基于人工智能的自適應學習環境建設初探

吳勇 陳凱陽

當前，伴隨著深度學習、大數據、云計算等新興信息技術的發展，人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）逐漸成為社會和經濟發展的重要推動力。同時，人工智能與教育的融合正在逐步推進教育理念、教學模式和管理模式的創新發展，使教育現代化進程進入了提速增效的新時代。

國外也相繼推出面向智能時代的教育新形態。美國的“AltSehool”充分應用智能科技手段構建個性化學習平臺，來確保學生和教師實現個性化地學與教。新加坡在2015年發布的教育信息化發展規劃中提出，要通過構建智能學習生態系統支持學生個性化、自主化地學習，并培養其成為面向未來、適應智能時代的數字化學習者。

人工智能的快速發展，使基于課堂大數據的學情分析、教情分析變得越來越規范、科學，可信度和實踐指導意義越來越高。“AI+教育”的應用場景越來越多，“智慧課堂”“智慧校園”“智慧教育”等教育新生態逐步展現。語音識別、圖像識別、虛擬現實、大數據、云計算等人工智能關鍵技術與教育的融合將實現資源推送、智能評測、學生畫像、教師畫像、知識圖譜、課堂數據資產等“AI+教育”的典型應用場景，學生獲得量身定制的學習支持，教師獲得個性化的資源支持，從而形成緊跟智能社會發展趨勢的“自適應”教育生態體系。

“自適應學習fAdaptive Learning）”的概念于20世紀80年代由認知心理學家朱新明教授提出。在《人的自適應學習——示例學習的理論與實踐》一書中，朱新明等提出了自適應學習的“條件建構一優化理論”，系統闡述了人通過示例學習獲取知識與技能的信息加工過程。推進人工智能與教育的融合是教育生態順應時代發展的必然選擇，基于人工智能技術構建自適應學習環境使學生自適應學習成為可能。本文以班作為規模化的研究對象，通過對智能云教室項目的建設研究，探索人工智能與教育教學融合應用的自適應教育新生態的創新發展，關注學生個性發展，就規模化教育和個性化學習有機結合的自適應學習環境建設做一下初步探究。

本文中自適應學習環境的載體“智能云教室”是指將人工智能技術引入教育場景，打破傳統教室教學的時空概念和模式限制，將課堂內的基礎設施（網絡、終端、教室等）、資源（教材、圖書、課件等）、應用（學習、教學、管理等）延伸至課堂外，打造支持多維教學空間的無邊界課堂，通過對課堂數據資產的分析和資源匯聚，發掘教師研學和學生個性化學習新模式，拓寬優質教育資源輻射面和受益面，不斷完善以學習者為中心的智能化教學系統。目前，我市部分中小學教室安裝了AI課堂呵護系統，通過人工智能技術的應用實現全程無感知的人臉識別和行為識別，與課表聯動，與學籍系統建立鏈接，實現各學科課堂數據精準采集，沉淀課堂數據資產，在教育心理學的指導下應用大數據分析和算法迭代生成“年級一班一學生一教師”從宏觀到微觀的數據報告，為教學評價提供客觀數據依據，為教師因材施教提供科學建議，為學生個性發展和創新能力的培養自動推送合適的資源，為自適應學習環境的建設積累了初步的經驗。

為進一步推進“教育+互聯網”的發展，利用人工智能技術推動優質教育資源共建共享，促進學生全面發展和教育均衡發展，我市啟動了優質教育資源共建共享創新智能云教室建設項目，該項目順應時代發展趨勢和教育生態重構需求，充分利用大數據、云計算、人工智能等新技術探索構建自適應學與教有機統一的教育新生態，探尋大規模因材施教的實現策略，為實現公平而有質量的教育，促進全體學生全面發展積累實踐經驗。本文以該建設項目作為研究基礎，以創新教室的教學活動作為規模化的研究樣本，開展智能環境下的自適應學習環境建設與應用的創新研究，旨在探索基于人工智能的規模化自適應教育新生態的構建思路和實踐路線，對應時代需求，具有一定的理論價值和實踐意義。本文認為自適應學習環境建設主要包括但不限于以下五個方面：

1.面向智能社會發展趨勢的教育新生態環境。

隨著大數據和人工智能的逐步普及，推進著智能時代的教育生態的重構，通過物聯網、高速互聯網和移動通訊技術支持，實現教室設備智能控制，溫濕度、光線等自適應調節，將主講教師的技術支持由原來的電教教師轉換為人工智能，大大減少人員負擔，將電教教師的角色由設備管理者轉換為數字教育資源開發管理者。實現基礎設施的互聯互通，讓學生和教師、校內和校外的學習數據可以進行實時互通，充分利用大數據、云計算、虛擬現實、人工智能等新技術，推進學生自主、合作、探究式學習和教師教育信息教學服務平臺建設和應用。

2.智能教學硬件環境建設。

智能教學的硬件系統建設是實現“AI+教育”的重要保障，硬件系統包括：專線網絡系統能更好地服務教育資源的接入與共享，為學生提供優質創新教育資源的智能VR教室硬件環境，支持學情分析的4K超清智能錄播系統、智能平板、智慧黑板、自主信息島，以及強大的后臺大數據支持的云桌面和云計算等硬件系統。部署資源云平臺，通過多機位錄播系統和語言識別系統把課堂教學過程生成視頻、課件、文稿同步的數字教育資源，通過教師空間匯聚到學校資源云平臺中，同時向下推送到學生空間，經數字教育資源管理部門遴選后向上推送到省級平臺乃至國家平臺，為學校師生提供點播、大規模直播等功能。

3.教師教學資源自適應系統建設。

以各級數字教育資源公共服務平臺互聯互通為基礎，引入獲得國家教育行政部門準入的國家標準課程教材同步數字教育資源，圍繞課前、課中、課后教學閉環和自主探究、項目學習教學開環，集數字資源、同步備課、課前導學、課堂互動、隨堂在線測驗、課堂大數據、課后作業為一體，覆蓋課前備課、課中授課、課后學習、課外拓展等多種教學場景。在人工智能技術加持下，教師可以實現課堂教學資產和資源匯聚的智慧無縫互動，智能備授課、智能考評，創建、共享優質的教育教學資源。以教師成長平臺為載體，通過“過程性成長模塊”與“教學評價模塊”來實現教師專業成長和核心素養提升。教師在線接受專家指導，并進行協同教研，促進優秀教師團隊建設和發展。

4.學生個性化學習環境建設。

基于課堂大數據為每一個學生建立個人數字成長檔案，精準刻畫學生數字畫像，實時大數據分析學習狀態，考勤記錄，動態分析學生知識結構，構建知識圖譜，為學生提供個性化的學習資源。建設VR/AR課程資源，通過沉浸式學習體驗調動學生學習的積極性、主動性、創造性和協作性，突破教學的重難點。移動學習終端的使用實現學生課堂筆記的電子化留存、學習痕跡記錄和學情個體分析，自動生成錯題本和學習困難點，幫助學生精準強化提高。學生可以通過使用學生終端完成教師下發的知識測驗或提交小組探究成果，提交后即時生成統計分析報告，并為每一名學生生成個性化反饋，支持學生收藏習題或教師分享的內容，構建自適應學習和精準化教學新形態。

5.課堂數據資產的匯聚與應用。

依托于課堂大數據的匯聚與分析，將為學生、教師、家長和學校教育管理者提供多維度、可視化的教育分析結果。依據全局性的數據分析報告，實現教育決策由經驗總結向數據實證的轉型，打通教育變革的創新路徑。智能云教室在實現優質校本資源積淀的同時，將通過教育資源公共服務平臺的資源匯聚和輻射功能促進優質教育資源共享，逐步構建課堂數據資產的沉淀、挖掘、分析、交流、共享的研究和應用平臺，為自適應學習環境建設和教育生態轉型重構探索實踐經驗。

人工智能方興未艾，在教育信息化2.0行動計劃的肇始階段，各地都在深入開展智慧教育、智能教育的創新應用研究和實踐探索。2019年末，國內某人工智能技術企業先后中標青島、蚌埠十數億金額的人工智能教育項目，提供學生個性化學習、教育大數據、智慧管理等服務，以人工智能助力因材施教和教育優質均衡發展。我市于2019年開啟了智能云教室建設項目，本文即是結合項目建設實踐初步探索合理利用人工智能技術規模化地實現學生全面發展和教師減負增效的途徑，并對人工智能支持下的自適應學習環境作一初步構想。