基于智慧作業生態圈的作業AI自動批改探索與實踐

唐旭 張遠偉 張國強

摘要：AI技術促進中小學作業創新需要重塑作業生態，加強生態圈建設有利于智慧作業助力中小學作業減負增效取得良好實效。AI自動批改為智慧作業支持服務能力提升加注“智”動力，核心是加強圖像識別、自然語言處理、過程精細批改和自動解題等能力建設。通過AI智批系統賦能江西智慧作業的試點實踐發現，AI自動批改為學生、教師和學校帶來了多方面的促進作用，同時也存在一些亟待解決的技術研發及應用方面的問題。需要結合中小學學科教學實踐不斷加強政府、學校、專家和企業等各類機構協同聚力，共同推進智慧作業生態圈內的作業AI自動批改技術與應用創新。

關鍵詞：“雙減”政策；智慧作業；AI自動批改

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

本文系“華東師范大學-云思智學教育數字化戰略實驗室”2022年度開放課題“‘智慧作業’生態圈內的作業AI自動批改探索與實踐”（課題編號：202209009）、2022年度教育裝備科研課題“‘雙減’背景下落實減負增效的高質量作業設計與實施研究”（課題編號：CEFR22016R11）階段性研究成果。

作為學校教育教學的重要活動，作業不僅僅表現為一些需要學生完成的練習題或任務，還是在科學教育教學理論指導下的、承載著特定育人目標的、通過一定形式開展的師生互動的教學育人過程。受傳統教育觀念和應試教學模式的影響，長期以來中小學作業存在目標過于知識導向、作業布置形式單一、數量與質量的失衡、作業的評價與反饋有效性差、教師作業設計的知識與能力缺乏、作業設計系統性弱等問題[1][2]。2021年7月，中辦國辦聯合印發《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的意見》，明確提出“全面壓減作業總量和時長，減輕學生過重作業負擔”。2022年教育部基礎教育司工作重點進一步強調，“在‘壓總量、控時間’的基礎上，注重‘調結構、提質量’”。傳統作業模式已不再適用，必須實現質量變革和效率變革[3]。智慧作業是新一代信息技術支持下的作業創新形式之一，探索AI技術賦能作業批改對于提高智慧作業支持服務能力促進作業減負增效具有非常重要意義和價值。

智慧作業是在先進教育教學理論指導下，科學運用人工智能、大數據等先進技術創新作業類型、流程和模式，以有效實現學校作業減負增效的數字化、智能化的作業支持服務系統。由于中小學生作業負擔過重問題受到地方經濟、社會文化、學校基礎條件、教育教學理念、師生素質、教學組織方式、教學資源供給、教育教學評價模式等諸多因素影響，通過智慧作業推動學校作業減負增效，不僅僅是通過技術推動作業資源與活動的數字化轉型和智能升級，更需要綜合各方面力量形成能夠協同合作、持續供給、動態優化的支持服務生態。

（一）智慧作業生態圈概念闡釋

“生態圈”概念最初來自生物學領域，意指某一空間范圍內的所有生物與環境的綜合體[4]。在這個綜合體中，各成員分工協作、相互依存，同時內部關系不斷優化推動生態圈持續進化[5]。隨著生態環保等問題日益得到社會關注，生態學研究的視角、方法等也越來越廣泛地被應用于社會政治、經濟、教育等領域，強調整體性和綜合性，強調不同主體間的結構關系以及主體與環境的關系，“把各種教育機構與結構置于彼此聯系中，以及與維持它們并受它們影響的更廣泛的社會聯系中來加以審視”[6]。中小學生作業負擔過重問題受到多種因素的影響，需要從作業管理、作業設計、作業評價等多方面入手，充分整合教育管理部門、學校、教師、社會組織和企業等多方面力量，豐富優質資源、創新作業類型、重塑作業結構、再造作業流程，打造作業新生態。智慧作業生態圈就是在教育生態學理論指導下建設形成的一個以落實作業育人為價值核心、以減輕師生作業負擔和提升作業質量為目標指向、以人工智能和大數據等先進技術教育應用為主線，匯聚政府、學校、家庭、社會多方力量，能夠良性運行并不斷自我完善的生態體系。

教育信息化發展進入融合創新階段，服務能力建設至關重要。智慧作業生態應該是一個以作業減負增效為目標的教育服務生態，由政府、學校、各類教育服務供應商多元主體協同構建。不僅包括教師和學生，還包括為提升作業質量和優化作業活動過程而提供相應支持和保障的各類服務類主體。這種多方參與、協同構建的方式有效保障了整個智慧作業生態的常態化運轉。整個智慧作業生態圈（如圖1所示）由兩層構成：內層是由教師、學生、作業媒介（如練習冊）、信息平臺+終端顯示設備（如電視）等構成的應用生態，在技術支持下師生通過利用數字化教輔材料、智能采集設備、作業平臺、微課資源等共同參與和完成學校作業活動。外層主要有出版集團、科技企業、教研員和名師、廣電網絡和運營商等組成，分別為內層應用所需要的數字化教輔材料、智能采集設備、作業平臺、微課資源等提供技術、資源、服務、設備等方面的相應支持，構成了外層支持生態。多元參與、協同共建保證了智慧作業生態的功能發揮和良性運轉，而教育管理部門在其中發揮著重要的整體規劃、機制協調和組織統籌作用。

（二）生態協同落實作業減負增效的機理分析

作為一個多主體共建的復雜生態體系，合理分工和協調合作機制保證了智慧作業的良性運轉和作用發揮。第一，教育信息化主管部門在系統設計、資源審核、模式打造等方面扮演重要角色，并主導教育專網、作業平臺和微課資源建設。第二，分層作業、個性化作業要求對教師作業輔導提出了嚴峻挑戰，集中地方教研和名師力量研發錄制與課程教材配套的成體系作業解析微課可以有效提升智慧作業服務能力和滿足學生個性化輔導服務需求。第三，在智慧教育服務生態中，企業作為應用服務商即服務提供方扮演著重要角色[7]。廣播電視網絡和三大網絡運營商負責電視機頂盒專屬微課學習、錯題本查閱等功能實現和服務支持；出版社等支持教材配套電子教輔資料出版、練習本鋪碼等；教育科技企業則負責提供點陣筆、高拍儀、高速掃描儀、留痕打印機等硬件設備，智慧云平臺和大數據分析服務，以及題庫資源、信息化作業模式等。

在教育管理部門的組織統籌和政策支持下，各類社會組織充分發揮自身優勢，不斷優化合作模式、提升服務水平，生態協同為智慧作業落實作業減負增效提供了重要保障。一般操作流程如下：第一步，教師根據教學進度安排布置教材教輔和練習本作業；第二步，學生完成作業，相關數據傳輸至智慧作業平臺進行作業自動批改和數據統計分析；第三步，智慧作業平臺向學生端/家長端推送作業完成情況和學習支持資料包（包括習題微課、錯題本及舉一反三習題等）；第四步，學生回家后根據自身情況通過電視機頂盒開展微課學習、錯題歸納分析或完成鞏固練習等。其中，人工智能技術在有效識別學生信息和進行學習資源定制化推送方面發揮了重要作用，使得每一個學生都能夠得到有針對性的反饋和指導，學生自己看視頻微課學習屬于主動學習行為，積極性和興趣較高，沒有太多負擔和壓力，從而有效實現學生作業減負增效目標。作業減負政策施行后，教師對作業的設計與安排難度增大[8]，而依托智慧作業可以幫助教師布置分層作業、個性化作業，自動采集學生作業數據并進行智能批改、數據統計分析和自動資源推送，無疑大大減輕了教師的作業批改和輔導工作，并幫助教師由過去的經驗式抽象學情判斷轉向精準判斷，有效支持教學優化創新。另外，針對學生個性化錯題提供的學情反饋和知識點微課推薦服務有效緩解了家長批改作業和輔導學生的負擔，進一步降低了家庭課外輔導經濟和精力負擔，也促進了家庭關系和家校關系的協調發展。

智慧作業實現作業減負增效的優勢是依托先進技術可以采集學生作業活動數據、完成作業智能批改、自動統計作業數據和分析作業學情，不僅能夠為教師了解學生提供實證數據支持，還可以針對學生作業自動生成個性錯題并推送適應性資源支持學生個性化學習等。因此，通過數據聯通整個生態，實現作業活動的自動化和智能化是智慧作業的基本要求，AI自動批改能力則是智慧作業生態圈建設的核心能力。

（一）AI自動批改核心能力建設

人工智能教育應用的本質是利用智能技術將教師和學生從低效重復的工作中解放出來[9]。AI自動批改就是利用人工智能技術實現學生作業批改的自動化、智能化，包括對學生做題的過程和結果進行對錯自動識別、自動評分、自動因果推斷等。與傳統教師手動批改作業相比，AI自動批改能夠更加快捷地幫助教師完成學生作業批改，減少簡單重復性勞動，減輕教師工作壓力，使教師能夠有更多時間投入到專業素質提升和教學創新中。同時，還可以智能統計分析學生作業學情，為教師實施有針對性指導和優化教學提供參考。

近年來，知識圖譜、OCR識別等技術與教育教學的融合不斷加深，AI自動批改應用已經在試卷批閱、中英語作文批改等領域得到有效驗證，也有大量智能批改產品問世[10]。從實踐應用情況來看，手寫識別精準度和語義識別準確率方面有待提升，尤其當學生作答過程中出現涂抹、筆跡潦草、書寫字體不規范、圈勾點劃和畫圖、復雜算式等情況時，目前圖像識別和數據采集的準確率會明顯下降，直接影響自動批改的效果。而且，雖然目前AI自動批改可以針對學生作答關鍵步驟是否符合題意、步驟本身是否存在計算錯誤或邏輯錯誤等進行判斷，但是關于過程性步驟的分析判斷主要還是以標準答案進行逐步比對，關于作答邏輯的判斷分析還不夠精準，對錯誤原因的判定也大多是基于提前設定的常見錯誤大類歸因，針對性不強，尤其是針對有多種解法的題目，過程批改甚至會出現錯誤判定。

為了充分發揮智慧作業實效，需要在以下方面加強AI自動批改能力建設。一是精準的圖像識別技術和數據采集能力。能夠根據實際批改需求，精確識別版面信息、試題結構與類型信息，針對學生作答過程中出現的特型內容（如豎式、方程、復雜公式等）、特殊作答（如圈畫、勾選、劃線、加點等）、涂抹內容、潦草字跡等進行精準鑒別，對相關過程進行專項處理與優化，為批改提供強有力保障。二是強大的語義識別能力和豐富的算法模型。在批改過程中，能利用自然語言處理技術，精準理解批改意圖，定位試題的批改標準與采分點，做到因題制宜、準確批改。例如，通過公式等價模型，可以精確地對形式不同的兩個代數式進行數學形式上的等價判定，滿足學生書寫公式時的多樣性情境；利用語義一致判別模型，可以更好地理解作答內容與標答內容在表述上的差異及一致性，真正做到一個核心多種表達的甄別能力。三是過程精細批改能力。利用先進的符號計算引擎和邏輯推理引擎，能準確檢測出每個作答步驟是否符合題意、步驟本身是否存在計算錯誤、步驟與步驟之間是否存在邏輯推導關系等，以及作答過程中是否存在缺步跳步，采分點、解法要求、最終結論等關鍵要素是否完備等。四是為了適應不同學科、不同學生的差異化需要，還要加強自動解題技術建設，以滿足解決答案不唯一、一題多解等題目的批改需要。

（二）AI賦能的作業自動批改模式

盡管各類AI自動批改應用彼此存在差異，但其內在技術邏輯基本相同，大都包括“信息識別—語義解讀—策略支持—反饋”等環節。當學生們完成作業后，通過OCR等多類型信息識別技術采集作業相關信息，通過語義分析技術解讀題目意義和答案判讀，通過專家庫和知識庫信息匹配抽取相應支持服務策略，然后將正確結果、得分、相關知識點、推薦資源等各類信息根據需要向教師、學生、家長等進行反饋輸出。隨著青少年視力防護問題日益突出，平板電腦等帶屏電子產品在學校使用受到限制，基于智慧筆和紙質練習冊的智慧作業“紙筆”方案由于其數據采集便利、不改變教師和學生的作業習慣而備受關注。在此以智慧作業“紙筆”方案為例對融入AI自動批改的智慧作業批改模式（如圖2所示）進行闡釋。

首先，依托統一鋪碼后的教輔材料，教師向學生布置紙質作業，學生可以在學校或回家后用智能筆在鋪碼教輔上做答，然后提交作業， AI智批系統會實時采集學生做答筆跡，進行過程數據采集。其次，學生作業數據自動提交到AI智批系統，系統會根據教師提前設計好的作業答案自動完成作業題目批改，批改精度精細到每一空、每一小題維度，同時系統會自動完成對學生作業批改結果數據的分析，生成班級作業學情報告、學生作業學情報告，教師和學生分別通過電腦、平板、電視機頂盒等終端接收學情報告。再次，教師依據班級學情全面了解學生完成作業情況和各作業題目作答情況，針對班級錯題在后續課堂教學中為學生進行精細化講解分析，針對個性化錯題多途徑進行個別化指導，以幫助學生更好掌握知識內容，實現精準教學、因材施教。同時，系統也向學生反饋作業批改結果，針對學生錯題情況提供相應的錯題微課和習題鞏固練習支持服務，學生通過終端及時了解作業完成情況、進行錯題微課學習和舉一反三練習，保證學習質量和效果，其相關過程數據也被系統自動采集，匯集到相關數據庫中，以備學生畫像、班級畫像、教學參考應用。

通過模式描述可以看出，AI自動批改的實現不僅僅要需要智能硬件和智能批改系統的支持，還需要同步推進作業題目電子化、題庫資源建設、題目屬性標注、配套練習冊鋪碼印刷、知識點微課制作、學情數據分析等一系列工作來保障。因此，整個智慧作業生態圈中各主體的協同配合至關重要。

2018年江西省教育廳開始建設和推進智慧作業項目，充分整合廣播電視系統及三大運營商、教材教輔出版集團、教育科技企業等多元力量，構建江西智慧作業生態圈，利用信息化手段增加優質資源供給，搭建在線免費輔導平臺，“幫助江西省義務教育階段的絕大多數師生、學校達成學習高效化、溝通無縫化、教學智能化、管理精準化”[11]。但是技術與教育教學的融合還有待進一步加深，如何提高作業批改的智能性、準確性和適用性，既是智慧作業系統亟待突破的技術難點也是掣肘智慧作業系統能否常態化使用的關鍵。為了進一步助力“雙減”政策落實，提升智慧作業應用水平，在不斷完善智慧作業平臺、資源建設和創新作業模式的同時，選擇部分學校進行AI智批系統融入智慧作業試點實踐，探索智慧作業更好促進作業減負增效的有效途徑和可操作模式。

（一）試點選擇與方案設計

在充分考慮地方推進智慧作業的實際情況和學校參與試點的積極性、可行性的基礎上，我們遴選了南昌市灣里區第五小學和南昌市第二十三中學作為試點校，在小學五年級和初一年級分別挑選了已經部署智慧紙筆課堂的班級參與實驗試點，試點應用學科包括數學和英語。基于江西省智慧作業系統已有功能和實施模式，結合未來智慧作業發展趨勢，我們規劃設計了“AI賦能教師作業批改減負增效”實驗方案（如圖3所示）。

AI智批系統賦能的江西智慧作業系統主要由數據采集、數據分析、數據展示和數據應用四部分組成，其中AI自動批改技術應用實驗主要針對數據采集環節中采集上來的學生作業作答數據，進行智能自動批改，切實降低教師作業批改負擔。在數據采集方面，增設了“學生智慧筆+紙質作業”采集方式，滿足學生使用普通筆和智慧筆做答等多場景下作業數據采集的需要；作業批改環節包括了AI全批和AI秒批兩種自動批改模式，同時也支持教師網上手工批改，切實保證作業批改的效率、準確率和所有題目全覆蓋。此外，在數據應用環節增設了學生作業便簽打印功能，將自動批改記錄轉換為手工批改痕跡，以更親切的方式向學生提供作業批改結果。

（二）融入AI自動批改技術的智慧作業技術實現

AI自動批改的覆蓋范圍和準確率是影響作業批改效果和質量的重要指標，不僅與OCR等技術先進性有關，還受到題目類型、標注精細度、答案標準度、書寫規范程度等因素影響。首先，我們聯合各出版社在對實驗涉及的8本教輔進行題目電子化轉換和系統錄入，同時引入外部高質量同步作業題目，形成包含豐富高質量作業資源的校本作業題庫。其次，對題型生產標準進行優化，將原生產模式下無法進行自動批改的圖形匹配題、看圖示意題等轉換為選擇題、填空題、簡答題等題型，以方便機器識別和數據采集，提高自動批改覆蓋率。再次，我們聯合教育科技企業開發了全新的教輔原冊標注系統，在題目電子化的基礎上，針對不同題目類型對原冊圖片進行題目區、小題區、作答區等多區域標注，以保證提升學生作答信息采集的有效度和準確率。另外，為適應“一題多答”的題目情形需要，我們組織了專門教研團隊，對全部同步教輔的題目和答案進行了逐一核對，為存在多種作答方式的題目進行非標準答案以外的策略答案補錄，提升批改準確率。

AI智批系統是江西智慧作業系統的有益補充，實驗目的就是探索融入AI自動批改的智慧作業批改新模式，必須將兩個系統有機融合才能夠更好發揮作用，其中一個重要工作就是數據打通。依托企業技術支持進行了軟件系統的升級迭代，將完整的作業發布、采集、自動批改、批改結果回傳贛教云等全流程完美的嵌入到江西智慧作業的軟件生態中。通過大屏軟件，教師在課堂上進行作業數據采集的同時即可同步完成作業發布；AI智批系統完成作業自動批改和多維數據分析后，相關數據和分析報告自動傳送至江西智慧作業系統；老師可以通過贛教云查看作業批改結果，也可以登錄云思web端查看更多維度更細粒度的作業學情數據和分析報告。

（三）實驗效果評估

經過周密設計和充分準備，我們在南昌灣里五小分別進行了六年級英語和數學的基于AI的作業智批模式實驗，并在南昌三十二中組織開展八年級英語和數學AI智批作業應用的實踐探索。經過一學期的試點實驗發現，AI智批系統使智慧作業生態圈結構更優化、系統功能更完善，在減輕教師作業批改負擔方面效果明顯，大大提高了智慧作業促進學校作業減負提質增效的服務能力和水平。

首先，提升了作業批改的時效性和智能性，有效幫助教師減輕作業批改負擔。通過教輔鋪碼、題目電子化和題型轉換，AI智批系統很好地匹配了江西省小初數學、英語教輔，作業題目平均覆蓋率達到89%，全班作業（50人）提交后20s內完成自動批改，自動批改平均準確率達到98.58%。其中數學作業平均批改覆蓋率為85%、批改準確率為98.5%；英語作業平均批改覆蓋率為90%、批改準確率為98.6%。除去部分必須通過主觀題、實踐題等來布置的作業，絕大多數作業都可以通過自動批改來實現，在提高作業批改時效的同時，大大減少了教師手工批改作業的時間和精力投入。

其次，優化了作業數據采集和學情分析等服務能力和水平，為學習、教學和管理優化提供了有力支持。對學生來說，在不改變學生的作業作答習慣的同時，及時為學生反饋作業結果，并推薦個性化錯題和微課講解，切實實現了學生個性化自主學習的閉環，有效保障了學習效果。對教師來說，通過AI智批收集了大量學生作業的過程性數據和學習水平數據，多維度的作業學情分析幫助教師更全面、更深入了解和掌握學生學習情況，助力教師不斷提高作業設計能力，支持教師開展精準教學。對學校來說，通過智慧作業平臺，全面掌握師生教與學活動情況，在作業設計、學生作業輔導、作業監督管理等環節全面實現質量和效率的雙重提升，確保作業減負提質增效。

利用現代信息技術，優化作業設計，提升作業質量，創新作業模式，是進一步落實“雙減”政策、減輕學生作業負擔的必經之路和主攻方向。經過AI自動批改融入智慧作業生態圈的實踐探索發現，AI自動批改是智慧作業系統的核心技術之一，不僅提高了批改速度與批改準確度，并搜集到更豐富的作業數據供學情分析，還促進了學校作業活動的結構重組和流程再造，直接影響到作業改革創新的模式和實效，但AI自動批改技術及其應用仍存在亟待解決的問題。

（一）AI自動批改技術及應用存在的問題

首先，目前AI自動批改在面向數學、英語等科目的客觀題批改方面已經較為成熟，但在面對更加復雜的解答題、邏輯推理式的主觀題方面面臨重重困難，AI機器閱讀理解能力和自動解題能力還有待提高。其次，不同科目、不同題型、不同年級，以及學生的不同書寫習慣、教師的不同批改偏好，都對AI自動批改技術的批改邏輯提出了差異化需求，但目前AI自動批改技術的算法成熟度還有待提高，需要針對不同場景進行分析研究，以持續提高AI自動批改的多場景應用能力。再次，過程性批改是AI自動批改技術中的前瞻領域，通過過程分析自動識別學生錯因，是突破主觀題、應用題自動批改的關鍵技術，目前受制于自然語言識別技術的限制，還沒有很好地應用于AI自動批改技術中，是亟待突破的技術難點與要點。

（二）AI技術賦能智慧作業自動批改研究展望

新一代智能技術的發展為中小學落實“雙減”促進師生作業減負增效提供了新機遇，也帶來了新挑戰。我們將持續關注AI自動批改技術發展前沿與未來趨勢，根據學段、年級和學科差異，結合中小學作業場景開展AI自動批改邏輯剖析，從而明確AI自動批改應該突破的方向和順序，重點探悉不同場景下，手寫字體、個人習慣、動態修改、答題方式等多樣化特征對自動批改的影響和解決路徑。同時還將結合具體學科加大過程化批改技術及其應用探索，以不同學段和年級某一學科為依托，加強對學生做題過程的拆解分析，針對學生作業的每一步每一行進行分析精細化批改，從而把握學生做題的思維邏輯和問題解決方法，進一步加強錯因分析，為教師指導和學生自我補救提供更有針對性地支持。上述研究不僅涉及技術研發，還關系到產品設計、資源匹配、應用服務等一系列工作，需要政府、學校、專家和企業等各類社會機構凝聚合力、協同推進。

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作者簡介：

唐旭：中學高級老師，碩士，主任，研究方向為教育技術支撐下的高質量作業設計、作業的自動化批閱。

張遠偉：工程師，研究方向為人工智能在教育數字化轉型中的應用和實踐、信息技術與教育教學深度結合的應用和實踐、智慧作業的深度應用和實踐。

張國強：副教授，博士，研究方向為教育政策分析、基礎教育信息化理論與實踐。

Exploration and Practice of AI Automatic Assessment of Homework Based on the Intelligent Homework Ecosystem

Tang Xu1， Zhang Yuanwei2， Zhang Guoqiang2

（1.Jiangxi Province educational technology and equipment development center， Nanchang 330200， Jiangxi； 2.Institute of Yunsizhixue intelligent education， Beijing 100089）

Abstract： Using AI technology to promote homework innovation in primary and secondary schools needs to reshape the homework ecosystem. By strengthening the construction of the Intelligent Homework Ecosystem， Intelligent Homework has achieved good results in reducing the burden and increasing the homework completion efficiency of primary and secondary school students. AI automatic assessment can further add “intelligent” power to the Intelligent Homework that can promote the improvement of service ability， and the core is to strengthen the capacity building of image recognition， natural language processing， process fine correction and automatic problem solving. Through the experimental practice of AI intelligent assessment system enabling Intelligent Homework in Jiangxi Province， it is found that AI automatic assessment has brought many promotion effects to students， teachers and schools. At the same time， there are some problems in technology research and application that need to be solved urgently. Combined with the practice of subject teaching in primary and secondary schools， it is necessary to continuously strengthen the coordination and cohesion of various institutions， such as the government， schools， experts， and enterprises， to jointly promote the innovation of the AI automatic correction technology and application in the “intelligent homework” ecosystem.

Keywords： "Double Reduction" policy； intelligent homework； AI automatic assessment

責任編輯：宋靈青