中小學(xué)人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建研究

高潔

【摘 要】當(dāng)前，人工智能專用教學(xué)教室還沒(méi)有廣泛研究與建設(shè)，本文從智慧學(xué)習(xí)環(huán)境與人工智能技術(shù)兩方面闡述如何進(jìn)行中小學(xué)人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建，再以2017年底建設(shè)完成并投入使用的人工智能教學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為案例進(jìn)行分析，最后進(jìn)行反思與總結(jié)，為相關(guān)研究者提供參考。

【關(guān)鍵詞】人工智能;學(xué)習(xí)環(huán)境;教育應(yīng)用;環(huán)境構(gòu)建

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2021）05-028-03

2018年4月，教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中明確提出要構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)支持環(huán)境，開(kāi)展以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)，并且提出啟動(dòng)“人工智能+教師隊(duì)伍建設(shè)行動(dòng)”，推動(dòng)人工智能在教師各方面的支持工作。學(xué)習(xí)環(huán)境指人們?cè)谶M(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)所面臨的周圍的情況，包括物理學(xué)習(xí)環(huán)境、資源學(xué)習(xí)環(huán)境、技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境和情感學(xué)習(xí)環(huán)境。

大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，新的學(xué)習(xí)環(huán)境——智慧學(xué)習(xí)環(huán)境被廣泛提出。智慧學(xué)習(xí)環(huán)境是一種能識(shí)別學(xué)習(xí)者特征、感知學(xué)習(xí)情景、便利的互動(dòng)工具與提供合適的學(xué)習(xí)資源、自動(dòng)記錄學(xué)習(xí)過(guò)程和評(píng)測(cè)學(xué)習(xí)成果，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者有效學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)場(chǎng)所或活動(dòng)空間。最終使學(xué)習(xí)者達(dá)到輕松、投入和有效的學(xué)習(xí)。

人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建理論

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境可以體現(xiàn)人工智能教育應(yīng)用對(duì)教學(xué)的幫助，人工智能是支持智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的重要技術(shù)手段，而針對(duì)不同的人工智能教育應(yīng)用又有不同的技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境[1][2]：（1）智能導(dǎo)師：需要通過(guò)自然語(yǔ)言處理和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)扮演導(dǎo)師角色的功能;（2）教育機(jī)器人等智能助手：此類應(yīng)用需要語(yǔ)音識(shí)別、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù);（3）智能測(cè)評(píng)：需要自然語(yǔ)言處理技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)料庫(kù)技術(shù)、圖像識(shí)別及非機(jī)打文本語(yǔ)義識(shí)別技術(shù);（4）教育數(shù)據(jù)的挖掘與智能化分析：需要運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)和方法;（5）情緒感知系統(tǒng)：需要人臉識(shí)別、眼動(dòng)跟蹤、手勢(shì)識(shí)別等技術(shù);（6）學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)：需要基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析技術(shù);如需要虛擬環(huán)境支持;（7）虛擬課堂：需要虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持。

本研究試圖將更多的人工智能教育應(yīng)用集成在一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境中，使學(xué)習(xí)環(huán)境以多種人工智能教育應(yīng)用為主題。就目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對(duì)專用的人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境的研究鮮少，本研究將創(chuàng)建此種學(xué)習(xí)環(huán)境，圍繞人工智能教育技術(shù)和人工智能的教育應(yīng)用，展開(kāi)理論和實(shí)踐兩條線索的設(shè)計(jì)研究，學(xué)習(xí)環(huán)境更貼近理論要求和實(shí)際操作。

一方面，人工智能的教育環(huán)境是一個(gè)智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，滿足智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的特征，它的構(gòu)成包括學(xué)習(xí)者、干預(yù)者、資源庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備、支持技術(shù)，其中干預(yù)者不是非必要條件，硬件設(shè)備如桌椅也應(yīng)是支持自由拼接并可形成“圓桌型”“多邊型”“稻秧型”“馬蹄型”等。智慧學(xué)習(xí)環(huán)境中的技術(shù)因其設(shè)備的豐富也多種多樣，有的技術(shù)可以給學(xué)習(xí)者自動(dòng)推送信息，有的技術(shù)可以使學(xué)習(xí)者進(jìn)入模擬世界體驗(yàn)真實(shí)世界中的操作去感受和領(lǐng)悟。在此所說(shuō)的技術(shù)已包括最基本的多媒體、投影、高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，還有如人工智能、傳感器、自動(dòng)推理、二維碼和視頻監(jiān)控等無(wú)線通信和情境感知技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D打印等評(píng)價(jià)與學(xué)習(xí)技術(shù)，動(dòng)作捕獲、情感計(jì)算、課堂教學(xué)效果分析、交互文本分析、文本挖掘等分析與跟蹤技術(shù)，學(xué)習(xí)對(duì)象、語(yǔ)義Web和本體構(gòu)建與重構(gòu)技術(shù)等。

另一方面，人工智能的教育環(huán)境是以人工智能技術(shù)應(yīng)用為主的學(xué)習(xí)環(huán)境，除了智慧學(xué)習(xí)環(huán)境所具有的特征以外，還更強(qiáng)調(diào)在技術(shù)支持中注重人工智能技術(shù)的應(yīng)用。環(huán)境包括硬件、軟件和資源。硬件包括了學(xué)習(xí)設(shè)備及非學(xué)習(xí)的支持設(shè)備，如簽到、門窗、燈光、桌椅等，學(xué)習(xí)設(shè)備是直接用于教學(xué)活動(dòng)的，如電子黑白板、虛擬教學(xué)用具、教學(xué)移動(dòng)設(shè)備等，而在人工智能教育環(huán)境中硬件方面的特色是具有教育機(jī)器人;軟件包括了在設(shè)備中安裝的可存放資源的可交互平臺(tái);資源是指支持師生使用人工智能教育應(yīng)用的知識(shí)材料等。

人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建實(shí)踐

2017年底海淀教科院建成人工智能教學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，以人工智能與教育領(lǐng)域的探索研究、示范應(yīng)用為建設(shè)目標(biāo)，通過(guò)打造軟硬件設(shè)施支撐人工智能教育、教學(xué)、探究活動(dòng)的開(kāi)展，進(jìn)行整體規(guī)劃建設(shè)（圖1，圖2）。

人工智能教學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室集硬件、軟件和課程為一體，包括4個(gè)分區(qū)、6個(gè)系統(tǒng)、1個(gè)工具、多個(gè)體驗(yàn)產(chǎn)品。4個(gè)分區(qū)包括授課區(qū)、互動(dòng)體驗(yàn)區(qū)、智能產(chǎn)品展示區(qū)、智能信息系統(tǒng)區(qū)。6個(gè)系統(tǒng)分別為：智能簽到、展示及班級(jí)顯示子系統(tǒng)，通過(guò)搭建智慧課堂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)課前、課中、課后的全過(guò)程教學(xué)和作業(yè)管理，同時(shí)為大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)提供過(guò)程數(shù)據(jù);智慧課堂教學(xué)、互動(dòng)子系統(tǒng)，作用同前一個(gè)子系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)智能控制子系統(tǒng)，基于語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音智控功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)班級(jí)內(nèi)燈光、空氣凈化器、空調(diào)、窗簾等設(shè)備的智能管理、控制;大數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，采用“人腦圖譜”大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)校全天學(xué)習(xí)、生活、學(xué)業(yè)影響、學(xué)情預(yù)判等的大數(shù)據(jù)分析;VR教學(xué)研究子系統(tǒng)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)VR在教育、教學(xué)過(guò)程中的研究及互動(dòng)應(yīng)用;聽(tīng)見(jiàn)實(shí)時(shí)翻譯顯示子系統(tǒng)，基于科大訊飛特有的語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)音合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)講課過(guò)程的實(shí)時(shí)文字顯示、多語(yǔ)種翻譯功能。一個(gè)工具指智慧微課工具，可重新構(gòu)建教學(xué)錄課環(huán)境，更智能、更方便，一鍵錄制微課，利用智能語(yǔ)音技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)譯，記錄課堂的每一個(gè)精彩瞬間，動(dòng)態(tài)積累常規(guī)課堂教學(xué)資源，建設(shè)更為詳實(shí)的校本資源庫(kù);通過(guò)語(yǔ)義理解與分析，進(jìn)行文本結(jié)構(gòu)化，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的自動(dòng)歸類與掛接，與演示課件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)同步，便于學(xué)生更精準(zhǔn)地定位課堂內(nèi)容，針對(duì)性解決學(xué)習(xí)問(wèn)題，極大地提升了學(xué)習(xí)便捷性。多個(gè)體驗(yàn)產(chǎn)品指音響、錄音筆、翻譯機(jī)、臺(tái)燈、加濕器、機(jī)器人、手表、電視盒子等。

在此構(gòu)建的教室環(huán)境中，師生可以開(kāi)展智慧課堂，可以進(jìn)行智慧微課錄制，可以開(kāi)展VR和AR互動(dòng)課堂，可以開(kāi)展AI課程，包括課前、課中、課后的環(huán)節(jié)。

目前該實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行教師培訓(xùn)，截至2019年11月已完成八期培訓(xùn)，涉及所有學(xué)科教師，很多優(yōu)秀的學(xué)員參加論壇、比賽、論文發(fā)表等。2018年7月，海淀區(qū)在國(guó)家會(huì)議中心順利舉辦“突破·合作探究與實(shí)踐創(chuàng)新——海淀區(qū)人工智能創(chuàng)新教育論壇”，在“人工智能進(jìn)課堂教學(xué)實(shí)踐分享”環(huán)節(jié)，八一學(xué)校的丁洪山、中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)實(shí)驗(yàn)小學(xué)的田迎春兩位老師分別登臺(tái)說(shuō)課，將“語(yǔ)音臺(tái)燈”與“智能家居系列之人工智能控制”兩節(jié)人工智能課堂教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)施過(guò)程、教學(xué)反思向與會(huì)者進(jìn)行了展示與分享，讓與會(huì)者更直觀地了解了海淀中小學(xué)人工智能相關(guān)課程的研究情況與真實(shí)的效果反饋。中央電教館2019年度的“新媒體新技術(shù)教學(xué)應(yīng)用研討會(huì)暨第十二屆全國(guó)中小學(xué)創(chuàng)新課堂教學(xué)實(shí)踐觀摩活動(dòng)”，從全國(guó)范圍內(nèi)選拔出的人工智能現(xiàn)場(chǎng)展示課共6節(jié)，其中5節(jié)課由海淀區(qū)教師進(jìn)行展示，并獲現(xiàn)場(chǎng)課一等獎(jiǎng)，此外，大賽還舉辦說(shuō)課活動(dòng)，海淀區(qū)有兩位教師獲得說(shuō)課一等獎(jiǎng)，所有海淀區(qū)的獲獎(jiǎng)老師中有三位均為區(qū)級(jí)人工智能教育培訓(xùn)班的優(yōu)秀學(xué)員。北京市海淀區(qū)第二實(shí)驗(yàn)小學(xué)的吳思琦老師在培訓(xùn)后積極在課堂中引入人工智能技術(shù)輔助教學(xué)，進(jìn)行深入思考后于2019年7月在《中小學(xué)信息技術(shù)教育》雜志發(fā)表《人工智能教育軟件在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用——以“運(yùn)動(dòng)起來(lái)會(huì)怎樣（一）”為例》一文。首都師范大學(xué)附屬育新學(xué)校的一位教師，在培訓(xùn)期間對(duì)智能編程機(jī)器人與虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件深入了解后，在學(xué)校開(kāi)展編程課程和教研活動(dòng)。

人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建對(duì)發(fā)展智能教育有重要意義。第一，可以培養(yǎng)孩子們的意識(shí)、觀念，讓他們了解人工智能，并且積極地參與進(jìn)來(lái);第二，增加和拓展中小學(xué)階段的人工智能相關(guān)課程，逐步提高孩子們的人工智能動(dòng)手能力;第三，對(duì)有特殊興趣和能力的學(xué)生增加“特長(zhǎng)教育”，從而帶動(dòng)全校和全區(qū)的人工智能優(yōu)秀學(xué)生發(fā)展;第四，加大教師的人工智能相關(guān)教學(xué)能力提升，鼓勵(lì)創(chuàng)新、開(kāi)拓型優(yōu)秀教師培養(yǎng);第五，在智慧校園的信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，發(fā)展人工智能技術(shù)支持的智能教育。人工智能實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建是積極響應(yīng)新世紀(jì)培養(yǎng)高素質(zhì)人才的要求，是積極迎接新技術(shù)變革教育挑戰(zhàn)的表現(xiàn)，為研究和發(fā)展智能教育提供了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室不僅為海淀區(qū)各校、直屬單位的全學(xué)科中小學(xué)教師舉辦專題培訓(xùn)、教學(xué)研討、課題研究活動(dòng)提供了智能空間，也為教師回校開(kāi)展人工智能課程、舉辦區(qū)級(jí)大型活動(dòng)等提供了技術(shù)支持，數(shù)次迎接了國(guó)家、市領(lǐng)導(dǎo)和各級(jí)同仁單位的調(diào)研參觀，為區(qū)中小學(xué)人工智能課程的引入、新技術(shù)的探索開(kāi)發(fā)、人工智能新產(chǎn)品進(jìn)課堂的實(shí)驗(yàn)，提供硬件基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，助力了人工智能在海淀區(qū)教育行業(yè)的科學(xué)研究、技術(shù)推廣和應(yīng)用示范，推動(dòng)了海淀區(qū)人工智能教育發(fā)展環(huán)境和實(shí)施路徑的建設(shè)，為海淀區(qū)邁進(jìn)智慧教育2.0時(shí)代添磚加瓦。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：北京市海淀區(qū)教育科學(xué)研究院