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人工智能技術(shù)正在教育領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)前，教育領(lǐng)域的人工智能關(guān)鍵技術(shù)主要有機(jī)器學(xué)習(xí)、知識圖譜、自然語言處理、機(jī)器人與智能控制等，其典型應(yīng)用場景包括智能教育環(huán)境、智能學(xué)習(xí)過程支持、智能教育評價、智能教師助理、教育智能管理與服務(wù)等。人工智能在教育中的應(yīng)用極大提升了教育基礎(chǔ)設(shè)施、學(xué)習(xí)過程、評價手段、輔助方法、管理能力等領(lǐng)域的智能化與科學(xué)化水平。
人工智能+教育：關(guān)鍵技術(shù)及典型應(yīng)用場景
文 | 盧宇 馬安瑤 陳鵬鶴
2017年7月，國務(wù)院正式印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革和教學(xué)方法改革，構(gòu)建包括智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)在內(nèi)的新型教育體系。
2018年4月，教育部出臺了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，倡導(dǎo)推進(jìn)智能教育發(fā)展，探索基于人工智能的新教學(xué)模式，重構(gòu)教學(xué)流程，并運(yùn)用人工智能開展教學(xué)過程監(jiān)測、學(xué)情分析和學(xué)業(yè)水平診斷。
近年來，人工智能技術(shù)得到了長足發(fā)展，尤其在計算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)等方向與教育的結(jié)合日趨緊密，人工智能在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。特別是在2015年之后，人工智能的各類教育應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，也催生了一批致力于以人工智能賦能教育的企業(yè)。在國家政策和產(chǎn)業(yè)界雙重推動的背景下，人工智能的多項關(guān)鍵技術(shù)正在教育領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，并逐步得到廣泛應(yīng)用。
一、人工智能教育應(yīng)用的內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)
對于人工智能本身，學(xué)術(shù)界的定義并不統(tǒng)一，但公認(rèn)的基本思想是利用智能機(jī)器來模擬人的智能，感知、學(xué)習(xí)、理解并最終解決生活中和某個領(lǐng)域中的實際問題。人工智能的教育應(yīng)用可以理解為將人工智能技術(shù)融入教育核心業(yè)務(wù)與場景，促進(jìn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程的自動化與關(guān)鍵教育場景的智能化，從而大幅提高教育工作者和學(xué)習(xí)者的效率，創(chuàng)新教育教學(xué)生態(tài)。
當(dāng)前，多項人工智能技術(shù)正逐步在教育領(lǐng)域開展應(yīng)用，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、知識圖譜、自然語言處理、機(jī)器人與智能控制等（如圖1）。每項技術(shù)都具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值與豐富的教育應(yīng)用方式。
圖 1 人工智能關(guān)鍵技術(shù)
（一）機(jī)器學(xué)習(xí)
簡單來說，機(jī)器學(xué)習(xí)是指機(jī)器通過對客觀世界的觀察獲得經(jīng)驗，再利用經(jīng)驗改善自身性能的過程。典型的機(jī)器學(xué)習(xí)包括監(jiān)督式學(xué)習(xí)、非監(jiān)督式學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。其中，監(jiān)督式學(xué)習(xí)是較為常用的一種，其工作原理是，機(jī)器基于一定規(guī)模的客觀數(shù)據(jù)，利用特定的算法和模型，自動學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的規(guī)律性信息，從而幫助人們解決實際問題。如果模型是基于多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的，那么這一類監(jiān)督式學(xué)習(xí)通常被稱為深度學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)也是當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的研究熱點，大量相關(guān)的技術(shù)和模型已經(jīng)被應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域。機(jī)器學(xué)習(xí)在教育中也已有較為廣泛的應(yīng)用。例如，基于所采集的學(xué)生多維度數(shù)據(jù)，學(xué)校和教師可以對學(xué)生的學(xué)業(yè)成績做出預(yù)測，對其可能的學(xué)習(xí)障礙和困難進(jìn)行分析，對其退學(xué)（尤其在慕課學(xué)習(xí)環(huán)境中）的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警等。
（二）知識圖譜
知識圖譜是基于圖的一種結(jié)構(gòu)化的知識表示方式，本質(zhì)上是一種大規(guī)模語義網(wǎng)絡(luò)，包含較大數(shù)量的實體以及實體之間的多種語義關(guān)系。它可以較為高效地對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與檢索。知識圖譜最早被用于網(wǎng)絡(luò)搜索引擎技術(shù)中，以幫助用戶從搜索中直接得到所需的答案。這類知識圖譜通常涵蓋大量的常識性信息，其實體與實體間關(guān)系的數(shù)量規(guī)模通常也較大，一般有千萬個實體與上億個實體間關(guān)系的規(guī)模。
教育領(lǐng)域有構(gòu)建簡單知識地圖與思維導(dǎo)圖的傳統(tǒng)，但建立知識地圖與思維導(dǎo)圖的主要目的是促進(jìn)教學(xué)，從嚴(yán)格意義上說并不屬于知識圖譜的范疇。近年來，教育知識圖譜的構(gòu)建逐漸活躍，尤其是相繼建立了針對慕課平臺上的課程類知識圖譜以及針對中小學(xué)學(xué)科類的知識圖譜，但在總體規(guī)模上，這兩類圖譜與通用知識圖譜相比要小得多�；谒鶚�(gòu)建的教育知識圖譜，智能化教育系統(tǒng)可以自動解答學(xué)生所提出的學(xué)科知識類的問題。另外，基于教育知識圖譜，系統(tǒng)還可以進(jìn)行相關(guān)教學(xué)資源與課程的個性化、精準(zhǔn)化推薦。
（三）自然語言處理
自然語言處理技術(shù)主要用來實現(xiàn)人與智能機(jī)器之間通過自然語言進(jìn)行有效交互。人類所使用的自然語言，通常其語言結(jié)構(gòu)與語義信息較為復(fù)雜。因此，自然語言處理技術(shù)是人工智能領(lǐng)域難度較大的技術(shù)之一，目前仍處于較為初級的階段。簡單而言，自然語言處理技術(shù)可分為基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)兩類。基礎(chǔ)技術(shù)包括詞法與句法分析、語義分析、語篇分析等，應(yīng)用技術(shù)包括機(jī)器翻譯、信息檢索、情感分析、文字識別等。當(dāng)前，自然語言處理技術(shù)在教育中也有諸多應(yīng)用。例如，短文自動評分系統(tǒng)已經(jīng)在GMAT和TOFEL考試中使用多年，并被不斷改進(jìn)以接近人類的評分水平�？谡Z自動測評系統(tǒng)也已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于中考等關(guān)鍵性考試，并已被嵌入各類語言學(xué)習(xí)軟件中應(yīng)用。
（四）機(jī)器人與智能控制
機(jī)器人作為人工智能技術(shù)的主要載體之一，涵蓋了智能感知與推理、規(guī)劃與決策、控制與交互等。機(jī)器人當(dāng)前在無人駕駛、室內(nèi)服務(wù)、物流運(yùn)輸、極端環(huán)境等多個領(lǐng)域均有運(yùn)用。教育領(lǐng)域的機(jī)器人可以簡單分為教育服務(wù)類機(jī)器人與教學(xué)用途類機(jī)器人。教育服務(wù)類機(jī)器人通常作為不可拆分的軟硬件整體，直接服務(wù)于教學(xué)過程，完成特定的教學(xué)任務(wù)，如通過與學(xué)生的互動完成知識傳授或情感陪伴。教學(xué)用途類機(jī)器人則通常由可拆分組合的硬件以及可編程的軟件組成，作為機(jī)器人教育的載體或STEM、創(chuàng)客課程的教學(xué)輔助工具。
二、人工智能技術(shù)的典型應(yīng)用場景
基于上述關(guān)鍵技術(shù)，人工智能教育應(yīng)用有五個典型場景：智能教育環(huán)境、智能學(xué)習(xí)過程支持、智能教育評價、智能教師助理、教育智能管理與服務(wù)，具體如圖2所示。
圖 2 人工智能教育應(yīng)用典型場景
（一）智能教育環(huán)境
智能教育環(huán)境指具備智能感知和交互能力的教學(xué)環(huán)境，可以進(jìn)行多模態(tài)的教育信息采集，并滿足多樣化的學(xué)習(xí)需求�；谌斯ぶ悄艿母黜楆P(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)前教育環(huán)境中的典型應(yīng)用包括校園安全監(jiān)測與預(yù)警、智能教室和智能圖書館等。
1.校園安全監(jiān)測與預(yù)警
計算機(jī)視覺和機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展使得利用人工智能自動維護(hù)校園安全成為可能。例如，智能校園巡邏安保機(jī)器人可以通過視覺傳感器采集進(jìn)入校園人員的面部信息，進(jìn)行身份驗證，并記錄學(xué)生到校和離校的時間。校園安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，還可以進(jìn)行24小時不間斷巡邏，及時檢測校園中可能發(fā)生的異常情況并提醒安保人員。系統(tǒng)中還可以嵌入感煙、感溫、火焰、可燃?xì)怏w探測器等多種傳感器，做到校園安全的全面預(yù)警與防護(hù)。
2.智能教室
基于自然語言處理與計算機(jī)視覺等人工智能技術(shù)建設(shè)的智能教室，可以對教學(xué)過程進(jìn)行深度分析與評價。在教師端，智能教室可以通過體態(tài)與語音識別技術(shù)，對教師的教態(tài)與教學(xué)模式進(jìn)行自動分析；在學(xué)生端，智能教室可以通過情感計算與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對學(xué)生群體與個體的學(xué)習(xí)行為、情緒、專注度等進(jìn)行自動分析。在此基礎(chǔ)上，它還可以進(jìn)一步對教學(xué)效果進(jìn)行多維度、過程性評價，也有助于深入分析教師授課風(fēng)格及與學(xué)生的情緒契合度等。另外，智能教室不局限于傳統(tǒng)學(xué)校內(nèi)的物理空間，在線上學(xué)習(xí)空間中也可以構(gòu)建相似的智能教學(xué)環(huán)境。
3.智能圖書館
在圖書館藏書量不斷增加的現(xiàn)實情況下，日益繁重的圖書管理任務(wù)僅靠人工操作難以完成，圖書管理的智能化成為必然趨勢。在智能圖書館中，讀者自主借還、檢索、查詢、下載、復(fù)英閱覽等多項服務(wù)已得到逐步實現(xiàn)�；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的智能圖書盤點機(jī)器人可以對圖書館藏書進(jìn)行自動化盤點，檢查是否發(fā)生了丟失、錯架放置圖書等問題，并實時更新圖書的位置信息。
（二）智能學(xué)習(xí)過程支持
學(xué)習(xí)是學(xué)生通過教師或同伴的幫助和支持，獲得知識與技能的過程。學(xué)生通常需要在學(xué)習(xí)中得到科學(xué)、及時的支持，才能高效完成這一過程�；谌斯ぶ悄艿母黜楆P(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)階段智能學(xué)習(xí)過程支持系統(tǒng)的典型應(yīng)用有學(xué)習(xí)障礙智能診斷、教學(xué)資源智能推薦和智能學(xué)科工具使用等。
1.學(xué)習(xí)障礙智能診斷
對于學(xué)生因領(lǐng)域知識缺失而產(chǎn)生的學(xué)習(xí)障礙，我們可通過構(gòu)建領(lǐng)域知識點間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系來進(jìn)行智能診斷�；跈C(jī)器學(xué)習(xí)模型，智能學(xué)習(xí)過程支持系統(tǒng)能夠構(gòu)建知識層面的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系以及不同知識點間的障礙依賴關(guān)系，從而精準(zhǔn)判斷每位學(xué)生薄弱知識點產(chǎn)生的原因。
2.教學(xué)資源智能推薦
運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，智能學(xué)習(xí)過程支持系統(tǒng)可以對學(xué)生的知識掌握情況、學(xué)習(xí)專注度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，從而為學(xué)生精準(zhǔn)推薦相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源。例如，當(dāng)前多種智能學(xué)習(xí)平臺利用學(xué)生的過程性測評數(shù)據(jù)，自動分析并推薦符合其能力水平、學(xué)習(xí)狀態(tài)的學(xué)習(xí)內(nèi)容與練習(xí)題目。
3.智能學(xué)科工具使用
基于各類人工智能技術(shù)，如語音識別、手勢識別、自然語言處理等，人們已經(jīng)在智能學(xué)習(xí)過程支持系統(tǒng)中開發(fā)出了一系列可以輔助學(xué)生學(xué)習(xí)過程的智能學(xué)科工具。例如，運(yùn)用計算機(jī)視覺技術(shù)，對自然界的植物進(jìn)行圖像識別，判斷其種類，支持學(xué)生在生物學(xué)課堂上的自主探究性學(xué)習(xí)；運(yùn)用自然語言處理技術(shù)，對中國古典文學(xué)語料進(jìn)行加工處理，自動創(chuàng)作詩詞，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)語文的興趣。
（三）智能教育評價
教育評價是運(yùn)用科學(xué)的方法與技術(shù)手段，對教育活動滿足社會與個體需要的程度做出判斷的活動。目前，智能教育評價有智能課堂評價、口語自動測評、心理健康監(jiān)測和體質(zhì)健康評價四個方面的典型應(yīng)用。
1.智能課堂評價
計算機(jī)視覺技術(shù)可以通過學(xué)生面部表情識別其基本情緒，幫助教師及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)與專注程度，從而進(jìn)行教學(xué)干預(yù)或調(diào)整自身教學(xué)策略。自然語言處理技術(shù)可以對學(xué)生的課堂作答情況進(jìn)行及時標(biāo)記與反饋，同時可以將相關(guān)信息反饋給任課教師，從而提高教學(xué)效率與效果。
2.口語自動測評
通過語音識別等自然語言處理技術(shù)，人們得以提取語音及語義層面的完整特征，并以專家評分為標(biāo)準(zhǔn)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)訓(xùn)練自動評分模型，實現(xiàn)外語或普通話口語測試的自動評分。隨著口語自動測評技術(shù)的逐步成熟，其在教學(xué)和測評中的應(yīng)用不僅節(jié)省了大量人力資源，還較好地排除了個人的主觀因素，提高了測評的客觀性與可靠性。
3.心理健康監(jiān)測
人工智能技術(shù)能夠早期識別有潛在心理問題的學(xué)生并給出預(yù)警�；谏缃痪W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的用戶語言、交互行為和情緒表達(dá)，人們可以建立相應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于分析未成年人的心理健康狀態(tài)，并及時提示其心理健康問題和潛在的高風(fēng)險行為。
4.體質(zhì)健康評價
利用帶有多種智能傳感器的可穿戴設(shè)備，人們可以持續(xù)采集學(xué)生的體育運(yùn)動和睡眠等數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上開展精準(zhǔn)分析與評價。例如，教師在體育課上可采集學(xué)生運(yùn)動過程中的加速度、心率與血氧等多維度數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)分析模型，對學(xué)生的運(yùn)動技能與體質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評價。同時，通過分析一個較長時間周期內(nèi)（如一個學(xué)期或?qū)W年）的學(xué)生群體數(shù)據(jù)，學(xué)�？蓪w育課程的開設(shè)效果進(jìn)行評價。
（四）智能教師助理
智能教師助理一般指那些能夠?qū)處熑粘５慕虒W(xué)、教研、專業(yè)發(fā)展等進(jìn)行輔助的人工智能應(yīng)用。現(xiàn)階段，智能教師助理主要有自動出題與批閱、課程輔導(dǎo)與答疑、智能教研等典型應(yīng)用。
1.自動出題與批閱
在日常教學(xué)中，教師需要花費較大精力命制和批閱學(xué)生的作業(yè)和試題�；谥R圖譜技術(shù)并通過構(gòu)建啟發(fā)式規(guī)則，人們已經(jīng)開發(fā)出了自動出題與批閱系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動生成針對同一知識點但具有多種變式的個性化試題。此外，利用自然語言處理技術(shù)開發(fā)的批閱系統(tǒng)，還可以對不同學(xué)科較為復(fù)雜的半開放性主觀題自動評分并給出合理的反饋建議，大大減輕了教師課后批閱作業(yè)的工作強(qiáng)度與負(fù)擔(dān)。
2.課程輔導(dǎo)與答疑
人工智能可以協(xié)助教師為學(xué)生提供定制化、個性化的課程指導(dǎo)與反饋意見�；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)，智能系統(tǒng)可以自動診斷學(xué)生對當(dāng)前知識的掌握狀態(tài)，并結(jié)合學(xué)科知識體系與結(jié)構(gòu)信息，精準(zhǔn)推薦微課、微測等相關(guān)課程資源�；趯W(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提出的問題，智能系統(tǒng)還可以利用知識圖譜與自然語言處理等技術(shù)自動答疑，并通過不斷采集相關(guān)信息，構(gòu)建學(xué)生意圖理解的答疑系統(tǒng)。
3.智能教研
教研是促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展的重要手段。人工智能技術(shù)可以實現(xiàn)對教師教學(xué)過程的自動分析、教案的自動設(shè)計與生成等，為教師教研減負(fù)提質(zhì)。例如，智能聽評課系統(tǒng)可以記錄教師授課的音視頻，借助圖像處理和語音識別技術(shù)，分析課堂互動情況并將其量化，用數(shù)據(jù)提升教研活動的效能。教師也可通過查看教學(xué)回放以及課堂互動情況的分析數(shù)據(jù)，更有針對性地開展教學(xué)反思，從而優(yōu)化課堂教學(xué)質(zhì)量。此外，教案自動設(shè)計與生成系統(tǒng)可以幫助教師分析教學(xué)情境，提取授課內(nèi)容，分析教學(xué)對象，并從數(shù)據(jù)庫中抽取相應(yīng)的內(nèi)容生成教案，供教師借鑒與使用。
（五）教育智能管理與服務(wù)
教育智能管理與服務(wù)指管理者通過組織協(xié)調(diào)教育系統(tǒng)的內(nèi)部資源，充分利用智能關(guān)鍵技術(shù)和信息手段實現(xiàn)高效率、高水平的教育管理目標(biāo)與教育公共服務(wù)。當(dāng)前，教育智能管理與服務(wù)的典型應(yīng)用包括輔助教育決策、促進(jìn)教育公平、提供定制化教育服務(wù)等。
1.輔助教育決策
在宏觀層面，國家教育主管部門及各地方教育主管部門可以采集并匯總各層級、多維度的教育數(shù)據(jù)，借助人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)分析及可視化方法，發(fā)現(xiàn)影響區(qū)域教育發(fā)展的顯性與隱性關(guān)鍵問題，從而輔助決策與政策制定。
2.促進(jìn)教育公平
借助人工智能技術(shù)，各地方教育主管部門可打破地區(qū)和學(xué)校之間在地理上的資源壁壘，在線流轉(zhuǎn)優(yōu)質(zhì)師資，提供精準(zhǔn)化資源供給等服務(wù)。例如，智能公共服務(wù)平臺可以通過人工智能算法分析學(xué)生的優(yōu)勢和不足，并使用智能推薦技術(shù)為其匹配一對一線上輔導(dǎo)教師，展開“雙師”教學(xué)，從而促進(jìn)教育公平，加快教育供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。
3.提供定制化教育服務(wù)
隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，教育公共服務(wù)的需求越來越強(qiáng)調(diào)個性化與定制化。基于人工智能技術(shù)，教育主管部門能夠采集海量學(xué)生多維度的過程性與測評性數(shù)據(jù)，包括學(xué)科核心素養(yǎng)類、領(lǐng)域知識類、心理認(rèn)知類以及體質(zhì)健康類數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，教育主管部門可構(gòu)建個性化教育公共服務(wù)平臺，為個體與群體學(xué)生提供學(xué)科能力與素養(yǎng)診斷、專業(yè)與職業(yè)發(fā)展規(guī)劃等一系列智能化服務(wù)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)其個體問題與優(yōu)勢，從而建立教育公共服務(wù)新模式。
三、結(jié)語與展望
人工智能的各項關(guān)鍵技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，形成了一批典型的教學(xué)應(yīng)用場景與模式，為教師與學(xué)生提供了有效的學(xué)習(xí)支撐、精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容以及多元化的教育服務(wù)。人工智能技術(shù)還可以幫助學(xué)生連接正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)的環(huán)境，使他們更加高效地獲取知識，獲得及時的學(xué)業(yè)診斷和高質(zhì)量的反饋指導(dǎo)。人工智能技術(shù)也可以將教師從煩瑣的事務(wù)性工作中解放出來，減輕教師的工作負(fù)擔(dān)。
當(dāng)然，我們也要認(rèn)識到，人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段。例如，在學(xué)生意圖理解、情感交互、自動批閱等方面還存在較多的技術(shù)瓶頸。現(xiàn)階段，人工智能教育應(yīng)用對學(xué)生綜合能力發(fā)展等方面的關(guān)注也較少。隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步及其與教育融合程度的加深，我們相信在不遠(yuǎn)的未來，師生將開始運(yùn)用人機(jī)結(jié)合的思維方式，實現(xiàn)與個人能力相匹配的個性化發(fā)展；教育管理者將更多地依據(jù)教育數(shù)據(jù)挖掘與分析的結(jié)果，進(jìn)行教育管理、教育監(jiān)測、教育決策等活動。最終，技術(shù)將助力教育實現(xiàn)核心素養(yǎng)導(dǎo)向的人才培養(yǎng)，邁向人機(jī)協(xié)作的高質(zhì)量教育教學(xué)新時代。
END
文章來源 | 《中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)》2021年第10期
責(zé)任編輯 | 牟艷娜
微信編輯 | 李中華 霍聰穎（實習(xí)）
微信監(jiān)制 | 趙滿樹
