我國基礎教育中人工智能課程研究現(xiàn)狀的可視化分析

劉子瑜，阮志紅

（貴州師范大學教育學院，貴陽 550025）

0 引言

人工智能由來已久，在歷經(jīng)幾次低迷之后的二十一世紀的第二個十年又掀起了人工智能的浪潮。2017年國務院在頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出要在中小學開設人工智能課程，人工智能課程成為了當前研究的一大趨勢。關(guān)于人智能課程的現(xiàn)狀，于勇等［1］通過我國頒布的政策文件及實施情況分析了當前我國人工智能教育存在的問題。張志新等［2］使用訪談法、問卷調(diào)查法等對某城市做了實證研究，并對課程的設計、實施、評價三個維度進行了現(xiàn)狀分析。以上研究雖對國內(nèi)人工智能課程的現(xiàn)狀做了系統(tǒng)的分析，但面對不斷發(fā)展和變化的人工智能教育新要求，研究者勢必要對國內(nèi)人工智能課程研究的領(lǐng)域與趨勢進行更深層次的分析。基于此，本研究采用知識圖譜的方法，利用客觀的數(shù)據(jù)全方位、多角度地對當前人工智能課程做出可視化分析，從中發(fā)現(xiàn)當前人工智能課程存在的問題，并提出有針對性的建議。

1 研究設計

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文以中國知網(wǎng)全文期刊數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，選擇學術(shù)期刊數(shù)據(jù)庫，采用高級檢索的方式，以“人工智能課程”“中小學”為主題詞進行高級檢索，截至2021年12月31日，共檢索出191篇文獻，刪除其中重復及與主題偏差較大的文獻，最終獲得文獻175篇。

1.2 研究方法

本研究主要采用知識圖譜和共詞分析的研究方法。知識圖譜又被稱作科學知識圖譜、知識域可視化［3］，是用圖形的方式從宏觀、中觀、微觀層面揭示學科或主題的發(fā)展面貌［4］。共詞分析法實質(zhì)上是一種內(nèi)容分析法，主要是通過兩個詞同時出現(xiàn)在文獻中的頻率和共現(xiàn)次數(shù)來明晰學科領(lǐng)域中各個主題之間的關(guān)系，以此來展現(xiàn)學科的研究結(jié)構(gòu)［5］。

1.3 研究流程

高頻關(guān)鍵詞是對文章研究主題和內(nèi)容的集中概括，因此文章選用關(guān)鍵詞作為研究分析對象，使用書目共現(xiàn)分析軟件Bicomb、社會網(wǎng)絡分析軟件Ucinet、統(tǒng)計軟件SPSS26.0等對高頻關(guān)鍵詞進行分析，直觀把握當前我國基礎教育階段人工智能課程研究的現(xiàn)狀。具體流程如下：①收集數(shù)據(jù)。在中國知網(wǎng)上對人工智能課程的已有文獻記錄進行檢索和收集；②利用書目共現(xiàn)分析軟件Bicomb生成相應的高頻關(guān)鍵詞表格和矩陣；③利用社會網(wǎng)絡分析軟件Ucinet對共現(xiàn)矩陣進行格式轉(zhuǎn)換，用NetDraw繪制社會網(wǎng)絡圖譜；④利用SPSS26.0軟件生成系統(tǒng)聚類圖和高頻關(guān)鍵詞相似矩陣，再使用Excel用“1”減去高頻關(guān)鍵詞相似矩陣得到高頻關(guān)鍵詞相異矩陣，相異矩陣表示兩個詞之間的差異程度，轉(zhuǎn)換為相異矩陣可以降低矩陣中數(shù)字0過多而對統(tǒng)計結(jié)果造成的影響［6］；⑤將相異矩陣導入SPSS20.0進行多維尺度分析。

2 研究過程和數(shù)據(jù)分析

2.1 高頻關(guān)鍵詞詞頻分析

高頻關(guān)鍵詞是文獻中出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞，對高頻關(guān)鍵詞進行分析可初步把握當前人工智能課程的研究熱點。高頻關(guān)鍵詞選擇的標準一般為截取出現(xiàn)頻次3至4次的高頻詞，且高頻詞累計占總頻次的40%左右［7］。在175篇文獻中用Bicomb提取出頻次大于等于3的關(guān)鍵詞共30個，大致符合高頻關(guān)鍵詞選擇標準，這30個高頻關(guān)鍵詞基本可反映當前我國基礎教育階段人工智能課程的研究熱點，如表1所示。

表1 基礎教育中人工智能課程高頻關(guān)鍵詞表（部分）

從表1可以看出，排在前十位的高頻關(guān)鍵詞分別是“人工智能課程”“人工智能”“人工智能教育”“課程建設”“項目式學習”“教學方法”“教學改革”“人工智能技術(shù)”“課程改革”和“計算思維”，這十個關(guān)鍵詞反映了當前人工智能課程的研究熱點在于對人工智能課程的建設、教學方法的改革以及課程內(nèi)容的改革。

2.2 社會網(wǎng)絡分析

高頻關(guān)鍵詞可初步反映研究的熱點，但不能體現(xiàn)出核心關(guān)鍵詞的地位及詞與詞之間聯(lián)系的緊密程度。通過對高頻詞共現(xiàn)矩陣進行社會網(wǎng)絡分析，研究相關(guān)詞的共現(xiàn)，可得出關(guān)鍵詞在整個網(wǎng)絡中的地位及其與其他詞之間的聯(lián)系，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 所示關(guān)鍵詞使用正方形節(jié)點來表示，節(jié)點的大小反映節(jié)點在社會網(wǎng)絡中的地位，節(jié)點越大，關(guān)鍵詞的地位越高，作用也越大。節(jié)點之間的距離反映關(guān)鍵詞之間聯(lián)系的緊密程度，節(jié)點距離越小，節(jié)點之間的聯(lián)系越大，關(guān)系越緊密。節(jié)點間連線的粗細體現(xiàn)了關(guān)鍵詞間關(guān)系的強弱程度，連線越粗，關(guān)系越強。從圖1可以看出，“人工智能教育”是所有網(wǎng)絡節(jié)點中最大的正方形，處于網(wǎng)絡圖最中心的位置，圍繞該節(jié)點形成了以“人工智能課程”“人工智能”“教學改革”“核心素養(yǎng)”“信息技術(shù)”及“項目式學習”為核心的結(jié)構(gòu)主體。此結(jié)構(gòu)主體可反映出：①就節(jié)點大小來看，除“人工智能教育”這一檢索詞外，“人工智能課程”“人工智能”“項目式學習”“核心素養(yǎng)”等關(guān)鍵詞節(jié)點較大，是人工智能課程研究的熱點話題，這與高頻關(guān)鍵詞分析的結(jié)構(gòu)基本吻合；②就節(jié)點之間的關(guān)系來看，“人工智能教育”與“人工智能課程”“人工智能”“教學方法”“教學改革”的距離最近，關(guān)系最密切，說明我國基礎教育的人工智能課程正在施行教學改革，探究新的教學模式成為當前研究關(guān)注的重點；③就整個社會網(wǎng)絡圖譜而言，“人工智能應用”“課程內(nèi)容”等關(guān)鍵詞處于邊緣位置，與其他關(guān)鍵詞的聯(lián)系較為松散，共現(xiàn)次數(shù)較少。

2.3 聚類分析

從社會網(wǎng)絡分析可以看出高頻關(guān)鍵詞在網(wǎng)絡中的地位及關(guān)鍵詞之間的關(guān)系，為了進一步了解人工智能課程研究的主題，本文還進行了聚類分析。聚類分析是利用聚類的統(tǒng)計學方法，把關(guān)系緊密的關(guān)鍵詞聚集在一起形成聚類團。生成得系統(tǒng)聚類分析樹狀圖如圖2所示。

2.4 多維尺度分析

聚類分析可以揭示出當前人工智能課程的研究主題，為了進一步了解研究主題所處的位置、聯(lián)系以及人工智能課程發(fā)展的趨勢，本文還利用多維尺度分析揭示了各關(guān)鍵詞的空間關(guān)系，得到人工智能課程研究熱點知識圖譜，如圖3所示。

3 研究熱點分析

根據(jù)圖2所示的人工智能課程系統(tǒng)聚類樹狀圖，結(jié)合高頻關(guān)鍵詞的多維尺度分析圖譜，總結(jié)出基礎教育人工智能課程的研究熱點主要包含以下三個方面，一是人工智能課程的課程建設研究；二是人工智能課程的教學策略研究；三是人工智能課程的教學實踐研究。

3.1 基礎教育中人工智能課程的課程建設

該主題主要涉及人工智能、課程建設、課程開發(fā)等核心概念。關(guān)于人工智能的概念，目前國內(nèi)外學者還沒有一個統(tǒng)一的界定。世界上公認的“人工智能”起源于1956年的達特茅斯會議，在這場會議中克勞德·香農(nóng)等首次提出了“人工智能”的概念［8］。而我國人工智能學會理事長李德毅院士對人工智能做出了較為詳細的界定，他認為人工智能是探究人類智能活動的機制和規(guī)律，使用人類智能行為的方法、理論所構(gòu)建的，能模仿人類行為的智能系統(tǒng)［9］。根據(jù)人工智能的定義可知，其核心要素是“智能”，基于此，如何在中小學開展人工智能課程，學界展開了積極的探索。周建華等［10］從課程目標、課程體系、課程、課程資源建設等方面提出了實施策略，以期推動我國中小學人工智能教育的發(fā)展。張聰品等［11］對信息技術(shù)課中的《人工智能初步》模塊進行了教材分析，表明該教材有益于培養(yǎng)學生的計算思維，提升學生的信息素養(yǎng)。課程與教材都是人工智能學習的載體，在教學過程中離不開方法論的指導，安富海［12］就人工智能時代的教學論進行了探討，強調(diào)教學中要堅守專業(yè)立場，不要受“技術(shù)為王”的思潮影響。理論為實踐指明了方向，教學理論的明確為人工智能課程的實踐鋪開了道路，因此該方向也是研究人員展開研究的一個趨勢。

3.2 基礎教育中人工智能課程的教學策略研究

該主題包括中小學信息技術(shù)教育、教學設計、項目式學習等關(guān)鍵詞，主要探討人工智能課程的現(xiàn)狀，課程開設的模式及課程開設的效果等。從學段來看，在基礎教育中人工智能課程主要開設于中小學教育中，幼兒教育鮮少涉及。在學科分布上，人工智能課程主要與信息技術(shù)課程相結(jié)合進行教學，其他學科并未融入其中。從高頻關(guān)鍵詞來看，人工智能課程在教學改革方面的研究最為廣泛。從研究的具體內(nèi)容來看，人工智能課程的教學模式研究是研究者關(guān)注的重點。合適的教學模式能夠推動人工智能課程的發(fā)展，在人工智能與教育中搭建起一座橋梁。趙佳［13］以百度AI平臺為基礎結(jié)合新的教學理念，解決了傳統(tǒng)人工智能課程教學模式中學生學習積極性不高、師生互動少、學生實踐能力得不到提升等問題，構(gòu)建了新的人才培養(yǎng)模式，并進行了實證研究，結(jié)果表明百度AI平臺在教學中的應用提高了人工智能課程的教學效率，激起了學生學習的主動性與積極性。教學模式在人工智能課程中的地位與作用是不可否認的，但其應用效果需在實際的教學過程中加以驗證，可采用定性分析和定量分析，定性分析可通過訪談等方法來檢驗教學模式在人工智能課程中實施的效果，并根據(jù)結(jié)果對教學模式進行相應的調(diào)整。定量分析則可使用問卷的方式對實驗結(jié)果進行量化分析，直觀地反映出教學模式中存在的不足，對教學模式進行修改，為以后人工智能課程的教學研究提供參考。

3.3 基礎教育中人工智能課程的教學實踐研究

該主題包括教學改革、教學內(nèi)容、人工智能技術(shù)、教學實踐等關(guān)鍵詞，主要探討人工智能課程內(nèi)容及其實施效果等。課程教學離不開規(guī)劃設計和教學實施兩個過程。研究者嘗試從不同視角對人工智能課程展開理論與實踐研究，有的研究者從微觀視角展開了人工智能課程的設計和實踐，有的研究者從宏觀視角構(gòu)建了人工智能課程群。王本陸等［14］在深入了解人工智能技術(shù)的內(nèi)涵之后從課程目標、課程內(nèi)容、教學體系三方面對中小學人工智能課程做出了規(guī)劃，開發(fā)了“基于人工智能和大數(shù)據(jù)的青少年創(chuàng)新素質(zhì)測評系統(tǒng)及AI教學技術(shù)平臺”，并在中小學展開了人工智能課程的實踐，結(jié)果表明學生在解決問題的過程中得到了跨學科知識的學習，創(chuàng)造力也有所增強。柳棟等［15］從人工智能本體出發(fā)，構(gòu)建了一種人工智能課程群的開放式跨領(lǐng)域框架，突破了單一的實施路徑，發(fā)揮了人工智能基礎性、跨越性的特征。需要注意的是，人工智能課程的內(nèi)容還需建立在人工智能概念本位的基礎上，做好合適的、具有針對性的規(guī)劃設計，才能確保人工智能課程教學的科學性和有效性。而人工智能課程教學也豐富了學生的學習生活，增強了學生的學習體驗，學生接觸前沿的知識并學習，拓寬了他們未來生活和工作的道路。

4 結(jié)語

總體來看，當前我國基礎教育中人工智能課程的研究主要集中在人工智能課程的課程建設、人工智能課程的教學策略、人工智能課程的教學實踐，未來人工智能課程的研究要關(guān)注以下三個方面。

（1）人工智能教育理論的豐富與完善。理論研究是每個研究領(lǐng)域的研究基礎，但隨著理論研究的火熱進行，研究總體處于較低水平，深度和廣度有所缺乏，概念混淆不清等問題也逐漸浮出水面。總體而言，我國人工智能課程的研究尚處于起步階段，很多理論框架的建構(gòu)還有待驗證。后續(xù)，應借鑒國外的研究成果，在國外研究的基礎上，厘清相關(guān)概念，從宏觀上結(jié)合政府、學校、企業(yè)等多角度，探索人工智能與教學相融合的路徑。

（2）人工智能課程建設的優(yōu)化與普及。高新技術(shù)是提高國際競爭力的關(guān)鍵，人工智能作為高新技術(shù)中的前沿，是我國培養(yǎng)創(chuàng)新復合型人才的重要保障。目前，基礎教育人工智能課程的建設逐漸受到重視，但文獻的質(zhì)量較低，核心及核心以上期刊發(fā)文量較少。后續(xù)研究應立足實際，結(jié)合各地區(qū)學校、班級的實際情況，采用VR、創(chuàng)客等多種手段，優(yōu)化人工智能課程的建設，并向全國中小學進行普及。這也需要師范高校開設專門的人工智能專業(yè)，培養(yǎng)具有智能素養(yǎng)的教師，加快人工智能課程的普及。

（3）人工智能教育平臺的開發(fā)與應用。人工智能技術(shù)正深入到中小學教育教學實踐當中，對我國現(xiàn)有的教育理念和教學模式產(chǎn)生了深遠的影響。其中，大數(shù)據(jù)、人工智能閱卷、語音輸入、人機交互等在教育教學中的應用有效地減輕了教師的教學負擔，學生的學習倦怠等問題。在實踐中，應對應具體問題使用人工智能技術(shù)開發(fā)出相應的應用，切實解決教學實踐中的問題，提高教學效率，真正實現(xiàn)人工智能時代的教與學。