人工智能與教育

文/黃榮懷 北京師范大學智慧學習研究院聯席院長

人工智能與教育

文/黃榮懷 北京師范大學智慧學習研究院聯席院長

隨著深度學習技術、ImageNet競賽在圖像識別領域帶來的突破，人工智能再次爆發。人工智能與教育始終是密不可分的。人工智能、計算科學的快速發展及應用于教育領域，學習者模型、教學模型及領域模型被不斷地豐富和完善，智能教學系統涵蓋影響學習的所有相關因素，并將轉化應用到教學實踐中。

2016年被稱為人工智能的元年，人工智能領域迎來了前所未有的發展機遇。國際組織以及世界主要發達國家相繼發布了人工智能政策，以此從政府層面來推動人工智能領域的快速發展。中國政府于2016年和2017年相繼發布《智能制造發展規劃（2016-2020年）》《互聯網+人工智能三年行動實施方案》及《新一代人工智能發展規劃》 等多部人工智能領域的重要規劃性文件，明確了“十三五”期間我國人工智能發展的指導思想、戰略目標、重點任務和保障措施，部署構筑我國人工智能發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國。

通常認為，人工智能是計算機科學中的一個分支，其學科涉及研究和開發用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術及應用系統。

人工智能在經歷了兩次浪潮后，隨著2006年Geoffrey Hinton提出的深度學習技術，以及2012年ImageNet競賽在圖像識別領域帶來的突破，人工智能再次爆發。這一階段，人工智能基礎研究和技術應用取得了實質性進展，從近幾年Gartner發布的技術成熟度曲線來看，生物芯片、微數據中心、智能機器人、自然語言問答、虛擬現實、增強現實、自動駕駛等都將會在5～10年內達到生產力平穩期，而同聲傳譯、機器學習、自動區域駕駛等技術所需時間僅為2～5年。

在人工智能發展的各個階段，教育工作者始終積極嘗試將人工智能技術融入教育過程之中。最早出現的計算機輔助教學（CAI）可以稱之為AI教育應用的雛形。計算機輔助教學用計算機幫助和代替教師執行部分教學任務，傳遞教學信息，向學生傳授知識和訓練技能，直接為學生服務。這種模式是強調以教為中心的個別化教學。在行為主義理論指導下，計算機輔助教學模式主要有操練與練習、個別輔導、模擬和教學游戲等。20 世紀 80 年代以后，由于建構主義學習理論在教育技術中的應用和多媒體技術的發展，國際上計算機輔助教學模式轉變為強調以學為中心。隨著多媒體技術、網絡教育以及虛擬現實、增強現實技術的出現，計算機輔助教學日益成為現代化教育技術的重要組成部分并逐漸成了我國教學領域的主要電化教學手段。

智能教學系統（ITS）

智能教學系統(Intelligent Tutoring System, ITS)是近二十多年來發展起來的教育技術學的一個重要領域，它結合人工智能、計算機科學、認知科學、教育學、心理學和行為科學以及多媒體等技術，其研究的最終目的是由計算機系統負擔起人類教育的主要責任，即賦予計算機系統以智能，由計算機系統在一定程度上代替人類教師，實現最佳教學。Hartley & Sleeman于1973年提出ITS的基本框架，領域知識，即專家模型(Expert Model)，它主要解決教什么的問題，包含系統推理和判斷學習者的回答與問題解決的步驟合適與否；學習者知識，即學生模型(Student Model)，它主要解決教誰的問題，即描述學習者當前的理解或技能水平，用于形成適度的復雜任務；教學策略的知識，即導師模型(Tutor Model)，它要解決怎么教的問題，使系統做出合理的輔導動作，如提供有效的反饋或調整下一個任務。

智能教學系統的新發展

隨著人工智能、計算科學的快速發展及應用于教育領域，在Hartley & Sleeman ITS通用框架的基礎上，學習者模型、教學模型及領域模型被不斷地豐富和完善，智能教學系統涵蓋影響學習的所有相關因素，并將轉化應用到教學實踐中。

ITS模型：增加語義、代理和約束。由于知識的表示方法——命題語義網絡或數據語義網絡技術的開發應用，以及基于問題解決和概念提示等知識應用規則的應用，領域模型不僅包含了學科內容的知識，還包括應用這些知識來求解問題的過程性知識，即領域模型不僅提供知識，還能生成問題并建構正確解答以及求解問題的策略性知識。教師模型中，教師模型將由不同的人工智能代理（教師代理、元認知代理、層次代理）——“模擬的教師”組成, 他們扮演教師、專家，被指導者或學習同伴的角色，這些虛擬角色可以提供不同的視角并根據學生的知識水平和學習背景等狀況, 將學習活動與學習者的認知需求、情感(情緒)狀態相匹配，并提供有針對性的及時反饋，而不需要一個教師在場。學習模型中，由于人工智能技術和工具的引入使得其涵蓋的內容不斷擴展，如利用元認知支架來獲得學習者的動機和參與程度，反思和自我意識；利用環境約束的機器學習來分析學習者的認知水平、情感狀態，以及學習體驗等；還可以使用社會模擬模型——通過理解文化和社會規范，使學習語言的學生能夠與他們的目標語言使用者更成功地進行接觸，進而了解語言學習的效率。

ITS模型：利用AR優化用戶接口。正如上文介紹，早期的智能教學系統中用戶界面的呈現一般都是采用基于文本或者2D的圖畫，實際上嚴重限制了對空間及物理概念的傳輸。而虛擬現實、增強現實技術可以提供身臨其境的體驗(一個人參與現實體驗的主觀印象)，它模擬真實世界里學習者無法訪問的某些場景(比如危險的環境，或者是在地理或歷史層面上無法觸及的地方）。而當虛擬現實被人工智能增強時，它就變得“智能”了。人工智能可以使用簡單的方法來增強虛擬世界，使它能夠與學生交互并以更自然的方式響應學生的學習行為要求。如今，有關研究人員將AR/VR虛擬增強現實技術應用于ITS智能教學系統，利用AR技術來優化ITS的用戶界面，并研發設計了AR與ITS技術的應用模型。

ITS模型：自適應學習系統。與大數據技術及學習分析技術融合智能教學系統將能夠為學習者提供支持其自主發展的個性化學習服務，這破解了教育在個性培養方面不足的難題。以開放式學習模型為基礎的自適應學習/教學系統為例，不僅能夠讓學生自己了解、掌握自己的學習情況，更能輔助教師了解學生群體乃至教育管理部門對地域學生整體情況進行宏觀把握。系統能夠從學習環境、學習者特征、學習資源與工具、學習行為以及評價反饋等多個方面為學習者提供全方位、立體多維的學習者學習分析模型及知識地圖，完成對區域、學校、班級、學生等多維度的數據處理及分析。在獲得了學生用戶、群體以及區域學生整體的“學習畫像”之外，自適應學習系統借助人工智能技術，讓計算機根據學生學習數據實施個別化教學，向不同需求、不同特征的學習者推送針對性學習資源和指導性學習建議。

黃榮懷，教授、博士生導師。北京師范大學智慧學習研究院聯席院長，聯合國教科文組織國際農村教育與培訓中心主任，互聯網教育智能技術及應用國家工程實驗室主任，數字學習與教育公共服務教育部工程研究中心主任，教育技術學北京市重點實驗室主任等。兼任教育技術學專業教學指導委員會副主任委員、教育部教育信息化專家組成員、中國教育技術協會副會長、國際智慧學習環境協會主席。