人工智能在教育領域的應用

趙素琴+海川

幾千年來，學校教育都是以教師為中心，強調(diào)教師的主導作用，采用說教灌輸式教學，教師擔負著“傳道授業(yè)解惑”的角色。傳統(tǒng)教學模式下培養(yǎng)出來的人才大多重書本，輕實踐，動手能力差，創(chuàng)造能力差。這種落后的教學模式已不能適應當今我國教育發(fā)展和建設創(chuàng)新強國的需要。

蘇霍姆林斯基在《教育藝術》中認為，“在人的心靈深處有一種根深蒂固的需要，就是希望自己是一個發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者。在兒童的精神世界中，這種需要特別強烈”。我們要敢于打破傳統(tǒng)的教學模式，運用現(xiàn)代教育技術培養(yǎng)真正適應于經(jīng)濟社會發(fā)展的創(chuàng)新型和國際化人才。現(xiàn)代教育技術是伴隨現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是電子、通訊、計算機的飛速發(fā)展而產(chǎn)生的，也是現(xiàn)代教育理論發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。

作為新一輪科技革命的代表，人工智能（AI）技術已經(jīng)或正在顛覆性地改變著許多行業(yè)和領域，而教育就是其中之一。來自谷歌的世界頂尖的人工智能專家團隊將AI的智能發(fā)展劃分成了三級：第一級是“弱人工智能”，只能夠?qū)Ｗ⒃谝粋€特定領域，如下圍棋；第二級是“強人工智能”，能夠達到或超過人類水準；第三級是比人類聰明1000萬倍的人工智能。

目前，“弱人工智能”已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面：搜索引擎、實時在線地圖、手機語音助手、智能客服等都運用了人工智能技術。盡管人工智能要從感知、行為和認知三個維度全面模擬甚至超越人類，還有很長的路要走，但目前的AI憑借強大的計算能力、存儲能力和大數(shù)據(jù)處理能力，已經(jīng)改變著傳統(tǒng)教育模式與教育形式，在破解教育資源不均、提高教育效率和教學質(zhì)量、提供個性化精準化教學、優(yōu)化教育評價系統(tǒng)等方面將發(fā)揮重要作用。

浙江西湖高等研究院人工智能研究室主任于長斌認為，人工智能下一步應用可能是遠程教育、自我強化教育，甚至是教育領域的機器換人。從人工智能現(xiàn)階段研究成果來看，機器人做數(shù)學題、英語題完全沒有問題，有科學家還成功用人工智能自動生成科研和學術論文，其中有一些甚至被期刊錄用。

高考機器人

在今年6月7日的“高考”中，人工智能機器人AI-Maths在數(shù)學科目的兩套試題考試中分別取得了105分和100分的成績。整個答題過程中，機器人不聯(lián)網(wǎng)、不連接題庫、無人工參與，全由機器人獨立完成解答。研究人員表示，由于AI-Maths在識別自然語言時遇到了一些困難，導致部分考題失分。

AI-Maths先后解答了2017年數(shù)學科目高考的北京文科卷和全國Ⅱ卷的試題，分別用時22分鐘和10分鐘，北京文科卷得分105分，全國Ⅱ卷（數(shù)學）得分100分。對這臺機器人來說，解答一道題目的時間最快不到一秒。此前總共做了不到500套試卷，大約12000道數(shù)學題。而一個中國學生，按照每天10道數(shù)學題估算，到高考前已經(jīng)做了大約30000道數(shù)學題。

考試結果顯示，這臺高考解題機器人在不依賴大數(shù)據(jù)的前提下，邏輯分析能力遠超人類，但在文意理解、多樣性思維上要比人類遜色得多。參與閱卷的資深數(shù)學老師表示，AI-Maths相當于中等成績水平的高中畢業(yè)生，失分主要是因為“讀不懂題目”，遇到一些人類語言（而非數(shù)學語言）時，無法理解。

專家指出，這次機器人不得高分的原因較多，首先這個機器人并沒有代表機器人的最高水平，其次機器人沒有聯(lián)網(wǎng)，不能夠聯(lián)想自己的知識，這樣得低分也是理所當然的了。經(jīng)過更多的訓練和學習以后，未來AI-Maths會取得更好的成績。

該機器人是由成都準星云學科技有限公司研發(fā)的一款以自動解題技術為核心的人工智能系統(tǒng)，誕生于2014年。該公司參與了科技部的863“超腦計劃”。

同時進行的另一場機器人高考測試中，學霸君的Aidam首次與6名高考理科狀元在北京同臺PK，解答2017年高考文科數(shù)學試題。Aidam的成績?yōu)?34分，6名狀元的平均分為135分。Aidam答題耗時9分47秒。為了展示，Aidam當天答題放慢了六倍速度，平時每道題完成時間應該在7-15秒。

從2014年開始，國內(nèi)人工智能引領者科大訊飛就聯(lián)合了包括北大、清華等在內(nèi)的超過30家科研院校和企業(yè)，共同開啟了一項隸屬國家863計劃的“高考機器人”項目，他們希望通過這個項目的實施，研制出能夠參加高考并在2020年考上北大、清華的智能機器人。“超腦計劃”匯集了國內(nèi)近60%的人工智能專家，其重點就是要研究突破機器的知識表達、邏輯推理和在線學習能力。

目前，高考機器人在英語學習方面也取得階段性成果：一是翻譯，已經(jīng)能夠讓翻譯能力達到高考入門水平。二是在廣東地區(qū)的英語高考、中考場景中，在發(fā)音準不準、填空題選擇題，判斷你懂不懂知識上，機器已經(jīng)超過人工。三是口語作文實現(xiàn)突破。比如給學生一個題目《My Mother》，現(xiàn)在AI機器的評測打分已經(jīng)比人類打分更精準。

有人提出了一個十分滑稽的問題，那就是人工智能要是通過高考考上大學，是不是意味著我們的教育培養(yǎng)出來的就是考試的機器？這個問題的邏輯不一定嚴密，但巧妙地折射出了現(xiàn)行教育體制的一些問題。如果以應試為主的教育方式不改變，智能機器取代老師幾乎是必然。更可怕的是，這樣的教育培養(yǎng)出的人也將被智能機器淘汰。

AI閱卷批改作業(yè)

面對龐大的考生規(guī)模和多種多樣的考試，專家和老師閱卷成為一個獨特的景觀。從傳統(tǒng)的紙筆閱卷到網(wǎng)上閱卷，再到今天的機器智能閱卷，AI可以輕松解決繁重復雜的閱卷難題，大大提高閱卷的效率和質(zhì)量。

通過對試卷進行數(shù)字化掃描、格式化處理，轉換成機器可識別的信號，機器就能按閱卷專家的評判標準，進行自動化閱卷，還可以自動檢測出空白卷、異常卷，并給出最終的評閱報告及考試分析報告。原來三個月的工作，現(xiàn)在一周就能完成，而且更準確、公正。

中國教育部考試中心對“超腦計劃”的閱卷工作進行了驗證，結果是，在“與專家評分一致率、相關度”等多項指標中，機器均優(yōu)于現(xiàn)場人工評分。

除了代替人工閱卷，人工智能還可以幫老師做批改作業(yè)、備課等重復枯燥的工作，不僅節(jié)省大量時間，還可以減少工作量。

語音識別和語義分析技術的進步，使得自動批改作業(yè)成為可能，對于簡單的文義語法，機器可以自動識別糾錯，甚至是提出修改意見，這將會大大提高老師的教學效率。

今年兩會期間，科大訊飛董事長劉慶峰在提案中提到，科大訊飛的英語口語自動測評、手寫文字識別、機器翻譯、作文自動評閱技術等已通過教育部鑒定并應用于全國多個省市的高考、中考、學業(yè)水平的口語和作文自動閱卷。而基于國家“十三五”863“基于大數(shù)據(jù)的類人智能關鍵技術與系統(tǒng)”階段性成果構建的“訊飛教育超腦”已在全國 70% 地市、1 萬多所學校應用。

國外也有多個智能測評公司和實踐案例。GradeScope是美國加州伯克利大學一個邊緣性的產(chǎn)品，它旨在簡化批改流程，使老師們更專注于教學反饋。目前有超過150家知名學校采用該產(chǎn)品。MathodiX是美國實時數(shù)學學習效果評測網(wǎng)站，算法會對每一步驟都進行檢查、反饋。

美國教育考試服務中心（ETS）是世界上最大的私營非盈利教育考試及評估機構，已經(jīng)成功將AI引入SAT和GRE論文批改，同人類一起扮演評卷人角色。

計算機科學家喬納森研發(fā)了一款可進行英語語法糾錯的軟件，不同于其他同類型軟件的是，它能夠聯(lián)系上下文去理解全文，然后做出判斷，例如各種英語時態(tài)的主謂一致，單復數(shù)等。它將提高英語翻譯軟件或程序翻譯的準確性，解決不同國家之間的交流問題。

雖然人工智能可以閱卷、批改作業(yè)，但誠如《信息時報》刊發(fā)的《推廣“機器人老師”可為廣大教師減壓》一文所言：教育需要尊重“異質(zhì)思維”，同樣的問題，學生會給出差異化、個性化的答案；目前“機器人老師”在閱卷、批改作業(yè)的時候會有明顯的局限性，可能更適用于客觀題卻不適用于主觀題。

不可否認，最初機器是用來輔助人工教學的，未來的趨勢則是人輔助機器，而這個過程會一次次重塑考、學、教、管的服務流程。未來，當進入強人工智能和超人工智能時代，機器人更像是老師甚至在許多方面超越老師。

機器人當老師

城鄉(xiāng)、區(qū)域教育鴻溝，擇校問題，學區(qū)房問題，都是教育教學資源不均衡導致的，歸根到底是優(yōu)秀教師的稀缺，而智能教育機器人則是解決這一問題的有力工具?！皺C器人老師”不僅有助于解決師資不足和師資結構不合理等難題，還能大大緩解社會矛盾，促進教育公平。

目前國內(nèi)已涌現(xiàn)出像魔力學院這樣的創(chuàng)業(yè)公司。幾年前魔力學院創(chuàng)始人張海霞從北大畢業(yè)時，她的畢業(yè)論文是國內(nèi)最早對人工智能教學進行研究的學術論文，同時在上大學期間，她就已經(jīng)是新東方出國留學部最好的英語老師。這種雄厚的技術和教學背景，讓她成為國內(nèi)最早一批人工智能領域的創(chuàng)業(yè)者。

“與大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)教育領域的產(chǎn)品不同，魔力學院從一開始，我們要解決的問題就是用人工智能機器替代老師進行講課。曾經(jīng)有很多投資人建議我們妥協(xié)一下，暫時用真人老師講課，后面再一步步地進化到人工智能老師，但我們從來沒有妥協(xié)?！睆埡Ｏ颊f。

直到2016年3月，魔力學院第一個商業(yè)化的版本上線，企業(yè)開始有了第一筆收入，成為全球在人工智能老師這個領域第一家產(chǎn)品上線的創(chuàng)業(yè)公司，也是第一家實現(xiàn)了持續(xù)收入和盈利的創(chuàng)業(yè)公司。至今，在人工智能老師這個領域，魔力學院的相關產(chǎn)品仍然是惟一能從教、學、練、測各個維度提供人工智能老師教學的公司。

目前在新東方也開始這樣的實驗，教室里沒有人類老師上課，機器人將重要知識點經(jīng)過搜集和教學設計后，用非常幽默的方式向?qū)W生傳授，從課堂效果來看，“學生很愿意聽”。

新東方教育集團董事長俞敏洪認為，未來10年內(nèi)，教師七成教學內(nèi)容一定會被機器取代。不過，缺少人類老師的教學必然不完整，因為課堂教學不光是把知識點告訴學生，更需要對學生開展知識融合、創(chuàng)造性思維、批判性思維等能力訓練。對于這些思維方式的訓練教學，機器人老師還無法勝任?！拔磥淼恼n堂將是機器人智能教學、老師情感和創(chuàng)新能力的發(fā)揮及學生學習的三者結合?！?/p>

除了民辦教育在積極引入機器人老師，我國的“福州造”教育機器人已在部分城市的學校開始“內(nèi)測”，今后有望向全國中小學推廣。這款教育機器人除了幫助老師朗誦課文、批改作業(yè)、課間巡視之外，還能通過功能強大的傳感器靈敏地感知學生的生理反應，扮演“測謊高手”角色。一旦和“學生機”綁定，可更清楚地了解學生對各個知識點的掌握情況。

對于機器人老師，國外早有應用。2009年，日本東京理科大學小林宏教授就按照一位女大學生的模樣塑造出機器人“薩亞”老師。“薩亞”皮膚白皙、面龐清秀，皮膚后藏有18臺微型電機，可以使面部呈現(xiàn)出6種表情。她會講大約300個短語，700個單詞，可以對一些詞語和問題做出回應，還可以學會講各種語言?！八_亞”給一班10歲左右的五年級學生講課，受到新奇興奮的孩子們的極大歡迎。

教育是塑造靈魂的特殊職業(yè)，教師是人類靈魂的工程師，面對的都是活生生的具有不同個性情感的學生，在價值觀塑造和創(chuàng)新思維啟發(fā)方面，“機器人老師”有著明顯的局限性。盡管機器人老師不知疲倦，知識淵博，能平等地對待學生，加上它的特殊身份能激發(fā)學生的學習興趣和動力，然而機器人永遠無法完全替代“真正的人類教師”。

當老師們從繁重的重復性工作中解放出來，實際上可以將更多的時間和精力花在富有創(chuàng)造性的工作上。比如培養(yǎng)學生的素質(zhì)和情商，激發(fā)學生對學習的熱情，鼓勵學生獨立思考，形成自己的價值觀和思想體系，成為有美好人格和創(chuàng)新能力的個體。

實際上，老師充當?shù)氖且粋€引導者、啟發(fā)者的角色，老師做的應該是“準備環(huán)境-引導孩子-觀察-改進環(huán)境-再引導-退出-再觀察”。極少干預和不斷引導，讓孩子能最大限度地擁有獨立性、專注度和創(chuàng)造力。

機器人進課堂是大勢所趨。不久的將來，人類老師將負責進行情感、心理、人品、人格上的健康教育和品德教育，以及各類知識的融會貫通、學習方法的引導、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而知識教育這部分，將會以“機器換人”的形式讓渡給人工智能。這將對老師提出更高的要求，因為除知識教育外的這些教學內(nèi)容，需要由真正有能力的老師來傳授?！袄蠋熞苊獗粰C器取代，就要先避免自己成為機器。”

可見，教師需要快速適應現(xiàn)代化教學需要，熟練使用各類領先科技產(chǎn)品，提升綜合素質(zhì)，這將決定教師本人的去與留，更是教育希望與未來的關鍵所在。

個性化教育

因材施教在我國已有2000多年歷史，但在我國應試教育大環(huán)境下，根據(jù)學生不同的認知水平、學習能力以及自身素質(zhì)來制定個性化學習方案，真是說易行難。當傳統(tǒng)思想與尖端科技相結合，因材施教的可行性有了大幅提高。人工智能介入后，個性化教育有兩條實現(xiàn)途徑。

一是構建知識圖譜。構建和優(yōu)化內(nèi)容模型，建立知識圖譜，讓學生可以更容易地、更準確地發(fā)現(xiàn)適合自己的內(nèi)容。國外這方面的典型應用是分級閱讀平臺，推薦給學生適宜的閱讀材料，并將閱讀與教學聯(lián)系在一起，文后帶有小測驗，并生成相關閱讀數(shù)據(jù)報告，老師得以隨時掌握學生閱讀情況。

Newsela將新聞與英語學習融為一體。通過科學算法衡量讀者英語水平，抓取來自《彭博社》《華盛頓郵報》等主流媒體的內(nèi)容，由專人改寫成不同難度系數(shù)的版本。LightSail也是相同應用，不過它的閱讀材料是出版書籍，它收集了適合K12學生閱讀的來自400多個出版商的8萬多本圖書。

2015年底Newsela用戶量超過400萬，LightSail和紐約市教育局、芝加哥公立學校、丹佛公立學校等機構達成了合作，而目前我國沒有如此規(guī)模、與官方達成合作的個性化閱讀學習平臺。

二是自適應學習。人工智能可以從大量的學生中收集數(shù)據(jù)，預測學生未來表現(xiàn)，智能化推薦最適合學生的內(nèi)容，最終高效、顯著地提升學習效果。當一個學生閱讀材料并回答問題時，系統(tǒng)會根據(jù)學生對知識的掌握情況給出相關資料。系統(tǒng)知道應該考學生什么問題，什么樣的方式學生更容易接受。系統(tǒng)還會在盡可能長的時間內(nèi)保留學生信息，以便未來能給學生帶來更多的幫助。

在美國喬治計算機學院，有一門課叫“人工智能概論”。這門課是艾薩克·格爾教授創(chuàng)建的。他有一個教學助理叫吉爾。這個課程的特點是以問答方式授課，學生提問，老師和助教回答。第一年就有大約1000多名學生參與，提出了超過1萬個問題，其中40%的問題是由助教吉爾回答的。讓學生驚奇的是，吉爾竟然是一個機器人，而且教了他們整整一個學期。格爾教授采用IBM沃森界面，創(chuàng)建了這個AI驅(qū)動的BOT交互系統(tǒng)，也開發(fā)了整個課程的內(nèi)容和形式。

《未來地圖》一書作者吳霽虹認為，用人工智能指導教學，沒有標準內(nèi)容，每個學生都可以個性體驗。從學生界面到AI提供的個性化定制學習材料，AI需要對學生進行學習畫像，然后轉變?yōu)閷W習代理，再進入學習內(nèi)容管理系統(tǒng)，編制成學習材料。AI的這個過程，經(jīng)過頻繁的互動，將會變得越來越快速智能。

人工智能還可以對教學體系進行反饋和評測。試想一個場景，當某學生在查詢自己期末成績的時候，他看到的不僅僅是一個簡單的分數(shù)，還附有一份“診斷報告單”。通過這份報告，他不但可以了解到自己知識點和能力點的掌握情況，還能看到對自己的優(yōu)勢、不足的科學分析。這就是借助人工智能的幫助，通過對學生學習成長過程與效果的數(shù)據(jù)“畫像”，診斷出學生知識、能力結構和學習需求的不同，以幫助學生和教師獲取真實情況。學生可以清楚看到問題所在，學習更高效；教師也可對癥下藥，選擇不同的教學目標和內(nèi)容，實施不同的教學方式，進一步提高教與學的個性化、精準化和有效性。