時(shí)間：2023-09-17 14:52:56
序論：在您撰寫人工智能在小學(xué)教學(xué)的應(yīng)用時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
近兩年，“AlphaGo”連勝全世界的圍棋名將，被媒體廣泛報(bào)道。人工智能開始成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，引起人們的廣泛興趣，并令人深信不疑。
在剛剛結(jié)束的2017年高考，學(xué)霸君與準(zhǔn)星云學(xué)兩家企業(yè)的“高考機(jī)器人”分別拿出了 134 分和 105 分的高考文科數(shù)學(xué)成績。在做題方面，機(jī)器可能已經(jīng)超越了不少人類。正是這樣一件事，同樣引發(fā)了人們的深度討論與思考。
的確，隨著理論和技術(shù)的日益成熟，人工智能開始受到產(chǎn)業(yè)資本的熱捧，語音識(shí)別、機(jī)器視覺、智能控制、智能檢索、智能互聯(lián)、專家系統(tǒng)、自動(dòng)規(guī)劃等應(yīng)用步伐加速。金融、電商零售、醫(yī)療健康、交通、個(gè)人助理等多個(gè)領(lǐng)域都可以看到人工智能的應(yīng)用，人工智能已然開始取代工廠工人、客戶服務(wù)等重復(fù)性工作。人工智能在教育領(lǐng)域同樣擁有巨大的應(yīng)用潛力，隨著知識(shí)表示方法、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)、自然語言處理、智能、情感計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，人工智能將在學(xué)校管理、校園安全、課堂管理、智能助教、自動(dòng)閱卷、自適應(yīng)教學(xué)等方面發(fā)揮作用。
面向未來，我們不禁要問，人工智能是否能夠改變教育？人工智能在教育領(lǐng)域?qū)⑨尫旁鯓拥臐摿?？本期策劃，我們邀?qǐng)上海海事大學(xué)魏忠，探討人工智能視角下的未來教育，從人工智能的教育本體、對(duì)學(xué)科的影響、對(duì)教育技術(shù)的改變、對(duì)教育價(jià)值的重新定位幾個(gè)方面進(jìn)行了系y思考與分析。江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院周寶、楊現(xiàn)民結(jié)合人工智能在教育中的典型應(yīng)用，探討人工智能對(duì)學(xué)校管理及教學(xué)帶來的革命性影響。華東師范大學(xué)第二附屬中學(xué)劉黨生，從技術(shù)與教育的關(guān)系延伸到人工智能，并對(duì)非生物智能介入教育的未來趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)；重慶市江津區(qū)聚奎小學(xué)校劉春林、重慶市聚奎中學(xué)校張渝江從教育教學(xué)實(shí)際出發(fā)，介紹了人工智能軟件如何溫柔地改變教育。上海市位育中學(xué)陳凱從教育哲學(xué)的角度，探討了人工智能如何作用于思維、認(rèn)知、學(xué)習(xí)，并進(jìn)行了反思。
“這是最好的時(shí)代，這是最壞的時(shí)代；這是智慧的時(shí)代，這是愚蠢的時(shí)代?！比斯ぶ悄軙r(shí)代的鐘聲已經(jīng)敲響，我們還在工業(yè)時(shí)代的迷夢(mèng)中尋找教育的未來。誰曾想到，未來來得如此之快，我們是否準(zhǔn)備好做出改變？未來，我們需要什么樣的人才？我們需要什么樣的教育？我們不妨想象一下，未來10年、20年的教育將發(fā)生怎樣的改變？也許一個(gè)嶄新的時(shí)代并不會(huì)留給我們那么長時(shí)間去形成新的教育生態(tài)系統(tǒng)。
人工智能的迅速發(fā)展將深刻改變?nèi)祟惿鐣?huì)生活、改變教育教學(xué)。2020年2月26日，教育部在印發(fā)的《2020年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》第24條“培養(yǎng)提升教師和學(xué)生的信息素養(yǎng)”中明確提出：完善義務(wù)教育階段課程設(shè)置，加強(qiáng)信息科技教育。建設(shè)普通高中人工智能樣板實(shí)驗(yàn)室，保障中小學(xué)校具備開設(shè)人工智能課程的環(huán)境條件。開展人工智能相關(guān)教學(xué)與師資培訓(xùn)，搭建區(qū)域間人工智能教學(xué)成果交流平臺(tái)。繼續(xù)推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育課程建設(shè)、應(yīng)用與推廣工作。中小學(xué)人工智能教育課程包(初中版和高中版)和支持服務(wù)系統(tǒng)并推廣應(yīng)用。
我校是青島市人工智能實(shí)驗(yàn)學(xué)校。在工作中我們借助教研、教學(xué)平臺(tái)，積極推動(dòng)人工智能課程開展和教師教研、集備工作，根據(jù)興趣導(dǎo)向、應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，學(xué)用結(jié)合，強(qiáng)化實(shí)踐的原則，組建了實(shí)驗(yàn)班，按照上級(jí)對(duì)于高中段開課部署每兩周開設(shè)1課時(shí)，開展人工智能教育教學(xué)工作。
在課堂上組織實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生觀看了人工智能的《開學(xué)第一課》，主要是“什么是人工智能”、“如何制造人工智能？、“New Google AI Can Have Real Life Conversations With Strangers”等內(nèi)容，很有收獲。但是在觀看過程中發(fā)現(xiàn)很多的人工智能相關(guān)聯(lián)的知識(shí)，比如JAVA、大數(shù)據(jù)、Python、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析、H5/WEB前端、嵌入式、Linux、C語言、單片機(jī)、C++等解根本看不懂，發(fā)現(xiàn)自己的很多方面都需要補(bǔ)課，不然每次培訓(xùn)老師講解的專業(yè)東西還是理解不了，這對(duì)于我們教師和學(xué)生都是一個(gè)難點(diǎn)。也斷斷續(xù)續(xù)參加了各種形式的培訓(xùn)，和同仁們交流起來總體感覺是沒有系統(tǒng)化，特別是參加了祁榮斌博士組織的磨課，和同事們討論起來感覺層次太高，有些內(nèi)容也是理解不了！學(xué)生和學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活環(huán)境比較起來也存在地域差異性導(dǎo)致了學(xué)生接受人工智能相關(guān)教育程度深淺不一，而且面向高中生的課本難度很大，很希望能有個(gè)機(jī)會(huì)從零基礎(chǔ)開始系統(tǒng)化學(xué)習(xí)人工智能，這樣才能更好的教好學(xué)生，這一點(diǎn)線下交流的時(shí)候是很多老師的心聲，期望能在領(lǐng)導(dǎo)和專家的引領(lǐng)下實(shí)現(xiàn)。
通過斷斷續(xù)續(xù)的學(xué)習(xí)，比如Python基礎(chǔ)知識(shí)，由于實(shí)戰(zhàn)少，只能閱讀別人的文章里附帶的相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)代碼，這樣的學(xué)習(xí)效果不明顯。很多算法的實(shí)現(xiàn)，難以從代碼級(jí)去理解其設(shè)計(jì)思路；對(duì)于很多算法比如隨機(jī)森林，決策樹，SVM等常見算法，雖然看了相關(guān)文章很多遍但是還是一知半解的。
關(guān)鍵詞：人工智能；圖形編程；創(chuàng)新實(shí)踐
近年來，人工智能已成為一個(gè)高頻詞，各種與人工智能相關(guān)的智能家居、自動(dòng)駕駛、智能語音、圖像識(shí)別等新技術(shù)，深刻影響著社會(huì)的方方面面，也逐步改變?nèi)藗兊墓ぷ骷吧罘绞?。許多國家已經(jīng)開始積極嘗試，大力推進(jìn)小學(xué)人工智能教學(xué)。2017年，國務(wù)院正式頒布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出了“在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”；如今，計(jì)算思維培養(yǎng)又成為熱點(diǎn)。在這樣的一個(gè)時(shí)代背景下，學(xué)校和教師有責(zé)任和義務(wù)組織、引導(dǎo)學(xué)生去接觸、了解、學(xué)習(xí)、應(yīng)用人工智能技術(shù)，以適應(yīng)未來學(xué)習(xí)和工作環(huán)境的變化。人工智能涉及的學(xué)科內(nèi)容較為廣泛復(fù)雜，小學(xué)生相對(duì)年齡較小，儲(chǔ)備的相關(guān)知識(shí)較少，學(xué)校應(yīng)如何在小學(xué)階段有效開展人工智能教學(xué)，推進(jìn)人工智能教學(xué)真正落地？筆者結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，從“巧”借活動(dòng)、“巧”設(shè)場景、“巧”編程序、“巧”創(chuàng)項(xiàng)目等方面，積極探索小學(xué)人工智能教學(xué)的推進(jìn)路徑。
一、“巧”設(shè)場景體驗(yàn)人工智能
人工智能的知識(shí)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的邏輯性和抽象性，與之前信息技術(shù)課上所教的內(nèi)容相比，難度及復(fù)雜性更高。在日常人工智能教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的心理特點(diǎn)以及不同教學(xué)要求，改變教學(xué)方式，把體驗(yàn)搬進(jìn)課堂，讓學(xué)生通過具體的體驗(yàn)活動(dòng)逐步理解人工智能的相關(guān)知識(shí)，把重難點(diǎn)從對(duì)概念、原理、技術(shù)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換到了解相關(guān)概念、技術(shù)實(shí)現(xiàn)的過程、體驗(yàn)人工智能技術(shù)的應(yīng)用上。豐富有趣的教育實(shí)踐活動(dòng)可以讓學(xué)生在愉悅的教學(xué)情境中，從不同的思維角度、用不同的思維方式來認(rèn)識(shí)和理解與生活密切聯(lián)系的一些人工智能概念，如機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，體驗(yàn)人工智能在實(shí)際生活中的應(yīng)用。例如在《人臉識(shí)別》一課教學(xué)中，需要讓學(xué)生了解人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用、影響、實(shí)現(xiàn)過程和原理，其中人臉識(shí)別的原理和過程較為復(fù)雜，如果教學(xué)中只進(jìn)行簡單說教，無法有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。本課設(shè)計(jì)了一個(gè)“人臉大比對(duì)”體驗(yàn)活動(dòng)，活動(dòng)分兩個(gè)部分，第一部分就是通過百度AI開放平臺(tái)里的人臉檢測(cè)與屬性分析功能，體驗(yàn)人臉檢測(cè)中具體檢測(cè)哪些屬性；第二部分就是通過人臉對(duì)比功能，完成教師提供的三組人像照片的對(duì)比分析。在第一部分的實(shí)例體驗(yàn)中，學(xué)生通過自己上傳照片進(jìn)行檢測(cè)，主要是通過對(duì)人臉的面部、膚色、毛發(fā)、眼睛、嘴、鼻和輪廓等150個(gè)特征的精準(zhǔn)定位來準(zhǔn)確地識(shí)別和計(jì)算出一張人臉的特征和屬性信息，包括年齡、性別、顏值、情緒、是否戴眼鏡等。這樣的體驗(yàn)讓學(xué)生非常感興趣，也能很好地理解特征提取的過程。第二部分的體驗(yàn)是人臉對(duì)比，教師提供給學(xué)生三組照片，第一組是一對(duì)相似度很高的雙胞胎；第二組是同一個(gè)人戴口罩和不戴口罩的照片；第三組是同一個(gè)人的兩種表情。學(xué)生先自己觀察，記錄三組照片的結(jié)果，再上傳照片到百度AI體驗(yàn)人臉對(duì)比過程，并查看對(duì)比結(jié)果。經(jīng)過體驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到在現(xiàn)有的技術(shù)下，人臉識(shí)別的準(zhǔn)確度還是非常高的，對(duì)人臉識(shí)別的過程也留下了非常深刻的印象。
二、“巧”編程序理解人工智能
從當(dāng)前人工智能技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際情況分析來看，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榇髷?shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)，這些功能的實(shí)現(xiàn)得益于算法的不斷完善。可見，算法學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)人工智能的關(guān)鍵，而對(duì)算法的學(xué)習(xí)又是計(jì)算機(jī)編程教學(xué)中的一大難點(diǎn)。推進(jìn)小學(xué)編程教學(xué)將有利于幫助學(xué)生理解人工智能的相關(guān)知識(shí)。小學(xué)生相對(duì)抽象思維偏弱，采用圖形化的編程教學(xué)，更加有利于他們接受，有助于提高學(xué)習(xí)的積極性。通過編程教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析問題、抽象與建模、設(shè)計(jì)算法、編寫程序腳本，在驗(yàn)證過程中不斷改進(jìn)和完善，并最終實(shí)現(xiàn)問題的解決，能有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，并過渡到對(duì)人工智能所需要的其他知識(shí)的學(xué)習(xí)上。例如在五年級(jí)的《創(chuàng)編游戲》教學(xué)中，情境任務(wù)是設(shè)計(jì)制作一個(gè)貓捉老鼠的小游戲，目標(biāo)是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)“碰到顏色”“如果……那么……”等指令，能夠用它們的組合來編寫判斷角色是否碰到邊緣和老鼠的腳本。人工智能的概念主要體現(xiàn)在“碰到顏色”和“如果……那么……”語句的應(yīng)用上，“碰到顏色”是偵測(cè)識(shí)別，“如果……那么……”則是邏輯判斷的處理。在教學(xué)中，首先通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考完成游戲需要考慮哪幾個(gè)要素，從問題和答案中幫助學(xué)生提煉出“舞臺(tái)”“角色”“動(dòng)作”三個(gè)要素，進(jìn)而幫助學(xué)生厘清實(shí)現(xiàn)游戲功能的基本思路。在程序編寫中，讓學(xué)生具體體驗(yàn)偵測(cè)模塊的編寫與判斷語句的應(yīng)用。簡單的編程實(shí)踐，能讓學(xué)生逐步了解人工智能的基本概念及其實(shí)現(xiàn)流程。
三、“巧”創(chuàng)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)人工智能
知識(shí)的學(xué)習(xí)必須與學(xué)生的生活實(shí)際結(jié)合起來，如果學(xué)生在掌握人工智能知識(shí)和技能后能將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，解決生活中的實(shí)際問題，那么這樣的學(xué)習(xí)就是真實(shí)有效的。學(xué)生通過設(shè)計(jì)創(chuàng)作具體作品，可以大大增強(qiáng)分析和處理問題、解決實(shí)際問題的意識(shí)和能力，培養(yǎng)邏輯思維和動(dòng)手實(shí)踐能力，這也是人工智能教育的方向和目的。根據(jù)學(xué)生的實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)，教師將人工智能的具體應(yīng)用案例巧妙引入課程中，引導(dǎo)他們科學(xué)地確定項(xiàng)目內(nèi)容；通過對(duì)項(xiàng)目的梳理分析，建立邏輯關(guān)系和模型；用編程語言描述邏輯關(guān)系；采用硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)人工智能的具體功能，這種基于真實(shí)任務(wù)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，能有效促進(jìn)學(xué)生的理解。例如四年級(jí)實(shí)踐小組的“智能垃圾桶”作品，便是以垃圾桶為課題進(jìn)行探究，先讓學(xué)生對(duì)現(xiàn)有垃圾桶的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行分析，思考怎樣改造垃圾桶才能真正實(shí)現(xiàn)智能化。通過教師的引領(lǐng)和自身觀察，學(xué)生很快認(rèn)識(shí)到智能垃圾桶應(yīng)該具有的功能：一是能檢測(cè)什么時(shí)候有人投放垃圾；二是垃圾桶蓋能自動(dòng)開啟和關(guān)閉。確定了目標(biāo)之后，就是思考達(dá)成上述目標(biāo)需要哪些條件。學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)，確定可以用超聲波檢測(cè)是否需要打開垃圾桶蓋子，打開和關(guān)閉動(dòng)作可以通過舵機(jī)和連桿來實(shí)現(xiàn)。通過探究后，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的方案自主完成了智能垃圾桶的作品搭建，接下來就是通過編寫程序和不斷調(diào)試驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。作品完成后，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行功能的增加與修改，如增加桶內(nèi)垃圾超過一定高度時(shí)能自動(dòng)提醒的裝置等，讓智能垃圾桶更加智能。本次作品的創(chuàng)作過程，不僅鍛煉了學(xué)生分析實(shí)際問題、解決實(shí)際問題的能力，又鍛煉了他們的編程思維和計(jì)算思維，更重要的是體驗(yàn)了自己創(chuàng)作人工智能作品的樂趣和成就感。在人工智能應(yīng)用日益普及的今天，人工智能課程進(jìn)入小學(xué)課堂是大勢(shì)所趨。在小學(xué)階段開展人工智能課程教學(xué)，主要是為了讓學(xué)生掌握人工智能知識(shí)，體驗(yàn)和運(yùn)用人工智能技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐應(yīng)用能力，為學(xué)生適應(yīng)未來社會(huì)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。但人工智能教學(xué)具有其特殊性，如何有效推進(jìn)人工智能教學(xué)，還面臨著許多需要解決的問題。學(xué)校和教師應(yīng)盡最大努力創(chuàng)設(shè)更好的人工智能教學(xué)環(huán)境，探索更有效的教學(xué)策略，促進(jìn)學(xué)生對(duì)人工智能相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。
參考文獻(xiàn)
[1]丁華.人工智能教學(xué)中對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)[J].華夏教師,2020(13):42-43.
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[關(guān)鍵詞]人工智能；中學(xué)輔助教育；教育資源
[DOI]10.13939/ki.zgsc.2016.36.197
1 中學(xué)教育現(xiàn)狀
教育乃立國之本，而中學(xué)教育乃是重中之重。一方面，中學(xué)生處于青春的成長期，各項(xiàng)綜合素質(zhì)逐漸完善中，中學(xué)教育意義和責(zé)任重大；另一方面，中學(xué)教育仍然是應(yīng)試教育為主，仍然需要面對(duì)千軍萬馬過獨(dú)木橋的“中考”“高考”，中學(xué)教育很大程度左右了學(xué)生的未來。
目前的中學(xué)教育資源，分為公共教育資源――公辦/民辦學(xué)校教育，和社會(huì)教育資源――私人家教、補(bǔ)習(xí)班等，有如下兩個(gè)特點(diǎn)。
1.1 學(xué)生得到的公共教育資源不足
學(xué)校班級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成是：一名班主任教師，多名科任教師。在大多數(shù)學(xué)校中，無論是班主任教師，還是科任教師，均會(huì)承擔(dān)其他班級(jí)的教學(xué)任務(wù)。可以看出，教師資源是非常有限的，加上“中考”“高考”的上線壓力，教師往往會(huì)將有限的精力分散關(guān)注在所有的學(xué)生上，每個(gè)學(xué)生得到的公共教育資源并不多。
1.2 學(xué)生獲取的社會(huì)教育資源不公
學(xué)生若在學(xué)校無法獲取更多的教育資源，將不得不轉(zhuǎn)向社會(huì)教育資源去求助。據(jù)統(tǒng)計(jì)，學(xué)生參與社會(huì)教育資源的成本在200元/小時(shí)，學(xué)習(xí)費(fèi)用成本過高，進(jìn)一步造成普通學(xué)生的社會(huì)教育資源也無法獲取。
本文要探討的，正是通過人工智能這一現(xiàn)代信息化技術(shù)，構(gòu)建智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，使中學(xué)生能夠獲取到更多、更公平的教育資源。
2 智能輔助學(xué)習(xí)
2.1 人工智能簡介
人工智能（Artificial Intelligence）是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是一門研究運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬和延伸人腦功能的綜合性學(xué)科，能夠?qū)θ说囊庾R(shí)、思維等信息過程進(jìn)行模擬。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來大數(shù)據(jù)技術(shù)的成功應(yīng)用，人工智能在越來越多的行業(yè)展現(xiàn)出蓬勃的沖擊力。以谷歌圍棋機(jī)器人“阿爾法”、微軟助理機(jī)器人“小娜”等為代表的虛擬智能機(jī)器人，能像人那樣思考，也具備超過常人的智能。
在國內(nèi)，人工智能在教育領(lǐng)域的理論研究和教學(xué)實(shí)踐表現(xiàn)得越來越活躍，盡管人工智能并不是為教育專門研發(fā)的，但是人工智能的不斷發(fā)展，使得其在教育中的應(yīng)用也越來越廣泛，教育的智能化一直是教育界和教育技術(shù)領(lǐng)域的理想和目標(biāo)。
2.2 智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)
智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，其表現(xiàn)形式是能夠?yàn)槊總€(gè)學(xué)生，配備一個(gè)虛擬教師。學(xué)生能夠通過電子設(shè)備（如手機(jī)、計(jì)算機(jī)），與虛擬教師進(jìn)行交流對(duì)話，咨詢虛擬教師各學(xué)科的問題，并得到有效的學(xué)習(xí)輔助。
該智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，具備以下幾個(gè)特征。
2.2.1 虛擬教師跨學(xué)科能力
與傳統(tǒng)的教師專一某一學(xué)科不同，虛擬教師并沒有學(xué)科邊界劃分。只要學(xué)習(xí)系統(tǒng)研發(fā)出某一學(xué)科的學(xué)習(xí)算法，該虛擬教師就能夠獲取該門學(xué)科的能力。
2.2.2 虛擬教師深度自學(xué)習(xí)
虛擬教師的“智能”來源于三方面。一是學(xué)生基本信息檔案，該檔案涵蓋了從小學(xué)教育開始的學(xué)科成績、綜合能力、愛好特長等，虛擬教師得到學(xué)生的人物畫像。二是虛擬教師對(duì)學(xué)生的自學(xué)習(xí)，每一次雙方的溝通交流，虛擬教師都能夠不斷更新發(fā)展學(xué)生的畫像。三是虛擬教師對(duì)學(xué)校課堂內(nèi)容的自學(xué)習(xí)，虛擬教師并不是獨(dú)立于學(xué)校教育存在的，而是作為學(xué)習(xí)教育資源的一個(gè)補(bǔ)充，虛擬教師能夠掌握課堂進(jìn)展、作業(yè)部署、考試動(dòng)態(tài)等信息。
2.2.3 接近自然語義的溝通
學(xué)生與虛擬教師之間，可以通過自然語義的語音和文字進(jìn)行溝通，如 “今天數(shù)學(xué)作業(yè)第2題不會(huì)”“《荷塘月色》全文中心思想是什么”“Lets start a conversation”等。其他計(jì)算輔助手段為補(bǔ)充，如上傳某道數(shù)學(xué)題圖片，虛擬教師通過圖形識(shí)別匹配，給出該題的解題思路和講解。
2.3 優(yōu)勢(shì)分析
智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，有三大核心優(yōu)勢(shì)。
一是“即學(xué)即問”，相比目前的學(xué)校教育和社會(huì)教育，學(xué)生在學(xué)習(xí)遇到困難時(shí)，只有有限的時(shí)間與教師交流，在智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)中學(xué)生將不受空間、時(shí)間限制，隨時(shí)隨地可以與虛擬教師互動(dòng)，獲取充足的教育資源。
二是“定制教學(xué)”，相比目前的教育形式，課堂上教師與學(xué)生是一對(duì)多的關(guān)系，教師不可能專為某個(gè)學(xué)生定制教學(xué)方案，在智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)虛擬教師與學(xué)生是一對(duì)一的關(guān)系，虛擬教師能夠更了解學(xué)生，根據(jù)學(xué)生的具體情況制訂最佳學(xué)習(xí)方案。
三是“受眾廣闊”，相比目前的公共教育資源緊缺、社會(huì)教育資源費(fèi)用昂貴，智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)一旦推廣，受眾學(xué)生可無限增加，邊際效應(yīng)非常明顯。并且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特有的水平擴(kuò)展能力，能夠隨著學(xué)生人數(shù)的增加而增加，支撐廣大的學(xué)生輔助學(xué)習(xí)。
2.4 前景預(yù)測(cè)
筆者比較看好人工智能在中學(xué)輔助教育中的落地前景，除了前文所述的人工智能技術(shù)發(fā)展，為中學(xué)教育帶來的價(jià)值外，當(dāng)前國家政策和社會(huì)環(huán)境也非常有利。
第一，未來10年國家政府和教育部門會(huì)大幅增加在教育信息化產(chǎn)業(yè)上的投入，隨著《國家中長期教育改革和發(fā)展綱要（2010―2020年）》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011―2020年）》等相關(guān)規(guī)劃相繼出臺(tái)，各級(jí)地方政府和教育部門都非常重視教育信息化產(chǎn)業(yè)的投入，人工智能+云計(jì)算是重中之重，人工智能技術(shù)的興起必將教育信息化推向一個(gè)新的高度。
第二，教育信息化逐漸成為風(fēng)口，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究《中國在線教育市場前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，2015年在線教育市場規(guī)模大約為479億美元，而這一數(shù)字在2020年預(yù)計(jì)將增長到504億美元。這個(gè)持續(xù)迅猛增長的市場正在吸引越來越多的創(chuàng)意和資本，教育領(lǐng)域中的人工智能也很快會(huì)成為熱點(diǎn)，涉足其中的高科技公司也會(huì)越來越多。
3 結(jié) 論
本文通過智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，探索了人工智能在中學(xué)輔助教育中的一個(gè)應(yīng)用。雖然沒有介紹具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)研發(fā)，但對(duì)現(xiàn)狀痛點(diǎn)、應(yīng)用前景做了綜合性分析概述，相信隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展、教育領(lǐng)域的融合開放，本文探索的這個(gè)應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)于市場，使廣大中學(xué)生能夠獲取到更多、更公平的教育資源。
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2016年1月，美國佐治亞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院的教授AshokGoel，借助IBM的Watson人工智能系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)在線機(jī)器人JillWatson，并將其作為課程教學(xué)助理。其目的是幫助教師回答學(xué)生通過在線論壇提出的大量課程問題。通過幾個(gè)月的反復(fù)調(diào)試，JillWatson的回答已經(jīng)能夠達(dá)到97%的正確率。現(xiàn)在，機(jī)器人助教已經(jīng)可以直接與學(xué)生溝通，不需要真人助教的幫助。這項(xiàng)人工智能在教育中的使用，解決了AshokGoel教授的助教人數(shù)不夠，難以及時(shí)回答學(xué)生提問的困境，增加了學(xué)生參與在線學(xué)習(xí)的興趣，提高了在線學(xué)習(xí)的留存率。
這只是人工智能在教育領(lǐng)域的小試牛刀。雖然有專家預(yù)測(cè)在未來十年內(nèi)不會(huì)看到人形機(jī)器人替代教師進(jìn)入課堂，不過地平線報(bào)告2016年基礎(chǔ)教育版和2107年高等教育版都預(yù)測(cè)未來五年內(nèi)人工智能將會(huì)在教育行業(yè)普及。
教育行業(yè)已有的人工智能研究和應(yīng)用
Woolf等人在2013年提出了人工智能在教育領(lǐng)域應(yīng)努力解決“五大挑戰(zhàn)”：①為每一個(gè)學(xué)習(xí)者提供虛擬導(dǎo)師：無處不在地支持用戶建模、社會(huì)仿真和知識(shí)表達(dá)的整合。②解決21世紀(jì)技能：協(xié)助學(xué)習(xí)者自我定位、自我評(píng)估、團(tuán)隊(duì)合作等。③交互數(shù)據(jù)分析：對(duì)個(gè)人學(xué)習(xí)、社會(huì)環(huán)境、學(xué)習(xí)環(huán)境、個(gè)人興趣等大量數(shù)據(jù)的匯集。④為全球課堂提供機(jī)會(huì)：增加全球教室的互聯(lián)性與可訪問性。⑤終身學(xué)習(xí)技術(shù)：讓學(xué)習(xí)走出課堂，進(jìn)入社會(huì)。
過去十年，一些研究者對(duì)人工智能在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用做了大量的探索。相關(guān)的研究成果包括：①跟蹤學(xué)習(xí)者的思維步驟和解決問題的潛在目標(biāo)結(jié)構(gòu)（Anderson等，1995）；②診斷誤解和評(píng)估學(xué)習(xí)者的理解域（VanLehn，1988）；③提供及時(shí)的指導(dǎo)、反饋和解釋（Shute，2008）；④促進(jìn)高效學(xué)習(xí)的行為，如自我調(diào)節(jié)、自我監(jiān)控和自我解釋（Azevedo&Hadwin，2005）；⑤以合適的難度水平和最適當(dāng)?shù)膬?nèi)容來規(guī)劃學(xué)習(xí)活動(dòng)（VanLehn，2006）。
這些研究，基本上使用到了人工智能的每一項(xiàng)技術(shù)——自然語言處理、不確定性推理、規(guī)劃、認(rèn)知模型、案例推理、機(jī)器學(xué)習(xí)等?！爸悄軐?dǎo)師系統(tǒng)”就是基于這些研究和技術(shù)而開發(fā)的人工智能教育應(yīng)用。類似的成熟產(chǎn)品包括Tabtor（hellothinkster.com）、CarnegieLearning（carnegielearning.com）和FrontRow（frontrowed.com）。2014年，加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)的一項(xiàng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用智能導(dǎo)師系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者比使用其他教學(xué)方法的學(xué)習(xí)者獲得的成績更高。
人工智能在教育行業(yè)的新發(fā)展
教育行業(yè)的三種類型（內(nèi)容、平臺(tái)和評(píng)估）的服務(wù)商都在經(jīng)歷著一場變革。內(nèi)容出版商面臨紙質(zhì)印刷到數(shù)字出版和開放教育內(nèi)容的挑戰(zhàn)。學(xué)習(xí)平臺(tái)正試圖區(qū)分自適應(yīng)、個(gè)性化和數(shù)據(jù)分析的功能。評(píng)估供應(yīng)商則繼續(xù)探尋從多項(xiàng)選擇題測(cè)試轉(zhuǎn)向更具創(chuàng)新性的問題類型。人工智能將為這三種類型教育服務(wù)商帶來新的發(fā)展思路和契機(jī)，同時(shí)也惠及教育生態(tài)系統(tǒng)中的所有利益相關(guān)者。學(xué)生通過即時(shí)反饋和指導(dǎo)提高學(xué)習(xí)效率，教師將獲得豐富的學(xué)習(xí)分析和個(gè)性化指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，父母能夠低成本地為孩子改進(jìn)職業(yè)前景，學(xué)校能夠規(guī)?；岣呓逃|(zhì)量，政府能夠提供負(fù)擔(dān)得起的教育。2017年，人工智能將在以下領(lǐng)域發(fā)揮其效益。
1.人工智能批改作業(yè)
批改作業(yè)和試卷是一件乏味的工作，這通常會(huì)占據(jù)教師大量的時(shí)間，而這些時(shí)間本可以更多地用于與學(xué)生互動(dòng)、教學(xué)設(shè)計(jì)和專業(yè)發(fā)展。
目前，人工智能批改作業(yè)已經(jīng)相當(dāng)接近真人教師了，除了選擇題、填空題外，作文的批改能力已經(jīng)大幅提高。美國斯坦福大學(xué)已經(jīng)成功開發(fā)出一種機(jī)器學(xué)習(xí)程序，能夠批改8～10年級(jí)的作文。隨著圖像識(shí)別能力的大幅提高，手寫答案的識(shí)別也接近可能。就連占有美國標(biāo)準(zhǔn)化考試60%市場份額的全球最大教育企業(yè)——培生公司也認(rèn)為，人工智能已經(jīng)可以出現(xiàn)在教室并提供足夠可信的評(píng)估。據(jù)培生公司近期的報(bào)告IntelligenceUnleashed推測(cè)，人工智能軟件所具有的廣泛的、定制的反饋能夠最終淘汰傳統(tǒng)測(cè)試。
2.人工智能實(shí)現(xiàn)一對(duì)一輔導(dǎo)
自適應(yīng)學(xué)習(xí)軟件已經(jīng)能為學(xué)生提供個(gè)性化學(xué)習(xí)支撐。據(jù)2011年VanLehn的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，人工智能在某些特定主題和方法上比未經(jīng)訓(xùn)練的導(dǎo)師更具有效性。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，人工智能導(dǎo)師能在學(xué)生出錯(cuò)的具體步驟上給予實(shí)時(shí)干預(yù)，而不是就整個(gè)問題的答案給予反饋（Corbett&Anderson，2001；Shute，2008）。
自適應(yīng)學(xué)習(xí)在拉美地區(qū)正在興起。AndréUrani市政學(xué)校的學(xué)生使用人工智能軟件Geekie觀看在線課程（視頻和練習(xí)）。Geekie為學(xué)生提供每一步的實(shí)時(shí)反饋，并隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)展來傳授更為精細(xì)的課程內(nèi)容。
早在1984年，本杰明·布盧姆的研究就提出一對(duì)一輔導(dǎo)能帶來更好的學(xué)習(xí)效果。而人工智能技術(shù)可以模擬一對(duì)一輔導(dǎo)，以更好地跟蹤、適應(yīng)和支持個(gè)體學(xué)習(xí)者。這將是人工智能在教育中更高層次的個(gè)性化學(xué)習(xí)應(yīng)用。例如，比爾·蓋茨看好的人工智能聊天機(jī)器人或個(gè)人虛擬導(dǎo)師，能在學(xué)生面臨挑戰(zhàn)時(shí)提供強(qiáng)有力的支持，隨時(shí)隨地回答學(xué)生的提問；還可以為學(xué)生訂制學(xué)習(xí)方案和規(guī)劃職業(yè)發(fā)展路徑，并引導(dǎo)學(xué)生走向成功。更重要的是，人工智能可以匹配聊天機(jī)器人或虛擬導(dǎo)師的面孔和聲音來滿足學(xué)生個(gè)人喜好。對(duì)比網(wǎng)頁界面的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，這才是真正做到了一人一導(dǎo)師。
3.人工智能關(guān)注學(xué)生情感
2016年地平線報(bào)告高等教育版把情感計(jì)算列為教育技術(shù)發(fā)展普及的重要方向。也就是說，人工智能不僅限于模擬人類傳遞知識(shí)，還能通過生物監(jiān)測(cè)技術(shù)（皮膚電導(dǎo)、面部表情、姿勢(shì)、聲音等）來了解學(xué)生在學(xué)習(xí)中的情緒，適時(shí)調(diào)整教育方法和策略。例如，機(jī)器人導(dǎo)師捕捉到學(xué)生厭煩的面部表情時(shí)，就可以立即改變教學(xué)方式努力激發(fā)他們的興趣。這種關(guān)注情感的人機(jī)交流為學(xué)生營造一個(gè)更真實(shí)的個(gè)性化學(xué)習(xí)環(huán)境，更好地維持了學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)。美國匹茲堡大學(xué)開發(fā)的AttentiveLearner智能移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)就能通過手勢(shì)監(jiān)測(cè)學(xué)生的思想是否集中。突尼斯蘇斯國家工程學(xué)院的研究人員正在研究開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的人工智能教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠識(shí)別學(xué)生在任何地方開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的面部表情，以優(yōu)化遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)過程。
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，人工智能還可以關(guān)注學(xué)生的心理健康。當(dāng)前已經(jīng)有使用人工智能來為自閉癥兒童提供有效支持的案例。例如，倫敦知識(shí)實(shí)驗(yàn)室在Topcliffe小學(xué)開展試驗(yàn)，讓自閉癥學(xué)生與半自動(dòng)虛擬男孩安迪開展互動(dòng)交流，研究人員發(fā)現(xiàn)患有自閉癥的學(xué)生在社交能力方面有進(jìn)步。
4.人工智能改進(jìn)數(shù)字出版
教科書等課程材料并非總是完美，傳統(tǒng)印刷出版讓課程的修訂變得過于緩慢。這不僅是生產(chǎn)工藝的問題，更主要的是紙質(zhì)課程材料無法快速獲取使用者的反饋來識(shí)別缺陷所在。而數(shù)字化出版在人工智能的支撐下能徹底改變這一現(xiàn)狀。
人工智能可幫助使用者快速識(shí)別課程缺陷。大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開放課程Coursera的提供者已經(jīng)將這一想法付諸實(shí)踐。當(dāng)發(fā)現(xiàn)大量學(xué)生的作業(yè)提交了錯(cuò)誤的答案時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示課程材料的缺陷，進(jìn)而有助于彌補(bǔ)課程的不足。
另一項(xiàng)人工智能在數(shù)字化出版的應(yīng)用是自動(dòng)化組織和編寫教材。這是基于深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)能模仿人類的行為進(jìn)行讀和寫。ScottR.Parfitt博士的內(nèi)容技術(shù)公司CTI就依據(jù)這項(xiàng)技術(shù)幫助教師定制教科書——教師導(dǎo)入教學(xué)大綱，CTI的人工智能引擎能自動(dòng)填充教科書的核心內(nèi)容。
隨著自然用戶界面和自然語言處理在人工智能領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，課程材料的數(shù)字化出版也會(huì)有更新的形態(tài)——不再局限于書本或網(wǎng)頁的形式，聊天機(jī)器人和虛擬導(dǎo)師將成為內(nèi)容表達(dá)的更好的方式。
5.人工智能作為學(xué)生
多年的研究表明，教會(huì)別人才是更好的學(xué)習(xí)，即learning-by-teaching。美國斯坦福大學(xué)教育學(xué)教授DanielSchwartz正基于這一理念來開發(fā)新的人工智能產(chǎn)品。他聯(lián)合了多個(gè)領(lǐng)域的專家一起開發(fā)了人工智能應(yīng)用——貝蒂的大腦（Betty’sBrain），讓學(xué)生來教貝蒂學(xué)習(xí)生物知識(shí)。試點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)，使用這一方法來學(xué)習(xí)的學(xué)生比其他學(xué)生成績更好，且在科學(xué)推理上也更勝一籌。
類似的研究和開發(fā)還有瑞典隆德大學(xué)的TimeElf和美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的SimStudent，這兩個(gè)人工智能產(chǎn)品也是基于learning-by-teaching而開發(fā)，讓學(xué)生在教會(huì)機(jī)器人知識(shí)的過程中深化對(duì)知識(shí)的理解。
另外，人工智能還推動(dòng)其他教育方法和技術(shù)更好實(shí)現(xiàn)。如讓虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境更具沉浸感；給學(xué)生帶來更多動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)；提供基于豐富學(xué)習(xí)分析的仿真和游戲化學(xué)習(xí)場景等。
【關(guān)鍵字】人工智能；教育；進(jìn)展
【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009―8097（2008）13―0018―03
人工智能是一門綜合的交叉學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、生理學(xué)、哲學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)和語言學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。人工智能主要研究用人工的方法和技術(shù)，模仿、延伸和擴(kuò)展人的智能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能，其長期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人類水平的人工智能。[1]從腦神經(jīng)生理學(xué)的角度來看，人類智能的本質(zhì)可以說是通過后天的自適應(yīng)訓(xùn)練或?qū)W習(xí)而建立起來的種種錯(cuò)綜復(fù)雜的條件反射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回路的活動(dòng)。[2]人工智能專家們面臨的最大挑戰(zhàn)之一是如何構(gòu)造一個(gè)可以模仿人腦行為的系統(tǒng)。這一研究一旦有突破，不僅給學(xué)習(xí)科學(xué)以技術(shù)支撐，而且能反過來促使人腦的學(xué)習(xí)規(guī)律研究更加清晰，從而提供更加切實(shí)有效的方法論。[3]人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，使人工智能不僅成為學(xué)校教育的內(nèi)容之一，也為教育提供了豐富的教育資源，其研究成果已在教育領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了良好的效果，成為教育技術(shù)的重要研究內(nèi)容。
人工智能的研究更多的是結(jié)合具體領(lǐng)域進(jìn)行的，其主要研究領(lǐng)域有：專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、自然語言理解、自動(dòng)定理證明、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人學(xué)、博弈、智能決策支持系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和分布式人工智能等。[4]目前，在教育中應(yīng)用較為廣泛與活躍的研究領(lǐng)域主要有專家系統(tǒng)、機(jī)器人學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言理解、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和分布式人工智能，下面就這些領(lǐng)域進(jìn)行闡述。
一 專家系統(tǒng)
專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它使用人工智能技術(shù)，根據(jù)某個(gè)領(lǐng)域中一個(gè)或多個(gè)人類專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以解決那些需要專家決定的復(fù)雜問題。[5]專家系統(tǒng)主要組成部分為：知識(shí)庫，用于存儲(chǔ)某領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的專門知識(shí)；綜合數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)領(lǐng)域或問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的中間數(shù)據(jù)或信息；推理機(jī)，用于記憶所采用的規(guī)則和控制策略的程序，使整個(gè)專家系統(tǒng)能夠以邏輯方式協(xié)調(diào)地工作；解釋器，向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為；接口，使用戶與專家系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)話。近幾十年來，專家系統(tǒng)迅速發(fā)展，是人工智能中最活躍、最有成效的一個(gè)研究領(lǐng)域，廣泛用于醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探、軍事、石油化工、文化教育等領(lǐng)域。
目前，專家系統(tǒng)在教育中的應(yīng)用最為廣泛與活躍。專家系統(tǒng)的特點(diǎn)通常表現(xiàn)為計(jì)劃系統(tǒng)或診斷系統(tǒng)。計(jì)劃系統(tǒng)往前走，從一個(gè)給定系統(tǒng)狀態(tài)指向最終狀態(tài)。如計(jì)劃系統(tǒng)中可以輸入有關(guān)的課堂目標(biāo)和學(xué)科內(nèi)容，它可以制定出一個(gè)課堂大綱，寫出一份教案，甚至有可能開發(fā)一堂樣板課，而診斷系統(tǒng)是往后走，從一個(gè)給定系統(tǒng)陳述查找原因或?qū)ζ溥M(jìn)行分析，例如，一個(gè)診斷系統(tǒng)可能以一堂CBI（基于計(jì)算機(jī)的教學(xué)，computer-based instruction）課為例，輸入學(xué)生課堂表現(xiàn)資料，分析為什么課堂的某一部分效果不佳。在開發(fā)專家計(jì)劃系統(tǒng)支持教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)（ISD）程序的領(lǐng)域中最有名的是梅里爾（Merrill）的教學(xué)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)（ID Expert）。[6]
教學(xué)專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)（如知識(shí)水平、性格等），以最合適的教案和教學(xué)方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和輔導(dǎo)。其特點(diǎn)為：同時(shí)具有診斷和調(diào)試等功能；具有良好的人機(jī)界面。已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用的教學(xué)專家系統(tǒng)有美國麻省理工學(xué)院的MACSYMA符號(hào)積分與定理證明系統(tǒng)，我國一些大學(xué)開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言、物理智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)以及聾啞人語言訓(xùn)練專家系統(tǒng)等。[7]
目前，在教育中，專家系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用更多的集中于遠(yuǎn)程教育，為現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的智能化提供了有力的技術(shù)支撐?；趯＜蚁到y(tǒng)構(gòu)造的智能化遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)具有以下幾個(gè)方面的功能：具備某學(xué)科或領(lǐng)域的專門知識(shí)，能生成自己的提問和應(yīng)答； 能夠分析學(xué)生的特征，評(píng)價(jià)和記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，診斷學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的錯(cuò)誤并進(jìn)行補(bǔ)救教學(xué)；可以選擇不同的教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的個(gè)別化教學(xué)。[8]目前應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育的專家系統(tǒng)有智能決策專家系統(tǒng)、智能答疑專家系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源專家系統(tǒng)、智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)組卷系統(tǒng)等。
二 機(jī)器人學(xué)
機(jī)器人學(xué)是人工智能研究是一個(gè)分支，其主要內(nèi)容包括機(jī)器人基礎(chǔ)理論與方法、機(jī)器人設(shè)計(jì)理論與技術(shù)、機(jī)器人仿生學(xué)、機(jī)器人系統(tǒng)理論與技術(shù)、機(jī)器人操作和移動(dòng)理論與技術(shù)、微機(jī)器人學(xué)。[9]機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代機(jī)器人是以 “示教―再現(xiàn)”方式進(jìn)行工作；第二代機(jī)器人具有一定的感覺裝置，表現(xiàn)出低級(jí)智能；第三代機(jī)器人是具有高度適應(yīng)性的自治機(jī)器人，即智能機(jī)器人。目前開發(fā)和應(yīng)用的機(jī)器人大多是智能機(jī)器人。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類的生活和社會(huì)都產(chǎn)生了重要影響，其研究和應(yīng)用逐漸由工業(yè)生產(chǎn)向教育、環(huán)境、社會(huì)服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域擴(kuò)展。
機(jī)器人技術(shù)涉及多門科學(xué)，是一個(gè)國家科技發(fā)展水平和國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化、信息化的重要標(biāo)志，因此，機(jī)器人技術(shù)是世界強(qiáng)國重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)，也是世界公認(rèn)的核心競爭力之一，很多國家已經(jīng)將機(jī)器人學(xué)教育列為學(xué)校的科技教育課程，在孩子中普及機(jī)器人學(xué)知識(shí)，從可持續(xù)和長遠(yuǎn)發(fā)展的角度，為本國培養(yǎng)機(jī)器人研發(fā)人才。[10]在機(jī)器人競賽的推動(dòng)下，機(jī)器人教育逐漸從大學(xué)延伸到中小學(xué)，世界發(fā)達(dá)國家例如美國、英國、法國、德國、日本等已把機(jī)器人教育納入中小學(xué)教育之中，我國許多有條件的中小學(xué)也開展了機(jī)器人教育。
機(jī)器人在作為教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，也為教育提供了有力的技術(shù)支撐，成為培養(yǎng)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的新的載體與平臺(tái)，大大豐富了教學(xué)資源。多年來，我國中小學(xué)信息技術(shù)教育的主要載體是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，教學(xué)資源單一，缺乏前瞻性。教學(xué)機(jī)器人的引入，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還為教學(xué)提供了豐富的、先進(jìn)的教學(xué)資源。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)機(jī)器人種類越來越多，目前在中小學(xué)較為常用的教學(xué)機(jī)器人有：能力風(fēng)暴機(jī)器人、通用機(jī)器人、未來之星機(jī)器人、樂高機(jī)器人、納英特機(jī)器人、中鳴機(jī)器人等。
三 機(jī)器學(xué)習(xí)
機(jī)器學(xué)習(xí)是要使計(jì)算機(jī)能夠模仿人的學(xué)習(xí)行為，自動(dòng)通過學(xué)習(xí)來獲取知識(shí)和技巧，[11]其研究綜合應(yīng)用了心理學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、邏輯學(xué)、模糊數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法與技術(shù)有機(jī)械學(xué)習(xí)、示教學(xué)習(xí)、類比學(xué)習(xí)、示例學(xué)習(xí)、解釋學(xué)習(xí)、歸納學(xué)習(xí)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)等，近年來，知識(shí)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘是發(fā)展最快的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。機(jī)器學(xué)習(xí)（自動(dòng)獲取新的事實(shí)及新的推理算法）是使計(jì)算機(jī)具有智能的根本途徑，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的研究有助于發(fā)現(xiàn)人類學(xué)習(xí)的機(jī)理和揭示人腦的奧秘。[12]
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和機(jī)器學(xué)習(xí)研究的深入，機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的性能大大提高，各種學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，例如將連接學(xué)習(xí)用于圖文識(shí)別，歸納學(xué)習(xí)、分析學(xué)習(xí)用于專家系統(tǒng)等，大大推動(dòng)了在教育中的應(yīng)用，例如在建構(gòu)適應(yīng)性教學(xué)系統(tǒng)中，用機(jī)器學(xué)習(xí)與樸素的貝葉斯分類器動(dòng)態(tài)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)偏好，有較高的準(zhǔn)確率[13]?；诎咐耐评恚╟ase-based reasoning，CBR）是一種新興的機(jī)器學(xué)習(xí)和推理方法，其核心思想是重用過去人們解決問題的經(jīng)驗(yàn)解決新問題，在計(jì)算機(jī)輔助教育方面，已經(jīng)出現(xiàn)了基于CBR的圖形仿真教育系統(tǒng)，并且，針對(duì)個(gè)體特征的教育教學(xué)方法研究也有所突破。[14]另外，數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)、金融管理、商業(yè)銷售等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，不僅給機(jī)器學(xué)習(xí)注入新的生機(jī)，也為機(jī)器學(xué)習(xí)在教育中的應(yīng)用提供了新的前景。
四 自然語言理解
自然語言理解就是研究如何讓計(jì)算機(jī)理解人類的自然語言，以實(shí)現(xiàn)用自然語言與計(jì)算機(jī)之間的交流。一個(gè)能夠理解自然語言信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)看起來就像一個(gè)人一樣需要有上下文知識(shí)以及根據(jù)這些上下文知識(shí)和信息用信息發(fā)生器進(jìn)行推理的過程。[15]自然語言理解包括口語理解和書面理解兩大任務(wù)，其功能為：回答問題，計(jì)算機(jī)能正確地回答用自然語言提出的問題；文摘生成，計(jì)算機(jī)能根據(jù)輸入的文本產(chǎn)生摘要；釋義，計(jì)算機(jī)能用不同的詞語和句型來復(fù)述輸入的自然語言信息；翻譯，計(jì)算機(jī)能把一種語言翻譯成另外一種語言。由于創(chuàng)造和使用自然語言是人類高度智能的表現(xiàn)，因此對(duì)自然語言處理的研究也有助于揭開人類高度智能的奧秘，深化對(duì)語言能力和思維本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。[16]
自然語言理解最早的研究領(lǐng)域是機(jī)器翻譯，隨著應(yīng)用研究的廣泛開展，也為機(jī)器人和專家系統(tǒng)的知識(shí)獲取提供了新的途徑，例如由MIT研制的指揮機(jī)器人的自然語言理解系統(tǒng)SHRDLU就可以接收自然語言，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，回答關(guān)于桌面上積木世界中的各種問題。同時(shí)，對(duì)自然語言理解的研究也促進(jìn)了計(jì)算機(jī)輔助語言教學(xué)和計(jì)算機(jī)語言設(shè)計(jì)等方面的發(fā)展，例如“希賽可”網(wǎng)絡(luò)智能英語學(xué)習(xí)系統(tǒng)，這個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的“人-機(jī)”語境的建立，突破了普通英語教師和傳統(tǒng)的單機(jī)的多媒體教學(xué)軟件所能具備能力限制，也比建立于網(wǎng)絡(luò)的“人-人”語境更具靈活性，可以為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者提供良好的英語學(xué)習(xí)支持，在國內(nèi)第一次系統(tǒng)地將用自然語言進(jìn)行的人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助外語教學(xué)上，在國際上也是一種創(chuàng)新。[17]
五 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是在對(duì)大腦的生理研究的基礎(chǔ)上，用模擬生物神經(jīng)元的某些基本功能的元件（即人工神經(jīng)元），按各種不同的聯(lián)結(jié)方式組織起來的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其目的在于模擬大腦的某些機(jī)理與機(jī)制，實(shí)現(xiàn)某個(gè)方面的功能，例如可以用于模仿視覺、模式識(shí)別、聲音信號(hào)處理、控制、故障診斷等領(lǐng)域，人工神經(jīng)元是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元。[18]人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩種基本結(jié)構(gòu)：遞歸（反饋）網(wǎng)絡(luò)和多層（前饋）網(wǎng)絡(luò)，兩種主要學(xué)習(xí)算法：有指導(dǎo)式學(xué)習(xí)和非指導(dǎo)式學(xué)習(xí)。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從模擬人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和行為出發(fā)，具有大規(guī)模并行、分布式存儲(chǔ)和處理、自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，特別適合于處理需要同時(shí)考慮許多因素和條件的、不精確和模糊的信息處理問題，[19]這使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更大的發(fā)展?jié)撃埽壳耙呀?jīng)開發(fā)和應(yīng)用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有30多種。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在教育中的應(yīng)用大多是與教學(xué)專家系統(tǒng)相結(jié)合，以此來改進(jìn)教學(xué)專家系統(tǒng)的性能，提高智能性，使其在教學(xué)過程中對(duì)突發(fā)問題具有更好的應(yīng)對(duì)能力。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)校管理中也得到應(yīng)用，例如采用誤差反傳算法（BP）的多層感知器已應(yīng)用于高校管理之中。
六 分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligence，DAI)
分布式人工智能是分布式計(jì)算與人工智能結(jié)合的結(jié)果，研究目標(biāo)是要?jiǎng)?chuàng)建一種能夠描述自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)的精確概念模型，主要研究問題是各Agent之間的合作與對(duì)話，包括分布式問題求解和多Agent系統(tǒng)兩個(gè)領(lǐng)域。[20]分布式人工智能系統(tǒng)一般由多個(gè)Agent組成，每個(gè)Agent又是一個(gè)半自治系統(tǒng)，Agent之間及Agent與環(huán)境之間進(jìn)行并發(fā)活動(dòng)并進(jìn)行交互來完成問題求解。[21]由于分布式人工智能系統(tǒng)具有并行、分布、開放、協(xié)作和容錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn)，在資源、時(shí)空和功能上克服了單智能系統(tǒng)的局限性，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。
分布式人工智能中的Agent和多Agent技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。在教學(xué)中引入Agent可以有效地提高教學(xué)系統(tǒng)的智能性，創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)情境，并能激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)行個(gè)性化教育。目前，Agent和多Agent技術(shù)多用于遠(yuǎn)程智能教學(xué)系統(tǒng)，通過利用其分布性、自主性和社會(huì)性等特點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的智能性，使教學(xué)資源得到充分利用，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，為學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)創(chuàng)造合作性的學(xué)習(xí)環(huán)境。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件中應(yīng)用Agent技術(shù)的一個(gè)典型是美國南加利福尼亞大學(xué)（USC）開發(fā)的教學(xué)Adele（Agent for Distance Education - Light Edition） [22]。Agent技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件中取得的良好效果，促進(jìn)了研究者對(duì)分布式人工智能在教育中的應(yīng)用研究。
綜上所述，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)推動(dòng)人工智能技術(shù)在教育中應(yīng)用的廣度和深度。從人工智能的應(yīng)用趨勢(shì)來看，人工智能在教育中應(yīng)用的擴(kuò)展可以通過以下三個(gè)方面進(jìn)行：一是人工智能與其他先進(jìn)信息技術(shù)結(jié)合。人工智能已經(jīng)與多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等有效的融合，為提高學(xué)習(xí)效率和效度提供了有力的技術(shù)支持，而引起教育技術(shù)界廣泛關(guān)注。[23]例如人工智能技術(shù)通過與多媒體技術(shù)相結(jié)合，可以提高智能教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)效果；與網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)相結(jié)合，可以提高和改進(jìn)遠(yuǎn)程教育的智能性。二是人工智能應(yīng)用研究領(lǐng)域間的集成。人工智能應(yīng)用研究領(lǐng)域之間并不是彼此獨(dú)立，而是相互促進(jìn)，相互完善，它們可以通過集成擴(kuò)展彼此的功能和應(yīng)用能力。例如自然語言理解與專家系統(tǒng)、機(jī)器人的集成，為專家系統(tǒng)和機(jī)器人提供了新的知識(shí)獲取途徑。三是人工智能的研究和應(yīng)用出現(xiàn)了許多新的領(lǐng)域，它們是傳統(tǒng)人工智能的延伸與擴(kuò)展，這些新領(lǐng)域有分布式人工智能與Agent、計(jì)算智能與進(jìn)化計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)以及人工生命等[24]，這些發(fā)展與應(yīng)用蘊(yùn)藏著巨大潛能，必將對(duì)教育產(chǎn)生重要的影響。
技術(shù)發(fā)展不斷發(fā)揮著引導(dǎo)教育技術(shù)研究的作用，一種新興技術(shù)的出現(xiàn)總是會(huì)掀起相應(yīng)的研究熱潮, 引發(fā)對(duì)技術(shù)在教育中應(yīng)用的探討、評(píng)價(jià)以及與傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比。[25] 人工智能作為一門交叉的前沿學(xué)科，雖然在基本理論和方法等方面存在著爭論，但從其研究成果與應(yīng)用效果來看，有著廣闊的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步的開發(fā)和利用。
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【關(guān)鍵詞】人工智能；未來教育；未來學(xué)校；創(chuàng)新變革；挑戰(zhàn)
【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【論文編號(hào)】1671-7384（2017）07-0012-03
近年來，世界各國高度重視人工智能技術(shù)的發(fā)展，相繼了相關(guān)研究報(bào)告。2016年10月，美國白宮了《為人工智能的未來做好準(zhǔn)備》和《國家人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃》兩份重要報(bào)告。2016年11月，英國政府《人工智能：未來決策制定的機(jī)遇與影響》報(bào)告。2017年3月，國務(wù)院總理發(fā)表2017政府工作報(bào)告，指出要加快培育壯大包括人工智能在內(nèi)的新興產(chǎn)業(yè)，“人工智能”首次被寫入政府工作報(bào)告。當(dāng)前，人工智能正逐漸融入電商零售、醫(yī)療健康、交通以及個(gè)人助理等多個(gè)領(lǐng)域，并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用空間。人工智能在教育領(lǐng)域同樣擁有巨大的應(yīng)用潛力，隨著知識(shí)表示方法、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)、自然語言處理、智能、情感計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，人工智能將在教育領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用[1]。
人工智能在教育中的典型應(yīng)用主要集中在智能導(dǎo)師輔助個(gè)性化教與學(xué)、教育機(jī)器人等智能助手、居家學(xué)習(xí)的兒童伙伴、實(shí)時(shí)跟蹤與反饋的智能測(cè)評(píng)、教育數(shù)據(jù)的挖掘與智能化分析、學(xué)習(xí)分析與學(xué)習(xí)者數(shù)字肖像六大方向[1]，已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。學(xué)校作為教育活動(dòng)的重要組織場所之一，人工智能將為學(xué)校的管理與教學(xué)帶來變革性的影響，主要表現(xiàn)在四大方面：維護(hù)校園安全、輔助教師教學(xué)、變革學(xué)習(xí)范式以及優(yōu)化學(xué)校管理。
維護(hù)校園安全
校園安全是順利開展學(xué)校教育活動(dòng)的基礎(chǔ)，也是教育改革和發(fā)展的基本保障?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》指出，要“切實(shí)維護(hù)教育系統(tǒng)和諧穩(wěn)定，深入開展平安校園、文明校園、綠色校園、和諧校園創(chuàng)建活櫻為師生創(chuàng)造安定有序、和諧融洽、充滿活力的工作學(xué)習(xí)生活環(huán)境”[2]。計(jì)算機(jī)視覺與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得人工智能維護(hù)校園安全成為可能，其將在非法人員識(shí)別、消防安全預(yù)警、活動(dòng)事故防護(hù)三個(gè)方面發(fā)揮重要作用。
1. 非法人員識(shí)別
部署保安機(jī)器人將是未來學(xué)校保證維護(hù)校園安全的重要措施之一。保安機(jī)器人能通過眼部的圖像采集設(shè)備采集進(jìn)入校園人員的面部信息，識(shí)別當(dāng)前人員身份，若未檢測(cè)到相關(guān)人員信息，系統(tǒng)則會(huì)通知學(xué)校的安保人員進(jìn)行身份驗(yàn)證、登記等工作。同時(shí)，位于校園各處的保安機(jī)器人還將實(shí)時(shí)監(jiān)控是否有陌生人通過非正規(guī)途徑進(jìn)入校園，檢測(cè)到相關(guān)行為之后，則會(huì)通知學(xué)校安保人員進(jìn)行處理。此外，位于學(xué)校門口的保安機(jī)器人還將采集學(xué)生的面部信息，與信息庫中的學(xué)生信息相比對(duì)，確定學(xué)生身份，并記錄學(xué)生到校與離校時(shí)間，確保學(xué)生在校期間的安全。
2. 消防安全預(yù)警
未來學(xué)校的消防安全預(yù)警系統(tǒng)包含了感煙探測(cè)器、感溫探測(cè)器、火焰探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器等多種感應(yīng)器，同時(shí)通過攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集圖像信息，分析畫面中是否出現(xiàn)明火、煙霧等現(xiàn)象。其綜合圖像分析與探測(cè)器感知，判斷是否有火災(zāi)現(xiàn)象發(fā)生。此外，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集校園內(nèi)人員的行為數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫中消防安全危險(xiǎn)行為做比對(duì)，分析是否有相關(guān)危險(xiǎn)行為發(fā)生。若危險(xiǎn)行為發(fā)生，則會(huì)通知學(xué)校安防人員。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，擁有智能搜救技術(shù)的消防機(jī)器人將會(huì)代替人進(jìn)入火災(zāi)發(fā)生區(qū)，通過生命探測(cè)儀，自動(dòng)感應(yīng)、搜索、識(shí)別被困人員，將其救出火災(zāi)發(fā)生區(qū)。消防機(jī)器人的部署很大程度上避免了人員進(jìn)入火災(zāi)發(fā)生區(qū)受到二次傷害現(xiàn)象的發(fā)生，其機(jī)動(dòng)性超越了現(xiàn)有的消防安全系統(tǒng)，在很大程度上保證了校園內(nèi)師生生命和財(cái)產(chǎn)安全。
3. 活動(dòng)事故防護(hù)
目前，校園課間活動(dòng)的傷害事故主要表現(xiàn)在擁擠踩踏傷害、追逐打鬧傷害、危險(xiǎn)游戲傷害等三個(gè)方面?；谌斯ぶ悄艿幕顒?dòng)事故防護(hù)系統(tǒng)通過校園內(nèi)的攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集師生行為數(shù)據(jù)，通過與數(shù)據(jù)庫中活動(dòng)事故危險(xiǎn)行為模型相比對(duì)，分析判斷是否有危險(xiǎn)行為發(fā)生。若相關(guān)行為發(fā)生，系統(tǒng)則會(huì)將相關(guān)危險(xiǎn)行為發(fā)生的地點(diǎn)、類型等發(fā)送給學(xué)校的安防人員，提醒安防人員采取相應(yīng)措施。
輔助教師教學(xué)
隨著圖像識(shí)別、語音識(shí)別、自然語言處理等技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人工智能工具被應(yīng)用于教育領(lǐng)域，成為教師教學(xué)的得力助手。教育機(jī)器人和智能作業(yè)測(cè)評(píng)工具的出現(xiàn)大大減輕了教師的負(fù)擔(dān)，提高了教師教學(xué)的效率。
1. 輔助備課
備課是真實(shí)教學(xué)實(shí)踐的預(yù)演，是應(yīng)用教師知識(shí)并發(fā)展教師知識(shí)的過程。其既是確保教學(xué)質(zhì)量的條件，也是教師專業(yè)發(fā)展的途徑[3]，是教師教學(xué)的重要組成部分。備課機(jī)器人能夠通過語音識(shí)別記錄教師話語信息，利用自然語言處理技術(shù)分析整合教師話語信息，識(shí)別教師要求。備課機(jī)器人根據(jù)教師提供的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點(diǎn)、學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)等，在相關(guān)學(xué)科的知識(shí)庫中進(jìn)行資源的搜索與整合，形成電子教案。同時(shí)，根據(jù)教案內(nèi)容為教師提供課堂測(cè)試習(xí)題以及上課所需課件。教師只需要根據(jù)所教班級(jí)的學(xué)生特點(diǎn)與自己的教學(xué)習(xí)慣，對(duì)教案、測(cè)試習(xí)題以及課件稍作調(diào)整即可應(yīng)用于教學(xué)。
2. 智能作業(yè)測(cè)評(píng)
自然語言處理技術(shù)的進(jìn)步使得作業(yè)自動(dòng)批改成為可能?？拼笥嶏w將“訊飛超腦”計(jì)劃的階段性研究成果“全學(xué)科閱卷”技術(shù)應(yīng)用于考試，實(shí)現(xiàn)閱卷過程的數(shù)據(jù)化與自動(dòng)化，在將教師從簡單重復(fù)的閱卷工作中解放出來的同時(shí)，完成對(duì)考試數(shù)據(jù)的采集[4]?；谌斯ぶ悄艿淖鳂I(yè)評(píng)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)作文、閱讀等主觀題進(jìn)行語義識(shí)別并提出修改意見，根據(jù)學(xué)生的作業(yè)結(jié)果為教師自動(dòng)生成詳細(xì)的學(xué)情報(bào)告。智能作業(yè)評(píng)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用將有效分擔(dān)教師的教學(xué)壓力，顯著提高教學(xué)效率，教師能夠更多地專注于與學(xué)生互動(dòng)、教學(xué)設(shè)計(jì)和專業(yè)發(fā)展。
3. 輔助課堂管理
在未來，教輔機(jī)器人將走進(jìn)教室，輔助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中遇到的難題。教輔機(jī)器人能夠識(shí)別學(xué)生身份，讀取學(xué)生當(dāng)天所學(xué)課程信息以及學(xué)生在課堂的行為數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供個(gè)性化解題方案奠定基礎(chǔ)。教輔機(jī)器人通過語音識(shí)別獲取學(xué)生問題信息，利用自然語言處理技術(shù)分析整合學(xué)生話語信息。然后，教輔機(jī)器人通過人臉識(shí)別采集學(xué)生的面部信息，綜合面部表情、姿態(tài)和語調(diào)通過情感計(jì)算技術(shù)分析目前學(xué)生的情緒狀態(tài)，綜合學(xué)生的情緒狀態(tài)和行為數(shù)據(jù)確定學(xué)生當(dāng)前學(xué)習(xí)狀態(tài)。教輔機(jī)器人依托優(yōu)秀教師授課資源庫，智能搜索相關(guān)答案，針對(duì)不同學(xué)習(xí)狀態(tài)的學(xué)生采取不用的解題風(fēng)格。此外，教輔機(jī)器人將收集到的學(xué)生行為數(shù)據(jù)上傳到學(xué)生管理系統(tǒng)，輔助教師等進(jìn)行學(xué)生的日常管理工作。
變革學(xué)習(xí)范式
學(xué)習(xí)范式是指特定時(shí)代的學(xué)習(xí)共同體所共有的學(xué)習(xí)理念、學(xué)習(xí)方式，并對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)行為產(chǎn)生積極的引導(dǎo)作用，以促進(jìn)學(xué)習(xí)的有效進(jìn)行[5]。人工智能技術(shù)的發(fā)展使自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)真正地為教育所用，為學(xué)習(xí)所用，人工智能將使現(xiàn)有的學(xué)習(xí)范式走向自適應(yīng)學(xué)習(xí)。
自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)在本質(zhì)上是一類支持個(gè)別化學(xué)習(xí)的在線學(xué)習(xí)環(huán)境。它針對(duì)個(gè)體在學(xué)習(xí)過程中的差異性（因人、因時(shí)）而提供適合個(gè)體特征的學(xué)習(xí)支持，包括個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)策略等[6]。基于人工智能的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)將整合自適應(yīng)內(nèi)容、自適應(yīng)評(píng)估和自適應(yīng)序列三種工具。自適應(yīng)內(nèi)容通過分析學(xué)生對(duì)問題具體的回答，為學(xué)生提供個(gè)性化的內(nèi)容反饋和學(xué)習(xí)資源推送。自適應(yīng)序列利用一定的算法和預(yù)測(cè)性分析，基于學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，持續(xù)收集數(shù)據(jù)。其中在數(shù)據(jù)收集階段，自適應(yīng)序列會(huì)將學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生互動(dòng)集成起來，再由模型計(jì)算引擎對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以備使用。自適應(yīng)評(píng)估可根據(jù)學(xué)生回答問題的正確與否，及時(shí)改變和調(diào)整測(cè)評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)。
優(yōu)化學(xué)校管理
學(xué)校是教育的核心單元，高效的學(xué)校管理是學(xué)校開展各項(xiàng)工作并得以高效運(yùn)行的重要保障[7]。人工智能的融入將使未來學(xué)校的管理工作更加高效，使學(xué)校更好地服務(wù)于教師的教學(xué)與學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)。其將在考務(wù)管理、教師管理、學(xué)生管理三方面發(fā)揮重要作用。
1. 考務(wù)管理
在未來的學(xué)校中，監(jiān)考機(jī)器人將代替監(jiān)考人員進(jìn)行考務(wù)工作，很大程度上節(jié)省學(xué)?？紕?wù)管理方面的人力資源。監(jiān)考機(jī)器人通過內(nèi)置于眼部的攝像頭采集學(xué)生的面部信息，與數(shù)據(jù)庫中學(xué)生信息比對(duì)，確定學(xué)生身份，自動(dòng)完成簽到。其通過內(nèi)置于手臂端的金屬探測(cè)器，掃描學(xué)生全身，z測(cè)學(xué)生是否帶有作弊物品。監(jiān)考機(jī)器人通過攝像頭、紅外感知等確定學(xué)生位置以及教室內(nèi)的桌椅等位置，規(guī)劃行動(dòng)路徑，分發(fā)和收集試卷。此外，監(jiān)考機(jī)器人還將通過位于眼部的攝像頭實(shí)時(shí)采集學(xué)生行為數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫中作弊行為實(shí)時(shí)對(duì)比分析，如果學(xué)生有作弊行為發(fā)生，則會(huì)立即制止，維護(hù)考場紀(jì)律。
2. 教師管理
教師管理是學(xué)校管理工作中的重要組成部分，教師評(píng)價(jià)則是教學(xué)管理中的核心部分。人工智能為教師的智能評(píng)價(jià)提供了可能?；谌斯ぶ悄艿慕處熢u(píng)價(jià)系統(tǒng)通過教室的攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集教師及學(xué)生的行為數(shù)據(jù)、表情數(shù)據(jù)，通過學(xué)生的穿戴設(shè)備采集其體征數(shù)據(jù)。系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)教師和學(xué)生的行為數(shù)據(jù)、情緒數(shù)據(jù)和體征數(shù)據(jù)的分析（如系統(tǒng)與學(xué)校的學(xué)科管理系統(tǒng)相連通，確定教師的教學(xué)內(nèi)容是否與教學(xué)大綱要求相適應(yīng)，重難點(diǎn)是否突出，所講述內(nèi)容是否具有實(shí)用性；教師講授知識(shí)時(shí)，根據(jù)學(xué)生的行為、情緒和體征的反應(yīng)確定教師所講授知識(shí)是否被學(xué)生理解；教師在講授內(nèi)容和組織學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)，語言是否規(guī)范、清晰，態(tài)度是否親切和藹等），最終評(píng)定教師的教學(xué)效果，并生成可視化報(bào)告，輔助學(xué)校完成對(duì)教師教學(xué)效果的評(píng)估工作。此外，系統(tǒng)還將通過教室的攝像設(shè)備采集教師面部信息，識(shí)別教師身份，自動(dòng)記錄教師的出勤情況，輔助學(xué)校的教師管理工作。
3. 學(xué)生管理
學(xué)生管理在學(xué)校管理中同樣發(fā)揮著重要作用。基于人工智能的學(xué)生管理系統(tǒng)可通過位于學(xué)校門口以及教室的攝像設(shè)備采集學(xué)生面部信息，識(shí)別學(xué)生身份，自動(dòng)記錄學(xué)生的到校時(shí)間和離校時(shí)間，為學(xué)生的出勤考核提供數(shù)據(jù)支持。通過位于教室的攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集學(xué)生的行為數(shù)據(jù)，分析學(xué)生的課堂表現(xiàn)以及課余時(shí)間的同學(xué)之間的交流情況，為學(xué)生管理的班風(fēng)、學(xué)風(fēng)管理提供決策支持。同時(shí)，通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、課堂表現(xiàn)、課下交流情況，判斷學(xué)生是否有異常行為（趨向），并及時(shí)反饋給學(xué)校管理者。此外，系統(tǒng)還將學(xué)生的在校情況，包括到校時(shí)間、離校時(shí)間、測(cè)試成績、作業(yè)完成情況等反饋給學(xué)生家長，家校協(xié)同完成學(xué)生管理工作。
讓機(jī)器在沒有人類教師的幫助下學(xué)習(xí)，讓機(jī)器像人類一樣感知和理解世界，使機(jī)器具有自我意識(shí)、情感，以及反思自身處境與行為的能力，是人工智能面臨的主要挑戰(zhàn)[8]。除此之外，人工智能在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用目前還處于初級(jí)階段，在學(xué)校的管理與教學(xué)應(yīng)用方面仍面臨著數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱、決策和推理機(jī)制適應(yīng)難、缺乏專業(yè)應(yīng)用人才等挑戰(zhàn)。
（作者單位：江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院）
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