我國人工智能教育研究熱點與趨勢探析

夏頏淇 杜璇 王嘉妮

摘? 要 人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，為我國教育帶來深刻變革。借助可視化知識圖譜軟件CiteSpaceⅤ，以CNKI數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，對我國人工智能教育研究領(lǐng)域2010—2019年的核心期刊文獻進行可視化分析，繪制該領(lǐng)域的發(fā)文作者、研究機構(gòu)、關(guān)鍵詞知識圖譜，探測該領(lǐng)域的演進路徑和研究熱點。研究表明，我國人工智能教育經(jīng)歷了起步、探索時期，現(xiàn)正處于繁榮創(chuàng)新時期，近幾年的研究熱點主要包括智慧教育、機器人教育、計算思維培養(yǎng)、未來教育等?，F(xiàn)階段的研究存在研究力量分散、安全與倫理知識薄弱、師資大量缺乏等問題。未來的研究應(yīng)以促進教育公平和人工智能安全與倫理為主，同時增強學(xué)者之間的合作研究，培養(yǎng)專業(yè)師資，探尋人工智能教育公平化、本土化的落實策略。

關(guān)鍵詞 人工智能教育;CiteSpaceⅤ;可視化分析;教育信息化

中圖分類號：G423.04? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）07-0071-05

0 概述

1956年，在美國達特茅斯學(xué)院舉辦的夏季學(xué)術(shù)研討會中首次提出人工智能概念。在本次研討會中，John Mc Carthy

提出人工智能（Artificial Intelligence，AI）的具體概念，隨后被人們廣泛應(yīng)用，借助大數(shù)據(jù)、云計算與深度學(xué)習(xí)，人工智能實現(xiàn)突破式發(fā)展[1]。

20世紀80年代，錢學(xué)森等學(xué)者主張開展人工智能領(lǐng)域的研究[2]，人工智能這一概念首次被我國學(xué)者提及。2014年習(xí)近平總書記在中科院院士大會上的重要講話和2015年李克強總理的政府工作報告，都對人工智能給予高度評價。隨著教育改革的不斷深化，科學(xué)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷增強，我國逐漸將人工智能引入教育領(lǐng)域。2018年4月發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》[3]強調(diào)要積極發(fā)展智能教育，圍繞學(xué)習(xí)者展開智能化教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建，將人工智能實際應(yīng)用到教學(xué)管理活動中，充分利用智能化技術(shù)，不斷推動人才培養(yǎng)模式、教育方式改革，積極地進行創(chuàng)新。2019年8月，聯(lián)合國教科文組織面向國際發(fā)布了人工智能與教育大會成果性文件《北京共識——人工智能與教育》[4]，其中明確強調(diào)：將人工智能與教育系統(tǒng)積極地進行融合，不斷地進行創(chuàng)新，采用全新的教學(xué)與學(xué)習(xí)模式，充分發(fā)揮人工智能的優(yōu)勢，構(gòu)建高度靈活開放的教育體系，保證社會大眾能夠享受優(yōu)質(zhì)的終身學(xué)習(xí)。

近年來，國家不斷出臺對人工智能發(fā)展的引導(dǎo)和支持政策，可見我國對人工智能教育的重視程度，這對我國開展人工智能教育研究起到重要推動作用。通過知識圖譜分析，探索我國近十年人工智能教育研究的熱點主題和前沿，有利于把握該領(lǐng)域發(fā)展趨勢，為人工智能教育領(lǐng)域的研究提供參考。

1 研究設(shè)計

樣本來源? 為了比較精確地反映我國人工智能教育領(lǐng)域的研究核心，此次研究將CNKI學(xué)術(shù)期刊中有關(guān)我國人工智能教育的核心期刊作為數(shù)據(jù)的來源，選擇特定主題，檢索有關(guān)文獻，同時用“AI”或“教學(xué)”等近義詞代替以避免檢索缺漏，檢索日期為2010-01-01—2019-12-31，共獲得文獻703篇，對檢索結(jié)果去重、整理，剔除會議、通知、新聞等無效數(shù)據(jù)，共得到有效文獻643篇。

數(shù)據(jù)處理? 首先需要將CNKI導(dǎo)出的RefWorks格式數(shù)據(jù)利用CiteSpaceⅤ自帶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可處理文檔數(shù)據(jù)，設(shè)置時間跨度為一年，本文研究年段為2010—2019年共計10年，即10個時間切片。結(jié)點類型設(shè)置為Author（作者）、Institution（機構(gòu)）與Keyword（關(guān)鍵詞）選項，獲取本研究范圍內(nèi)各作者與機構(gòu)合作知識圖譜，同時得到關(guān)鍵詞知識圖譜，對相關(guān)的內(nèi)容作出解讀并歸納總結(jié)，分析我國2010—2019年人工智能教育領(lǐng)域的研究演進、當(dāng)前狀況以及未來趨勢。

2 研究結(jié)果與分析

發(fā)文數(shù)量分析? 此次研究總共用到643篇研究文獻，以發(fā)表時間為線索進行整理，繪制得到每年發(fā)表文章數(shù)量趨勢圖，如圖1所示。由圖1可發(fā)現(xiàn)，2010—2016年，我國對人工智能教育相關(guān)的研究一直處于初探階段，每年發(fā)文量變化不大，整體發(fā)展平穩(wěn)且緩慢。從2017年起，研究熱度逐年上升，與2016年相比，文獻量幾乎翻番增長。而2018—2019年，發(fā)文量急劇上升，可見這兩年間人工智能教育在我國的發(fā)展呈現(xiàn)火熱趨勢，受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。

發(fā)文機構(gòu)及作者分析? 運行CiteSpace，把節(jié)點類型設(shè)置為機構(gòu)，時間跨度調(diào)整為一年，節(jié)點的強度默認Cosine（余弦函數(shù)）和Within slices（時間切片內(nèi)），并且閾值top N=50，挑選路徑算法（pathfinder），并修剪合并網(wǎng)絡(luò)（pruning the merged networks）與修剪片層網(wǎng)絡(luò)（pruning sliced networks），其他參數(shù)默認，得到節(jié)點數(shù)為236、連線數(shù)為109、密度為0.003 9的研究機構(gòu)共現(xiàn)知識圖譜，如圖2所示。圖譜中呈現(xiàn)了發(fā)文量至少為四篇的機構(gòu)。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，天津大學(xué)教育學(xué)院、北京師范大學(xué)教育學(xué)部、華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系和北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院的節(jié)點較大，由此說明這四所機構(gòu)的發(fā)文量較多，對人工智能教育的研究關(guān)注較大，科研能力較強。由節(jié)點年輪顏色變化可以看出，最早對此領(lǐng)域有研究的機構(gòu)是西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院。綜觀全圖，除華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系外，節(jié)點與節(jié)點之間連接普遍較少，多數(shù)節(jié)點獨立存在，說明華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系在我國人工智能教育領(lǐng)域的合作研究較為積極，其他機構(gòu)與機構(gòu)之間的合作少之又少，均以獨立研究為主。

將節(jié)點類型設(shè)置為作者，其他參數(shù)設(shè)置同上，得到節(jié)點數(shù)為286、連線數(shù)為194、密度為0.004 8的研究作者共現(xiàn)知識圖譜，如圖3所示。圖譜中呈現(xiàn)了發(fā)文量至少為三篇的作者，節(jié)點越大的作者發(fā)文量越多，分別是任友群（七篇）、杜靜（五篇）、黃榮懷（四篇）、劉邦奇（四篇）等。除黃榮懷、杜靜兩位作者的節(jié)點有少量連線外，其他作者多數(shù)以獨立節(jié)點存在，同時通過知識圖譜密度0.004 8可以看出，研究作者共現(xiàn)知識圖譜結(jié)構(gòu)松散。以上表明我國學(xué)者在人工智能教育領(lǐng)域的研究相對落后，缺乏足夠的合作意識，因此在后續(xù)的研究與分析過程當(dāng)中要注重這些問題，積極地作出改變與調(diào)整。

關(guān)鍵詞分析? 研究熱點能夠呈現(xiàn)出某個研究領(lǐng)域的核心與未來趨勢，對于全面而系統(tǒng)地了解本領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)內(nèi)容至關(guān)重要。在文章當(dāng)中，關(guān)鍵詞是整篇文章的提煉，如果關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率比較高，也就是說明其為研究的焦點[5]。

把節(jié)點類型調(diào)整為關(guān)鍵詞，剩下的參數(shù)調(diào)整為機構(gòu)參數(shù)，通過運行獲取362個節(jié)點和562條連線。首先去除基本關(guān)鍵詞“人工智能”“學(xué)習(xí)”，選擇節(jié)點形狀為圓形（circle），使節(jié)點以年輪樣式顯示，得到高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜，如圖4所示。圖4中顯示共有19個熱點關(guān)鍵詞，其中節(jié)點越大的關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率越高，因此，“智慧教育”“智能教育”“教育信息化”等詞被提及討論的頻率最高。從年輪顏色變化可以發(fā)現(xiàn)，較早出現(xiàn)的研究熱點是“機器人”“計算思維”。

在具體研究與分析時，采用對數(shù)似然率算法（Log-Like-

lihood Rate，LLR）展開，進而得到相應(yīng)的研究名稱，最終獲取如圖5所示的關(guān)鍵詞聚類知識圖譜。設(shè)置參數(shù)按照大小顯示前10個聚類。

以上述研究為前提，在ClusterExplorer中進行相應(yīng)操作，獲取表1所示內(nèi)容。針對所有的關(guān)鍵詞作出分類與整理，結(jié)果表明，不同的聚類研究內(nèi)容出現(xiàn)交叉。在這種情況下，把國內(nèi)人工智能教育的研究與分析總結(jié)為“人工智能教育理論”“人工智能教育應(yīng)用”“人工智能教育技術(shù)支持”等相關(guān)領(lǐng)域，具體情況如下。

1）人工智能教育理論。該項理論的研究多以“人工智能+教育”為核心延伸出“智慧教育”“教育人工智能”“信息技術(shù)”等相關(guān)教育理論分支，都是在人工智能與教育融合的基礎(chǔ)之上進行研究探索，是傳統(tǒng)教育面對人工智能時代的調(diào)整與回應(yīng)。而學(xué)生模型指的是通過記錄學(xué)生的基本信息、認知水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)習(xí)內(nèi)容，為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

2）人工智能教育應(yīng)用。核心的關(guān)鍵詞有機器人或者智能導(dǎo)師系統(tǒng)。眾所周知，機器人為人工智能與教育融合的主要代表之一，在中小學(xué)信息技術(shù)課程和高校競賽中被廣泛使用。2016年10月21日，劉延?xùn)|副總理出席了全球機器人大會開幕式，并且發(fā)表重要講話，指出：“伴隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，對于智能化生產(chǎn)、改善生產(chǎn)效率、創(chuàng)造經(jīng)濟收入等具有極其重要的意義，因此要積極地進行創(chuàng)新與改革，推動該項產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，打造智能互惠共贏的現(xiàn)代社會?！盵6]另一個應(yīng)用的核心代表是“智能導(dǎo)師系統(tǒng)”，人工智能能夠模擬人類能力和智慧行為，其應(yīng)用于教育領(lǐng)域，便可以作為智能導(dǎo)師模仿真人教師與學(xué)生互動，實現(xiàn)一對一的個性化教學(xué)，是人工智能教育應(yīng)用的產(chǎn)物之一。

3）人工智能教育技術(shù)支持。人工智能教育技術(shù)支持主要體現(xiàn)在“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間”“數(shù)據(jù)可視化”上。教育應(yīng)用和教育技術(shù)支持是息息相關(guān)的，因為在大數(shù)據(jù)、云計算和深度學(xué)習(xí)這三大核心驅(qū)動力的支持下，人工智能不僅可以作為學(xué)習(xí)環(huán)境來提供新型學(xué)習(xí)方式，也可以作為技術(shù)工具來支持學(xué)習(xí)過程，教育應(yīng)用正常使用的前提必然是良好技術(shù)的支持?！熬W(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間”是在人工智能技術(shù)的支持下，跨越時空界限，平衡教育資源分配，逐步實現(xiàn)“一人一空間”網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)狀態(tài)，是促進教育公平的途徑之一。而“數(shù)據(jù)可視化”則需要人工智能大數(shù)據(jù)的核心特征，將學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、知識水平以圖表的形式直觀地呈現(xiàn)，是學(xué)生自評、教師評價的參考。

研究趨勢演進分析? 突現(xiàn)詞作為某一時間段內(nèi)突然被頻繁提及、討論的關(guān)鍵詞，可以用來反映某一時間段內(nèi)的研究趨勢。在控制面板中選擇Burstness，調(diào)整最小周期為一年，得到如圖6所示的關(guān)鍵詞突現(xiàn)知識圖譜。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，“教學(xué)方法”“實驗教學(xué)”“計算思維”“機器人”等詞的突現(xiàn)年份最早，是人工智能教育探索的最初領(lǐng)域，其中“機器人”一詞突現(xiàn)持續(xù)的時間最長，是2011—2016年持續(xù)受到關(guān)注的話題。2014—2017年，接連突現(xiàn)的關(guān)鍵詞有“慕課”“教學(xué)改革”“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間”，而2018—2019年突現(xiàn)的關(guān)鍵詞主要有“學(xué)習(xí)分析”“個性化教育”“教育信息化2.0”。因此，可以把我國人工智能教育研究劃分為不同的時期，具體包含起步時期、探索時期、繁榮創(chuàng)新時期。

1）起步時期（20世紀80年代—2015年）。20世紀80年代初，錢學(xué)森等主張開展人工智能領(lǐng)域的研究，但是受批判主義的影響，人工智能早期在我國的發(fā)展非常艱難;1981年，中國人工智能學(xué)會[7]正式成立;1984年，鄧小平指示“計算機普及要從娃娃抓起”：這一系列事件標(biāo)志著我國人工智能教育開始緩慢發(fā)展。然而與人工智能的相關(guān)技術(shù)發(fā)展對比，表現(xiàn)出很強的滯后性，也就是說應(yīng)用相對落后。根源在于人工智能的技術(shù)比較復(fù)雜，相關(guān)的從業(yè)人員必須具備相關(guān)的專業(yè)知識與技能，才能夠發(fā)揮其功能，但是掌握專業(yè)知識與技能的人才，往往理論基礎(chǔ)匱乏[8]，所以從我國學(xué)者提出人工智能到其在教育領(lǐng)域出現(xiàn)，經(jīng)歷了近30年的時間。起步時期的人工智能教育主要探究“教育方法”“實驗教學(xué)”等概念，為教學(xué)而設(shè)計的智能教學(xué)系統(tǒng)還不多[9]，人工智能教育理論也不夠成熟，因此，這一時期的文獻以嘗試、摸索為主。

2）探索時期（2016—2017年）。探索時期的人工智能教育概念是面向全體的、大眾的。慕課、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間等概念都開始嘗試融合人工智能來更新平臺功能建設(shè)，這一類學(xué)習(xí)平臺也從數(shù)字化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)化[10]，朝著“智慧學(xué)習(xí)空間”的方向發(fā)展。探索時期的人工智能教育跨越了正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)的鴻溝，讓不同需求的學(xué)習(xí)者都能通過大數(shù)據(jù)獲得個性化學(xué)習(xí)內(nèi)容，體現(xiàn)出普遍化、大眾化的特點。

3）繁榮創(chuàng)新時期（2018年至今）。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2018年，我國各地區(qū)就已推出十幾種與中小學(xué)人工智能相關(guān)的課程、教程或教材[11]。從2018年起，大量研究不斷涌現(xiàn)，人工智能教育的研究已經(jīng)進入白熱化，在教育信息化2.0的背景下，“個性化教育”“學(xué)習(xí)分析”等研究熱點被研究學(xué)者廣泛討論。這一階段的研究更趨向于針對個體的學(xué)習(xí)，強調(diào)一對一的學(xué)習(xí)模式，解鎖教育新形態(tài)。

3 研究結(jié)論與反思

本研究借助CiteSpaceⅤ軟件，對近十年中國知網(wǎng)中有關(guān)我國人工智能教育的核心期刊進行可視化分析和研究，通過對知識圖譜的解讀以及對關(guān)鍵文獻詳細梳理后得出以下結(jié)論與反思。

1）從發(fā)文量可以看出，從2017年起，我國該研究領(lǐng)域發(fā)文量激增，說明人工智能教育已經(jīng)引起我國學(xué)者的廣泛關(guān)注，“人工智能+教育”“教育人工智能”等核心熱詞的出現(xiàn)，正將該領(lǐng)域的研究推向高潮。

2）從發(fā)文作者和發(fā)文機構(gòu)來看，無論是作者之間，還是機構(gòu)之間，并無密切的合作研究經(jīng)歷，大多數(shù)作者與機構(gòu)仍是以單獨研究為主，個人的研究主題也相對單一，說明我國學(xué)者目前的合作意識不強。另外，學(xué)者與機構(gòu)多數(shù)來自高校，極少數(shù)來自中小學(xué)，因此，研究以理論和政策解讀為主。筆者認為，目前我國人工智能教育的發(fā)展真正需要的是推進辦法與落實策略。如何讓人工智能教育成體系、本土化，應(yīng)是未來幾年的研究熱點之一。

3）從研究熱點及趨勢來看，我國人工智能教育主要是圍繞機器人教育、計算思維培養(yǎng)、智慧教育等話題進行研究。經(jīng)過研讀文獻發(fā)現(xiàn)，除中小學(xué)和高校相關(guān)專業(yè)進行人工智能教育以外，高等職業(yè)教育、新聞、口譯、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也踴躍嘗試“人工智能+教育”的模式來進行人才培養(yǎng)，但目前人工智能教育領(lǐng)域的倫理機制還沒有得到很好的回答[12]，忽視了對學(xué)生安全與倫理方面的教育。另外，在師資方面，雖然自2017年起已經(jīng)有了“AI教師”“雙師課堂”[13]等概念，但如何培養(yǎng)人工智能教育領(lǐng)域的優(yōu)秀師資，如何讓AI教師在輔助教師、豐富教學(xué)過程的同時，不替代教師的角色，也是當(dāng)下應(yīng)該考慮的問題。

總之，今后研究應(yīng)以重塑教育結(jié)構(gòu)[14]和促進教育公平為目標(biāo)，探尋人工智能教育成體系、本土化的推進策略，培養(yǎng)學(xué)生人工智能安全與倫理意識，關(guān)注學(xué)生情感態(tài)度價值觀的發(fā)展，培養(yǎng)人工智能教育復(fù)合型人才，保證教育信息化的穩(wěn)步推行，促進我國人工智能教育蓬勃發(fā)展?！?/p>

參考文獻

[1]梁迎麗，劉陳.人工智能教育應(yīng)用的現(xiàn)狀分析、典型特征與發(fā)展趨勢[J].中國電化教育，2018（3）：24-30.

[2]李月白，江曉原.錢學(xué)森與20世紀80年代的人工智能熱[J].西安交通大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2019（6）：24-29.

[3]教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》的通知[A/OL].（2018-04-18）[2020-05-02].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[4]聯(lián)合國教科文組織正式發(fā)布國際人工智能與教育大會成果文件《北京共識——人工智能與教育》[EB/OL].（2019-08-

28）[2020-05-02].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_

gzdt/s5987/201908/t20190828_396185.html.

[5]林德明，陳超美，劉則淵.共被引網(wǎng)絡(luò)中介中心性的Zipf-Pareto分布研究[J].情報學(xué)報，2011（1）：76-82.

[6]劉延?xùn)|出席2016世界機器人大會開幕式并致辭[EB/OL].

（2016-10-20）[2020-05-02].http：//www.gov.cn/xinwen/

2016-10/20/content_5122305.htm.

[7]中國人工智能學(xué)會.關(guān)于CAAI：中國人工智能學(xué)會簡介

[EB/OL].（2020-03-08）[2020-05-02].http：//caai.cn/index.

php？s=/home/article/index/id/2.html.

[8]劉勇，生曉婷，李青.人工智能在我國教育領(lǐng)域應(yīng)用的可視化分析[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018（10）：27-34.

[9]莫蔚天，梁兢.人工智能在教學(xué)管理中的應(yīng)用[J].求實，2010（S1）：226-227.

[10]楊現(xiàn)民，趙鑫碩，劉雅馨，等.網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的發(fā)展：內(nèi)涵、階段與建議[J].中國電化教育，2016（4）：30-36.

[11]謝昱，陳映曉.我國中學(xué)人工智能教育狀況的調(diào)查研究[J].未來與發(fā)展，2019（12）：103-105，71.

[12]Ethics in AIED： Who cares？[EB/OL].（2018-06-27）[2020-05-02].http：//oro.open.ac.uk/53443/.

[13]黃甫全，伍曉琪，唐玉溪，等.雙師課堂課程開發(fā)引論：緣起、主題與方法[J].電化教育研究，2020（2）：99-107.

[14]任友群，萬昆，馮仰存.促進人工智能教育的可持續(xù)發(fā)展：聯(lián)合國《教育中的人工智能：可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)和機遇》解讀與啟示[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2019（5）：3-10.