当前，虚拟基础教育科研正经历从经验驱动向数据驱动、样本从个案分析向大规模实证研究转型的推动过程。对教科研的教育精准度、高效性及可重复性的科研要求也显著提升。然而，创新现实中存在两个主要制约因素：一是虚拟受客观条件限制难以获得足够数量且多样结构的真实学生样本；二是传统实验难以在相同条件下反复进行，影响研究的样本稳定性和可推广性。 在此背景下，推动人工智能（AI）技术，教育尤其是科研“虚拟学生样本”的应用为教育科研开辟了一条新路径。

AI助力传统教育和科研解决三个挑战

困境一：样本不足一直是创新传统教育研究中的一个难题。由于现实条件的虚拟限制，在这些研究中往往会出现样本数量较少且代表性不强的样本情况，特别是推动在针对偏远地区学生或有特殊需求的学生时，情况尤为严峻。虚拟学生样本技术可以基于算法生成大量的具有多种特征的“数字学生”，这在很大程度上打破了物理限制，提高了研究结果的有效性和普遍性。

挑战二：变量过多。课堂上影响学习的因素有很多，比如教学方法、学生基础和课堂氛围等……要想分析清楚某一因素的真实作用并不容易。但在虚拟环境中，研究者可以锁定其他条件不变的情况下，单独改变一个变量来评估其效果；或者一次性调整多组参数，采用对照组与实验组的“摆阵法”，以快速筛选出高效的策略。

困境三：实验难复现。传统模式中，同一项研究如果换学校、换个年份进行可能得到完全不同的结果，研究结论缺乏说服力。虚拟样本使得实验过程像“存档的游戏”，可以多次重做，方便不断校验数据准确性，并确保得出的结论经得起推敲。

“四步走”的科学构建虚拟样本方法

建立虚拟样本时可以遵循以下四步流程。

数据采集：“一生一档”变成了“全息画像”。过去教研员靠课堂观察和试卷成绩描绘学生的学习轨迹，现在通过校园网络、交互大屏和智能终端收集课堂中的学习行为、师生互动以及形成性与终结性评价的数据，这些数据实时汇聚。内容覆盖了作业正确率、知识点掌握度、学习时长、对话语料情感倾向等多维度测评结果。 在智能计算架构内，这些多模态信息完成了脱敏和加密同步工作，既保障了隐私安全，又让每一节课成为可回溯、可复用的高质量全息学习档案。

指标建模：将“看不见”的学习过程进行量化处理。获得数据之后，还需将其转化为可操作的指标体系。 研究团队与一线教师协同工作，结合学习追踪和分析技术，动态描绘“概念—题目—认知状态”的迁移过程，基于学生的情感波动及学习时间绘制纵向动机曲线等。这种做法既保留了学科语义，又避免了技术上的黑箱操作问题，为虚拟学生注入了可解释的行为基因。

大模型训练：让AI成为千人千面的学生。基于国产通用大模型（如DeepSeek等），通过受控提示工程与检索增强生成技术进行训练：先利用公开教育数据集进行初步调整，接着注入地方教材语料和课堂语音进行精细调校，最后由教师依据“教学有效性—学术诚信—公平包容”三条原则进行反馈强化学习，消除性别和地域偏见。最终，模型可以获得在知识水平、兴趣特质和元认知策略上可调参、可分层的虚拟学生分布，在“模拟班级”中重现真实且多元的学习群像。

人机校准：专家与AI“对话”确保以假乱真。生成虚拟样本后，在真实课堂中反复闭环校准。选取同质班级，进行前测—干预—后测对标实验，将虚拟预测与实际表现对比分析，修正偏差；评估数字学生的对话流畅度、知识准确率和思维深度，并滚动评测这些指标。经过多次迭代优化，虚拟学生才能做到“考得住、问得倒、聊得动”。

虚拟样本如何影响教育科学研究模式？

虚拟样本通过构建大规模、高度还原的学生模型，让研究者能够在虚拟环境中开展教学实验与策略评估，突破了传统教科研在获取样本、控制变量和重复验证等方面的固有局限。以“双减”政策下的作业改革为例，我们来看看虚拟样本是如何影响教科研的。

教学改革的智能仿真与效果预测：通过虚拟样本技术，研究人员能够基于真实数据创建接近实际的学生群体，并模拟构建相关教学环境与干预变量，在数字空间中实施前瞻性的模拟推演。在“双减”背景下，研究团队利用本地学情数据生成虚拟学生群体模型，对传统纸质作业、个性化分层作业及作业与项目式融合设计三种作业改革方案进行了仿真实验。 该研究旨在通过量化建模探讨不同作业方式对学生行为的影响，并为探索更加科学和高效的作业机制提供数据支持和决策依据。

教育干预精确因果分析：虚拟样本下的教学实验可以固定背景因素，单独调控教学方式和任务类型等关键干预要素。通过系统地比较干预前后的学习成果，识别哪些教育措施在特定条件下有效。比如，研究团队可以通过构建统一作业与分层作业两种虚拟班级，在保证学生初始成绩和完成作业时间相同的前提下，只对作业形式进行变量控制，模拟实际干预场景。该研究注重实践教学需求，并计划通过可控制的模拟环境来剖析作业策略对学生学习过程的具体作用机制，以推动作业管理的精准化和科学化发展。

个性化学习路径设计与自适应教学辅导：通过基于虚拟样本中学生的认知能力和学习风格等多维个体特征来设计和优化学习目标及策略，教师或研究者可以为每位学生量身定制个性化的学习内容，并根据其学习过程中的行为反馈和表现数据实时调整教学内容。某研究团队选取一所实验中学作为案例学校，在此构建了与该校学情相匹配的虚拟学生群体模型。他们在不同AI辅导策略下对这些虚拟学生进行模拟，探索并开发出适应不同学生群体需求的不同个性化作业推荐方式。 同时，通过探究动态调整任务难度及反馈频率如何影响学生完成率和学习主动性的自适应机制，研究有助于更好地实现精准因材施教的目标。

虚拟样本为教科研带来了规模化、精准化的可能性，不过科研工作者需要严把三项“安全阀”。首先，高质量的真实数据是构建模型的基础；其次，参数设置需要持续调整以避免误差的积累；最后，隐私保护和算法公平性等伦理准则不容忽视。

展望未来，虚拟样本技术将成为教师强大的“决策助手”，随着算力提升和算法优化持续演进。这种技术将朝着多模态感知、实时课堂伴随等方向发展。这将帮助教育工作者更深地洞察教育的本质，更加精准地把握育人的规律，并科学地优化教育实践。

该文作者为温州大学教育学院的教授。

《中国教育报》2025年5月26日第6版