美國人工智能助教應(yīng)用案例及啟示

寧佳 張海 楊絮

人工智能是計算機科學(xué)的一個分支，隨著信息化的快速發(fā)展，人工智能已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，在教育方面，機器學(xué)習(xí)、深入學(xué)習(xí)以及人工智能中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，導(dǎo)致一系列新的人工智能驅(qū)動工具出現(xiàn)，從而擴展了教學(xué)和學(xué)習(xí)的機會。為了展示出智能的效果，計算機應(yīng)用算法在大量數(shù)據(jù)中尋求一種模式，這種模式叫做“機器學(xué)習(xí)”，它在許多人工智能應(yīng)用中扮演著關(guān)鍵的角色。人工智能系統(tǒng)經(jīng)常結(jié)合人類的反饋來幫助校準(zhǔn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，通過廣泛收集數(shù)據(jù)，并應(yīng)用算法進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)評估來實現(xiàn)診斷。有效的干預(yù)措施需要審查學(xué)習(xí)者的整體需要，諸如喪失信心等隋感的需要，人工智能在這一領(lǐng)域也在被越來越廣泛地應(yīng)用。本文將重點介紹美國的人工智能助教應(yīng)用案例。

應(yīng)用案例一：教師教育沉浸課堂體驗平臺——First Class

First Class是賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)的沉浸體驗平臺，為教師教育提供增強現(xiàn)實技術(shù)輔助，教師可通過使用真實的動作、聲音和手勢來練習(xí)他們的基礎(chǔ)教學(xué)技能。First Class營造了一個由六名人工智能學(xué)生組成的虛擬K-12課堂，允許教師使用動作、聲音和手勢與參加各種行為的“虛擬學(xué)生”進(jìn)行互動，并對“虛擬學(xué)生”做出反應(yīng)。

1.真實的實踐體驗

虛擬的六名學(xué)生會模仿真實的學(xué)生對教師的講解做出反應(yīng)，如點頭、搖頭、微笑、舉手等行為，進(jìn)而模擬真實的教學(xué)情境，最大程度地還原課堂教學(xué)，教師通過此種方式不斷練習(xí)教學(xué)技能，職前教師可以通過這種仿真的教學(xué)體驗為之后進(jìn)入真實的課堂打下良好基礎(chǔ)。

2.充足的練習(xí)資源

通過First Class，職前教師可以隨時進(jìn)行教學(xué)實踐的練習(xí)，反復(fù)練習(xí)多種課堂情境，由于是由虛擬學(xué)生構(gòu)成的仿真課堂，教師不必?fù)?dān)心教學(xué)實踐的失敗。真實的課堂無法進(jìn)行重復(fù)講授，F(xiàn)irst Class允許用戶將課堂進(jìn)行重置，在完全相同的情境下再一次實踐，這為使用者提供了充足的練習(xí)資源

3.虛擬的學(xué)生，真實的角色

在First Class中的虛擬學(xué)生有著不同的性格特點和名字，在上課過程中，他們同現(xiàn)實中的學(xué)生一樣也會感到無聊，甚至?xí)呱瘢處熆梢酝ㄟ^點名等方式提醒學(xué)生，確保他們參與到課堂中來。

4.沉浸式體驗平臺

First Class除了可以作為職前教師的教學(xué)訓(xùn)練工具之外，還可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行情境定制，如求職面試、演講訓(xùn)練、談判培訓(xùn)、醫(yī)患交流等，幫助用戶在多種環(huán)境下與他人進(jìn)行互動。

應(yīng)用案例二：人工智能課程在線答疑助教——Jill Watson

美國喬治亞理工大學(xué)在“基于知識的人工智能”這一課程中，使用一位名叫Jill Watson的人工智能助教為課程提供支持。此課程是喬治亞理工大學(xué)在線計算機碩士必修課程之一，由于學(xué)生人數(shù)眾多，學(xué)生論壇發(fā)布信息量極大，本課程的8位人類教師無法完成這么大的工作量，計算機科學(xué)教授AshokGoel和他的學(xué)生們基于IBM平臺研發(fā)出了虛擬助教，并為它取名JillWatson。在試用期間，虛擬助教Jill可以直接在線回復(fù)學(xué)生在論壇上發(fā)出的問題，并且許多學(xué)生并未發(fā)覺他們是在和計算機對話。Jill Watson除了可以在線回答問題，還可以對學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行成績評定。

1.準(zhǔn)確回答學(xué)生問題

在“基于知識的人工智能”這一課程中，在線學(xué)生在數(shù)字論壇上的參與程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線下學(xué)生。在Jill Watson與學(xué)生的問答對話中，它成功地回答了學(xué)生的多個問題，如有關(guān)編碼的程序運行時間是否有限制、寫作作業(yè)是否存在最大字?jǐn)?shù)限制、已經(jīng)提交的作業(yè)是否可以重新提交等。

2.部分問題回答模糊，受到學(xué)生懷疑

在涉及寫作的此類問題中，學(xué)生詢問是否存在最大字?jǐn)?shù)限制的問題，Jill Watson正確地回答說沒有嚴(yán)格的字?jǐn)?shù)限制。然后另一名學(xué)生有一個跟進(jìn)問題，要求詳細(xì)解釋回答中提到的細(xì)節(jié)，另一名學(xué)生對跟進(jìn)問題進(jìn)行了回答。在這次交流之后，班上的一名學(xué)生開始懷疑JillWatson是不是人類。

應(yīng)用案例三：中小學(xué)數(shù)學(xué)個性化指導(dǎo)智能導(dǎo)師系統(tǒng)——Tabtor Math

Tabtor Math（以下簡稱Tabtor）是一項數(shù)學(xué)輔導(dǎo)計劃，由Raj E.Valli于2010年創(chuàng)建于美國新澤西州，融合了最有效的個性化教學(xué)元素，以iPad和Android平板電腦為載體，為小學(xué)生和初中生提供數(shù)學(xué)個性化輔導(dǎo)。學(xué)生可直接用手指或智能筆在移動設(shè)備上書寫、提問，Tabtor會為每一位學(xué)生提供量身訂制的學(xué)習(xí)計劃表，學(xué)生的每個學(xué)習(xí)活動都會獲得相應(yīng)的獎勵積分。

1.個性化導(dǎo)師，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教師工作效率

Tabtor不是一個獨立的應(yīng)用程序，它是學(xué)生與真正的數(shù)學(xué)導(dǎo)師進(jìn)行互動學(xué)習(xí)的體驗平臺。報名后的孩子將接受診斷測試，并在24小時內(nèi)收到結(jié)果，隨后系統(tǒng)會提供學(xué)生的學(xué)習(xí)情況分析報告，并向用戶推薦適合此學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容。每個孩子都會被指派一名導(dǎo)師進(jìn)行診斷并確定他們需要哪些技能以及以何種順序開展學(xué)習(xí)。然后，導(dǎo)師會將學(xué)習(xí)計劃表發(fā)送給對應(yīng)的學(xué)生賬戶。

學(xué)生在完成習(xí)題后可以及時得到相應(yīng)的反饋情況，他們可以隨時聯(lián)系導(dǎo)師，導(dǎo)師會根據(jù)學(xué)習(xí)計劃表和測試結(jié)果，結(jié)合學(xué)生需求為學(xué)生提供反饋。系統(tǒng)旨在了解學(xué)生的思維過程，不僅要了解學(xué)生的錯誤，還要了解他們錯誤的原因。導(dǎo)師會為學(xué)生制訂詳細(xì)的學(xué)習(xí)任務(wù)，給學(xué)生們提供真正的個性化學(xué)習(xí)經(jīng)歷，并且家長可以通過系統(tǒng)查看孩子每日和每周的績效報告，這可以大大節(jié)省父母的時間。Tabtor以新穎有趣的方式吸引學(xué)生，迅速提高了他們的數(shù)學(xué)熟練程度。據(jù)統(tǒng)計，在短短10周內(nèi)，學(xué)生學(xué)習(xí)成績平均提高了90%。由于在Tabtor的協(xié)助下教師不必花費大量時間在作業(yè)評判和易錯點、難點的統(tǒng)計上，使用Tabtor的教師看到了工作效率的顯著提高，據(jù)統(tǒng)計，它們的工作效率平均提高了70%～80%。

2.家長應(yīng)用程序，幫助父母深入了解孩子學(xué)習(xí)日常

Tabtor Math推出了一款帶有比較分析的家長應(yīng)用程序——Tabtor Parent Insights，家長可以通過此程序隨時查看孩子的實時數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)展，該應(yīng)用程序針對iPhone和Android智能手機進(jìn)行了優(yōu)化，其中包括對學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度的實時監(jiān)控。在新的應(yīng)用程序的協(xié)助下，家長可以通過推送通知、詳細(xì)指標(biāo)分析、導(dǎo)師反饋、績效排名和獎勵積分累計情況等，實現(xiàn)對孩子學(xué)習(xí)情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。即使不在孩子身邊，家長也可以深入了解孩子的學(xué)習(xí)情況以及孩子在Tabtor Math系.統(tǒng)中的日常參與細(xì)節(jié)。

人工智能助教在教育中的利弊及發(fā)展趨勢

在接觸教師機會有限的情況下，人工智能機器人可以根據(jù)學(xué)生需要，及時回答學(xué)生的問題，還可以幫助教師跟蹤記錄學(xué)術(shù)會議流程，以便教師后期進(jìn)行會議內(nèi)容的復(fù)習(xí)和深化;人工智能助教通過提供AI人物填充的沉浸式虛擬現(xiàn)實環(huán)境來伴隨或增強課堂，幫助學(xué)生理解晦澀難懂的知識，還可以通過人工智能評分系統(tǒng)評估學(xué)生對論文答辯問題的反應(yīng)，為學(xué)術(shù)研究論文提供可靠的成績評定標(biāo)準(zhǔn);人工智能助教還擴大了學(xué)生個性化學(xué)習(xí)機會，可以為廣大學(xué)生提供一對一的輔導(dǎo)。

但是，人們對人工智能可以精準(zhǔn)地解決哪些問題，以及在哪些方面還有待深入研究，仍存在很多誤解，這有可能會導(dǎo)致教師和學(xué)生對人工智能的期望過高。除此之外，對人工智能編程和算法的開發(fā)具有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，導(dǎo)致實體企業(yè)越來越缺乏透明度，透明度使其他人能夠了解數(shù)據(jù)的來源、系統(tǒng)的錯誤類型以及對價值的局限性，這種透明度的缺失使得人工智能系統(tǒng)的基本運行算法無從得知，外部觀察人員無法核實學(xué)生究竟學(xué)習(xí)到了什么，以及該系統(tǒng)是否真的提供了良好的建議。尤其是評估大型數(shù)據(jù)集方面，人們無法準(zhǔn)確判斷人工智能是否提供了無關(guān)的甚至不準(zhǔn)確的信息。

通過在人工智能算法中加入自我調(diào)節(jié)機制，來不斷完善人工智能算法，使人工智能的發(fā)展趨勢更加符合人類的行為方向。目前正在進(jìn)行的研究是，使人工智能系統(tǒng)更好地處理相互沖突問題并準(zhǔn)確判斷虛假的信息。人工智能系統(tǒng)和設(shè)備的使用將進(jìn)一步擴展到教育教學(xué)中，從而使教師和學(xué)生越來越熟悉人工智能的潛力及其局限性。