人工智能技術在教育中的應用現狀與展望

楊凱鴿，董 雪

（陜西科技大學，陜西 西安 710021）

近幾年來，人工智能技術的飛速發展對我們的社會生活及教育教學產生了巨大的沖擊，教育環境、教學方式、學習方式等方面也都發生了巨大的變化。為搶抓人工智能發展的重大戰略機遇，構筑我國人工智能發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國，2017年7月20日，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》[1]，提出了面向2030年我國新一代人工智能發展的指導思想、戰略目標、重點任務和保障措施，為我國人工智能的進一步加速發展奠定了重要基礎。2020年8月20-22日，2020全球智慧教育大會在北京召開，會議圍繞人工智能對未來教育的影響和挑戰等前沿議題展開深入探討，會議中指出，以人工智能為代表的新一代信息技術正在重新定義人類的知識和能力價值，未來的教育將以人工智能等信息技術為支撐，開啟智慧教育的新階段[2]。通過人工智能技術重塑教育生態，發展智能教育已經成為當前甚至是未來的教育新議題。與傳統教育不同，智能教育的特點是以人工智能為代表的智能技術，加快推動人才培養模式變革，實現規模化教育與個性化培養的有機結合[3]。可見，人工智能賦能教育已成為未來教育變革的重要趨勢。

1 人工智能與教育

國內關于人工智能與教育理論的研究主要集中在內涵、特征、作用等方面。閆志明等人[4]認為教育人工智能是人工智能與學習科學相結合而形成的一個新領域，重在通過人工智能技術更加深入、微觀地理解學習是如何發生以及如何受到外界因素影響的，進而為學習者創造高效的學習條件，他在對教育人工智能的內涵、關鍵技術與應用趨勢分析后發現，為應對當面人工智能的快速發展教育人工智能面對的挑戰，各級各類學校都需要強化人工智能方面的培養。吳永和等人[5]從孕育條件、特征和作用3個方面闡述了“人工智能+教育”的內涵，其孕育條件包括技術基礎、理論指導、應用推進和政策保障；“人工智能+教育”在于依托人工智能技術，具有創新驅動、重塑結構、開放生態、尊重個性、服務智能、自治演進6個特征；并提到“人工智能+教育”具有提升教育信息化、提高教育教學效率等促進作用。張進寶等人[6]將智能教育的內涵作了兩種不同的界定，認為狹義的智能教育定位于“以人工智能為內容的教育”，目的是培養掌握機器智能技術的專業化人才，以滿足技術發展需要；廣義的智能教育定位于最終實現個體智能的提升，不僅掌握人工智能等技術，還能初步具備未來工作中實現人機合作的能力。還從人才培養規格、教育信息化建設、課程與教學改革、教學活動創新、教師專業化發展等方面提出了智能教育的實施策略。梁迎麗等人[7]通過對人工智能在教育領域中的具體應用與人工智能教育的主要特征進行分析，歸納并構建了人工智能與教育的融合創新發展體系，為我國人工智能與教育的融合發展提供理論指導。孟翀等人[8]將人工智能的教育概念分為兩類：人工智能賦能教育和人工智能學科教育，人工智能賦能教育是指從工具主義視角出發，強調運用人工智能促進和支撐學習；人工智能學科教育是從學科視角出發，強調人工智能作為學習科學和教育科學的融合學科在人工智能人才培養中發揮重要作用。

總之，人工智能賦能教育已經成為教育領域的趨勢，學者們對人工智能教育的研究也在如火如荼地進行，對人工智能教育理論層面的深入探討和研究為相關實踐研究提供了理論性的指導。

2 人工智能技術在教育中的應用

人工智能在教育中的應用已經非常廣泛了，其中最主要的包括智能教學系統、個性化學習及教育機器人。

2.1 智能教學系統

我國教學系統的發展大致經歷了三個階段，由第一代學校考試系統發展到第二代個性學習系統再到如今的第三代基于人工智能的教學系統，即智能教學系統。智能教學系統（Intelligent Tutoring System，ITS）借助人工智能技術，在沒有人類導師指導的情況下幫助學習者獲取知識和技能方面起著重要作用。它是通過互聯網計算機人工模擬技術整合全國工作在一線的特級、高級教師和教學專家的教學資源和教研成果進行科學分析、智能判斷及有目的地提供即時、有效、全面且具有針對性的教學。這不僅體現了科學技術方面的進步，也體現出了教育也在不斷順應技術的步伐隨之發展。

比如IBM的Watson助教系統就是典型的智能導師系統，北京師范大學未來教育高精尖創新中心的“AI Teacher”國際合作項目，建立了教育大數據平臺，其中就借鑒智能導師系統，希望將老師教學過程中的隱性知識內置到系統中，通過人機對話智能導師系統為學生提供個性化的幫助，實現類似于人類教師的智能輔導[9]；比如Lumilo混合現實教學系統，該系統給教師提供一種智能眼鏡以便教師能夠及時掌握學生的學習情況。Lumilo嚴格來說是一種智能教學系統，與教師協同完成教學，它能從遠處監視學生的活動，即時教師不在學生身邊依然能夠快速發現學生當前面臨的困難，從而提供及時的指導與幫助，以此提升學生的學習效率[10]。蘇瑩[11]分析了人工智能系統在教育教學領域的應用情況，其中一項為智能教學系統，她認為智能教學系統的根本宗旨是為學生創設出更加優良和諧的學習環境，當前，智能教學系統主要是通過智能主體技術來有效構建教師主體、學生主體和管理主體，以此向學生提供更加高效與個性化的教學服務。

2.2 個性化學習

個性化學習是指以反映學生個性差異為基礎，以促進學生個性發展為目標的學習范式。而人工智能時代的個性化學習是技術與教育深度融合，對個性化學習進行了重塑。

牟智佳[12]對“人工智能+”時代的個性化學習及研究進行了分析，認為個性化學習應以學習者為中心，以目標、過程和評價為導向，個性化學習服務應以基于人工智能技術的智能教育云服務平臺為支持，以需求本位的個性化學習內容推送、能力本位的個性化學習路徑生成和掌握本位的個性化學習評價為方向，為學習者提供更精準的分析與反饋，進一步為學習者提供個性化學習服務，這為個性化學習的實踐應用提供了一定的參考。孔維梁等人[13]認為自適應學習路徑能夠根據學習者特征，為其推薦個性化的學習資源與學習活動序列，是實現個性化學習的重要手段，因此提出了人工智能支持下的自適應學習路徑構建模型，包括學習者模型庫學習過程數據庫及自適應學習路徑構建引擎。并以某師范院校59名教育技術學專業二年級學生作為研究對象，分為實驗組和控制組，實驗結果表明該學習路徑能夠有效提升學習者的學習效率、學習成績和學習滿意度。之后，周琴等人[14]認為智適應學習是自適應學習的優化升級，有望在人工智能技術的支持下突破傳統學習模式忽視學習者差異性的壁壘，以“量體裁衣”式的教學方式實現因材施教，推動教育從“數據主義”轉向“智能主義”。雖然智適應學習系統大體量的內容、定制化的課程、多樣化的算法和精準化的數據為學生構建了個性化學習的環境，提升學習效率，但仍處于初步發展階段，因此他們從拓展學科領域、加強師資培訓、融合核心技術、豐富表征資源、整合線上線下、尋求多方協作六方面提出了需要完善之處，打造更加個性化的學習環境。

2.3 教育機器人

教育機器人是機器人應用于教育領域的代表，是人工智能、語音識別和仿生技術在教育中應用的典型，并以培養學生的分析能力、創造能力和實踐能力為目標[15]。按照實際用途，教育機器人可以分為教育活動類機器人和教育服務類機器人，其中教育活動類機器人主要用于教學課程與課堂教學活動，作為教輔工具直接輔助學習者進行機器人領域相關知識的學習與實踐，并支持學習者自行拆裝或編程；教育服務類機器人指可以直接對教學過程進行智能輔助服務的機器人，其應用過程常被歸類為3種基本角色，即導師、學伴及監督者[16]。

人機協作將是人工智能時代教育的主要形態，已有諸多學者對教育機器人的熱點話題進行了相關研究，比如，單俊豪等人[17]采用元分析的方法探究了教育機器人對學生學習成果的影響，研究結果表明作為教學輔助工具，教育機器人能夠有效提升學生的學習成果，在不同學科、不同學段也都起到了正向的促進作用。盧宇等人[16]認為由于智能教育機器人正處于發展初級階段，面臨教學性不足、反饋性差、感知力等問題的情況下，在知識圖譜、機器學習、自然語言處理與情感計算的技術基礎上，結合教育心理學的經典理論，設計了5類典型的智能機器人應用模式，分別是學習疑難問答、學情報告分析、學習督促提醒、學習陪伴激勵和家長教育助手，幫助學習者完成其學習目標，并滿足其自主感、勝任感及歸屬感等核心需求。柳晨晨等人[18]梳理了一些智能機器人的教學應用典型案例，發現智能機器人可以根據學生的學風格和特點，提供個性化的教學策略和教學資源，從而提高學生的學習效果。比如AKA公司開發的Musio智能機器人可以將教材上傳用于學校英語課程中的對話；還有北京師范大學未來教育高精尖創新中心研發的教學機器人“智慧學伴”在學生學習遇到疑難問題時可以進行講授和即時解答，為學習者提供良好的學習體驗；以上都體現出了教育機器人對教育教學的促進作用。

3 總結與展望

人工智能在教育中的應用毋庸置疑地推動了教育的發展，促使教育更加智能化、更加符合當下的時代特征，也為人工智能時代教育的發展提供了更多的機會和可能，但依舊存在不足之處。例如人工智能技術不成熟、人才短缺等現實性的問題。人工智能時代，單方面傳授知識的時代隨之結束，傳統教育中教師在講臺上的單向講授與灌輸不能夠吸引學生的學習興趣、思考及參與，有效的學習需要根據學習者的多樣化來設計，需要為學習者提供更加個性化、更具有動力、更加多樣性的教學模式及智慧教學環境。學校、教師、學生在面臨機遇的同時也面臨著各種挑戰，因此，我們要從當前的發展現狀中獲取經驗，為教育的發展提供改進與發展的方向。

從學校層面來講，單純應用人工智能技術已不能完全符合學校教育育人的目標，當前時代需要更智能、更生態、更人本樣態的學校。有學者認為未來的學校將是基于未來人才培養需求與人工智能技術的深度融合創新而形成的處于持續發展動態中的新形態育人場域，具有3大特征，分別為：未來學校的發展表現在于其新形態育人場域的定位，未來學校的發展核心在于未來人才的培養，未來學校的發展支撐在于人工智能技術與學校教育的深度融合創新[19]。

從教師層面來講，人工智能時代，教師的角色在將來也會發生重大轉變，重塑教師的角色至關重要。未來將進入人機協作的“雙師”時代，機器人將逐漸出現在人類教師的身旁，以教師的身份影響教育教學活動，與人類教師一起變革傳統教學結構，培養智能時代的學習者和教育者。雖然，人類教師不會被智能教師完全替代，但是固守現狀、不求進步的教師可能會被取代，因此，教師需要轉變自己的角色，要從以往的知識傳授者轉向學生的引導者，不僅要教會學生基礎的知識與技能，更要教會學生如何學習，做學生的人生導師，以此來順應時代的變化與發展。

從學生層面來講，學生要明確自己在學習中的主要地位，不能夠完全依賴教師，要充分調動自己的積極性、主動性與創造性，同時也要注重提高個人的信息素養與智能素養，提升自己的學習能力，更加主動地參與到人機交互的環境中。學生只有將學習和個人興趣結合起來才能學好習，因此學生需要培養以興趣驅動、自主學習和終身學習為主的學習能力，避免自己在快速變化的智能時代處于學習的劣勢。

4 結束語

總之，人工智能時代，人類將會進入一個與機器共存的時代，未來教師角色將發生大的變化，教師知識性傳授功能將會被人工智能逐漸取代，教師的主要工作是培養學生的核心素養和能力，培養學生的創造能力、審美能力、協作能力以及社會交往能力。教師除了要具備學科及專業的知識與技能外，最主要的是要以學生為中心，注重學生情感態度價值觀方面的發展，學校不僅要從智能技術等硬件條件及建設方面有所提升，更要注重將智能技術及育人目的相結合的全方位發展方向，真正地達到育人的目的。要從學校、教師、學生3個主體方位全面適應人工智能時代的變革，從而促進智能教育的發展。