人工智能促進學習變革與學術創新

薛耀鋒 邱奕盛

摘 要：人工智能的發展到達了一個新的高度，教育也不可避免地融入了人工智能相關技術，以促進學習變革和學術創新。在介紹了國際和國內人工智能教育發展現狀的基礎上，從多方面展開了人工智能促進學習變革的方式，并列舉了若干人工智能促進學術創新的領域，同時指出高等教育應當抓住機遇，轉變固有觀念、促進學習轉變和推進應用創新，同時謹防人工智能的濫用。

關鍵詞：人工智能；教育；學習變革；學術創新

人工智能教育發展現狀

2023年3月，OpenAI發布的GPT-4，如同一個多面手，可以針對提問，根據用戶的需求響應生成回答。這不禁再一次提醒我們，高等教育不再享有對學術知識的壟斷地位，信息和知識的圍墻已被信息技術打破，人工智能可以讓學習者在任何時間、任何地點得到想要的信息和知識。在知識唾手可得的時代，高等教育需要培養何種人才再次成為研究焦點。

人工智能在高等教育的各個領域，已經得到深度耦合。2018年，《教育信息化2.0行動計劃》《高等學校人工智能創新行動計劃》分別指出要全面提升高校信息化能力，加快推進教育現代化，建設教育強國[1]，大力支持高校開設“人工智能+”專業，完善人工智能領域人才培養體系，包括學科布局、專業建設、教材建設、人才培養[2]。黨的二十大報告指出，要把教育、科技、人才進行“三位一體”統籌安排、一體部署，將“推進教育數字化”寫入報告，賦予了教育在全面建設社會主義現代化國家中新的使命任務，明確了教育數字化未來發展的行動綱領，具有重大意義。教育部部長懷進鵬在2023年2月的世界數字教育大會上以“數字變革與教育未來”為題作主旨演講。其中提到，我國已經建成一大批優質慕課，已有7.6萬名高校名師名家、2.7萬門優質慕課課程、1，800門國家一流課程，有超過1，300萬國際用戶注冊學習，覆蓋了166個國家和地區。學習平臺的建設將借助人工智能和教育數字化轉型，持續推動全面學習、多樣態學習、終身學習。

作為探討人工智能在教育中應用的領先國際組織，聯合國教科文組織領導了一系列人工智能在教育領域的重要活動。2019年8月發布的《北京共識——人工智能與教育》研究報告提出，利用人工智能加快建設開放靈活的教育體系，確保全民享有公平、適合每個人且優質的終身學習機會。2021年4月出版的《人工智能與教育：政策制定者指南》，為政策制定者揭示了人工智能的機遇、風險和發展趨勢、對于教學的影響以及教育對于在人工智能時代成長的學生能夠做哪些準備，并為政策制定提供了一系列具體操作的建議。由此可見，以大數據、深度學習為代表的新一代人工智能驅動著新一輪的學習變革與學術創新。

人工智能促進學習變革

人工智能不僅被用來節省教師人力、提高教學效率，而且可以驅動學習方式的變革。如圖1所示，學習者畫像、學習環境、學習資源、教育決策等領域都將因為人工智能的到來而發生變革。

1.學習者畫像。隨著我國優質慕課平臺的建設，保有的用戶數據量也日益增長，利用智能化學習分析技術繪制學習者畫像或學校畫像，可以創新學習方式。面向高校的學習者畫像可以有效實現學校教育治理的現代化。依托于學習者畫像，可以全面、系統地掌握學習者發展質量情況。基于慕課的學習者畫像可以使得教育者更好地了解不同學習者之間的水平差異細節和分布，有助于從教學評價上做出更全面客觀的評價，從而提升教育服務水平、優化資源配置和促進教育公平。[3]

學生是教育的主體，是教育的直接對象，學習者畫像對于學生自身的影響作用也是顯著的。學習者依據智能化構建的學習者畫像，可以對自身的認知領域有一個精細化、網格化的分布了解，可以為自身未來學習發展提供參考。

2.學習環境。基于人工智能的新型學習環境正在逐漸進入教學，特別是高等教育的專業化學習環境。以XR（擴展現實）為代表的拓展現實學習環境可以演練或練習較為危險的學習活動所創設的情境、模擬構建學生無法到達的場景或地點、展現現實中難以直接觀測的物體或現象等。

這類智慧教室從以教為中心轉移到以創新能力培養為中心。對大學生來說，學習者比教學者更迫切地希望能采取自主探索或小組合作的方式學習新知識，這就為智慧教室教學模式的多樣化實驗提供了保障。

3.學習資源。人工智能的出現催生了學習資源的新一輪變革，主要體現在交互式電子學案和課件的優化上。交互式電子學案利用人工智能學習分析技術，增加了主動推薦能力。隨著技術的發展，學習者信息的不斷完善，學習者更容易獲得豐富的學習資源。研究表明：相比于紙質書本上的圖文表現形式，超鏈接、動圖、視頻等資源能夠為學生提供更豐富的信息。

利用人工智能對數據的分析，可以實現對課件的優化設計。有研究利用學習者編程學習過程的行為數據分析，對課程進行優化。研究根據學習者在學習編程類在線課程資源時對不同課程元素的投入程度與效果分析，結合相關課程優化設計理論，優化了編程類在線課程資源，如調整程序代碼、文本等元素比重，減少圖表、教師形象的無關信息，增加課堂臨場感，增加代碼編寫界面等[4]。

4.教師教學。得益于人工智能的加持，自然語言處理取得了突飛猛進的發展，由此誕生了虛擬助教、智能問答機器人等伴學助理。2016年4月，佐治亞理工學院計算機學院的教授阿肖克·戈爾（Ashok Goel）為他的課程增加了一名新的助教吉爾·沃特森（Jill Watson）。她其實是個虛擬助教，為每年選課的300名學生提供答疑服務，許多學生一開始甚至都沒有意識到是由機器人回復的消息。近期，浙江大學的人工智能實訓平臺Mo（momodel.cn）也將基于智能問答系統的對話機器人加入到學生練習模塊，學生可以在解題困難時向這個對話機器人求助。相比于傳統搜索引擎的“大海撈針式”求解，對話機器人能夠更好地理解上下文和具體的問題情境，直接提供有針對性的解決方案。

5.教育決策。數據在教育決策中有其潛在力量，人工智能正是讓這股力量發揮其用武之地的“秘籍”。人工智能對淹沒在眾多信息系統中的海量數據加以挖掘，為相應的決策提供方向、依據的實證證據，從而幫助相關者做出正確的決策。

根據大數據的數據積累和智能分析，誕生了一系列的自適應學習系統。例如：紐頓（Knewton）系統，其目標是為全球學生提供個性化的學習內容。紐頓（Knewton）系統通過分析數據來了解學生掌握了哪些知識，然后為他們推薦下一步的學習內容，從而幫助更多學生掌握學習材料并取得進步。阿爾塔（Alta）作為紐頓（Knewton）系統最新的高等教育產品，是一個完整的課件解決方案，它將自適應學習技術與高質量的開放可用內容相結合，以提供廉價、可訪問的個性化學習體驗并有效提高學生成績。

人工智能促進學術創新

現在的高校人工智能培養非常注重技能的培訓，但往往忽視與其發展相適應的科學思想教育。其實，作為現代化技術，人工智能作用的發揮不僅取決于使用者的操作技能，而且還取決于其思維模式和價值觀。如果學習者的思想還停留在工業時代甚至手工作坊時代，對人工智能的使用還停留在工具性操作的層面，計算機的龐大功能便無從發揮。因此，人工智能何以促進學術創新，必須關注人工智能特有的思維模式和價值觀。本文列舉了若干促進學術創新的應用領域（見圖2）。

1.創設仿真環境。在學術研究中，實驗是科學求索的重要組成部分。以往一些實驗要反復經歷失敗，其過程消耗大量的人力、物力、財力，甚至可能對生態環境造成無法修復的傷害。如今，借助仿真模擬環境，可以實現高精度的計算和實驗仿真，為學術創新提供了可靠的技術支持。

以往的工程實訓課程，需要學生前往工廠實地考察學習，在一些高危行業中，一旦操作不慎，就會引發悲劇。通過創設仿真環境，可以建設智慧油田的數字孿生環境，只要在遠端操作數字化的界面，就可以達到控制實際物理裝置的功能。

張立強等人（2020年）研發的油田地質虛擬仿真實驗教學系統，基于“科教融合、虛實互補”的理念，建設了我國主要油氣盆地數據資源庫。學生也可以通過仿真模擬環境，學習復雜的油氣開采實施流程。在實際的石油開采程序中，現場需要調度大量的人力、物力，無法讓每一位學生都親身體驗，而在仿真環境中，學生可以不限次數地練習探索油氣鉆錄和現場漫游，為類似專業和課程的虛擬仿真實驗項目建設提供了借鑒。[5]

2.考古研究創新。考古被認為是一門高深而偉大的行業，其中也蘊藏著不少計算難題。對古代字符語言的理解，一直是考古難以突破的一關。人工智能的發展可以為破解古代語言提供一種新型研究思路。

2022年11月，微軟亞洲研究院與首都師范大學甲骨文研究中心合作——基于自監督學習技術構建的甲骨文校重助手Diviner，大幅提升了甲骨文校重工作的效率，開創了人工智能與人類專家協作的全新研究范式。[6]

3.科研工具創新。人工智能不僅可以作為科研算法，而且也可以作為科研工具。2023年3月，自然科學基金委發布“人工智能驅動的科學研究”專項工作部署，學術界進一步關注到人工智能在各領域科研（AI for Science）的重要意義。在2022科學智能峰會上，湯超院士指出，人工智能可以催生出各類科研工具，不僅能夠用于學科科研、技術創新和成果轉化，還可以用于發現新興研究領域甚至以AI啟發對人腦、人類智能的理解[7]。各學科研究范式可以以大模型為依托，建立自己的算法模型，實現領域實驗的分析和產業化應用。

2023年4月，上海人工智能實驗室協同中國科學技術大學、上海交通大學、南京信息工程大學、中國科學院大氣物理研究所及上海中心氣象臺發布“風烏”大模型，使得全球氣象有效預報時間首次突破10天。這是在地球科學的人工智能（AI for Earth）的一次探索，證明了人工智能在可信計算上的實力。

4.科研環境創新。2022世界人工智能大會以“智聯世界 元生無界”為主題，描繪了未來的科研環境可以是以元宇宙為代表的無邊界世界。元宇宙是指在一個與物理世界平行的巨大虛擬環境，學習者通過數字化身進行交互。元宇宙為學術創新提供了一個虛擬的、充滿無限可能的探索空間，作為一個新興技術，其在各學術領域的應用值得深入挖掘與分析。[8]

元宇宙依托人工智能計算，構建出的現實與虛擬相互聯結的世界可以創設沉浸式探究情境、虛擬協作空間等，為科研創新提供了有利的環境支撐。研究者可以跨越時間和空間，在同一個虛擬環境中研討、辦公，不再受到物理條件的限制和制約。甚至，可以制作一個屬于自己的個性化數字人，代替自己在虛擬空間與他人交流，經過一段時間的智能化演算，數字人可以在已有經驗基礎上自我成長，為研究者提供即時可靠的研究建議和幫助。

總結與展望

高等教育應該拓寬其教育面，成為終身學習的引擎；培養適應社會的學習者，基于對美好生活向往的視角。考慮到科技進步的速度，我們可以預測到計算機、機器人、人工智能會錯綜復雜地融入我們個人生活和職業生活中。這個世界會變得不同，既有機遇，也有挑戰。面對機遇，需要重點關注以下三個方面。

1.轉變固有觀念，深刻認識人工智能對促進教育教學發展的意義。人工智能與教育有機融合的學習方式正在發生巨大的改變，讓教育研究者、實踐者和學習者都更深刻認識到，以智能化和數字化為代表的現代技術不斷重塑與再造了教育的方方面面。人工智能已經從以前那個不確定、不穩當的模糊狀態，走向越來越明晰的可用解決方案。因此，我們不能懼怕技術帶來的學習變革，而要積極擁抱技術，不拘一格將人工智能與傳統學習模式相結合，努力發展中國特色世界先進水平的優質教育，有效運用技術培養創新人才，實現教育現代化。

2.促進技術發展，不斷探索更多能促進學術創新的人工智能。在技術的創新發展方面，呈現出技術的多元化發展與教育深入融合的趨勢。從開放教育的學習技術和學習策略創新，到強調個性化學習的大數據分析等，人工智能在教育領域的應用前景和潛在意義也越來越大。當前，在各個學術領域中都可以看到人工智能的身影，研究者和實踐者不斷將人工智能作為一種工具，在實際學科問題中針對性地開發和改進相關技術，以加快學術成果的誕生和產業化轉型。

3.推進創新應用，創新人工智能在教育教學中的應用模式。人工智能、大數據、虛擬現實等為代表的先進技術與教育各領域的緊密融合需要不斷嘗試新的應用模式。縱觀現有的學術創新應用領域，可以發現絕大多數應用領域是近些年才涌現出來的，這啟示我們要加大力度探索開發人工智能在學術創新中的應用模式，確保技術能夠充分合理地推動學習創新與學術變革，實現全方位突破。

同時，濫用人工智能也成為人類需要面對的一種挑戰。在使用人工智能的同時，個人信息也會更多地暴露出來，要在考慮使用便捷性的同時，考慮如何對個人身份信息的加密和脫敏。聲紋識別已經受到關注，可以通過語音合成來模擬一個人的個人特征，因此個人特有的一些生物信息，也逐漸成為隱私的一部分。針對生成式人工智能（AIGC），2023年4月國家互聯網信息辦公室起草了《生成式人工智能服務管理辦法（征求意見稿）》，向社會公開征求意見，對可能出現的各種技術濫用提出了規范。在學習與科研時，獲取和使用數據要注意符合倫理規范，切勿私自盜用、濫用數據，造成未脫敏數據的泄露。

人工智能在學習變革與學術創新上，既有機遇，也有挑戰。善用人工智能，使之不同！

本文受全國教育科學規劃教育部重點課題“智能教育視角下基于眼動追蹤的在線學習認知模型及自適應機制研究”（課題編號：DCA220453）資助

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部. 教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[Z]. 教技﹝2018﹞6號，2018-04-18.

[2]中華人民共和國教育部. 教育部關于印發《高等學校人工智能創新行動計劃》的通知[Z]. 教技﹝2018﹞3號，2018-04-03.

[3]薛耀鋒，曾志通，王亞飛，等.面向區域教育治理的學生畫像研究[J].中國電化教育，2020（3）：62-68.

[4]薛耀鋒，李佳璇.基于眼動追蹤的在線同步學習系統可用性評測[J].現代教育技術，2021，31（12）：85-93.

[5]張立強，蔣有錄，劉太勛，等.油田地質實習虛擬仿真實驗教學體系的構建[J].中國地質教育，2020，29（1）：106-110.

[6]人工智能開啟甲骨文整理研究新范式[EB/OL]（2022-11-22）[2023-04-14]. https：//www.msra.cn/zh-cn/news/features/oracle-bone-script.

[7]2022科學智能峰會回顧｜湯超院士：關于AI for Science的幾層意思 [EB/OL].（2022-08-15）[2023-04-14]. http：//cqb.pku.edu.cn/info/1065/1851.htm.

[8]薛耀鋒，朱芳清，王坤.元宇宙：下一代學習空間[J].基礎教育，2022，19（2）：23-32.

（作者單位：華東師范大學教育信息技術學系暨上海數字化教育裝備工程技術研究中心）

[責任編輯：于 洋]