人工智能環境下教育情境信息模型構建研究

桂秋凡 曹雙雙

摘 要：為促進教育教學有效開展，構建教育情境信息模型開展教學活動，做到因材施教，促使學習者在教學活動中以自己喜歡的方式掌握知識和技能。從人工智能環境出發，通過收集參與教學實體的教育情境信息，結合已有教育情境信息資源，構建出適合當下教學活動的教育情境信息模型，使教育教學活動能夠更加符合學習者的特點，讓學習者得到更加有效的學習。研究表明，人工智能環境下構建教育情境信息模型，能提高學習者的思維和創造能力，提高教育者的教學效率，更新教學模式。

關鍵詞：人工智能;教育情境信息模型;《計算機與網絡》教學

DOI：10. 11907/rjdk. 182478

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0221-04

Abstract： In order to promote the effective development of education teaching，the construction of educational context information model in the artificial intelligence environment has a good effect on teaching activities. Learners can carry out activities for individualized teaching according to the model so that they can master knowledge and skills in their favorite way. From the background of the artificial intelligence environment， by collecting information of participator in the teaching and combining with the existing education situation， the article constructs the educational context information model， which is suitable for current teaching activities. Education teaching activities can be more consistent with the characteristics of learners so that learners can get more effective learning. Research shows that the construction of education context information model under the artificial intelligence environment can improve learners' thinking and creative abilities， improve educators' teaching efficiency and partially replace the traditional teaching mode.

0 引言

隨著信息技術不斷發展，教育教學方式更加具體生動，形式更加靈活多變。人工智能不斷深入到教育中來，也逐漸成為教育教學的重要支持，如何在人工智能環境下提高教育教學質量受到很多學者關注。2016年初，谷歌人工智能團隊在權威期刊《Nature》上介紹了他們設計的人工智能圍棋程序AlphoGo，即以人類棋譜為樣本，運用復雜人工神經網絡進行有監督學習，人工智能機器人學會了與人類棋手對弈的方法[1]。隨著互聯網不斷發展，數據爆炸性增長，人類學習需求呈智能化、多樣性變化，人工智能2.0時代到來。2016年9月，斯坦福大學發布了《2030年的人工智能與生活》，詳細闡釋了人工智能在交通、家庭服務、醫療保健、教育、社區、公共安全、就業及娛樂等8個方面將產生的深遠影響及顛覆性變革[2]。

2017年7月，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，特別強調人工智能對于教育的重要性[3]。可以看出，培養全面發展的人才，創新和實踐能力是重點，如何有效支持教與學、促進學生個性化發展是當前學習者的訴求。個性化學習是技術和教育深度融合的高級階段，學習者在教育教學活動中以自己喜歡的方式掌握知識和技能，真正以學習者為中心，促使其個性和能力在受教育過程中得到自由和諧發展。傳統教學模式下，教育者的教學方式對學習者的學習效果有重要影響，而在人工智能環境下構建教育情境信息模型能夠綜合學習者、教育者、學習內容以及教學環境等各方面因素，從而更好地開展教學活動，提高學習者學習效率、教育者教學效果，充分發揮教育教學活動的有效性。

通過對國內外數字化學習環境下情境信息構建相關文獻進行梳理和分析，發現大部分研究主要集中在3個方面：情境感知研究;情境中個性化學習行為研究;基于情境的學習資源推薦研究。對于人工智能新型環境下如何系統構建教育情境信息模型，還沒有相關研究。因此，本文從人工智能環境的概念出發，分析教育情境信息內涵、情境信息收集，研究教育情境信息的構成、建模以及實際應用意義。

1 人工智能環境概述

1.1 內涵

人工智能是研究、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技術科學。它使用計算機模擬人的某些思維過程和智能行為（如學習、推理、思考、規劃等），主要包括計算機智能原理、類人腦智能制造，使計算機實現更高層次應用。

1.2 特征

在人工智能環境下，教育教學的開展更加便捷有效，可以讓學習者更加容易獲取知識，也讓知識呈現更加直接。人工智能環境的主要特征如下：

（1）經驗總結。在人工智能環境下，系統具備利用機器學習算法對數據中已有知識和經驗進行總結的能力。與此同時，系統還可以依據當前環境進行相應信息提取，使用戶在交互過程中進行動態學習，隨時獲取當前信息，因此具備可以不斷進化和進步的較高智能水平，使學習過程能夠融入更多可利用的知識信息，從而達到更高要求。

（2）經驗運用。人工智能環境下，系統并非只是停留在感知智能層面，而是將知識作為智能體現的重要部分。在與環境進行交互時，其不但能獲取周圍環境的信息，而且也會與已有數據進行信息深度對比，對該條件下相應的信息資源進行初步加工和處理，將信息歸納為客觀事物的規律、常識或者經驗，然后進行相應存儲[4]。當再次遇到類似情況時，系統可以更加智能地對經驗進行提取和整理。

（3）事件處理。人工智能環境下，系統還具備相應的事件處理能力。現實生活中會有不確定以及意外事件發生，人工智能系統不僅能夠依據算法處理確定事件，也具備處理意外事件的能力。因此，一個優秀的智能系統還應該具有很強的意外事件處理能力，能夠很好地處理數據中的不確定性（噪聲、數據屬性缺失等）、模型決策的不確定性（決策結果的置信度等）甚至模型內部參數的不確定性問題。如無人駕駛系統需要處理各種各樣不確定性問題，Alpha Go系統運用強化學習以概率方式探索不同的落子方法。

2 基于人工智能環境構建教育情境信息模型

2.1 教育情境信息內涵

情境是實體周圍環境中自己能注意到并且能對自身產生一定影響的信息集合，而情境信息的關鍵組成部分是人、環境和事件[4]。教育情境信息包括參與教育教學活動的實體、開展教學活動的場所和設備、由實體依據教學環境共同作用開展的教育教學活動等3個部分。在教育情境信息中，三者缺一不可、至關重要。

2.2 教育情境信息收集與分析

2.2.1 教育情境信息收集

人工智能環境下構建教育情境信息模型，目的在于更好地開展教學活動，所以在模型構建之前需要首先進行情境信息收集，其中最重要的是參與教育實體的情境信息收集[5]。主要包括：學習者情境信息（年級階段、學習科目、學習風格、學習目標、性別、性格特征、興趣愛好等）;教育者情境信息（年齡、性別、擅長知識版塊、教學風格、性格特征等）;學習內容情境信息（當下教學活動中涉及的年級信息、對應學科信息以及相應學習內容）;教學環境情境信息（學習和教學設備、網絡、教學場所等）。通過當下已有平臺（微信、QQ等），給教育者和學習者發布相應的情境信息問題，讓參與者填寫并提交，再將收集到的情境信息保存下來以便構建教育情境信息模型。

2.2.2 教育情境信息模型構建原因

信息技術逐漸發展，已經形成了多種形式的智能學習環境，但是不同的智能學習環境都存在一些問題，導致學習活動效果通常達不到預期目標。

在傳統課堂模式下，教師為了讓學生注意力集中在課堂，通常會以問題情境或者故事情境開展課堂導入[6]。但是，由于沒有太多信息技術支持，情境創設比較受限，能夠借助的資源也很有限，往往在一節課上教師會逐漸從情境教學轉換為知識教學，變成單一的知識技能傳授，而學習者的注意力也會變得不夠集中，很難達到預期教學目標。

在現有智能學習環境下，MOOC是當下使用比較多的形式，學習者可以根據需求選擇對應學科和課程。MOOC擁有十分豐富的教學資源，包括人文、科學、宗教等多方面視頻課程，學習者可以通過課程學習了解相關知識和技能，同時在完成全部課程之后得到證書形式獎勵，該形式對學習者有很大的鼓舞作用[7]。盡管這種環境對學習者的個性化學習有極大促進，但仍有較多學習者不能完成自己選擇的課程，原因在于：首先，完成MOOC課程不計入學分，與大學授予學位必修課程無關;其次，在MOOC課程學習中，學習者與教育者溝通不及時，存在很大的時間間隔，導致無法及時解決問題;第三，MOOC課程是針對所有學習者的，沒有個性化教學，教育者只就某個科目或者模塊的知識進行講解，而學習者通過視頻課程進行學習，在教學活動中沒有體現學習者為主體、教師為主導的教學理念，同時由于存在個體差異，有些學習者可能無法適應視頻課程中的教學風格。因此，構建教育情境信息模型非常必要，能有效解決現有人工智能環境下存在的問題。

2.3 教育情境信息模型構建

在人工智能環境下構建教育情境信息模型主要分為兩大版塊：參與教育實體的情境信息收集匹配、依據匹配好的情境信息資源進行模型構建[8]。首先需要對參與教育實體的信息進行收集，將收集到的實體情境信息與對應的情境信息資源進行匹配，將匹配好的情境信息組合成合適的整體，然后構建基于人工智能環境的教育情境信息模型（見圖1、圖2）。

2.3.1 參與教育實體

在人工智能環境下構建教育情境信息模型，主要目的在于更有效展開教學活動，讓教育者更方便開展教學活動，以便學習者更好地掌握相關知識和相應技能，并且讓學習者處在學習的主動地位[8]。由于學習者和教育者都存在個體差異，因此需要針對其不同特性，構建不同的教育情境開展教學活動，因材施教。所以，在人工智能環境下構建教育情境信息模型，參與教育的實體至關重要。

（1）學習者。學習者是教學活動開展的重要組成部分，在整個學習階段，學習者是不同的個體，因此學習者在教育教學活動中根據年齡和已有知識經驗分成不同年級階段，而不同年級階段的學習者在不同學科上會表現出不同的學習習慣，也會對不同學科的知識掌握有所側重。所以，需要對學習者的年級、科目、學習目標、學習風格和興趣愛好進行信息收集，然后針對不同特點的學習者自動匹配已有學習者情境信息資源。

（2）教育者。教育者在教學活動中占主導地位，主要引導學習者在人工智能環境中學會如何發現問題，并通過知識技能學習解決問題。而不同教育者也會有自身特點，所以需要對教育者的年齡、擅長知識領域、教學風格、性格特點等屬性進行一定的信息收集，然后再在對應的教育者情境信息資源中匹配合適的情境信息。

（3）學習內容。學習內容是開展教育教學的關鍵，也是主體內容。所以，需要首先針對學習者和教育者，找到相對應的學科、年級及知識點，然后在已有學習內容中匹配合適的情境信息資源。

（4）教學環境。教學環境不僅包括教育教學的場所，也包括教育教學的信息環境，其中最重要是教育者的教學設備和學習者的學習設備，不同設備對網絡的要求可能不同，因此設備信息需要在上課之前進行收集，以便匹配情境信息資源。

2.3.2 教育情境信息資源

人工智能環境下構建教育情境信息模型，先通過收集參與教學活動實體的信息情況，在對應情境信息資源中匹配合適資源，然后將匹配到的學習者情境信息、教育者情境信息、教學環境情境信息以及學習資源情境信息進行整合，形成一個最適合當前教學活動的教育情境信息模型，再根據該教育情境信息模型開展教學活動。其中，各部分情境信息資源基于人工智能環境下已有的大數據支持，包括以下幾個部分：

（1）學習者匹配情境。人工智能環境下，基于大數據對已有學習者情境信息資源庫中的信息進行篩選，選出與當前環境下學習者匹配的情境信息，其中包括學習者的年級、學習目標、學習風格、性格特點以及興趣愛好等信息。將匹配條件與當前學習者進行對應，形成適應教學活動的所有學習者情境信息，以構建教育情境信息模型。

（2）教育者匹配情境。在人工智能環境下，基于大數據對教育者情境信息資源庫進行有目的的篩選，選出適應當前教學活動的教育者匹配情境信息，包括教育者的年齡階段、擅長知識領域、教學風格以及性格特點等屬性信息。然后將匹配的情境信息與當前教育者對應，同時形成與教學活動相適應的教育者情境信息，便于所有情境信息匹配完成后構建教育情境信息模型。

（3）學習資源匹配情境。學習資源包括不同年級、不同科目及相對應的課內外學習資源，所以匹配合適的學習資源情境信息時，需要首先了解到學習者和教育者進行教學活動的內容，同時比對當前學習活動中學習者與教育者所需學習資源情境信息是否相似或者相同，然后對當前條件下學習資源情境信息進行匹配對應，形成該次教學活動所需學習情境信息，最后與匹配出來的其它情境信息進行有效組合，形成適應當前教學活動的教育情境信息模型。

（4）教學環境匹配情境。對學習者使用的學習設備、教育者使用的教學設備以及網絡狀況信息進行收集，然后針對學習者和教育者需求選擇合適的教學環境，將這些信息與教學環境情境信息資源庫中的相關信息進行匹配，形成適合該條件的教學環境情境信息，最后與匹配出來的其它情境信息進行有效組合，形成適應當前教學活動的教育情境信息模型，進而開展教學活動。

3 教育情境信息模型構建意義

3.1 提高學習者思維與創造能力

教育情境信息模型可以在課前對學習者和教育者的基本屬性進行信息收集，對參與課程的其他實體進行對應分析，自動匹配情境信息資源，然后對匹配好的情境信息資源進行有效整合，構建與當下課程活動相適應的教育情境信息模型，進而開展課堂活動[9]。

教育情境信息模型首先解決了學習者以及教育者的個體差異，做到了因材施教 [11]。在教育情境信息模型中，學習者可以依據教育情境信息模型和教育者的引導發現問題、解決問題，提高思維能力;同時，也可以在教育情境信息模型中更加直觀地了解知識、學習技能，通過情境信息開展學習活動，在學習知識的同時進行適當的實踐活動，以激發創造能力 。

3.2 提高教育者教學效率

構建教育情境信息模型開展教學活動，不再是傳統形式上根據知識內容設置教學情境開展教學，而是針對該次課程構建教育情境信息模型，以此來開展教學，對于教育者來說，不需要花費大量時間進行教學設計，只需按照教育情境信息模型提供的思路與資源具體實施。因此，教育者能夠將注意力集中在教學環節，從而提高教學效率，達到更好的教學效果。

3.3 更新教學模式

傳統教學模式下，學習者囿于課堂、限制身體的同時，也限制了思維。人工智能環境下構建教育情境信息模型，能夠將知識與生活有效結合，讓學生更加直觀地感受和學習知識，不再是傳統教學模式下的掌握知識，也不再是為了考試而學習，而是全面建構學習者的知識系統，真正意義上將知識與技能相結合[13]。同時，其對教育者來說也是一種很好的教學體驗。

4 結語

人工智能環境下構建教育情境信息模型對教育教學有很好的促進作用，通過教育情境信息模型開展教學活動，能夠有效避免因學習者個體差異對知識和技能掌握帶來的負面影響，做到因材施教，促使學習者在教學活動中以自己喜歡的方式掌握知識和技能，同時能夠參與相應實踐、鞏固所學知識。本文從人工智能環境出發，通過對參與教學的實體進行情境信息收集，初步提出了構建教育情境信息模型的基本思路以及將教育情境信息模型應用在教育教學活動中的基本設想，可為研究者提供一些理論思路。不過文中構建的只是理論模型，今后將在技術實現層面作進一步研究。

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（責任編輯：何 麗）