基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)的智能化

文 何積豐

到今年，我的任教時間已達(dá)55年了。在這55年里，我常常在想，教育的意義是什么，特別是伴隨著科技發(fā)展的教育含義。今天，我想跟大家分享的就是，在人工智能制造社會中的教育意義。

我們需要培養(yǎng)什么樣的人？怎么培養(yǎng)人？我相信，其中人工智能會起很重要的作用。下面，我主要從IT方向來闡述，哪些技術(shù)從哪些方面能幫助我們提高基礎(chǔ)教育水平。

老師和學(xué)生的角色關(guān)系應(yīng)該是平等的

在我看來，我們的教學(xué)過程中，教師和學(xué)生都是核心?！敖虒W(xué)”——有教有學(xué)，不僅是老師在教學(xué)生，學(xué)生也在教育過程中一直教老師！兩者的關(guān)系沒有主次之分，沒有陪襯。

而有主次的教學(xué)則是，學(xué)生問的是：“我應(yīng)該學(xué)什么？”“應(yīng)該什么時候?qū)W？”“如何學(xué)？”這種問題的提法，本身就有些功利主義。當(dāng)你提“學(xué)什么”的時候，他們會說，是老師說的，這個東西有用。

現(xiàn)在看來，無論有用還是無用，在長遠(yuǎn)人生發(fā)展中都是有共性的。過分強(qiáng)調(diào)有用沒用，那種狹隘的功利主義，會影響學(xué)生的發(fā)展。這種情況下，作為教師，也會問同樣的問題：“教什么？”“什么時候教？”“如何教？”

人工智能是否能支撐起基礎(chǔ)教育的改革創(chuàng)新？這個問題，在今天討論是非常及時的?！吨行W(xué)階段人工智能普及教育現(xiàn)狀調(diào)研報告》中的統(tǒng)計技術(shù)顯示：關(guān)于“中小學(xué)生希望學(xué)習(xí)人工智能的原因是什么？”排名第一。超過56%的學(xué)生是希望能夠開闊眼界。這非常好，沒什么功利主義。其次的答案是，希望能學(xué)到好多知識，這個觀點也挺不錯。還有是希望能夠訓(xùn)練思維。最少的是什么呢？是我的爸爸媽媽希望我學(xué)，這可能是非常被動的。

從這一調(diào)查結(jié)果來看，中小學(xué)生的主動銜接性還是非常好的，這對我們做人工智能教育是非常大的鼓勵。關(guān)于小學(xué)、初中、高中的課程分布情況，現(xiàn)在比較受關(guān)注的是程序設(shè)計、機(jī)器人、人工智能原理課程、人工智能專家講座。這是2017年的數(shù)據(jù)中反映的，還不是那么完整。

另外，有關(guān)人工智能教育融資額和融資次數(shù)，以及人工智能教育的融資輪次占比數(shù)據(jù)，也在說明，金融行業(yè)已非常關(guān)心教育融入新技術(shù)后新的行業(yè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

人工智能對教育起到的重大作用

習(xí)近平總書記在給人工智能教育大會上的賀信中談道：“中國高度重視人工智能對教育的深刻影響，積極推動人工智能和教育深度融合，促進(jìn)教育變革創(chuàng)新。”兩年前，國務(wù)院在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》文件里很明確地指出“要逐步開展全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，培養(yǎng)復(fù)合型人才?！?/p>

我們做了一個分析，覺得智能化教育發(fā)展路線大概有3個路線圖：

（1）2000年前，優(yōu)質(zhì)資源比較短缺，希望通過互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，能給偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們帶去比較好的教育資源。

（2）從2010年到2016年，商業(yè)化過程發(fā)展比較快，各類相關(guān)企業(yè)都產(chǎn)生了，主要在深度學(xué)習(xí)算法、語音視覺方面對推動教育發(fā)展有好處。

（3）2016年開始，大家慢慢開始關(guān)注教育的智能化，這里智能化是很好的技術(shù)手段。

哪些人工智能技術(shù)可以用在基礎(chǔ)教育里呢？我們認(rèn)為，也可以分成3個部分：

（1）智能化教學(xué)工具。主要是依靠人工智能和教育方法學(xué)的結(jié)合，基于AI、知識圖譜、語音語義識別、視覺識別、個性化推薦等技術(shù)。

（2）智能化課程體系。主要是課程體系+教學(xué)系統(tǒng)，依托于AI技術(shù)，研發(fā)科學(xué)類課程里的體系教育，比如說編程教育、機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育等。

（3）智能化教學(xué)環(huán)境。這也是這幾年中發(fā)展最迅速、最明顯的。采用物聯(lián)網(wǎng)+智能系統(tǒng)，在校園里，無論是工作還是學(xué)習(xí)、生活，均構(gòu)成一體化的環(huán)境，將教學(xué)、科研、管理和校園生活充分融合在一起。

從培養(yǎng)角度來說，德智體美勞五方向都要做，這里智能能夠做什么呢？

（1）智能教育評估。例如，在口語測評環(huán)節(jié)，如果老師英語講得不太好，就可能很難給學(xué)生客觀的口語考試評估結(jié)果。

（2）智能認(rèn)知過程。怎么組織知識點，怎么組織學(xué)習(xí)創(chuàng)新點，使他們比較容易產(chǎn)生內(nèi)生動力，能夠把知識學(xué)好。

（3）智能教學(xué)環(huán)境。目前在大城市中，小學(xué)的硬件環(huán)境某些方面比大學(xué)還要好，其實是很關(guān)心教學(xué)環(huán)境對教學(xué)的整體作用。

（4）互動教學(xué)形式。過去的教育是，老師站在課堂上講，學(xué)生在下面聽，尤其在中國，中小學(xué)里學(xué)生跟老師的互動比較少。這不利于學(xué)生本身的學(xué)習(xí)，也不利于老師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，因此，環(huán)境提升也是非常有必要的。

（5）數(shù)字教學(xué)過程。利用3～5項技術(shù)，就可以對教學(xué)過程起到比較重要的改進(jìn)作用。下面我用一些實例來進(jìn)行說明。

人工智能教育的實際應(yīng)用

圖像篇。主要的核心技術(shù)，是圖像識別、模式匹配?？蛇\(yùn)用于書法糾正、拍照搜題、生物識別等。實際上在2010年左右，不少大學(xué)就已經(jīng)開始做這方面的研究。例如：教外國學(xué)生怎樣寫大楷、小楷時，教學(xué)過程中和他們交流語言還有困難，用計算機(jī)教反而效果好。華東師范大學(xué)（以下簡稱“華師大”）有“伴讀書童”系統(tǒng)，就教大家寫中國大楷。華師大還有漢語教學(xué)中心，每年有好幾千的外國學(xué)生都在學(xué)漢語，這對他們是有幫助的。

聲音篇。主要的核心技術(shù)是語音識別和語音對比，相信對漢語（普通話）和英語的評測及糾正都很有幫助。學(xué)生在學(xué)校里學(xué)習(xí)英語有困難，講錯了老師同學(xué)會笑他，但是采用人機(jī)對話的形式，心理壓力就會減輕很多?，F(xiàn)實的情況是，我們的學(xué)生從初中開始學(xué)到高中，花了整整六年，大學(xué)里面四年的本科生教育要通過四六級英語考試，考了那么長時間，走到工作崗位時，語音通話能力和寫作能力還是沒有提高。因此，我充分建議，人工智能公司能利用語音評測手段、智能學(xué)習(xí)手段來提升學(xué)生的外語學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生能夠放松心態(tài)，把語言學(xué)好。

文字篇。主要的核心技術(shù)是自然語言處理，實現(xiàn)作業(yè)、考卷的自動批改。這還是很有必要的。很多老師批考卷帶了主觀性，同一個考卷在這個老師和那個老師手里，批的結(jié)果很可能不一樣。希望現(xiàn)有技術(shù)能掃描手寫的文卡，識別后能打出比較客觀的分?jǐn)?shù)。

智適應(yīng)學(xué)習(xí)篇。主要的核心智能技術(shù)是大數(shù)據(jù)分析+反饋控制，適用于教學(xué)內(nèi)容推薦系統(tǒng)。構(gòu)建在理想情況下，學(xué)生掌握內(nèi)容的學(xué)科模式，可以通過深度學(xué)習(xí)能模擬優(yōu)秀教師的上課過程，并了解學(xué)生在各方面的個性特征。

有的孩子可能由于各種各樣的原因，發(fā)展程度有所差別。華師大有一個基于AI的特殊兒童評價與干預(yù)系統(tǒng)，專門通過圖像識別、語音識別技術(shù)，為特殊兒童提供認(rèn)知語言的康復(fù)輔助訓(xùn)練。這對很多家長來說是很大的安慰，孩子稍微有點缺陷，但在教育上還是有辦法通過AI技術(shù)來提高水平。

教學(xué)環(huán)境智能化。我們希望可以解決3個挑戰(zhàn)：學(xué)習(xí)過程難以個性化；教學(xué)過程難以精準(zhǔn)化；管理過程難以科學(xué)化。

學(xué)習(xí)個性化與教學(xué)精準(zhǔn)化，需要選擇多模態(tài)的情況，實現(xiàn)環(huán)境的感知。對情境進(jìn)行識別后，根據(jù)相關(guān)的規(guī)則，就知道我們應(yīng)該選擇什么樣的工具和活動，讓學(xué)生能夠有選擇的權(quán)利，并且參加后會提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在線學(xué)習(xí)的智能診斷系統(tǒng)，現(xiàn)有的公司產(chǎn)品主要應(yīng)用于課程領(lǐng)域，希望把知識學(xué)習(xí)分到每一環(huán)節(jié)、每一階段，要層層相扣。

管理科學(xué)化。體現(xiàn)在學(xué)校里的外部服務(wù)跟學(xué)校相關(guān)系統(tǒng)的聯(lián)系，以及跟安全有關(guān)的門禁系統(tǒng)、人臉系統(tǒng)等，這個領(lǐng)域的落地成果也做得比較好。以華師大圖書館的智能系統(tǒng)建設(shè)為例，可以刷臉報到進(jìn)館，敏感人員會有預(yù)警系統(tǒng)。這樣能夠做到常態(tài)化點名、訪客邀約等。

寫在最后

人工智能教育和教育智能化應(yīng)該有一定的區(qū)別。目前，在人工智能基于大數(shù)據(jù)的智能化做得較多，希望能夠按照人的方式來思考問題、解決問題?？墒侨嗽趺此伎紗栴}？怎么解決問題呢？本身的機(jī)理還是在探索過程之中。很希望類腦人工智能系統(tǒng)這一次能有比較高速度的發(fā)展，使機(jī)器人能知道人是怎么感知世界，怎么建立全新的感知系統(tǒng)，怎么進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理過程。

因此，從人工智能教育到教育智能化，還是得從腦科學(xué)開始，構(gòu)造人類學(xué)習(xí)問題的基本原理?；谀X科學(xué)的發(fā)展，希望能促進(jìn)人腦的發(fā)展，要考慮到人的差異化、成長關(guān)鍵期、人類的成熟程度。腦功能如何增強(qiáng)？腦功能如何開發(fā)？腦功能是否遺傳？腦功能怎么遷移？這都是新的研究課題。研究課題看起來和基礎(chǔ)教育沒關(guān)系，但均會對基礎(chǔ)教育人工智能化起到很大的推動作用。