人工智能融入學(xué)校教育的三大發(fā)展領(lǐng)域

前 言

人工智能技術(shù)與學(xué)校教育融合成為一種未來趨勢(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)提供技術(shù)保障，成為教育發(fā)展的重要推動(dòng)力。“智能教育”作為重點(diǎn)任務(wù)被寫入2017年頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，成為人工智能國(guó)家戰(zhàn)略的重要組成部分，在教育部于2018年印發(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中也提到要推進(jìn)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)展等問題，人們期待新一代人工智能技術(shù)將在更大程度上促進(jìn)教育公平、提高教育質(zhì)量。前幾期的推送中已經(jīng)從技術(shù)視角和教育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)校教育帶來的潛能、可能面臨的挑戰(zhàn)。而本文將通過回答人工智能融入學(xué)校教育的主要發(fā)展趨勢(shì)與研究領(lǐng)域，以期新一代人工智能為學(xué)校教育的發(fā)展提供啟示，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。

人工智能融入學(xué)校教育主要表現(xiàn)為“技術(shù)研發(fā)、環(huán)境部署與應(yīng)用”、“認(rèn)知特征、學(xué)習(xí)本質(zhì)與教育價(jià)值”、“智能機(jī)器的安全、規(guī)范與倫理”三大研究領(lǐng)域，其中關(guān)于“技術(shù)研發(fā)、環(huán)境部署與應(yīng)用”的研究課題開展的較多，主要集中在認(rèn)知工具、差異化教學(xué)、適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)、學(xué)習(xí)環(huán)境感知和教育機(jī)器人（見下圖），后兩者是兩大新的發(fā)展領(lǐng)域，特別值得關(guān)注和重視。

人工智能融入學(xué)校教育的三大發(fā)展領(lǐng)域

（一）研發(fā)面向特殊教育的認(rèn)知工具

全納教育提倡不讓一個(gè)孩子掉隊(duì)，讓所有學(xué)生在合適的教育環(huán)境中接受教學(xué)。據(jù)調(diào)查，在普通學(xué)校的普通班級(jí)存在著大量的非盲、聾、弱智的特殊學(xué)生，在接受調(diào)查的30所普通小學(xué)中，有“特殊”兒童的學(xué)校占到85%以上，高達(dá)65.6%的學(xué)校有情緒、行為、心理問題的學(xué)生（劉全禮，2016）?；谥悄茌o助技術(shù)的認(rèn)識(shí)工具的開發(fā)，能為接受特殊教育學(xué)習(xí)者認(rèn)知能力的提升提供支持性服務(wù)，具體可以從以下方面著手：針對(duì)不同學(xué)習(xí)者的認(rèn)知能力分析技術(shù)；不同學(xué)科所需技能分析技術(shù)；面向不同學(xué)科的特殊認(rèn)知工具設(shè)計(jì)；面向不同學(xué)生群體的認(rèn)知工具設(shè)計(jì)等。

（二）利用學(xué)習(xí)分析技術(shù)

支持差異化教學(xué)

差異化教學(xué)管理既是課堂教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑，也是未來學(xué)校教育教學(xué)的目標(biāo)之一，當(dāng)前多借助學(xué)習(xí)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)該功能。學(xué)習(xí)分析技術(shù)就是對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行記錄、跟蹤、分析，對(duì)學(xué)習(xí)者行為進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估（李艷燕等，2012）。當(dāng)前的學(xué)習(xí)分析技術(shù)，多借助技術(shù)手段和應(yīng)用軟件跟蹤和獲取學(xué)生行為、學(xué)習(xí)軌跡等數(shù)據(jù)，主要集中于數(shù)據(jù)分析和行為分析層次，由于目前的設(shè)備不能清晰獲取學(xué)習(xí)目標(biāo)和教學(xué)目標(biāo)，還難以做到精確的學(xué)習(xí)分析，因此離差異化教學(xué)管理還有一定距離。以下方面的研究都值得關(guān)注：人工智能將如何在教學(xué)管理工具、學(xué)習(xí)支持工具以及資源提供工具上給予差異化的保障；如何最大限度地發(fā)揮技術(shù)的管理支持作用；如何通過個(gè)性化學(xué)習(xí)目標(biāo)和多元活動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)來使每一個(gè)學(xué)生主動(dòng)投入到深度學(xué)習(xí)。

（三）基于學(xué)習(xí)環(huán)境感知優(yōu)化智慧校園

智慧校園建設(shè)強(qiáng)調(diào)智能技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。單純的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施裝備、學(xué)與教數(shù)字化資源建設(shè)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開發(fā)難以有效支撐學(xué)與教方式的變革和拓展相對(duì)封閉的時(shí)空維度。為有效支持教與學(xué)，豐富校園文化，真正拓展學(xué)校的時(shí)空維度，智慧校園建設(shè)需要利用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨時(shí)隨地感知、捕獲和傳遞有關(guān)人、設(shè)備、資源的信息；同時(shí)還需要對(duì)學(xué)習(xí)者個(gè)體特征（學(xué)習(xí)偏好、認(rèn)知特征、注意狀態(tài)、學(xué)習(xí)風(fēng)格等）和學(xué)習(xí)情境（學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)空間、學(xué)習(xí)伙伴、學(xué)習(xí)活動(dòng)等）的感知、捕獲和傳遞。

（四）研發(fā)課內(nèi)外教學(xué)

有效銜接的適應(yīng)性教學(xué)系統(tǒng)

自適應(yīng)性教學(xué)系統(tǒng)將成為銜接課內(nèi)外教學(xué)的有效途徑，可以突破時(shí)空的限制，打破課堂學(xué)習(xí)的界限，讓學(xué)習(xí)者在任意時(shí)間和任意地點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)能夠從學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)者特征、學(xué)習(xí)資源與工具、學(xué)習(xí)行為以及評(píng)價(jià)反饋等多個(gè)方面為學(xué)習(xí)者提供全方位、立體多維的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)分析模型及知識(shí)地圖，完成對(duì)區(qū)域、學(xué)校、班級(jí)、學(xué)生等多維度的數(shù)據(jù)處理及分析。隨著研究的深入與各種技術(shù)的應(yīng)用，未來研究可以針對(duì)以下主題展開：對(duì)適應(yīng)性學(xué)習(xí)策略進(jìn)行形式化描述的方法與模型研究仍需突破，沒有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)指引，容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)迷航現(xiàn)象；學(xué)習(xí)者特征模型的準(zhǔn)確性與有效性的評(píng)價(jià)研究有待加強(qiáng)；學(xué)習(xí)內(nèi)容獲取的智能性是否能夠適應(yīng)學(xué)習(xí)者特征和學(xué)習(xí)需求等問題；將來人工智能教育應(yīng)用研究者還會(huì)持續(xù)開發(fā)越來越多、能夠表達(dá)學(xué)習(xí)者的社會(huì)性、情感性和元認(rèn)知方面的模型，基于人工智能技術(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)將能夠涵蓋影響學(xué)習(xí)的所有相關(guān)因素，并將其轉(zhuǎn)化應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中，這些人工智能教育應(yīng)用將會(huì)對(duì)教育系統(tǒng)的變革作出巨大貢獻(xiàn)。

（五）研發(fā)教育領(lǐng)域服務(wù)型機(jī)器人

教育機(jī)器人是人工智能、語音識(shí)別和仿生技術(shù)在教育中應(yīng)用的典型，具有教學(xué)適用性、開放性、可擴(kuò)展性和友好的人機(jī)交互等特點(diǎn)。當(dāng)前，教育機(jī)器人作為一個(gè)新興領(lǐng)域，相關(guān)研究主要集中在聽覺能力、視覺能力、認(rèn)人能力、口語能力、情緒偵測(cè)能力及長(zhǎng)期互動(dòng)能力等領(lǐng)域；隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷提高，教育服務(wù)機(jī)器人在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越普遍，機(jī)器人在教育領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)出了無可比擬的教育價(jià)值和發(fā)展前景，其多學(xué)科交叉融合的特性為培養(yǎng)寬口徑、高素質(zhì)、復(fù)合型的工程人才提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。然而，在實(shí)踐應(yīng)用中仍然存在課程管理平臺(tái)、對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容和師資等缺乏的諸多困難，也面臨各學(xué)段課程無法銜接、機(jī)器人教育應(yīng)用研究匱乏等現(xiàn)實(shí)問題。未來，教育機(jī)器人的研究者還需要繼續(xù)研究感應(yīng)技術(shù)、辨識(shí)技術(shù)、控制語言、機(jī)器人結(jié)構(gòu)、無線網(wǎng)絡(luò)、云端科技和仿生技術(shù)等，并從教育機(jī)器人的系統(tǒng)架構(gòu)、教學(xué)平臺(tái)管理移動(dòng)設(shè)備與管理端的關(guān)系進(jìn)行規(guī)劃，使教育機(jī)器人的發(fā)展更完備。

（六）開展關(guān)于認(rèn)知特征、學(xué)習(xí)本質(zhì)

和教育規(guī)律的研究

從解決單一特定任務(wù)（如下棋和機(jī)械制造）、解決特定領(lǐng)域問題（如人機(jī)對(duì)話和機(jī)器人高考）到行業(yè)變革（如服務(wù)機(jī)器人和智能制造）以及全面服務(wù)于人們的學(xué)習(xí)、工作和生活，人工智能技術(shù)將能夠逐步滿足人類日益復(fù)雜的功能需求，智能技術(shù)的支持和學(xué)習(xí)資源的極大豐富將使得在任意時(shí)間和任意地點(diǎn)學(xué)習(xí)成為可能。需要指出的是，人工智能教育應(yīng)用的生命周期將受到認(rèn)知特征、學(xué)習(xí)本質(zhì)、教學(xué)規(guī)律相關(guān)的學(xué)習(xí)科學(xué)和教育相關(guān)領(lǐng)域綜合研究的制約。在智能時(shí)代，復(fù)雜的教學(xué)系統(tǒng)功能逐步實(shí)現(xiàn)，人們對(duì)學(xué)習(xí)本質(zhì)的探討和教育規(guī)律的追尋將比任何時(shí)代都將更加強(qiáng)烈，如什么是學(xué)習(xí)、如何讓學(xué)習(xí)者獲得更好的學(xué)習(xí)效果、如何多維度獲取學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特征等。

（七）開展關(guān)于智能機(jī)器的

安全、倫理和規(guī)范的研究

人工智能系統(tǒng)的技術(shù)倫理就是要確保人工智能做出的決策與現(xiàn)有的法律、社會(huì)倫理一致，以保障人工智能應(yīng)用符合人類社會(huì)的共同利益?！秶?guó)家人工智能研究和發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃》中指出在構(gòu)建人工智能技術(shù)倫理時(shí)，我們有責(zé)任確保整個(gè)社會(huì)盡快提升人工智能技術(shù)的應(yīng)用素養(yǎng)，要能夠保證我們可以適當(dāng)?shù)?、高效率地、符合倫理?guī)范地使用這些新技術(shù)。人工智能并非單個(gè)領(lǐng)域、單個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)突破，而是對(duì)于社會(huì)運(yùn)行狀態(tài)的根本性變革，目前關(guān)于機(jī)器道德（Machine Morality）、機(jī)器倫理學(xué)（Machine Ethics）、道德機(jī)器（Moral Machine）、人工道德（Artificial Morality）等領(lǐng)域已有一定的研究，但仍有多個(gè)議題亟待深入探討：如何緩解人工智能所可能加劇的教育不平等現(xiàn)象；如何平衡人工智能帶來的教師發(fā)展與失業(yè)問題；如何建立圍繞算法和數(shù)據(jù)的治理體系；如何創(chuàng)新基于人工智能技術(shù)的社會(huì)治理體系。

結(jié)語

新一代人工智能是以大規(guī)模數(shù)字化和行業(yè)深度應(yīng)用為顯著特征，將為學(xué)校教育改革帶來新的機(jī)遇，促成“智能教育”的落地，有助于打破時(shí)間、空間和環(huán)境的限制，促進(jìn)智能化、個(gè)性化、終身化教育體系的構(gòu)建。智能教學(xué)系統(tǒng)源于傳統(tǒng)的“計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)”，在新一代人工智能技術(shù)促進(jìn)下將迎來新機(jī)遇，以大數(shù)據(jù)、VR/AR和新一代人工智能等為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)可進(jìn)一步延展智能教學(xué)系統(tǒng)的“教學(xué)”功能，比如通過增加語義網(wǎng)絡(luò)和約束模型增強(qiáng)領(lǐng)域知識(shí)模型功能，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化用戶界面模型功能，并結(jié)合大數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)分析技術(shù)完善個(gè)性化教育服務(wù)功能。

人工智能時(shí)代的教育應(yīng)以人機(jī)共存的“教”與“學(xué)”為典型特征。因此，在智能時(shí)代，除了培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力、溝通力和終身學(xué)習(xí)力外，仍需關(guān)注基本技能（如閱讀、寫作和算數(shù)）的培養(yǎng)，從而提升人工智能時(shí)代原住民的數(shù)字生存能力。新一代人工智能融入學(xué)校教育將具有支持個(gè)性化學(xué)習(xí)、提供適切服務(wù)等五大潛能。但在教育教學(xué)實(shí)踐中，人工智能應(yīng)用仍面臨人機(jī)共處環(huán)境下的教學(xué)體驗(yàn)、人機(jī)和諧發(fā)展的技術(shù)治理等五個(gè)挑戰(zhàn)。后續(xù)研究還需分析應(yīng)對(duì)人工智能融入學(xué)校教育挑戰(zhàn)的對(duì)策、深挖與兩大新興發(fā)展研究領(lǐng)域（“智能時(shí)代的認(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”）相關(guān)的研究課題，以促進(jìn)人工智能與就業(yè)的深度融合，提高教育教學(xué)質(zhì)量。