基于對比視角下人工智能教育應用研究的分析

肖 康　

基于對比視角下人工智能教育應用研究的分析

肖 康

（淮北師范大學，安徽 淮北 235000）

目前人工智能技術在教育領域的應用多停留于淺層次、小范圍的實踐應用層面，難以與真實狀態下的大規模教育實踐相結合。為探尋指引我國教育實踐的人工智能教育應用研究存在的誤區，以人工智能教育應用為主題，選取近12年WOS核心數據庫與知網CSSCI類的相關文獻，借助CiteSpace對國家合作網絡以及關鍵詞進行知識圖譜對比分析，并采用內容分析法對國內外高被引文獻進行對比分析，發現目前人工智能教育應用研究存在著研究主題寬泛、學生的主體地位不足、研究周期短、國際交流不足、實證研究較少的問題。

人工智能教育應用；對比研究；對比視角

引言

“人工智能”一詞起源于20世紀50年代，在歷經三次高潮三次低谷發展后，如今已取得了突破性的進展。世界各國高度重視人工智能對教育的推進，國內外針對人工智能教育應用的政策層出不窮，這加速了人工智能技術在我國教育領域的應用。然而，我國的人工智能教育應用研究尚處于探索階段，在教育實踐中仍存在較多問題。如在職業教育中表現出信息化管理效率低、科學決策水平低等現象[1]；中小學人工智能教育課程存在“知識塊龐雜、工具觀單一、生師比懸殊”等問題[2]；特殊教育領域中利用人工智能技術實施缺陷補償的人群有限等不足[3]。因此，有必要以國內外視角對比分析人工智能教育應用研究，探尋指引教育實踐的人工智能教育應用研究中存在的問題，借鑒吸收國外相關研究成果，用理論指引實踐，從而推動人工智能技術與我國教育實踐深入結合。

本研究以人工智能教育應用為主題，選取了2010—2021年間CNKI數據庫的CSSCI類文獻和WOS核心數據庫的英文文獻，并運用CiteSpace軟件定量分析所選取的文獻數據，從發文量、合作網絡、關鍵詞等比較國內外在人工智能教育應用研究內容和研究熱點上的異同，同時結合高被引文獻進行內容分析，在比較中結合我國教育實踐出現的問題，探尋問題所在，以期對我國人工智能教育應用研究的方向與著重點有所啟發，助力人工智能技術在教育實踐層面的融合深化。

1 數據來源與研究工具

1.1 數據來源

為了使此次選取的人工智能教育應用的文獻更具代表性，研究結論更為準確有效，本文選取2010—2021年間中國知網CSSCI期刊論文數據庫與Web of Science（WOS）核心數據中的相關文獻，采用組合檢索與合并去重的方式進行。首先，在WOS核心數據庫中以“artificial intelligence”與“education”為主題進行“與（and）”搜索，共獲得2 823條記錄，并再次以“AIED”為主題進行檢索，共獲得140條記錄，將兩次的檢索結果進行人工篩選與合并去重，共獲得1 203條記錄；其次，在中國知網（CNKI）平臺上，對CSSCI期刊類的論文進行篩選，分別以“人工智能+教育”“人工智能*教育”及“智能教育”為主題進行搜索，并對檢索的文獻進行人工篩選與去重，獲得916篇相關文獻。

1.2 研究工具

此次研究運用陳超美博士團隊開發出來的CiteSpace軟件，利用CiteSpace5.8.r3c來分析已收集到的有關人工智能教育應用的數據集，由此獲得國內外關于人工智能教育應用研究的整體概況與主要領域，從而反思目前國內相關研究的問題所在，助力人工智能教育研究的深入推進。

2 知識圖譜分析

2.1 總體發文量對比分析

論文總體發文量體現了人工智能教育應用研究的熱度與趨勢。由圖1可知，國內外人工智能教育應用研究的總體發文量呈現冪指數增長，表明國內外學者都對該領域投入大的精力與熱情，意識到了人工智能技術在教育領域的巨大潛能。此外，2016年是我國人工智能教育應用的一個關鍵轉折點。2016年之前，發文量僅為個位數，2016年之后，發文量直線上升，而這很大一部分是由于國家相關政策的出臺，如2016年與2017年陸續出臺的《機器人產業發展規劃（2016－2020年）》《新一代人工智能發展規劃》，這表明政府的支持是人工智能教育應用研究的強大推動力。

圖1 總體發文量對比圖

2.2 國家合作網絡分析

國家合作網絡分析從網絡的視角呈現出該研究領域國際學術交流的概況，體現了學術活力與領域知識更新迭代的速度。由于國內外人工智能技術發展的差異以及人工智能教育應用的復雜性，更有必要加強相關領域的合作與交流。

用CiteSpace軟件對選取的WOS數據庫進行國家合作網絡分析，結果如表1所示。在發文量上，中國學者的發文量穩居第一，遠遠高于西班牙等國家學者的發文量。然而，我國學者合作的中心度卻只有0.07，遠低于發文量位于前五的其他國家。這表示我國的學者在國際合作上的參與度較低，盡管發文量很高，但與國際的學術交流不足。因此，由國家合作分析可知，我國學者應當加強國際間的交流與合作，從而為解決人工智能在教育實踐應用中的難題做好充足的理論準備與實踐經驗，推進人工智能教育應用的廣泛深入發展。

表1 發文量位于前五的國家中心度表

國家中國美國西班牙英格蘭加拿大 發文量/篇252225757059 中心度0.070.240.190.210.26

2.3 關鍵詞對比分析

對國內外相關研究的關鍵詞進行對比分析，有助于更為直觀地展示國內外研究重點的差異。從關鍵詞聚類分析、詞頻分析、膨脹詞分析三個方面對研究的熱點領域與持續時間進行探析[4]，有利于人們從已有研究成果的角度出發，思考人工智能教育應用研究存在的問題。

2.3.1 關鍵詞聚類分析

首先，采用Citespace軟件對CNKI中的文獻數據進行聚類分析所得到的Q＝0.47，S＝0.85，再對WOS中的文獻數據聚類，得到Q值為0.76，S值為0.87，可知兩個數據庫的總體聚類效果都較好。由圖2與圖3可知，國內外的研究主題既存在差異，也有著相似之處。其中，相同之處在于國內外都對人工智能技術本身關注密切，如國內的關鍵詞“人工智能”“學習分析”，國外的關鍵詞“機器人”。同時，國內外學者都很關注人工智能技術給學習者帶來的影響，如國內關鍵詞“人才培養”，國外的關鍵詞“K-12”“自適應學習”。然而，不同之處在于國內從整體的視角研究人工智能環境下的學習者，以“人才培養”為主題，較為籠統，而國外的研究主題更細化到某一具體領域，如“醫療教育”“K-12”，研究更細化，更有針對性，能落實到實踐中的概率也更大。

圖2 CNKI關鍵詞聚類圖譜

圖3 WOS關鍵詞聚類圖譜

由于不同學段、不同學科等特定背景下的學習者之間存在著差異，如初中生與大學生，特殊兒童與正常兒童等，則該特定對象參與的人工智能教育實踐也有著不同之處。人工智能教育應用研究更應當聚焦于某一具體學科或學段，深入實踐，細化研究主題，有針對性地研究某一學段、學科或學生群體，與真實狀態下的教育實踐相結合。

2.3.2 關鍵詞詞頻對比分析

近12年國內外的人工智能教育應用研究的高頻關鍵詞及其中心度如表2所示，結合關鍵詞的頻次與中心度進行分析，國內的相關研究以人工智能為核心，并以該技術引起的教育新生態為重點，如智能教育、智慧教育。較之國內，國外的研究則著重突出了“學生”這一關鍵詞，且對教育系統的重視程度高于技術本身。由此可知，在人工智能教育應用研究中，國內更側重于把握人工智能教育應用的整體發展方向，但沒有體現出學生在人工智能教育應用研究中的主體地位。然而，學生的主體地位在人工智能教育應用研究中仍然值得重視，研究要貼近學生的學習，重視學生在人工智能教育應用中的認知、情感、體驗，學生對人工智能技術的接受度越高、適應性越強，人工智能與教育實踐的結合也會越緊密，從而有效緩解“強行拼湊”的現象。

表2 高頻關鍵詞及其中心度的中外對比表

序號關鍵詞頻次中心度序號關鍵詞頻次中心度 1人工智能6281.531education480.09 2智能教育870.252system470.15 3大數據360.033student460.10 4人才培養350.024technology430.13 5智慧教育320.035ai410.08

2.3.3 膨脹詞對比分析

基于CNKI文獻與WOS文獻分析出的2010—2021年前十位膨脹詞，如表3所示。其中，基于WOS文獻分析出的2017年開始的膨脹詞有7個，但持續時間較短，如“深度學習”、“AI”等。此外，突現詞最長的持續時間是兩年，即“智慧教育”與“新工科”。基于WOS文獻分析出的膨脹詞的總體持續時間比CNKI的長，其中持續時間不低于兩年的膨脹詞就有7個。另外，各個膨脹詞的年度分布亦較為均勻，不似國內集中于2017年。從膨脹詞的持續時間可知，我國人工智能教育應用研究受外部的環境影響較大，如受2017年出臺的《2017新媒體聯盟中國高等教育技術展望：地平線項目區域報告》的影響，在2017年時出現了眾多膨脹詞，但同時研究熱情的消退亦較快，難以持續性地對某項主題進行長久深入的研究。

表3 國內外前十位膨脹詞及其持續年段

國內膨脹詞持續年段國外膨脹詞持續年段 智慧教育2016－2018Ability2013－2017 深度學習2017－2018Higher education2015－2018 AI2017－2018Environment2015－2017 學習分析2017－2018System2015－2016 創客教育2017－2018Game2015－2017 學習空間2017－2018Framework2016－2018 機器學習2017－2018Neural network2018－2019 新工科2017－2019Augment reality2018－2019 計算思維2018－2019Learning analytics2019－2021 智慧學習2018－2019Classification2019－2021

3 高被引文獻分析

文獻的被引量體現該文獻的學術價值與影響，文獻的被引量越高，表示學術界越認可該文獻，被引量較高的文獻往往具有較高的前瞻性與代表性。通過選取CNKI與WOS數據庫中被引次數位于前十的文獻，從理論探討與實證研究兩個維度對其做進一步的分析比較，進而揭示國內外人工智能教育應用研究的差異。

首先對國內的高被引文獻按被引頻次從高到低編碼為P0、P1、P2、P3、P4，再對國外的高被引文獻按被引頻次從高到低編碼為P′0、P′1、P′2、P′3、P′4，再依據文本內容從理論探究與實證研究兩個維度對其進行歸類，如表4所示。由表4可知，國內外的高被引文獻在這一維度上有著巨大的差異，國內的高被引文獻全部是從理論探究的維度研究人工智能在教育中的應用，重視宏觀理論的探討，如智慧教育、個性化學習理論等，多篇文獻探討了人工智能教育的內涵、應用、人才培養與發展趨勢，強調人工智能技術對整個教育系統帶來的影響與轉變；而國外的高被引文獻中實證研究占據了極大的比例，僅有《How to Grow a Mind: Statistics，Structure，and Abstraction》從理論探討的維度描述了對人類學習和認知發展進行逆向工程的方法，并對更人性化的機器學習系統進行了工程設計[5]，如Sylvain Calinon等[6]基于隱馬爾可夫模型和高斯混合回歸的方法得到模仿手勢的學習與再現；Jacob Whitehill等[7]分析人類從學習者面部表情判斷其參與度的信號，并使用機器學習自動化該過程，最后通過實驗證明了機器的執行精度與人類相當。

表4 國內外被引頻次位于前五的相關文獻維度劃分

維度文章名維度文章名 理論探討P0：教育人工智能(EAI)的內涵、關鍵技術與應用趨勢—美國《為人工智能的未來做好準備》和《國家人工智能研發戰略規劃》報告解析理論探討P′0：How to Grow a Mind: Statistics，Structure，and Abstraction P1：人工智能教師的未來角色實證研究P′1：Learning and Reproduction of Gestures by Imitation: An Approach Based on Hidden Markov Model and Gaussian Mixture Regression P2：構筑“人工智能＋教育”的生態系統P′2：The Faces of Engagement: Automatic Recognition P3：人工智能教育應用的現狀分析、典型特征與發展趨勢P′3：Multi-Modal Curriculum Learning for Semi-Supervised Image Classification P4：教育信息化2.0：智能教育啟程，智慧教育領航P′4：Parameters identification of photovoltaic models using self-adaptive teaching-learning-based optimization

4 研究結論

通過對國內外文獻進行知識圖譜分析與高被引文獻的內容分析，結合目前人工智能教育應用領域所存在的實踐問題，進而探知我國在人工智能教育應用研究中存在的問題，以期為我國人工智能技術在教育實踐中提供一定的啟示。

表5 國內外相關研究的異同

國內國外 研究主題1.重視人工智能等技術，如機器人、大數據；2.重視人才培養，如k-12；3.重視人工智能技術對教育的作用，如支持、融合。 較為宏觀，側重于理論探討，如智能教育、智慧教育。較為微觀，關注具體學段與學科，如k-12，醫療教育。 研究對象重視教育生態重視學生 國際合作較少較多 持續時間較短較長 分布年度較為集中較為分散 研究方法理論研究為主實證研究為主

由表5可知，人工智能教育應用研究存在的問題在于：

（1）研究主題不夠細化，未能聚焦于某一學科或學段。處于不同的學科與學段之間的學生、教師及其所處的環境存在著巨大的差異性，教育實踐中產生的具體問題也不盡相同，在人工智能的教育應用實踐中自然也不能一以貫之。人工智能教育應用研究應當基于某一具體學科或學段，結合該學科或學段的特殊性，因地制宜地開展研究，才能更有針對性解決該領域產生的實踐問題。

（2）忽略了學生的主體地位。盡管學習者的主體地位已多次被強調，但在研究主題上仍不足以體現出學習者的主體地位。多數研究僅從研究者或教師的視角分析學生在人工智能教育應用中的情感、認知等，而從學習者的視角來研究人工智能教育應用的文獻較少，忽視了學生對人工智能教育應用的接受度、適應性等。

（3）研究周期較短。人工智能教育應用由于自身的復雜性、交叉性，在研究中難免遇到困境與難題，需要研究者耗費較多的時間與精力專注于該問題。然而，經過前文膨脹詞的分析，發現我國的人工智能教育應用研究受外部影響較大，不利于研究的獨立性和持久性。

（4）國際合作交流不足。通過WOS數據庫中的國家合作網絡分析可知，我國學者在人工智能教育應用研究的國際合作交流不足，而人工智能是一門涵蓋了計算機科學、神經科學、生理學等的交叉學科，教育又是培養人且具有極其復雜性的社會實踐[8]，這便表明研究人工智能教育應用的學者需要加強學科間的交流與合作，豐富自身的理論素養。

（5）研究方法較為單一，實證研究稀缺。人工智能教育應用，從根本上來說是實踐的，是通過實踐應用實現其目的。然而，我國的人工智能教育應用研究實證研究比例仍較少，但以目前的教育領域發展趨勢來看，并非是國內對這一方面的研究有所忽視，究其根本，則是人工智能在教育應用領域的實證研究在實施的過程中存在著如技術層面、人才層面等方面的限制。

5 結束語

人工智能技術作為實現我國教育信息化的關鍵推動力，在教育領域受到了極大的關注。然而，人工智能技術的應用在教育實踐中存在著理想化的情況，對于殘障人群、弱勢群體等特定人群，相關的人工智能教育應用仍較少，難以與真實狀態下的大規模教育實踐相結合。人工智能教育應用研究作為人工智能教育實踐的重要引領，有必要對目前的人工智能教育研究進行整理反思，從而發現研究中存在的誤區。通過對近12年國內外的有關人工智能教育應用的文獻進行對比分析，從發文量、關鍵詞、合作網絡對文獻進行量化分析，并以國內外高被引文獻為研究對象，以內容分析法對比分析國內外高被引文獻的差異，研究發現人工智能教育應用研究存在著研究主題寬泛、學生的主體地位不足、研究周期短、國際交流不足、實證研究較少的問題。本文探尋人工智能教育應用研究中存在的問題，以期為后續人工智能教育應用研究的落腳點與著重點提供相應的啟發，助力研究與實踐的深入結合。

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Analysis of Artificial Intelligence Educational Application Research from a Comparative Perspective

At present, the application of artificial intelligence technology in the field of education is mostly limited to shallow and small-scale practical applications, making it difficult to combine with large-scale educational practices in real situations. In order to explore the misunderstandings existing in the research on the application of artificial intelligence in education that guide China's educational practice, with the theme of the application of artificial intelligence in education, the relevant literature of WOS core database and CSSCI class of the knowledge network in the recent 12 years is selected, and the knowledge graph of national cooperation network and keywords is compared and analyzed with CiteSpace. By using the content analysis method to compare and analyze the highly cited literature at home and abroad, it is found that the current research on the application of artificial intelligence education has some problems, such as broad research topic, insufficient subject status of students, short research period, insufficient international communication and few empirical studies.

artificial intelligence educational application; comparative study; comparative perspective

G47

A

1008-1151(2023)07-0171-04

2022-09-14

肖康（2003－），女，湖南邵陽人，淮北師范大學在讀碩士研究生，研究方向為在線教育。