人工智能教育應用研究綜述

席夢如 田淑敏 吳文溪 姚欣

摘 要 在當今社會，將人工智能技術運用于教育領域已經(jīng)司空見慣，本文采用文獻分析法對人工智能在教育領域的應用做了相關研究。首先，了解了人工智能教育應用的內(nèi)涵;其次，分析了人工智能教育應用的研究趨勢;再次，講述了人工智能教育應用的典型模式;此外，展示了人工智能教育應用的典型案例;最后，描述了人工智能教育應用的總體研究趨勢和教育趨勢以及反思。以此來供相關人士交流參考。

關鍵詞 人工智能技術 教育應用 教育教學

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.10.024

Abstract In today's society， it is common to use artificial intelligence technology in the field of education. This paper uses the method of literature analysis to do some research on the application of artificial intelligence in the field of education. Firstly， the connotation of artificial intelligence education application is understood; secondly， the research trend of artificial intelligence education application is analyzed; thirdly， the typical mode of artificial intelligence education application is described; in addition， the typical cases of artificial intelligence education application are displayed; finally， the overall research trend and education trend of artificial intelligence education application are described as well as reflection. In order to provide reference for the exchange of relevant people.

Keywords artificial intelligence technology;Educational application;Education and teaching

0引言

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，教育領域也發(fā)生著日新月異的變化。不少學者意識到傳統(tǒng)教育的不足和缺陷，為了教育領域更好的發(fā)展以適應社會需要，人們開始逐步意識到教育改革的必要性。作為21世紀三大頂尖技術之一的人工智能，其與教育的關系也是密不可分。隨著其在教育領域內(nèi)的更加深入應用，有利于促進教育領域改革的開展。本文通過對大量相關文獻的閱讀，對人工智能在教育領域內(nèi)應用的一些情況以及趨勢進行了分析和總結，并反思存在的問題，希望能夠幫助人工智能教育應用有更好的發(fā)展。

1人工智能教育應用的內(nèi)涵辨析

1.1 人工智能的內(nèi)涵

人工智能英文為Artificial Intelligence，簡稱AI，也有人稱之為智械、機器智能，通常情況下，是表示人創(chuàng)造出來的機器表現(xiàn)有人類智能的一項技術。人工智能的核心問題包括建構能夠跟人類似甚至超卓的推理、知識、規(guī)劃、學習、交流等能力。

人工智能最早是起源于古埃及的傳說，但真正意義上提出“人工智能”這一概念是在1956年DARTMOUTH學會上。在那之后，人工智能的相關思想和理論不斷更新，人工智能的概念也慢慢推廣開來。從40年前出現(xiàn)到如今，人工智能技術一直在發(fā)展，并且不斷滲透到各個領域，并對各個領域的研究和發(fā)展都起到很大的影響。

1.2 人工智能教育應用的內(nèi)涵

筆者閱讀了大量的文獻，發(fā)現(xiàn)較多文獻引用了王亞飛（2017）等將智能教育劃分為淺層、中層和較深層三個層次的觀點，如圖1所示。在此觀點中，淺層可以理解為“計算智能+教育”，在這一層次中，主要是運用了人工智能領域的大數(shù)據(jù)分析技術，較好的體現(xiàn)了計算智能的特性，例如依據(jù)用戶歷史選擇和偏好進行學習資源推薦等;中層應用可以理解為“感知智能+教育”，在這一層次中，主要是音像等感知相關技術的運用，較好的體現(xiàn)了感知智能的特性，例如語音識別、文字轉換等功能的出現(xiàn);較深層應用可以理解為“特定領域認知智能+教育”，這一層次則要求對于某一個領域具有較為深刻的認識，并且具備一定推理能力，例如產(chǎn)生面向某一特定學科教學與測驗的“知識圖譜”等。

2人工智能教育應用研究的趨勢

筆者在知網(wǎng)中對相關文獻進行了檢索，并將主關鍵字設置為“人工智能”和“教育應用”，以此來提高搜索的精確度;同時文獻來源設置為中國電化教育、電化教育研究、現(xiàn)代教育技術、中國遠程教育、遠程教育雜志和開放教育研究六本期刊，以此來篩選出更高質量的論文來作為參考。最終符合條件的論文一共有62篇，在此基礎上對所有論文進行匯總分類，并從時間和內(nèi)容兩個維度上進行分析。

2.1 從時間看人工智能教育應用研究的趨勢

論文發(fā)布時間不均勻的分布于2006年至2020年各個年份之中。筆者利用知網(wǎng)提供的可視化分析功能，具體分布情況如圖2所示。觀察到相關論文發(fā)表數(shù)量總體上呈現(xiàn)遞增趨勢，這表明了人工智能在教育領域的應用受到了越來越多的關注，相關理論和思想也不斷涌現(xiàn)并逐步推廣，相關的熱點和話題更多并且更新加速。這也從側面反映了人工智能技術對教育領域的影響不斷增大，影響范圍更加廣泛。

2.2從研究內(nèi)容看人工智能教育應用研究趨勢

為了更清晰的了解和分析人工智能教育應用的研究趨勢，筆者對檢索到的論文，按照理論研究、技術開發(fā)研究和實踐應用進行了內(nèi)容分類。數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，理論研究類占74%，技術開發(fā)研究占18%，實踐應用研究占8%，具體如圖3所示。由此可以得出關于人工智能教育應用研究的理論研究占比最大，其次是技術開發(fā)研究，而實踐應用研究相對偏少。

3人工智能教育應用的模式

結合王亞飛（2017）等提出的觀點，可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下，我們將在教育業(yè)務和場景的基礎上，結合了人工智能技術、產(chǎn)品和方案的特點，形成的以促進人工智能教育應用為目標的智能教育應用模式稱之為人工智能教育應用的典型模式。目前，針對人工智能教育應用典型模式的相關研究主要體現(xiàn)了以下三個趨勢：

3.1 觀點表述相似，容易出現(xiàn)認知混亂

閱讀相關文獻后，筆者發(fā)現(xiàn)了許多與“人工智能教育應用模式”稱謂相似的名詞，包括教育智能模式、智能教育管理模式、智能教育模式、智能應用模式、智能教學系統(tǒng)應用模式等。這些名詞的標識比較相近，但具體含義并不完全相同，容易讓讀者在閱讀過程中產(chǎn)生知識混淆。這些模式都是人工智能在教育領域中應用的體現(xiàn)，但之間的具體聯(lián)系還有待商榷，能否稱為同義詞進行互換通用也需要打一個問號。

3.2人工智能教育應用一般模式

人工智能技術在教育領域內(nèi)的應用一般模式主要包括了兩個方向：一個是教育人工智能的方向。這個方向主要是為了更好的解決相關教育問題，而利用人工智能技術，重點還是落腳于較好的解決教育問題，強調(diào)人工智能技術的適用性，并沒有強調(diào)人工智能的關鍵性技術等;另一個是人工智能與教育融合的方向。相較于上面提到的方向，更加注重于兩者的內(nèi)在聯(lián)系，相互融合，相互促進，共同創(chuàng)新。這就要求兩個方向更加深入的結合，需要尋找到兩者的契合點，而并不是簡單的運用。

3.3人工智能教育應用典型模式關注度逐步提高

依據(jù)從2006年到2021年4月份之間每年發(fā)布的論文數(shù)量的發(fā)展趨勢，不難發(fā)現(xiàn)，關于人工智能教育應用模式的論文數(shù)量總體呈上升趨勢。同時，越來越多的人開始注意到人工智能教育應用的模式這一概念和相關應用。這體現(xiàn)了人們對于人工智能教育應用典型模式的關注度不斷提高，人們對于人工智能教育應用模式的研究愈加深入，同時新觀點和新理論不斷涌現(xiàn)。

通過上述研究分析，不難看出人們已經(jīng)逐漸從人工智能在教育領域應用的一般模式轉向典型模式的應用和研究。但是，目前階段，人工智能在教育領域應用的相關模式的研究仍然處于萌芽和摸索的時期，更加細致和深入的研究還需要進一步的探索，才能夠達到更加成熟的階段。

4人工智能教育應用的案例

除了上述研究之外，筆者檢索了相關文獻，了解到了人工智能在教育領域的典型應用案例。近年來人工智能在教育中的應用案例不在少數(shù)，筆者挑選了其中三個案例進行了具體表述。首先是吳曉如（2018）等介紹了科大訊飛在合肥市某省屬重點中學應用其智能教學、智能學習和智能管理系統(tǒng)的案例;其次是孫眾（2020）等進行基于人工智能的課堂教學分析，團隊由638個課例組成的數(shù)據(jù)庫，并進行了教學實踐分析;再次是李鋒（2019）等進行了案例中學生在線學習伴隨式干預的應用等。筆者對相關論文進行了閱讀，并對相關內(nèi)容進行比較分析。

本研究借鑒高婷婷（2019）等歸納的下載量排名靠前的12個國內(nèi)外案例作為典型案例，具體如表1所示。并按上文提及的三大類（淺層應用、中層應用、較深層應用）對這12個案例進行了分類。不難發(fā)現(xiàn)中層應用數(shù)量最多，其次是淺層應用，較深層應用的數(shù)量較少。

5人工智能教育應用的總體研究趨勢和教育趨勢以及反思

5.1 總體研究趨勢及反思

本文通過從2006年到2021年4月份之間，以“人工智能”和“教育應用”為主關鍵字的優(yōu)秀論文進行研究。有關的論文還是主要以理論研究為主，技術開發(fā)研究居于第二，但實踐應用研究相對偏少。但依據(jù)發(fā)展趨勢來看，目前各界對于人工智能教育應用的研究重點仍然在理論研究領域，技術開發(fā)研究數(shù)量也在逐步增加，并且已經(jīng)具有了較有代表性的研究成果。例如“Z+Z智能教學系統(tǒng)”，這是由我國知名數(shù)學家張景中院士主持開發(fā)的應用于數(shù)學教學及數(shù)學學習的平臺。“Z+Z”的意思就是“知識+智能”，與目前已經(jīng)在教學中廣泛使用的“幾何畫板”相比較，“Z+Z智能教學系統(tǒng)”具有的功能更加強大，針對性更強。但實踐應用研究領域還是相對匱乏，需要提高相應意識。這就體現(xiàn)了雖然已經(jīng)有了相應的技術成果，但是并沒有很好地應用到真實的教育環(huán)境中去，這是該領域面臨的一個極大的挑戰(zhàn)。因此我們在研究過程中不僅僅要注重理論和技術的研究，更重要的是需要將相應的研究成果與實際情境相結合，運用到實際中去，并在實際運用的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題并加以改進，從而更好的為教育教學工作提供服務。

5.2應用趨勢及反思

另外，通過對人工智能教育應用典型模式和應用案例的分析，筆者總結了人工智能技術應用于教育的趨勢，將從以下三個方面進行描述：

首先是淺層應用，可以理解為“計算智能+教育”。這一層次的案例對于人工智能技術的運用還是比較基礎的，所以使用也較多。這一部分主要是提供基礎的輔助教學和學習過程的作用，主要是承擔了“擬物”這一角色，使教具和學具等更加豐富。但功能相對來說比較單一和簡單。這一層次更多還是停留在教育人工智能方向，還是更加注重相關的教育問題的改進和完善。

其次是中層應用，可以理解為“感知智能+教育”。處在這一層次使用的案例是最多的，該層次的產(chǎn)品主要是人工智能與人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的產(chǎn)物，其智能性較上一層次更高，使其能更好的應對更加復雜的實際問題。而在應用案例中，這一層次的教育應用，除了提供基礎的教學和學習的輔助，還擔任了“擬人”的角色，包括充當學伴、助手、導師等多種身份，同時能夠創(chuàng)設更加真實的虛擬學習環(huán)境。相較于上一層級，功能更加豐富和人性化。這一層次已經(jīng)開始從教育人工智能方向轉變?yōu)槿斯ぶ悄芘c教育融合的方向，這一層次不僅僅是對于計算問題的解決，也開始重視體現(xiàn)人工智能技術智能化等特點。

最后是較深層應用，可以理解為“特定領域認知智能+教育”。這一層次對技術和理論要求更為嚴格，所以目前使用到的案例并沒有很多。這一層次的案例除了對智能教育技術有很強的要求，還需要對使用的學科有準確的認識。所以這一層級的應用主要是體現(xiàn)了功能的豐富性向針對性發(fā)展的一個過程。這一層次主要是教育融合的方向，不僅僅對教育領域的發(fā)展有一定的要求，對于人工智能技術也有著較高的要求。需要兩者更加深入的融合以及共同發(fā)展。

總的來說，隨著人工智能技術的不斷升級，其在教育領域運用的范圍不斷擴大，并且逐步向更深層次的應用發(fā)展。不得不承認，隨著人工智能技術的不斷滲透，教育領域更加智能化，教育教學更加多媒體化，學生學習和教師教學更加自主和個性化。正是因為這些變化，也讓人們意識到了教育領域的更多不足，從而不斷推動了教育領域的改革。

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