人工智能開啟“互聯網+教育”新模式

李昭涵 中國信息通信研究院產業與規劃研究所工程師

金樺 中國信息通信研究院產業與規劃研究所高級工程師

劉越 中國信息通信研究院產業與規劃研究所高級工程師

人工智能開啟“互聯網+教育”新模式

李昭涵 中國信息通信研究院產業與規劃研究所工程師

金樺 中國信息通信研究院產業與規劃研究所高級工程師

劉越 中國信息通信研究院產業與規劃研究所高級工程師

人工智能技術的不斷進步促進了其與教育行業的融合發展與應用創新，以人工智能為核心的新興信息技術不僅有助于均衡教育資源、提高教學效率、改進學習體驗，而且正在逐步實現真正意義上的個性化學習?？梢哉f，人工智能將成為“互聯網+教育”取得突破式發展的重要驅動力量。本文梳理分析了“互聯網+教育”的發展現狀及存在的問題，并對目前人工智能技術與教育行業的結合成果進行了介紹，最后對未來人工智能與教育行業在學習者模型領域、教學模型領域及特定學習領域的融合應用前景進行了分析及展望。

人工智能；互聯網+教育；個性化學習；STEAM教育

1 引言

AlphaGo在與李世石的“人機圍棋大戰”中勝出，使越來越多的大眾把目光投向人工智能領域。人工智能自20世紀40年代發展至今已有70余年，近幾年，深度學習技術在圖像識別、語音識別等領域的長足進步推動人工智能進入了嶄新的發展階段。Gartner最新公布的2017年重大科技發展趨勢表明：“未來將是以智能為核心、通過數字化實現萬物互聯的時代”，人工智能將無處不在。

如今，人工智能已經或正在顛覆性地改變著許多行業和領域，并且悄然滲透進大眾生活：從Siri到指紋解鎖、人臉識別，從在線翻譯助手到智能機器人、無人駕駛汽車等，人工智能正逐漸融入電商零售、金融、交通、教育、醫療健康、個人助理等多個領域，并展現出巨大的應用潛力。2016年8月，國務院發布《“十三五”國家科技創新規劃》，明確指出：“要在基于大數據分析的類人智能方向取得重要突破”、“并在教育、辦公、醫療等關鍵行業形成示范應用”。教育作為知識密集型行業，人工智能將成為“互聯網+教育”突破式發展的重要驅動力。

2 “互聯網+教育”現狀和問題

早在2500年前，孔子就提出了“有教無類，因材施教”的教育理念。如今，讓每個人都能平等接受教育并享受到個性化的教學指導，一直是廣大教育工作者為之努力奮斗的目標。互聯網新技術的不斷進步突破了時間和空間限制，讓優質教育資源得以科學配置與整合；信息化、互聯網化、智能化的技術手段，豐富了教學形式與場景，極大地改善了教育體驗；以大數據、云計算、人工智能、AR/VR為代表的新技術應用，越來越創造性地突破教育外延，促使線上、線下融合加深，也讓互聯網重塑傳統教育逐步成為可能。

“互聯網+”對傳統教育的重塑主要體現在以下兩個方面：

（1）均衡教育資源、實現教育公平

“互聯網+教育”在一定程度上打破了時空、地域、經濟、文化的壁壘，將優質教育資源與先進學習模式傳遞給每一位求知者，尤其是經濟欠發達地區的學習者。例如，MOOC模式在線學習平臺將廣大學生與海量課程相連接，學生能夠更加方便地獲取其感興趣的教學資源，使線上自主學習模式成為傳統課堂學習的有效補充。同時，隨著教育資源數字化、在線化、共享化程度的不斷加快與加深，教育公平的愿景也將進一步實現。

（2）提高教/學效率、打造個性教育

互聯網新技術的不斷進步，使教育活動從各個環節上得到優化和完善，從而提高了教師的教學效率與學生的學習效率。例如，教育O2O平臺搭建起學生與老師的溝通橋梁，提升了學生快速找到好老師的效率；題庫類、拍照答疑類工具產品，通過改善教學過程中的練習自測及輔導答疑過程體驗，提高了學習效率與輔導效率；再如借助大數據分析、深度學習等技術，個性化、精準化教育取得顯著進展。此外，人工智能、AR/ VR等新技術與傳統教育也在不斷融合發展，自適應學習、沉浸式教學等技術與應用均有所突破。

但應當看到，“互聯網+”只是在淺層次實現了對教育服務的融合滲透，互聯網發揮在線市場作用，初步解決了教育上的“可獲得性”（Accessibility）、“靈活性”（Flexibility）和“可支付性”（Affordability）等問題。然而，教育和學習是一個極其復雜的過程，其核心“交互性”（Interactivity）問題一直未得到有效解決，這也是互聯網與教育行業融合后出現課程完成率低、教/學效果令人堪憂的根本原因。教育產品的交互性不僅是簡單的產品界面交互，更是學生在學習過程中不斷獲得反饋的過程，這種交互性體現為滿足老師和學生的交互、學生之間的交互以及學生與系統內容的交互。其中，學生與系統內容的交互又是重中之重，平臺或系統應當能夠針對每個學生個體接受度、理解力等有所不同，給予差異性學習規劃及指導，扮演智能學習引擎角色。只有實現了教育產品的智能反饋與智能互動，互聯網對傳統教/學方式的革新才指日可待、與傳統教育的融合滲透才能進一步加深。互聯網從來不是單純的解決連接問題，更多的還應解決在習慣、效率、技術等其他層面上的問題，借助圖像/語音識別、語義識別、大數據、機器人等先進技術，人工智能將成為互聯網重塑傳統教育的重要驅動力量。

3 人工智能時代教育的現在和未來

3.1 什么是人工智能

人工智能（ArtificialIntelligence，AI）作為前沿科學和交叉學科，國際上目前尚無統一定義，一般來說可認為人工智能是研究和開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新興技術科學。人工智能是計算機科學的一個分支，其主要研究內容包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。人工智能是對人類意識及思維過程的模擬，它雖不是人類智能，但能模擬人類的思考過程，甚至有可能超越人類的智慧。

業界研究者普遍認為，人工智能的發展將經歷弱人工智能、與人類智能相當的“強人工智能”和全面超過人類智能的“超人工智能”3個階段。目前，弱人工智能已經應用于生活的方方面面：智能搜索引擎、實時在線地圖、Siri手機語音助手等都運用了人工智能技術，教育領域的拍照搜題、智能口語測評、語音學習助手等也已深入教學應用。隨著人工智能技術的不斷成熟與強大，人工智能與教育行業的結合勢必更加緊密與深入，為“互聯網+教育”帶來顛覆性的新突破。

3.2 人工智能與教育的結合

目前，以人工智能為核心的教育科技開始從數據采集（語音識別、圖像識別、傳感器等）、數據處理（語義識別、大數據、自適應、認知計算、情感計算等）和人機界面（AR/VR、機器人、3D打印）3方面與教育行業開展深度結合與應用，逐步增強教學智能性與互動性。融合應用主要集中在作業自動批改、拍照搜題類在線答疑、智能測評和個性化學習4個方向。目前結合點較為分散且大多數產品尚處探索階段，但已有部分產品開始投入應用、接受市場驗證，并取得了較為顯著的成效。

（1）作業自動批改

語義分析技術的進步使得作業自動批改成為可能，對于簡單的文義語法機器可以自動識別及糾錯，甚至是提出修改意見，并根據學生的作業結果為教師自動生成詳細的學情報告。目前，已有許多教育產品開始嘗試這一功能，隨著技術的不斷完善，大規模應用作業自動批改將有效分擔教師的教學壓力，顯著提高教學效率。

（2）拍照搜題、在線答疑

借助智能圖像識別技術，拍照搜題功能在教育產品中獲得了突破式發展，并已具備了一定的應用規模。學生在遇到難題時只需用手機拍照上傳到云端，系統在一到兩秒內就可以反饋出答案和解題思路。目前，這類應用不僅能識別機打題目，手寫題目的識別正確率也已提高至70%以上。拍照搜題不僅豐富了學生的答疑輔導方式，更提高了學生的學習效率，極大增強了學生的自主式學習能力。

（3）智能測評

智能測評是指利用人工智能技術對可被數字化、標準化的教/學行為及數據進行測試、分析與評價，目前已取得初步應用。一是利用語音識別技術的英語口語智能測評，此類語音測評軟件能夠在用戶跟讀的過程中，及時對發音做出測評并指出發音不準的地方，通過反復測評訓練提升用戶口語水平；二是利用大數據和數據分析技術的學情智能測評，通過對學生學習過程及學習成效的數據統計，分析學生知識、能力結構和學習需求的差異化特點，幫助學生與教師獲取真實有效的改進依據。通過學情智能測評，學生可以清楚看到問題所在，學習更高效；教師可以針對具體情況對癥下藥，選擇不同教學目標和內容，實施不同教學方式，進一步提高教、學的針對性、有效性和科學性。

（4）個性化學習

個性化學習是指以反映學生個性差異為基礎，以促進學生個性發展為目標的學習范式。利用大數據可以詳細描述每個學生的學習特性，構建完整的學生畫像，因此可以與自適應學習技術相結合，為每個學生創建個性化的自適應學習體驗與學習路徑，推送適合每個學生的差異化學習內容與課程規劃。另外，提供個性化教學服務的虛擬學習助手會像學生的私人家教一樣，盡可能地從情感、行為和認知層面模擬一位優秀教師的教學過程。

3.3 人工智能開啟“互聯網+教育”新模式

隨著更多維度和更大量級的數據采集與數據匯聚、更高效的數據處理方法以及更具互動性的人機界面的發展，今后人工智能在教育領域將形成點面結合的產品演進模式與系統化、智能化的產品應用潮流，人工智能將不斷革新改變傳統教育的學習范式，開啟教育新模式。

從教/學過程中學習者、教學者的角色分類出發，未來人工智能與教育行業的融合應用將主要劃分為學習者模型（Learner Model）與教學模型（Pedagogical Model）兩大領域。同時，在標準化、普遍化的傳統教育內容（如應試教育內容、職業教育內容等）之外，某些特定學習領域（DomainModel）也成為人工智能與之結合的熱點，同樣具有強大的發展潛力。這里就在充分考慮教學角色與特定教學內容的基礎上，對人工智能在學習者模型領域、教學模型領域和特定學習領域3方面的創造性革新進行分析與展望。

（1）學習者模型領域

該領域重點關注以學習者為中心的教育產品與應用，并把促進個性化學習、實現因材施教作為重要目標。據Technavio預測，2020年全球“人工智能+教育”在學習者模型領域的全球市場規模將達到6300萬美元，年復合增長率將達40%。

如果說現有的“互聯網+教育”方式解決的是“知識送達”問題，那么基于人工智能的“互聯網+教育”將重點解決交互式自適應學習難題，并最終實現因材施教。智能化的自適應學習系統是學習者模型領域的關鍵與核心，它將顯著改變現有的學習范式。自適應學習系統利用算法處理獲取到的各類信息，通過“生成適應性內容”與“獲取并分析反饋數據”兩個步驟的不斷迭代，逐步進化成為與學習者越來越契合的適應性“家教”。事實上，許多傳統教育機構與互聯網教育研究者為了給學習者提供更智能的學習選擇，早已在其產品中應用了自適應學習技術。從廣義上說，任何能夠通過學生的反饋而推薦不同題目或知識點的系統，都意味著具有“自適應學習”功能，但本文所強調的是基于人工智能的、更加成熟的、具有一定技術深度的自適應學習。

具備人工智能能力的自適應學習解決方案顯然也是個性化學習的有效方案之一。在擁有優質教學內容的前提下，自適應學習技術通過提供學習路徑和精準內容推送，為學習者帶來真正意義上有反饋、有互動且智能化的高效學習模式。

學習路徑

簡單來說，學習路徑可以理解為基于知識圖譜的知識點跳轉。完善的基于人工智能的自適應學習系統，首先會通過專家預設的知識圖譜進行階段性使用，再根據使用后學生留下的海量行為數據進行數據挖掘，然后得到準確客觀的知識圖譜。最終，系統將以優化后的知識圖譜，為學生匹配最佳學習路徑。

內容推送

正如智能搜索、電商平臺的個性化推薦一樣，智能化的自適應學習系統也應能夠根據每個學生的學習記錄，推斷學生的能力水平和問題所在，為學生進行學習內容個性化推送，其核心關鍵在于對當前學習路徑下的特定學生推送最合適的學習內容。為了使推送內容與學生的水平相匹配，需要對內容的難度以及學生的水平進行客觀地測量，這需要將復雜理論算法與人工智能技術充分結合才能得以實現。

（2）教學模型領域

該領域重點關注教學模式與場景下可以提高教學質量的教育產品與應用，口語語音測評、學情智能測評、考試評測方法（Assessment）、虛擬學習助手等應用都屬于該領域范疇。據Technavio預測，2020年全球“人工智能+教育”在教學模型領域的市場規模將達到3100萬美元。

評測方法是教學模型領域用于提升教學質量的一個重要手段。傳統評測方法大多通過封閉式問答方式實現，因此其中可被標準化的內容正逐步被在線評測方法所取代；但對于開放式問答內容，如作文、申論等，普通在線評測方法難以給出有效反饋。不過，隨著語義分析技術的逐步成熟，依托人工智能方式可以更加輕松地實現對開放式題目的在線評測，使學生更加自主地進行練習與自測、獲取評價與反饋，實時提升自身學習表現。

個人助理機器人的突破式發展推動教學領域的虛擬學習助理研究取得顯著成果。借助自然語言處理和語音識別技術，虛擬學習助理可扮演起學生的課外教師角色，為學生提供精準解答并分析其學習表現。由于基于人工智能的虛擬學習助理能夠自動分析學生語音及所提問題主干，因此學生完全可以采用自然語言的方式提問，這更加貼合真實的教學互動。隨著技術的不斷成熟與系統功能的日趨完善，虛擬學習助理將逐步走向廣泛應用。

得益于人工智能，機器與人正逐漸重新分工合作。機器將發揮簡單環境下的標準化和規?；瘍瀯?，完成輔助教學、簡單答疑、作業練習、測評批改等工作；教師則聚焦于教學設計、復雜決策、團隊協作等創造性與人文性內容。未來的教育將是人與人工智能協作的時代，其關鍵是充分發揮機器與人類的不同優勢，一方面要借助人工智能完成教育過程中簡單重復的腦力勞動，另一方面也要發揮人類的創新變革、復雜決策、情感關懷激勵等更大優勢。

（3）特定學習領域

特定學習領域重點關注某些具體的垂直細分學習領域，預計將主要集中在STEAM教育方向。據Technavio預測，2020年全球“人工智能+教育”在特定學習領域的市場規模將達到1100萬美元。

STEAM教育是集科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數學（Mathematics）多學科交叉融合發展的綜合性教育，其最初是由美國政府主導的一項教育計劃，提倡“動手動腦的探索式”學習過程。STEAM教育重實踐、重跨界、重創新的特點尤為突出，可以說是對標準化考試環境下傳統教育理念的重大轉型。未來，基于人工智能與VR/AR的仿真實驗室、基于高級機器人及3D技術的陪伴/教學機器人智能產品以及基于認知計算的復雜決策輔助系統，都將幫助學生在游戲化的學習體驗中培養邏輯思維和動手能力，真正從智能交互的角度完成多學科、交叉融合的探索式學習過程。例如，現在已有提供編程類應用程序的STEAM教育產品面市，學生可以通過拖拽、點擊、畫圖等方式，用最簡單的可視化編程語言對機器人行為進行編程，下達指令。

STEAM教育與中國素質教育在理念上異曲同工，在人工智能技術的推動下，中國傳統素質教育的方式也將更加豐富多元。未來，在小學、初中、高中等各個階段，學生們將在更多的智能化場景中鍛煉邏輯思維、提高動手能力、培養創新精神，同時也會有更多的人工智能+STEAM教育產品服務于學生與教師，開啟素質教育新模式。

4 結束語

人工智能雖已在教育領域的部分應用中有所突破，但整體仍處于“弱人工智能”階段，距離實現從情感、行為到認知的多維度全面模擬人類“強人工智能”水平，還有很長的路要走。盡管如此，我們仍要客觀看到人工智能所涉及的語音/圖像識別、語義識別、大數據、自適應、機器人等技術，與教育領域的應用需求有著天然的契合。我們更應相信，隨著人工智能技術的不斷成熟與深化，傳統教育方式將被顛覆，傳統學習方式將被革新，人工智能將從提高教/學效率、滿足個性化學習、增強交互與反饋等多方面為“互聯網+教育”的發展注入新動力。

[1]王喬峰,曹效英,路璐.“互聯網+教育”模式的發展情況分析[J].中國教育信息化,2015,15∶9-11.

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[3]賈積有.國外人工智能教育應用最新熱點問題探討[J].中國電化教育,2010,07∶113-118.

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Artificial intelligence brings thenewpattern of “Internet+Education”

LI Zhaohan, JIN Hua,LIUYue

The progress of artificial intelligence (AI) technology promotes the integration development and applicationinnovation in education industry. The emerging information technologies, with AI technology as the core, not only helpbalance the educational resources, increase teaching efficiency and improve the learning experience, but also gradually realizingthe true sense of personalized learning.We can say thatAI will become the significant driving force for“Internet + education”development. The paper firstly summarizes present situation and analyzes the existing problems of“Internet + Education”,then introduces the achievements of the combination of AI technology and education industry. Furthermore, the paperalso deals in detail with the analysis and prospects of AI applications in educational industry from three aspects∶ Learnermodel, PedagogicalmodelandDomainmodel.

artificial intelligence；Internet+education；personalized learning；STEMAeducation

2016-11-28）