人工智能在教育领域的应用探析

2019 年 3 月 16 日 MOOC
人工智能在教育领域的应用探析

| 全文共5435字,建议阅读时11分钟 |

 

本文由《数字教育》杂志授权发布

作者:罗万丽 王蕊 范荣

摘要

 

随着人工智能热潮的兴起,日新月异的新技术蔓延各行各业,“人工智能+ 教育”应运而生,教育形态也因此不断得到重塑。本文通过介绍人工智能教育应用的内涵、特征和关键技术,基于对我国人工智能在教育中应用现状的思考,从而梳理和反思人工智能教育应用在智能时代的推进策略,以期为国内人工智能教育应用的发展提供思路。

关键词:人工智能;教育应用;深度学习


一、对人工智能教育应用的解读


(一)认识人工智能教育应用


人工智能是人类体力与脑力的延伸,是涉及计算机科学、心理学、教育学等多个领域的一门综合性的交叉学科。[1]人工智能又叫机器智能,人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。人工智能早在20 世纪50 年代就产生了,但因为其运算能力等原因,经历了低谷期和长期的缓慢发展状态。2016 年,阿尔法狗成功战胜世界围棋冠军李世石,引爆了人工智能技术的发展热潮。接下来,人工智能以强大的智能技术的支撑, 类似互联网的路径,快速渗透到各行各业的发展,引起了人们的欢呼和追捧。人工智能教育应用是“人工智能+ 教育”的成果,既有着人工智能技术与其他行业融合发展的特点,也有其特殊性。它是信息时代人工智能技术和学习科学技术两者融合所产生的一个新领域,其核心是教学模型、领域知识模型和学习者模型。人工智能教育应用旨在运用人工智能技术,通过大数据、云计算、深度学习三大核心驱动力跟踪记录学习者的所有学习过程,完成常态化数据采集、评价模型以及个性化教学和数据化管理,从微观层面深入理解学习是如何发生的,以及探索外界的各种因素对它有哪些影响,从而为学习者高效学习创造了条件。[2]


(二)主要特征


1. 教育服务智能化


人工智能教育应用为教学提供更多的智能工具, 为教育者和学习者带来智慧教学的新体验。在教学过程中教师运用人工智能技术将学习环境与生活场景进行无缝衔接,提供智能化教学服务,提升教学效果,促使泛在学习、终身学习真正成为一种常态。


2. 学习过程个性化


“人工智能+ 教育”充分利用智能技术的支撑,依据师生的不同特点和需求,为其提供具有针对性的个性化教育服务。同时它还可以实现跟踪并记录学习者的所有学习过程,通过对学习过程的分析标记学习的重、难点,进一步帮助学习者及时调整学习进度及学习计划,并为其制订个性化学习计划,推送个性化资源。


3. 关注学生情感


在线教育目前仍然存在情感缺失的不足,而人工智能教育应用则可以利用情感计算技术解决这一难题。人工智能教育应用在教学过程中通过识别学习者的面部表情、姿势、声音进一步了解学习者的情绪,进而调整教学策略。因此,人工智能教育应用更关注情感,通过人机交流为学生营造一个接近真实的个性化学习环境,这样更有利于维持学习者的动机。


(三)关键技术


1. 知识计算


知识计算是人工智能与信息技术融合的一种新型产物,其实质是一种可被计算机接受的用于描述知识的数据结构。在教育领域,知识计算主要通过人工神经网络表征,并结合教学专家系统的知识表示方法,从而运用其智能性解决学习过程中遇到的复杂问题。


2. 计算机视觉


计算机视觉是利用摄像机和电脑对目标扫描,进而对目标进行识别、跟踪和测量等,并通过图形处理,使其成为更容易被人眼辨别或传送给仪器检测的图像。[3]在教育领域中的应用主要有信息组织、物体与环境建模以及交感互动等方面,其作用是通过感知从感官信号中获取信息。


3. 语音识别


语音识别技术是将人类的语音内容转换为计算机可读的输入,计算机通过语音识别和辨别接收具体内容信息,并将其转化为文字。语音识别技术在教育领域的应用主要包括语音文档检索、语音读写数据输入等,为存在学习障碍的学生提供听、说、读、写方面的便捷服务,为特殊教育注入新的血液。


4. 自然语言处理


自然语言处理旨在通过人与计算机进行交流,使计算机理解人类的自然语言。在教育领域,自然语言处理技术主要应用于语法检测、文本知识与语言管理、人工系统、语料库以及语言教学研究中。同时自然语言处理技术在教学中的应用,为学习者带来了全新的学习方式。


5. 情感计算


情感计算是指通过运用一种能够识别并理解机器模拟人的情感的算法,使机器获得学习者的情感状态。[4]显然,情感计算的应用,可以实时捕捉学习者在学习过程中的情感状态,通过面部表情、姿态表情以及语调表情等方面的变化及时反馈学习者的情感变化,从而迅速分析、判断出学习者对该学习内容的态度偏好、认知风格,并进一步为学习者适时地提供激励和帮助。


二、 人工智能在教育中的应用现状分析


当前,各中小学开始设置人工智能相关课程,请人工智能进课堂,将其与中小学课堂教学进行深度融合。在推广编程教育的过程中,通过开展人工智能大赛、机器人大赛等方式,进一步吸引社会力量参与计算机辅助教学软件、游戏的开发和推广,打造寓教于乐的智慧教育。并且国内部分高校已经设立了人工智能专业,积极响应“人工智能+ 教育”的号召,已然形成“人工智能+ X”复合专业培养新模式。[5]同时部分试点院校已建立人工智能学院,开设人工智能学科,进一步开展硕士、博士招生工作,实现复合型人才的培养目标。


人工智能在教育领域更多的是应用于学校教学和远程教育等方面。人工智能教育应用使教育资源内容更加丰富,教学方式更为灵活,教学环节和流程得到了优化。如Z+Z 智能教学系统、智能导师系统、智能自适应学习系统及机器人DIY 等在教育中的应用,充分考虑学习者的个体差异,协助教师更好地进行因材施教,优化和创新了教学方式;实现了O2O 混合式个性化教学, 创造了新的教育生态。同时在教学过程中,人工智能为智慧教育提供了技术支撑,如智能批改、基于案例的推理等新兴的机器学习为教育注入了新鲜的血液。机器阅卷减轻了教师的负担,教师能够腾出更多的时间和精力关注学生互动、教学设计、专业发展和教育质量。


在日常仿真教学实验中,运用基于智能仿真技术的智能实验系统进行物理实验、生物实验、化学实验等仿真实验,不仅解决了设备欠缺、经费不足的难题,而且可以利用其对实验数据进行预处理,生成实验模型。这样一来就可以针对实验模型选择有效的实验方法,分析解释实验结果,从而提高教学效率。


人工智能为远程教育的智能化提供了有力的技术支撑。通过运用专家系统、自然语言处理、人工神经网络、机器学习等技术,跟踪学习者的思维路径及其解决问题的潜在目标结构,诊断和评估学习者的理解域,对学习者提供及时的指导、反馈和解释,通过平台大数据的分析以合适的难度水平和最适当的内容来规划学习活动,进一步促进高效学习行为的发生。[6]


尽管拥有先进的教学理念、创新思维和技术支撑, 但是人工智能教育活动目前仍处于探索阶段,人工智能在教育中已取得的成果大部分集中为个案,在通用性方面还未取得突破性进展。人工智能教育应用尚不成熟,在很大程度上需要深入探究和摸索。与此同时,在未来研究中,除需要澄清部分“误区”(如智能教育与智慧教育的混淆、乐观与悲观的态度等)外,还有许多“新区”(如应用新领域、新模式和新场景等) 亟待拓展,部分“盲区”(如被忽略的应用领域、理论和技术方面的创新等)有待进一步探索以及一些“禁区”(如信息伦理、信息法律等方面)须明文令止。


三、对人工智能教育应用发展的思考


(一)学校重视人工智能教育


在人工智能时代,如何依托课堂实现人们满意的人工智能教育?毫无疑问,首先,人工智能教育应用对学校教育本身进行了高密度的渗透,学校教育迫切需要更新教育教学观念,尤其是在人才培养方面,直接切入人才培养过程,将需求和目标融为一体。其次,需转变学习者的意识、观念,让学习者了解人工智能,并参与体验人工智能教育应用的乐趣,从而让他们的潜力得到激发。再次,还需改变传统课堂教育方式,在学校教育过程中除了整合校内教育资源,还需注入适当的社会资源,从而借助大众媒体培养学习者批判思维能力、高阶思维能力、合作交流能力等核心素养,进而培养其具有终身学习的意识。如引导学习者观看科学类节目《机智过人》等,让学习者与智能技术面对面进行零距离接触,进而对学习者进行潜移默化的影响。


(二)催生云教育,促进教育公平


人工智能教育应用开创了一个“人机共教”的新时代,突破了传统教育的时空限制,集教学、管理、学习、娱乐、分享、互动交流于一体,云教育也由此应运而生。无论是课堂教学,还是考试、选课、管理以及评价等,利用人工智能可以扩大优质教育资源覆盖面,推动教育均衡发展。教育资源的不均主要是由于优秀教师资源、优质教育资源的匮乏和分配不均衡所造成的,因此借助人工智能教育应用这种新型教育模式,可以逐渐实现教育行业知识结构化、课堂内容数字化、师资资源均衡化、教学资源便捷化,最终打造一个个“智慧课堂”。通过将优质教育资源尽快“输血”给农村、西部和老少边穷地区,从而最大化地利用人工智能扩大分享知识的规模,加强分享知识的深度,进一步帮助数以亿计的孩子就近接受良好的教育。[7]如科大讯飞研发的人工智能机器人——阿尔法小蛋,英语智能教具系统的应用, 以及著名的“双师教学”实验等,这些典型的案例无疑为农村孩子享受名师课程提供了可能,也为城乡教育资源不均衡问题的解决提供了新的思路。


(三)汇聚优质资源,构建新的教育生态


第一,人工智能教育应用弥补了传统教学的不足。以往的教学过程更注重具体知识内容的学习,忽略了学习者的需求及个性差异,未关注到师生、生生交互的深度与广度,而人工智能教育应用注重多维学习空间的创建,通过计算机、网络以及移动设备实现了在线课堂式的教学,全力支持学生进行个性化的自主学习,为教学效率和质量的提升创造了优越的条件。如“一起作业” 平台,学习者不仅可以借助该平台随时获取自身所需的、与课堂教学知识点同步的丰富习题,系统还能自动生成精细的反馈,使学习者能够有针对性地进行复习和训练;同时使更多的学习者共享名师资源,缩小“数字鸿沟”, 促进教育公平。第二,人工智能教育应用能够帮助实现一对一个性化辅导,满足学习者的真正需要,充分发挥其主体作用,促进学生得到个性化发展。注重培养学习者个性化学习的能力,鼓励学习者在学习过程中选择适合其学习风格的学习方法,倡导学习者勇于表达自己的所思所想,从而为每个学习者量身打造符合其学习实际需要、学习偏好的个性化学习方案。第三,人工智能教育应用实现了从传统的灌输模式到即时交互模式的完美转型。不可否认,一系列新技术的涌现,其交互性为变革传统教育生态提供了全新的可能。显然,交互是一种双向互动的过程,新技术使得教学四要素(教师、学生、教学内容、教学媒体)之间可以进行多维交互,学习者在互动过程中能够进一步完成知识建构,实现学习迁移。第四,人工智能教育应用实现了教学过程中由“教师为主体”向“学生为主体”的转变,教师不再掌握学习控制权,而是学习者自主掌控,并通过激发学生的求知欲, 从而引发真正的学习,促进真正的发展。


(四)以人为本,构建多元融合的课程体系


在人工智能时代背景下,学校课程体系更趋向于多元化、丰富化、融合化。同时人工智能教育应用强调以人为本、注重个性发展,学校课程应更多地关注孩子的本真,给孩子更多的空间,根据每个人的资质和特点对其进行相应的指导和培养,真正做到因材施教。通过构建智能学习、交互式学习的新型教育环境,建立以学习者为导向、以教师为辅助的智慧教育模式, 借助人工智能提供精准推送的学习支持服务,实现教学最优化和终身教育定制化。如既能够编程,还能与Scratch 编程教育相结合,用于项目式学习、人工智能认知学习的“爱因斯坦机器人”,有效地将教育与娱乐相结合,带动学习者更多的感官参与学习过程,从而使学校成为孩子进行思想碰撞的学习中心。这启示我们,未来的学校需要注重开展跨学科探索性学习,推动人工智能与基础学科的交叉融合,以丰富的课程体系培养学习者独立思维、批判性思维等重要品质, 从而让每一个孩子接受更加全面、更加个性化的教学, 使学习过程变得更高效、更快乐。


参考文献:

[1][4] 闫志明,唐夏夏,秦旋,等. 教育人工智能(EAI)的内涵、关键技术与应用趋势:美国《为人工智能的未来做好准备》和《国家人工智能研发战略规划》报告解析[J]. 远程教育杂志,2017,(1): 28-30.

[2] 王海芳,李锋. 人工智能应用于教育的新进展[J]. 现代教育技术, 2008,(S1),18-20.

[3] 吴晓如,王政. 人工智能教育应用的发展趋势与实践案例[J]. 中国电化教育,2018,(2):5-6.

[5] 吴永和,刘博文,马晓玲. 构筑“人工智能+ 教育”的生态系统[J]. 远程教育杂志,2017,(5):31-34.

[6] 徐鹏,王以宁. 国内人工智能教育应用研究现状与反思[J]. 现代远距离教育,2009,(5):3-5.

[7] 张坤颖,张家年. 人工智能教育应用与研究中的新区、误区、盲区与禁区[J]. 远程教育杂志,2017,(5):57-58.


作者简介:罗万丽(1994— ),女,甘肃渭源人,硕士,研究方向为现代远程教育;王蕊(1967— ),女,甘肃兰州人,西北师范大学教授,硕士生导师,研究方向为信息技术与教育应用;范荣(1993— ),女,甘肃武威人,硕士,研究方向为信息技术教育。


转载自:《数字教育》 2018年第6期

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