探索人工智能技術在高等教育改革中的應用

摘要：人工智能技術的杰出表現吸引了眾多學者對于將人工智能技術應用于教育行業的研究。無論從學校教學管理還是教師教學輔助和學生學習引導，在高等教育中應用人工智能技術都不可避免并且具有迫切需求。新技術的實施會面臨工作量增加等挑戰，同時可能存在隱私保護不當等風險。針對以上問題，持續、合理的監督機制等應對方案需要同時實施。研究表明，在人工智能蓬勃發展的時代，充分利用以其為代表的新信息技術，抓住機遇，做好充分準備，迎接挑戰，做出調整，將實現教育變革的又一次飛躍。

關鍵詞：高等教育改革人工智能應用教學輔助教學管理

ExploretheApplicationofArtificialIntelligenceTechnologyinHigherEducationReform

ZHANGXingliGAOMingliangJINJinZHOULijun

SchoolofElectricalEngineering，NorthwestMinzuUniversity，Lanzhou，

GansuProvince，730030China

Abstract：Theremarkableperformanceofartificialintelligence（AI）technologyhasattractedmanyscholarstostudytheapplicationofAItechnologytotheeducationindustry.Whetherinschoolteachingadministration，teachingassistanceforeducators，orpersonalizedlearningguidanceforstudents，theapplicationofAItechnologyinhighereducationisinevitableandurgentlyneeded.Theimplementationofnewtechnologieswillfacechallengessuchasincreasedworkload，andtheremayberiskssuchasinadequateprivacyprotection.Addressingtheseissuesrequirestheimplementationofongoing，sensiblesupervisionmechanismsandotherappropriatemeasures.StudiesindicatethatintheeraofburgeoningAI，harnessingthepotentialofnewinformationtechnologies，includingAI，beingproactiveinreadiness，confrontingchallenges，andmakingnecessaryadjustmentswillfacilitateasignificantleapforwardineducationalreform.

KeyWords：Highereducationreform;ArtificialIntelligenceapplication;Teachingassistance;Teachingadministration

隨著核心算法的突破、計算能力的提升及海量互聯網數據的支撐，人工智能技術也迎來了質的飛躍，其技術的發展和在各行業的應用是世界各國爭相關注和研發的焦點。包括了深度學習、計算機視覺和自然語言處理技術在內的人工智能，在不斷突破人類智能的界限。高等教育的未來與其密不可分，人工智能在高等教育中的應用成為高等教育最強大的變革推動者之一已經成為國際共識[1，2]。

1高等教育中引入人工智能應用的迫切性

目前，人工智能在教育領域的應用主要體現在將其相關技術作為輔助學習的工具和應用在智慧校園等方面。工具型輔助教學包括AI+大數據、語音語義識別、計算機視覺識別等應用，使線上教育產品趨于個性化。智慧校園將以大數據為基礎的校園工作、學習和生活一體化，以各種應用服務系統為載體，使教學、科研、管理和校園生活充分融合。本文中的討論以輔助教學工具的應用為主。

從學生的角度來講，他們獲取新知識的途徑和媒介由于互聯網和物聯網相關技術的發展，相較于之前的任何時期，都更加地多樣化。由于新知識的寬泛程度和獲取的容易程度提高，學生由被動接受，變成了對于符合自己需求和特點的知識的主動選擇。傳統的教學方式無論是從內容還是形式上，都已經無法滿足學生獲取知識的需求。從教師的角度，在內容上，人類無法以計算機那么快的速度更新知識，也無法提供互聯網所能達到的全面性。在形式上，人灌或者“機灌”都會導致學生很快失去對課堂的注意力[3]。

人工智能應用程序的前景在于它們的效率和功效。人工智能系統可以捕獲范圍更廣、粒度更細的數據，能以極低的成本快速地提供出色的觀察和推理。類似ChatGPT的大型語言模型的人機交互方式，可以根據提示語言進行內容生成、代碼編寫、論文撰寫，似乎更能吸引青年一代的注意力。于是引發了對教育方式的思考，何不結合這些人工智能方法到教育中，寓教于樂，達到更好的教學效果？聯合國教科文組織于2021年出版的《人工智能與教育：政策制定者指南》就包含有關使用人工智能進行教育管理和交付、學習和評估以及增強教師能力和加強教學等方面的章節[4]。他們最近還發布了ChatGPT和高等教育的快速入門指南，概述了ChatGPT的工作原理以及如何在高等教育中使用[5]。

2應用的具體措施

人工智能在教育領域不僅會對未來學校的管理、教育方式和學習方式產生重大影響，更重要的是牽動教育理念的變化，推進人工智能與教育融合發展，是時代賦予教育的使命。

2.1學校層級的教學管理

2.1.1

提供預測信息類：選取影響學生選課的主要因素（如學時、課程所屬科目、教師、授課方式、考試形式、考核方式設置等）作為特征，建立預測模型去預測其他課程的選課情況。使用神經網絡算法訓練以往的數據去預測各省份錄取新生報到注冊率，提前進行合理的資源安排，如寢室分配、班級分配等。Chu等人總結了1996年至2020年高等教育中被引用次數最多的50篇人工智能論文，發現對學生學習狀態的預測是最常討論的[6]。

2.1.2

因素分析類：有研究人員使用人工神經網絡、決策樹和邏輯回歸三種機器學習算法分析學生輟學的可能因素和預測輟學。作者以最近8年中25224名美國大學新生的數據作為特征，如年齡、性別、種族、績點、學費的來源等，得出結論：對本科生輟學影響最大的因素是學生的學習成績和他們是否獲得了經濟支持[7]。學校可根據預測結果，向有輟學風險的學生提供必要的幫助和支持。另外，對于就業方向迷茫并且愿意提供自己成長數據的學生，可以通過基于數據的分析，幫助學生在就業選擇方向上給出參考[8]。

2.1.3

人工智能技術支撐的智慧教室實現輔助教學功能。在工科的專業課中，教師經常需要在課堂上演示儀器的使用和結構。目前還是主要通過多媒體圖片和視頻等形式，展示的實物都是二維的，很難使學生真正全面地看到要展示的儀器的內部結構和理解其工作原理。如果在類似這樣的課堂中引入AR/VR技術，當學生點擊儀器某個部位的時候，該部位就可以從整個儀器中分解出來，并且可以通過拖拽放大以三維的形式呈現在學生眼前，他們就可以了解該零件更多的細節。其次，可實現更生動地遠程教學，特別是對于工程專業的學生，有行業經驗的工程師可以在工廠實地進行實踐示范教學。另外，對室內環境的智能感知控制可以提供更舒適的學習環境，如室內燈光、溫濕度、空氣質量等。最后，學生出勤率、學生課堂反映統計分析，可以精準地提前察覺學生在學習上的異常，教師可以及時對于這些學生予以關注和幫助。

智慧教室可以進行數據采集，根據學生正在查看的內容和持續的時間、交互的動作、面部表情識別（如傾聽、思考、疑惑、走神等）和眼睛專注（如跟蹤學習者眼球運動識別其無聊和注意力分散狀態）的時長等信息，基于關注度、參與度、疑難度、活躍時間等方面數據評價課堂教學效果。通過模型的分析，教師可以實時學生得到學生關注的知識內容、情緒感知與狀態等信息的總結，教師隨時調整授課方法或鼓勵學生互動[9]。有研究人員基于師生對話文本及計算機視覺技術（包括表情識別與視線檢測）建立課堂教學自動評價體系[10]。多模態數據下的課堂教學評價模型，挖掘了數據間的內在關聯，可以更客觀及時地給予教師和學生反饋。

2.2教師層級的教學輔助

實際上人工智能技術已經在不知不覺中進行著教學輔助工作。比如老師們在工作中常用到的word，其中已經集成了利用了深度學習和自然語言處理技術的拼寫檢查和用詞建議功能。教師可以使用ChatGPT起草課程大綱，生成講課內容、作業題目和評分標準。人工智能技術的應用可以實時分析學生的表現數據，教師能更早地識別學習差距，調整教學策略，為有困難的學生提供額外的支持。在考試后的閱卷中可以運用計算機視覺技術，通過將掃描后的試卷進行識圖處理，提取其中的作答部分，與預設的評分規則進行對比，實現自動評分。利用機器學習算法訓練打分模型，還可以對主觀題進行評分。讓老師有更多時間用于課程的創新和專業領域的科學研究等具有更高價值的工作，同時緩解了人類偏見在主觀題上評分造成的誤差。2019年的一項研究表明，在人工評分的論文數據集上訓練生成的模型與人工評分的相關性為0.86，能很好地識別好的論文的關鍵特征[11]。考試結束后，通過機器學習方法分析歷年試卷，建立知識點庫，利用歷年學生答題的對錯情況，1、將知識點分難、中等、容易等；2、失分多的地方在之后的教學中注意加強講解，優化課程學時的分配。

2.3學生層級的學習引導

人工智能技術整合開放的教育資源，并可以精準地推送給學生。許多在線課程資源免費開放，學生可以聽到名校教師講課，使教育資源的分配更加平均，彌補了國家之間、地區之間的教育資源差距。相比于傳統的如教科書的教育材料，開放式教育資源可以快速更新、調整和改進。人工智能學習系統提供引人入勝的交互式學習體驗來提高學生的參與度，如交互式測驗或游戲，幫助學生學習和練習重要概念。虛擬聊天機器人助教提供隨時隨地的輔導。美國佐治亞理工學院和瓦爾登大學的人工智能虛擬研究生助教（JillWatson和Julian）可以在任何時間在在線論壇上回答學生的問題。類似ChatGPT的大語言模型，通過聊天的方式與學生進行交互，可以根據學生的個人學習需求和進度，為他們提供個性化輔導和反饋。研究表明，基于生成模型的對話代理通過給學生提供個性化的教學輔導，幫助學生提高了學習成果[12]。ChatGPT還可以幫助工程相關學科的學生編寫代碼、調試程序和理解算法。它以所有互聯網上的知識為背景，通過提供來自多個領域的見解來彌合這些跨學科差距，可以促進對復雜問題的整體理解。計算機視覺技術可以實現拍照搜題，然后推送相應的視頻講解相關的問題。

3可能面臨的挑戰

新的人工智能系統平臺的使用，需要教師參加培訓和學習。教師要制訂新的教學方案，調整教學內容和教學方法，使教學和教輔崗位的工作量都大幅度增加，導致他們不愿意去探索人工智能應用在高等教育中的潛力。推進的速度過快，教職員工則可能產生抵觸情緒。人工智能技術的加入會要求引入新的技術和設備，這些在建設初期會造成學校運營的成本增加。

4需要做出的調整

相關應用人員培訓：引入新的科技雖然不能取代教師，但使用科技的教師能取代不使用科技的教師。培訓的重點之一是使被培訓人員意識到改革的重要性、緊迫性和它帶來的好處。培訓需要行政人員和教師了解這些工具的優點和缺點，并明確教師的參與會使數據集更健全，模型更健壯，得到的結果更準確。培訓和新技術的引進都需要循序漸進。學校需要在全校范圍內討論人工智能對行政管理、教學和科研的影響。人工智能對于現代先進高效的教育方式已經是必選項。校方必須仔細評估人工智能將如何影響未來的勞動力市場，包括教育行業。這種分析應該能使教育工作者和學生都重新思考教育途徑，讓老師和學生都為人工智能將在其中發揮重要作用的混合勞動力市場做好準備。同時，學校應該組建專門的人工智能項目組，分析結合自己學校的特點，研究將人工智能加入教育中將帶來的復雜性和挑戰。同時注意討論并解決諸如數據收集和所有權、知識產權、數據存儲、安全以及各利益相關者的權利和隱私等問題。學校需要安排教師參加培訓，學習人工智能技術在教育中的融合方法，將人工智能技術納入其教學計劃中。了解人工智能的局限性及在教育中教師的價值的保留是也是必不可少的一部分。

伴隨著人工智能技術不可避免地融入，高等教育的主要目標發生了改變，重點從培養與信息識別、收集、理解和應用解決問題相關的技能轉向磨練研究技能，包括信息分析、比較、評估、篩選、解釋以及生成和創建的能力。這種轉變鼓勵學生在新技術快速涌現和迭代的時代，不斷發現新的挑戰并思考設計最佳解決方案。

人工智能技術引入教育的不斷完善需要建立一個持續的監督過程來檢查這些工具是否有效，是否對應用的學生群體有效。需要建立合理全面的評分機制，周期地對當前的方法進行審核，及時了解目前的方法是否依然有用。在使用的過程中持續地聽取學生和教職工的意見，了解他們的擔憂以及他們希望從應用中得到什么結果。

各個部門要將數據電子化，并對多元異構的數據進行清洗、整合、挖掘和關聯分析，才能實現更準確的預測和推送。要求領導層有更好的統籌規劃和各部門的協調和溝通能力。

5可能存在的風險

數據可能是過時的和片面的。用十年前的學生的數據建立的模型就未必適用于當代的學生；排名差別過大的學校的學生數據互用，也會導致不準確的推薦。有錯誤或者帶有偏見的數據也會污染模型，導致AI生成的結果成為了偏見延續甚至強化，讓學生獲得不客觀或不公平的教育體驗。需要提前分析應用的場景，對數據進行謹慎的篩選和清洗，建立合理的評估標準。

類似于ChatGPT的輔助工具的使用可能會引發抄襲、知識產權等道德和法律問題，擾亂學術誠信。盡管人工智能生成的內容檢測工具的研發數量一直不停地增長，高校和教師們仍需要仔細考慮這些道德和法律因素。

學生在學習中過度依賴人工智能技術，或者完全相信其產生的答案，懶于思考，失去獨立思考能力和批判性思維。人工智能可以總結提煉已經存在的知識，但無法取代培養學生的思考能力。需要教師引導學生如何正確地使用人工智能工具和技術；虛擬助教的設置要引導學生思考并逐步得出正確答案，而不是直接給出最后答案。

隱私和數據保密問題。要對學生做個性化定制，需要大量收集他們的數據，可能導致由數據泄露和數據濫用帶來的數據隱私的安全風險。使用者需要接受關于數據使用的倫理、道德、法律的培訓。機構需要建立完善的數據監管機構。

運用人工智能進行作業批改，雖然能極大地提高效率，但存在著標準化批改問題，學生思維的多樣性會因消極的評分反饋而制約。需要教師的不斷參與反饋修正模型，使模型更加健全。線上的工具也會削弱學生對教師的信任度，但師生關系與學生的大學體驗和學習興趣息息相關。要求教師與學生更多地溝通交流，鼓勵學生表達自己想法的多樣性。

僅依賴技術指標可能導致不完善的評價體系。如僅依靠課堂教學的共性特征設計指標（如追蹤學生眼球的轉動來推斷學生的注意力是否集中，進而判斷教師課堂的吸引力）只能評價教師教學的基本規范，無法使評價深入學科。如果課堂授課內容設置得相對簡單的話，可以在統一的評價方式下得到較高的分數。

6、結語

高等教育要擁抱和善于利用人工智能，而不是忽視、害怕或者抵觸，高等教育機構應該認真制訂計劃來采用和整合這項技術，教育理念、目標和評價體系同步改革，幫助學生做好在人工智能無處不在的世界中工作的準備。人工智能技術不會終結教育，只會為加速教育轉型提供巨大幫助。人工智能賦能教育的宗旨是以人工智能技術為手段，實現更高效的教育，需警惕因為在技術上的過度注意而忽略了應用的目的和教學改革的主體。

參考文獻

[1]嚴曉梅，高博俊等.智能技術變革教育的發展趨勢[J].中國電化教育，2019（7）：31-37.

[2]余勝泉.“互聯網+”時代，教育走向何方[J].中國德育，2017（14）：46-50.

[3]祝士明，劉帥瑤.世界高校智能教育的發展脈絡及啟示[J].中國電化教育，2019（11）：49-59.

[4]FengchunMiao等.AIandEducation：GuidanceforPolicy-Makers.UnitedNationsEducational，ScientificandCulturalOrganization，2021.

[5]EmmaSabzalieva，AriannaValentini.ChatGPTandArtificialIntelligenceinHigherEducationQuickStartGuide.UnitedNationsEducational，ScientificandCulturalOrganization，2023.

[6]Chu，H.，Tu，Y.，&Yang，K..Rolesandresearchtrendsofartificialintelligenceinhighereducation：Asystematicreviewofthetop50most-citedarticles[J].AustralasianJournalofEducationalTechnology，2022，38（3）：22–42.

[7]Feng，S.，Zhou，S.，Liu，Y.Researchondatamininginuniversityadmissionsdecision-making[J].InternationalJournalofAdvancementsinComputingTechnology，2011，3（6），176–186.

[8]DouglasBelkin.CollegesMineDataonTheirApplicants[EB/OL].（2019-01-26）[2024-03-10].https：//www.wsj.com/articles/the-data-colleges-collect-on-applicants-11548507602

[9]韓麗，李洋等.課堂環境中基于面部表情的教學效果分析[J].現代遠程教育研究，2017，（4）：97-103.

[10]駱祖瑩，張丹慧.課堂教學自動評價及其初步研究成果[J].現代教育技術，2018，28（8）：38-44.

[11]Kim，S.，Park，J.，Lee，H.Automatedessayscoringusingadeeplearningmodel[J].JournalofEducationalTechnologyDevelopmentandExchange，2019，2（1），1-17.

[12]Chen，Y.，Chen，Y.，Heffernan，N.（2020）.Personalizedmathtutoringwithaconversationalagent.arXivpreprintarXiv：2012.12121.