人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究

摘" 要" 隨著人工智能技術(shù)對教育影響的不斷深入，人工智能技術(shù)與教育如何深度融合逐漸成為教育研究與實踐人員關(guān)注的熱點。基于以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計理論，依據(jù)人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用特點，提出人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用模式和應(yīng)用原則。

關(guān)鍵詞" 教育；人工智能技術(shù)；教學(xué)設(shè)計；深度學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）14-0041-03

0" 引言

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)快速發(fā)展，引起人們工作方式、生活方式的重大變革。在人工智能技術(shù)的影響下，教育領(lǐng)域也產(chǎn)生巨大變化，人工智能技術(shù)正在逐漸重構(gòu)教育形態(tài)，越來越多的教育研究與實踐人員關(guān)注人工智能技術(shù)內(nèi)涵、技術(shù)應(yīng)用模式等內(nèi)容。例如：賈積有[1]提出人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用發(fā)展方向；余明華等[2]探索機器學(xué)習(xí)在教育中的應(yīng)用；唐燁偉等[3]構(gòu)建STEM教育中的人工智能應(yīng)用模式。這些研究都是從某一方面論述人工智能在教育中的應(yīng)用，本文將從人工智能的發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用模式三方面系統(tǒng)論述人工智能在教育中的應(yīng)用，以期為相關(guān)研究與實踐者提供參考。

1" 人工智能技術(shù)概述

1.1" 人工智能的概念

對于人工智能概念的界定，不同學(xué)者從不同的角度進(jìn)行定義。例如：張坤穎等[4]從人工智能實際功能的視角出發(fā)，指出人工智能是智能機器通過模仿和執(zhí)行操作實現(xiàn)如推理判斷、習(xí)得新知、解決問題等人腦智能的人類智能相關(guān)功能的總和；賈積

有[5]提出人工智能是對人造機器實施的教育，即以計算機為主要代表而施以類人的教育以實現(xiàn)機器的類人智能；尼爾遜[6]認(rèn)為人工智能是關(guān)于知識的學(xué)科——怎樣表示知識以及怎樣獲得知識并使用知識的科學(xué)。從這些學(xué)者的觀點中可以抽象出幾個關(guān)鍵詞，即人類智能、機器模擬人類智能、技術(shù)等。因此，本文將人工智能界定為一種利用機器模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的科學(xué)和技術(shù)。人工智能的核心思想是讓機器像人類一樣具有感知、思考、學(xué)習(xí)、判斷和決策的能力，以解決復(fù)雜的現(xiàn)實問題。

1.2" 人工智能技術(shù)的發(fā)展

人工智能技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)50年代。當(dāng)時，計算機領(lǐng)域的科學(xué)家開始對機器如何模擬人類智能進(jìn)行探索。在20世紀(jì)早期，數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家開始探索機器如何進(jìn)行邏輯推理和符號推理，奠定了人工智能領(lǐng)域的基礎(chǔ)。1950年，人工智能的先驅(qū)艾倫·圖靈提出著名的“圖靈測試”：在人機分隔的情況下進(jìn)行測試，如果有超過30%的測試者不能確定被試是人還是機器，那么這臺機器就通過了測試，并被認(rèn)為具有人工智能。1956年，在美國達(dá)特茅斯學(xué)院舉辦夏季學(xué)術(shù)研討會上，達(dá)特茅斯學(xué)院助理教授John McCarthy提出的“人工智能”這一術(shù)語首次被正式使用，這次會議被認(rèn)為是人工智能的起點。20世紀(jì)70年代，專家系統(tǒng)開始興起，科學(xué)家通過計算機程序，利用知識庫和推理規(guī)則模擬專家決策過程。20世紀(jì)90年代，統(tǒng)計機器學(xué)習(xí)方法開始在人工智能領(lǐng)域占據(jù)重要地位，支持向量機（Support Vector Machines）和隨機森林（Random Forests）等算法得到廣泛應(yīng)用。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著計算能力的提升和大規(guī)模數(shù)據(jù)集的可用性，深度學(xué)習(xí)開始嶄露頭角。深度學(xué)習(xí)利用深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和推理，取得在圖像識別、自然語言處理等領(lǐng)域的突破。隨著時間的推移，人工智能技術(shù)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，包括機器視覺、自然語言處理、機器人技術(shù)等。2015年，基于深度學(xué)習(xí)的人工智能算法在圖像識別準(zhǔn)確率方面第一次超越人類肉眼，人工智能實現(xiàn)飛躍性發(fā)

展[7]。隨著機器視覺研究的突破，深度學(xué)習(xí)在語音識別、數(shù)據(jù)挖掘、自然語言處理等不同研究領(lǐng)域相繼取得突破性進(jìn)展。2016年，微軟將英語語音識別詞錯率降低至5.9%，可與人類相媲美。如今，人工智能已由實驗室走向市場，無人駕駛、智能助理、新聞推薦與撰稿、搜索引擎、機器人等應(yīng)用已經(jīng)走進(jìn)社會生活[8]。

2" 人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀

人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用正日益普及和深入，目前常見的應(yīng)用如下。

2.1" 智能化教育平臺

人工智能技術(shù)可以通過智能化教育平臺的開發(fā)，為學(xué)生提供更加個性化和精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)服務(wù)。如通過對學(xué)生學(xué)習(xí)行為和數(shù)據(jù)的分析，為學(xué)生提供更加個性化和精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)計劃和指導(dǎo)，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率和成績。國家智慧教育平臺、網(wǎng)易有道課堂、百度知道等，都是利用人工智能技術(shù)構(gòu)建的智能化教育平臺。

2.2" 智能化教學(xué)輔助工具

人工智能技術(shù)可以通過智能化教學(xué)輔助工具的開發(fā)，為教師提供更加智能化和高效的教學(xué)服務(wù)。如通過對學(xué)生學(xué)習(xí)行為和數(shù)據(jù)的分析，為教師提供更加精準(zhǔn)的教學(xué)計劃和指導(dǎo)，幫助教師提高教學(xué)效率和質(zhì)量。小猿搜題、作業(yè)盒子、阿凡題等，都是利用人工智能技術(shù)開發(fā)的智能化教學(xué)輔助工具。

2.3" 智能化學(xué)習(xí)評估系統(tǒng)

人工智能技術(shù)可以通過智能化學(xué)習(xí)評估系統(tǒng)的開發(fā)，為學(xué)生提供更加精準(zhǔn)和客觀的學(xué)習(xí)評估。如通過對學(xué)生學(xué)習(xí)行為和數(shù)據(jù)的分析，為學(xué)生提供更加客觀的學(xué)習(xí)評估和反饋，幫助學(xué)生更好地了解自己的學(xué)習(xí)情況和進(jìn)步方向。阿里云天池、騰訊云課堂、百度AI大賽等，都是利用人工智能技術(shù)開發(fā)的智能化學(xué)習(xí)評估系統(tǒng)。

2.4" 虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（VR）與增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)可以通過模擬真實或虛構(gòu)的場景，為學(xué)生提供沉浸式和體驗式的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可以在安全、方便、有趣的環(huán)境中探索知識，激發(fā)興趣和創(chuàng)造力。VR課堂、AR課本、VR博物館等，都是利用虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的教育應(yīng)用。

2.5" 智能機器人與智能控制技術(shù)

智能機器人與智能控制技術(shù)可以通過模擬人類或動物的行為和思維，為學(xué)生提供互動式和情感式的學(xué)習(xí)伙伴，學(xué)生可以與機器人進(jìn)行對話、游戲、合作等活動，培養(yǎng)語言、邏輯、社交等能力。小米小愛同學(xué)、阿里小蜜、樂高機器人等，都是利用智能機器人與智能控制技術(shù)開發(fā)的教育應(yīng)用。

3" 人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用模式

3.1" 理論依據(jù)

教學(xué)設(shè)計模式分為以教為主的教學(xué)設(shè)計模式、以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模式和“雙主式”（教師主導(dǎo)和學(xué)生主體）教學(xué)設(shè)計模式[9]。基于人工智能的教學(xué)設(shè)計模式是以學(xué)生為中心，更多基于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，因此，本文選擇以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模式為基礎(chǔ)展開具體的設(shè)計。以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模式包括教學(xué)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)者特征分析、學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)、信息資源的設(shè)計與提供、自主學(xué)習(xí)設(shè)計、協(xié)作學(xué)習(xí)設(shè)計、學(xué)習(xí)效果評價設(shè)計等七個方面[9]。

3.2" 人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用模式設(shè)計

基于以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模式，結(jié)合人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用特征，構(gòu)建人工智育技術(shù)在教育中的應(yīng)用模式，如圖1所示。

3.2.1" 需求分析

對學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和目標(biāo)進(jìn)行分析，了解學(xué)生的知識水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格和興趣愛好，確定學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求。

3.2.2" 數(shù)據(jù)收集和處理

收集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，包括學(xué)習(xí)成績、測驗結(jié)果、學(xué)習(xí)行為等，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和整理，為后續(xù)的人工智能應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

3.2.3" 模型訓(xùn)練和建立

根據(jù)需求和數(shù)據(jù)，使用機器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)算法建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ停@些模型可以用于個性化學(xué)習(xí)、智能教輔、自動化評估等任務(wù)。

3.2.4" 教學(xué)設(shè)計和實施

基于模型的輸出結(jié)果和反饋，設(shè)計和實施個性化學(xué)習(xí)方案，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，為學(xué)生提供定制化的學(xué)習(xí)路徑、資源和活動。

3.2.5" 監(jiān)控和調(diào)整

持續(xù)監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展和反饋，對個性化學(xué)習(xí)方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和反饋，及時調(diào)整教學(xué)策略，提供針對性的指導(dǎo)和支持。

3.2.6" 評估和反饋

利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自動化評估，評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和進(jìn)展，基于評估結(jié)果，提供及時的個性化反饋和建議，幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。

評估反饋的結(jié)果返回數(shù)據(jù)收集和處理環(huán)節(jié)，為下一輪模式迭代提供新的數(shù)據(jù)。教師在整個教學(xué)過程中監(jiān)督和指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，解讀和分析人工智能模型的輸出結(jié)果，提供教學(xué)支持和指導(dǎo)。人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用是一個持續(xù)迭代和改進(jìn)的過程，通過不斷收集數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型和調(diào)整教學(xué)策略，可以有效提升教學(xué)質(zhì)量。

3.3" 模式實例應(yīng)用

以初中數(shù)學(xué)“代數(shù)方程求解”為例，詳細(xì)說明模式應(yīng)用的具體步驟。

1）在需求分析階段，分析學(xué)生在代數(shù)方程求解方面的需求，如提高解方程的技巧、理解方程根的意義或應(yīng)用代數(shù)方程解決實際問題等。

2）在數(shù)據(jù)收集和處理階段，收集學(xué)生在課堂上或在線學(xué)習(xí)平臺上的代數(shù)方程解答記錄、測試結(jié)果、練習(xí)題答題情況等數(shù)據(jù)。

3）在模型訓(xùn)練和建立階段，利用機器學(xué)習(xí)算法建立一個代數(shù)方程求解模型，該模型能根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和目標(biāo)，推薦適合的解題方法、步驟和概念理解。

4）在教學(xué)設(shè)計和實施階段，根據(jù)模型的輸出結(jié)果，設(shè)計個性化的代數(shù)方程求解學(xué)習(xí)方案，為每個學(xué)生制訂定制化的解題計劃，包括推薦的解題方法、步驟訓(xùn)練和概念理解課程。

5）在監(jiān)控和調(diào)整階段，持續(xù)監(jiān)控學(xué)生的代數(shù)方程求解進(jìn)展和模型的反饋，根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和模型的評估結(jié)果，調(diào)整教學(xué)策略，提供更有針對性的解題指導(dǎo)和建議。

6）在評估和反饋階段，利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自動化評估，評估學(xué)生的代數(shù)方程求解能力和進(jìn)展，基于評估結(jié)果，為學(xué)生提供個性化的解題反饋和建議，幫助學(xué)生改進(jìn)解題技巧。

在這個具體的教學(xué)實例中，人工智能技術(shù)通過分析學(xué)生的代數(shù)方程求解數(shù)據(jù)、建立個性化模型和提供定制化的解題方案，幫助學(xué)生提升代數(shù)方程求解能力。同時，教師的參與和輔助至關(guān)重要，教師可以根據(jù)模型的輸出結(jié)果提供個性化的指導(dǎo)和支持，提高學(xué)生的解題能力；可以通過與學(xué)生的互動和反饋，進(jìn)一步調(diào)整教學(xué)策略，幫助學(xué)生掌握代數(shù)方程求解的關(guān)鍵技巧，加深概念理解。

4" 人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用原則

4.1" 尊重人的主體地位和尊嚴(yán)

應(yīng)該以人為本，尊重教師和學(xué)生的主體地位和尊嚴(yán)，保護(hù)師生的隱私和數(shù)據(jù)安全，避免造成不必要的傷害或歧視。

4.2" 遵循教育規(guī)律，堅持教育目的

應(yīng)該遵循教育規(guī)律，堅持教育目的，服務(wù)教育質(zhì)量和效率的提升，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展和終身學(xué)習(xí)，培養(yǎng)適應(yīng)時代發(fā)展要求的創(chuàng)新人才。

4.3" 保持技術(shù)的適應(yīng)性和普適性

應(yīng)該具備一定的適應(yīng)性和普適性，能夠根據(jù)不同地區(qū)、學(xué)校、學(xué)科、教師和學(xué)生的實際情況與需求，提供合適的技術(shù)方案和服務(wù)，實現(xiàn)教育資源的共享與高效利用。

4.4" 注重技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性

應(yīng)該注重技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性，保證技術(shù)的正確性、有效性和安全性，設(shè)計相應(yīng)的容錯機制和糾錯措施，避免技術(shù)失誤或故障對教育活動造成不良影響。

4.5" 強化技術(shù)的監(jiān)督和評估

應(yīng)該強化技術(shù)的監(jiān)督和評估，建立健全相關(guān)的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、倫理準(zhǔn)則等制度體系，加強對技術(shù)開發(fā)、使用、管理等各個環(huán)節(jié)的監(jiān)督和評估，及時發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的問題或風(fēng)險。

5" 結(jié)束語

本研究基于以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計模式，研究人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用，提出應(yīng)用模式和應(yīng)用原則。然而，本文提出的人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用模式還存在一些需要完善的地方：1）由于學(xué)科的差異性，本文提出的應(yīng)用模式和應(yīng)用原則需要關(guān)注各學(xué)科的差異性，應(yīng)更有針對性地提出相關(guān)的模式應(yīng)用原則；2）人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用基于數(shù)據(jù)的迭代，數(shù)據(jù)的有效性關(guān)系到模式迭代的效度，因此，如何科學(xué)地設(shè)計數(shù)據(jù)收集方案是另一個需要重點關(guān)注的研究方向。

6" 參考文獻(xiàn)

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*項目來源：本文系北京市社會科學(xué)基金項目“創(chuàng)客教育中創(chuàng)新思維發(fā)展與評價研究”（項目編號：20JYB004）階段性成果。