人工智能融入學(xué)校教育的發(fā)展趨勢(shì)

1、    人工智能融入學(xué)校教育的發(fā)展趨勢(shì)    摘要：面對(duì)人工智能技術(shù)浪潮的再次爆發(fā)，如何將其融入學(xué)校教育成為社會(huì)各界和學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文對(duì)人工智能發(fā)展脈絡(luò)、信息技術(shù)教育應(yīng)用的基本關(guān)切和當(dāng)前教育改革的難點(diǎn)進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)人工智能的發(fā)展動(dòng)力主要源于技術(shù)與政策的雙輪驅(qū)動(dòng)，而大規(guī)模數(shù)字化與行業(yè)深度應(yīng)用是新一輪人工智能發(fā)展的顯著特征，這些發(fā)展和進(jìn)步將為人工智能融入學(xué)校帶來(lái)新機(jī)遇。文章通過(guò)剖析技術(shù)與教育時(shí)空的關(guān)系，提出個(gè)性化學(xué)習(xí)、適切服務(wù)、學(xué)業(yè)測(cè)評(píng)、角色變化、交叉學(xué)科五大人工智能教育應(yīng)用潛能和教育價(jià)值、教學(xué)體驗(yàn)、安全倫理、有效協(xié)同及技術(shù)治理五大人工智能教育應(yīng)用挑

2、戰(zhàn)。文章最后指出，為了促進(jìn)新一代人工智能融入學(xué)校教育，除通過(guò)技術(shù)研發(fā)、環(huán)境部署與應(yīng)用改變學(xué)校環(huán)境外，還應(yīng)開(kāi)展關(guān)于認(rèn)知特征、學(xué)習(xí)本質(zhì)與教育價(jià)值和智能機(jī)器的安全、規(guī)范與倫理的相關(guān)研究。關(guān)鍵詞：人工智能，人工智能教育應(yīng)用，智能教學(xué)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)基金項(xiàng)目北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目“互聯(lián)網(wǎng)教育個(gè)性化學(xué)習(xí)開(kāi)放服務(wù)平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用”(d171100003417003)的子項(xiàng)目“面向在線教育的數(shù)字教育資源共享標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與創(chuàng)新服務(wù)模式研究”。人工智能技術(shù)與學(xué)校教育融合成為一種未來(lái)趨勢(shì)，這為個(gè)性化學(xué)習(xí)和個(gè)別化學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障，成為教育發(fā)展的重要推動(dòng)力?！爸悄芙逃弊鳛橹攸c(diǎn)任務(wù)被寫(xiě)入2017年頒布的新一代人工智能

3、發(fā)展規(guī)劃，成為人工智能國(guó)家戰(zhàn)略的重要組成部分。教育部2018年印發(fā)的教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃也提出要推動(dòng)人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)支持下的教育模式變革和生態(tài)重構(gòu)。然而，當(dāng)前教育信息化面臨著教學(xué)方法革新、教育資源均衡和教師專業(yè)發(fā)展等問(wèn)題。人們期待新一代人工智能技術(shù)在更大程度上促進(jìn)教育公平、提高教育質(zhì)量。本文旨在回顧人工智能的發(fā)展歷史，分析人工智能進(jìn)展的動(dòng)力來(lái)源，從技術(shù)和教育的視角審視人工智能教育應(yīng)用的特征和規(guī)律，試圖回答人工智能融入學(xué)校教育的潛能、可能面臨的挑戰(zhàn)和主要研究趨勢(shì)，以期促進(jìn)新一代人工智能助力學(xué)校教育發(fā)展，從而為構(gòu)建智能化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、終身化的教育體系貢獻(xiàn)智慧。一、人工智能

4、的新進(jìn)展及其為學(xué)校教育發(fā)展帶來(lái)的新機(jī)遇正確認(rèn)識(shí)人工智能的發(fā)展規(guī)律，有必要對(duì)其發(fā)展歷史，尤其是典型特征進(jìn)行梳理。(一)人工智能的發(fā)展動(dòng)力源自技術(shù)與政策的雙輪驅(qū)動(dòng)人工智能主要是研究和開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。自1956年達(dá)特茅斯會(huì)議提出“人工智能”一詞以來(lái)，距今已有60年。期間共經(jīng)歷三次發(fā)展浪潮(見(jiàn)圖1)：第一次浪潮為1956年至1966年，標(biāo)志是在美國(guó)達(dá)特茅斯會(huì)議上確立人工智能(artificial intelligence，簡(jiǎn)稱ai)術(shù)語(yǔ)，開(kāi)創(chuàng)人工智能研究領(lǐng)域。這一時(shí)期的研究重點(diǎn)是符號(hào)推理與機(jī)器推理。七十年代后，硬件計(jì)算能力不足和數(shù)據(jù)局限性等問(wèn)題，使一些人工

5、智能研究項(xiàng)目遭到質(zhì)疑，同時(shí)美國(guó)和英國(guó)政府相繼中斷了對(duì)人工智能探索性研究的資助，其發(fā)展進(jìn)入第一個(gè)“寒冬期”。人工智能的第二次浪潮為1976年至1986年，多國(guó)設(shè)立大型ai項(xiàng)目促進(jìn)人工智能的發(fā)展。如日本的icot項(xiàng)目、美國(guó)的mcc項(xiàng)目和英國(guó)的alvey項(xiàng)目。這一時(shí)期出現(xiàn)了語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音翻譯計(jì)劃及日本第五代計(jì)算機(jī)。九十年代后期，由于難以將人工智能技術(shù)成功應(yīng)用于實(shí)際生活，經(jīng)過(guò)短暫發(fā)展后的人工智能又一次進(jìn)入滯緩的“寒冬期”。人工智能的第三次浪潮為2006年至今，標(biāo)志是欣頓(hinton)提出的深度學(xué)習(xí)技術(shù)及imagenet競(jìng)賽中圖像識(shí)別技術(shù)的突破，尤其是美國(guó)brain計(jì)劃、歐盟類brain計(jì)劃、中國(guó)新一

6、代人工智能發(fā)展規(guī)劃(國(guó)務(wù)院，2017)的制定，使新一代人工智能受到廣泛關(guān)注，相應(yīng)研究取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，應(yīng)用范圍和前景廣闊。圖1 人工智能發(fā)展概貌從歷史來(lái)看，人工智能的發(fā)展總體上呈“螺旋上升”的態(tài)勢(shì)，每一次進(jìn)步都離不開(kāi)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家政策的影響，技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展又會(huì)反過(guò)來(lái)影響國(guó)家政策的出臺(tái)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，科學(xué)技術(shù)和國(guó)家政策仍將是人工智能持續(xù)發(fā)展的影響因素。(二)新一輪人工智能發(fā)展以大規(guī)模數(shù)字化和行業(yè)深度應(yīng)用為顯著特征新一輪人工智能技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)規(guī)模增加、計(jì)算能力增強(qiáng)和行業(yè)應(yīng)用能力提升等顯著特征。首先，在數(shù)據(jù)規(guī)模增加上，各種“模擬”數(shù)據(jù)的數(shù)字化，產(chǎn)生了面向系統(tǒng)和人類過(guò)程行為的海量數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)規(guī)

7、?？焖僭黾印Ｆ浯?，得益于硬件計(jì)算性能的快速增強(qiáng)，人工智能計(jì)算能力大幅度提升，使其應(yīng)用程序能夠處理超大規(guī)模的數(shù)據(jù)。最后，人工智能技術(shù)在金融、醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、安防、家居以及營(yíng)銷等領(lǐng)域的應(yīng)用已落地生根，創(chuàng)造出巨大商業(yè)價(jià)值，除熟知的alpha go和face+，有大型企業(yè)已嘗試使用無(wú)人機(jī)和無(wú)人車配送貨物。行業(yè)應(yīng)用的成功使人們期待人工智能融入教育領(lǐng)域的美好應(yīng)用前景。(三)人工智能技術(shù)的發(fā)展為學(xué)校教育改革帶來(lái)新機(jī)遇當(dāng)前我國(guó)教育改革處在對(duì)象群體多元化、社會(huì)需求多樣化、全民學(xué)習(xí)終身化的新形勢(shì)下，如何利用新一代人工智能技術(shù)破解教育改革難題成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。從歷史的角度看，學(xué)校教育經(jīng)歷過(guò)三次轉(zhuǎn)型(見(jiàn)表一)。伴隨

8、著第三次教育轉(zhuǎn)型的到來(lái)，教育的空間與機(jī)會(huì)得到極大拓展，學(xué)習(xí)者需要能夠自主選擇學(xué)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容和方式(黃榮懷等，2017)。表一 人類文明進(jìn)程中的教育形態(tài)變遷李德毅院士(2017)曾對(duì)人工智能教育應(yīng)用作出評(píng)價(jià)：“人工智能對(duì)社會(huì)的沖擊是全方位的，但對(duì)行業(yè)的沖擊首當(dāng)教育，人工智能帶給教育的就是改變”。社會(huì)普遍期待人工智能為提高教學(xué)質(zhì)量、提升教學(xué)服務(wù)過(guò)程、革新教學(xué)評(píng)估方法等帶來(lái)新的發(fā)展動(dòng)力，如通過(guò)學(xué)習(xí)分析和用戶畫(huà)像技術(shù)，搜集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生行為全面分析及知識(shí)點(diǎn)掌握程度精準(zhǔn)判斷，從而繪制契合學(xué)生特點(diǎn)的學(xué)習(xí)發(fā)展地圖；借助情感機(jī)器人和自然語(yǔ)言處理技術(shù)，陪伴學(xué)習(xí)者成長(zhǎng)，增加對(duì)人的關(guān)懷和陪伴；結(jié)合知

9、識(shí)圖譜，建立領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)，輔助教師針對(duì)學(xué)生的不同能力生成不同的試題并進(jìn)行作業(yè)批改；利用智能運(yùn)動(dòng)設(shè)備，如智能手環(huán)、智能肺活量等測(cè)評(píng)工具，深度采集學(xué)生健康數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)學(xué)生在體質(zhì)、運(yùn)動(dòng)技能、健康程度等方面的問(wèn)題(余勝泉，2018)。二、技術(shù)視角下的人工智能教育應(yīng)用二十世紀(jì)五十年代，計(jì)算機(jī)作為一種特殊的工具應(yīng)用于教學(xué)，是技術(shù)應(yīng)用于教育的雛形，智能教學(xué)系統(tǒng)則是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在人工智能技術(shù)促進(jìn)下的新發(fā)展，是人工智能教育應(yīng)用的典型之一。(一)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)與智能教學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)指用計(jì)算機(jī)幫助和代替教師執(zhí)行部分教學(xué)任務(wù)，傳遞教學(xué)信息，傳授知識(shí)和訓(xùn)練技能，直接為學(xué)生服務(wù)的程序(root et al.，20

10、18)。相比于幻燈、投影、實(shí)驗(yàn)儀器等設(shè)備，計(jì)算機(jī)具有人機(jī)交互的特點(diǎn)，而計(jì)算機(jī)輔助的教學(xué)模式主要有操練與練習(xí)、個(gè)別輔導(dǎo)、模擬和教學(xué)游戲等，但這類系統(tǒng)無(wú)法為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，也不能根據(jù)學(xué)習(xí)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)策略(劉清堂等，2016)，因此有研究者開(kāi)始以計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)智能教學(xué)系統(tǒng)的功能。從技術(shù)發(fā)展角度看，人工智能是信息技術(shù)的延伸；從教育功能上看，人工智能應(yīng)用于教育的實(shí)質(zhì)仍是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，也可稱為智能輔助教學(xué)(intelligent tutoring system，簡(jiǎn)稱its)，或稱作智能導(dǎo)師系統(tǒng)、智能教學(xué)系統(tǒng)、智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)，目的依然是提升學(xué)生學(xué)習(xí)績(jī)效，尤其是近年來(lái)人工智能在虛

11、擬現(xiàn)實(shí)、情感識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、深度學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的發(fā)展，賦予智能教學(xué)系統(tǒng)更豐富的內(nèi)涵，使其受到研究者越來(lái)越多的關(guān)注。(二)智能教學(xué)系統(tǒng)的功能延展描述智能教學(xué)系統(tǒng)的框架較多，最典型的是1973年由哈特利(hartley)和斯利曼(sleeman)提出的三模型結(jié)構(gòu)(clancey，1982)。其核心組件包括領(lǐng)域知識(shí)模型、學(xué)習(xí)者模型和教學(xué)模型，分別解決教授知識(shí)過(guò)程中教什么、教學(xué)對(duì)象和如何教的問(wèn)題。隨后，伍爾夫(woolf，2018)在上述三模型中加入了人機(jī)接口模型又稱為用戶界面(user interface)模型。還有專家提出五模型結(jié)構(gòu)，但該模型的基礎(chǔ)和核心仍是三模型結(jié)構(gòu)。而四模型結(jié)構(gòu)是智能導(dǎo)師系統(tǒng)研

12、究領(lǐng)域較為通用的描述框架(見(jiàn)圖2)。近三十年來(lái)，智能教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者模型、教學(xué)模型及領(lǐng)域模型的功能不斷得到豐富和完善，智能教學(xué)系統(tǒng)更加“智能”，拓展智能教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)功能的典型途徑包括借助語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和約束模型優(yōu)化領(lǐng)域知識(shí)模型、利用元認(rèn)知擴(kuò)展學(xué)習(xí)者模型和結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拓展用戶接口界面。圖2 智能教學(xué)系統(tǒng)通用框架1.領(lǐng)域知識(shí)模型和學(xué)習(xí)者模型的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)重構(gòu)，可以采用增加語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和約束模型的方式細(xì)化領(lǐng)域知識(shí)模型功能。語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)指用詞與詞之間的關(guān)系表達(dá)人類知識(shí)結(jié)構(gòu)的形式，提供問(wèn)題和知識(shí)點(diǎn)的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)。隨著命題語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以及基于問(wèn)題解決和概念提示等知識(shí)表達(dá)規(guī)則的應(yīng)用，領(lǐng)域知識(shí)

13、模型不僅包含學(xué)科內(nèi)容的知識(shí)，還包括應(yīng)用這些知識(shí)求解問(wèn)題的過(guò)程性知識(shí)及建構(gòu)正確解答和求解問(wèn)題的策略性知識(shí)。約束模型指通過(guò)分析學(xué)習(xí)者信息，如學(xué)習(xí)者行為、情境信息和反饋信息，從而為他們提供有針對(duì)性的學(xué)習(xí)方案(mitrovic，2012)。如智能教學(xué)系統(tǒng)eer-tutor通過(guò)使用教學(xué)對(duì)話、感知情境等方式，判斷和回應(yīng)學(xué)生的情感狀態(tài)，從而提供支持服務(wù)。學(xué)習(xí)者模型重構(gòu)可以通過(guò)引入新的研究理論使模型涵蓋的內(nèi)容不斷豐富，如利用元認(rèn)知支架獲得學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)、參與程度和自我意識(shí)(dimitrova et al.，2007)；系統(tǒng)還能利用環(huán)境約束分析學(xué)習(xí)者的認(rèn)知水平和情感狀態(tài)(grawemeyer et al.，201

14、5)；社會(huì)模擬也可以通過(guò)理解文化和社會(huì)規(guī)范，使語(yǔ)言學(xué)習(xí)者能夠與其目標(biāo)語(yǔ)言使用者成功地接觸進(jìn)而提升語(yǔ)言學(xué)習(xí)效率(johnson & valente，2009)。2.用戶界面模型的優(yōu)化早期智能教學(xué)系統(tǒng)用戶界面的呈現(xiàn)一般采用基于文本或者2d的圖畫(huà)，這在一定程度上限制了對(duì)空間及物理概念的傳輸，而虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可通過(guò)模擬真實(shí)世界里學(xué)習(xí)者無(wú)法訪問(wèn)的某些場(chǎng)景，提供身臨其境的體驗(yàn)。當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被應(yīng)用于教學(xué)系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)不僅為學(xué)生提供探索、互動(dòng)和操控虛擬世界的機(jī)會(huì)，還有助于他們將學(xué)到的知識(shí)遷移到現(xiàn)實(shí)世界中，進(jìn)而以更自然的方式響應(yīng)學(xué)生的請(qǐng)求(westerfield et al.，2013)。同時(shí)

15、，系統(tǒng)還可以通過(guò)視頻捕捉、跟蹤等技術(shù)捕捉學(xué)生的行為，以及借助三維圖形、視頻動(dòng)畫(huà)、音頻和文本等多模態(tài)方式搜集信息，提高系統(tǒng)對(duì)學(xué)生需求的適配性。3.智能服務(wù)功能的擴(kuò)展智能服務(wù)功能主要指利用大數(shù)據(jù)與學(xué)習(xí)分析等技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化學(xué)習(xí)支持服務(wù)。它通過(guò)感知、跟蹤、收集學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的行為數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)了解學(xué)生狀況，并根據(jù)個(gè)人能力和需求，選擇最合適的內(nèi)容推送給學(xué)習(xí)者(pearson & ucl knowledge lab，2016)(見(jiàn)圖3)。學(xué)習(xí)者接收到相關(guān)內(nèi)容(可能通過(guò)文本、語(yǔ)音、活動(dòng)、視頻或動(dòng)畫(huà)的方式)后，人工智能教育應(yīng)用(artificial intelligence in education，簡(jiǎn)稱aied)系統(tǒng)將對(duì)學(xué)習(xí)者互動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析(如學(xué)習(xí)者目前的學(xué)習(xí)行為和答案、過(guò)去成績(jī)以及出錯(cuò)率、當(dāng)前情感狀態(tài))；同時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)上述信息做出反饋(如暗示和指導(dǎo))，通過(guò)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度并優(yōu)化教學(xué)組織