中小學(xué)智慧校園人工智能應(yīng)用研究

摘要：智慧校園已成為校園信息化建設(shè)的熱點和趨勢，但由于缺乏精準(zhǔn)科學(xué)的指導(dǎo)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，加上人工智能技術(shù)門檻較高，智慧校園建設(shè)規(guī)劃仍存在一定的問題。智慧校園人工智能建設(shè)首先應(yīng)該依據(jù)質(zhì)量功能展開原理和需求對智慧校園人工智能的質(zhì)量功能進行分析，針對智慧校園可能存在的問題設(shè)計智慧校園人工智能各項性能指標(biāo)。注重提前積累相關(guān)數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)特征提取，積累相關(guān)數(shù)據(jù)分析和驗證經(jīng)驗，為智慧校園以后配套硬件建設(shè)做好充分的準(zhǔn)備，達到為系統(tǒng)籌備智慧校園人工智能建設(shè)服務(wù)的目的。

關(guān)鍵詞：智慧校園? 人工智能? 質(zhì)量功能展開? SWOT

引用格式：劉衛(wèi)明.中小學(xué)智慧校園人工智能應(yīng)用研究[J].教學(xué)與管理，2022（18）：32-35.

為了全面促進中小學(xué)發(fā)展信息化教育，教育部、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會相繼發(fā)布了《教育信息化2.0行動計劃》和《智慧校園總體框架》等文件，倡導(dǎo)加快建設(shè)“智慧平安校園”?；诖耍嘀行W(xué)將“全面感知校園環(huán)境”作為智慧校園建設(shè)的重要工作，將人工智能技術(shù)帶入校園。

一、中小學(xué)智慧校園的研究現(xiàn)狀

1.智慧校園建設(shè)應(yīng)用研究

智慧校園能夠展現(xiàn)新一代信息技術(shù)如何重新定義人類的知識和能力價值、促進建立個性發(fā)展的教育體系[1]。因此，智慧校園建設(shè)逐漸成為中小學(xué)建設(shè)的熱點，但仍存在“建而不用”“重管理輕教學(xué)”等誤區(qū)。事實上智慧校園并不是建設(shè)了環(huán)境和配備了軟硬件就可以，而是要讓環(huán)境與課程、教學(xué)、管理有機融為一體，成為一個全新的教育信息化新生態(tài)[2]。如何準(zhǔn)確把握現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展動向，以問題為導(dǎo)向改變現(xiàn)有教育“頑疾”，變革學(xué)校的育人模式與教學(xué)模式[3]。 新技術(shù)時代背景下，未來教育改革需要多元路徑融合發(fā)展，通過對智慧校園的升級改造、新課程體系的建立、教育管理體系的完善和師資培訓(xùn)體系的改革予以實現(xiàn)[4]。

2.人工智能應(yīng)用于智慧校園方案

隨著智慧校園建設(shè)的逐步成熟，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進了家?；?，成為一個具備教、學(xué)、考、評、管五大功能的智能家校共育生態(tài)圈，真正實現(xiàn)智能技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合[5]。基于人工智能技術(shù)的人臉識別應(yīng)用，結(jié)合活體檢測在智慧教學(xué)環(huán)境、管理、服務(wù)以及信息化安全保障中發(fā)揮了重要作用[6]。 人工智能信息鏈的信息產(chǎn)生、信息表示、智能推理、智能決策和輸出執(zhí)行五個環(huán)節(jié)與智慧校園總體架構(gòu)的層次對應(yīng)關(guān)系[7]。 設(shè)置具備自然語言交互功能的學(xué)校教學(xué)管理智能問答機器人，以移動式即時問答、多輪問答式的服務(wù)引導(dǎo)、會話式的業(yè)務(wù)辦理[8]。

人工智能技術(shù)能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、動畫等各種各樣的信息化教學(xué)手段進行優(yōu)化整合，有利于提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[9]。需要教師及時更新教育理念，促進現(xiàn)代技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，推動教育現(xiàn)代化的發(fā)展[10]。

二、中小學(xué)人工智能智慧校園環(huán)境分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)普遍使用，中小學(xué)智慧校園已成為管理校園不可或缺的手段，因此，建設(shè)智慧校園需要結(jié)合環(huán)境分析，合理規(guī)劃。

1.智慧校園環(huán)境分析

利用SWOT工具探索使用人工智能系統(tǒng)（見表1），智慧校園建設(shè)離不開特定的外部社會環(huán)境和中小學(xué)校園內(nèi)部環(huán)境。

規(guī)劃設(shè)計人工智能智慧校園感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層硬件環(huán)境。智慧校園建設(shè)感知層匹配相應(yīng)功能傳感器;比如通過中小學(xué)生表情分析教學(xué)質(zhì)量，就必備圖像傳感器。網(wǎng)絡(luò)層必須滿足數(shù)據(jù)傳輸;平臺層必須預(yù)留一定接口，以便數(shù)據(jù)提取和軟件開發(fā)，應(yīng)用根據(jù)學(xué)校需求設(shè)計相應(yīng)模塊。假如設(shè)計環(huán)境檢測應(yīng)用模塊，就有教室、圖書館、實驗室等學(xué)習(xí)場所的溫度、濕度自動感知、自動調(diào)整，燈光亮度自動調(diào)節(jié)，空氣污染、噪音自動檢測，自動通風(fēng)、自動降低噪音，惡劣氣候環(huán)境的智慧提醒，細菌超標(biāo)自動提醒等細節(jié)功能設(shè)計。

2.用戶需求調(diào)查

提高人工智能智慧校園建設(shè)的質(zhì)量，調(diào)查收集使用方需求，并將其整理，確保設(shè)計服務(wù)與使用方要求相一致。收集中小學(xué)需求的原始數(shù)據(jù)（見表2）。

3.用戶需求分析，關(guān)注超出期望的需求

不同中小學(xué)需求不同，一般小學(xué)安全需求比重較大，中學(xué)升學(xué)率需求比重較大。按需求的優(yōu)先順序，注重心理需求。假設(shè)提升學(xué)生新知識和興趣為優(yōu)先，需求學(xué)校應(yīng)決策引入將復(fù)雜原理簡單化、編程模塊化的人工智能課程。

不同需求對數(shù)據(jù)量要求不同，對計算機硬件的要求不同，特征處理方式不同。目前普遍應(yīng)用于教育領(lǐng)域的輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)嵌入式硬件不多，更多的是單項功能的探索，如虛擬現(xiàn)實智能建模技術(shù);自動問答機器人等。針對目前依靠門衛(wèi)人為篩選和保安人員定時、定點交替巡邏的方式，存在非本校人員混入或人員離崗安全漏洞等問題。假設(shè)將校園安全作為主要需求，設(shè)計校園安全自動智慧監(jiān)控，智慧門禁，自動人臉識別等功能，就可有效提升校園的安全管理。

三、中小學(xué)人工智能智慧校園的構(gòu)建

1.智慧校園規(guī)劃階段質(zhì)量屋

QFD可以系統(tǒng)地將需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計的詳細說明和資源的優(yōu)先順序，評價人工智能智慧校園建設(shè)合理性。將主觀的想法和要求，轉(zhuǎn)化為客觀的詳細說明，使設(shè)計人員能夠利用它來進行產(chǎn)品的設(shè)計。為實現(xiàn)需求，確定智慧校園質(zhì)量設(shè)計合理目標(biāo)值，合理目標(biāo)突出表現(xiàn)在具有量化功能，可以通過收集連續(xù)三年的學(xué)生注意力，并利用AI數(shù)據(jù)，達到精準(zhǔn)分析和評課的目的。綜合考慮質(zhì)量特性重要度，技術(shù)實施難度和成本，設(shè)定具體的質(zhì)量特性目標(biāo)值，是最復(fù)雜也是最關(guān)鍵的決策過程。其中設(shè)定技術(shù)目標(biāo)還需結(jié)合學(xué)校辦學(xué)特色，確保智慧校園某項質(zhì)量技術(shù)設(shè)計目標(biāo)值優(yōu)于其他同類學(xué)校的同類技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計量化目標(biāo)并能持續(xù)提高。按照質(zhì)量需求與質(zhì)量特性的關(guān)系矩陣設(shè)計質(zhì)量屋示例（見表3）。從表中得出，深度學(xué)習(xí)技術(shù)與顧客需求關(guān)聯(lián)度最高，建設(shè)規(guī)劃人工智能智慧校園，學(xué)校應(yīng)做好深度學(xué)習(xí)人才的儲備。

2.圍繞教學(xué)流程設(shè)計人工智能智慧校園

人工智能智慧校園產(chǎn)品，需要重點關(guān)注教學(xué)質(zhì)量形成過程。過程包括輸入內(nèi)容、教學(xué)活動、輸出等重要環(huán)節(jié)（如圖1）?？茖W(xué)規(guī)劃數(shù)據(jù)收集節(jié)點，運用深度學(xué)習(xí)模型，訓(xùn)練方式、方法，檢驗各環(huán)節(jié)結(jié)果。驗證人工智能的需求是否得到滿足。

圍繞輸入設(shè)計人工智能功能智慧共享推介優(yōu)秀教學(xué)內(nèi)容。依據(jù)歷史教學(xué)內(nèi)容和效果做標(biāo)簽，人工智能深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練得出最佳教學(xué)效果的內(nèi)容并共享。同樣智能推介教師教學(xué)方法、知識點教學(xué)時長等參考教學(xué)信息。依據(jù)作業(yè)等信息結(jié)果，智能判斷學(xué)生掌握以往知識的程度，真正做到因材施教，靈活調(diào)整講課進度和備課內(nèi)容。使中小學(xué)智能課堂人工智能系統(tǒng)成為老師的“最強參謀”，進而篩選一批優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，供同行教師相互學(xué)習(xí)。

圍繞輸出設(shè)計人工智能，記錄學(xué)生以往學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過程，關(guān)注學(xué)生做錯的習(xí)題，通過人工智能分析確定哪些知識點需要加強訓(xùn)練，智能推介學(xué)生課后練習(xí)，復(fù)習(xí)的題量和題型應(yīng)與學(xué)生水平相適應(yīng)。根據(jù)以往歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練不同類型的學(xué)生，智能推介各類學(xué)生的管理方法和措施。積累優(yōu)秀學(xué)生特征數(shù)據(jù)，為以后招生工作做好預(yù)測做好準(zhǔn)備。

3.人工智能智慧校園持續(xù)提高教學(xué)活動

通過人工智能智慧校園技術(shù)形成實時閉環(huán)控制，持續(xù)改進教學(xué)質(zhì)量。智能課堂行為識別系統(tǒng)實時反饋課堂教學(xué)效果，通過人工智能訓(xùn)練好的模型，實時根據(jù)圖像識別計算師生行為，并將提取好的特征模型通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，間接考察課堂教學(xué)效果。通過人工智能智慧校園識別影響教學(xué)質(zhì)量的關(guān)聯(lián)關(guān)鍵行為，甚至將某些教師行為定性為不合格，監(jiān)督教師自覺規(guī)范課堂教學(xué)行為。智能行為識別與效果對應(yīng)示例（見表4），智慧校園實時記錄課堂的每個教學(xué)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，自動形成課堂聽課記載。將多期檢測的行為大數(shù)據(jù)和期末考試進行關(guān)聯(lián)度分析，間接推斷鼓勵課堂某些教學(xué)行為，使教學(xué)改革和創(chuàng)新有量化數(shù)據(jù)做支撐。

人工智能根據(jù)輸出結(jié)果及時給教師上課提出建議和對策，使教學(xué)意見更加有針對性。并提供該優(yōu)秀教學(xué)數(shù)據(jù)作為范本參考，有利于直接模仿，對教學(xué)活動循序改進，有利于教學(xué)質(zhì)量。也可將不同學(xué)校之間同類數(shù)據(jù)對比，提高發(fā)現(xiàn)學(xué)校之間教學(xué)質(zhì)量差距。

4.設(shè)置人工智能智慧校園產(chǎn)品綜合成本、可靠性等指標(biāo)

對比中小學(xué)人工智能智慧校園產(chǎn)品的技術(shù)實力和特長、產(chǎn)品可靠性和成本。學(xué)校應(yīng)結(jié)合實際情況，綜合考慮人工智能智慧校園產(chǎn)品質(zhì)量特性重要度、技術(shù)適宜性、技術(shù)實施難度和成本、質(zhì)量需求與與技術(shù)需求的關(guān)系矩陣和使用產(chǎn)品的優(yōu)勢和弱點。

在校園信息化建設(shè)過程中，積累一定量的數(shù)據(jù)并做好標(biāo)簽，嘗試建立人工智能模型，將模擬結(jié)果和實際比較，為以后人工智能應(yīng)用打好基礎(chǔ)。硬件建設(shè)一定要有長期規(guī)劃，預(yù)留數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘?，預(yù)留硬件接口。

5.提供人工智能智慧校園簡化工作任務(wù)示例

以人工智能智慧校園解決產(chǎn)品中小學(xué)招生為例。招生目標(biāo)都是獲得的優(yōu)等生，判斷標(biāo)準(zhǔn)很復(fù)雜，它關(guān)系到學(xué)校戰(zhàn)略目標(biāo)的。一般按考試分數(shù)排序，但是候選生源是否愿意就讀，是否有發(fā)展空間，家庭實力等指標(biāo)都會影響結(jié)果。需要收集考察候選生源多維度的信息，對候選學(xué)生進行多方面評估，可見，人工智能工具讓篩選過程變得更快速、更廉價、更準(zhǔn)確，極大提升了招生工作的效率，沒有任何經(jīng)驗人員也能做好該項工作。

四、中小學(xué)人工智能智慧校園問題及解決方法

1.應(yīng)對人工智能智慧校園隱私

缺乏安全保護數(shù)據(jù)意識。處于教育的需要，中小學(xué)收集相對某些比較隱私的原始數(shù)據(jù)，如家庭成員數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，學(xué)生身體、違規(guī)行為和心理問題等數(shù)據(jù)。該部分數(shù)據(jù)一旦泄露，容易侵害當(dāng)事人的權(quán)益。

因此，人工智能特征數(shù)據(jù)隱私應(yīng)該按照法律規(guī)定嚴格保護。隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，需要重視人工智能特征提取的個人特征數(shù)據(jù)比如人臉數(shù)據(jù)，聲音特征數(shù)據(jù)，都屬于個人隱私。智慧校園需要關(guān)注這種新類型的安全，確保人工智能技術(shù)模型分析的特征數(shù)據(jù)不被非法使用。

2.科學(xué)管理人工智能智慧校園

充分發(fā)揮人在人工智能的判斷作用?；谌斯ぶ悄艿闹腔坌@系統(tǒng)管理有優(yōu)勢，減少人為主觀干擾，提高效率，自動實現(xiàn)記錄和保存電子數(shù)據(jù)，智能提高復(fù)雜數(shù)據(jù)處理效率，減輕工作負擔(dān)。但是，人工智能如何融入已有的教育質(zhì)量管理，如何充分利用數(shù)據(jù)結(jié)果等許多環(huán)節(jié)的細節(jié)問題還需要探索和研究。因此，增加管理環(huán)節(jié)越多，相應(yīng)地教育培訓(xùn)和管理成本就會增加。如果人工智能智慧校園與實際教學(xué)管理工作融合度欠佳，那么設(shè)計智慧校園時候就需提前籌劃。

認識人工智能服務(wù)存在的約束條件。如何分析結(jié)論價值就得認真考慮。人工智能的智慧校園系統(tǒng)具有分析、推理和思考的功能，具有一定抽象思維，能夠從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，確保輸出結(jié)果的準(zhǔn)確率，不能忽視人的最后判斷作用。是否存在輸入數(shù)據(jù)虛假，比如實時行為檢測過程中，學(xué)生做出虛假行為，干擾結(jié)果正確性。教育工作性質(zhì)與其他工作不一樣，存在價值觀改造等深層次的不可測量參數(shù)，定量和定性結(jié)合是科學(xué)利用數(shù)據(jù)的態(tài)度。

3.科學(xué)對待人工智能智慧校園倫理

人工智能智慧校園結(jié)果沖擊常見倫理。校園秩序建立在對不同人的長幼、身份、社會地位等標(biāo)簽的認知基礎(chǔ)上的，任何判斷都是建立在一定倫理基礎(chǔ)上，很難有對錯之分。比如，因材施教是否歧視成績差同學(xué)，人工智能結(jié)果應(yīng)用是否群體歧視，人工智能結(jié)果是否挑戰(zhàn)個人教育權(quán)威。為了避免爭論，人工智能智慧校園建設(shè)前可以確定幾個基本原則，比如以學(xué)生成長為主導(dǎo)，基于事實的決策，尊重科學(xué)的教育規(guī)律等。

總之，中小學(xué)利用人工智能的智慧校園系統(tǒng)，可以提高教學(xué)和管理效率;創(chuàng)新教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;創(chuàng)新學(xué)生溝通手段，人工智能的智慧校園系統(tǒng)科學(xué)監(jiān)督教學(xué)過程，增加教師工作壓力，給教師一定的約束，促使教師增強自我修養(yǎng)，規(guī)范自身行為，形成提高教學(xué)質(zhì)量良性的互動機制。但是智慧校園建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，需要中小學(xué)依據(jù)實際全面規(guī)劃學(xué)校信息管理系統(tǒng)，積累相關(guān)的經(jīng)驗和人才，讓人工智能技術(shù)真正服務(wù)學(xué)校。

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[作者：劉衛(wèi)明（1970-），男，湖北大冶人，黃岡師范學(xué)院，講師，碩士。]

該文為2021年度黃岡師范學(xué)院教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項目“創(chuàng)新學(xué)分課程”（2021CK23）的研究成果