人工智能教學(xué)平臺的分析與建議

原千慧 賈積有

人工智能教學(xué)平臺是用于人工智能知識教學(xué)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，英文是Virtual Learning Environment（以下簡稱VLE）。虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是一種獨(dú)立的、基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，其中整合了音頻、動畫、視頻和文本等要素。教師可以在該系統(tǒng)中分享教學(xué)資源，學(xué)生可以像在傳統(tǒng)課堂一樣學(xué)習(xí)。與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI：Computer Aided Instruction）和智能教學(xué)系統(tǒng)（ITS：Intelligent Tutoring System）不同的是，VLE讓學(xué)生可以與其他參與者互動，而老師也可以在VLE中利用多種技術(shù)來促進(jìn)課堂活動。人工智能教學(xué)平臺有助于破解當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育資源分配不均、優(yōu)秀師資匱乏的難題。

人工智能教學(xué)平臺的發(fā)展

早在1983年，VLE的雛形就已經(jīng)出現(xiàn)，并被應(yīng)用于教學(xué)。當(dāng)時，有人為腦癱兒童設(shè)計(jì)了一個基于計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)環(huán)境，設(shè)置了各種各樣的標(biāo)識游戲，輔助腦癱兒童的治療與學(xué)習(xí)。結(jié)果，該系統(tǒng)幫助這些兒童提升了對幾何與數(shù)學(xué)概念的理解。1994年，Virtual Learning Environment這一概念被正式提出。隨著技術(shù)水平和教育理念的不斷發(fā)展，VLE的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，其功能也在不斷豐富。1996年，VLE開始被用于STEM教育。在一門面向研究生開設(shè)的以“信息系統(tǒng)”為主題的討論課上，來自瑪麗斯特學(xué)院的兩名學(xué)者使用了一個名為Diversity University的VLE模塊，為分散在不同地區(qū)實(shí)地研究的學(xué)生提供在線文本互動的平臺。其教學(xué)效果完全不輸現(xiàn)場教學(xué)，不僅幫助參與者跨越了空間距離的障礙，還比現(xiàn)場教學(xué)更加節(jié)省金錢和時間。

1999年，VLE中的虛擬實(shí)驗(yàn)室在STEM學(xué)科的課堂上投入使用。德國國家信息技術(shù)研究中心和海德堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將DELTA虛擬物理實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于物理與天文的教學(xué)，不僅節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，讓每個學(xué)生都有機(jī)會進(jìn)行自由的嘗試，還不用擔(dān)心實(shí)驗(yàn)失敗帶來的危險和損失，更好地促進(jìn)了學(xué)生對理論知識的理解。

在人工智能學(xué)科創(chuàng)立和發(fā)展之后，VLE開始逐漸與人工智能教育融合。有的平臺配備了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，老師通過軟件與硬件的結(jié)合，促進(jìn)了課堂教學(xué);有的平臺允許老師對現(xiàn)有教學(xué)資源進(jìn)行修改和補(bǔ)充，讓平臺上的知識更新與技術(shù)發(fā)展保持同步。人工智能教學(xué)平臺所具備的功能已經(jīng)相當(dāng)全面，并且能夠有效地支持教學(xué)活動的開展。

2008年7月，麻省理工學(xué)院“終身幼兒園”團(tuán)隊(duì)發(fā)布了團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Scratch圖形化編程工具。Scratch腳本模塊具體表現(xiàn)為舞臺的設(shè)計(jì)與更換、角色的分配與分角色設(shè)置代碼、循環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和邏輯條件的判斷;Scratch軟件的程序設(shè)計(jì)是將符號和指令代碼代替自然語言分析問題。與其他編程語言相比，Scratch擁有更為美觀的界面和更為簡易的操作方式。學(xué)生可以通過組合代表不同語句的積木塊來設(shè)計(jì)程序。目前，Scratch平臺已被翻譯為70多種語言，在世界大部分國家和地區(qū)使用。

人工智能教學(xué)平臺的組成

現(xiàn)有的人工智能教學(xué)平臺大多包括以下四個部分。

第一，編程環(huán)境。平臺的首要功能是提供編寫程序的開發(fā)環(huán)境——支持以Scratch為基礎(chǔ)的圖形編程（或積木編程）和以Python語言、C語言、R語言等為基礎(chǔ)的文本編程。在人工智能教學(xué)的過程中，老師和同學(xué)可以運(yùn)用平臺中認(rèn)知AI、分類AI等模塊結(jié)合邏輯框架進(jìn)行編程，以感受人工智能應(yīng)用的原理與效果。由于Scratch擴(kuò)展性稍差，這些平臺還提供Scratch與常用編程語言間的過渡與轉(zhuǎn)化，幫助學(xué)生與實(shí)際應(yīng)用接軌。

第二，硬件設(shè)備。除了給平臺上創(chuàng)作空間中的動畫形象編程，學(xué)生還可以通過藍(lán)牙或無線網(wǎng)絡(luò)把程序與LED燈、各式傳感器、小車、機(jī)器人等開源硬件連接起來，讓程序效果真實(shí)可感。有的公司甚至幫助學(xué)校建設(shè)人工智能課程的實(shí)驗(yàn)室，提升人工智能教學(xué)的硬件水平。此類課程實(shí)踐性強(qiáng)，需要學(xué)生在反復(fù)嘗試中理解所學(xué)概念和原理，而很多人工智能技術(shù)的發(fā)明成果轉(zhuǎn)化成本高昂，比如無人駕駛汽車、智能翻譯機(jī)等，難以大量配置在傳統(tǒng)教室中供學(xué)生普遍使用。而在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，平臺開發(fā)者只需要設(shè)計(jì)出模擬人工智能功能的模塊和虛擬形象，學(xué)生就可以編寫代碼，操縱該形象完成人臉識別、語音識別等課堂任務(wù)。因此，借助虛擬實(shí)驗(yàn)室輔助人工智能教學(xué)，可以保證課堂質(zhì)量。

第三，課程資源。平臺可以提供一些教學(xué)資源，如人工智能公開課和編程教程。這些教學(xué)資源可以為老師提供更加廣闊的教學(xué)思路，大大減輕老師的負(fù)擔(dān)，緩解優(yōu)質(zhì)師資不足的窘境。平臺資源共享的功能還可以為教師提供人工智能領(lǐng)域的前沿成果和高質(zhì)量的教學(xué)素材，讓老師在平臺上學(xué)習(xí)，幫助教師提升人工智能課程的教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生則可以利用平臺豐富的資源自主學(xué)習(xí)，查缺補(bǔ)漏。

第四，交流社區(qū)。絕大多數(shù)現(xiàn)有的人工智能教育平臺都設(shè)置了“社區(qū)”，為使用者提供展示、交流的空間。在此類社區(qū)中，用戶可以上傳自己的程序作品、獨(dú)創(chuàng)的積木塊或課程設(shè)計(jì)，供大家學(xué)習(xí)參考;用戶也可以提出創(chuàng)作中遇到的問題，等待同學(xué)和老師的解答。社區(qū)的建設(shè)可以有效促進(jìn)課上課下的互動，方便老師組織管理。

人工智能教學(xué)平臺建設(shè)的問題與對策

目前人工智能教學(xué)平臺還存在一些問題。

平臺設(shè)計(jì)脫離實(shí)際教學(xué)。平臺開發(fā)過程中，一線教師的缺位和測試環(huán)節(jié)的不到位導(dǎo)致平臺開發(fā)者局限于程序設(shè)計(jì)的專業(yè)思維，忽略了教學(xué)過程和教學(xué)對象的特點(diǎn)，給授課教師和學(xué)生帶來不便。

開放式、探索式的學(xué)習(xí)環(huán)境中賦予了學(xué)生較高的自由度，以激發(fā)他們的創(chuàng)造力。但是，這也產(chǎn)生了課堂秩序混亂、課堂紀(jì)律難以維持等問題。有老師表示，希望平臺能有相應(yīng)的功能，賦予老師更高的權(quán)限，加強(qiáng)對學(xué)生的管控，避免學(xué)生在課堂上出現(xiàn)注意力分散、擾亂課堂秩序的現(xiàn)象。

數(shù)據(jù)安全問題缺乏保障。使用人工智能教學(xué)平臺進(jìn)行教學(xué)的過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而如何確保這些數(shù)據(jù)的安全，是平臺建設(shè)的重中之重。在學(xué)校沒有能力開發(fā)平臺的情況下，很多老師只能使用網(wǎng)上面向公眾免費(fèi)開放的開源平臺。但這些平臺提供的免費(fèi)服務(wù)不受協(xié)議約束，平臺對于數(shù)據(jù)的處置完全不透明。個別學(xué)校有實(shí)力購買高端的服務(wù)，但這些公司提供的數(shù)據(jù)保障也是有一定限度的。這就給學(xué)校帶來了風(fēng)險。目前來看，較為妥帖的解決方案是由教育部或地方教育部門牽頭建設(shè)人工智能教學(xué)平臺，并在建設(shè)過程中引入企業(yè)，為平臺開發(fā)提供必要的技術(shù)支持。以官方的擔(dān)保避免數(shù)據(jù)被泄漏或?yàn)E用。

缺乏與其他系統(tǒng)的有機(jī)整合。目前許多中小學(xué)都已經(jīng)使用管理平臺進(jìn)行精準(zhǔn)教學(xué)和高效管理。有的平臺可以通過大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于學(xué)生常態(tài)化學(xué)情的診斷分析，提升教學(xué)效率與課堂教學(xué)容量。有的平臺具備智能排課、師生管理、OA辦公等功能，能夠全面地滿足學(xué)校在教務(wù)管理、教師發(fā)展、學(xué)生成長等多方面訴求。負(fù)責(zé)人工智能教學(xué)的專用平臺也為老師和學(xué)生提供了多樣化的選擇。

各種各樣的平臺之間數(shù)據(jù)信息不能共享，使得各個平臺難免成為一座座信息孤島，就會給教師帶來重復(fù)輸入、信息冗余、信息交流的一致性無法保證等困難。記憶多個賬戶的賬號和密碼，頻繁切換不同的平臺既會消耗不必要的精力，也會給學(xué)生和老師造成混亂，違背了使用技術(shù)化繁為簡的初衷。如果在未來的建設(shè)過程中，能把這些平臺的功能與人工智能教學(xué)平臺有機(jī)整合，讓學(xué)生和老師只需要一套身份驗(yàn)證就可以在不同的平臺之間切換，就可以提高各個平臺的使用效率。

思考與建議

現(xiàn)有人工智能教學(xué)平臺盡管在上述三個方面還存在很大的提升空間，但其現(xiàn)有功能已經(jīng)能滿足大多數(shù)老師和學(xué)生的需求，并且已在中小學(xué)人工智能的課堂上得到了廣泛的應(yīng)用。不過，人工智能教育的普及并不能僅僅依靠人工智能平臺的建設(shè)。除了“缺乏優(yōu)質(zhì)師資”以外，“課時不足”和“經(jīng)費(fèi)不足”也是人工智能教育難以普及的主要障礙，一個重要的原因是學(xué)校對人工智能課不夠重視，把考試成績作為衡量教學(xué)成果的唯一標(biāo)準(zhǔn)。對學(xué)校而言，由于驗(yàn)證教育成效耗時較長，“投資”中高考科目的性價比也相對更高。同時，師生對信息技術(shù)課“副科”的認(rèn)知也令課堂教學(xué)效果大打折扣。人工智能課程雖進(jìn)了學(xué)校，卻未能走進(jìn)老師和學(xué)生的心。

為此，除了考慮將信息技術(shù)考試納入高考科目，提升人們對人工智能教育的重視外，為中小學(xué)人工智能教育的成果提供展示的平臺也能凸顯人工智能教育的價值。中學(xué)、大學(xué)在招生時應(yīng)給予中小學(xué)生在比賽和展會中取得的成績一定的認(rèn)可，以鼓勵他們學(xué)習(xí)并參與人工智能實(shí)踐活動，以此提高人工智能課程在學(xué)校課程體系中的地位，讓日趨完善的人工智能平臺有用武之地。