人工智能技術在教育領域的應用

文/曾輝

1 引言

人工智能最早成形于上世紀中期，近年來在神經網絡、智能算法、云計算等相關技術先行發展的鋪墊上，在算力、應用面等方面獲得巨大的突破，受到全社會各行業的廣泛關注，成為了大眾焦點，也被國家戰略所重視。在經過幾十年來的發展之后，目前人工智能已經在各行各業里被廣泛應用，給社會生產帶來了深刻的變化。

教育行業作為面向未來的行業，一直緊隨著先進技術的發展與時俱進，人工智能與教育的結合是一個明顯的發展趨勢，隨著教育信息化進程的推進，教育教學模式與過去相比已經發生了很大的改變，目前已經有一部分人工智能產品開始落地到教育領域，未來更多的智能產品將走進課堂。

2 內容

人工智能技術，基于PCA、LBP、遷移學習和度量學習等算法可以在教育應用系統中應用，實現圖形識別、語音識別、大數據等技術應用。人工智能也能作為老師的教學輔助手段，人工智能技術手段可以幫助老師判斷教學質量，產生針對性的教與學的效應、效率和質量。

學生的學習水平能在教學過程由AI智能化診斷，學生存在的問題更易被找到，在此基礎上AI還能給出解決方案，并提出意見和建議，實現機器與人的一對一定制化教學，并能結合學生已有的知識水平調整教學進度，智能生成適合該學生的教學方法和教學策略。

2.1 人工智能在教育中應用的類型

2.1.1 學習人工智能

AI被認為是人工智能中學習的對象，可以學習其基本知識、基本技能及其對社會的影響。

（1）課程改革的推行，新時代的學生需要接觸和融入當代前沿技術，人工智能技術屬于該范疇，將人工智能技術基礎為核心內容的課程加入到學生課程列表中符合課程改革的策略。

（2）學生尚處于對于教學體系的認知階段，使其明白知識和應用的關系是教育的重要一環。按照布魯斯教育目標分析法，在認知層面上有從低到高六個層級：知道、領會、應用、分析、綜合、評價，從基礎層面知識的認知和記憶到高級邏輯思維去做出推斷分析，這是連續的對于知識的從淺入深的應用能力。通過在當前的教育中增加人工智能課程的方式，學生可以了解人工智能的基本特征和智能解決問題的基本策略，借此還可以充分培養學生建立問題解決方法具有多樣性的、邏輯縝密的認知，形成對解決問題大有裨益的多元思維方式。

2.1.2 用人工智能學習

人工智能可以作為學生課程學習的首選工具，在課前使用人工智能技術進行淺層學習，而教師則可以在課中使用人工智能技術給學生帶來深度學習的授業。

得益于人工智能的發展，“教學自動化設計”正在教學一線場景中普及。從事教育設計和教育相關產品開發的人群可以不再局限于信息孤島和思維局限的困境當中，教學自動化設計可以幫助教育從業者在開發過程中避免重復性工作、精力限制、無效工作等情形的發生。教學自動化設計來源于計算機輔助教學設計，目前已被廣泛接受的研究成果有：

（1）一體化的輸出工具。比如異步課程傳遞管理系統，WebCL（用Javascript在Web中實現OpenCL）等平臺，通過互聯網發布，將寫作和表達更具備更強的傳播性和時效性，避免了傳統書寫對于場所和工具的依賴。

（2）教學自動測評技術。在接收到課程的問題和任務后，學生通過終端將問題的答案輸入計算機，計算機在不需要監督的情形下判斷答案，輸出分數或給出評價。

（3）提供教學設計的專家系統。人工智能把教育從業人員的經驗和既有資料作為資料庫，通過訓練后，不斷強化，在頂層規劃、課程設計、施教決策等方面提出更新建議，為特定教學用戶輸出定制化的咨詢服務及教學自動化設計信息管理系統。

2.1.3 從人工智能學習

AI在數據分析、自我學習、邊緣計算等方面更具優勢，可以承擔教與學各層次的輔助功能。AI成為從教師授業之外的另一來源，這也是智能教學系統ITS（Intelligent Tutoring System）誕生的契機。

ITS是運用人工智能技術，讓計算機應用發揮作用，實現個性化教育，傳授知識，引導具有不同需求和特點的學生的自適應教學系統。它能在解析學生學情資料后給予有針對性的教學，并能利用自然語言進行互動。ITS能對每一位學生的行為、情感狀態、動機都做出記錄和判斷，并生成開放的學生模型，能收錄并歸納教學中已有的問題和學生解決時會發生的錯誤，并支持自然語言對話，具備異向特征讀取，需求各異的學生教授知識的能力。

2.2 人工智能在教育中的具體應用

人工智能技術在教育中的重要程度與日俱增。近年來，我國教育的發展，與人工智能技術與教育的融合關系密不可分，人工智能技術即將走入教室、參與學生學習中，將為一線教學提供前沿科技。

智能教育包括但不限于創新思維、人文素養、傳感通訊、超融合計算、決策設計、信息容災、邊緣計算、互聯網工程、AI編程、跨學科融合、跨行業融合。人工智能在這些細分領域推動教育信息化的同時，也與教育不僅僅局限于綁定的關系，而是深度參與到教育當中，產生更為深遠的影響。

2.2.1 人工智能教學

人工智能的發展中，訓練機器人能大大加快推動人工智能技術的發展，機器人學習是讓機器人模擬人類學習的過程，并在這個過程里能夠發掘新的知識。機器人學習的過程速度快，并能夠輕松應對學習龐大數據量的任務，與此同時，機器人學習還能得到更加準確的結果。

教育機器人滿足教學的相關需求，具有一定的開源性和二次開發性，可以依照需要進行功能的加減，便于自主創新，人機交互體驗更佳。

教育機器人指是通過人工智能技術，應用機器人，優化教與學及效應。主要按照功能劃分可以分為五類：

2.2.1.1 人工智能輔助教學

人工智能輔助教學是指在教學活動中教師和學生將機器人作為新的重要的教學媒介和工具。它具有智能、自動化、人性化、自學、可控性和機動性等性質。人工智能輔助教學中，核心的模式為機器人模擬教學。

2.2.1.2 人工智能學科教學

人工智能學科教學是指將機器人視為一門科學而不僅僅是技術，作為現代教育者的智慧文化。以特殊課題或項目參與（整合）的形式，全體學生都被教導有關機器人的基礎原理和初級技能。

2.2.1.3 人工智能管理教學

人工智能管理教學指機器人在管理層面的應用，運用人工智能技術對教學計劃、教學組織、人事調控、教學協同、教學管控進行統一中樞體系化管理。

2.2.1.4 人工智能代理事務

機器人在物理上也具備部分功能，由此可以來承擔人類在特定場景里的非核心功能。可自定義非核心教學的其它事務。例如，為他們借書，為他們記筆記，或為他們點餐。利用機器人代理交易功能的目的是提高學習效率，提高學生的素質。

2.2.1.5 人工智能主持教學

機器人教學是指機器人作為教學主體參與教學事務當中，這種模式的普及能夠拓寬學生獲取知識的渠道，機器人作為教學活動的實施者發揮性能允許下的更大的作用。人們對此存在很多憂慮，其中一個問題是機器人搶占工作機會，老師失業。這種恐懼實際上是多余的，來自于對機器人科學的誤解和新模式的疑惑。由于任何先進的機械設備都能提高效率和質量，必然會將人從原來的機械的、重復的工作中解放出來，提供更多新的就業崗位。

2.2.2 人工智能服務

2.2.2.1 技術類核心服務

此類服務通常是以真實的教育應用場景為對象，用封裝好的人工智能技術去實現用戶需要的功能，從而使各類教育應用產品能夠迅速形成包含學習成本低的交互界面、普適通用的接口的人工智能技術。這種服務能夠在一線教學場景中給予師生迫切需要的使用體驗，從技術產品的起點出發，以解決現有需求為導向，也被稱作“人工智能代理”。

2.2.2.2 業務類核心服務

這類服務也是從現實的教與學的多樣化場景出發，結合分散的人工智能技術應用，以場景的角度進行系統化的多核運算處理，能整合教學鏈條上的各項要求，具備強大的學習能力，給予每個受眾個性化服務。這類服務能從宏觀的角度開展業務，利用數據整合的優勢，在分析、定制方案、管理學校等方面發揮作用，也被稱作“人工智能助手”。

3 結語

在教育領域中，人工智能已經從純算法走到了應用，從入局者成長到參與者，從零散地實現功能到與教育緊密融合。在初入教育領域時，由于師生對人工智能的陌生感和整個環境的技術配套未完善，只作為一項功能存在；隨著應用的逐漸鋪開，開始熟悉和發現人工智能技術帶來的便捷，人工智能開始在教育領域快速部署，師生對人工智能的需求也滲入了學校事務中的方方面面。這也符合一個新事物被接納的普遍發展情形，而目前這個趨勢仍在繼續，對于人工智能將來的發展可以抱有更樂觀的態度。

在新時代不斷涌現的新局面，利用人工智能實現有益教與學的功能，順應教育信息化2.0時代的發展趨勢。