人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用探析

羅萬麗?王蕊?范榮

摘 要：隨著人工智能熱潮的興起，日新月異的新技術(shù)蔓延各行各業(yè)，“人工智能+教育”應(yīng)運(yùn)而生，教育形態(tài)也因此不斷得到重塑。本文通過介紹人工智能教育應(yīng)用的內(nèi)涵、特征和關(guān)鍵技術(shù)，基于對(duì)我國人工智能在教育中應(yīng)用現(xiàn)狀的思考，從而梳理和反思人工智能教育應(yīng)用在智能時(shí)代的推進(jìn)策略，以期為國內(nèi)人工智能教育應(yīng)用的發(fā)展提供思路。

關(guān)鍵詞：人工智能;教育應(yīng)用;深度學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-0069（2018）06-0079-04

一、對(duì)人工智能教育應(yīng)用的解讀

（一）認(rèn)識(shí)人工智能教育應(yīng)用

人工智能是人類體力與腦力的延伸，是涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、教育學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的一門綜合性的交叉學(xué)科。[1]人工智能又叫機(jī)器智能，人工智能研究的一個(gè)主要目標(biāo)是使機(jī)器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。人工智能早在20世紀(jì)50年代就產(chǎn)生了，但因?yàn)槠溥\(yùn)算能力等原因，經(jīng)歷了低谷期和長期的緩慢發(fā)展?fàn)顟B(tài)。2016年，阿爾法狗成功戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍李世石，引爆了人工智能技術(shù)的發(fā)展熱潮。接下來，人工智能以強(qiáng)大的智能技術(shù)的支撐，類似互聯(lián)網(wǎng)的路徑，快速滲透到各行各業(yè)的發(fā)展，引起了人們的歡呼和追捧。人工智能教育應(yīng)用是“人工智能+教育”的成果，既有著人工智能技術(shù)與其他行業(yè)融合發(fā)展的特點(diǎn)，也有其特殊性。它是信息時(shí)代人工智能技術(shù)和學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)兩者融合所產(chǎn)生的一個(gè)新領(lǐng)域，其核心是教學(xué)模型、領(lǐng)域知識(shí)模型和學(xué)習(xí)者模型。人工智能教育應(yīng)用旨在運(yùn)用人工智能技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)三大核心驅(qū)動(dòng)力跟蹤記錄學(xué)習(xí)者的所有學(xué)習(xí)過程，完成常態(tài)化數(shù)據(jù)采集、評(píng)價(jià)模型以及個(gè)性化教學(xué)和數(shù)據(jù)化管理，從微觀層面深入理解學(xué)習(xí)是如何發(fā)生的，以及探索外界的各種因素對(duì)它有哪些影響，從而為學(xué)習(xí)者高效學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件。[2]

（二）主要特征

1.教育服務(wù)智能化

人工智能教育應(yīng)用為教學(xué)提供更多的智能工具，為教育者和學(xué)習(xí)者帶來智慧教學(xué)的新體驗(yàn)。在教學(xué)過程中教師運(yùn)用人工智能技術(shù)將學(xué)習(xí)環(huán)境與生活場景進(jìn)行無縫銜接，提供智能化教學(xué)服務(wù)，提升教學(xué)效果，促使泛在學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)真正成為一種常態(tài)。

2.學(xué)習(xí)過程個(gè)性化

“人工智能+教育”充分利用智能技術(shù)的支撐，依據(jù)師生的不同特點(diǎn)和需求，為其提供具有針對(duì)性的個(gè)性化教育服務(wù)。同時(shí)它還可以實(shí)現(xiàn)跟蹤并記錄學(xué)習(xí)者的所有學(xué)習(xí)過程，通過對(duì)學(xué)習(xí)過程的分析標(biāo)記學(xué)習(xí)的重、難點(diǎn)，進(jìn)一步幫助學(xué)習(xí)者及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度及學(xué)習(xí)計(jì)劃，并為其制訂個(gè)性化學(xué)習(xí)計(jì)劃，推送個(gè)性化資源。

3.關(guān)注學(xué)生情感

在線教育目前仍然存在情感缺失的不足，而人工智能教育應(yīng)用則可以利用情感計(jì)算技術(shù)解決這一難題。人工智能教育應(yīng)用在教學(xué)過程中通過識(shí)別學(xué)習(xí)者的面部表情、姿勢、聲音進(jìn)一步了解學(xué)習(xí)者的情緒，進(jìn)而調(diào)整教學(xué)策略。因此，人工智能教育應(yīng)用更關(guān)注情感，通過人機(jī)交流為學(xué)生營造一個(gè)接近真實(shí)的個(gè)性化學(xué)習(xí)環(huán)境，這樣更有利于維持學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)。

（三）關(guān)鍵技術(shù)

1.知識(shí)計(jì)算

知識(shí)計(jì)算是人工智能與信息技術(shù)融合的一種新型產(chǎn)物，其實(shí)質(zhì)是一種可被計(jì)算機(jī)接受的用于描述知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在教育領(lǐng)域，知識(shí)計(jì)算主要通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表征，并結(jié)合教學(xué)專家系統(tǒng)的知識(shí)表示方法，從而運(yùn)用其智能性解決學(xué)習(xí)過程中遇到的復(fù)雜問題。

2.計(jì)算機(jī)視覺

計(jì)算機(jī)視覺是利用攝像機(jī)和電腦對(duì)目標(biāo)掃描，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測量等，并通過圖形處理，使其成為更容易被人眼辨別或傳送給儀器檢測的圖像。[3]在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用主要有信息組織、物體與環(huán)境建模以及交感互動(dòng)等方面，其作用是通過感知從感官信號(hào)中獲取信息。

3.語音識(shí)別

語音識(shí)別技術(shù)是將人類的語音內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的輸入，計(jì)算機(jī)通過語音識(shí)別和辨別接收具體內(nèi)容信息，并將其轉(zhuǎn)化為文字。語音識(shí)別技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括語音文檔檢索、語音讀寫數(shù)據(jù)輸入等，為存在學(xué)習(xí)障礙的學(xué)生提供聽、說、讀、寫方面的便捷服務(wù)，為特殊教育注入新的血液。

4.自然語言處理

自然語言處理旨在通過人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流，使計(jì)算機(jī)理解人類的自然語言。在教育領(lǐng)域，自然語言處理技術(shù)主要應(yīng)用于語法檢測、文本知識(shí)與語言管理、人工系統(tǒng)、語料庫以及語言教學(xué)研究中。同時(shí)自然語言處理技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，為學(xué)習(xí)者帶來了全新的學(xué)習(xí)方式。

5.情感計(jì)算

情感計(jì)算是指通過運(yùn)用一種能夠識(shí)別并理解機(jī)器模擬人的情感的算法，使機(jī)器獲得學(xué)習(xí)者的情感狀態(tài)。[4]

顯然，情感計(jì)算的應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)捕捉學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的情感狀態(tài)，通過面部表情、姿態(tài)表情以及語調(diào)表情等方面的變化及時(shí)反饋學(xué)習(xí)者的情感變化，從而迅速分析、判斷出學(xué)習(xí)者對(duì)該學(xué)習(xí)內(nèi)容的態(tài)度偏好、認(rèn)知風(fēng)格，并進(jìn)一步為學(xué)習(xí)者適時(shí)地提供激勵(lì)和幫助。

二、 人工智能在教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，各中小學(xué)開始設(shè)置人工智能相關(guān)課程，請(qǐng)人工智能進(jìn)課堂，將其與中小學(xué)課堂教學(xué)進(jìn)行深度融合。在推廣編程教育的過程中，通過開展人工智能大賽、機(jī)器人大賽等方式，進(jìn)一步吸引社會(huì)力量參與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣，打造寓教于樂的智慧教育。并且國內(nèi)部分高校已經(jīng)設(shè)立了人工智能專業(yè)，積極響應(yīng)“人工智能+教育”的號(hào)召，已然形成“人工智能+X”復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式。[5]同時(shí)部分試點(diǎn)院校已建立人工智能學(xué)院，開設(shè)人工智能學(xué)科，進(jìn)一步開展碩士、博士招生工作，實(shí)現(xiàn)復(fù)合型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

人工智能在教育領(lǐng)域更多的是應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)和遠(yuǎn)程教育等方面。人工智能教育應(yīng)用使教育資源內(nèi)容更加豐富，教學(xué)方式更為靈活，教學(xué)環(huán)節(jié)和流程得到了優(yōu)化。如Z+Z智能教學(xué)系統(tǒng)、智能導(dǎo)師系統(tǒng)、智能自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)及機(jī)器人DIY等在教育中的應(yīng)用，充分考慮學(xué)習(xí)者的個(gè)體差異，協(xié)助教師更好地進(jìn)行因材施教，優(yōu)化和創(chuàng)新了教學(xué)方式;實(shí)現(xiàn)了O2O混合式個(gè)性化教學(xué)，創(chuàng)造了新的教育生態(tài)。同時(shí)在教學(xué)過程中，人工智能為智慧教育提供了技術(shù)支撐，如智能批改、基于案例的推理等新興的機(jī)器學(xué)習(xí)為教育注入了新鮮的血液。機(jī)器閱卷減輕了教師的負(fù)擔(dān)，教師能夠騰出更多的時(shí)間和精力關(guān)注學(xué)生互動(dòng)、教學(xué)設(shè)計(jì)、專業(yè)發(fā)展和教育質(zhì)量。

在日常仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用基于智能仿真技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)、生物實(shí)驗(yàn)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)等仿真實(shí)驗(yàn)，不僅解決了設(shè)備欠缺、經(jīng)費(fèi)不足的難題，而且可以利用其對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＿@樣一來就可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇有效的實(shí)驗(yàn)方法，分析解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而提高教學(xué)效率。

人工智能為遠(yuǎn)程教育的智能化提供了有力的技術(shù)支撐。通過運(yùn)用專家系統(tǒng)、自然語言處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，跟蹤學(xué)習(xí)者的思維路徑及其解決問題的潛在目標(biāo)結(jié)構(gòu)，診斷和評(píng)估學(xué)習(xí)者的理解域，對(duì)學(xué)習(xí)者提供及時(shí)的指導(dǎo)、反饋和解釋，通過平臺(tái)大數(shù)據(jù)的分析以合適的難度水平和最適當(dāng)?shù)膬?nèi)容來規(guī)劃學(xué)習(xí)活動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)高效學(xué)習(xí)行為的發(fā)生。[6]

盡管擁有先進(jìn)的教學(xué)理念、創(chuàng)新思維和技術(shù)支撐，但是人工智能教育活動(dòng)目前仍處于探索階段，人工智能在教育中已取得的成果大部分集中為個(gè)案，在通用性方面還未取得突破性進(jìn)展。人工智能教育應(yīng)用尚不成熟，在很大程度上需要深入探究和摸索。與此同時(shí)，在未來研究中，除需要澄清部分“誤區(qū)”（如智能教育與智慧教育的混淆、樂觀與悲觀的態(tài)度等）外，還有許多“新區(qū)”（如應(yīng)用新領(lǐng)域、新模式和新場景等）亟待拓展，部分“盲區(qū)”（如被忽略的應(yīng)用領(lǐng)域、理論和技術(shù)方面的創(chuàng)新等）有待進(jìn)一步探索以及一些“禁區(qū)”（如信息倫理、信息法律等方面）須明文令止。

三、對(duì)人工智能教育應(yīng)用發(fā)展的思考

（一）學(xué)校重視人工智能教育

在人工智能時(shí)代，如何依托課堂實(shí)現(xiàn)人們滿意的人工智能教育？毫無疑問，首先，人工智能教育應(yīng)用對(duì)學(xué)校教育本身進(jìn)行了高密度的滲透，學(xué)校教育迫切需要更新教育教學(xué)觀念，尤其是在人才培養(yǎng)方面，直接切入人才培養(yǎng)過程，將需求和目標(biāo)融為一體。其次，需轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)者的意識(shí)、觀念，讓學(xué)習(xí)者了解人工智能，并參與體驗(yàn)人工智能教育應(yīng)用的樂趣，從而讓他們的潛力得到激發(fā)。再次，還需改變傳統(tǒng)課堂教育方式，在學(xué)校教育過程中除了整合校內(nèi)教育資源，還需注入適當(dāng)?shù)纳鐣?huì)資源，從而借助大眾媒體培養(yǎng)學(xué)習(xí)者批判思維能力、高階思維能力、合作交流能力等核心素養(yǎng)，進(jìn)而培養(yǎng)其具有終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。如引導(dǎo)學(xué)習(xí)者觀看科學(xué)類節(jié)目《機(jī)智過人》等，讓學(xué)習(xí)者與智能技術(shù)面對(duì)面進(jìn)行零距離接觸，進(jìn)而對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行潛移默化的影響。

（二）催生云教育，促進(jìn)教育公平

人工智能教育應(yīng)用開創(chuàng)了一個(gè)“人機(jī)共教”的新時(shí)代，突破了傳統(tǒng)教育的時(shí)空限制，集教學(xué)、管理、學(xué)習(xí)、娛樂、分享、互動(dòng)交流于一體，云教育也由此應(yīng)運(yùn)而生。無論是課堂教學(xué)，還是考試、選課、管理以及評(píng)價(jià)等，利用人工智能可以擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面，推動(dòng)教育均衡發(fā)展。教育資源的不均主要是由于優(yōu)秀教師資源、優(yōu)質(zhì)教育資源的匱乏和分配不均衡所造成的，因此借助人工智能教育應(yīng)用這種新型教育模式，可以逐漸實(shí)現(xiàn)教育行業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)化、課堂內(nèi)容數(shù)字化、師資資源均衡化、教學(xué)資源便捷化，最終打造一個(gè)個(gè)“智慧課堂”。通過將優(yōu)質(zhì)教育資源盡快“輸血”給農(nóng)村、西部和老少邊窮地區(qū)，從而最大化地利用人工智能擴(kuò)大分享知識(shí)的規(guī)模，加強(qiáng)分享知識(shí)的深度，進(jìn)一步幫助數(shù)以億計(jì)的孩子就近接受良好的教育。[7]如科大訊飛研發(fā)的人工智能機(jī)器人——阿爾法小蛋，英語智能教具系統(tǒng)的應(yīng)用，以及著名的“雙師教學(xué)”實(shí)驗(yàn)等，這些典型的案例無疑為農(nóng)村孩子享受名師課程提供了可能，也為城鄉(xiāng)教育資源不均衡問題的解決提供了新的思路。

（三）匯聚優(yōu)質(zhì)資源，構(gòu)建新的教育生態(tài)

第一，人工智能教育應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足。以往的教學(xué)過程更注重具體知識(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，忽略了學(xué)習(xí)者的需求及個(gè)性差異，未關(guān)注到師生、生生交互的深度與廣度，而人工智能教育應(yīng)用注重多維學(xué)習(xí)空間的創(chuàng)建，通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在線課堂式的教學(xué)，全力支持學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的自主學(xué)習(xí)，為教學(xué)效率和質(zhì)量的提升創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。如“一起作業(yè)”平臺(tái)，學(xué)習(xí)者不僅可以借助該平臺(tái)隨時(shí)獲取自身所需的、與課堂教學(xué)知識(shí)點(diǎn)同步的豐富習(xí)題，系統(tǒng)還能自動(dòng)生成精細(xì)的反饋，使學(xué)習(xí)者能夠有針對(duì)性地進(jìn)行復(fù)習(xí)和訓(xùn)練;同時(shí)使更多的學(xué)習(xí)者共享名師資源，縮小“數(shù)字鴻溝”，促進(jìn)教育公平。第二，人工智能教育應(yīng)用能夠幫助實(shí)現(xiàn)一對(duì)一個(gè)性化輔導(dǎo)，滿足學(xué)習(xí)者的真正需要，充分發(fā)揮其主體作用，促進(jìn)學(xué)生得到個(gè)性化發(fā)展。注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者個(gè)性化學(xué)習(xí)的能力，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中選擇適合其學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)習(xí)方法，倡導(dǎo)學(xué)習(xí)者勇于表達(dá)自己的所思所想，從而為每個(gè)學(xué)習(xí)者量身打造符合其學(xué)習(xí)實(shí)際需要、學(xué)習(xí)偏好的個(gè)性化學(xué)習(xí)方案。第三，人工智能教育應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的灌輸模式到即時(shí)交互模式的完美轉(zhuǎn)型。不可否認(rèn)，一系列新技術(shù)的涌現(xiàn)，其交互性為變革傳統(tǒng)教育生態(tài)提供了全新的可能。顯然，交互是一種雙向互動(dòng)的過程，新技術(shù)使得教學(xué)四要素（教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體）之間可以進(jìn)行多維交互，學(xué)習(xí)者在互動(dòng)過程中能夠進(jìn)一步完成知識(shí)建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移。第四，人工智能教育應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過程中由“教師為主體”向“學(xué)生為主體”的轉(zhuǎn)變，教師不再掌握學(xué)習(xí)控制權(quán)，而是學(xué)習(xí)者自主掌控，并通過激發(fā)學(xué)生的求知欲，從而引發(fā)真正的學(xué)習(xí)，促進(jìn)真正的發(fā)展。

（四）以人為本，構(gòu)建多元融合的課程體系

在人工智能時(shí)代背景下，學(xué)校課程體系更趨向于多元化、豐富化、融合化。同時(shí)人工智能教育應(yīng)用強(qiáng)調(diào)以人為本、注重個(gè)性發(fā)展，學(xué)校課程應(yīng)更多地關(guān)注孩子的本真，給孩子更多的空間，根據(jù)每個(gè)人的資質(zhì)和特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的指導(dǎo)和培養(yǎng)，真正做到因材施教。通過構(gòu)建智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育環(huán)境，建立以學(xué)習(xí)者為導(dǎo)向、以教師為輔助的智慧教育模式，借助人工智能提供精準(zhǔn)推送的學(xué)習(xí)支持服務(wù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)最優(yōu)化和終身教育定制化。如既能夠編程，還能與Scratch編程教育相結(jié)合，用于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、人工智能認(rèn)知學(xué)習(xí)的“愛因斯坦機(jī)器人”，有效地將教育與娛樂相結(jié)合，帶動(dòng)學(xué)習(xí)者更多的感官參與學(xué)習(xí)過程，從而使學(xué)校成為孩子進(jìn)行思想碰撞的學(xué)習(xí)中心。這啟示我們，未來的學(xué)校需要注重開展跨學(xué)科探索性學(xué)習(xí)，推動(dòng)人工智能與基礎(chǔ)學(xué)科的交叉融合，以豐富的課程體系培養(yǎng)學(xué)習(xí)者獨(dú)立思維、批判性思維等重要品質(zhì)，從而讓每一個(gè)孩子接受更加全面、更加個(gè)性化的教學(xué)，使學(xué)習(xí)過程變得更高效、更快樂。

[1][4]閆志明，唐夏夏，秦旋，等.教育人工智能（EAI）的內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用趨勢：美國《為人工智能的未來做好準(zhǔn)備》和《國家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃》報(bào)告解析[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2017，（1）：28-30.

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Analysis of the Application of Artificial Intelligence in Education

LUO Wanli，WANG Rui，F(xiàn)AN Rong

（College of Education Technology，Northwest Normal University，Lanzhou，Gansu，China 730070）

Abstract： With the rise of the artificial intelligence boom，new and ever-changing technologies have spread to all walks of life.“Artificial intelligence+education” came into being，and the form of education has been continuously reshaped.By introducing the connotation，characteristics and key technologies of the artificial intelligence education application，and then further combs and reflects the promoting strategies of the application of artificial intelligence education in the intelligent era based on the thinking of the application of artificial intelligence in education in China.Hopefully，the findings

of this paper may offer ideas for the development of domestic artificial intelligence education applica-

tions.

Key words： artificial intelligence;educational application;deep learning