科大研究揭示AI教師課前互動堪比真人教師　有助提升學生大腦同步及學習成效

全球數以百萬計的學生長期透過獨自觀看預錄視像進行學習，這種學習模式一直是世界各地大型公開網上課程（MOOC）及大型線上課程的基礎。新冠疫情爆發以來，社會對線上視像教學的依賴顯著加深，學習人數大幅上升，惟學生的學習參與度及整體學習成效卻普遍出現下降，引發學界對線上學習模式成效的廣泛關注。

香港科技大學（科大）人文社會科學學院院長兼心理學及認知科學講座教授李平教授領導的研究團隊發現，學生在觀看線上教學視像前，若先與授課教師（不論是真人還是人工智能［AI］教師）進行簡短對話（8至10分鐘），可有效促進學生的大腦活動同步，提升整體學習效果。

真人教師與AI教師可達致相若的學習成效，但其所涉及的神經處理路徑並不相同。人際互動同時啟動認知鷹架的構建及強烈的社交情感處理，並透過視線同步加以調節；而AI互動則主要支持由上而下的認知處理。研究顯示，無論由AI或由人類教師主導的課前互動，在記憶、理解及知識傳遞三個層面上，學習成效在統計上並無顯著差異。

相關研究成果於國際學術期刊《Neuron》發表，題為〈Scaffolding human and AI instruction: neural alignment and learning gains in online education〉，首次從神經科學層面提供實證，顯示AI教師在提升網上學習成效方面，可媲美真人教師。

研究方法
研究團隊招募了57名大學生，並將他們隨機分為三組進行實驗：
•    第一組（無互動組）：按照常規方式直接觀看14分鐘的視像課程，課前沒有進行任何師生互動；
•    第二組（真人教師互動組）：在觀看視像課程前，先與真人教師進行約8至10分鐘的簡短對話；
•    第三組（AI教師互動組）：與一名外觀和聲音均高度接近真人的AI教師進行相同時長的簡短對話。該AI教師以GPT-4生成式AI模型為基礎，具備語音辨識、內容生成、語音合成及頭像動畫等功能。學生清楚知道自己正在與AI教師互動。

全部三組學生隨後在磁力共振掃描器內觀看相同的14分鐘視像課程，研究團隊同步記錄三組學生的眼動及大腦神經反應數據，並比較其課後學習成績。

研究結果
研究結果相當顯著。無論是與真人教師還是AI教師交流過的學生，在隨後觀看視像課程時，其大腦中負責資訊處理、認知資源分配和社交情感反應等區域的神經活動均呈現更高程度的同步性。在記憶、理解能力及知識傳遞三個層面上，兩組學生之間皆未觀察到明顯差異。

相較之下，未曾在課前與教師進行社交互動的學生則並未出現上述神經活動模式，其學習成效也明顯不如曾進行課前互動的學生。

李教授解釋：「研究顯示，真人互動組與AI互動組的學生，在學習過程中展現出相近似的大腦活動模式，且在學習成效上，尤其是在理解較具挑戰性的題目時，兩組學生的表現均明顯優於未進行課前互動的學生。這顯示，社交互動——即使只是短暫、且由AI促成——也能從根本上影響大腦為學習作好準備的方式。」

殊途同歸
儘管AI互動帶來的學習成果與真人互動相當，但研究也發現兩者仍存在一些差異。與AI互動的學生，其感知到的社交親近感較低，並且在聽課過程中視線專注程度也較低。然而，這並未影響他們的學習效果。

兩組接受過課前互動學生的腦部影像顯示，AI互動組在資訊處理、認知控制及社交情感相關的腦區出現神經活動同步，而眼動追蹤數據則顯示出視線專注的情況。儘管學生主觀上表示與AI教師的社交親近感較低，其視線專注亦相對較弱，但其整體學習成果與接受真人教師互動的學生同樣出色。

研究結果顯示，AI毋須完美複製真人互動，亦能發揮良好的教學效果；只要具備足夠的社會情感回應能力，並結合其在知識檢索與個人化學習方面的運算優勢，已足以有效支援學生學習。

此項研究其中一項尤為新穎的貢獻，是揭示了眼球運動、大腦活動與學習成效之間的多階段、互為影響的層級關係。研究團隊將此稱為「眼—腦—行為」對應關係。

曾與真人教師進行課前互動的學生，在視像課堂中展現出更高度一致的視覺專注力分配，他們在上課期間的視線移動方向與注視模式，不論是在學生彼此之間，還是與教師之間，均呈現出更為協調一致的表現。進一步的統計分析顯示，這種共享的視覺專注力，會透過顳上溝的腦間同步性轉化為更佳的學習成效。該腦區是負責社交感知與語言處理的重要神經樞紐。與此同時，作為預設模式網絡核心節點的後扣帶皮層，亦顯示出顯著的腦間同步性。這種同步性透過由上而下的機制，引導學生形成協調一致的專注行為，從而促進學習效果。

論文第一作者、科大博士後研究員彭穎瀅博士指出：「研究揭示了認知歷程與大腦運作之間的雙向作用機制。當學生將專注力集中在相同的學習內容上時，其大腦神經活動同步性會隨之提高，而這種同步的大腦活動又會進一步促進專注力資源分配的一致性。兩者相互強化，共同支撐學習歷程的有效運作。」

對教育的意義
這項研究揭示，學生可通過多個不同途徑提升線上學習的成效。與真人教師互動透過視覺專注力的一致性讓學生投入認知資源和社會情感共鳴；而AI教師互動則更大程度上支持自上而下的認知加工，並在一定程度上提供了社會情感層面的支持。

李教授指出：「這預示着教育的社會及情感功能即將邁向重大轉變。即使是AI教師，也能停下來，察覺學生的細微反應，並作出關切而即時的回應。如果人類溝通的這些細微舉動能夠成功融入AI賦能的教學系統，將有助學生在數碼課堂中學習，讓學生切實感受到被看見、被聽見、以及建立真實的社交情感的可能。」

隨着AI持續高速發展，深入了解AI如何塑造人類的認知歷程與大腦功能，以及人類大腦如何適應AI，將對發展可擴展且兼具社交情感內涵的學習環境至關重要。這亦有助確保AI能用以增強、而非取代以人為本的主動學習模式。