基于機(jī)器學(xué)習(xí)的因材施教應(yīng)用探究

李丹丹 朱佳麗 王錄通 梁梓煜 陳俊

1.貴州師范大學(xué)教育學(xué)院

2.貴州師范大學(xué)外國語學(xué)院

3.廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師教育學(xué)院

● 引言

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是人工智能技術(shù)中重要的一環(huán)，是人工智能擁有智能化的核心，也是實(shí)施因材施教的關(guān)鍵技術(shù)支持。2019年，《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化教育教學(xué)改革全面提高義務(wù)教育質(zhì)量的意見》在“優(yōu)化教學(xué)方式”中專門提到要“精準(zhǔn)分析學(xué)情，重視差異化教學(xué)和個(gè)別化指導(dǎo)”。因此，個(gè)性化發(fā)展是大勢(shì)所趨，而在線課程的推廣使個(gè)性化得到了發(fā)展。機(jī)器學(xué)習(xí)可針對(duì)在線課堂應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)（學(xué)生和學(xué)生互動(dòng)行為）進(jìn)行分析，提出打破困境的方法。所以，本文對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，借助機(jī)器學(xué)習(xí)特征進(jìn)行分析，并提出有價(jià)值的建議，希望能為之后的教育信息化研究提供一定的參考。

● 相關(guān)概述

1.機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)是一門多領(lǐng)域交叉的學(xué)科，專門研究計(jì)算機(jī)如何模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識(shí)與技能，并將現(xiàn)有的內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)結(jié)構(gòu)的劃分來有效提高學(xué)習(xí)效率。機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過輸入文本特征的詞語、句子以及篇章等，運(yùn)用語料標(biāo)注樣本，分析文本信息的關(guān)系特征，執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1

機(jī)器學(xué)習(xí)具有5大特點(diǎn)：①精確。機(jī)器學(xué)習(xí)能夠通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化解決方案，當(dāng)數(shù)據(jù)量增多時(shí)，處理信息的精確度越高。②自動(dòng)化。機(jī)器學(xué)習(xí)可以自動(dòng)學(xué)習(xí)新的工作流程，用戶輸入相應(yīng)的流程可以自動(dòng)執(zhí)行；還能模仿人類的活動(dòng)。③處理速度快。輸入數(shù)據(jù)幾秒鐘就可以得到結(jié)果。④規(guī)?；?。機(jī)器學(xué)習(xí)能夠處理大量數(shù)據(jù)，反映數(shù)據(jù)間變量規(guī)律。⑤自定義。機(jī)器學(xué)習(xí)可建立模型構(gòu)建數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和回歸，也能將問題簡(jiǎn)化成經(jīng)典問題。

2.因材施教

因材施教是針對(duì)不同學(xué)生的能力、性格、興趣等特征實(shí)施不同的教育。長期以來，在中國教育政策、方針的制定中，因材施教原則占據(jù)指導(dǎo)性的重要地位，但也面臨一些困境：大班制教學(xué)教師顧及不到所有學(xué)生、智能系統(tǒng)配備不完善；缺乏個(gè)性化教學(xué)觀念、教學(xué)模式單一、信息化能力不強(qiáng)。

● 機(jī)器學(xué)習(xí)助力因材施教

1.學(xué)生維度

運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)建立模型，對(duì)在線課堂學(xué)生行為進(jìn)行整合分析，閱讀和理解學(xué)生課堂語言，用自然語言用戶界面和直接從在線課程編寫的資源中獲取信息，通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中花費(fèi)的時(shí)間、理解程度、知識(shí)把握關(guān)聯(lián)度、參與度、對(duì)知識(shí)點(diǎn)的偏好，并針對(duì)學(xué)生提出個(gè)性化學(xué)習(xí)方案。

2.教師維度

教師可借助機(jī)器學(xué)習(xí)分析學(xué)習(xí)內(nèi)容主題的特點(diǎn)和學(xué)生的特點(diǎn)，并進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)，以提高教學(xué)效率；機(jī)器學(xué)習(xí)也可通過分析教師上課的風(fēng)格、選用的教材、制作的課件以及在學(xué)習(xí)平臺(tái)上改考卷、提供評(píng)語的方式等預(yù)測(cè)教師的教學(xué)模式。

（1）課程理念

現(xiàn)代教師要在國家基礎(chǔ)課程標(biāo)準(zhǔn)上，培養(yǎng)學(xué)生的信息化素養(yǎng)，并結(jié)合線上線下教育資源，引導(dǎo)學(xué)生自主探索，即在有效的時(shí)間內(nèi)通過信息檢索等技術(shù)手段，獲取解決問題的方法。在引導(dǎo)學(xué)生的同時(shí)，教師也在不斷接觸新的理念，更新原有知識(shí)庫。傳統(tǒng)教學(xué)理念與現(xiàn)代教學(xué)理念的對(duì)比如下頁表所示。

（2）教學(xué)目標(biāo)

現(xiàn)代教育推進(jìn)“以學(xué)生為主體”的教學(xué)目標(biāo)，更多關(guān)注學(xué)生的“學(xué)”，實(shí)現(xiàn)了由學(xué)習(xí)到學(xué)會(huì)的轉(zhuǎn)變以及由教過到教會(huì)的轉(zhuǎn)變。教學(xué)目標(biāo)應(yīng)融合社會(huì)的需要、學(xué)生的需要和社會(huì)發(fā)展。學(xué)科課程目標(biāo)應(yīng)基于社會(huì)需要具備的能力，鼓勵(lì)運(yùn)用信息化設(shè)備，著力于調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，開發(fā)潛在的信息化能力，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才。知識(shí)目標(biāo)應(yīng)基于國家和地方發(fā)布的教材，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生特征進(jìn)行前測(cè)，針對(duì)各類學(xué)生制訂不同的教學(xué)目標(biāo)。

（3）教學(xué)內(nèi)容

首先，采用信息化教學(xué)模式，利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和教師的教學(xué)行為，通過數(shù)學(xué)建模找出適合每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)方式；其次，要有篩選資源的能力，辨別優(yōu)質(zhì)與劣質(zhì)資源，確保教學(xué)的有效性。

（4）教學(xué)方法

信息化教育注重“以學(xué)生為主”的教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生自我探究，從問題的根源出發(fā)，尋找原因解決問題。教學(xué)方法有自主探究式、合作探究型、拋錨式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)等。

（5）教學(xué)評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)理念 智能時(shí)代理念教師角色 知識(shí)的傳授者 知識(shí)的引導(dǎo)者教師職能 教會(huì)學(xué)生知識(shí) 培養(yǎng)核心素養(yǎng)教學(xué)方法 講授式教學(xué) 自主式學(xué)習(xí)教學(xué)目標(biāo) 完成教學(xué)任務(wù) 任務(wù)+培養(yǎng)創(chuàng)造性人才

在新課程評(píng)價(jià)理念下，實(shí)施多元化評(píng)價(jià)方式，既注重學(xué)生過程性評(píng)價(jià)，也注重情感態(tài)度價(jià)值觀的培養(yǎng)。評(píng)價(jià)主要在課中和課后進(jìn)行，課中可用課堂觀察評(píng)價(jià)（觀察學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)，如能否積極主動(dòng)回應(yīng)教師提出的問題等），課后可用自評(píng)與小組互評(píng)的方式，從多角度思考問題，進(jìn)行自我反思。

3.學(xué)校維度

學(xué)?？山梃bAltshool平臺(tái)的功能，打造適合個(gè)性化發(fā)展的平臺(tái)。Altshool由三套核心系統(tǒng)，即Playlist、Progression、Stream組成，擁有三個(gè)端口，即學(xué)生端、家長端、教師端。學(xué)生端主要是Playlist工具，它劃分了明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，能夠看到班級(jí)中的活動(dòng)與自己任務(wù)的關(guān)聯(lián)情況，可以對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)行及時(shí)反饋；教師端可通過Progression隨時(shí)查看學(xué)生的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)過程；家長端登錄My.altschool能夠接收通知和關(guān)注孩子在學(xué)校的動(dòng)態(tài)。該系統(tǒng)可提供動(dòng)態(tài)課表，學(xué)生按照年齡大小可以得到一個(gè)iPad或者Chromebook，里面記錄著根據(jù)學(xué)生自身特長制訂的一周課程，真正實(shí)現(xiàn)一人一張課表。由此，筆者認(rèn)為可運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法、數(shù)據(jù)庫、JAVE、VB等技術(shù)，將數(shù)據(jù)分成四大板塊，打造一個(gè)適用于檢測(cè)教學(xué)過程的ERP系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為四個(gè)板塊（如下頁圖2）：①人力資源管理。針對(duì)教師和學(xué)生的到課簽到。②課程管理。大數(shù)據(jù)采集學(xué)生的上課時(shí)長、電子舉手互動(dòng)次數(shù)、學(xué)生的面部表情等，分析學(xué)生的上課行為，并對(duì)學(xué)習(xí)效果做出預(yù)判。③時(shí)間表管理。智能終端推送符合規(guī)律的作息時(shí)間通知，以培養(yǎng)學(xué)生的自我管理能力；及時(shí)提醒教師發(fā)布的公告，以免錯(cuò)漏通知。另外，家長可登錄家長終端，接收孩子的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。④作業(yè)及成績管理。通過智能終端提交線上線下作業(yè)——客觀題系統(tǒng)批閱，分析正確率，并推送薄弱知識(shí)點(diǎn)、加強(qiáng)訓(xùn)練試題；主觀題教師電子閱覽，隨時(shí)隨地通過終端與學(xué)生交流。系統(tǒng)清晰記錄學(xué)生的成長歷程，以調(diào)動(dòng)學(xué)生自我內(nèi)驅(qū)力，完成自我規(guī)劃。

圖2

4.社會(huì)公平維度

新時(shí)代下的教育公平是：起點(diǎn)公平，讓所有學(xué)生都能有學(xué)上，上好學(xué)；教育過程公平，教師做到“有教無類”，進(jìn)行高效教學(xué)；教育結(jié)果公平，每個(gè)學(xué)生都能得到個(gè)性化發(fā)展。因此，首先應(yīng)加強(qiáng)云平臺(tái)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、VR/AR技術(shù)的運(yùn)用，促進(jìn)高效教學(xué)及個(gè)性化發(fā)展；其次應(yīng)通過加大信息化設(shè)備普及區(qū)域、共享優(yōu)質(zhì)資源，縮小不同地區(qū)之間的教育發(fā)展差距。

● 機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)用的挑戰(zhàn)

1.學(xué)生

①難以抵制智能終端其他功能的誘惑；多頻率使用電子設(shè)備危害身體，也容易產(chǎn)生依賴性，可能導(dǎo)致缺乏自主思考的能力。②城鄉(xiāng)發(fā)展差距使學(xué)生對(duì)電子產(chǎn)品熟悉度參差不齊，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下。

2.教育者

①教師“專業(yè)型”向“全能型”轉(zhuǎn)變，單純傳授知識(shí)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代發(fā)展，在以培養(yǎng)核心素養(yǎng)為目標(biāo)的當(dāng)下，教師只有樹立現(xiàn)代化思想，掌握信息技術(shù)，才能不被時(shí)代淘汰。②“教學(xué)的主體”向“引導(dǎo)者”轉(zhuǎn)變，重點(diǎn)關(guān)注“教”和“學(xué)”的過程，一切以學(xué)生為主體。

3.學(xué)校/教育管理者

學(xué)校要重新定義教育理念，將其調(diào)整為現(xiàn)代化的教學(xué)理念，學(xué)校需重視學(xué)生的全面發(fā)展，優(yōu)化校園環(huán)境，使校園更加生活化、人情化，努力突破圍墻式教學(xué)，改變空間結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生走出教室也能學(xué)習(xí)。

學(xué)校應(yīng)避免過度依賴智能系統(tǒng)，盲目信任和過度使用都會(huì)導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量大幅度下降。另外，自適應(yīng)系統(tǒng)的缺陷，長時(shí)間無效練習(xí)試卷使學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)加重，如何利用好系統(tǒng)，也值得探究。

● 結(jié)語

機(jī)器學(xué)習(xí)的特征選擇讓精準(zhǔn)化教育得以實(shí)現(xiàn)，與教育的融合引發(fā)教育模式的變革，落地于因材施教。本文利用機(jī)器學(xué)習(xí)特征提取功能診斷出學(xué)生個(gè)性化特點(diǎn)，構(gòu)建學(xué)生定制化課表，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)及教師專業(yè)發(fā)展?？梢?，人工智能+教育推動(dòng)個(gè)性化教育發(fā)展，向未來教育邁出了一大步，而機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用，推動(dòng)了人工智能的多方面應(yīng)用。兩者的融合構(gòu)建了未來教育的形態(tài)，促進(jìn)多領(lǐng)域的融合發(fā)展。