人工智能的教育應用概念現(xiàn)狀與發(fā)展

1、張劍平浙江師范大學 教育信息技術(shù)研究所http:/ 之之研究框架研究框架1.1. AIAI教育應用的分類教育應用的分類2.2. 智能教學系統(tǒng)及其發(fā)展智能教學系統(tǒng)及其發(fā)展3.3. AIAI教育及其現(xiàn)狀教育及其現(xiàn)狀4.4. 機器人教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)機器人教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)5.5. AIAI的教育應用之研究框架的教育應用之研究框架人工智能的教育應用人工智能的教育應用什么是什么是“人工智能人工智能” 人工智能人工智能（Artificial Intelligence: AI）是研究運用計算機模擬和延伸人腦功能的綜合性學科是計算機科學的一個分支,也是一門交叉和邊緣學科 人工智能研究處于信息技術(shù)發(fā)展的人工智

2、能研究處于信息技術(shù)發(fā)展的前沿前沿，它的研究和，它的研究和應用在一定程度上反映了信息技術(shù)的發(fā)展方向。應用在一定程度上反映了信息技術(shù)的發(fā)展方向。 教育信息化是教育領(lǐng)域全面、深入地運用教育信息化是教育領(lǐng)域全面、深入地運用ITIT來促進教來促進教育改革的過程，新世紀教育信息化的風起云涌呼喚育改革的過程，新世紀教育信息化的風起云涌呼喚AIAI的教育與應用。的教育與應用。AIAI的教育應用的教育應用之之類型類型從應用對象看，從應用對象看，“計算機的教育應用計算機的教育應用”包括（包括（3L3L）：1. 學習計算機 (Learn about computer)；2. 用計算機學習(Learn with co

3、mputer)；3. 從計算機學習(Learn from computer)。同理，同理，“AIAI的教育應用的教育應用”包括：包括：1. 學習AI(Learn about AI) 把AI作為學習對象，內(nèi)容包括AI的基礎知識、基本技能及其對社會的影響等。2. 用AI學習(Learn with AI) 學生把AI技術(shù)與工具作為學習工具，主要包括用AI來處理信息。3. 從AI學習(Learn from AI) 教師把AI作為一種輔助的教學工具來輔助教學、輔助測試、輔助備課、管理教學等工作。智能教學系統(tǒng)及其發(fā)展智能教學系統(tǒng)及其發(fā)展 AI在教育中的主流應用人工智能的教育應用人工智能的教育應用智能教學系

4、統(tǒng)及其特征智能教學系統(tǒng)及其特征 智能教學系統(tǒng)是借助人工智能技術(shù)，讓計算機扮演教師的角色實施個別化教學，向不同需求不同特征的學習者傳授知識、提供指導的一種適應性學習支持系統(tǒng)。 就本質(zhì)上看，以下系統(tǒng)是相同的：1.ITS，Intelligent Tutoring System 2.ICAI，Intelligent Computer-Assisted Instruction3.IIS，Intelligent Instruction System4.AIS，Adaptive Instructional Systems 智能教學系統(tǒng)的特征： 能了解學生的學習情況 能進行有針對性的教學 可以用自然語言交互學

5、生模型教師模型智能接口ITS系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成教師模型教師模型相當于相當于專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的推理機的推理機ITSITS 也稱為也稱為 教學專家系統(tǒng)教學專家系統(tǒng)ITS的國際研討會屆屆時間時間地點地點論文數(shù)論文數(shù)7thAugust 30-Sept. 3, 2004Maceio, Alagoas, Brazil796thJune 2-7, 2002Biarritz, France andSan Sebastian, Spain985thJune 19-23, 2000Montreal, Canada674thAugust 16-19, 1998San Antonio, Texas, USA653r

6、dJune 12-14, 1996Montreal, Canada752ndJune 10-12, 1992Montreal, Canada781st1988Montreal, CanadaITS國際研討會的論文主題 論文主題論文主題屆別屆別2nd3rd4th5th6th7th合計（篇）合計（篇）特邀論文特邀論文66565634ITS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 856610540著作系統(tǒng)著作系統(tǒng) 42636829學生模型學生模型 1166641043教學策略教學策略 8756531協(xié)作學習協(xié)作學習0753621認知模型認知模型653317教學評價教學評價4325844教學代理教學代理5910327自然語言對話和

7、分自然語言對話和分布式學習環(huán)境布式學習環(huán)境 12911121155智能遠程教育智能遠程教育358基于基于Web的的 ITS1521018模擬模擬369其他其他232022610990合計（篇）合計（篇）787565679879462ITSITS實例：實例： 作者：美國南加利福尼亞大學信息科學學院 功能：臨床醫(yī)學診斷的教學 由模擬角色、解釋引擎、會話管理器三部分組成，可以利用因特網(wǎng)進行遠程教學。 基于病例的臨床診斷： 系統(tǒng)向?qū)W生提供某一特殊的醫(yī)學條件和病例，系統(tǒng)向?qū)W生提供某一特殊的醫(yī)學條件和病例，讓學生通過練習和讓學生通過練習和ADELEADELE系統(tǒng)適當?shù)囊龑韺W習臨床系統(tǒng)適當?shù)囊龑韺W習臨床

8、醫(yī)學知識。醫(yī)學知識。 ADELEAgent for Distance EducationLight EditionITSITS實例：實例：ZZ智能教學系統(tǒng) 由中科院張景中院士主持開發(fā)的智能教育系列軟件，包括初中代數(shù)、三角函數(shù)、解析幾何、立體幾何、初中物理、初中化學等多個軟件。 基本功能: 能夠進行智能解題、人機交互、自動推理和動態(tài)作圖。 該軟件已經(jīng)通過審定并作為教育部推薦軟件列入中小學教材圖書目錄。ITSITS的發(fā)展：的發(fā)展：智能代理 代理（代理（AgentAgent） 一種具有智能的實體,它具有自主性、反應性、適應性和社會性等基本特性。 教師代理教師代理 運用自身的推理機制，在了解學生實際情

9、況的前提下，產(chǎn)生恰當?shù)慕虒W策略。 學生代理學生代理 充當學習者的學習伙伴或知心朋友，與學習者進行平等的討論、交流。 實現(xiàn)智能化信息服務實現(xiàn)智能化信息服務 可以充分發(fā)揮其主動性、智能性和協(xié)作性，為用戶提供方便簡單的信息搜索、處理手段，提高學習者的信息獲取、處理能力。ICAIICAI的發(fā)展：的發(fā)展：知識庫系統(tǒng) 任務: 存儲記憶全部智能檢索所需要的知識，并利用知識庫的知識推導出新的知識。 基本功能： 能理解自然語言，允許用自然語言提出各種詢問。能理解自然語言，允許用自然語言提出各種詢問。具有較強的聯(lián)想能力，能根據(jù)對需求的大致描述找到有關(guān)知具有較強的聯(lián)想能力，能根據(jù)對需求的大致描述找到有關(guān)知識。識。具

10、有推理能力，能根據(jù)存儲的知識，演繹出所需的答案。具有推理能力，能根據(jù)存儲的知識，演繹出所需的答案。具有較強的知識獲取能力，并具有自學功能。具有較強的知識獲取能力，并具有自學功能。 目前的研究側(cè)重于知識檢索，即智能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。目的：提高對網(wǎng)上信息的管理和檢索能力目的：提高對網(wǎng)上信息的管理和檢索能力熱點：數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘熱點：數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘 ITS的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢 自組織與個性化的信息系統(tǒng)新的人工智能研究趨勢 New AI: Toward Self-Organizing and Personalized Information Systems 克勞斯.邁因策爾（德國奧克斯堡大學跨

11、學科信息科學研究所所長） 現(xiàn)代社會最能被預見到的特質(zhì)就是它的不可預見性。 杜德斯達（美國密西根大學前校長）ITS的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代學習理論的應用現(xiàn)代學習理論的應用 將現(xiàn)代學習理論用于ITS，可以激發(fā)學生的學習興趣和學習主動性，為學生建構(gòu)知識提供有效的信息，滿足學生個性化學習的需求。 智能代理技術(shù)的應用智能代理技術(shù)的應用 智能代理技術(shù)是由各種技術(shù)支撐著的，許多實用的應用特性的集合，系統(tǒng)正是利用這些特性來擴展并達到能自動執(zhí)行用戶委托任務的目的。 自然語言處理技術(shù)的應用自然語言處理技術(shù)的應用 通過自然語言人機接口更加方便地進行人機交互；實現(xiàn)知識點之間的層次關(guān)系和復雜的語義聯(lián)系；技術(shù)實現(xiàn)知識的

12、查找和利用；進行跨語種的知識學習。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是多媒體技術(shù)的最新發(fā)展，在ITS中，可以通過在虛擬環(huán)境中的親身體驗，來達到演示、操作的教學目的，也為增強學生的學習實踐提供了方便、高效的途徑。人工智能教育及其發(fā)展人工智能教育及其發(fā)展 以我國高中新課程為例人工智能的教育應用人工智能的教育應用學習領(lǐng)域?qū)W習領(lǐng)域科目科目必修學分必修學分選修選修I I學分學分選修選修IIII學學分分語言與文學語言與文學語文語文1010國家為滿足國家為滿足學生的興趣、學生的興趣、愛好和未來愛好和未來發(fā)展的需要，發(fā)展的需要，在共同必修在共同必修的基礎上，的基礎上，各科課程標各科課程標準設

13、置若干準設置若干選修模塊，選修模塊，供學生選擇供學生選擇。 學校根據(jù)學校根據(jù)當?shù)厣鐣?、當?shù)厣鐣?、?jīng)濟、科經(jīng)濟、科技、文化技、文化以及自身以及自身條件開設，條件開設，供學生選供學生選擇。擇。外語外語1010數(shù)學數(shù)學數(shù)學數(shù)學1010人文與社會人文與社會政治政治8 8歷史歷史6 6地理地理6 6科學科學物理物理6 6化學化學6 6生物生物6 6技術(shù)技術(shù)信息技術(shù)信息技術(shù)4 4通用技術(shù)通用技術(shù)4 4藝術(shù)藝術(shù)藝術(shù)或藝術(shù)或音樂、美術(shù)音樂、美術(shù)6 6體育與健康體育與健康體育與健康體育與健康1111綜合綜合實踐活動實踐活動研究性學習研究性學習1515社區(qū)服務社區(qū)服務2 2社會實踐社會實踐6 6普通高中新課程概況

14、普通高中新課程概況多多媒媒體體技技術(shù)術(shù)應應用用 算算法法與與程程序序設設計計數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)管管理理技技術(shù)術(shù) 網(wǎng)網(wǎng)絡絡技技術(shù)術(shù)應應用用 信息技術(shù)基礎信息技術(shù)基礎高中高中信息技術(shù)信息技術(shù) 新課程的構(gòu)成新課程的構(gòu)成必修必修（2 2學分）學分）: :選修選修(2+X(2+X學分學分):):人工智能教育對于信息素養(yǎng)培育的重要作用 對多種思維方式的培養(yǎng)和信息素養(yǎng)的綜合鍛煉求解結(jié)構(gòu)化問題的傳統(tǒng)程序算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)求解非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化問題的人工智能程序知識推理程序知識推理 體驗人類專家解決復雜問題的思路，提高學生的邏輯思維能力 Jonassen認為：那些自行設計專家系統(tǒng)的學生將會在這種活動中受益匪淺，

15、因為這是一個對所學知識進行深度加工的過程。 了解信息技術(shù)發(fā)展的前沿，激發(fā)對信息技術(shù)未來的追求 高中教材高中教材: 人工智能初步第第1章章 初識人工智能初識人工智能1.11.1什么是人工智能什么是人工智能1.21.2人工智能可以為我們做什么人工智能可以為我們做什么第第2章章 了解人工智能語言了解人工智能語言2.12.1了解了解PrologProlog2.22.2使用使用PrologProlog2.32.3人工智能語言人工智能語言第第3章章 用計算機表示知識用計算機表示知識3.13.1知識及其類型知識及其類型3.23.2知識表示入門知識表示入門3.33.3知識表示的常用方法知識表示的常用方法第第4

16、章章 用計算機推理用計算機推理4.1 4.1 什么是什么是專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)4.2 4.2 專家系統(tǒng)如何工作專家系統(tǒng)如何工作4.3 4.3 如何開發(fā)專家系統(tǒng)如何開發(fā)專家系統(tǒng)第第5章章 用智能搜索解決問題用智能搜索解決問題5.1 5.1 可以通過搜索求解的問題可以通過搜索求解的問題5.2 5.2 窮舉式搜索窮舉式搜索5.3 5.3 啟發(fā)式搜索與博弈啟發(fā)式搜索與博弈第六章第六章 人工智能的發(fā)展與未來人工智能的發(fā)展與未來6.1 6.1 人工智能的發(fā)展人工智能的發(fā)展6.2 6.2 人工智能的未來人工智能的未來張劍平主編教育科學出版社2004高中人工智能教材的比較研究高中人工智能教材的比較研究機器人教育與

17、創(chuàng)新能力培養(yǎng)機器人教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)人工智能的教育應用人工智能的教育應用機器人的教育價值機器人的教育價值作為家庭的益智玩具作為幼教工具作為幼教工具1. 與傳統(tǒng)的幼教工具相比有較強的交互性，交互形式多樣，與傳統(tǒng)的幼教工具相比有較強的交互性，交互形式多樣，不易產(chǎn)生厭煩感。不易產(chǎn)生厭煩感。2. 可以讓孩子承擔更錯綜復雜的探索并促成其全面發(fā)展?？梢宰尯⒆映袚e綜復雜的探索并促成其全面發(fā)展。作為成人的益智玩具作為成人的益智玩具作為學校課外活動的載體教育機器人課外活動的形式：教育機器人課外活動的形式：1. 課外興趣小組課外興趣小組2. 各種機器人競賽各種機器人競賽作為基礎教育課程的載體機器人教學的基本目

18、標（供討論） 知識與技能知識與技能 了解機器人硬件結(jié)構(gòu)、功能與應用等方面的基本知識；了解機器人硬件結(jié)構(gòu)、功能與應用等方面的基本知識；具備開展機器人活動的基本能力。具備開展機器人活動的基本能力。 過程與方法過程與方法 能夠規(guī)劃、拼裝簡易機器人、進行相應程序編寫能夠規(guī)劃、拼裝簡易機器人、進行相應程序編寫, 能進能進行機器人的使用和維護。行機器人的使用和維護。 態(tài)度、情感與價值觀態(tài)度、情感與價值觀 培養(yǎng)對人工智能技術(shù)的興趣；培養(yǎng)對人工智能技術(shù)的興趣； 認識到智能機器人對社認識到智能機器人對社會進步與經(jīng)濟發(fā)展的作用；有應用機器人、參加機器會進步與經(jīng)濟發(fā)展的作用；有應用機器人、參加機器人競技活動的意識人

19、競技活動的意識 。機器人教育現(xiàn)狀機器人教育現(xiàn)狀3 3： 教育機器人產(chǎn)品教育機器人產(chǎn)品 （據(jù)不完全統(tǒng)計） 產(chǎn)品產(chǎn)品生產(chǎn)生產(chǎn)/經(jīng)銷企業(yè)經(jīng)銷企業(yè)1諾寶機器人深圳市諾博特智能科技有限公司2能力風暴機器人上海廣茂達3樂高機器人西覓亞科技4慧魚機器人慧魚中國5紫光機器人南京紫光科教儀器有限公司6通用機器人北京通用依耐特技術(shù)開發(fā)有限公司7中鳴機器人中鳴數(shù)碼科技8納英特機器人杭州納英特電腦電子工程有限公司9研究版、大學版機器人上海英集斯自動化技術(shù)有限公司10教育機器人系列北京博創(chuàng)興業(yè)科技有限公司12教學模型兩足機器人，教學模型足球機器人中山大谷電子科技有限公司13未來之星教育機器人上海積成電子系統(tǒng)有限公司14

20、交大智能機器人交大智通智能機器人事業(yè)部15英羅智能機器人（主要提供傳感器等配件）上海英羅智能機器人有限公司16重慶友恒機器人重慶友恒電腦科技有限責任公司17利德機器人（足球比賽用）沈陽東大利德電子有限公司18滅火機器人套裝博思電子數(shù)碼科技有限公司18Myth Busters、Radio ShackVEX機器人教育面臨的問題機器人教育面臨的問題1.教學目標的科學性不強小學、初中、高中機器人教育的教學目標問題小學、初中、高中機器人教育的教學目標問題2.教育行政部門的重視不夠目前主要由企業(yè)的積極性推動著相關(guān)活動的開展目前主要由企業(yè)的積極性推動著相關(guān)活動的開展3.缺乏科學規(guī)劃與教學設計機器人機器人“教

21、材教材”大多是大多是“產(chǎn)品說明書產(chǎn)品說明書”或或“用戶指南用戶指南”對于對于“智能智能” 概念的使用過于泛化概念的使用過于泛化4.缺少從教育視角進行的研究相關(guān)研究涉及多個領(lǐng)域，課題申報的難度較大相關(guān)研究涉及多個領(lǐng)域，課題申報的難度較大5.機器人產(chǎn)品缺少規(guī)范教育機器人品牌繁雜，自成體系，互不兼容，開放度低教育機器人品牌繁雜，自成體系，互不兼容，開放度低教育功能完善且性能價格比高的教育機器人產(chǎn)品不多教育功能完善且性能價格比高的教育機器人產(chǎn)品不多6.推進推進AI&RAI&R教育的思考：教育的思考： 關(guān)于關(guān)于AI&R教育的研究教育的研究研究意義1.為我國中小學開展人工智能與機器

22、人（AI&R）教學提供可操作的教學與學習模式、教學評價方法，推進中小學人工智能與機器人教育的健康發(fā)展2.探索機器人作為人工智能教育的應用平臺，更好地與基礎教育課程改革相結(jié)合。課題指南中國電化教育中國電化教育20062006（1212）專題文章：專題文章：1.1. 機器人教育：現(xiàn)狀、問題與推進策略機器人教育：現(xiàn)狀、問題與推進策略2.2. 開展機器人教學開展機器人教學 培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神3.3. 對機器人學科教學目標與內(nèi)容的認識對機器人學科教學目標與內(nèi)容的認識 編者按：編者按： 隨著基礎教育教育信息化的不斷深入，目前機器人教育已經(jīng)隨著基礎教育教育信息化的不斷深入，目前機器人教

23、育已經(jīng)在中小學逐步得到開展。教育部在中小學逐步得到開展。教育部20032003年頒布的高中技術(shù)課程標準年頒布的高中技術(shù)課程標準中，把中，把“人工智能初步人工智能初步”和和“簡易機器人制作簡易機器人制作”設為技術(shù)領(lǐng)域的設為技術(shù)領(lǐng)域的選修模塊，意味著選修模塊，意味著我國的人工智能和機器人教育在大眾化、普及我國的人工智能和機器人教育在大眾化、普及化層面上進入了一個新階段化層面上進入了一個新階段。 我國中小學人工智能與機器人教育剛剛起步，就廣大一線教我國中小學人工智能與機器人教育剛剛起步，就廣大一線教師而言，一些相關(guān)問題尚有待進一步實踐和多視角的研究。其中師而言，一些相關(guān)問題尚有待進一步實踐和多視角的研究。其中包括：包括：適合小學、初中、高中不同學段學生認知水平的機器人教適合小學、初中、高中不同學段學生認知水平的機器人教育教學目標問題、如何為學生選擇合適的機器人產(chǎn)品、機器人教育教學目標問題、如何為學生選擇合適的機器人產(chǎn)品、機器人教學資源建設問題、機器人教育活動的設計、組織與實施問題、相學資源建設問題、機器人教育活動的設計、組織與實施問題、相關(guān)的教學評價問題。更進一步，如何將人工智能教育與當前的機關(guān)的教學評價問題。更進一步，如何將人工智能教育與當前的機器人教育有機結(jié)合等問題器人教育有機結(jié)合等問題。為了有助于上述問題的探索，本刊特。為了有助于上述問題的探索，本刊特編發(fā)了