人工智能與教育融合及展望

黃宇星　張武威

【摘要】隨著教育信息化及人工智能技術(shù)的發(fā)展，人工智能與教育融合已成為教育變革與創(chuàng)新的重要內(nèi)容。人工智能技術(shù)的發(fā)展及其在教育中的應(yīng)用，推動了教育智能化進(jìn)程;當(dāng)今，在教育信息化融合創(chuàng)新發(fā)展的前提下，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能與教育的融合，將為教育的新生態(tài)構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。本文從人工智能與教育融合發(fā)展著手，闡述了人工智能與教育融合的價(jià)值及應(yīng)用模式，并展望未來人工智能與教育融合的應(yīng)用趨勢。

【關(guān)鍵詞】人工智能 教育融合 創(chuàng)新發(fā)展

一、人工智能與教育融合發(fā)展

人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI），是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的新興技術(shù)科學(xué)。1956年，約翰·麥卡錫，在美國達(dá)特茅斯學(xué)院會議上，正式提出“人工智能”一詞之后，人工智能與教育融合經(jīng)歷了以下發(fā)展階段。

1. 誕生及興起階段：1956-1966。自1956年開始，AI開始在機(jī)器翻譯、定理的證明以及博弈等方面開展研究，取得了一定的成果。本階段，AI主要應(yīng)用于代數(shù)問題求解、幾何定理證明，以及代替人進(jìn)行邏輯推理和問題求解等簡單智能工作，難以應(yīng)對現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜的領(lǐng)域問題，并由于受到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制等因素的影響，研究一度跌入低谷。

2. 興旺發(fā)展階段：20世紀(jì)70年代中期至80年代末期。1977年，費(fèi)根鮑姆在第五屆國際AI聯(lián)合會議上提出了“知識工程”的概念，給AI的發(fā)展帶來新的轉(zhuǎn)機(jī)。人工智能開始對人的語言理解、邏輯推理、求知解答等能力的模擬。1980年以后，AI的研究開始將人類知識引入AI系統(tǒng)，專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取得新進(jìn)展，AI與教育融合應(yīng)用的成果，開始呈現(xiàn)上升態(tài)勢。但是由于當(dāng)時(shí)的專家系統(tǒng)面臨著“知識工程瓶頸”問題，以及受到計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，發(fā)展一度受挫。

3. 高速發(fā)展階段：21世紀(jì)初以來。步入21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)算法的突破，AI與教育融合進(jìn)入高速發(fā)展階段。2006年，加拿大計(jì)算機(jī)科學(xué)家喬弗瑞·欣頓提出“深度學(xué)習(xí)”，開啟了深度學(xué)習(xí)研究和應(yīng)用。2010年以來，伴隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理能力提升，以及大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用，AI與教育融合更加關(guān)注診斷與識別、智能導(dǎo)師系統(tǒng)、智能代理與教學(xué)應(yīng)用。

二、人工智能與教育融合價(jià)值

AI與教育融合的價(jià)值，在于實(shí)現(xiàn)教育的增能、使能和賦能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)教育的最優(yōu)化。

1. 創(chuàng)新教育供給，促進(jìn)教育均衡發(fā)展。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”AI的發(fā)展，AI與教育融合，創(chuàng)新教育服務(wù)的供給模式，使教育服務(wù)體現(xiàn)智慧化、個(gè)性化、多元化、系統(tǒng)化的特征，并能最大限度地優(yōu)化區(qū)域教育資源配置，促進(jìn)區(qū)域、城鄉(xiāng)和校際之間的教育均衡，從而縮小數(shù)字鴻溝、縮小差距，讓不同地區(qū)、民族差異的學(xué)生，都能獲得全納和公平的教育機(jī)會，促進(jìn)教育均衡發(fā)展。

2. 促進(jìn)終身學(xué)習(xí)，構(gòu)建終身學(xué)習(xí)服務(wù)?；贏I的在線學(xué)習(xí)平臺，通過數(shù)據(jù)挖掘?qū)W(xué)習(xí)者進(jìn)行分析，并為成人學(xué)習(xí)者提供擴(kuò)展知識和技能，為構(gòu)建終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。智能在線學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建，可以使不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格、性格特征、興趣特長、素質(zhì)潛能的學(xué)習(xí)者，都能通過終身學(xué)習(xí)平臺獲得所需的資源，讓學(xué)習(xí)能夠伴隨人的一生，實(shí)現(xiàn)“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”。

3. 賦能教育教學(xué)，助教師一臂之力。隨著AI與教育融合的深入，教師將與智能教學(xué)助理協(xié)同工作。智能教學(xué)助理可以幫助教師完成一些重復(fù)簡單的教學(xué)任務(wù)，如作業(yè)批改、教育資源查詢、日常事務(wù)管理等，以減輕教師工作負(fù)擔(dān)，使教師可以更加專注地開展課堂教學(xué)，個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)，學(xué)習(xí)診斷與改進(jìn)，心理健康管理與疏導(dǎo)，情感態(tài)度和價(jià)值觀的培養(yǎng)等工作。

4. 變革學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)。AI與教育融合，為自主、合作、探究學(xué)習(xí)方式變革奠定基礎(chǔ)。智能導(dǎo)師系統(tǒng)及教育機(jī)器人的應(yīng)用，能夠根據(jù)學(xué)生不同的認(rèn)知水平、自身素質(zhì)以及學(xué)習(xí)能力，制訂具體的、個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案。還可根據(jù)學(xué)生個(gè)性化的需求，推薦最適合學(xué)習(xí)的內(nèi)容，為每個(gè)學(xué)生創(chuàng)建自適應(yīng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而高效、顯著地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

5. 優(yōu)化教育管理，提高績效及決策能力。通過教育管理智能決策支持系統(tǒng)，解決教育管理過程科學(xué)化的問題。智能決策支持系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)學(xué)校教育管理數(shù)據(jù)的匯聚與交換，形成學(xué)校、教師、學(xué)生等多級數(shù)據(jù)體系，并通過度量、分析、診斷、預(yù)測等模型，實(shí)現(xiàn)校園數(shù)據(jù)的有效管理與處理，生成可視化數(shù)據(jù)圖表。通過深度數(shù)據(jù)挖掘，為教育管理者決策提供依據(jù)，使管理過程更科學(xué)、精準(zhǔn)。

6. 構(gòu)建教育生態(tài)，促進(jìn)智慧教育發(fā)展。在新興信息技術(shù)發(fā)展背景下，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、可穿戴技術(shù)以及AI與教育的融合，將構(gòu)建教育新生態(tài)，促進(jìn)智慧教育的發(fā)展。通過AI技術(shù)，構(gòu)建智能教學(xué)系統(tǒng)、智能代理系統(tǒng)、智能答疑系統(tǒng)、智能化教育決策支持系統(tǒng)等。還能將AI技術(shù)嵌入教育教學(xué)系統(tǒng)或平臺中，形成數(shù)字化評價(jià)、適應(yīng)性學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等，為教育新生態(tài)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

三、人工智能與教育融合模式

當(dāng)前，AI與教育融合的模式趨于多樣，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1. 智能導(dǎo)師系統(tǒng)。智能導(dǎo)師系統(tǒng)（ITS）是指將某教育領(lǐng)域?qū)＜业闹R、資源和研究成果（專家系統(tǒng)），經(jīng)科學(xué)分析、智能判斷和整合，為學(xué)生提供全面、有效的教學(xué)系統(tǒng)。ITS是一種自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、收集和分析學(xué)生的基礎(chǔ)和學(xué)情信息，通過對學(xué)生的認(rèn)知及行為建模、學(xué)科知識點(diǎn)建模，生成學(xué)科知識圖譜，以向?qū)W生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑和資源，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。

2. 智能考試、測評、閱卷系統(tǒng)。智能考試系統(tǒng)，是通過學(xué)生、教師及管理員模塊，實(shí)現(xiàn)智能組卷、題庫管理、在線測評考試、網(wǎng)絡(luò)閱卷、成績統(tǒng)計(jì)分析等一體化功能系統(tǒng)。智能測評及閱卷，基于圖像、文字、語音識別，自然語言處理，大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生作業(yè)的智能測評、批閱、生成學(xué)情報(bào)告和個(gè)性化的錯題集，進(jìn)行智能匯總和統(tǒng)計(jì)分析，提高了閱卷效率，并反饋給教師、家長和學(xué)生，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)推送，促進(jìn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)。

3. 課堂觀察及注意力監(jiān)測。基于AI的課堂觀察，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)、人臉識別、情感識別、動作識別、語音識別等技術(shù)，對課堂的教學(xué)情況進(jìn)行有效觀察和分析。系統(tǒng)可以對學(xué)生在課堂上的行為表現(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測及分析，幫助教師、家長更好地了解學(xué)生情緒和學(xué)習(xí)狀態(tài)，并通過智能決策，及時(shí)改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)績效。

4. 智能教育機(jī)器人。智能教育機(jī)器人基于圖像識別、語音識別以及自然語言處理等技術(shù)，通過人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、在線答疑，快速、準(zhǔn)確地獲取所需的資源，并通過大數(shù)據(jù)分析，解決學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中的問題，促進(jìn)學(xué)生個(gè)別化教學(xué)。

5. 智能教育管理。利用AI技術(shù)，通過各種終端設(shè)備和AI算法模型，跟蹤、記錄、評價(jià)教師和學(xué)生的表現(xiàn)，改善教育管理與服務(wù)水平，提升教育系統(tǒng)整體效能。智能教育管理平臺，全面打通課前、課中及課后的教學(xué)測評數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)教育質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)測，并為學(xué)生和教師提供個(gè)性化學(xué)習(xí)和發(fā)展服務(wù)，實(shí)現(xiàn)師生發(fā)展定制化、教育管理智能化。

6. 智慧校園及教育新生態(tài)構(gòu)建。將AI技術(shù)與大數(shù)據(jù)、可穿戴等技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建智能開放的教育管理、智慧教學(xué)、智慧評價(jià)、智慧文化、智慧生活環(huán)境，促進(jìn)智慧校園及教育的新生態(tài)構(gòu)建，從而服務(wù)于學(xué)校教育、教學(xué)及管理的完整體系。還可將AI技術(shù)與學(xué)?，F(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)（如教務(wù)、圖書館、一卡通等）進(jìn)行集成，從而進(jìn)一步提升校園的管理效率與水平。

四、人工智能與教育融合展望

AI與教育融合，已成為未來教育變革的重要趨勢。2019年3月，聯(lián)合國教科文組織發(fā)布《教育中的人工智能：可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)和機(jī)遇》報(bào)告，提出利用AI改善學(xué)習(xí)和促進(jìn)教育公平，利用人工促進(jìn)AI為學(xué)習(xí)者的未來做準(zhǔn)備。該報(bào)告展現(xiàn)了AI教育發(fā)展與變革的新趨勢，對引領(lǐng)AI與教育融合發(fā)展具有重要意義。

2019年5月，聯(lián)合國教科文組織在北京召開了首屆人工智能與教育大會，會議主題為“規(guī)劃人工智能時(shí)代的教育：引領(lǐng)與跨越”，形成成果文件《北京共識》?！侗本┕沧R》提出，要制定相應(yīng)政策，推動AI與教育、教學(xué)和學(xué)習(xí)系統(tǒng)性融合，利用AI加快建設(shè)開放靈活的教育體系，促進(jìn)全民享有公平、有質(zhì)量、適合每個(gè)人的終身學(xué)習(xí)機(jī)會?！侗本┕沧R》倡議，要支持對與新興AI技術(shù)發(fā)展相關(guān)的前沿問題進(jìn)行前瞻性研究，探索利用AI促進(jìn)教育創(chuàng)新的有效戰(zhàn)略和實(shí)踐，以期在AI與教育領(lǐng)域構(gòu)建具有共同價(jià)值觀的國際共同體。展望未來，AI與教育的融合將出現(xiàn)新的發(fā)展趨勢。

1. 教育教學(xué)模式融合創(chuàng)新。近年來，在智能教學(xué)系統(tǒng)中，跨界學(xué)習(xí)及協(xié)作型教學(xué)模式得到越來越多的重視和研究。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的發(fā)展，新型信息技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D打印技術(shù)、體感技術(shù)等在教育中的應(yīng)用，新型的教育方式應(yīng)運(yùn)而生，包括創(chuàng)客教學(xué)、STEAM教學(xué)、基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)（PBL），以及基于設(shè)計(jì)思維跨學(xué)科教學(xué)等模式，進(jìn)一步促進(jìn)了AI與教育的融合創(chuàng)新發(fā)展。

2. 教育體系機(jī)制創(chuàng)新。隨著AI與超媒體技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合，對教育體系的促進(jìn)更加突出。將傳統(tǒng)AI與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊決策機(jī)制相結(jié)合，可從微觀方面進(jìn)行認(rèn)知模擬，著力實(shí)現(xiàn)模仿人類右腦的模糊處理功能和整個(gè)大腦的并行化處理功能。這將探索一種新的智能處理模型：把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊決策機(jī)制和符號專家系統(tǒng)的推理能力結(jié)合起來，利用多重知識源、多種模型進(jìn)行復(fù)合協(xié)同處理。

3. 學(xué)科融合創(chuàng)新，構(gòu)建智慧教育新生態(tài)。將加強(qiáng)AI與教育學(xué)、學(xué)習(xí)科學(xué)、信息科學(xué)、生命科學(xué)、腦科學(xué)、社會學(xué)、倫理學(xué)等領(lǐng)域的深度交叉融合，實(shí)現(xiàn)AI理論和技術(shù)的突破，為AI時(shí)代教育新生態(tài)的構(gòu)建奠定理論基礎(chǔ);注重AI與信息技術(shù)及領(lǐng)域的融合，包括大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人學(xué)、可穿戴技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等有機(jī)融合，為構(gòu)建教育新生態(tài)奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ);注重AI新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，包括分布式AI與智能代理、計(jì)算智能與進(jìn)化計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)以及人工生命等，進(jìn)一步開拓新的研究方向，大力開展人工智能與相關(guān)學(xué)科的交叉研究，構(gòu)建智慧教育新生態(tài)。

人工智能與教育的融合發(fā)展，將帶來教育生態(tài)、教育文化的變革與創(chuàng)新。人工智能以及互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，使教育的革命性變革成為現(xiàn)實(shí)，它打破了傳統(tǒng)教育體系的形態(tài)，使其向更加靈活、更加人本的智慧教育新生態(tài)邁進(jìn)。

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