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人工智能在基础教育领域的发展路径探究

2019-1-29 09:35| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 17005| 评论: 0|原作者: 邱雪莲 齐振国 李京澳|来自: 《数字教育》

摘要: 随着信息技术的不断发展,人工智能为基础教育领域带来了巨大的机遇与挑战,要充分利用人工智能技术为基础教育领域的改革创新带来新的活力,切实办好人民满意的教育。文章先从人工智能在我国教育技术领域的研究现状入 ...

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随着信息技术的不断发展,人工智能为基础教育领域带来了巨大的机遇与挑战,要充分利用人工智能技术为基础教育领域的改革创新带来新的活力,切实办好人民满意的教育。文章先从人工智能在我国教育技术领域的研究现状入手,探索如何将人工智能技术融入到基础教育领域,进而为基础教育领域教学和管理带来个性化、便捷、高效的服务。然后,对基础教育阶段开展人工智能教育课程的形式进行介绍。最后,文章对人工智能在基础教育领域的发展保障及注意事项进行论述。

一、人工智能在教育领域的研究现状
人工智能1956 年由达特茅斯学院约翰·麦卡锡提出之后,因为计算机有限的计算能力及数据量等因素,它长时间局限于学术研究和实验室中,未能受到社会关注。2016 年Google(谷歌)公司研究开发的人工智能程序AlphaGo 成功击败围棋世界冠军李世石,使人工智能再一次成为国际社会关注的热点。随着大数据、云计算、移动互联网技术的成熟和快速发展,人工智能技术越来越成为衡量一个国家科技发展水平的重要指标,其应用正逐渐融入工业、金融、医疗、交通、教育、环境、农业等社会生活的各个领域。近年来,人工智能在教育中应用的主要技术是语音识别、视觉计算、可穿戴技术、情感计算技术、机器学习技术、智能挖掘技术等,研究成果包括智慧教育、大数据、机器学习、自适应学习、情感计算、深度学习、学习分析、个性化学习等,研究者在教育领域的探索可谓兴致勃勃,如贾积有就人工智能的学习与人类学习关系、人工智能对人的学习方式的影响等进行了深入探讨[1];刘凯等就通用人工智能对教育学发展的影响进行论述[2];张坤颖等对人工智能教育应用与研究中的新区、误区、盲区与禁区进行了阐述[3];余明华等对人工智能视域下机器学习的教育应用与创新进行探索[4];闫志明等对人工智能的内涵、关键技术及应用趋势等进行初步解析[5];牟智佳对“人工智能+”时代个性化学习培养进行研究[6];陈凯泉等对基础教育阶段人工智能课程与教学实施路径进行了探索[7];唐烨伟等对基于人工智能支持下的STEM 跨学科教学进行了教学模式研究[8]。从相关文献的研究内容可以看出,人工智能正在快速融入教育教学的各个层面和环节之中。

但是,人工智能在基础教育教学中如何更加系统地发展仍需要进一步的思考和探索,尤其是在人工智能如何更好地对基础教育教学进行有效的支持和人工智能教育课程的结构建设方面缺少进一步的研究。为此,我们开展了本研究。

二、人工智能支持下基础教育教学体系建设

(一)构建人工智能支持下的“互联网+ 教育” 大平台体系
基础人工智能体系建设不能脱离现有基础教育信息化发展水平,要利用现有教育信息化资源,将人工智能技术充分融入到“互联网+ 教育”大平台建设中,进一步加快教育资源公共服务平台和教育管理公共服务平台融合发展速度,促使相关人员在教育教学和管理中生成更多经验案例,为教育行政部门和学校在教育业务管理和教育教学管理方面的决策提供支持,为各级教育管理者提供翔实、快捷、较精确的教育教学工作信息,为教师更好地因材施教提供强有力的数据分析,对学生学习过程进行全方位、全过程、全天候的追踪指导,最终形成人工智能支持下的“互联网+ 教育” 大平台体系,如图1 所示。


(二)人工智能支持下的“互联网+ 教育”大平台应用形态

《教育部关于数字教育资源公共服务体系建设与应用的指导意见》指出:“数字教育资源公共服务是实现基于信息技术的教育教学模式和教育服务的必备条件,是新时代推进教育现代化的必然要求。”[9] 基于人工智能的大平台建设,将“互联网+ 教育”与人工智能有机融合,反映了基础教育有效利用人工智能的趋势。

1. 人工智能支持下的“互联网+ 教育”大平台智能教学系统
人工智能支持下的“互联网+ 教育”大平台智能教育系统是将人工智能中的领域知识模型、教学知识模型和学习者模型融合到大平台中,使学生尽可能感受到“一对一”教学体验,达到有效使用资源服务、提高学习质量的目的。领域知识模型包含大平台中学生学习各个科目的知识体系;教学知识模型为学习者提供“一对一”的学习活动计划,提供引领课堂学习的学习策略;学习者模型是大平台通过追踪学习轨迹,了解学生在学习过程中的认知能力、情感态度、学习效果等学习情况。它们之间的关系如下:系统分析和加工学生学习知识点的具体情况,进而生成领域知识模型,并将学生需要的大平台教育教学资源灵活推送给学生;系统收集学生在学习过程中表现出的情感心理、学习效果等,以此生成学习者模型,让学习者随时了解个人的学习风格,为领域知识模型和教学知识模型提供数据参考;系统根据学习者模型和领域知识模型的信息生成教学知识模型,为学生提供精准的学习认知服务,最终形成一个持续为学生提供“一对一” 个性化教育服务的智能教育循环系统。

2. 人工智能支持下的“互联网+ 教育”大平台智能测评系统
随着人工智能技术的发展,智能测评系统已不仅能对客观题型做出精准的判断,更向着主观题和语言学习方面进一步发展。现阶段研究者试图通过设定作文评价标准,将学生的写作手法、风格及结构等进行分析,为学生的写作提供智能化修改和完善服务;试图通过设定理科解题评价标准,帮助学生分析解题思路和步骤,使答题过程更加规范。未来大平台智能测评系统将致力于在全学科开展智能评价与反馈,如在语言学习方面,智能评价系统可以对学生口语的发音、情感调用、流利性、语法掌握等进行评价及反馈。通过智能测评系统学生可以根据自己的需求对外语做提升工作或进行其他语言的学习尝试。

3. 人工智能支持下的“互联网+ 教育”大平台智能管理系统
大平台智能管理系统通过建立“互联互通、信息共享、业务协同”式的体系,实现功能得到集成和优化的教育业务管理信息系统,全面提升教育业务管理、教学管理等工作效率,全方位、全过程、全天候地支持和助力教育管理工作的开展。学校可以根据智能管理平台对新入学学生的学习、性格、家庭等基本情况进行了解,对学生进行科学分班,指派相适应的教师进行教学,使教学更加符合和适应学生的特点。智能管理系统帮助学校在学生日常管理、资产管理和财务管理等方面的工作更加科学化、系统化、较精确化。教育行政部门可以通过智能系统了解各中小学经费、校舍、教学设备、教学活动等学校办学方面系统的数据信息。通过大数据分析和建立模型而产生的决策,将更好地促进教育优质资源的调动和分配,确保教育经费得到更好的利用,使贫困区域的学生得到精准扶贫,特色发展区域的学校得到支持。

三、基础教育领域人工智能教育课程开展

(一)人工智能教育课程目标
2016 年9 月,中国学生发展核心素养得以确定, 以培养“全面发展的人”为核心,培养目标分为文化基础、自主发展、社会参与三个大方向[10]。人工智能教育课程的目标要以社会需求为导向,在人工智能时代,应该以“全面发展的人”为核心,重点培养学生的终身学习素养、计算思维素养、设计思维素养和交互思维素养,培养学生五种能力——高阶认知能力、创新能力、联结能力、意义建构能力和元认知能力。[11]

(二)人工智能教育课程开展形式
从我国教育的普遍发展状况来看,现阶段并不具备普遍开设人工智能教育课程的条件,同时人工智能的深层次教育并不一定适合所有学生的发展需求。因此,要将人工智能教育融入现有学科教学当中并以新型教育体系来进行,具体可以分为三个层次,如图2 所示。在基础学科进行广泛开展,将人工智能的通识性知识有效地和数学、物理、科学等课程结合起来传授; 在信息技术课堂开展基础性人工智能专题学习,对人工智能进行较为系统的讲授,通过体验人工智能产品来增加学生对人工智能学习的兴趣,并学习基于可视化的简单编程内容;以社团的形式组织那些对人工智能有极大兴趣并愿意投入时间来学习的学生进行专业性人工智能学习,开展基于算法的编程学习和机器人学习,使学生的创新思维、组织沟通能力、动手操作能力、自我认知能力等在团队协作活动中得到锻炼和提升。


1. 广泛开展及学科开展
在教育教学中,将人工智能融入传统基础学科课程的教学活动也正越来越多地发生。比如在地理课程中,利用Scratch 来进行地图游戏的制作,通过以任务为导向的游戏化学习来加深学生对地图的了解和认知; 在物理课程中,关于光学、力学、声学的部分问题可以通过编程机器人应用来完成学习;在语文教学中,也可以通过机器人编写程序来完成古诗词的学习;在英语课程中,通过人工智能语音识别系统应用增添学生的学习趣味。

当前信息技术课程已成人工智能教学课程的主要应用环境。在小学信息技术课程中,大多数省、市的信息技术课本中包含了机器人学习模块和图形化智能编程模块,这些模块化的学习帮助学生对人工智能有了简单的侧面了解。在初中阶段,人工智能已经正式成为信息技术的教学模块之一,帮助学生学习人工智能的基本概念、机器人简单编程、逻辑算法及人工智能伦理道德等内容,使学生对人工智能有了较为全面的了解,为日后的深入学习探索打下了一定的学习基础。在高中阶段,学生可以通过信息技术课程和通用技术课程来对人工智能的算法、计算机语言、机器人编程等内容进行学习,使学生了解计算机语言,解决复杂算法的优化、明确信息安全及人工智能伦理道德的底线。

2. 社团开展
由于现实的原因,目前的人工智能处于探索教学的阶段,教师以完成学科教学为主要目的,根据特定教学内容和专题模块进行教学,在一定程度上满足了学生的初步学习,但对于人工智能“特长生”来说却只是浅尝辄止性的教学,因此,为了使这些“特长生” 能够进行更好的学习,学校就要想办法组织开展社团形式的人工智能教育。在社团开展基于STEM 教育或创客教育的人工智能深度学习,通过真实的情境设置, 以问题或项目为驱动,以合作探究和自主学习为基础, 结合不同学科的知识,采用新技术、新工具解决问题或完成项目,将人工智能应用于社会生活的情境当中,帮助学生提升自我和共同提高。

四、人工智能在基础教育领域发展的保障及注意事项

(一)人工智能在基础教育领域发展的保障
1. 提升教师人工智能方面的综合素养
影响人工智能与基础教育教学深度融合的一个关键因素就是教师,随着人工智能的快速发展,教师的信息素养、教育理论素养、思维方式亟待提升。教师主动适应人工智能的关键在于教师思想观念的转变,只有让教师感受到人工智能带来的惊奇和实惠,教师方可从内心接受人工智能。同时,要为人工智能教育课程培养专任教师,强化课程内容的专业性,促使学校人工智能课程得到有效开展。

2. 建设开放的“互联网+ 教育”大平台
大平台建设需要嵌入大量的应用技术(如学习分析技术、模式识别技术、语音识别技术等)来辅助教学、科研、管理等工作的开展,大量的应用技术嵌入不能单靠政府投资,要以开放的态度,吸纳更多的教育企业,发挥政府和市场的共同力量来完成。政府可以通过开放一定数据资源来鼓励企业的投入,促使教育企业提供满足基础教育教学的技术应用资源。同时,教育企业的盈利点不应依赖政府的教育支出,坚持用户思维、极致思维等互联网思维,通过满足基础教育教学工作需求,增加师生使用服务资源的黏度,实现盈利就会是水到渠成的事情。

3. 明确政府职能,促进人工智能在基础教育领域稳步发展
政府要进一步制定与我国基础教育发展相适应的政策,保证基础教育领域人工智能的专项经费,启动“人工智能+ 教育”示范区建设,通过典型示范学校、示范区的建设来进一步推动人工智能在教育领域的发展(如河北省培育产业集群,建设雄安新区人工智能技术研发与产业发展示范区);鼓励互联网企业,依托自身技术优势,将人工智能应用技术向基础教育领域延伸;建立健全数据管理模式和网络安全管理标准,确保大平台个人数据的隐私和网络安全;加强各级教育督导和第三方评估,确保人工智能在基础教育领域落地生根,开花结果。

(二)人工智能在基础教育领域发展的注意事项

1. 人工智能时代下的信息安全
在人工智能时代,信息安全关系着整个社会的安全稳定,在基础教育领域,由于人工智能支持下的“互联网+ 教育”大平台汇集大量学生、教师、家长、学校的信息,这些信息一旦被不法分子或不良企业滥用,无疑将对社会造成巨大的危害。因此,在发展大平台的同时要做好网络安全工作,通过网络安全技术的应用和政策法规的制定来确保数据使用和开放数据过程中个人信息隐私的保护和相关数据的安全,防止大平台各项数据泄露。

2. 人工智能不是为学生增负
人工智能在教育领域的应用为的是使学生有更多的时间能进行个性化选择,让学生更好、更快乐地学习,而不是增加学生的课后学习负担。人工智能对学生学习的全过程进行支持和辅助,并不要求占用学生的课后时间进行教学,而需要通过课前和课后对教学的支持来提高学生的学习能力和动机,这部分的重点在于学生前期的自主学习能力培养和后期的兴趣拓展延伸,是促进学生自我发展的有效动力,为学生的终身学习打下基础。

3. 人工智能在教育领域的伦理道德
在发展初期,人工智能就饱受伦理道德方面的争议,作为一项复杂技术,在对数据记录和进行人机交互的过程中,极有可能发生触及法律、道德伦理的问题。我们要尽早未雨绸缪,根据可能发生的事件做出一定的预防应急措施,制定相应的管理办法,避免人工智能技术在教育教学领域进行没有底线的使用。坚持文化自信,发挥中国传统文化的引导和约束作用,避免人工智能在教育领域应用出现偏差,对师生的教育学习造成不必要的影响。

参考文献:
[1] 贾积有. 人工智能赋能教育与学习[J]. 远程教育杂志,2018,(1): 39-47.
[2] 刘凯,胡祥恩,王培. 机器也需教育?论通用人工智能与教育学的革新[J]. 开放教育研究,2018,(1):10-15.
[3] 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):54-63.
[4] 余明华,冯翔,祝智庭. 人工智能视域下机器学习的教育应用与创新探索[J]. 远程教育杂志,2017,(3):11-21.
[5] 闫志明,唐夏夏,秦旋,等. 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): 26-35.
[6] 牟智佳.“人工智能+”时代的个性化学习理论重思与开解[J]. 远程教育杂志,2017,(3):22-30.
[7] 陈凯泉,何瑶,仲国强. 人工智能视域下的信息素养内涵转型及AI 教育目标定位——兼论基础教育阶段AI 课程与教学实施路径[J]. 远程教育杂志,2018,(1):61-71.
[8] 唐烨伟,解胱,郭丽婷,等. 基于教育人工智能支持下的STEM 跨学科融合模式研究[J]. 中国电化教育,2017,(8):46-52.
[9] 教育部. 教育部关于数字教育资源公共服务体系建设与应用的指导意见[EB/OL].(2017-12-22)[2018-05-10].http://www.moe. gov.cn/srcsite/A16/s3342/201802/t20180209_327174.html.
[10] 百度百科. 中国学生发展核心素养[EB/OL].(2018-01-27)[2018- 06-10].https://baike.baidu.com/item/ 中国学生发展核心素养/ 20361439?fr=aladdin.
[11] 汪瑞林. 人工智能时代需培养学生怎样能力[N]. 中国教育报, 2018-05-18(001).

作者简介:邱雪莲(1992— ),女,辽宁盘锦人,沈阳师范大学教育技术学院硕士研究生,研究方向为信息技术教育;齐振国(1970— ), 男,辽宁沈阳人,沈阳师范大学教育技术学院教授、硕士生导师,研究方向为人工智能、数字教育;李京澳(1991— ),男,辽宁朝阳人,硕士研究生,沈阳市苏家屯区教育信息中心教研员,研究方向为信息化教育。

转载自:本文发表于 《数字教育》 2018年第5期

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