中小學人工智能學習環境構建研究

高潔

【摘 要】當前，人工智能專用教學教室還沒有廣泛研究與建設，本文從智慧學習環境與人工智能技術兩方面闡述如何進行中小學人工智能學習環境的構建，再以2017年底建設完成并投入使用的人工智能教學聯合實驗室為案例進行分析，最后進行反思與總結，為相關研究者提供參考。

【關鍵詞】人工智能;學習環境;教育應用;環境構建

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）05-028-03

2018年4月，教育部發布的《教育信息化2.0行動計劃》中明確提出要構建智慧學習支持環境，開展以學習者為中心的智能化教學支持環境建設，并且提出啟動“人工智能+教師隊伍建設行動”，推動人工智能在教師各方面的支持工作。學習環境指人們在進行學習時所面臨的周圍的情況，包括物理學習環境、資源學習環境、技術學習環境和情感學習環境。

大數據、人工智能和物聯網等技術的發展，新的學習環境——智慧學習環境被廣泛提出。智慧學習環境是一種能識別學習者特征、感知學習情景、便利的互動工具與提供合適的學習資源、自動記錄學習過程和評測學習成果，以促進學習者有效學習的學習場所或活動空間。最終使學習者達到輕松、投入和有效的學習。

人工智能學習環境構建理論

智慧學習環境可以體現人工智能教育應用對教學的幫助，人工智能是支持智慧學習環境的重要技術手段，而針對不同的人工智能教育應用又有不同的技術學習環境[1][2]：（1）智能導師：需要通過自然語言處理和語音識別技術，來實現計算機扮演導師角色的功能;（2）教育機器人等智能助手：此類應用需要語音識別、深度學習、機器學習等技術;（3）智能測評：需要自然語言處理技術、語音識別、語料庫技術、圖像識別及非機打文本語義識別技術;（4）教育數據的挖掘與智能化分析：需要運用數學統計、機器學習和數據挖掘等技術和方法;（5）情緒感知系統：需要人臉識別、眼動跟蹤、手勢識別等技術;（6）學習分析系統：需要基于大數據的學習分析技術;如需要虛擬環境支持;（7）虛擬課堂：需要虛擬現實、增強現實、混合現實技術的支持。

本研究試圖將更多的人工智能教育應用集成在一個學習環境中，使學習環境以多種人工智能教育應用為主題。就目前國內外研究現狀，針對專用的人工智能學習環境的研究鮮少，本研究將創建此種學習環境，圍繞人工智能教育技術和人工智能的教育應用，展開理論和實踐兩條線索的設計研究，學習環境更貼近理論要求和實際操作。

一方面，人工智能的教育環境是一個智慧學習環境，滿足智慧學習環境的特征，它的構成包括學習者、干預者、資源庫、數據庫、設備、支持技術，其中干預者不是非必要條件，硬件設備如桌椅也應是支持自由拼接并可形成“圓桌型”“多邊型”“稻秧型”“馬蹄型”等。智慧學習環境中的技術因其設備的豐富也多種多樣，有的技術可以給學習者自動推送信息，有的技術可以使學習者進入模擬世界體驗真實世界中的操作去感受和領悟。在此所說的技術已包括最基本的多媒體、投影、高速無線網絡等技術，還有如人工智能、傳感器、自動推理、二維碼和視頻監控等無線通信和情境感知技術，數據挖掘、增強現實、3D打印等評價與學習技術，動作捕獲、情感計算、課堂教學效果分析、交互文本分析、文本挖掘等分析與跟蹤技術，學習對象、語義Web和本體構建與重構技術等。

另一方面，人工智能的教育環境是以人工智能技術應用為主的學習環境，除了智慧學習環境所具有的特征以外，還更強調在技術支持中注重人工智能技術的應用。環境包括硬件、軟件和資源。硬件包括了學習設備及非學習的支持設備，如簽到、門窗、燈光、桌椅等，學習設備是直接用于教學活動的，如電子黑白板、虛擬教學用具、教學移動設備等，而在人工智能教育環境中硬件方面的特色是具有教育機器人;軟件包括了在設備中安裝的可存放資源的可交互平臺;資源是指支持師生使用人工智能教育應用的知識材料等。

人工智能學習環境構建實踐

2017年底海淀教科院建成人工智能教學聯合實驗室，以人工智能與教育領域的探索研究、示范應用為建設目標，通過打造軟硬件設施支撐人工智能教育、教學、探究活動的開展，進行整體規劃建設（圖1，圖2）。

人工智能教學聯合實驗室集硬件、軟件和課程為一體，包括4個分區、6個系統、1個工具、多個體驗產品。4個分區包括授課區、互動體驗區、智能產品展示區、智能信息系統區。6個系統分別為：智能簽到、展示及班級顯示子系統，通過搭建智慧課堂系統，實現課前、課中、課后的全過程教學和作業管理，同時為大數據分析平臺提供過程數據;智慧課堂教學、互動子系統，作用同前一個子系統;物聯網智能控制子系統，基于語音識別、語音智控功能，實現對班級內燈光、空氣凈化器、空調、窗簾等設備的智能管理、控制;大數據分析子系統，采用“人腦圖譜”大數據系統，實現對學生進校全天學習、生活、學業影響、學情預判等的大數據分析;VR教學研究子系統，通過虛擬現實系統的建設，實現VR在教育、教學過程中的研究及互動應用;聽見實時翻譯顯示子系統，基于科大訊飛特有的語音識別及語音合成技術，實現講課過程的實時文字顯示、多語種翻譯功能。一個工具指智慧微課工具，可重新構建教學錄課環境，更智能、更方便，一鍵錄制微課，利用智能語音技術實現自動轉譯，記錄課堂的每一個精彩瞬間，動態積累常規課堂教學資源，建設更為詳實的校本資源庫;通過語義理解與分析，進行文本結構化，實現知識點的自動歸類與掛接，與演示課件實現動態同步，便于學生更精準地定位課堂內容，針對性解決學習問題，極大地提升了學習便捷性。多個體驗產品指音響、錄音筆、翻譯機、臺燈、加濕器、機器人、手表、電視盒子等。

在此構建的教室環境中，師生可以開展智慧課堂，可以進行智慧微課錄制，可以開展VR和AR互動課堂，可以開展AI課程，包括課前、課中、課后的環節。

目前該實驗室主要進行教師培訓，截至2019年11月已完成八期培訓，涉及所有學科教師，很多優秀的學員參加論壇、比賽、論文發表等。2018年7月，海淀區在國家會議中心順利舉辦“突破·合作探究與實踐創新——海淀區人工智能創新教育論壇”，在“人工智能進課堂教學實踐分享”環節，八一學校的丁洪山、中國人民大學附屬中學實驗小學的田迎春兩位老師分別登臺說課，將“語音臺燈”與“智能家居系列之人工智能控制”兩節人工智能課堂教學設計、實施過程、教學反思向與會者進行了展示與分享，讓與會者更直觀地了解了海淀中小學人工智能相關課程的研究情況與真實的效果反饋。中央電教館2019年度的“新媒體新技術教學應用研討會暨第十二屆全國中小學創新課堂教學實踐觀摩活動”，從全國范圍內選拔出的人工智能現場展示課共6節，其中5節課由海淀區教師進行展示，并獲現場課一等獎，此外，大賽還舉辦說課活動，海淀區有兩位教師獲得說課一等獎，所有海淀區的獲獎老師中有三位均為區級人工智能教育培訓班的優秀學員。北京市海淀區第二實驗小學的吳思琦老師在培訓后積極在課堂中引入人工智能技術輔助教學，進行深入思考后于2019年7月在《中小學信息技術教育》雜志發表《人工智能教育軟件在小學科學教學中的應用——以“運動起來會怎樣（一）”為例》一文。首都師范大學附屬育新學校的一位教師，在培訓期間對智能編程機器人與虛擬實驗室軟件深入了解后，在學校開展編程課程和教研活動。

人工智能學習環境的構建對發展智能教育有重要意義。第一，可以培養孩子們的意識、觀念，讓他們了解人工智能，并且積極地參與進來;第二，增加和拓展中小學階段的人工智能相關課程，逐步提高孩子們的人工智能動手能力;第三，對有特殊興趣和能力的學生增加“特長教育”，從而帶動全校和全區的人工智能優秀學生發展;第四，加大教師的人工智能相關教學能力提升，鼓勵創新、開拓型優秀教師培養;第五，在智慧校園的信息化建設基礎上，發展人工智能技術支持的智能教育。人工智能實驗室的創建是積極響應新世紀培養高素質人才的要求，是積極迎接新技術變革教育挑戰的表現，為研究和發展智能教育提供了基礎。實驗室不僅為海淀區各校、直屬單位的全學科中小學教師舉辦專題培訓、教學研討、課題研究活動提供了智能空間，也為教師回校開展人工智能課程、舉辦區級大型活動等提供了技術支持，數次迎接了國家、市領導和各級同仁單位的調研參觀，為區中小學人工智能課程的引入、新技術的探索開發、人工智能新產品進課堂的實驗，提供硬件基礎及實驗平臺，助力了人工智能在海淀區教育行業的科學研究、技術推廣和應用示范，推動了海淀區人工智能教育發展環境和實施路徑的建設，為海淀區邁進智慧教育2.0時代添磚加瓦。

參考文獻

閆志明，唐夏夏，秦旋，張飛，段元美. 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）： 26-35.

陳凱泉，沙俊宏，何瑤，王曉芳. 人工智能2.0重塑學習的技術路徑與實踐探索[J]. 遠程教育雜志，2017（5）.

作者單位：北京市海淀區教育科學研究院