人工智能賦能基礎(chǔ)教育的路徑與實踐

賈積有?顏澤忠?張志永?翟曼月?張君?張必蘭?張靜蓉?孟青泉?樂惠驍?何云帆

摘 要：人工智能賦能基礎(chǔ)教育的重要路徑就是以智能教學(xué)系統(tǒng)的形式為學(xué)習(xí)者提供個性化支撐和輔導(dǎo)。在正式的學(xué)校教育中，教師以混合式教學(xué)的方式將智能教學(xué)系統(tǒng)整合到常規(guī)教學(xué)中，可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果起到顯著而正面的促進作用;對于非正式的在線教育，智能教學(xué)系統(tǒng)對學(xué)習(xí)者的適應(yīng)和幫助不僅體現(xiàn)在知識和能力上，更重要的是在情感和態(tài)度、方法與過程方面。本文以參與一個教育信息技術(shù)研究重點課題的三所學(xué)校的數(shù)學(xué)混合式教學(xué)實踐為例，詳細闡述人工智能賦能教育的路徑及其影響效果，指出其未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：人工智能;基礎(chǔ)教育;智能教學(xué)系統(tǒng);混合式教學(xué)

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-0069（2020）01-0001-08

一、人工智能發(fā)展概述

人工智能（Artificial Intelligence）是指用人工方法在機器（目前主要是計算機）上模擬人類或者某些生物自然智能的一個學(xué)科領(lǐng)域，也就是在機器上實現(xiàn)的教育。這一概念自1956年在美國達特茅斯第一次被提出之后，就與教育結(jié)下了不解之緣。第一，人工智能研究和教育學(xué)研究與實踐采用了一些相同的理論和方法，比如行為主義、認知主義、聯(lián)結(jié)主義等;第二，人工智能的研究成果應(yīng)用到教育領(lǐng)域，賦能教育發(fā)展，主要表現(xiàn)在智能教學(xué)系統(tǒng)（Intelligent Tutoring Systen，簡稱ITS）對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的促進和學(xué)習(xí)興趣的提高以及減輕教師的工作負擔(dān)方面[1];第三，人工智能的教育應(yīng)用對教育現(xiàn)狀提出了一些挑戰(zhàn)，比如對教師要求較高、對教師職業(yè)本身造成壓力以及對教育管理提出新要求[2]。

國際上對于人工智能與教育關(guān)系的研究主要側(cè)重于人工智能對教學(xué)的影響，成果集中體現(xiàn)在國際人工智能與教育協(xié)會（International AIED Society）所主辦的兩個國際會議和一本期刊上。國際會議是AIED（Artificial Intelligence in Education，人工智能教育應(yīng)用）和ITS（Intelligent Tutoring System，智能教學(xué)系統(tǒng)），起始于1986年;期刊是International Journal of Artificial Intelligence in Education（《國際人工智能教育雜志》）。對于人工智能與教育管理、經(jīng)濟等關(guān)系的研究，比如教育決策支持系統(tǒng)，則散布于相關(guān)的期刊和會議上。

國內(nèi)對于人工智能和教育關(guān)系的研究基本與國際同步。20世紀80—90年代，在自然科學(xué)基金等課題支持下，北京大學(xué)、北京師范大學(xué)等單位研發(fā)了數(shù)學(xué)等學(xué)科的智能教學(xué)系統(tǒng)。21世紀以來，作為教育信息技術(shù)學(xué)科的一個研究領(lǐng)域，人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，其成果主要表現(xiàn)在計算機、信息科學(xué)、教育技術(shù)等學(xué)科的期刊和會議上，基本上每年的發(fā)表量在10篇之內(nèi)。2016年的發(fā)表數(shù)量突躍到15篇，2017年和2018年則分別激增到56篇和55篇。

2016年我國“人工智能+教育”文獻數(shù)量的突然增加，與2016年3月谷歌程序AlphaGo戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍李世石密切相關(guān);之后的持續(xù)增加則與我國政府高度重視人工智能及其教育應(yīng)用的最新發(fā)展密不可分。比如2017年7月8日的《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》，指出“人工智能在教育、醫(yī)療、養(yǎng)老、環(huán)境保護、城市運行、司法服務(wù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，將極大提高公共服務(wù)精準化水平，全面提升人民生活品質(zhì)”[3];2018年8月7日，教育部辦公廳發(fā)布《關(guān)于開展人工智能助推教師隊伍建設(shè)行動試點工作的通知》，強調(diào)“推動教師主動適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革，積極有效開展教育教學(xué)”[4];2018年10月31日，中共中央政治局委員集體學(xué)習(xí)人工智能，習(xí)近平總書記在重要講話中指出“要抓住民生領(lǐng)域的突出矛盾和難點，加強人工智能在教育、醫(yī)療衛(wèi)生、體育、住房、交通、助殘養(yǎng)老、家政服務(wù)等領(lǐng)域的深度應(yīng)用，創(chuàng)新智能服務(wù)體系”[5]。2019年2月23日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《中國教育現(xiàn)代化2035》，并發(fā)通知要求各地區(qū)各部門結(jié)合實際認真貫徹落實。這些理念和任務(wù)的實現(xiàn)離不開人工智能等前沿技術(shù)的支撐。

以上國家層面政策文件的出臺引領(lǐng)著國內(nèi)2016年以來“人工智能+教育”相關(guān)研究的快速發(fā)展。但是仔細研讀這些已有研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，其主要內(nèi)容包括以下幾點：解讀美國人工智能研發(fā)規(guī)劃相關(guān)文檔，有些不顧國情地與教育和中國教育掛鉤;辯論某些概念的定義或者含義，比如人工智能教育、教育人工智能、智能教育等，某些較為空泛而缺乏實踐意義;預(yù)測或者假設(shè)人工智能對教育各個領(lǐng)域可能的影響，不少缺乏實證研究根據(jù)，人云亦云;基于已有文獻，分析人工智能的研究領(lǐng)域、總結(jié)人工智能對教育已經(jīng)產(chǎn)生的影響，但是未能切合實際地分析人工智能對基礎(chǔ)教育的影響和提出應(yīng)對措施[6]。

基于以上文獻分析，我們認為很有必要系統(tǒng)、科學(xué)、全面、深入地研究人工智能賦能基礎(chǔ)教育的路徑，探討其未來發(fā)展方向。

二、人工智能賦能基礎(chǔ)教育的路徑

人工智能技術(shù)作為一種前沿的信息通信技術(shù)，可以應(yīng)用在一般教學(xué)系統(tǒng)中，成為一種教育技術(shù)，促進教學(xué)效率的提高。在這個應(yīng)用過程中需要兼顧考慮各個利益相關(guān)者：管理者、教師、學(xué)生、家長和技術(shù)系統(tǒng)提供者等。

人工智能技術(shù)要在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域應(yīng)用并賦能基礎(chǔ)教育，必須充分考慮基礎(chǔ)教育的特征：以學(xué)校正式教育、課堂教育為主，課外學(xué)習(xí)和家庭教育、非正式學(xué)習(xí)為輔;學(xué)校管理者和教師要落實貫徹政府主管部門的各項政策要求，工作繁忙;對學(xué)生的教育、培養(yǎng)和效果考查體現(xiàn)在知識與能力、方法與過程、情感與態(tài)度等多個維度，而在教學(xué)實踐中重點關(guān)注學(xué)生在常規(guī)考試和升學(xué)考試中的表現(xiàn);學(xué)校課堂教學(xué)日程安排緊湊、不容出錯;學(xué)生處于身心成長、習(xí)慣養(yǎng)成的重要階段，學(xué)習(xí)態(tài)度、自制力等多個方面?zhèn)€體之間差異較大;大部分家長關(guān)注學(xué)生的學(xué)業(yè)表現(xiàn)。

人工智能技術(shù)要在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域應(yīng)用并賦能基礎(chǔ)教育，還要充分考慮人工智能技術(shù)本身的特征：需要一定的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的支撐，很多情況下這些硬件、軟件系統(tǒng)價格不菲;功能比較強大，在講解知識、批改作業(yè)、評測學(xué)生等方面可以替代部分教師的工作，會降低教師的存在感;可以對學(xué)生實施一定程度的個性化教學(xué)，但是需要搜集學(xué)生在學(xué)業(yè)、行為、學(xué)習(xí)風(fēng)格甚至情感方面的大量數(shù)據(jù)。

鑒于以上基礎(chǔ)教育和人工智能技術(shù)的特點，人工智能要賦能基礎(chǔ)教育，實施路徑需要包括以下六個組成部分：領(lǐng)導(dǎo)重視、系統(tǒng)支撐、教師主導(dǎo)、學(xué)生主體、家長理解、課題引領(lǐng)。

領(lǐng)導(dǎo)重視，意味著從教育行政管理部門到學(xué)校的各級領(lǐng)導(dǎo)認真領(lǐng)會和貫徹執(zhí)行中央關(guān)于人工智能與教育發(fā)展的政策文件精神，從人員、經(jīng)費等各個方面充分保障人工智能技術(shù)在中小學(xué)校的應(yīng)用和推廣。

系統(tǒng)支撐，意味著高新企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)要開發(fā)穩(wěn)定成熟的人工智能技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)教育的系統(tǒng)，并提供全面而及時的師生培訓(xùn)和售后服務(wù)，保障課堂和課外教學(xué)活動的正常進行。

教師主導(dǎo)，意味著教師在充分了解人工智能教學(xué)系統(tǒng)功能的前提下，根據(jù)學(xué)科特點和學(xué)生情況，通過在課堂教學(xué)和課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)應(yīng)用人工智能教學(xué)系統(tǒng)，實施翻轉(zhuǎn)課堂和混合式教學(xué)等新的教學(xué)方式，服務(wù)于分組教學(xué)、層次化教學(xué)、個性化教學(xué)。

學(xué)生主體，意味著學(xué)生作為人工智能技術(shù)教育應(yīng)用的主要參與者，要積極主動地使用人工智能教學(xué)系統(tǒng)的各項功能，達成預(yù)習(xí)、練習(xí)、復(fù)習(xí)鞏固等階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)，進而了解各自的長處和不足，進行個性化學(xué)習(xí)。

家長理解，意味著家長作為學(xué)生校外生存空間的主要陪護者，要理解學(xué)校和教師在應(yīng)用人工智能等前沿技術(shù)促進學(xué)生學(xué)習(xí)上的研究、探索和實踐，支持學(xué)生在家中使用電腦等設(shè)備和智能教學(xué)系統(tǒng)參與學(xué)習(xí)活動。

課題引領(lǐng)，意味著教育技術(shù)研究管理部門設(shè)置人工智能技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)教育的縱向和橫向課題，在相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜抑笇?dǎo)下，教學(xué)管理者、實踐者和系統(tǒng)提供者協(xié)同攻關(guān)，促進人工智能技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的深度融合，達到以研究促教學(xué)應(yīng)用的目的。

人工智能教學(xué)系統(tǒng)賦能教育的六個組成部分，在學(xué)校正式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和校外非正式學(xué)習(xí)活動中，各有不同的表現(xiàn)。

在學(xué)校課堂的正式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，人工智能技術(shù)教學(xué)應(yīng)用采用混合式教學(xué)的方式，充分發(fā)揮人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢，時間分配上大致遵循1：3的原則。學(xué)生可以在多媒體機房借助電腦和國際互聯(lián)網(wǎng)使用人工智能教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，也可以在傳統(tǒng)教室借助平板電腦或者智能手機和國際互聯(lián)網(wǎng)使用人工智能教學(xué)系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)。在這樣的混合式教學(xué)環(huán)境中，教師可以輔導(dǎo)、陪伴、監(jiān)督學(xué)生學(xué)習(xí)，保障教學(xué)過程的有效性。正式學(xué)習(xí)環(huán)境中，管理部門和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的高度重視和支持、教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體參與以及課題引領(lǐng)起到非常重要的作用，當(dāng)然智能教學(xué)系統(tǒng)本身的功能更是應(yīng)用成功與否的重要影響因素。

在課外和家庭的非正式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生大多自主使用智能教學(xué)系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)，借助的設(shè)備包括家中的電腦或者筆記本、平板電腦或者智能手機等，一般需要聯(lián)網(wǎng)進行。這些設(shè)備大多不是單純?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)而設(shè)計的，功能多樣，包括視頻音樂、游戲娛樂、通信交流、網(wǎng)絡(luò)購物等。這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境不同于有教師監(jiān)控的課堂環(huán)境，學(xué)生使用智能教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的效果與這些因素有關(guān)：智能教學(xué)系統(tǒng)（功能、可用性和易用性等）、學(xué)生（學(xué)習(xí)動機、自制力和自我調(diào)控能力、誠實度等）、家長、學(xué)校和教師。

智能教學(xué)系統(tǒng)如果功能強大、可用性高、易用性強，比如能夠有效地識別認知和情感狀態(tài)，給予學(xué)生及時而恰當(dāng)?shù)尼屢山饣?、反饋、提示和幫助，實時充分地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、主動性和積極性，就可以起到正規(guī)學(xué)校課堂環(huán)境中教師的作用。這樣的智能教學(xué)系統(tǒng)也就成為了一個虛擬家教，就可以保障每個學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。但是這樣功能強大的智能教學(xué)系統(tǒng)還未出現(xiàn)。目前的智能教學(xué)系統(tǒng)在檢測學(xué)生的認知水平方面能夠給予一定的輔導(dǎo)幫助，比如檢測學(xué)生對某些知識點的掌握程度，但是如何基于這些檢測結(jié)果對學(xué)生進行有效幫助和輔導(dǎo)，至今沒有成熟的理論、方法和技術(shù)可以采用，還要依賴教育學(xué)、認知科學(xué)、心理學(xué)等多個學(xué)科的研究進展。交互方式以鍵盤加鼠標(biāo)為主，能夠識別學(xué)生的虛擬空間身份，不能識別學(xué)生的真實物理身份，更不能有效識別學(xué)生的情感狀態(tài)并給予及時而恰當(dāng)?shù)那楦蟹答仭?/p>

內(nèi)因是學(xué)習(xí)成功與否的最重要因素。在學(xué)習(xí)動機上，如果學(xué)生抱有強烈的學(xué)習(xí)愿望、濃厚的學(xué)習(xí)興趣、真誠的學(xué)習(xí)態(tài)度，那么無論教師和家長有無要求，都會自覺自愿地使用智能教學(xué)系統(tǒng)進行主動學(xué)習(xí)，即使系統(tǒng)本身不夠強大，也會充分利用其現(xiàn)有功能，這樣才能達到最好的學(xué)習(xí)效果。相反地，學(xué)生如果學(xué)習(xí)愿望不強烈、興趣不濃厚、態(tài)度不真誠，即使教師和家長有要求，也可能容易受到所使用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)上與學(xué)習(xí)無關(guān)內(nèi)容的干擾，學(xué)習(xí)效率低下，甚至通過各種作弊手段對付智能教學(xué)系統(tǒng)，比如直接由別的同學(xué)登錄系統(tǒng)做題、抄襲其他同學(xué)答案、通過多次做題猜測答案等，這種情況下學(xué)生使用智能教學(xué)系統(tǒng)的效果就很難保證了。

在家庭環(huán)境中，家長如果能夠起到教師的作用，陪伴和監(jiān)督孩子學(xué)習(xí)，那么再加上智能教學(xué)系統(tǒng)的功能，就可以保障學(xué)生的課外學(xué)習(xí)效果。但是，一方面具備這種能力和時間的家長畢竟不多。另一方面，隨著年齡的增長，學(xué)生自主意識在增強，對于家長的陪伴和監(jiān)督會產(chǎn)生逆反心理。

學(xué)校和教師可以在政策允許的范圍內(nèi)，通過布置課外作業(yè)和活動等方式，要求學(xué)生使用智能教學(xué)系統(tǒng)進行課外學(xué)習(xí)，并基于這些活動參與情況在學(xué)校課堂教學(xué)中實時調(diào)整教學(xué)策略和內(nèi)容。

三、人工智能賦能基礎(chǔ)教育的應(yīng)用案例

在全國教育信息技術(shù)研究2017年度重點課題“基于智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析的個性化教學(xué)研究”（立項號：176220009）的引領(lǐng)下，我們在全國范圍征集了15所學(xué)校作為子課題學(xué)校，深入持續(xù)地開展了課題研究。這些課題支持學(xué)校免費使用一個智能數(shù)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)——樂學(xué)一百[7]。本文將主要介紹這個重點課題中三個有代表性的應(yīng)用案例。這三個案例中，衡量智能教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)效果的指標(biāo)主要是學(xué)校常規(guī)考試的學(xué)業(yè)成績，當(dāng)然有可能的話，學(xué)生調(diào)查和訪談、教師訪談、家長反饋等定量和定性數(shù)據(jù)也是重要的參考依據(jù)[8]。

（一）智能教學(xué)系統(tǒng)支持下的中學(xué)數(shù)學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實踐

四川省某所中學(xué)長期使用樂學(xué)一百系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)課程的混合式教學(xué)研究。2015年9月到2018年6月，選取2015級的一個自然班作為實驗組，使用系統(tǒng)進行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，另外三個基礎(chǔ)相近的自然班作為對照組，采用常規(guī)方法進行教學(xué)。實驗組和對照組的教學(xué)方法對比見表1。

為了檢驗智能教學(xué)系統(tǒng)支持下翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)效果，我們收集了常規(guī)考試中的學(xué)生成績，對全體學(xué)生進行了三次匿名調(diào)查，對有代表性的學(xué)生和教師進行了詳細訪談，并獲得了部分家長的反饋;然后使用SPSS等軟件對這些數(shù)據(jù)進行了定量和定性分析。

對收集到的三學(xué)年中9次考試成績的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：（1）如果取實驗開始后不久的七年級期中考試（11月份舉行）作為前測的話，則前測中實驗組比對照組高出3.21，統(tǒng)計意義上差異不顯著（p=0.447>0.05），實驗組相對于對照組的效果量只有0.12。（2）在歷次考試中，實驗組的均值都大于對照組的均值。（3）6次期末考試中，前兩年七年級和八年級的4次考試成績的均值差異都無統(tǒng)計意義上的顯著性（p>0.05），最后一年九年級的2次考試成績的均值差異都具有統(tǒng)計意義上的顯著性（p<0.05）。（4）從七年級上學(xué)期期中到九年級下學(xué)期，實驗組相對于對照組的效果量從0.12增加到0.322，提高幅度為168.3%;平均成績差異從3.2增加到7.9，提高幅度為146.9%;標(biāo)準差差異從0.55減少到-9.19，減少幅度為1770.9%。這意味著實驗組全體學(xué)生的平均成績越來越高于對照組全體學(xué)生，而且實驗組組內(nèi)差距越來越小于對照組組內(nèi)差距。

以上常規(guī)考試成績數(shù)據(jù)分析的結(jié)果表明，應(yīng)用智能教學(xué)系統(tǒng)的時間越長，實驗組和對照組的總體成績差異越顯著;智能教學(xué)系統(tǒng)對學(xué)生數(shù)學(xué)成績提升具有正面的促進作用。

我們先后在2016年4月七年級下學(xué)期、2016年12月八年級上學(xué)期和2018年3月九年級下學(xué)期對學(xué)生進行了三次網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查，內(nèi)容包括學(xué)生基本信息、學(xué)習(xí)效果自評、對系統(tǒng)平臺的評價和開放問題等方面。

關(guān)于在線學(xué)習(xí)平臺評價的12個問題，第一次調(diào)查問卷的總體均值為3.91分，第二次為3.99分，第三次為4.12分，逐漸升高。第三次的評價超過了4分，說明該在線學(xué)習(xí)平臺在不斷地完善性能，也得到了學(xué)生越來越高的評價。

我們簡要介紹下第三次調(diào)查問卷的統(tǒng)計結(jié)果。這次問卷的信度和效度都較高。學(xué)習(xí)效果自評量表部分的整體Cronbachs Alpha系數(shù)為0.973，對系統(tǒng)平臺評價量表的整體Cronbachs Alpha系數(shù)為0.952，均大于0.9，表明具有非常高的內(nèi)在一致性，信度高。通過計算探索性因子KMO，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)效果自評部分的KMO值為977.860，KMO系數(shù)為0.686，呈現(xiàn)顯著性水平（p<0.01），這說明學(xué)習(xí)效果自評具有良好的結(jié)構(gòu)效度;對平臺系統(tǒng)的評價的KMO值為440.757，KMO系數(shù)為0.836，呈現(xiàn)顯著性水平（p<0.01），這說明對平臺系統(tǒng)的評價也具有良好的結(jié)構(gòu)效度。

在學(xué)習(xí)效果方面，學(xué)生基本認同樂學(xué)一百對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)效果具有促進作用，具體表現(xiàn)在學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)成績?nèi)齻€維度。在學(xué)習(xí)態(tài)度維度上，其總體的均值為3.83分，接近于“同意”（4分），說明該系統(tǒng)能提升學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的自信心，以及增加其數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的成就感。在學(xué)習(xí)策略維度上，其總體的均值為3.81分，接近于“同意”（4分），說明該系統(tǒng)能幫助學(xué)生更好地聽懂課堂內(nèi)容、記憶和利用數(shù)學(xué)公式。在學(xué)習(xí)成績維度上，其總體的均值為3.93分，接近于“同意”（4分），說明該系統(tǒng)能幫助學(xué)生更好地提高成績。

在對平臺系統(tǒng)的評價方面，12道題目的均值為4.12分，大于“同意”（4分），說明學(xué)生對該在線學(xué)習(xí)平臺的評價很高，具體表現(xiàn)在：該平臺系統(tǒng)界面美觀、布局合理;簡便易用、穩(wěn)定可靠;題目質(zhì)量高、數(shù)量合理;排行榜、樂幣和滿分闖關(guān)等游戲機制可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性;及時給予正面反饋能增強學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的信心;在線答疑機制幫助學(xué)生釋疑解惑。因此，學(xué)生喜歡使用這個數(shù)學(xué)在線學(xué)習(xí)平臺。

在學(xué)生的主觀評價方面，對平臺的正面評價占65%左右，負面評價占10%左右，剩下的25%為對平臺的建議。正面評價的主要內(nèi)容可概括為：提高了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣、積極性和主動性;讓學(xué)生體驗到了成功的快樂感;在平臺上的有效預(yù)習(xí)幫助理解課堂內(nèi)容，掌握解題方法和技巧，從而增強學(xué)習(xí)信心，提高了學(xué)習(xí)成績。負面評價的主要內(nèi)容可概括為：關(guān)卡題目數(shù)量多;在線答疑效率和質(zhì)量低;答案有時候不正確;系統(tǒng)數(shù)學(xué)符號的顯示有點問題;頁面設(shè)計不簡潔，界面顏色單一。對平臺的建議可概括為：改善網(wǎng)頁布局和界面設(shè)計;簡化系統(tǒng)操作（比如簡化作圖時的操作），改進提交系統(tǒng)，優(yōu)化手機端加、減、乘、除符號的位置;減少關(guān)卡的題目數(shù)量，審核題目的答案，委婉化提示錯誤;提高在線答疑的效率和質(zhì)量;提供視頻課;等等。

對“在線學(xué)習(xí)平臺評價”和“學(xué)習(xí)效果”的三個維度分別做相關(guān)分析，結(jié)果顯示在線學(xué)習(xí)平臺的若干機制可以促進相應(yīng)的學(xué)習(xí)效果：如樂幣獎勵機制、滿分闖關(guān)機制、即時給予正面的反饋機制都具有顯著的正相關(guān)性，說明平臺系統(tǒng)的三個機制能促進學(xué)生對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的興趣;即時給予正面的反饋機制與“喜歡探討和數(shù)學(xué)相關(guān)的問題”“在做數(shù)學(xué)題時我比以前更細心了”具有顯著的正相關(guān)性，說明系統(tǒng)平臺的及時給予正面反饋機制可以讓學(xué)生更喜歡探討數(shù)學(xué)問題，并且促使其在做數(shù)學(xué)題時更為細心。

2018年3月，我們采用分層抽樣的方法隨機抽取2名成績優(yōu)秀、2名成績中等和2名成績差的九年級同學(xué)進行結(jié)構(gòu)化訪談，其中男女生各占一半，他們都是從七年級剛?cè)雽W(xué)就開始使用系統(tǒng)平臺的。

對于使用系統(tǒng)平臺的學(xué)習(xí)效果，受訪的6名同學(xué)表示學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)成績和學(xué)習(xí)自信心都有一定程度的提高。

在對系統(tǒng)平臺的評價方面，同學(xué)們表示系統(tǒng)上的題目準確地抓住了每一講的知識點和考點，系統(tǒng)的真題與常規(guī)考試中的題目具有一定的匹配度，也具備很多新定義的題目。

在對系統(tǒng)平臺的建議方面，同學(xué)們就系統(tǒng)輸入、網(wǎng)頁排版、在線答疑、答題時間的設(shè)置等方面提出了建議。

2018年3月，我們還訪談了實驗組教師。該教師反映：系統(tǒng)強大的統(tǒng)計分析功能讓課堂教學(xué)更精準，減輕了原來的教學(xué)負擔(dān);系統(tǒng)提供的備課素材充分，提高了備課效率;系統(tǒng)能夠個性化地布置作業(yè)和檢查作業(yè)，既減輕了教師負擔(dān)，又可以實現(xiàn)分層教學(xué);系統(tǒng)的激勵機制激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣;教師和家長能夠及時通過平臺掌握每個學(xué)生的作業(yè)完成情況，家長會及時督促學(xué)生完成作業(yè)，教師可以在課堂上進行個性化點評，而平常的紙質(zhì)作業(yè)達不到這種效果。所以，使用系統(tǒng)時間越長，學(xué)生成績提高幅度越大。這位教師還反映，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和家長都很支持學(xué)生使用這個系統(tǒng)，這對其工作的順利開展有很大的幫助。當(dāng)然，實驗班老師也反映了平臺系統(tǒng)的一些問題：可能影響學(xué)生的視力;學(xué)生以做作業(yè)為理由來玩電腦游戲;通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳遞作業(yè)答案非常便利，學(xué)習(xí)成績較差的學(xué)生會?！靶÷斆鳌保ハ鄠鬟f和抄襲作業(yè)，而目前的系統(tǒng)不能監(jiān)測學(xué)生做題過程，無法判斷在線作業(yè)是否由學(xué)生本人完成。

為了解家長對孩子使用樂學(xué)一百系統(tǒng)的感受，我們隨機請9位家長書面總結(jié)了反饋意見。家長大多很支持孩子使用樂學(xué)一百輔助數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，這種學(xué)習(xí)方式幫助孩子增強了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣和信心，提高了數(shù)學(xué)成績，使之體驗到了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的快樂與成功，同時也減少了家長輔導(dǎo)的時間。此外，家長們希望系統(tǒng)能夠更加細致地審核答案，在線答疑老師能夠及時輔導(dǎo)，豐富題型，增加題目難度。

（二）整合智能教學(xué)系統(tǒng)的中學(xué)混合式數(shù)學(xué)教學(xué)

2018—2019年一個學(xué)年中，上海市某中學(xué)八年級的兩個班由一位教師任教，作為實驗組使用系統(tǒng)平臺開展混合式教學(xué)，參與課題研究。另外兩個班為對照組，不使用這個系統(tǒng)。

實驗組教師綜合運用了多種教學(xué)手段，根據(jù)學(xué)生的不同情況進行了適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)干預(yù)。這些手段包括線上與線下結(jié)合的作業(yè)布置，其中線上作業(yè)主要通過系統(tǒng)平臺來完成。利用分組功能，給基礎(chǔ)比較差的同學(xué)布置了七年級乃至小學(xué)階段的作業(yè)，使其復(fù)習(xí)鞏固前面的基礎(chǔ)知識，增強學(xué)習(xí)自信心，逐步提高成績;對于學(xué)優(yōu)生，在進行線上練習(xí)的基礎(chǔ)上，進行線上直播輔導(dǎo)，將高難度內(nèi)容有效地教授給學(xué)生。

經(jīng)過一個學(xué)年的混合式教學(xué)實踐研究，實驗組學(xué)生取得了較大的進步。在常規(guī)考試成績方面，如果取七年級下學(xué)期期末考試為前測，則前測中實驗組比對照組低4.9，統(tǒng)計意義上差異不顯著（p=0.26>0.05），實驗組相對于對照組的效果量為-1.0。從七年級下到八年級下學(xué)期的考試成績，實驗組相對于對照組的效果量從-1.0增加到0.57，提高幅度為156.9%;平均成績差異從-4.9增加到2.76，提高幅度為156.3%;標(biāo)準差差異從2.64減少到-0.11，減少幅度為104.17%。這意味著實驗組的平均成績從前測的低于對照組學(xué)生4.9，轉(zhuǎn)變?yōu)楹鬁y高于對照組2.76;實驗組組內(nèi)差距在前測中大于對照組組內(nèi)差距，但是在后測中就低于對照組組內(nèi)差距了。這些數(shù)據(jù)表明，這所中學(xué)應(yīng)用智能教學(xué)系統(tǒng)的混合式教學(xué)對學(xué)生學(xué)業(yè)成績提高有一定程度的正面影響。

（三）智能教學(xué)系統(tǒng)引領(lǐng)的國家運動員特長生班的數(shù)學(xué)混合式教學(xué)實踐

北京體育大學(xué)附中專門設(shè)立了一個特長生班，為15位藝術(shù)體操和蹦床國家集訓(xùn)隊運動員講授數(shù)學(xué)等文化課知識。這些學(xué)生的主要任務(wù)是參加訓(xùn)練和比賽，但是作為學(xué)齡跨度從小學(xué)四年級到高中三年級的青少年，也應(yīng)該學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)等文化基礎(chǔ)課，為退役之后的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。當(dāng)然，日常的高強度訓(xùn)練和比賽使他們很難像普通中小學(xué)生那樣接受規(guī)律性的教學(xué)活動。為此，該中學(xué)與課題組合作，采用課堂面授加在線學(xué)習(xí)的混合式教學(xué)方式，為每位運動員免費提供一臺平板電腦，讓這些運動員在緊張的訓(xùn)練和比賽之余可以自主安排在線學(xué)習(xí)。

在2019年4月中旬正式授課之前，讓學(xué)生參加數(shù)學(xué)前測，以便了解其基礎(chǔ)。學(xué)生年級不同，前測題目也不同。前測結(jié)果表明，這些學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)很差，比如要求小學(xué)四年級學(xué)生掌握的整數(shù)四則運算知識，15人的平均得分率只有61%，標(biāo)準差為14.6。

針對這樣的學(xué)生基礎(chǔ)，課題組制定了相應(yīng)的教學(xué)計劃：在課堂教學(xué)上重點講解知識內(nèi)容，讓學(xué)生使用平板電腦做相應(yīng)練習(xí);如果還不明白，則再次進行針對性講解;布置在線練習(xí)，讓學(xué)生課后見縫插針地復(fù)習(xí)、鞏固。內(nèi)容上，以整數(shù)四則運算為出發(fā)點，逐步增加其他知識，比如三位數(shù)加減法等。

為考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在5月底進行了一次月度測評，在6月底進行了期末測評。期末測評中，整數(shù)四則運算部分的平均得分為率83.9%，標(biāo)準差為21.2。相對于前測而言，整數(shù)四則運算部分的平均期末成績提高了38.6%。成對樣本學(xué)生T檢驗結(jié)果表明，期末測評和前測的平均成績差異具有統(tǒng)計意義上的非常顯著性（p<0.01），效果量為1.24個標(biāo)準差。

在短短兩個月的時間內(nèi)，這些體育專業(yè)運動員的數(shù)學(xué)成績能有如此大幅度的進步，要得益于智能教學(xué)系統(tǒng)引領(lǐng)下混合式教學(xué)模式的施行。

四、人工智能賦能基礎(chǔ)教育的實踐總結(jié)

以上三所不同類型學(xué)校的數(shù)學(xué)課程混合式教學(xué)實踐，都體現(xiàn)了我們提出的人工智能賦能基礎(chǔ)教育的路徑所包含的要素：領(lǐng)導(dǎo)重視、系統(tǒng)支撐、教師主導(dǎo)、學(xué)生主體、家長理解、課題引領(lǐng)。

這三所學(xué)校都參與了一個全國教育信息技術(shù)研究重點課題“基于智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析的個性化教學(xué)研究”，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)高度重視這樣的課題研究，允許教師和學(xué)生使用智能教學(xué)系統(tǒng)進行教學(xué)實踐和探索。在該課題專家組的引領(lǐng)下，教師充分熟悉了智能教學(xué)系統(tǒng)的功能特點，在常規(guī)數(shù)學(xué)教學(xué)中通過混合式教學(xué)的方式，在課上和課外通過給學(xué)生布置作業(yè)、練習(xí)等方式，讓學(xué)生練習(xí)和鞏固所學(xué)知識，并借助系統(tǒng)的自動批改和及時反饋功能修正錯誤，正如四川某所學(xué)校學(xué)生所反饋的，教學(xué)效果一直處在不斷改善的狀態(tài)。這就體現(xiàn)了教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的思想。家長對這樣的研究探索是理解支持的。

經(jīng)過一定時期的混合式教學(xué)實踐，人工智能賦能基礎(chǔ)教育的效果就體現(xiàn)了出來：增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自信心，正如四川某所學(xué)校學(xué)生調(diào)查和訪談所反饋的;對學(xué)習(xí)效果起到比常規(guī)教學(xué)更好的正面促進作用，正如三所學(xué)校的準實驗研究所收集到的成績變化所反映出來的;減輕教師批改作業(yè)的負擔(dān)，有利于實施分組教學(xué)和個性化教學(xué)，正如四川某所學(xué)校教師訪談和學(xué)生訪談所反饋的。應(yīng)用智能教學(xué)系統(tǒng)支撐的混合式教學(xué)的時間越長，效果越明顯。

五、人工智能賦能基礎(chǔ)教育的未來發(fā)展方向

從以上三所不同類型學(xué)校的數(shù)學(xué)課程教學(xué)實踐中，我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題，而這些問題正是人工智能賦能基礎(chǔ)教育的未來發(fā)展中不可忽視的問題。這些問題中最重要的一個，正如四川某中學(xué)教師所指出的：學(xué)生會以學(xué)習(xí)為名，以做作業(yè)為理由來玩電腦游戲;學(xué)習(xí)成績較差的學(xué)生會通過計算機網(wǎng)絡(luò)互相傳遞和抄襲作業(yè)，而目前的系統(tǒng)不能監(jiān)測學(xué)生做題過程，無法判斷在線作業(yè)是否由學(xué)生本人完成。

這個問題涉及非正式的課外在線學(xué)習(xí)環(huán)境中對學(xué)習(xí)者的陪伴、監(jiān)督和支持。這樣的陪伴、監(jiān)督和支持在學(xué)校課堂上是由教師完成的，在家庭這樣的非正式環(huán)境中則理應(yīng)由家長完成，但是很多家長沒有時間、精力甚至能力完成這樣的工作。如果智能教學(xué)系統(tǒng)能夠起到這樣的作用，就能更加有效地保障課外學(xué)習(xí)的效果。不僅在知識與能力上適應(yīng)和幫助學(xué)習(xí)者，還要在情感與態(tài)度、方法與過程方面給予學(xué)生全方位的呵護和支持。不斷發(fā)展的情感計算和學(xué)習(xí)分析等人工智能技術(shù)會逐漸應(yīng)用到智能教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，使得智能教學(xué)系統(tǒng)能夠在保護學(xué)生隱私的前提下體察學(xué)生的喜、怒、哀、樂，給予學(xué)生更加人性化和個性化的陪伴、支持和幫助[9][10]。這正是人工智能賦能未來基礎(chǔ)教育的一個重要發(fā)展方向。

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（責(zé)任編輯 孫志莉 孫興麗）

On the Methods and Application of Artificial Intelligence Energizing Basic Education

JIA Jiyou1，YAN Zezhong2，ZHANG Zhiyong3，ZHAI Manyue4，ZHANG Jun4，ZHANG Bilan5，

ZHANG Jingrong6，MENG Qingquan1，LE Huixiao1，HE Yunfan1

（1.Graduate School of Education，Peking University，Beijing，China 100871;

2.Zongbei Secondary School，Chengdu，Sichuan，China 610041;

3.Huangdu Middle School，Shanghai，China 201804;

4.Affiliated Athletic Sports School of Beijing Sport University，Beijing，China 100084;

5.Tianjin Municipal Education Commission，Tianjin，China 300074;

6.Hailiang Youjiao Education Technology Company Limited，Hangzhou，Zhejiang，China 310051）

Abstract： An important method of artificial intelligence energizing basic education is to provide learners with individualized support and tutorship in the form of intelligent teaching system.In formal school education，teachers have integrated intelligent teaching system into normal teaching by using the method of blended teaching，which will play a role of obvious and positive promotion in studentslearning effect;as to informal online education，the appropriateness and help of intelligent teaching system to learners not only reflect on the knowledge and ability，but，more importantly，the aspects like the emotion and attitude， and methods and process.This paper，taking the attendance of mathematic blended teaching practice of three schools of a key project of education and information technology research as an example，has explained the methods of artificial intelligence energizing basic education and its influential effect，and pointed out its developing direction in the future.

Key words： artificial intelligence;basic education;intelligence teaching system;blended teaching