新一代人工智能技術在智慧校園建設中的應用研究

劉怡萱 陶奕芹 賈雪彬 王運武

摘要：隨著信息技術的迅速發展，人工智能技術作為新一輪科技革命的代表，已上升為國家戰略，對人類的生活、工作、學習產生了重大影響。當前，全國高校和中小學正在大力推進智慧校園建設，然而智慧校園建設還存在著許多亟待解決的問題。人工智能與教育融合為智慧校園建設提供了新的路徑。本文主要深入發掘智慧校園建設中的問題，剖析人工智能技術在教育方面的應用潛能，并希望運用新一代人工智能技術為智慧校園建設提供新思路。

關鍵詞：智慧校園;人工智能技術;深度融合;大數據

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2020）12-0000-04

近年來，新一代人工智能技術與教育的深度融合為智慧校園的未來發展指明了方向，尤其是大數據、云計算、深度學習等新一代人工智能技術的迅猛發展為智慧校園建設提供了全新的發展動力。人工智能智能化、自動化等典型特征也影響著智慧校園建設的發展方向。

● 新一代人工智能技術的發展現狀及應用潛能

1.人工智能技術的發展歷程

人工智能技術的發展可以分為三個階段。

第一階段：人工智能技術的興起（1956年至20世紀60年代末）。1956年，“人工智能”一詞由約翰·麥卡錫在美國達特茅斯學院舉辦的會議上提出。隨后，人們對算法語言和程序開發的學習熱情高漲，推動了人工智能的發展。幾年后，LISP表處理和機器定理被納入人工智能技術之中。[1]此階段的人工智能技術發展緩慢，面臨交互不佳、效率低等問題。

第二階段：人工智能技術迅速發展與擴大應用（20世紀70年代至2005年）。20世紀70年代，數據采集效率提高，實現了人工智能大規模運算。專家系統逐步發展，構造理論、機器視覺等理論也被運用于人工智能。人工智能的概念不斷擴展，并逐漸運用于各個行業。

第三階段：人工智能技術高速發展（2006年至今）。人工智能技術發展迅猛，進入一個全新的階段。硬件技術有較大的提升，能夠支持多臺計算機同時進行運算，人們運用算法解決問題的能力也逐漸成熟。[2]人工智能在各領域展現出了應用潛能，進入第三次發展高峰。

當前，人工智能正在逐漸突破從技術到實際應用之間在技術應用難、設備更新緩慢等方面的障礙。圖像語音識別、人機對弈、無人駕駛、專家系統等人工智能技術應用越來越廣泛，迎來爆發式增長的新高峰。[3]人工智能應用逐漸普及，涵蓋各領域，成為下一階段經濟技術快速發展的重要支撐，也為人類文化生活提供了新的模式。

2.人工智能的關鍵技術

人工智能的三大核心驅動力量分別為大數據、云計算和深度學習，這是人工智能的關鍵技術。發揮這些技術的應用潛能，有助于實現問題可視化、數據條理化、反饋精確化。

大數據技術是對海量數據的收集、挖掘、分析、共享和可視化等技術的綜合應用。近年來，大數據技術推動著各種智能服務的發展。例如，淘寶平臺通過大數據采集、分析技術、圖像處理技術等實現用戶購買偏好、各地區、各年齡階段的消費差異的可視化呈現。[4]

云計算是一種以數據為中心的數據密集型新型超級計算方式[5]，能夠推動數據處理速度和規模的指數級增長，其優勢體現在動態易擴展、虛擬化的資源管理。云計算的核心是將大量計算機資源協調在一起，使用戶不受時間和空間的限制，通過網絡就可以獲取無限的資源。

深度學習是機器學習的一種，獲得的是以概率表示的非線性連接關系，它模仿人腦的機制來解釋數據，已經在智能搜索、機器學習、數據分析、自然語言處理等方面取得了較大進展。人工智能的基礎是數據和硬件，而其核心則是算法。因此，建立專業知識庫、完善算法是提升深度學習的可靠性和可解釋性的必然之路。

3.人工智能技術教育應用的五個典型特征

①智能化。人機自然交互的迅速發展更大程度上滿足了人們的各種需求。例如，視覺智能技術可以察覺被觀察者的狀態、情緒，通過眼球追蹤、圖像識別記錄數據，并做出智能的回應。[6]學生通過使用智能工具改變了學習方式，進入沉浸式教學環境中感受更真實的教學情境。

②個性化。人工智能可以追蹤、記錄使用者的個性化行為，并定制一份個性化方案，解決各學段學生的需求差異問題，適時提醒學生更正不恰當的操作，培養良好的學習習慣。基于此，學生能夠緩解學習倦怠感，完善原有的知識架構，從而拓展知識面，提高學習效率。

③自動化。人工智能提升了評測技術的自動化水平。近年來，人工智能技術在電子閱卷、教學評價等方面的應用逐漸成熟，有效降低了教師的教學評測工作量。

④多元化。人工智能技術涉及多個學科領域，綜合性較強。近些年，很多國家重視開展人工智能教育。當前，STEAM教育備受關注，跨學科領域的綜合課程正在走進學校。國內高校重視人工智能學科建設，相關專業中也已開設人工智能課程，正在逐漸形成“人工智能+X”創新專業培養模式。[7]

⑤協同化。人工智能與教師協同開展教學。人工智能輔助教學需要教師的協助，高程度的協同化不僅能為教師減輕負擔，提高其工作效率，而且能夠更好的發揮能夠將人工智能技術在教學中的作用。

4.新一代人工智能技術的教育應用潛能

人工智能技術在教育領域有廣泛的應用，促進了人工智能與教育的融合。教育人工智能的核心在于將人工智能與教育各業務進行深度且恰當的融合，以達到協同化教學、智能化管理的目的，讓教育真正擁有“智慧”。新一代人工智能技術的教育應用潛能主要體現在五個方面。

一是促進教師角色的轉變。人工智能技術將代替教師的部分工作，釋放其生產力，促進教師角色的快速轉變。智能答疑、自動評測、智能教學代理等代替了教師的答疑、閱卷、教學部分工作，人工智能+教師的雙主體教學改變了教師的傳統角色，讓教師可以將更多的精力集中在更具有挑戰性、創新性的教學活動探究中。

二是培養學生學習的自主性。人工智能技術在支持自主、探究和協作學習等新型學習方式上發揮著重要作用，能夠促進學習的個性化，增強學生學習的自主性。教育機器人、智能輔助系統等支持的新型學習方式既注重學生個性的發展，又利于激發學生的創造力。

三是增強教育教學數據的豐富性。人工智能技術可以為學生“畫像”，為每個學生記錄專有的學習過程和成長軌跡，識別學生的優缺點和學習偏好。[8]分析學生學習數據、教師教學數據、師生體質數據、學生一卡通消費數據等一系列豐富的教育數據，有助于達到促進師生共同發展、改進教學中的不足、提高教育質量的目的。

四是提升教學環境智慧性。人工智能技術支持下的沉浸式虛擬學習環境能夠優化智慧校園的環境，提升教學環境的智慧性，從而提升學生的學習體驗。

五是增加教育支持服務的廣泛性。人工智能技不僅能直接作用于課堂教學、師生活動，還能營造智慧校園環境，提供滿足師生發展的個性化服務。[9]人工智能技術可以通過分析技術對學校布局、教育財政、招生選拔、家校聯系等進行模擬，以優化學校管理。

● 智慧校園建設中的現實困惑

1.人工智能時代智慧校園發展的新訴求

在數字校園出現不久之后，智慧校園就跟隨著“智慧地球”這一概念出現了。[10]人工智能時代，智慧校園的內涵發生了新變化，迫切需要人工智能技術的融入;人才的需求發生了新變化，智慧校園作為人才培養的重要場所，越來越受到學校的重視。因此，智慧校園發展的總趨勢呈現校園泛在化、資源共享化、服務個性化等特征，而這些發展要求與人工智能技術的優勢呈現出高度匹配的狀態。隨著時代的進步、技術的不斷變革，智慧校園的發展將會以教育信息化2.0為導向，以新一代人工智能技術為支撐，正式進入一個新的發展時期。

2.智慧校園建設中存在的問題

當前，智慧校園建設主要存在以下亟待解決的問題：①教學個性化難實現。我國教學主要以大班制教育模式為主，這種模式存在著不利于學生個性化發展、不利于教師發揮教學輔助者作用的弊端。大班制的教學模式下，教師很難關注到每個學生的獨特性。②“智慧”難體現。目前，我國仍處于智慧校園建設的起始階段，建設的實際情況相比于數字校園，其智慧化水平提升不大。校園基礎設施、軟件和平臺、應用系統等智慧性有待提升，亟待解決教育實踐中師生互動不充分、管理難度大等問題。③教學大數據難應用。智慧校園的教育大平臺中蘊含著豐富的教育大數據，但要發揮出其中的巨大價值，還需要深入分析和挖掘。目前大部分智慧校園還缺乏有效的大數據挖掘技術，很多隱藏的價值還沒有被挖掘出來。④智慧管理不精準。智慧校園平臺已能夠支持智慧處理人事信息數據、學籍數據等，但并不能涵蓋學校管理的每個方面。

● 人工智能技術突破智慧校園建設的難點

1.促進個性化教學

人工智能將會突破傳統校園單一的學習空間和場景，為智慧校園建設創造出全新的學習空間，做到校園內師生學習泛在化。智能化設備是移動學習、虛擬學習等新型學習方式的重要工具。人工智能技術能夠識別學生的行為和情感狀態，自動做出反饋，并將數據反饋給教師，幫助學生在學習中保持積極的情緒，提高學生的專注力。豐富的學習資源和新穎的形式都能激發學生的學習興趣，從而激發其學習潛能，提高學習效率。[11]適應性學習支持系統能夠根據學生的不同特點，為其制訂相應的教學計劃，為學生推送符合其認知水平和興趣的學習資源，設計符合最近發展區的最佳學習路徑，由此達到學習的個性化。[12]

2.構建智慧學習環境

智慧學習環境是一個能夠幫助學生有效進行資源獲取和交互活動、記錄學習過程、評測學習成果、提升自身綜合素質的空間，其搭建依賴于智能技術和必要的設施設備。近幾年來，我國各地的學校紛紛加快了智慧學習環境建設，逐步取得了顯著的成績，智能校園門禁、資源的云端共享、移動終端支持的自主學習等應用正在普及。智慧學習環境能夠幫助師生高效利用碎片時間，提升工作和學習效率。

3.加強智慧校園數據中心建設

通過學習軟件、智能手環、校園一卡通、信息系統、智慧教室、智慧圖書館等，可以獲得師生在校園中活動產生的數據。運用分析技術深刻剖析這些數據，可以得出對學生學習成績影響因素的客觀分析，從而為每個學生“量身定制”個性化的學習方案。充分運用人工智能技術將教育數據可視化，可以監測每個學生的成長過程，對其學習成績、學習風格、生活習慣等進行分析，探尋教育中常規問題的最佳解決方案。因此，人工智能技術在智慧校園數據中心建設及應用中不可或缺。

4.實現高效精準管理模式

人工智能技術減輕了各級教育部門和學校管理工作的負擔，提高了管理效率，實現了高效精準管理。例如，人工智能技術支持的圖書管管理，增強了圖書借閱管理的便捷性，不僅調動了師生的閱讀積極性，還能減少勞動力的投入。為了適應當下快步伐的學習節奏，師生還可以通過“移動圖書館”這一軟件進行線上閱讀等。智能技術的加入使得傳統的圖書館管理模式便捷化、個性化，適應了當下線上閱讀的潮流。在硬件設施管理方面，人工智能技術簡化了管理人員的工作。例如，教室管理系統的功能不僅包括智能調控教學環境和教學媒體，還包含了教室課程的自動最優化分配、自助借用等功能，實現對師生的智慧管理服務。

● 小結

人工智能時代已經來臨，智慧校園建設中存在的一些問題也亟待解決，人工智能技術與教育的融合能夠給智慧校園建設提供新的發展思路，這也是人工智能與教育深度融合的價值體現。借助新一代人工智能技術，可以讓大數據、云計算等充分參與到新型智慧校園的建設中，實現智慧校園設備智能化、應用多元化、人機協同化，從而實現個性化教學，構建智慧學習環境、建設校園數據中心，建立創新高效管理模式，利用技術改革教育，發展教育。

參考文獻：

[1][2]高文.解讀新一代人工智能發展[J].軟件和集成電路，2018（11）：10-11.

[3]黃榮懷.人工智能在教育有多少潛能可挖[N].中國教育報，2018-01-28.

[4]靳芳.人工智能領域關鍵技術的發展[J].人工智能，2019（22）：246-248.

[5]陳全，鄧倩妮.云計算及其關鍵技術[J].計算機應用，2009，29（09）.

[6]祝智庭，彭紅超，雷云鶴.智能教育：智慧教育的實踐路徑[J].開放教育研究，2018（04）：13-24.

[7]梁迎麗，劉陳.人工智能教育應用的現狀分析、典型特征與發展趨勢[J].中國電化教育，2018，374（03）：24-30.

[8]黃榮懷，張慧，尹露雨.人工智能促教育2030議程實現[N].中國教育報，2019-05-20.

[9]劉德建，杜靜，姜男，等.人工智能融入學校教育的發展趨勢[J].開放教育研究，2019（04）：33-42.

[10]于長虹，王運武，馬武.智慧校園建設的現狀、問題與對策[J].教學與管理：理論版，2015（02）：48-51.

[11]王運武，張堯，彭梓涵，等.教育人工智能：讓未來的教育真正擁有“智慧”[J].中國醫學教育技術，2018（02）：117-125.

[12]姜強，趙蔚.自適應學習系統述評及其優化機制研究[J].現代遠距離教育，2011（06）：57-63.

基金項目：本文為2018年度江蘇省現代教育技術研究重點課題“智慧校園與智慧學習環境建設研究”（項目編號：2018-R-60658）;2018年度江蘇省大學生創新創業省級重點（自籌）課題“江蘇省智慧校園建設現狀、問題及對策研究”（項目編號：201810320080Z）的階段性研究成果。