中小學智慧校園人工智能應用研究

摘要：智慧校園已成為校園信息化建設的熱點和趨勢，但由于缺乏精準科學的指導建設標準，加上人工智能技術門檻較高，智慧校園建設規劃仍存在一定的問題。智慧校園人工智能建設首先應該依據質量功能展開原理和需求對智慧校園人工智能的質量功能進行分析，針對智慧校園可能存在的問題設計智慧校園人工智能各項性能指標。注重提前積累相關數據，利用人工智能技術特征提取，積累相關數據分析和驗證經驗，為智慧校園以后配套硬件建設做好充分的準備，達到為系統籌備智慧校園人工智能建設服務的目的。

關鍵詞：智慧校園? 人工智能? 質量功能展開? SWOT

引用格式：劉衛明.中小學智慧校園人工智能應用研究[J].教學與管理，2022（18）：32-35.

為了全面促進中小學發展信息化教育，教育部、國家標準化管理委員會相繼發布了《教育信息化2.0行動計劃》和《智慧校園總體框架》等文件，倡導加快建設“智慧平安校園”?；诖?，更多中小學將“全面感知校園環境”作為智慧校園建設的重要工作，將人工智能技術帶入校園。

一、中小學智慧校園的研究現狀

1.智慧校園建設應用研究

智慧校園能夠展現新一代信息技術如何重新定義人類的知識和能力價值、促進建立個性發展的教育體系[1]。因此，智慧校園建設逐漸成為中小學建設的熱點，但仍存在“建而不用”“重管理輕教學”等誤區。事實上智慧校園并不是建設了環境和配備了軟硬件就可以，而是要讓環境與課程、教學、管理有機融為一體，成為一個全新的教育信息化新生態[2]。如何準確把握現代信息技術的發展動向，以問題為導向改變現有教育“頑疾”，變革學校的育人模式與教學模式[3]。 新技術時代背景下，未來教育改革需要多元路徑融合發展，通過對智慧校園的升級改造、新課程體系的建立、教育管理體系的完善和師資培訓體系的改革予以實現[4]。

2.人工智能應用于智慧校園方案

隨著智慧校園建設的逐步成熟，人工智能、大數據、物聯網等新興技術的廣泛應用，促進了家校互動，成為一個具備教、學、考、評、管五大功能的智能家校共育生態圈，真正實現智能技術與教育教學的深度融合[5]。基于人工智能技術的人臉識別應用，結合活體檢測在智慧教學環境、管理、服務以及信息化安全保障中發揮了重要作用[6]。 人工智能信息鏈的信息產生、信息表示、智能推理、智能決策和輸出執行五個環節與智慧校園總體架構的層次對應關系[7]。 設置具備自然語言交互功能的學校教學管理智能問答機器人，以移動式即時問答、多輪問答式的服務引導、會話式的業務辦理[8]。

人工智能技術能夠將網絡教學平臺、動畫等各種各樣的信息化教學手段進行優化整合，有利于提高教師的教學效率和學生的學習效率[9]。需要教師及時更新教育理念，促進現代技術與教育教學的深度融合，推動教育現代化的發展[10]。

二、中小學人工智能智慧校園環境分析

隨著物聯網和人工智能技術普遍使用，中小學智慧校園已成為管理校園不可或缺的手段，因此，建設智慧校園需要結合環境分析，合理規劃。

1.智慧校園環境分析

利用SWOT工具探索使用人工智能系統（見表1），智慧校園建設離不開特定的外部社會環境和中小學校園內部環境。

規劃設計人工智能智慧校園感知層、網絡層、平臺層和應用層硬件環境。智慧校園建設感知層匹配相應功能傳感器;比如通過中小學生表情分析教學質量，就必備圖像傳感器。網絡層必須滿足數據傳輸;平臺層必須預留一定接口，以便數據提取和軟件開發，應用根據學校需求設計相應模塊。假如設計環境檢測應用模塊，就有教室、圖書館、實驗室等學習場所的溫度、濕度自動感知、自動調整，燈光亮度自動調節，空氣污染、噪音自動檢測，自動通風、自動降低噪音，惡劣氣候環境的智慧提醒，細菌超標自動提醒等細節功能設計。

2.用戶需求調查

提高人工智能智慧校園建設的質量，調查收集使用方需求，并將其整理，確保設計服務與使用方要求相一致。收集中小學需求的原始數據（見表2）。

3.用戶需求分析，關注超出期望的需求

不同中小學需求不同，一般小學安全需求比重較大，中學升學率需求比重較大。按需求的優先順序，注重心理需求。假設提升學生新知識和興趣為優先，需求學校應決策引入將復雜原理簡單化、編程模塊化的人工智能課程。

不同需求對數據量要求不同，對計算機硬件的要求不同，特征處理方式不同。目前普遍應用于教育領域的輔助學習系統嵌入式硬件不多，更多的是單項功能的探索，如虛擬現實智能建模技術;自動問答機器人等。針對目前依靠門衛人為篩選和保安人員定時、定點交替巡邏的方式，存在非本校人員混入或人員離崗安全漏洞等問題。假設將校園安全作為主要需求，設計校園安全自動智慧監控，智慧門禁，自動人臉識別等功能，就可有效提升校園的安全管理。

三、中小學人工智能智慧校園的構建

1.智慧校園規劃階段質量屋

QFD可以系統地將需求轉化為產品設計的詳細說明和資源的優先順序，評價人工智能智慧校園建設合理性。將主觀的想法和要求，轉化為客觀的詳細說明，使設計人員能夠利用它來進行產品的設計。為實現需求，確定智慧校園質量設計合理目標值，合理目標突出表現在具有量化功能，可以通過收集連續三年的學生注意力，并利用AI數據，達到精準分析和評課的目的。綜合考慮質量特性重要度，技術實施難度和成本，設定具體的質量特性目標值，是最復雜也是最關鍵的決策過程。其中設定技術目標還需結合學校辦學特色，確保智慧校園某項質量技術設計目標值優于其他同類學校的同類技術指標，設計量化目標并能持續提高。按照質量需求與質量特性的關系矩陣設計質量屋示例（見表3）。從表中得出，深度學習技術與顧客需求關聯度最高，建設規劃人工智能智慧校園，學校應做好深度學習人才的儲備。

2.圍繞教學流程設計人工智能智慧校園

人工智能智慧校園產品，需要重點關注教學質量形成過程。過程包括輸入內容、教學活動、輸出等重要環節（如圖1）?？茖W規劃數據收集節點，運用深度學習模型，訓練方式、方法，檢驗各環節結果。驗證人工智能的需求是否得到滿足。

圍繞輸入設計人工智能功能智慧共享推介優秀教學內容。依據歷史教學內容和效果做標簽，人工智能深度學習訓練得出最佳教學效果的內容并共享。同樣智能推介教師教學方法、知識點教學時長等參考教學信息。依據作業等信息結果，智能判斷學生掌握以往知識的程度，真正做到因材施教，靈活調整講課進度和備課內容。使中小學智能課堂人工智能系統成為老師的“最強參謀”，進而篩選一批優質教學資源，供同行教師相互學習。

圍繞輸出設計人工智能，記錄學生以往學習訓練的過程，關注學生做錯的習題，通過人工智能分析確定哪些知識點需要加強訓練，智能推介學生課后練習，復習的題量和題型應與學生水平相適應。根據以往歷史數據訓練不同類型的學生，智能推介各類學生的管理方法和措施。積累優秀學生特征數據，為以后招生工作做好預測做好準備。

3.人工智能智慧校園持續提高教學活動

通過人工智能智慧校園技術形成實時閉環控制，持續改進教學質量。智能課堂行為識別系統實時反饋課堂教學效果，通過人工智能訓練好的模型，實時根據圖像識別計算師生行為，并將提取好的特征模型通過數據關聯性分析，間接考察課堂教學效果。通過人工智能智慧校園識別影響教學質量的關聯關鍵行為，甚至將某些教師行為定性為不合格，監督教師自覺規范課堂教學行為。智能行為識別與效果對應示例（見表4），智慧校園實時記錄課堂的每個教學狀態的數據，自動形成課堂聽課記載。將多期檢測的行為大數據和期末考試進行關聯度分析，間接推斷鼓勵課堂某些教學行為，使教學改革和創新有量化數據做支撐。

人工智能根據輸出結果及時給教師上課提出建議和對策，使教學意見更加有針對性。并提供該優秀教學數據作為范本參考，有利于直接模仿，對教學活動循序改進，有利于教學質量。也可將不同學校之間同類數據對比，提高發現學校之間教學質量差距。

4.設置人工智能智慧校園產品綜合成本、可靠性等指標

對比中小學人工智能智慧校園產品的技術實力和特長、產品可靠性和成本。學校應結合實際情況，綜合考慮人工智能智慧校園產品質量特性重要度、技術適宜性、技術實施難度和成本、質量需求與與技術需求的關系矩陣和使用產品的優勢和弱點。

在校園信息化建設過程中，積累一定量的數據并做好標簽，嘗試建立人工智能模型，將模擬結果和實際比較，為以后人工智能應用打好基礎。硬件建設一定要有長期規劃，預留數據傳輸的容量，預留硬件接口。

5.提供人工智能智慧校園簡化工作任務示例

以人工智能智慧校園解決產品中小學招生為例。招生目標都是獲得的優等生，判斷標準很復雜，它關系到學校戰略目標的。一般按考試分數排序，但是候選生源是否愿意就讀，是否有發展空間，家庭實力等指標都會影響結果。需要收集考察候選生源多維度的信息，對候選學生進行多方面評估，可見，人工智能工具讓篩選過程變得更快速、更廉價、更準確，極大提升了招生工作的效率，沒有任何經驗人員也能做好該項工作。

四、中小學人工智能智慧校園問題及解決方法

1.應對人工智能智慧校園隱私

缺乏安全保護數據意識。處于教育的需要，中小學收集相對某些比較隱私的原始數據，如家庭成員數據的準確數據，學生身體、違規行為和心理問題等數據。該部分數據一旦泄露，容易侵害當事人的權益。

因此，人工智能特征數據隱私應該按照法律規定嚴格保護。隨著人工智能技術的應用，需要重視人工智能特征提取的個人特征數據比如人臉數據，聲音特征數據，都屬于個人隱私。智慧校園需要關注這種新類型的安全，確保人工智能技術模型分析的特征數據不被非法使用。

2.科學管理人工智能智慧校園

充分發揮人在人工智能的判斷作用?；谌斯ぶ悄艿闹腔坌@系統管理有優勢，減少人為主觀干擾，提高效率，自動實現記錄和保存電子數據，智能提高復雜數據處理效率，減輕工作負擔。但是，人工智能如何融入已有的教育質量管理，如何充分利用數據結果等許多環節的細節問題還需要探索和研究。因此，增加管理環節越多，相應地教育培訓和管理成本就會增加。如果人工智能智慧校園與實際教學管理工作融合度欠佳，那么設計智慧校園時候就需提前籌劃。

認識人工智能服務存在的約束條件。如何分析結論價值就得認真考慮。人工智能的智慧校園系統具有分析、推理和思考的功能，具有一定抽象思維，能夠從經驗中學習，確保輸出結果的準確率，不能忽視人的最后判斷作用。是否存在輸入數據虛假，比如實時行為檢測過程中，學生做出虛假行為，干擾結果正確性。教育工作性質與其他工作不一樣，存在價值觀改造等深層次的不可測量參數，定量和定性結合是科學利用數據的態度。

3.科學對待人工智能智慧校園倫理

人工智能智慧校園結果沖擊常見倫理。校園秩序建立在對不同人的長幼、身份、社會地位等標簽的認知基礎上的，任何判斷都是建立在一定倫理基礎上，很難有對錯之分。比如，因材施教是否歧視成績差同學，人工智能結果應用是否群體歧視，人工智能結果是否挑戰個人教育權威。為了避免爭論，人工智能智慧校園建設前可以確定幾個基本原則，比如以學生成長為主導，基于事實的決策，尊重科學的教育規律等。

總之，中小學利用人工智能的智慧校園系統，可以提高教學和管理效率;創新教學方法，提高學生學習興趣;創新學生溝通手段，人工智能的智慧校園系統科學監督教學過程，增加教師工作壓力，給教師一定的約束，促使教師增強自我修養，規范自身行為，形成提高教學質量良性的互動機制。但是智慧校園建設是一個系統工程，需要中小學依據實際全面規劃學校信息管理系統，積累相關的經驗和人才，讓人工智能技術真正服務學校。

參考文獻

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[作者：劉衛明（1970-），男，湖北大冶人，黃岡師范學院，講師，碩士。]

該文為2021年度黃岡師范學院教學質量與教學改革工程項目“創新學分課程”（2021CK23）的研究成果