人工智能在教育領域的應用探析

羅萬麗?王蕊?范榮

摘 要：隨著人工智能熱潮的興起，日新月異的新技術蔓延各行各業，“人工智能+教育”應運而生，教育形態也因此不斷得到重塑。本文通過介紹人工智能教育應用的內涵、特征和關鍵技術，基于對我國人工智能在教育中應用現狀的思考，從而梳理和反思人工智能教育應用在智能時代的推進策略，以期為國內人工智能教育應用的發展提供思路。

關鍵詞：人工智能;教育應用;深度學習

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2018）06-0079-04

一、對人工智能教育應用的解讀

（一）認識人工智能教育應用

人工智能是人類體力與腦力的延伸，是涉及計算機科學、心理學、教育學等多個領域的一門綜合性的交叉學科。[1]人工智能又叫機器智能，人工智能研究的一個主要目標是使機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復雜工作。人工智能早在20世紀50年代就產生了，但因為其運算能力等原因，經歷了低谷期和長期的緩慢發展狀態。2016年，阿爾法狗成功戰勝世界圍棋冠軍李世石，引爆了人工智能技術的發展熱潮。接下來，人工智能以強大的智能技術的支撐，類似互聯網的路徑，快速滲透到各行各業的發展，引起了人們的歡呼和追捧。人工智能教育應用是“人工智能+教育”的成果，既有著人工智能技術與其他行業融合發展的特點，也有其特殊性。它是信息時代人工智能技術和學習科學技術兩者融合所產生的一個新領域，其核心是教學模型、領域知識模型和學習者模型。人工智能教育應用旨在運用人工智能技術，通過大數據、云計算、深度學習三大核心驅動力跟蹤記錄學習者的所有學習過程，完成常態化數據采集、評價模型以及個性化教學和數據化管理，從微觀層面深入理解學習是如何發生的，以及探索外界的各種因素對它有哪些影響，從而為學習者高效學習創造了條件。[2]

（二）主要特征

1.教育服務智能化

人工智能教育應用為教學提供更多的智能工具，為教育者和學習者帶來智慧教學的新體驗。在教學過程中教師運用人工智能技術將學習環境與生活場景進行無縫銜接，提供智能化教學服務，提升教學效果，促使泛在學習、終身學習真正成為一種常態。

2.學習過程個性化

“人工智能+教育”充分利用智能技術的支撐，依據師生的不同特點和需求，為其提供具有針對性的個性化教育服務。同時它還可以實現跟蹤并記錄學習者的所有學習過程，通過對學習過程的分析標記學習的重、難點，進一步幫助學習者及時調整學習進度及學習計劃，并為其制訂個性化學習計劃，推送個性化資源。

3.關注學生情感

在線教育目前仍然存在情感缺失的不足，而人工智能教育應用則可以利用情感計算技術解決這一難題。人工智能教育應用在教學過程中通過識別學習者的面部表情、姿勢、聲音進一步了解學習者的情緒，進而調整教學策略。因此，人工智能教育應用更關注情感，通過人機交流為學生營造一個接近真實的個性化學習環境，這樣更有利于維持學習者的動機。

（三）關鍵技術

1.知識計算

知識計算是人工智能與信息技術融合的一種新型產物，其實質是一種可被計算機接受的用于描述知識的數據結構。在教育領域，知識計算主要通過人工神經網絡表征，并結合教學專家系統的知識表示方法，從而運用其智能性解決學習過程中遇到的復雜問題。

2.計算機視覺

計算機視覺是利用攝像機和電腦對目標掃描，進而對目標進行識別、跟蹤和測量等，并通過圖形處理，使其成為更容易被人眼辨別或傳送給儀器檢測的圖像。[3]在教育領域中的應用主要有信息組織、物體與環境建模以及交感互動等方面，其作用是通過感知從感官信號中獲取信息。

3.語音識別

語音識別技術是將人類的語音內容轉換為計算機可讀的輸入，計算機通過語音識別和辨別接收具體內容信息，并將其轉化為文字。語音識別技術在教育領域的應用主要包括語音文檔檢索、語音讀寫數據輸入等，為存在學習障礙的學生提供聽、說、讀、寫方面的便捷服務，為特殊教育注入新的血液。

4.自然語言處理

自然語言處理旨在通過人與計算機進行交流，使計算機理解人類的自然語言。在教育領域，自然語言處理技術主要應用于語法檢測、文本知識與語言管理、人工系統、語料庫以及語言教學研究中。同時自然語言處理技術在教學中的應用，為學習者帶來了全新的學習方式。

5.情感計算

情感計算是指通過運用一種能夠識別并理解機器模擬人的情感的算法，使機器獲得學習者的情感狀態。[4]

顯然，情感計算的應用，可以實時捕捉學習者在學習過程中的情感狀態，通過面部表情、姿態表情以及語調表情等方面的變化及時反饋學習者的情感變化，從而迅速分析、判斷出學習者對該學習內容的態度偏好、認知風格，并進一步為學習者適時地提供激勵和幫助。

二、 人工智能在教育中的應用現狀分析

當前，各中小學開始設置人工智能相關課程，請人工智能進課堂，將其與中小學課堂教學進行深度融合。在推廣編程教育的過程中，通過開展人工智能大賽、機器人大賽等方式，進一步吸引社會力量參與計算機輔助教學軟件、游戲的開發和推廣，打造寓教于樂的智慧教育。并且國內部分高校已經設立了人工智能專業，積極響應“人工智能+教育”的號召，已然形成“人工智能+X”復合專業培養新模式。[5]同時部分試點院校已建立人工智能學院，開設人工智能學科，進一步開展碩士、博士招生工作，實現復合型人才的培養目標。

人工智能在教育領域更多的是應用于學校教學和遠程教育等方面。人工智能教育應用使教育資源內容更加豐富，教學方式更為靈活，教學環節和流程得到了優化。如Z+Z智能教學系統、智能導師系統、智能自適應學習系統及機器人DIY等在教育中的應用，充分考慮學習者的個體差異，協助教師更好地進行因材施教，優化和創新了教學方式;實現了O2O混合式個性化教學，創造了新的教育生態。同時在教學過程中，人工智能為智慧教育提供了技術支撐，如智能批改、基于案例的推理等新興的機器學習為教育注入了新鮮的血液。機器閱卷減輕了教師的負擔，教師能夠騰出更多的時間和精力關注學生互動、教學設計、專業發展和教育質量。

在日常仿真教學實驗中，運用基于智能仿真技術的智能實驗系統進行物理實驗、生物實驗、化學實驗等仿真實驗，不僅解決了設備欠缺、經費不足的難題，而且可以利用其對實驗數據進行預處理，生成實驗模型。這樣一來就可以針對實驗模型選擇有效的實驗方法，分析解釋實驗結果，從而提高教學效率。

人工智能為遠程教育的智能化提供了有力的技術支撐。通過運用專家系統、自然語言處理、人工神經網絡、機器學習等技術，跟蹤學習者的思維路徑及其解決問題的潛在目標結構，診斷和評估學習者的理解域，對學習者提供及時的指導、反饋和解釋，通過平臺大數據的分析以合適的難度水平和最適當的內容來規劃學習活動，進一步促進高效學習行為的發生。[6]

盡管擁有先進的教學理念、創新思維和技術支撐，但是人工智能教育活動目前仍處于探索階段，人工智能在教育中已取得的成果大部分集中為個案，在通用性方面還未取得突破性進展。人工智能教育應用尚不成熟，在很大程度上需要深入探究和摸索。與此同時，在未來研究中，除需要澄清部分“誤區”（如智能教育與智慧教育的混淆、樂觀與悲觀的態度等）外，還有許多“新區”（如應用新領域、新模式和新場景等）亟待拓展，部分“盲區”（如被忽略的應用領域、理論和技術方面的創新等）有待進一步探索以及一些“禁區”（如信息倫理、信息法律等方面）須明文令止。

三、對人工智能教育應用發展的思考

（一）學校重視人工智能教育

在人工智能時代，如何依托課堂實現人們滿意的人工智能教育？毫無疑問，首先，人工智能教育應用對學校教育本身進行了高密度的滲透，學校教育迫切需要更新教育教學觀念，尤其是在人才培養方面，直接切入人才培養過程，將需求和目標融為一體。其次，需轉變學習者的意識、觀念，讓學習者了解人工智能，并參與體驗人工智能教育應用的樂趣，從而讓他們的潛力得到激發。再次，還需改變傳統課堂教育方式，在學校教育過程中除了整合校內教育資源，還需注入適當的社會資源，從而借助大眾媒體培養學習者批判思維能力、高階思維能力、合作交流能力等核心素養，進而培養其具有終身學習的意識。如引導學習者觀看科學類節目《機智過人》等，讓學習者與智能技術面對面進行零距離接觸，進而對學習者進行潛移默化的影響。

（二）催生云教育，促進教育公平

人工智能教育應用開創了一個“人機共教”的新時代，突破了傳統教育的時空限制，集教學、管理、學習、娛樂、分享、互動交流于一體，云教育也由此應運而生。無論是課堂教學，還是考試、選課、管理以及評價等，利用人工智能可以擴大優質教育資源覆蓋面，推動教育均衡發展。教育資源的不均主要是由于優秀教師資源、優質教育資源的匱乏和分配不均衡所造成的，因此借助人工智能教育應用這種新型教育模式，可以逐漸實現教育行業知識結構化、課堂內容數字化、師資資源均衡化、教學資源便捷化，最終打造一個個“智慧課堂”。通過將優質教育資源盡快“輸血”給農村、西部和老少邊窮地區，從而最大化地利用人工智能擴大分享知識的規模，加強分享知識的深度，進一步幫助數以億計的孩子就近接受良好的教育。[7]如科大訊飛研發的人工智能機器人——阿爾法小蛋，英語智能教具系統的應用，以及著名的“雙師教學”實驗等，這些典型的案例無疑為農村孩子享受名師課程提供了可能，也為城鄉教育資源不均衡問題的解決提供了新的思路。

（三）匯聚優質資源，構建新的教育生態

第一，人工智能教育應用彌補了傳統教學的不足。以往的教學過程更注重具體知識內容的學習，忽略了學習者的需求及個性差異，未關注到師生、生生交互的深度與廣度，而人工智能教育應用注重多維學習空間的創建，通過計算機、網絡以及移動設備實現了在線課堂式的教學，全力支持學生進行個性化的自主學習，為教學效率和質量的提升創造了優越的條件。如“一起作業”平臺，學習者不僅可以借助該平臺隨時獲取自身所需的、與課堂教學知識點同步的豐富習題，系統還能自動生成精細的反饋，使學習者能夠有針對性地進行復習和訓練;同時使更多的學習者共享名師資源，縮小“數字鴻溝”，促進教育公平。第二，人工智能教育應用能夠幫助實現一對一個性化輔導，滿足學習者的真正需要，充分發揮其主體作用，促進學生得到個性化發展。注重培養學習者個性化學習的能力，鼓勵學習者在學習過程中選擇適合其學習風格的學習方法，倡導學習者勇于表達自己的所思所想，從而為每個學習者量身打造符合其學習實際需要、學習偏好的個性化學習方案。第三，人工智能教育應用實現了從傳統的灌輸模式到即時交互模式的完美轉型。不可否認，一系列新技術的涌現，其交互性為變革傳統教育生態提供了全新的可能。顯然，交互是一種雙向互動的過程，新技術使得教學四要素（教師、學生、教學內容、教學媒體）之間可以進行多維交互，學習者在互動過程中能夠進一步完成知識建構，實現學習遷移。第四，人工智能教育應用實現了教學過程中由“教師為主體”向“學生為主體”的轉變，教師不再掌握學習控制權，而是學習者自主掌控，并通過激發學生的求知欲，從而引發真正的學習，促進真正的發展。

（四）以人為本，構建多元融合的課程體系

在人工智能時代背景下，學校課程體系更趨向于多元化、豐富化、融合化。同時人工智能教育應用強調以人為本、注重個性發展，學校課程應更多地關注孩子的本真，給孩子更多的空間，根據每個人的資質和特點對其進行相應的指導和培養，真正做到因材施教。通過構建智能學習、交互式學習的新型教育環境，建立以學習者為導向、以教師為輔助的智慧教育模式，借助人工智能提供精準推送的學習支持服務，實現教學最優化和終身教育定制化。如既能夠編程，還能與Scratch編程教育相結合，用于項目式學習、人工智能認知學習的“愛因斯坦機器人”，有效地將教育與娛樂相結合，帶動學習者更多的感官參與學習過程，從而使學校成為孩子進行思想碰撞的學習中心。這啟示我們，未來的學校需要注重開展跨學科探索性學習，推動人工智能與基礎學科的交叉融合，以豐富的課程體系培養學習者獨立思維、批判性思維等重要品質，從而讓每一個孩子接受更加全面、更加個性化的教學，使學習過程變得更高效、更快樂。

[1][4]閆志明，唐夏夏，秦旋，等.教育人工智能（EAI）的內涵、關鍵技術與應用趨勢：美國《為人工智能的未來做好準備》和《國家人工智能研發戰略規劃》報告解析[J].遠程教育雜志，2017，（1）：28-30.

[2]王海芳，李鋒.人工智能應用于教育的新進展[J].現代教育技術，2008，（S1），18-20.

[3]吳曉如，王政.人工智能教育應用的發展趨勢與實踐案例[J].中國電化教育，2018，（2）：5-6.

[5]吳永和，劉博文，馬曉玲.構筑“人工智能+教育”的生態系統[J].遠程教育雜志，2017，（5）：31-34.

[6]徐鵬，王以寧.國內人工智能教育應用研究現狀與反思[J].現代遠距離教育，2009，（5）：3-5.

[7]張坤穎，張家年.人工智能教育應用與研究中的新區、誤區、盲區與禁區[J].遠程教育雜志，2017，（5）：57-58.

Analysis of the Application of Artificial Intelligence in Education

LUO Wanli，WANG Rui，FAN Rong

（College of Education Technology，Northwest Normal University，Lanzhou，Gansu，China 730070）

Abstract： With the rise of the artificial intelligence boom，new and ever-changing technologies have spread to all walks of life.“Artificial intelligence+education” came into being，and the form of education has been continuously reshaped.By introducing the connotation，characteristics and key technologies of the artificial intelligence education application，and then further combs and reflects the promoting strategies of the application of artificial intelligence education in the intelligent era based on the thinking of the application of artificial intelligence in education in China.Hopefully，the findings

of this paper may offer ideas for the development of domestic artificial intelligence education applica-

tions.

Key words： artificial intelligence;educational application;deep learning