基于人工智能的自適應學習環(huán)境建設初探

■天津市教育科學研究院 吳 勇 陳凱陽

當前，伴隨著深度學習、大數(shù)據(jù)、云計算等新興信息技術的發(fā)展，人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）逐漸成為社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要推動力。同時，人工智能與教育的融合正在逐步推進教育理念、教學模式和管理模式的創(chuàng)新發(fā)展，使教育現(xiàn)代化進程進入了提速增效的新時代。

國外也相繼推出面向智能時代的教育新形態(tài)。美國的“AltSchool”充分應用智能科技手段構建個性化學習平臺，來確保學生和教師實現(xiàn)個性化地學與教。新加坡在2015 年發(fā)布的教育信息化發(fā)展規(guī)劃中提出，要通過構建智能學習生態(tài)系統(tǒng)支持學生個性化、自主化地學習，并培養(yǎng)其成為面向未來、適應智能時代的數(shù)字化學習者。

人工智能的快速發(fā)展，使基于課堂大數(shù)據(jù)的學情分析、教情分析變得越來越規(guī)范、科學，可信度和實踐指導意義越來越高?！癆I+教育”的應用場景越來越多，“智慧課堂”“智慧校園”“智慧教育”等教育新生態(tài)逐步展現(xiàn)。語音識別、圖像識別、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、云計算等人工智能關鍵技術與教育的融合將實現(xiàn)資源推送、智能評測、學生畫像、教師畫像、知識圖譜、課堂數(shù)據(jù)資產(chǎn)等“AI+教育”的典型應用場景，學生獲得量身定制的學習支持，教師獲得個性化的資源支持，從而形成緊跟智能社會發(fā)展趨勢的“自適應”教育生態(tài)體系。

“自適應學習(Adaptive Learning)”的概念于20世紀80 年代由認知心理學家朱新明教授提出。在《人的自適應學習——示例學習的理論與實踐》一書中，朱新明等提出了自適應學習的“條件建構—優(yōu)化理論”，系統(tǒng)闡述了人通過示例學習獲取知識與技能的信息加工過程。推進人工智能與教育的融合是教育生態(tài)順應時代發(fā)展的必然選擇，基于人工智能技術構建自適應學習環(huán)境使學生自適應學習成為可能。本文以班作為規(guī)模化的研究對象，通過對智能云教室項目的建設研究，探索人工智能與教育教學融合應用的自適應教育新生態(tài)的創(chuàng)新發(fā)展，關注學生個性發(fā)展，就規(guī)模化教育和個性化學習有機結合的自適應學習環(huán)境建設做一下初步探究。

本文中自適應學習環(huán)境的載體“智能云教室”是指將人工智能技術引入教育場景，打破傳統(tǒng)教室教學的時空概念和模式限制，將課堂內的基礎設施（網(wǎng)絡、終端、教室等）、資源（教材、圖書、課件等）、應用（學習、教學、管理等）延伸至課堂外，打造支持多維教學空間的無邊界課堂，通過對課堂數(shù)據(jù)資產(chǎn)的分析和資源匯聚，發(fā)掘教師研學和學生個性化學習新模式，拓寬優(yōu)質教育資源輻射面和受益面，不斷完善以學習者為中心的智能化教學系統(tǒng)。目前，我市部分中小學教室安裝了AI課堂呵護系統(tǒng)，通過人工智能技術的應用實現(xiàn)全程無感知的人臉識別和行為識別，與課表聯(lián)動，與學籍系統(tǒng)建立鏈接，實現(xiàn)各學科課堂數(shù)據(jù)精準采集，沉淀課堂數(shù)據(jù)資產(chǎn)，在教育心理學的指導下應用大數(shù)據(jù)分析和算法迭代生成“年級—班—學生—教師”從宏觀到微觀的數(shù)據(jù)報告，為教學評價提供客觀數(shù)據(jù)依據(jù)，為教師因材施教提供科學建議，為學生個性發(fā)展和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)自動推送合適的資源，為自適應學習環(huán)境的建設積累了初步的經(jīng)驗。

為進一步推進“教育+互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展，利用人工智能技術推動優(yōu)質教育資源共建共享，促進學生全面發(fā)展和教育均衡發(fā)展，我市啟動了優(yōu)質教育資源共建共享創(chuàng)新智能云教室建設項目，該項目順應時代發(fā)展趨勢和教育生態(tài)重構需求，充分利用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術探索構建自適應學與教有機統(tǒng)一的教育新生態(tài)，探尋大規(guī)模因材施教的實現(xiàn)策略，為實現(xiàn)公平而有質量的教育，促進全體學生全面發(fā)展積累實踐經(jīng)驗。本文以該建設項目作為研究基礎，以創(chuàng)新教室的教學活動作為規(guī)?；难芯繕颖?，開展智能環(huán)境下的自適應學習環(huán)境建設與應用的創(chuàng)新研究，旨在探索基于人工智能的規(guī)?；赃m應教育新生態(tài)的構建思路和實踐路線，對應時代需求，具有一定的理論價值和實踐意義。本文認為自適應學習環(huán)境建設主要包括但不限于以下五個方面：

1.面向智能社會發(fā)展趨勢的教育新生態(tài)環(huán)境。

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的逐步普及，推進著智能時代的教育生態(tài)的重構，通過物聯(lián)網(wǎng)、高速互聯(lián)網(wǎng)和移動通訊技術支持，實現(xiàn)教室設備智能控制，溫濕度、光線等自適應調節(jié)，將主講教師的技術支持由原來的電教教師轉換為人工智能，大大減少人員負擔，將電教教師的角色由設備管理者轉換為數(shù)字教育資源開發(fā)管理者。實現(xiàn)基礎設施的互聯(lián)互通，讓學生和教師、校內和校外的學習數(shù)據(jù)可以進行實時互通，充分利用大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術，推進學生自主、合作、探究式學習和教師教育信息教學服務平臺建設和應用。

2.智能教學硬件環(huán)境建設。

智能教學的硬件系統(tǒng)建設是實現(xiàn)“AI+教育”的重要保障，硬件系統(tǒng)包括：專線網(wǎng)絡系統(tǒng)能更好地服務教育資源的接入與共享，為學生提供優(yōu)質創(chuàng)新教育資源的智能VR 教室硬件環(huán)境，支持學情分析的4K 超清智能錄播系統(tǒng)、智能平板、智慧黑板、自主信息島，以及強大的后臺大數(shù)據(jù)支持的云桌面和云計算等硬件系統(tǒng)。部署資源云平臺，通過多機位錄播系統(tǒng)和語言識別系統(tǒng)把課堂教學過程生成視頻、課件、文稿同步的數(shù)字教育資源，通過教師空間匯聚到學校資源云平臺中，同時向下推送到學生空間，經(jīng)數(shù)字教育資源管理部門遴選后向上推送到省級平臺乃至國家平臺，為學校師生提供點播、大規(guī)模直播等功能。

3.教師教學資源自適應系統(tǒng)建設。

以各級數(shù)字教育資源公共服務平臺互聯(lián)互通為基礎，引入獲得國家教育行政部門準入的國家標準課程教材同步數(shù)字教育資源，圍繞課前、課中、課后教學閉環(huán)和自主探究、項目學習教學開環(huán)，集數(shù)字資源、同步備課、課前導學、課堂互動、隨堂在線測驗、課堂大數(shù)據(jù)、課后作業(yè)為一體，覆蓋課前備課、課中授課、課后學習、課外拓展等多種教學場景。在人工智能技術加持下，教師可以實現(xiàn)課堂教學資產(chǎn)和資源匯聚的智慧無縫互動，智能備授課、智能考評，創(chuàng)建、共享優(yōu)質的教育教學資源。以教師成長平臺為載體，通過“過程性成長模塊”與“教學評價模塊”來實現(xiàn)教師專業(yè)成長和核心素養(yǎng)提升。教師在線接受專家指導，并進行協(xié)同教研，促進優(yōu)秀教師團隊建設和發(fā)展。

4.學生個性化學習環(huán)境建設。

基于課堂大數(shù)據(jù)為每一個學生建立個人數(shù)字成長檔案，精準刻畫學生數(shù)字畫像，實時大數(shù)據(jù)分析學習狀態(tài)，考勤記錄，動態(tài)分析學生知識結構，構建知識圖譜，為學生提供個性化的學習資源。建設VR/AR課程資源，通過沉浸式學習體驗調動學生學習的積極性、主動性、創(chuàng)造性和協(xié)作性，突破教學的重難點。移動學習終端的使用實現(xiàn)學生課堂筆記的電子化留存、學習痕跡記錄和學情個體分析，自動生成錯題本和學習困難點，幫助學生精準強化提高。學生可以通過使用學生終端完成教師下發(fā)的知識測驗或提交小組探究成果，提交后即時生成統(tǒng)計分析報告，并為每一名學生生成個性化反饋，支持學生收藏習題或教師分享的內容，構建自適應學習和精準化教學新形態(tài)。

5.課堂數(shù)據(jù)資產(chǎn)的匯聚與應用。

依托于課堂大數(shù)據(jù)的匯聚與分析，將為學生、教師、家長和學校教育管理者提供多維度、可視化的教育分析結果。依據(jù)全局性的數(shù)據(jù)分析報告，實現(xiàn)教育決策由經(jīng)驗總結向數(shù)據(jù)實證的轉型，打通教育變革的創(chuàng)新路徑。智能云教室在實現(xiàn)優(yōu)質校本資源積淀的同時，將通過教育資源公共服務平臺的資源匯聚和輻射功能促進優(yōu)質教育資源共享，逐步構建課堂數(shù)據(jù)資產(chǎn)的沉淀、挖掘、分析、交流、共享的研究和應用平臺，為自適應學習環(huán)境建設和教育生態(tài)轉型重構探索實踐經(jīng)驗。

人工智能方興未艾，在教育信息化2.0行動計劃的肇始階段，各地都在深入開展智慧教育、智能教育的創(chuàng)新應用研究和實踐探索。2019 年末，國內某人工智能技術企業(yè)先后中標青島、蚌埠十數(shù)億金額的人工智能教育項目，提供學生個性化學習、教育大數(shù)據(jù)、智慧管理等服務，以人工智能助力因材施教和教育優(yōu)質均衡發(fā)展。我市于2019 年開啟了智能云教室建設項目，本文即是結合項目建設實踐初步探索合理利用人工智能技術規(guī)?；貙崿F(xiàn)學生全面發(fā)展和教師減負增效的途徑，并對人工智能支持下的自適應學習環(huán)境作一初步構想。