新一代人工智能技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用研究

劉怡萱 陶奕芹 賈雪彬 王運武

摘要：隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，人工智能技術(shù)作為新一輪科技革命的代表，已上升為國家戰(zhàn)略，對人類的生活、工作、學(xué)習(xí)產(chǎn)生了重大影響。當(dāng)前，全國高校和中小學(xué)正在大力推進(jìn)智慧校園建設(shè)，然而智慧校園建設(shè)還存在著許多亟待解決的問題。人工智能與教育融合為智慧校園建設(shè)提供了新的路徑。本文主要深入發(fā)掘智慧校園建設(shè)中的問題，剖析人工智能技術(shù)在教育方面的應(yīng)用潛能，并希望運用新一代人工智能技術(shù)為智慧校園建設(shè)提供新思路。

關(guān)鍵詞：智慧校園;人工智能技術(shù);深度融合;大數(shù)據(jù)

中圖分類號：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2020）12-0000-04

近年來，新一代人工智能技術(shù)與教育的深度融合為智慧校園的未來發(fā)展指明了方向，尤其是大數(shù)據(jù)、云計算、深度學(xué)習(xí)等新一代人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展為智慧校園建設(shè)提供了全新的發(fā)展動力。人工智能智能化、自動化等典型特征也影響著智慧校園建設(shè)的發(fā)展方向。

● 新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用潛能

1.人工智能技術(shù)的發(fā)展歷程

人工智能技術(shù)的發(fā)展可以分為三個階段。

第一階段：人工智能技術(shù)的興起（1956年至20世紀(jì)60年代末）。1956年，“人工智能”一詞由約翰·麥卡錫在美國達(dá)特茅斯學(xué)院舉辦的會議上提出。隨后，人們對算法語言和程序開發(fā)的學(xué)習(xí)熱情高漲，推動了人工智能的發(fā)展。幾年后，LISP表處理和機(jī)器定理被納入人工智能技術(shù)之中。[1]此階段的人工智能技術(shù)發(fā)展緩慢，面臨交互不佳、效率低等問題。

第二階段：人工智能技術(shù)迅速發(fā)展與擴(kuò)大應(yīng)用（20世紀(jì)70年代至2005年）。20世紀(jì)70年代，數(shù)據(jù)采集效率提高，實現(xiàn)了人工智能大規(guī)模運算。專家系統(tǒng)逐步發(fā)展，構(gòu)造理論、機(jī)器視覺等理論也被運用于人工智能。人工智能的概念不斷擴(kuò)展，并逐漸運用于各個行業(yè)。

第三階段：人工智能技術(shù)高速發(fā)展（2006年至今）。人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，進(jìn)入一個全新的階段。硬件技術(shù)有較大的提升，能夠支持多臺計算機(jī)同時進(jìn)行運算，人們運用算法解決問題的能力也逐漸成熟。[2]人工智能在各領(lǐng)域展現(xiàn)出了應(yīng)用潛能，進(jìn)入第三次發(fā)展高峰。

當(dāng)前，人工智能正在逐漸突破從技術(shù)到實際應(yīng)用之間在技術(shù)應(yīng)用難、設(shè)備更新緩慢等方面的障礙。圖像語音識別、人機(jī)對弈、無人駕駛、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，迎來爆發(fā)式增長的新高峰。[3]人工智能應(yīng)用逐漸普及，涵蓋各領(lǐng)域，成為下一階段經(jīng)濟(jì)技術(shù)快速發(fā)展的重要支撐，也為人類文化生活提供了新的模式。

2.人工智能的關(guān)鍵技術(shù)

人工智能的三大核心驅(qū)動力量分別為大數(shù)據(jù)、云計算和深度學(xué)習(xí)，這是人工智能的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)揮這些技術(shù)的應(yīng)用潛能，有助于實現(xiàn)問題可視化、數(shù)據(jù)條理化、反饋精確化。

大數(shù)據(jù)技術(shù)是對海量數(shù)據(jù)的收集、挖掘、分析、共享和可視化等技術(shù)的綜合應(yīng)用。近年來，大數(shù)據(jù)技術(shù)推動著各種智能服務(wù)的發(fā)展。例如，淘寶平臺通過大數(shù)據(jù)采集、分析技術(shù)、圖像處理技術(shù)等實現(xiàn)用戶購買偏好、各地區(qū)、各年齡階段的消費差異的可視化呈現(xiàn)。[4]

云計算是一種以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)密集型新型超級計算方式[5]，能夠推動數(shù)據(jù)處理速度和規(guī)模的指數(shù)級增長，其優(yōu)勢體現(xiàn)在動態(tài)易擴(kuò)展、虛擬化的資源管理。云計算的核心是將大量計算機(jī)資源協(xié)調(diào)在一起，使用戶不受時間和空間的限制，通過網(wǎng)絡(luò)就可以獲取無限的資源。

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一種，獲得的是以概率表示的非線性連接關(guān)系，它模仿人腦的機(jī)制來解釋數(shù)據(jù)，已經(jīng)在智能搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析、自然語言處理等方面取得了較大進(jìn)展。人工智能的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)和硬件，而其核心則是算法。因此，建立專業(yè)知識庫、完善算法是提升深度學(xué)習(xí)的可靠性和可解釋性的必然之路。

3.人工智能技術(shù)教育應(yīng)用的五個典型特征

①智能化。人機(jī)自然交互的迅速發(fā)展更大程度上滿足了人們的各種需求。例如，視覺智能技術(shù)可以察覺被觀察者的狀態(tài)、情緒，通過眼球追蹤、圖像識別記錄數(shù)據(jù)，并做出智能的回應(yīng)。[6]學(xué)生通過使用智能工具改變了學(xué)習(xí)方式，進(jìn)入沉浸式教學(xué)環(huán)境中感受更真實的教學(xué)情境。

②個性化。人工智能可以追蹤、記錄使用者的個性化行為，并定制一份個性化方案，解決各學(xué)段學(xué)生的需求差異問題，適時提醒學(xué)生更正不恰當(dāng)?shù)牟僮鳎囵B(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣?；诖?，學(xué)生能夠緩解學(xué)習(xí)倦怠感，完善原有的知識架構(gòu)，從而拓展知識面，提高學(xué)習(xí)效率。

③自動化。人工智能提升了評測技術(shù)的自動化水平。近年來，人工智能技術(shù)在電子閱卷、教學(xué)評價等方面的應(yīng)用逐漸成熟，有效降低了教師的教學(xué)評測工作量。

④多元化。人工智能技術(shù)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，綜合性較強。近些年，很多國家重視開展人工智能教育。當(dāng)前，STEAM教育備受關(guān)注，跨學(xué)科領(lǐng)域的綜合課程正在走進(jìn)學(xué)校。國內(nèi)高校重視人工智能學(xué)科建設(shè)，相關(guān)專業(yè)中也已開設(shè)人工智能課程，正在逐漸形成“人工智能+X”創(chuàng)新專業(yè)培養(yǎng)模式。[7]

⑤協(xié)同化。人工智能與教師協(xié)同開展教學(xué)。人工智能輔助教學(xué)需要教師的協(xié)助，高程度的協(xié)同化不僅能為教師減輕負(fù)擔(dān)，提高其工作效率，而且能夠更好的發(fā)揮能夠?qū)⑷斯ぶ悄芗夹g(shù)在教學(xué)中的作用。

4.新一代人工智能技術(shù)的教育應(yīng)用潛能

人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了人工智能與教育的融合。教育人工智能的核心在于將人工智能與教育各業(yè)務(wù)進(jìn)行深度且恰當(dāng)?shù)娜诤?，以達(dá)到協(xié)同化教學(xué)、智能化管理的目的，讓教育真正擁有“智慧”。新一代人工智能技術(shù)的教育應(yīng)用潛能主要體現(xiàn)在五個方面。

一是促進(jìn)教師角色的轉(zhuǎn)變。人工智能技術(shù)將代替教師的部分工作，釋放其生產(chǎn)力，促進(jìn)教師角色的快速轉(zhuǎn)變。智能答疑、自動評測、智能教學(xué)代理等代替了教師的答疑、閱卷、教學(xué)部分工作，人工智能+教師的雙主體教學(xué)改變了教師的傳統(tǒng)角色，讓教師可以將更多的精力集中在更具有挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性的教學(xué)活動探究中。

二是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。人工智能技術(shù)在支持自主、探究和協(xié)作學(xué)習(xí)等新型學(xué)習(xí)方式上發(fā)揮著重要作用，能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)的個性化，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。教育機(jī)器人、智能輔助系統(tǒng)等支持的新型學(xué)習(xí)方式既注重學(xué)生個性的發(fā)展，又利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

三是增強教育教學(xué)數(shù)據(jù)的豐富性。人工智能技術(shù)可以為學(xué)生“畫像”，為每個學(xué)生記錄專有的學(xué)習(xí)過程和成長軌跡，識別學(xué)生的優(yōu)缺點和學(xué)習(xí)偏好。[8]分析學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、教師教學(xué)數(shù)據(jù)、師生體質(zhì)數(shù)據(jù)、學(xué)生一卡通消費數(shù)據(jù)等一系列豐富的教育數(shù)據(jù)，有助于達(dá)到促進(jìn)師生共同發(fā)展、改進(jìn)教學(xué)中的不足、提高教育質(zhì)量的目的。

四是提升教學(xué)環(huán)境智慧性。人工智能技術(shù)支持下的沉浸式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境能夠優(yōu)化智慧校園的環(huán)境，提升教學(xué)環(huán)境的智慧性，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

五是增加教育支持服務(wù)的廣泛性。人工智能技不僅能直接作用于課堂教學(xué)、師生活動，還能營造智慧校園環(huán)境，提供滿足師生發(fā)展的個性化服務(wù)。[9]人工智能技術(shù)可以通過分析技術(shù)對學(xué)校布局、教育財政、招生選拔、家校聯(lián)系等進(jìn)行模擬，以優(yōu)化學(xué)校管理。

● 智慧校園建設(shè)中的現(xiàn)實困惑

1.人工智能時代智慧校園發(fā)展的新訴求

在數(shù)字校園出現(xiàn)不久之后，智慧校園就跟隨著“智慧地球”這一概念出現(xiàn)了。[10]人工智能時代，智慧校園的內(nèi)涵發(fā)生了新變化，迫切需要人工智能技術(shù)的融入;人才的需求發(fā)生了新變化，智慧校園作為人才培養(yǎng)的重要場所，越來越受到學(xué)校的重視。因此，智慧校園發(fā)展的總趨勢呈現(xiàn)校園泛在化、資源共享化、服務(wù)個性化等特征，而這些發(fā)展要求與人工智能技術(shù)的優(yōu)勢呈現(xiàn)出高度匹配的狀態(tài)。隨著時代的進(jìn)步、技術(shù)的不斷變革，智慧校園的發(fā)展將會以教育信息化2.0為導(dǎo)向，以新一代人工智能技術(shù)為支撐，正式進(jìn)入一個新的發(fā)展時期。

2.智慧校園建設(shè)中存在的問題

當(dāng)前，智慧校園建設(shè)主要存在以下亟待解決的問題：①教學(xué)個性化難實現(xiàn)。我國教學(xué)主要以大班制教育模式為主，這種模式存在著不利于學(xué)生個性化發(fā)展、不利于教師發(fā)揮教學(xué)輔助者作用的弊端。大班制的教學(xué)模式下，教師很難關(guān)注到每個學(xué)生的獨特性。②“智慧”難體現(xiàn)。目前，我國仍處于智慧校園建設(shè)的起始階段，建設(shè)的實際情況相比于數(shù)字校園，其智慧化水平提升不大。校園基礎(chǔ)設(shè)施、軟件和平臺、應(yīng)用系統(tǒng)等智慧性有待提升，亟待解決教育實踐中師生互動不充分、管理難度大等問題。③教學(xué)大數(shù)據(jù)難應(yīng)用。智慧校園的教育大平臺中蘊含著豐富的教育大數(shù)據(jù)，但要發(fā)揮出其中的巨大價值，還需要深入分析和挖掘。目前大部分智慧校園還缺乏有效的大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，很多隱藏的價值還沒有被挖掘出來。④智慧管理不精準(zhǔn)。智慧校園平臺已能夠支持智慧處理人事信息數(shù)據(jù)、學(xué)籍?dāng)?shù)據(jù)等，但并不能涵蓋學(xué)校管理的每個方面。

● 人工智能技術(shù)突破智慧校園建設(shè)的難點

1.促進(jìn)個性化教學(xué)

人工智能將會突破傳統(tǒng)校園單一的學(xué)習(xí)空間和場景，為智慧校園建設(shè)創(chuàng)造出全新的學(xué)習(xí)空間，做到校園內(nèi)師生學(xué)習(xí)泛在化。智能化設(shè)備是移動學(xué)習(xí)、虛擬學(xué)習(xí)等新型學(xué)習(xí)方式的重要工具。人工智能技術(shù)能夠識別學(xué)生的行為和情感狀態(tài)，自動做出反饋，并將數(shù)據(jù)反饋給教師，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)中保持積極的情緒，提高學(xué)生的專注力。豐富的學(xué)習(xí)資源和新穎的形式都能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)潛能，提高學(xué)習(xí)效率。[11]適應(yīng)性學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)能夠根據(jù)學(xué)生的不同特點，為其制訂相應(yīng)的教學(xué)計劃，為學(xué)生推送符合其認(rèn)知水平和興趣的學(xué)習(xí)資源，設(shè)計符合最近發(fā)展區(qū)的最佳學(xué)習(xí)路徑，由此達(dá)到學(xué)習(xí)的個性化。[12]

2.構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境是一個能夠幫助學(xué)生有效進(jìn)行資源獲取和交互活動、記錄學(xué)習(xí)過程、評測學(xué)習(xí)成果、提升自身綜合素質(zhì)的空間，其搭建依賴于智能技術(shù)和必要的設(shè)施設(shè)備。近幾年來，我國各地的學(xué)校紛紛加快了智慧學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)，逐步取得了顯著的成績，智能校園門禁、資源的云端共享、移動終端支持的自主學(xué)習(xí)等應(yīng)用正在普及。智慧學(xué)習(xí)環(huán)境能夠幫助師生高效利用碎片時間，提升工作和學(xué)習(xí)效率。

3.加強智慧校園數(shù)據(jù)中心建設(shè)

通過學(xué)習(xí)軟件、智能手環(huán)、校園一卡通、信息系統(tǒng)、智慧教室、智慧圖書館等，可以獲得師生在校園中活動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。運用分析技術(shù)深刻剖析這些數(shù)據(jù)，可以得出對學(xué)生學(xué)習(xí)成績影響因素的客觀分析，從而為每個學(xué)生“量身定制”個性化的學(xué)習(xí)方案。充分運用人工智能技術(shù)將教育數(shù)據(jù)可視化，可以監(jiān)測每個學(xué)生的成長過程，對其學(xué)習(xí)成績、學(xué)習(xí)風(fēng)格、生活習(xí)慣等進(jìn)行分析，探尋教育中常規(guī)問題的最佳解決方案。因此，人工智能技術(shù)在智慧校園數(shù)據(jù)中心建設(shè)及應(yīng)用中不可或缺。

4.實現(xiàn)高效精準(zhǔn)管理模式

人工智能技術(shù)減輕了各級教育部門和學(xué)校管理工作的負(fù)擔(dān)，提高了管理效率，實現(xiàn)了高效精準(zhǔn)管理。例如，人工智能技術(shù)支持的圖書管管理，增強了圖書借閱管理的便捷性，不僅調(diào)動了師生的閱讀積極性，還能減少勞動力的投入。為了適應(yīng)當(dāng)下快步伐的學(xué)習(xí)節(jié)奏，師生還可以通過“移動圖書館”這一軟件進(jìn)行線上閱讀等。智能技術(shù)的加入使得傳統(tǒng)的圖書館管理模式便捷化、個性化，適應(yīng)了當(dāng)下線上閱讀的潮流。在硬件設(shè)施管理方面，人工智能技術(shù)簡化了管理人員的工作。例如，教室管理系統(tǒng)的功能不僅包括智能調(diào)控教學(xué)環(huán)境和教學(xué)媒體，還包含了教室課程的自動最優(yōu)化分配、自助借用等功能，實現(xiàn)對師生的智慧管理服務(wù)。

● 小結(jié)

人工智能時代已經(jīng)來臨，智慧校園建設(shè)中存在的一些問題也亟待解決，人工智能技術(shù)與教育的融合能夠給智慧校園建設(shè)提供新的發(fā)展思路，這也是人工智能與教育深度融合的價值體現(xiàn)。借助新一代人工智能技術(shù)，可以讓大數(shù)據(jù)、云計算等充分參與到新型智慧校園的建設(shè)中，實現(xiàn)智慧校園設(shè)備智能化、應(yīng)用多元化、人機(jī)協(xié)同化，從而實現(xiàn)個性化教學(xué)，構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境、建設(shè)校園數(shù)據(jù)中心，建立創(chuàng)新高效管理模式，利用技術(shù)改革教育，發(fā)展教育。

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基金項目：本文為2018年度江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究重點課題“智慧校園與智慧學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)研究”（項目編號：2018-R-60658）;2018年度江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)省級重點（自籌）課題“江蘇省智慧校園建設(shè)現(xiàn)狀、問題及對策研究”（項目編號：201810320080Z）的階段性研究成果。