基于機器學習的因材施教應用探究

李丹丹 朱佳麗 王錄通 梁梓煜 陳俊

1.貴州師范大學教育學院

2.貴州師范大學外國語學院

3.廣西現代職業技術學院教師教育學院

● 引言

機器學習技術是人工智能技術中重要的一環，是人工智能擁有智能化的核心，也是實施因材施教的關鍵技術支持。2019年，《中共中央國務院關于深化教育教學改革全面提高義務教育質量的意見》在“優化教學方式”中專門提到要“精準分析學情，重視差異化教學和個別化指導”。因此，個性化發展是大勢所趨，而在線課程的推廣使個性化得到了發展。機器學習可針對在線課堂應用時產生的大量數據（學生和學生互動行為）進行分析，提出打破困境的方法。所以，本文對相關文獻進行梳理，借助機器學習特征進行分析，并提出有價值的建議，希望能為之后的教育信息化研究提供一定的參考。

● 相關概述

1.機器學習

機器學習是一門多領域交叉的學科，專門研究計算機如何模擬或實現人類的學習行為，以獲取新的知識與技能，并將現有的內容進行知識結構的劃分來有效提高學習效率。機器學習算法通過輸入文本特征的詞語、句子以及篇章等，運用語料標注樣本，分析文本信息的關系特征，執行流程如圖1所示。

圖1

機器學習具有5大特點：①精確。機器學習能夠通過數據分析發現問題，優化解決方案，當數據量增多時，處理信息的精確度越高。②自動化。機器學習可以自動學習新的工作流程，用戶輸入相應的流程可以自動執行；還能模仿人類的活動。③處理速度快。輸入數據幾秒鐘就可以得到結果。④規模化。機器學習能夠處理大量數據，反映數據間變量規律。⑤自定義。機器學習可建立模型構建數據，對數據進行分類和回歸，也能將問題簡化成經典問題。

2.因材施教

因材施教是針對不同學生的能力、性格、興趣等特征實施不同的教育。長期以來，在中國教育政策、方針的制定中，因材施教原則占據指導性的重要地位，但也面臨一些困境：大班制教學教師顧及不到所有學生、智能系統配備不完善；缺乏個性化教學觀念、教學模式單一、信息化能力不強。

● 機器學習助力因材施教

1.學生維度

運用機器學習建立模型，對在線課堂學生行為進行整合分析，閱讀和理解學生課堂語言，用自然語言用戶界面和直接從在線課程編寫的資源中獲取信息，通過數據實時反饋學生在學習過程中花費的時間、理解程度、知識把握關聯度、參與度、對知識點的偏好，并針對學生提出個性化學習方案。

2.教師維度

教師可借助機器學習分析學習內容主題的特點和學生的特點，并進行針對性的教學，以提高教學效率；機器學習也可通過分析教師上課的風格、選用的教材、制作的課件以及在學習平臺上改考卷、提供評語的方式等預測教師的教學模式。

（1）課程理念

現代教師要在國家基礎課程標準上，培養學生的信息化素養，并結合線上線下教育資源，引導學生自主探索，即在有效的時間內通過信息檢索等技術手段，獲取解決問題的方法。在引導學生的同時，教師也在不斷接觸新的理念，更新原有知識庫。傳統教學理念與現代教學理念的對比如下頁表所示。

（2）教學目標

現代教育推進“以學生為主體”的教學目標，更多關注學生的“學”，實現了由學習到學會的轉變以及由教過到教會的轉變。教學目標應融合社會的需要、學生的需要和社會發展。學科課程目標應基于社會需要具備的能力，鼓勵運用信息化設備，著力于調動學生的興趣，開發潛在的信息化能力，培養創新性人才。知識目標應基于國家和地方發布的教材，運用機器學習對學生特征進行前測，針對各類學生制訂不同的教學目標。

（3）教學內容

首先，采用信息化教學模式，利用數據挖掘和機器學習分析學生的學習行為和教師的教學行為，通過數學建模找出適合每個學生的學習內容和教學方式；其次，要有篩選資源的能力，辨別優質與劣質資源，確保教學的有效性。

（4）教學方法

信息化教育注重“以學生為主”的教學模式，鼓勵學生自我探究，從問題的根源出發，尋找原因解決問題。教學方法有自主探究式、合作探究型、拋錨式教學、啟發式教學等。

（5）教學評價

傳統理念 智能時代理念教師角色 知識的傳授者 知識的引導者教師職能 教會學生知識 培養核心素養教學方法 講授式教學 自主式學習教學目標 完成教學任務 任務+培養創造性人才

在新課程評價理念下，實施多元化評價方式，既注重學生過程性評價，也注重情感態度價值觀的培養。評價主要在課中和課后進行，課中可用課堂觀察評價（觀察學生在課堂上的表現，如能否積極主動回應教師提出的問題等），課后可用自評與小組互評的方式，從多角度思考問題，進行自我反思。

3.學校維度

學校可借鑒Altshool平臺的功能，打造適合個性化發展的平臺。Altshool由三套核心系統，即Playlist、Progression、Stream組成，擁有三個端口，即學生端、家長端、教師端。學生端主要是Playlist工具，它劃分了明確的學習目標，能夠看到班級中的活動與自己任務的關聯情況，可以對學習進行及時反饋；教師端可通過Progression隨時查看學生的動態學習過程；家長端登錄My.altschool能夠接收通知和關注孩子在學校的動態。該系統可提供動態課表，學生按照年齡大小可以得到一個iPad或者Chromebook，里面記錄著根據學生自身特長制訂的一周課程，真正實現一人一張課表。由此，筆者認為可運用機器學習算法、數據庫、JAVE、VB等技術，將數據分成四大板塊，打造一個適用于檢測教學過程的ERP系統，該系統分為四個板塊（如下頁圖2）：①人力資源管理。針對教師和學生的到課簽到。②課程管理。大數據采集學生的上課時長、電子舉手互動次數、學生的面部表情等，分析學生的上課行為，并對學習效果做出預判。③時間表管理。智能終端推送符合規律的作息時間通知，以培養學生的自我管理能力；及時提醒教師發布的公告，以免錯漏通知。另外，家長可登錄家長終端，接收孩子的學習動態。④作業及成績管理。通過智能終端提交線上線下作業——客觀題系統批閱，分析正確率，并推送薄弱知識點、加強訓練試題；主觀題教師電子閱覽，隨時隨地通過終端與學生交流。系統清晰記錄學生的成長歷程，以調動學生自我內驅力，完成自我規劃。

圖2

4.社會公平維度

新時代下的教育公平是：起點公平，讓所有學生都能有學上，上好學；教育過程公平，教師做到“有教無類”，進行高效教學；教育結果公平，每個學生都能得到個性化發展。因此，首先應加強云平臺、云計算、大數據、物聯網、VR/AR技術的運用，促進高效教學及個性化發展；其次應通過加大信息化設備普及區域、共享優質資源，縮小不同地區之間的教育發展差距。

● 機器學習運用的挑戰

1.學生

①難以抵制智能終端其他功能的誘惑；多頻率使用電子設備危害身體，也容易產生依賴性，可能導致缺乏自主思考的能力。②城鄉發展差距使學生對電子產品熟悉度參差不齊，導致學習效率低下。

2.教育者

①教師“專業型”向“全能型”轉變，單純傳授知識已經遠遠落后于時代發展，在以培養核心素養為目標的當下，教師只有樹立現代化思想，掌握信息技術，才能不被時代淘汰。②“教學的主體”向“引導者”轉變，重點關注“教”和“學”的過程，一切以學生為主體。

3.學校/教育管理者

學校要重新定義教育理念，將其調整為現代化的教學理念，學校需重視學生的全面發展，優化校園環境，使校園更加生活化、人情化，努力突破圍墻式教學，改變空間結構，讓學生走出教室也能學習。

學校應避免過度依賴智能系統，盲目信任和過度使用都會導致教學質量大幅度下降。另外，自適應系統的缺陷，長時間無效練習試卷使學生課業負擔加重，如何利用好系統，也值得探究。

● 結語

機器學習的特征選擇讓精準化教育得以實現，與教育的融合引發教育模式的變革，落地于因材施教。本文利用機器學習特征提取功能診斷出學生個性化特點，構建學生定制化課表，促進學生核心素養及教師專業發展。可見，人工智能+教育推動個性化教育發展，向未來教育邁出了一大步，而機器學習的應用，推動了人工智能的多方面應用。兩者的融合構建了未來教育的形態，促進多領域的融合發展。