基于人工智能導(dǎo)向的教育教學(xué)變革再思考：理論、技術(shù)與路徑

韓軼強(qiáng)

(江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工商管理學(xué)院，江蘇 南京 211168)

人工智能是研究、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)的一門新的技術(shù)科學(xué)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支。近年來，人工智能理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的快速發(fā)展，如搜索引擎、智能手機(jī)、智慧醫(yī)療、人臉識(shí)別等產(chǎn)品和技術(shù)的廣泛應(yīng)用，帶來了社會(huì)生活和工作的變革，人類社會(huì)正在加速進(jìn)入一個(gè)與人工智能協(xié)同工作、共同生活的新階段，即人工智能時(shí)代。人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，必然對(duì)人類社會(huì)的教育理念和教學(xué)模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，推動(dòng)教育教學(xué)變革。一方面，可以充分利用和挖掘人工智能在優(yōu)化教育管理、提升教師教學(xué)能力、提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量等方面的作用，為教育管理部門更好地制定教育政策和規(guī)劃提供支持。另一方面，對(duì)人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況進(jìn)行深入研究和科學(xué)預(yù)測(cè)，可以促進(jìn)教育管理部門對(duì)未來的就業(yè)崗位和就業(yè)技能需求進(jìn)行思考，進(jìn)而科學(xué)合理地設(shè)置專業(yè)。2017 年國(guó)務(wù)院頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，這是我國(guó)政府首次在正式文件中明確提出“智能教育”概念，目的在于挖掘和利用人工智能技術(shù)來加快推動(dòng)教育改革，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，優(yōu)化教學(xué)方法。2018 年教育部發(fā)布的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》指出，在人工智能時(shí)代，高校要推動(dòng)人工智能與教育教學(xué)深度融合、變革教育教學(xué)方式。由此可見，我國(guó)已經(jīng)預(yù)見到人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的作用，也已經(jīng)把融合人工智能技術(shù)、促進(jìn)教育智能化作為未來教育變革的目標(biāo)之一。

一、促進(jìn)人工智能與教育教學(xué)變革融合的相關(guān)理論

(一)教育變革理論

教育變革理論認(rèn)為，人類社會(huì)的教育一直都在不斷變革，教育變革是教育動(dòng)態(tài)發(fā)展的推動(dòng)力量。著名教育改革理論專家哈維洛克教授把教育變革分為兩種類型，即有計(jì)劃教育變革和自然教育變革。有計(jì)劃教育變革主要是指借助一系列的政策指引，運(yùn)用各種設(shè)計(jì)方案來有針對(duì)性、有目的地推行教育變革。教育領(lǐng)域通常所說的教育革命、教育革新等都屬于有計(jì)劃教育變革的范疇。自然教育變革是指非人為推行的教育變革，既沒有專門的計(jì)劃，也沒有專門的方案。借助人工智能技術(shù)實(shí)施的教育教學(xué)變革就是一種有計(jì)劃的變革[1]。人工智能時(shí)代的教育變革本質(zhì)上不是要全面否定傳統(tǒng)教育教學(xué)，而是要吸收和融合傳統(tǒng)教育教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化教育和學(xué)習(xí)過程、創(chuàng)新教與學(xué)的方法和手段，是對(duì)教學(xué)資源的形態(tài)、教學(xué)活動(dòng)的組織方式、學(xué)習(xí)活動(dòng)的開展形式、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的方式等進(jìn)行系統(tǒng)變革。

(二)分布式認(rèn)知理論

分布式認(rèn)知理論是赫欽斯于20世紀(jì)80年代提出的。該理論認(rèn)為認(rèn)知具有分布性，認(rèn)知分布于個(gè)體內(nèi)、個(gè)體間、社會(huì)、環(huán)境、媒介、文化和時(shí)間等之中，這些分布式的要素必須彼此交互、相互依賴才能完成認(rèn)知任務(wù)。該理論將參與者全體、人工制品及其所處特定環(huán)境中的相互關(guān)系作為一個(gè)分析單元，對(duì)參與認(rèn)知活動(dòng)的全部因素進(jìn)行系統(tǒng)考慮，其核心思想是認(rèn)知現(xiàn)象不僅包含在人類個(gè)體頭腦中產(chǎn)生的認(rèn)知活動(dòng)，還包括人與人之間、人與工具之間、人與技術(shù)之間通過交互活動(dòng)實(shí)現(xiàn)某一目標(biāo)的過程。在人工智能技術(shù)應(yīng)用背景下研究分布式認(rèn)知理論，對(duì)于推動(dòng)教育教學(xué)變革具有重要的指導(dǎo)意義。一方面，作為人工制品的人工智能，可以起到降低認(rèn)知負(fù)荷和轉(zhuǎn)移認(rèn)知任務(wù)的作用。當(dāng)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中遇到認(rèn)知困難時(shí)，智能化的學(xué)習(xí)軟件等人工制品可以幫助他們降低認(rèn)知的難度和負(fù)荷，以利于他們順利完成任務(wù)認(rèn)知。學(xué)習(xí)者作為“人”這樣一個(gè)個(gè)體，可以進(jìn)行更有深度和創(chuàng)造性的認(rèn)知活動(dòng)，而那些簡(jiǎn)單、重復(fù)的認(rèn)知任務(wù)可以由智能機(jī)器來完成。目前,人機(jī)協(xié)同技術(shù)已經(jīng)能夠幫助人類個(gè)體解決復(fù)雜問題中的認(rèn)知問題，人機(jī)協(xié)同成為解決認(rèn)知問題的基本方式。另一方面，分布式認(rèn)知理論認(rèn)為認(rèn)知是在認(rèn)知個(gè)體與認(rèn)知環(huán)境交互作用中逐步構(gòu)建的。對(duì)于教學(xué)而言，其中存在教師與學(xué)生之間的交互、學(xué)生與學(xué)生之間的交互、師生與知識(shí)之間的交互、師生與智能機(jī)器之間的交互等。這就導(dǎo)致認(rèn)知結(jié)構(gòu)的多樣化，而智能化的教學(xué)環(huán)境可以提供多樣化的認(rèn)知交互方式，如可以通過聽覺、視覺、觸覺等感知來影響學(xué)習(xí)者，幫助學(xué)習(xí)個(gè)體強(qiáng)化認(rèn)知，重構(gòu)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

(三)技術(shù)創(chuàng)新理論

熊彼特在其著作《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》中首次系統(tǒng)地提出技術(shù)創(chuàng)新理論。他認(rèn)為,創(chuàng)新就是建立一種新的生產(chǎn)函數(shù)，把一種從未有過的關(guān)于生產(chǎn)要素和生產(chǎn)條件的新組合引入生產(chǎn)體系。技術(shù)創(chuàng)新理論對(duì)教育教學(xué)變革的指導(dǎo)意義在于促進(jìn)技術(shù)與教育教學(xué)的結(jié)合以及學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。事實(shí)上，人工智能技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)教育工作者提出了變革教育思維和教學(xué)方式的要求，要求其運(yùn)用智能化的教學(xué)工具創(chuàng)新教與學(xué)的模式，轉(zhuǎn)變教學(xué)管理方式，改進(jìn)教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制，將教育教學(xué)與人工智能技術(shù)深度融合，促進(jìn)教育模式和教學(xué)方式創(chuàng)新發(fā)展[2]。對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，在人工智能技術(shù)快速發(fā)展的背景下，簡(jiǎn)單、機(jī)械、重復(fù)的工作終將會(huì)被機(jī)器取代，而人要保持對(duì)機(jī)器的優(yōu)勢(shì)，就必須充分挖掘和全面提升創(chuàng)新創(chuàng)造能力、想象力、問題解決能力、溝通交流能力、藝術(shù)審美能力等獨(dú)特能力。

二、人工智能時(shí)代教育教學(xué)變革的技術(shù)基礎(chǔ)

目前，教育教學(xué)變革中人工智能技術(shù)的應(yīng)用類型主要有主體性應(yīng)用和輔助性應(yīng)用。主體性應(yīng)用是指人工智能技術(shù)在教育系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，如智能教學(xué)機(jī)器人、智能導(dǎo)師系統(tǒng)等；輔助性應(yīng)用是指在教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)采用部分融入人工智能技術(shù)的功能模塊和結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)，發(fā)揮某些特定的作用和功能，如智能組題功能、智能學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)功能等。人工智能技術(shù)主要的研究領(lǐng)域有自然語言處理、大數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)視覺、語音識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)，這些技術(shù)融合交織，構(gòu)成了教育教學(xué)變革的技術(shù)基礎(chǔ)[3]。

(一)自然語言處理

自然語言處理包含自然語言理解和自然語言生成兩個(gè)部分。自然語言理解技術(shù)的功能在于使計(jì)算機(jī)能夠理解自然語言文本的意義，自然語言生成技術(shù)則是使計(jì)算機(jī)以自然語言文本來表達(dá)給定的思想和意圖等。發(fā)展自然語言處理技術(shù)的目的是避免人們花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)各種晦澀難懂的計(jì)算機(jī)語言，讓人們使用自己最熟悉、最習(xí)慣的自然語言來操作計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)間自然語言通信。

(二)大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)是指能夠處理各種類型、各種形態(tài)的數(shù)據(jù)，并在全新的處理模式下獲取海量和高增長(zhǎng)數(shù)據(jù)的信息價(jià)值的能力。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)通過采集、存儲(chǔ)和挖掘數(shù)據(jù)，能夠幫助人類找到已知變量間的相互關(guān)系，并據(jù)此進(jìn)行科學(xué)、智能的決策。教育教學(xué)過程中存在大量的數(shù)據(jù)，而有針對(duì)性地建立人工智能分析模型可以借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)分析這些數(shù)據(jù),幫助教師發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的不足，并提供改進(jìn)方案。人工智能在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用水平取決于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的升級(jí)和完善程度。

(三)計(jì)算機(jī)視覺

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)旨在建立能夠從圖像或者多維數(shù)據(jù)中獲取信息的人工智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)和攝像機(jī)替代人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量的功能。該技術(shù)能對(duì)捕捉到的圖形進(jìn)行處理，進(jìn)而生成更適合人眼觀察或儀器檢驗(yàn)、檢測(cè)的圖像。

(四)語音識(shí)別

語音識(shí)別是目前人工智能應(yīng)用最為成功的技術(shù)。語音識(shí)別技術(shù)主要包括特征提取技術(shù)、模式匹配準(zhǔn)則及模型訓(xùn)練技術(shù)三個(gè)方面。該技術(shù)解決了讓機(jī)器理解人的說話內(nèi)容這一難題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器對(duì)人類語音信號(hào)的識(shí)別和理解，進(jìn)而能把信號(hào)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)且可閱讀的文字或命令。

(五)機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的核心，這項(xiàng)技術(shù)專門研究如何讓機(jī)器模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，使機(jī)器具備人一樣的學(xué)習(xí)能力，并在獲取新的知識(shí)和技能后不斷優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，改善自身性能。判斷一個(gè)系統(tǒng)是否“智能”，主要看其是否具有學(xué)習(xí)能力。目前有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)的研究主要有兩個(gè)方向：一是研究學(xué)習(xí)機(jī)制，注重探索、模擬人的學(xué)習(xí)機(jī)制；二是研究如何有效利用信息，注重從海量數(shù)據(jù)中獲取隱藏、有效、可理解的信息。

三、人工智能促進(jìn)教育教學(xué)變革的路徑

(一)專業(yè)設(shè)置符合人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要

人工智能時(shí)代，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，一些傳統(tǒng)的企業(yè)和就業(yè)崗位會(huì)逐漸消失，新的行業(yè)、企業(yè)和職業(yè)會(huì)不斷涌現(xiàn)。學(xué)校的專業(yè)設(shè)置必須隨著社會(huì)環(huán)境和科技環(huán)境的變化而調(diào)整，適應(yīng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展的新需求[4]。例如：“人工智能+”產(chǎn)業(yè)模式下，智慧物流、智能游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)，而這些領(lǐng)域的專業(yè)人才供給明顯不足，相關(guān)院校應(yīng)結(jié)合自身的專業(yè)優(yōu)勢(shì)和AI技術(shù)的發(fā)展情況，增設(shè)新的“人工智能+”專業(yè)。人工智能時(shí)代，智能化生產(chǎn)系統(tǒng)在企業(yè)被廣泛應(yīng)用，這就要求勞動(dòng)者能夠適應(yīng)新的工作模式，掌握人工智能環(huán)境下完成工作所需要的知識(shí)和技能。學(xué)生是未來的勞動(dòng)者，只有掌握這些知識(shí)和技能，才能有效滿足未來工作崗位的專業(yè)需求，這就需要學(xué)校的專業(yè)設(shè)置與人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求相吻合。

(二)課程建設(shè)滿足智能化生產(chǎn)需求

人工智能時(shí)代的智能化生產(chǎn)方式模糊了工作過程中的分工界限，淡化了人才結(jié)構(gòu)的分層現(xiàn)象，顛覆了生產(chǎn)、銷售、研發(fā)和服務(wù)分離的傳統(tǒng)。鑒于此，學(xué)校的課程變革需要從課程開發(fā)、課程結(jié)構(gòu)和課程內(nèi)容三個(gè)方面有效開展[5]。第一，要結(jié)合智能化生產(chǎn)中的系統(tǒng)、流程、知識(shí)和技能來開發(fā)和設(shè)置課程，以培養(yǎng)學(xué)生完成復(fù)雜工作任務(wù)的專業(yè)能力。第二，應(yīng)結(jié)合智能化生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)課程結(jié)構(gòu)，對(duì)相同專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的課程進(jìn)行橫向整合，對(duì)不同專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的課程進(jìn)行跨界整合，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力。

(三)課程內(nèi)容具有人工智能時(shí)代特色

人工智能時(shí)代的課程應(yīng)該融合專業(yè)知識(shí)、跨學(xué)科知識(shí)、人工智能技術(shù)、職業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)等內(nèi)容，增設(shè)數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)和混合智能等與 AI 相關(guān)的內(nèi)容。另外，需要在課程中融入人工智能時(shí)代的數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)。

(四)師資隊(duì)伍具有較高的智能化專業(yè)水平

全面深化教師隊(duì)伍建設(shè)是人工智能時(shí)代實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要保障。學(xué)校應(yīng)重視人才，推動(dòng)人工智能專業(yè)人才引進(jìn)工作，聘請(qǐng)人工智能領(lǐng)域的名師和經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)過硬的企業(yè)專家為兼職教師，建設(shè)高水平的教學(xué)團(tuán)隊(duì)；要?jiǎng)?chuàng)造條件，鼓勵(lì)教師參加企業(yè)培訓(xùn)和各類專項(xiàng)培訓(xùn)，加深教師對(duì)人工智能技術(shù)的理解，提升教學(xué)實(shí)踐過程中人工智能技術(shù)的應(yīng)用水平；建設(shè)信息化的學(xué)習(xí)和交流平臺(tái)，為教師及時(shí)學(xué)習(xí)前沿技術(shù)、了解技術(shù)動(dòng)態(tài)提供便利。

(五)教學(xué)實(shí)施過程中多方位應(yīng)用人工智能技術(shù)

人工智能在教學(xué)中的應(yīng)用逐漸改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方法、評(píng)價(jià)機(jī)制等，有助于學(xué)生豐富知識(shí)、提高技能水平和綜合素養(yǎng)。教學(xué)實(shí)施過程中多方位應(yīng)用人工智能技術(shù)，可以提高教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)、課程輔導(dǎo)和教學(xué)評(píng)價(jià)等方面的效果[6]。人工智能時(shí)代，教師借助 AR或VR虛擬場(chǎng)景開展體驗(yàn)式教學(xué)，利于解決傳統(tǒng)教學(xué)中無法用語言描述場(chǎng)景的問題，能夠在課堂上演示或開展實(shí)踐操作，讓學(xué)生“身臨其境”，增強(qiáng)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的效果。如：學(xué)生只要戴上由愛爾蘭Immersive VR Education公司設(shè)計(jì)的“阿波羅11號(hào)”VR眼鏡，就可以“親身”體驗(yàn)“阿波羅11號(hào)”登月的全過程，這樣的VR虛擬場(chǎng)景教學(xué)的效果是任何語言描述教學(xué)無法達(dá)到的。學(xué)生借助智能學(xué)習(xí)設(shè)備在人工智能學(xué)習(xí)平臺(tái)完成教師布置的任務(wù)，在此過程中所展示的學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)問題等能為教師實(shí)施個(gè)性化教學(xué)提供幫助，而平臺(tái)設(shè)置的虛擬教師也可以不受時(shí)空限制地輔導(dǎo)學(xué)生。英國(guó)一家虛擬教育公司設(shè)計(jì)出一款運(yùn)用人工智能技術(shù)在線輔導(dǎo)數(shù)學(xué)的軟件產(chǎn)品，學(xué)生在使用這款產(chǎn)品學(xué)習(xí)的過程中可以隨時(shí)向虛擬教師提出問題，虛擬教師會(huì)根據(jù)學(xué)生的反饋調(diào)整問題解答方式，直到幫助學(xué)生解決問題。人工智能系統(tǒng)可以對(duì)教師指導(dǎo)每位學(xué)生學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)及每位學(xué)生反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)教師教學(xué)的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，促進(jìn)教師提升教學(xué)質(zhì)量。

人工智能時(shí)代，傳統(tǒng)的教育系統(tǒng)逐步與人工智能、信息網(wǎng)絡(luò)等融合而成為現(xiàn)代智慧教育系統(tǒng)，為教育教學(xué)構(gòu)建了智能化、信息化、多樣性的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，這必然對(duì)教育教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。及時(shí)進(jìn)行教育模式、教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方法等方面的變革，有助于更好地為人工智能時(shí)代的社會(huì)培養(yǎng)所需要的人才。世界各國(guó)政府對(duì)人工智能賦能教育的戰(zhàn)略目標(biāo)均給予高度重視。美國(guó)政府自2016年起發(fā)布了《為人工智能的未來做好準(zhǔn)備》等報(bào)告，為本國(guó)人工智能發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，明確了美國(guó)高等教育尤其是研究型大學(xué)應(yīng)進(jìn)行人工智能理論研究和尖端技術(shù)研發(fā)，并將培養(yǎng)前沿學(xué)科和跨學(xué)科人才作為人工智能發(fā)展的基石。英國(guó)政府在《在英國(guó)發(fā)展人工智能》報(bào)告中指出，對(duì)于人工智能教育，要從教育制度、人才培養(yǎng)模式、課程設(shè)置、技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)行創(chuàng)新。進(jìn)入人工智能時(shí)代，無論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，教育的競(jìng)爭(zhēng)都進(jìn)入一個(gè)新的賽道。“人工智能+教育”為打破傳統(tǒng)教育的局限性開辟了新路徑，使普適性教育增添了個(gè)性發(fā)展元素、常規(guī)性教學(xué)增加了多維性方案、特殊人群教育完善了補(bǔ)償性模式，使人工智能技術(shù)能更好地為教育教學(xué)改革服務(wù)。