ChatGPT与数字孪生教师融合：模型、应用及反思

Integration of ChatGPT and digital twin teachers: model, application and reflection

摘要

在人工智能、大数据及虚拟现实等技术快速发展的时代，个性化教学的需求愈加迫切。ChatGPT与数字孪生技术作为新型人工智能技术，使大规模个性化教学成为现实。基于此，文章探索了ChatGPT与数字孪生教师融合的可行性，构建包括人体形象、情感支持、动作控制、智能代理四个模块的ChatGPT与数字孪生教师融合模型，分析此融合模型在教学、教研、管理、评价四个场景的应用，进而设计乡村教学场景应用框架。最后，探讨ChatGPT与数字孪生教师融合模型在教育领域面临的技术、情感和伦理挑战，提出未来ChatGPT与数字孪生教师融合模型应用可从合理运用技术、促进情感交互、恪守伦理规范三个方面进行改进，以保证该融合模型应用于教学的可行性，从而推动教学个性化，拓展其在教育领域的应用与创新。

Abstract

In the era of rapid development of technologies such as artificial intelligence, big data and virtual reality, the need for personalized teaching is becoming more and more urgent. ChatGPT and digital twin technology, as a new type of artificial intelligence technology, make personalized teaching a reality on a large scale. Based on this fact, this paper explores the feasibility of the integration of ChatGPT and digital twin teachers, constructs a ChatGPT and digital twin teacher fusion model including four modules such as human image, emotional support, action control, and intelligent agency, analyzes the application of this fusion model in four scenarios including teaching, teaching and research, management, and evaluation, and then designs the application framework of rural teaching scenarios. Finally, the technical, emotional and ethical challenges still faced by ChatGPT and digital twin teacher fusion model in the field of education are discussed, and it is proposed that the future application of ChatGPT and digital twin teacher fusion model can be improved from three aspects including rational use of technology, promotion of emotional interaction and adherence to ethical norms, so as to ensure the feasibility of the fusion model, promote teaching personalization and expand its application and innovation in the field of education.

Graphical abstract

关键词

ChatGPT / 数字孪生教师 / 个性化教学 / 人机交互 / 虚拟现实

Key words

ChatGPT / digital twin teachers / personalized teaching / human-computer interaction / virtual reality

党的二十大报告提出了“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”^[1]。人工智能与教育的深度融合发展是教育数字化转型的现实选择，也是推动大规模个性化教学的重要路径。目前，虚拟教师协助真人教师开展个性化教学，形成“人师+机师”双师课堂，解决师资匮乏困境。但一些有社交焦虑的学习者在与虚拟教师互动时，可能会因为不熟悉虚拟教师的面孔而感到紧张不安。从而影响学习者的学习效率。有关虚拟教师的研究更多集中于其智能性、交互性和语音对话的开发与使用等方面，对其形象（外貌、动作、眼神等）与声音进行逼真塑造的研究较少。数字孪生教师作为虚拟教师的引申出现，在虚拟教师基础上集成能够实时模拟真实人物的形象、声音和教学功能的技术实体，学习者可以根据自身喜好选择数字孪生教师形象，如设置为自己喜爱的教师、科学家、明星等。数字孪生教师可以较好地消除学习者面对陌生面孔时的焦虑心理，但因其延用虚拟教师的知识库，该知识库系统中的知识表达、推理能力及知识服务技术仍存在一些问题，对学习者的一些个性化问题不能做到精准回复，无法满足学习者的个性化学习需求，在个性化服务方面仍有待完善。而生成式大语言模型ChatGPT通过大数据、大算力和强算法的支撑，能对学习者作出个性化指导，较好地满足学习者的个性化学习需求。

因此，将ChatGPT与数字孪生教师知识库相融合，不仅能消除学习者的焦虑心理，提供一对一辅导，解决教学个性化服务困境，还能进行高效教研、智能管理和精准评价，满足教学、教研、管理、评价等领域的需求。

1 ChatGPT与数字孪生教师融合应用的可行性

数字孪生教师在不同阶段被冠以不同名称，其概念起源于20世纪50年代的计算机辅助教学（computer-assisted instruction，CAI），该时期的CAI主要采用“程序教学”，也就是把教学内容和教学策略等结合在一起编制顺序执行的计算机程序^[2]，学习者通过与计算机交互开展学习，其运行的具体流程事先就已确定，知识单向传递，无情感关注，不能根据具体的教学环境与学习者需求进行调整，无法开展个性化教学。这个阶段数字孪生教师的概念还未形成，但已经有学者关注借助计算机呈现教学内容，辅助师生开展教学活动，数字孪生教师开始出现雏形。20世纪80年代，随着人工智能技术的应用，传统CAI系统与人工智能技术相结合，出现了智能CAI（intelligent computer-assisted instruction，ICAI）系统，后被称为智能导师系统（intelligent tutor system，ITS）。该系统模拟人类优秀教师的知识和经验组织教学活动，一般包括知识库、学习者模块、导师模块。智能导师为学习者提供学习指导、帮助和评价，推动个性化教学，相较于CAI系统，ITS系统更具智能性，可实现知识双向传递，但两者交互界面都未有形象化的教师形象。进入21世纪，虚拟现实(virtual reality，VR)、智能代理等技术的快速发展推动了虚拟教师的出现。智能代理技术又称智能体，是一种软件单元，具有高度智能性和自主学习性，可以根据用户定义的准则，主动地通过智能化代理服务器为用户搜集感兴趣的信息，并按照自己所推测的用户意图制订、调整和执行工作计划^[3]。虚拟教师不仅具有智能性与交互性，还能对真实人物形象进行模拟；但虚拟教师形象是事先完成建模、数据录入，不能实时自动更新数据，人物形象仿真度与生动程度稍差一些。

随着数字孪生技术的快速发展，数字孪生教师应运而生。数字孪生是指通过数字化的手段，充分利用多种数据(包括物理模型、运行历史、传感器等)，在虚拟空间中针对物理空间的“实体”创建虚拟仿真模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为^[4]，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程^[5]。数字孪生是实现信息物理融合的有效手段：一方面，数字孪生能够支持制造的物理世界与信息世界之间的虚实映射、双向交互和实时连接，从而形成“数据感知—实时分析—智能决策—精准执行”的实时智能闭环；另一方面，数字孪生能够将运行状态、环境变化、突发扰动等物理实况数据与仿真预测、统计分析等信息空间数据进行全面交互与深度融合，从而增强制造的物理世界与信息世界的同步性与一致性^[6]。相较于虚拟教师，数字孪生模型高保真、高精度的特征使数字孪生教师形象更加生动、逼真。数字孪生教师能够通过实时处理和虚实双向动态交互，模拟物理世界的真实人物外貌、动作、表情、声音等，创建一个与物理世界相对应的数字版本。在教学过程中，使用数字孪生教师来模拟真实教师，可以创建一个逼真的三维教师形象。这种方法有助于减少学习者在面对陌生教师面孔时可能产生的焦虑和不适感，学习者与熟悉的教师形象进行交互能轻松愉快地进入学习状态，有助于提高学习者学习效率；但数字孪生教师延用虚拟教师的智能代理技术，智能代理中的知识库已逐渐不能满足当下学习者个性化学习需求。

将ChatGPT与数字孪生教师的知识库相结合，拓展知识库边界，可以满足学习者个性化学习需求，使大规模个性化教学成为现实。从技术逻辑来看，ChatGPT采用“大数据+大算力+大算法=智能模型”的逻辑，应用“基于人类反馈的强化学习”训练方式，模拟人类情绪和语气，生成一种近乎人类语言模式的回应，是一种语言模型的迭代^[7]。聚焦ChatGPT作为教育技术应用的层面，ChatGPT是无所不知、知无不尽、随时在线且人人可用的“超级教师”^[8]，该特性使以往人工智能在教育中的应用模式从专用走向通用，应用流程从分发走向生成，应用场景从单一走向多元^[9]。ChatGPT作为教育技术应用赋能教育数字化转型，带来知识的智能生产与传播方式的变化，打破了知识获取的时空边界^[10]。同时，教育环境的多变性、教育对象的复杂性等因素也在倒逼ChatGPT重新训练、改进算法、更新知识库，并不断与使用群体进行互动与交流，生成近乎人类的语言模型，使其能更好地适应教育系统对自身多个生态位和多个角色的要求^[11]。将ChatGPT与数字孪生教师的智能代理系统相融合，学习者可以随时随地根据自身需求开展个性化学习、释放个性潜能，有助于学习者全面发展。

2 ChatGPT与数字孪生教师融合模型设计

模拟真实教师形象的数字孪生教师与ChatGPT融合后，具有一系列言语和非言语的元素，可分为人体形象、情感支持、动作控制、智能代理四个模块。从人类反馈中强化学习的ChatGPT和符合学习者学习心理需求的数字孪生教师形象可在一定程度上解决教育资源不均衡、大规模个性化教学等现实问题。基于此，ChatGPT与数字孪生教师融合的模型，如图1所示。

2.1 人体形象模块

数字孪生教师通过模拟真实教师（学习者喜欢的任课教师、科学家、明星等）的形象和声音，给学习者带来亲切感，唤醒学习者情绪动机与学习兴趣，实现学习者与该教师交流的自然性、沉浸性。

OpenSim平台以其消耗成本低、安全系数高、控制完全等特性较适配于数字孪生教师人体形象建模，该人体形象模型建构主要包括人体几何设计与角色形象设计。人体几何设计可以采用层次模型，即由骨骼层、肌肉层、皮肤层组成^[12]。骨骼层位于最底层，是构建数字孪生教师逼真形象的模型基础；肌肉层位于骨骼层和皮肤层之间，作为两者的桥梁，由底层骨骼带动中间肌肉的伸缩，从而带动数字孪生教师面部表情与肢体动作发生相应变化；皮肤层位于最外面，用于模拟皮肤的几何外形。数字孪生教师的角色形象设计通常包括对声音、性别、服饰、外貌等特征的选择，声音可分为中正、亲切、沉稳、温柔等类型。

可通过OpenSim平台可建构两类教师模型。第一类是根据学习者喜爱的任课教师、明星、科学家等人物形象，构建人体形象相同的数字孪生教师，其目的是为了解决一些学习者在面对陌生教师时出现的紧张、焦虑心理，建构学习者所熟悉的教师面孔以期提高其学习效率、增强学习投入度；第二类是根据大众的审美，构建符合大众审美水平的数字孪生教师人体形象，分为男性和蔼教师、女性和蔼教师、男性标准教师、女性标准教师、男性严肃教师、女性严肃教师六类教师形象，学习者可根据自己的审美需求对角色进行选择与设计，该类人体形象符合大众审美，学习者在学习过程中美感需求得到满足。两类人体形象的建模数据可保存在OpenSim平台数据库中，以便在数字孪生教师人体形象建模时使用。

2.2 情感支持模块

学习者希望在与数字孪生教师交流时能够体验到类似与真人教师交流时的情感。美国心理学家艾帕尔·柏拉别恩从实验中总结出信息传递效果受面部表情与肢体动作、音调和文字的影响，其中面部表情和肢体动作影响程度占55%，可见面部表情是情感交流的直接通道。

在虚拟环境中，数字孪生教师的面部表情作为教学活动中必不可少的情感辅助手段，支持着教学活动的有效开展^[13]。针对不同的研究维度，研究者提出不同的面部表情划分。如孙波等^[14]基于面部特征研究，提出了高兴、惊讶、厌烦、困惑、疲劳、专注、自信等七种特定表情；李小娟等^[15]结合CharacterAPI引擎中自带的功能定义，将面部表情定义为10种，即平静、惊讶、生气、悲伤、微笑、困惑、大笑、提示、眨眼、安慰。该研究结合真实教师在教学活动中的典型表情特征和情感交流特点，将数字孪生教师面部表情分为平静、喜悦、惊讶、期待、困惑、生气、悲伤七类基础面部表情。

目前，基于代数特征、几何特征、运动特征、脑机连接机制和隐马尔科夫模型的识别方法常用于进行表情识别^[16]。数字孪生教师的情感表现可以通过多种技术实现，其中包括使用Wrap 4D软件。Wrap 4D能够处理一系列纹理化的3D扫描，并生成网格序列。该软件通过识别学习者或真实教师的几何特征，从而捕捉他们的面部表情。通过这些捕捉到的数据，建立一个表情数据库，对多维数据进行分析处理，并归纳整理在七类面部表情中。进一步地，可以对学习者的情感状态进行深入的分析，为数字孪生教师提供情感表达的数据支持，实现情感干预和人机之间的自然情感交互。

2.3 动作控制模块

教师的非言语信息直接对教学效果产生显著影响^[17]。研究表明，课堂教学效果82%是通过教师的表情、举止等非语言手段来实现的，只有18%的信息是通过语言行为达到的^[18]。身体姿态语在非语言行为中占据举足轻重的地位，是教师在教学中通过身体姿态的变化以描述和解释教育内容的一种身体语言^[19]。数字孪生教师身体姿态动作的控制有助于情感的支持和信息的传递，其恰当的身体姿态动作有利于增强学习者的人机自然交互性，激发学习者的学习兴趣。

数字孪生教师的身体姿态动作设计包括头部动作、手部动作和目光方向的设计。在头部动作中，点头表示同意，摇头表示否定，同时头部还能向其他方向进行合理转动；在手部动作中，分为方向性手势与意义性手势，方向性手势具有引导作用，意义性手势具有情感指示作用；在目光方向中，分为直视目光和引导目光，直视前方的为直视目光，常用于数字孪生教师表示专注、耐心倾听等状态，而其他目光方位的为引导目光，常与方向性手势同步、同向出现，目光能直接刺激大脑提升情绪唤醒水平，其恰当使用能激活学习者积极的社会交互^[20]。

数字孪生教师动作库通过Mixamo软件建立。Mixamo是Adobe公司出品的免费动作库，该动作库包含了人际交往过程中出现的大部分动作。在Mixamo三维编辑器中将数字孪生教师人体模型设置为“T型”或者“A型”，使用箭头按钮旋转人体模型转至正面朝前，再对其动作进行设置。此外，可通过传感器记录真实教师教学过程中的三维运动信息，将所捕捉到的真实教师动作转换为数据形式并进行分析整理后存于动作库，以便数字孪生教师动作更加丰富、形象和逼真。

2.4 智能代理模块

该模块的设计是构建数字孪生教师模型的关键，智能代理由知识库、规则库、推理库等各代理之间的通信协议组成，可以看作是知识处理的实体，涵盖知识发现代理、规则库应用代理、监督代理、知识库管理代理等功能^[3]。学习者向智能代理提出需求后，这些需求通过通信协作代理传递给知识库，知识库根据需求检索相关信息，并通过推送代理将检索到的结果发送给学习者。如果知识库无法满足学习者的需求，规则库应用代理则会生成搜索规则，再次发送给知识发现代理进行信息检索后，通过推送代理将结果发送给学习者。

数字孪生教师智能代理模块的构建依赖知识库的支撑，但原有知识库系统中的知识表达、推理能力及知识服务技术在个性化支持方面仍存在一些问题。随着生成式人工智能技术的快速发展，ChatGPT作为大语言模型的最新技术物应运而生，它具有强大的自然语言处理、情感分析和文本生成等能力。ChatGPT通过自然语言处理技术，将自身大型语料库与数字孪生教师原有知识库整合，创造全新的大规模生成式知识库。同时，在情感分析技术的支持下，ChatGPT可以通过识别、分析文本的关键词来引导数字孪生教师展现出适当的表情和动作，确保该教师的情感回应更加符合学习者个性化学习需求。因此，智能代理模块在一定程度上控制着动作控制模块和情感支持模块。

ChatGPT也会根据真实教师和学习者的反馈进行不断地更新和优化，以向真实教师和学习者提供更精准、全面和实用的知识，从而促进个性化教学。这种互动形成了一个良性循环，不断推动大规模个性化教学的发展和进步。

3 ChatGPT与数字孪生教师融合模型应用场景分析

3.1 教学场景个性化

教学活动包含教师的“教”和学生的“学”，ChatGPT与数字孪生教师融合，为师生提供一种沉浸、开放的智能教学环境，使得教学个性化成为可能。在教学活动中，教师通常基于自身认知图式与教学经验授课，自身知识储备与精力有限，难以随时顾及课上每一位学生的学习需求。ChatGPT与数字孪生教师融合后能收集、筛选和分析学生的海量学习数据，给教师提供精准信息，为教师开展针对性教学提供基础，辅助教师开展个性化教学；同时，通过数据分析，了解学生的兴趣爱好、学习风格和个性特征，为学生提供个性化学习资源，定制个性化学习路径，满足学生个性化学习需求。ChatGPT与数字孪生教师融合可以解决教师不能一对一、实时动态在场教学和自身知识储备有限的问题，与真实教师形成人机协同教学活动组织模式，以往现实课堂中“千人一面”的教学模式与形态也将随之发生转变。

3.2 教研场景高效化

ChatGPT与数字孪生教师融合，通过网络抓取、人脸识别、行为识别、自然语言处理等技术，伴随式、高密度采集教师教研的心理特征、教研行为和教研成果等数据，对多源数据进行综合聚类分析，实现精准的教师画像。将采集到的教师教研过程数据化、可视化，对教师的教研行为特征进行客观描述与精准分析，不仅有助于提升教师的教研能力，还有助于教育管理者进行循证管理，构建高效的教研场景。例如，通过分析教师精准画像，针对教师各自教研情况，提供教师所需的教研资源，为教师制定个性化的教研计划，协助对开展教研活动具有畏难情绪的教师快速踏入教研领域；同时，发现教研过程中的问题，及时向教师反馈，并辅助教师精准修改，促进教师教研能力提升，以达到高效教研。

3.3 管理场景智能化

ChatGPT与数字孪生教师融合赋能教育正引发教育管理与服务的智能化转变。该融合模型具备数据采集与分析、逻辑推理、自然语言处理、决策干预等智能技术，支撑着学校智能化教育管理。智能技术贯穿学校管理工作的制定、执行、监测、反馈全过程。通过自动采集、统计和分析相关数据，发现影响学校管理工作的显隐性因素和管理过程中的疑难问题，针对影响因素和问题提出高效、精准的干预策略，学校管理者根据其提供的策略对现行管理工作进行调适。同时，辅助学校主管部门开展学校教学业务管理、校园安全保障、后勤服务健全等工作，减少管理工作中繁杂、重复的流程，降低学校管理过程能量消耗，节省人力、物力，提升学校管理工作的系统性、高效性、精准性。

3.4 评价场景精准化

基于ChatGPT的数字孪生教师，通过采集、识别、储存学生的过程性数据，洞察不同数据之间的关联水平，并经过生成式语言模型ChatGPT分析，构建“数据采集—评价诊断—精准干预”的智能评价生态圈。在这一场景中，学生的学习特征、能力倾向、兴趣爱好等数据可被全方位采集，经ChatGPT统计分析后自动提炼可描述其特征和行为的标签集，实现对学生进行画像，为数据驱动的智能评价和教育决策提供基础和支持^[21]，切实践行“以评促教”的评价理念。此外，生成式语言模型所具有的自然语言处理能力，能够分析学生线上线下的作业、讨论等文本，对大量文本进行快速评分，并了解学生的认知方式和思维过程，开展针对性指导与评价。相较于传统的教师人工评分，该评分系统能为学生提供及时、精准反馈，节约教师精力与时间，实现从结果的单一评价方式向过程与结果结合的多元评价方式转变，促进教育评价的科学转型。

4 ChatGPT与数字孪生教师融合模型在乡村教学场景中的应用框架

乡村教育数字化转型作为教育领域的发展目标与难点，如何使数字孪生教师在乡村教育领域发挥优势、与乡村教师协调交互育人、解决乡村教育问题将是当下教育数字化转型关注的重点问题。该研究在ChatGPT与数字孪生教师融合基础上，结合个性化教学应用场景，分析学习者的特征与学习需求，进而设计ChatGPT与数字孪生教师融合模型乡村教学场景应用框架（如图2所示）。该框架主要包括三种应用场景：第一，课前、课后任课教师真实分身进行一对一辅导，助力学生个性化学习；第二，课中塑造数字孪生双师课堂，推动协同交互育人；第三，虚拟仿真博学教师在课前、课中、课后满足学生学习需求，促进学生全面性发展。

4.1 塑造数字孪生双师课堂，推动协同性交互育人

数字孪生双师课堂，即数字孪生教师与双师课堂相结合，实现真人教师与数字孪生教师在课中协同交互育人的新型教学模式。该模式解决了乡村课堂中的部分痛点、难点和重点问题，促进数字孪生教师自身的优化改进和持续学习，乡村教师也有更多时间从事更具解释性、创造性和高价值的工作^[22]，达到1+1>2的教学效果。

一是，实时关注学生学业情绪。良好的学业情绪不仅能增强学生的学习专注力，还能培养学生主动学习的态度。数字孪生教师可以详细记录每个学生课堂动态、学习信息，对所收集到的大量信息进行快速统计分析，将学习情绪低落的学生信息反馈给乡村教师，帮助乡村教师及时了解学生的学业情绪状态。例如：一些学生受家庭环境（留守儿童、父母离异、经济困难等）影响，学业情绪低落无心学习；一些学生不喜欢教师的教学方式，且不与教师进行沟通，导致学业成绩下降，从而对学习产生抵触情绪；一些学生因考试压力，产生焦虑心理，丧失信心。乡村教师通过课堂实时数据的反馈，对学业情绪低落的学生给予即时关注和支持，发现其情绪低落的根本原因并针对性解决问题，深化与学生的情感互动，培养学生良好的学业情绪体验，激发学生的学习动机，完成数字孪生教师无法胜任的一些情感类任务。

二是，提供沉浸式学习体验。基于人工智能、数字孪生、虚拟现实等技术支持的数字孪生双师课堂创设了沉浸式学习空间，为学生提供了沉浸式学习体验。在沉浸式教学场景中，知识单向灌输的传统教学形式将被沉浸式教学所替代，实现从纯知识讲授到“知行合一”的转变，学生不再是被动的知识接受者，教师也不是传统意义上的知识单向传授者，教学内容不再仅仅局限于书本上的知识。学生可以通过多种感官获取更多的信息并与数字孪生教师互动，在互动过程中获得及时反馈，进行反思后作出调整，成为知识的建构者，体验多模态直观交互，获得沉浸感和交互感。沉浸式教学时，数字孪生教师将抽象的知识情境化、可视化、形象化后呈现给学生，为学生创设三维立体空间，让学生沉浸于逼真的学习空间中，强化学生对知识的认同和理解，从而提高学生的学习效率。例如，在历史课堂上，可将讲授内容进行历史场景还原，学生在直观生动的历史场景中产生情感共鸣，拓宽学生的视野和知识面，加深对本节教学内容的理解与情感认同，使学生从被动接受转向主动学习。

三是，数字孪生教师与乡村教师协同发展。数字孪生教师有助于乡村教师快速成长，弥补乡村教师教学经验欠缺、感知力欠缺、评价不精准、支持不到位和精力有限等不足。例如：课堂上乡村教师遇到不确定或不知道的知识点，可以参考数字孪生教师给出的答案。此外，数字孪生教师可以根据每位学生的学习特征制作有针对性的教学计划，包括教学目标、教学重难点、教学过程与教学评价等环节，乡村教师可以在此基础上进行修改或补充，补充内容将会被数字孪生教师纳入语言模型，作为反馈促进自身的优化改进与持续学习，推动协同性交互育人。

4.2 塑造任课教师真实分身，助力学生个性化学习

任课教师真实分身与学生的任课教师人体形象和声音相似，主要应用于课前、课后学生各科教学辅导，因该教师具有与任课教师相似的外貌与声音，能较好地消除学生课前、课后突然面对不同教师面容所引起的焦虑、不适等心理。

一是，任课教师真实分身为学生提供一对一精准性辅导。学生学习基础不同，需要的支持程度也不同，任课教师真实分身通过对动态教学、学生性格及学习兴趣等相关数据进行系统挖掘和分析，全面掌握每一位学生的学情，针对不同学情以开展课前、课后一对一精准辅导，并根据学生的反馈和问题进行即时调整和指导。这种个性化的教学方式能够更好地帮助学生深入理解和掌握知识，学生可根据自己对某个知识点的需求进行深入学习，满足有学科偏好的学生的个性化需求。

二是，任课教师真实分身为学生提供更加灵活和便捷的学习方式。学生可按照自己的时间安排、学习进度和学习需求与任课教师真实分身随时随地进行学习互动，不再受限于传统的课堂时间和地点，这种灵活的学习方式能够更好地激发学生的学习兴趣，提高学习的效果和学习的自主性。

三是，以ChatGPT为语言模型的任课教师真实分身能够拓展乡村教师能力的边界。数字孪生教师帮助乡村教师完成仅靠记忆和认知无法完成的任务，替代乡村教师执行枯燥繁杂的工作，帮助乡村师减轻教学工作量，使其将精力和时间用在更重要的教学活动中促进教育教学提质增效，助力学生个性化学习。

4.3 塑造虚拟仿真博学教师，促进学生全面发展

随着社会发展，新时代要求学生的知识结构由单一学科型向多学科复合型转变，跨学科融合领域的突破为学生全面发展、拥有完整人格提供重要途径^[23]。乡村教师作为该领域的重要设计者与实施者，决定着学科融合程度与有效性。而乡村教师在开展跨学科融合的过程中，也面临着诸多困境。例如：学科专业性方面，乡村教师在专业学科上的知识深度可能会限制其对其他学科的理解和应用，跨学科融合需要乡村教师具备广泛的学科知识和能力，但对于一些乡村教师来说，可能只具备某个特定学科的专业知识，对其他学科的了解和应用相对较少；时间和精力方面，跨学科融合需要乡村教师额外投入大量时间和精力学习和应用其他学科的知识和技能，这对于任务繁重的乡村教师来说可能是一个挑战；美育师资方面，乡村美育教师在专职教师的占比仍处于较低水平，乡村美育课程开不齐且师资匮乏，乡村学校在提供全面的美育教育方面存在一定的困难。

基于生成式人工智能ChatGPT的虚拟仿真博学教师具备广泛的学科专业知识和艺术才能，拥有超强的逻辑推理能力、信息检索能力以及文本生成能力。不仅自身能够随时随地（课前、课中、课后）开展跨学科融合教学，突破当下乡村教师开展跨学科融合的现实困境，还能为乡村教师开展融合教学提供课程设计思路，指导乡村教师设计教学方案和课程计划，协助乡村教师实施跨学科教学活动，解决乡村教师跨学科合作的相关问题，节省乡村教师时间和精力。此外，虚拟仿真博学教师多才多艺的特点弥补了乡村美育教师资源不足的短板，该教师能为有唱歌、跳舞、画画、书法、象棋等兴趣爱好的学生进行在线指导，并且能够通过虚拟仿真技术为学生提供更广泛的学习体验，使学生能够在乡村学校也能接触到高水平的艺术教育，培养学生感受美、表现美、鉴赏美、创造美的能力，促进学生全面发展。

5 ChatGPT与数字孪生教师融合模型应用反思与建议

5.1 ChatGPT与数字孪生教师融合模型应用反思

数字孪生教师与真实教师交互育人，构成“双师”协同课堂，在教学活动中发挥各自优势，相互协作完成教学任务；但当其语言模型基础ChatGPT在教育领域呈现超越态势时，有可能会偏离真实教师控制，对真实教师的专业能力、师生关系、伦理观念等多方面造成冲击。

5.1.1 技术挑战:教师专业能力与数字素养面临提高

技术赋能教育要求教师具备较强的专业能力。教师专业能力指教师所具备的专业学习与发展、沟通与合作、促进学生自主学习、提供数字资源与设计学习活动、评估与反思等方面的教育教学能力^[24]。虽然ChatGPT的准确性和全面性相比传统搜索引擎有较为明显的提高，但其本质上仍然是根据提示词概率分布关系生成关联内容的语言模型且训练模型的数据限于2021年前^[25]，一定程度上无法确保ChatGPT所提供内容的真实性和准确性。因此，教师应提高信息筛选、判断质疑、评估反思和教学设计等专业能力，对ChatGPT所给的答案可能存在的欺骗性内容保持警惕，对筛选、刊正过的有效答案进行合理设计并创新运用于教学活动；同时，教师还需具备数字素养，教师数字素养一级维度包括数字化意识、数字技术知识与技能、数字化应用、数字社会责任及专业发展^[26]。数字信息技术的全面介入，重塑教育生态系统，但如果技术在教学活动中应用不当，则会对教学效果产生反作用。例如，教师若依赖ChatGPT带来的教学便利，对ChatGPT提供的教学资源不加以辨别思考直接运用于教学活动，那么教师将逐渐沦为ChatGPT的执行者，教学活动也将失去互动性、趣味性和创新性，教师批判性思维能力也将随之退化。

5.1.2 情感挑战:教师主导地位与师生关系面临弱化

师生之间交往规范的形成很大程度建立在教师相对学生具有认知优势的基础上，如教师具有更丰富的专业知识与技能。在教学活动中，当ChatGPT被赋予权力替代教师执行部分教学任务时，ChatGPT自身具备的智能性、生成性会消解教师的相对认知优势，学生获得丰富知识的同时，也会对教师角色地位进行再评估，一定程度上会弱化教师在教学过程中的主导地位；此外，学生过度依赖ChatGPT可能会阻碍师生情感深入交流，从而导致学生情感遮蔽、师生情感关系发生异化，例如，学生可以借助ChatGPT创作诗歌、续写故事、提前学习学科知识和完成作业与测试等，一定程度上学生学习自主权得到扩张，且降低对教师的依赖，致使教学活动中主体角色混乱，加剧师生关系弱化风险。当学生对ChatGPT过度依赖时，他们可能不愿意与教师分享自己的想法，师生之间的日常交流减少，从而导致师生关系弱化。

5.1.3 伦理挑战:数据自身偏见和个人隐私面临泄露

ChatGPT的内核是大语言算法模型，是尝试对目前得到的任何文本进行合理的扩展与延续，采用了“基于人类反馈的强化学习”训练方式。虽被训练了几百万个数据点，包括了海量信息，但其学习到的知识仅来自于训练数据归纳统计的一般规律，训练数据受限。因此，ChatGPT可能会产生偏见性和误导性的反馈内容。例如，ChatGPT有时会“一本正经胡说八道”，用户向ChatGPT提问“与教育数字化转型相关的论文”时，ChatGPT看似严谨地罗列出数条文献及内容摘要，但经查证后却发现所列论文大部分不存在。此外，在使用ChatGPT的过程中个人隐私也会面临泄露风险。例如：在教学过程中，教师与学生为了获得ChatGPT对某一问题的具体解决方案，师生需输入大量与之相关的数据，难免会涉及个人信息和想法，个人隐私将有可能被泄露于隐藏的私营人工智能运营商。同时，数字孪生教师对真实教师外貌、动作、情感等特征的录入保存可能会导致真实教师的肖像权和隐私受到侵犯。

5.2 ChatGPT与数字孪生教师融合模型应用发展前景

人类社会已经进入物质世界、精神世界、数字世界相互依存、协同进化的时代^[27]，教育作为社会大系统中的子系统，紧跟数字时代变革的步伐，并与其协同进化是未来教育发展的应有之义。由于技术、情感、伦理等问题，ChatGPT与数字孪生教师融合的模型在教育领域的应用尚未成熟，存在一些局限性。因此，要以ChatGPT介入教育生态带来的机遇与挑战为契机，针对可能存在的潜在风险进行干预。

5.2.1 提高教师专业能力与数字素养，合理运用技术

面向数字化时代，作为数字原住民的学生逐渐形成运用生成式人工智能来辅助学习的习惯，教师简单地接受或拒绝这类人工智能都不是一种合乎专业伦理的行为^[28]。而是需要以一种开放的心态提高自身专业能力与数字素养，以批判性思维合理运用现代人工智能技术。当把与ChatGPT相融合的数字孪生教师应用于教育教学时，人类教师需具备较强的专业能力，在教学过程中怀揣批判、反思和质疑，保持发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的自主探究精神，正确对待技术带来的便利，不断利用数字化资源提升自我学习、研修、创新的能力，完善专业知识与教学行为。这样，才能对ChatGPT多输出的海量信息做出有效评估，从而刊正谬误、明辨对错，并将所获取的有效信息创造性地运用于教学过程，使用相关技术协作完成各类教学任务；此外，教师还需具备积极健康的数字素养，只有客观看待ChatGPT应用对教育教学的机遇与挑战，明晰ChatGPT的“可为”与“不可为”才不会沦为技术的附庸^[29]。教师可以寻找专业的数字素养支持和资源（如学校的技术支持团队、教育技术专家或在线社区），这些资源可提供指导、解答问题和分享最佳实践，帮助教师培养数字化意识，提高数字化应用能力，增强数字社会责任感，发挥技术赋能教育的最大效益。

5.2.2 强化教师主体地位与师生关系，促进情感交互

步入人工智能时代，技术介入教育系统，人机协同是人工智能技术在教育领域广泛应用的必然发展趋势^[30]。教师应正确看待人机融合关系，明确各自的角色和责任，而以ChatGPT为代表的生成式人工智能并不具备育人的属性^[28]，无法给予学生细致的人文关怀。因此，在育人方面与人工智能相比，教师仍处于主体地位。教师应从“立德树人”的信念出发把握教育的“育人”本质，强化自身的“立德树人”意识，关注自身的主体地位与学生之间的互动性、生成性。此外，教师要合理应用ChatGPT和数字孪生教师的教学技术功能，强化与学生灵魂的深入沟通和碰撞，对患孤独症、抑郁症和焦虑症等心理问题的学生进行差异性心理辅导，关注到技术快速发展下每一位学生的心理状况，全面贯彻落实“立德树人”根本任务。教师要通过自己的言语行为，春风化雨般地引导学生健康成长，促进人工智能时代下师生间的情感交互。

5.2.3 增强数据治理能力与保护意识，恪守伦理规范

ChatGPT应用于教学过程，其自身具备的不确定性会带来新的治理风险。一方面，国家相关部门要完善监管技术。对ChatGPT生成的作品和人类生成的作品进行严格的甄别，规范ChatGPT作品所有权，加强数据安全防护与治理能力，以防止ChatGPT在使用过程中所引起的学术不端和数据泄露等伦理问题。同时，出台ChatGPT的合理应用指引，指出相关的伦理风险和法律风险，明确数字伦理界限，并通过实证研究不断优化迭代。另一方面，提高教育工作者的数字伦理素养。学校应建立健全数字伦理教育体系，制定实施数字伦理教育计划，将数字伦理素养的培养贯穿于整个教学过程。教师、管理者和技术人员等相关教职员工要严格恪守相关伦理规范，强化学生的数据保护意识，并确保师生个人信息和学校相关隐私数据不被泄漏与滥用。通过不断地改进和完善，数据治理体系才能更加健全和有效地发挥作用。

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