人工智能與未來學(xué)校變革

周寶+++楊現(xiàn)民

【摘 要】人工智能是全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的著力點(diǎn)，已經(jīng)在電商零售、醫(yī)療健康、交通、個(gè)人助理多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。人工智能同樣在教育領(lǐng)域擁有較大應(yīng)用潛力，有望在未來學(xué)校教學(xué)與管理上發(fā)揮重要作用，具體表現(xiàn)為維護(hù)校園安全、輔助教師教學(xué)、變革學(xué)習(xí)范式、優(yōu)化學(xué)校管理四個(gè)方面。同時(shí)，由于學(xué)校教學(xué)與管理的獨(dú)特性和復(fù)雜性，人工智能應(yīng)用也面臨推廣運(yùn)行難、與現(xiàn)有管理平臺(tái)對(duì)接難以及教育數(shù)據(jù)安全等挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】人工智能；未來教育；未來學(xué)校；創(chuàng)新變革；挑戰(zhàn)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2017）07-0012-03

近年來，世界各國高度重視人工智能技術(shù)的發(fā)展，相繼發(fā)布了相關(guān)研究報(bào)告。2016年10月，美國白宮發(fā)布了《為人工智能的未來做好準(zhǔn)備》和《國家人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃》兩份重要報(bào)告。2016年11月，英國政府發(fā)布《人工智能：未來決策制定的機(jī)遇與影響》報(bào)告。2017年3月，國務(wù)院總理李克強(qiáng)發(fā)表2017政府工作報(bào)告，指出要加快培育壯大包括人工智能在內(nèi)的新興產(chǎn)業(yè)，“人工智能”首次被寫入政府工作報(bào)告。當(dāng)前，人工智能正逐漸融入電商零售、醫(yī)療健康、交通以及個(gè)人助理等多個(gè)領(lǐng)域，并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用空間。人工智能在教育領(lǐng)域同樣擁有巨大的應(yīng)用潛力，隨著知識(shí)表示方法、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)、自然語言處理、智能代理、情感計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，人工智能將在教育領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用[1]。

人工智能在教育中的典型應(yīng)用主要集中在智能導(dǎo)師輔助個(gè)性化教與學(xué)、教育機(jī)器人等智能助手、居家學(xué)習(xí)的兒童伙伴、實(shí)時(shí)跟蹤與反饋的智能測(cè)評(píng)、教育數(shù)據(jù)的挖掘與智能化分析、學(xué)習(xí)分析與學(xué)習(xí)者數(shù)字肖像六大方向[1]，已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。學(xué)校作為教育活動(dòng)的重要組織場(chǎng)所之一，人工智能將為學(xué)校的管理與教學(xué)帶來變革性的影響，主要表現(xiàn)在四大方面：維護(hù)校園安全、輔助教師教學(xué)、變革學(xué)習(xí)范式以及優(yōu)化學(xué)校管理。

維護(hù)校園安全

校園安全是順利開展學(xué)校教育活動(dòng)的基礎(chǔ)，也是教育改革和發(fā)展的基本保障?！秶抑虚L(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》指出，要“切實(shí)維護(hù)教育系統(tǒng)和諧穩(wěn)定，深入開展平安校園、文明校園、綠色校園、和諧校園創(chuàng)建活動(dòng)，為師生創(chuàng)造安定有序、和諧融洽、充滿活力的工作學(xué)習(xí)生活環(huán)境”[2]。計(jì)算機(jī)視覺與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得人工智能維護(hù)校園安全成為可能，其將在非法人員識(shí)別、消防安全預(yù)警、活動(dòng)事故防護(hù)三個(gè)方面發(fā)揮重要作用。

1. 非法人員識(shí)別

部署保安機(jī)器人將是未來學(xué)校保證維護(hù)校園安全的重要措施之一。保安機(jī)器人能通過眼部的圖像采集設(shè)備采集進(jìn)入校園人員的面部信息，識(shí)別當(dāng)前人員身份，若未檢測(cè)到相關(guān)人員信息，系統(tǒng)則會(huì)通知學(xué)校的安保人員進(jìn)行身份驗(yàn)證、登記等工作。同時(shí)，位于校園各處的保安機(jī)器人還將實(shí)時(shí)監(jiān)控是否有陌生人通過非正規(guī)途徑進(jìn)入校園，檢測(cè)到相關(guān)行為之后，則會(huì)通知學(xué)校安保人員進(jìn)行處理。此外，位于學(xué)校門口的保安機(jī)器人還將采集學(xué)生的面部信息，與信息庫中的學(xué)生信息相比對(duì)，確定學(xué)生身份，并記錄學(xué)生到校與離校時(shí)間，確保學(xué)生在校期間的安全。

2. 消防安全預(yù)警

未來學(xué)校的消防安全預(yù)警系統(tǒng)包含了感煙探測(cè)器、感溫探測(cè)器、火焰探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器等多種感應(yīng)器，同時(shí)通過攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集圖像信息，分析畫面中是否出現(xiàn)明火、煙霧等現(xiàn)象。其綜合圖像分析與探測(cè)器感知，判斷是否有火災(zāi)現(xiàn)象發(fā)生。此外，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集校園內(nèi)人員的行為數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫中消防安全危險(xiǎn)行為做比對(duì)，分析是否有相關(guān)危險(xiǎn)行為發(fā)生。若危險(xiǎn)行為發(fā)生，則會(huì)通知學(xué)校安防人員。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，擁有智能搜救技術(shù)的消防機(jī)器人將會(huì)代替人進(jìn)入火災(zāi)發(fā)生區(qū)，通過生命探測(cè)儀，自動(dòng)感應(yīng)、搜索、識(shí)別被困人員，將其救出火災(zāi)發(fā)生區(qū)。消防機(jī)器人的部署很大程度上避免了人員進(jìn)入火災(zāi)發(fā)生區(qū)受到二次傷害現(xiàn)象的發(fā)生，其機(jī)動(dòng)性超越了現(xiàn)有的消防安全系統(tǒng)，在很大程度上保證了校園內(nèi)師生生命和財(cái)產(chǎn)安全。

3. 活動(dòng)事故防護(hù)

目前，校園課間活動(dòng)的傷害事故主要表現(xiàn)在擁擠踩踏傷害、追逐打鬧傷害、危險(xiǎn)游戲傷害等三個(gè)方面?；谌斯ぶ悄艿幕顒?dòng)事故防護(hù)系統(tǒng)通過校園內(nèi)的攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集師生行為數(shù)據(jù)，通過與數(shù)據(jù)庫中活動(dòng)事故危險(xiǎn)行為模型相比對(duì)，分析判斷是否有危險(xiǎn)行為發(fā)生。若相關(guān)行為發(fā)生，系統(tǒng)則會(huì)將相關(guān)危險(xiǎn)行為發(fā)生的地點(diǎn)、類型等發(fā)送給學(xué)校的安防人員，提醒安防人員采取相應(yīng)措施。

輔助教師教學(xué)

隨著圖像識(shí)別、語音識(shí)別、自然語言處理等技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人工智能工具被應(yīng)用于教育領(lǐng)域，成為教師教學(xué)的得力助手。教育機(jī)器人和智能作業(yè)測(cè)評(píng)工具的出現(xiàn)大大減輕了教師的負(fù)擔(dān)，提高了教師教學(xué)的效率。

1. 輔助備課

備課是真實(shí)教學(xué)實(shí)踐的預(yù)演，是應(yīng)用教師知識(shí)并發(fā)展教師知識(shí)的過程。其既是確保教學(xué)質(zhì)量的條件，也是教師專業(yè)發(fā)展的途徑[3]，是教師教學(xué)的重要組成部分。備課機(jī)器人能夠通過語音識(shí)別記錄教師話語信息，利用自然語言處理技術(shù)分析整合教師話語信息，識(shí)別教師要求。備課機(jī)器人根據(jù)教師提供的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點(diǎn)、學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)等，在相關(guān)學(xué)科的知識(shí)庫中進(jìn)行資源的搜索與整合，形成電子教案。同時(shí)，根據(jù)教案內(nèi)容為教師提供課堂測(cè)試習(xí)題以及上課所需課件。教師只需要根據(jù)所教班級(jí)的學(xué)生特點(diǎn)與自己的教學(xué)習(xí)慣，對(duì)教案、測(cè)試習(xí)題以及課件稍作調(diào)整即可應(yīng)用于教學(xué)。

2. 智能作業(yè)測(cè)評(píng)

自然語言處理技術(shù)的進(jìn)步使得作業(yè)自動(dòng)批改成為可能?？拼笥嶏w將“訊飛超腦”計(jì)劃的階段性研究成果“全學(xué)科閱卷”技術(shù)應(yīng)用于考試，實(shí)現(xiàn)閱卷過程的數(shù)據(jù)化與自動(dòng)化，在將教師從簡(jiǎn)單重復(fù)的閱卷工作中解放出來的同時(shí)，完成對(duì)考試數(shù)據(jù)的采集[4]?；谌斯ぶ悄艿淖鳂I(yè)評(píng)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)作文、閱讀等主觀題進(jìn)行語義識(shí)別并提出修改意見，根據(jù)學(xué)生的作業(yè)結(jié)果為教師自動(dòng)生成詳細(xì)的學(xué)情報(bào)告。智能作業(yè)評(píng)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用將有效分擔(dān)教師的教學(xué)壓力，顯著提高教學(xué)效率，教師能夠更多地專注于與學(xué)生互動(dòng)、教學(xué)設(shè)計(jì)和專業(yè)發(fā)展。

3. 輔助課堂管理

在未來，教輔機(jī)器人將走進(jìn)教室，輔助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中遇到的難題。教輔機(jī)器人能夠識(shí)別學(xué)生身份，讀取學(xué)生當(dāng)天所學(xué)課程信息以及學(xué)生在課堂的行為數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供個(gè)性化解題方案奠定基礎(chǔ)。教輔機(jī)器人通過語音識(shí)別獲取學(xué)生問題信息，利用自然語言處理技術(shù)分析整合學(xué)生話語信息。然后，教輔機(jī)器人通過人臉識(shí)別采集學(xué)生的面部信息，綜合面部表情、姿態(tài)和語調(diào)通過情感計(jì)算技術(shù)分析目前學(xué)生的情緒狀態(tài)，綜合學(xué)生的情緒狀態(tài)和行為數(shù)據(jù)確定學(xué)生當(dāng)前學(xué)習(xí)狀態(tài)。教輔機(jī)器人依托優(yōu)秀教師授課資源庫，智能搜索相關(guān)答案，針對(duì)不同學(xué)習(xí)狀態(tài)的學(xué)生采取不用的解題風(fēng)格。此外，教輔機(jī)器人將收集到的學(xué)生行為數(shù)據(jù)上傳到學(xué)生管理系統(tǒng)，輔助教師等進(jìn)行學(xué)生的日常管理工作。

變革學(xué)習(xí)范式

學(xué)習(xí)范式是指特定時(shí)代的學(xué)習(xí)共同體所共有的學(xué)習(xí)理念、學(xué)習(xí)方式，并對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)行為產(chǎn)生積極的引導(dǎo)作用，以促進(jìn)學(xué)習(xí)的有效進(jìn)行[5]。人工智能技術(shù)的發(fā)展使自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)真正地為教育所用，為學(xué)習(xí)所用，人工智能將使現(xiàn)有的學(xué)習(xí)范式走向自適應(yīng)學(xué)習(xí)。

自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)在本質(zhì)上是一類支持個(gè)別化學(xué)習(xí)的在線學(xué)習(xí)環(huán)境。它針對(duì)個(gè)體在學(xué)習(xí)過程中的差異性（因人、因時(shí)）而提供適合個(gè)體特征的學(xué)習(xí)支持，包括個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)策略等[6]?；谌斯ぶ悄艿淖赃m應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)將整合自適應(yīng)內(nèi)容、自適應(yīng)評(píng)估和自適應(yīng)序列三種工具。自適應(yīng)內(nèi)容通過分析學(xué)生對(duì)問題具體的回答，為學(xué)生提供個(gè)性化的內(nèi)容反饋和學(xué)習(xí)資源推送。自適應(yīng)序列利用一定的算法和預(yù)測(cè)性分析，基于學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，持續(xù)收集數(shù)據(jù)。其中在數(shù)據(jù)收集階段，自適應(yīng)序列會(huì)將學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生互動(dòng)集成起來，再由模型計(jì)算引擎對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以備使用。自適應(yīng)評(píng)估可根據(jù)學(xué)生回答問題的正確與否，及時(shí)改變和調(diào)整測(cè)評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)。

優(yōu)化學(xué)校管理

學(xué)校是教育的核心單元，高效的學(xué)校管理是學(xué)校開展各項(xiàng)工作并得以高效運(yùn)行的重要保障[7]。人工智能的融入將使未來學(xué)校的管理工作更加高效，使學(xué)校更好地服務(wù)于教師的教學(xué)與學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)。其將在考務(wù)管理、教師管理、學(xué)生管理三方面發(fā)揮重要作用。

1. 考務(wù)管理

在未來的學(xué)校中，監(jiān)考機(jī)器人將代替監(jiān)考人員進(jìn)行考務(wù)工作，很大程度上節(jié)省學(xué)?？紕?wù)管理方面的人力資源。監(jiān)考機(jī)器人通過內(nèi)置于眼部的攝像頭采集學(xué)生的面部信息，與數(shù)據(jù)庫中學(xué)生信息比對(duì)，確定學(xué)生身份，自動(dòng)完成簽到。其通過內(nèi)置于手臂端的金屬探測(cè)器，掃描學(xué)生全身，檢測(cè)學(xué)生是否帶有作弊物品。監(jiān)考機(jī)器人通過攝像頭、紅外感知等確定學(xué)生位置以及教室內(nèi)的桌椅等位置，規(guī)劃行動(dòng)路徑，分發(fā)和收集試卷。此外，監(jiān)考機(jī)器人還將通過位于眼部的攝像頭實(shí)時(shí)采集學(xué)生行為數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫中作弊行為實(shí)時(shí)對(duì)比分析，如果學(xué)生有作弊行為發(fā)生，則會(huì)立即制止，維護(hù)考場(chǎng)紀(jì)律。

2. 教師管理

教師管理是學(xué)校管理工作中的重要組成部分，教師評(píng)價(jià)則是教學(xué)管理中的核心部分。人工智能為教師的智能評(píng)價(jià)提供了可能。基于人工智能的教師評(píng)價(jià)系統(tǒng)通過教室的攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集教師及學(xué)生的行為數(shù)據(jù)、表情數(shù)據(jù)，通過學(xué)生的穿戴設(shè)備采集其體征數(shù)據(jù)。系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)教師和學(xué)生的行為數(shù)據(jù)、情緒數(shù)據(jù)和體征數(shù)據(jù)的分析（如系統(tǒng)與學(xué)校的學(xué)科管理系統(tǒng)相連通，確定教師的教學(xué)內(nèi)容是否與教學(xué)大綱要求相適應(yīng)，重難點(diǎn)是否突出，所講述內(nèi)容是否具有實(shí)用性；教師講授知識(shí)時(shí)，根據(jù)學(xué)生的行為、情緒和體征的反應(yīng)確定教師所講授知識(shí)是否被學(xué)生理解；教師在講授內(nèi)容和組織學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)，語言是否規(guī)范、清晰，態(tài)度是否親切和藹等），最終評(píng)定教師的教學(xué)效果，并生成可視化報(bào)告，輔助學(xué)校完成對(duì)教師教學(xué)效果的評(píng)估工作。此外，系統(tǒng)還將通過教室的攝像設(shè)備采集教師面部信息，識(shí)別教師身份，自動(dòng)記錄教師的出勤情況，輔助學(xué)校的教師管理工作。

3. 學(xué)生管理

學(xué)生管理在學(xué)校管理中同樣發(fā)揮著重要作用?；谌斯ぶ悄艿膶W(xué)生管理系統(tǒng)可通過位于學(xué)校門口以及教室的攝像設(shè)備采集學(xué)生面部信息，識(shí)別學(xué)生身份，自動(dòng)記錄學(xué)生的到校時(shí)間和離校時(shí)間，為學(xué)生的出勤考核提供數(shù)據(jù)支持。通過位于教室的攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集學(xué)生的行為數(shù)據(jù)，分析學(xué)生的課堂表現(xiàn)以及課余時(shí)間的同學(xué)之間的交流情況，為學(xué)生管理的班風(fēng)、學(xué)風(fēng)管理提供決策支持。同時(shí)，通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)、課堂表現(xiàn)、課下交流情況，判斷學(xué)生是否有異常行為（趨向），并及時(shí)反饋給學(xué)校管理者。此外，系統(tǒng)還將學(xué)生的在校情況，包括到校時(shí)間、離校時(shí)間、測(cè)試成績(jī)、作業(yè)完成情況等反饋給學(xué)生家長(zhǎng)，家校協(xié)同完成學(xué)生管理工作。

讓機(jī)器在沒有人類教師的幫助下學(xué)習(xí)，讓機(jī)器像人類一樣感知和理解世界，使機(jī)器具有自我意識(shí)、情感，以及反思自身處境與行為的能力，是人工智能面臨的主要挑戰(zhàn)[8]。除此之外，人工智能在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用目前還處于初級(jí)階段，在學(xué)校的管理與教學(xué)應(yīng)用方面仍面臨著數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱、決策和推理機(jī)制適應(yīng)難、缺乏專業(yè)應(yīng)用人才等挑戰(zhàn)。

（作者單位：江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院）

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