的情况。尽管学生主观上表示与AI教师的社会亲近感较低，其视线专注亦相对较弱，但其整体学习成果与接受真人教师互动的学生同样出色。

研究结果显示，AI毋须完美复制真人互动，亦能发挥良好的教学效果；只要具备足够的社会情感回应能力，并结合其在知识检索与个人化学习方面的运算优势，已足以有效支援学生学习。

此项研究其中一项尤为新颖的贡献，是揭示了眼球运动、大脑活动与学习成效之间的多阶段、互为影响的层级关系。研究团队将此称为“眼—脑—行为”对应关系。

曾与真人教师进行课前互动的学生，在视频课堂中展现出更高度一致的视觉专注力分配，他们在上课期间的视线移动方向与注视模式，不论是在学生彼此之间，还是与教师之间，均呈现出更为协调一致的表现。进一步的统计分析显示，这种共享的视觉专注力，会透过颞上沟的脑间同步性转化为更佳的学习成效。该脑区是负责社会感知与语言处理的重要神经枢纽。与此同时，作为默认模式网络核心节点的后扣带皮层，亦显示出显著的脑间同步性。这种同步性透过由上而下的机制，引导学生形成协调一致的专注行为，从而促进学习效果。

论文第一作者、科大博士后研究员彭颖滢博士指出：“研究揭示了认知历程与大脑运作之间的双向作用机制。当学生将专注力集中在相同的学习内容上时，其大脑神经活动同步性会随之提高，而这种同步的大脑活动又会进一步促进专注力资源分配的一致性。两者相互强化，共同支撑学习历程的有效运作。”

对教育的意义

这项研究揭示，学生可通过多个不同途径提升线上学习的成效。与真人教师互动透过视觉专注力的一致性让学生投入认知资源和社会情感共鸣；而AI教师互动则更大程度上支持自上而下的认知加工，并在一定程度上提供了社会情感层面的支持。

李教授指出：“这预示着教育的社会及情感功能即将迈向重大转变。即使是AI教师，也能停下来，察觉学生的细微反应，并作出关切而即时的回应。如果人类沟通的这些细微举动能够成功融入AI赋能的教学系统，将有助学生在数字课堂中学习，让学生切实感受到被看见、被听见、以及建立真实的社会情感的可能。”

随着AI持续高速发展，深入了解AI如何塑造人类的认知历程与大脑功能，以及人类大脑如何适应AI，将对发展可扩展且兼具社会情感内涵的学习环境至关重要。这亦有助确保AI能用以增强、而非取代以人为本的主动学习模式。