人工智能在教學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)探析

宋雪瑩　高天夢(mèng)

關(guān)鍵詞：人工智能；教育教學(xué)；詞頻分析；聚類分析

中圖法分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

近年來(lái)，人工智能逐漸進(jìn)入教育領(lǐng)域，并不斷促進(jìn)教育教學(xué)發(fā)展。《地平線報(bào)告（2017—2021）》指出，人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中起關(guān)鍵性作用，其在教育中的推動(dòng)作用重大，主要有智能測(cè)評(píng)工具、智能專家系統(tǒng)、教育機(jī)器人以及智能分析系統(tǒng)等。國(guó)家支持人工智能與教育教學(xué)融合發(fā)展，2022年4月，教育部印發(fā)《新時(shí)代基礎(chǔ)教育強(qiáng)師計(jì)劃》，指出要全面推動(dòng)人工智能在教師隊(duì)伍培養(yǎng)中的重要作用，全面提高教師素養(yǎng)，逐步促進(jìn)教師教育改革。教育與技術(shù)的深度融合使得人工智能技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)揮關(guān)鍵性作用。與此同時(shí)，人工智能技術(shù)的出現(xiàn)勢(shì)必會(huì)使教育信息化持續(xù)發(fā)展。推動(dòng)人工智能技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，旨在將人工智能與教育教學(xué)深度融合，促進(jìn)教學(xué)模式創(chuàng)新與教學(xué)方式變革。

2數(shù)據(jù)方法與工具

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以國(guó)內(nèi)中文學(xué)術(shù)期刊庫(kù)——中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）作為主要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以“人工智能”“教育教學(xué)”為主題詞進(jìn)行檢索，檢索文獻(xiàn)的類型為期刊論文，來(lái)源類別為“SCI來(lái)源期刊”“核心期刊”和“CSSCI”，選取近十年的文獻(xiàn)，共檢索出382篇相關(guān)文獻(xiàn)，過(guò)濾會(huì)議通知、征稿簡(jiǎn)則、重復(fù)發(fā)表的文章后，共得到有效文獻(xiàn)361篇，從有效文獻(xiàn)中提取關(guān)鍵字進(jìn)行分析。

2.2研究方法

本文采用了共詞分析法，此方法來(lái)自文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)領(lǐng)域的共被引概念，即當(dāng)兩個(gè)可以表達(dá)某一學(xué)科領(lǐng)域主題的關(guān)鍵詞在同一篇文獻(xiàn)中出現(xiàn)時(shí)，說(shuō)明這兩個(gè)關(guān)鍵詞之間存在一定聯(lián)系。當(dāng)出現(xiàn)的頻次越多，即說(shuō)明它們之間的聯(lián)系越密切。因此，本文采用來(lái)自統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)中的關(guān)鍵詞頻次分析和聚類分析等多元分析方法，將國(guó)內(nèi)人工智能在教育教學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究的重要關(guān)鍵詞加以提取、分類，從而歸納出該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、主題與發(fā)展趨勢(shì)。

2.3研究工具與思路

（1）收集數(shù)據(jù)。通過(guò)CNKI數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，以NoteFirst為格式導(dǎo)出361篇有效文獻(xiàn)并另存為.txt格式的文本文件，導(dǎo)出的文本文件主要包括每篇文獻(xiàn)的題目、作者、摘要、關(guān)鍵詞、期刊名稱五個(gè)字段。（2）使用Bicomb 2.0建立關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計(jì)表、詞篇矩陣和共現(xiàn)矩陣。（3）進(jìn)一步刻畫人工智能相關(guān)研究高頻關(guān)鍵詞之間的距離和相似度，對(duì)其關(guān)鍵詞得到共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與結(jié)果分析

3.1論文發(fā)表年度分布

某研究領(lǐng)域文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)量能在很大程度上表明該領(lǐng)域研究的理論水平和發(fā)展趨勢(shì)。由圖1可知，2012年～2022年，文獻(xiàn)數(shù)量整體呈上升趨勢(shì)；2012年～2017年，增長(zhǎng)緩慢，沒(méi)有大幅度變化，學(xué)者對(duì)此領(lǐng)域關(guān)注度不高；2017年，國(guó)家發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出人工智能是教育領(lǐng)域的關(guān)鍵一環(huán)，人工智能教育成為社會(huì)發(fā)展的必然要求。由此，學(xué)者對(duì)人工智能在教學(xué)領(lǐng)域的研究逐漸增加，且熱情持續(xù)高漲。

3.2高頻關(guān)鍵詞分析

高頻關(guān)鍵詞主要反映了某一研究領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。特定研究領(lǐng)域固定時(shí)間段內(nèi)大量研究成果的關(guān)鍵詞集合，有利于增進(jìn)其他學(xué)者了解該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)、研究熱點(diǎn)以及前沿理論。本文應(yīng)用Bicomb書目分析軟件提取文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞集合。高頻詞的選擇標(biāo)準(zhǔn)一般為截取的高頻詞累計(jì)頻次達(dá)到總頻次的40%左右，本文選擇詞頻≥5的30個(gè)關(guān)鍵詞作為高頻關(guān)鍵詞，可以初步反映出我國(guó)近年來(lái)人工智能在教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展動(dòng)向，如表1所列。除了“人工智能”主題檢索詞，排在前10位的高頻關(guān)鍵詞分別是人工智能技術(shù)（72次）、教育信息化（17次）、智能時(shí)代（17次）、人工智能時(shí)代（16次）、學(xué)習(xí)者（15次）、智能教育（13次）、人機(jī)協(xié)同（12次）、人工智能教育（11次）、深度融合（9次）、職業(yè)教育（9次）。以上統(tǒng)計(jì)出的10個(gè)核心高頻關(guān)鍵詞反映了國(guó)內(nèi)人工智能在教育教學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在人工智能快速發(fā)展的時(shí)代背景下，目前研究者關(guān)注的重點(diǎn)已從基本理論的界定，過(guò)渡到了重點(diǎn)集中在具體教育領(lǐng)域的應(yīng)用、教學(xué)模式以及學(xué)科核心素養(yǎng)等。人工智能在教學(xué)中的應(yīng)用主要是教育機(jī)器人、智能測(cè)試、智能游戲、智能教育等。

由表1可知，人工智能與教育相融合較為熱門的模式有人機(jī)協(xié)同、智慧課堂、在線教育以及機(jī)器學(xué)習(xí)，其中人機(jī)協(xié)同是教學(xué)中的一大創(chuàng)新，為教學(xué)帶來(lái)了新機(jī)遇。由此可見，學(xué)者對(duì)于教學(xué)模式的探索較多。學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的主體，表1中職業(yè)教育和高等教育是“人工智能+教育”被廣泛研究的對(duì)象且研究?jī)r(jià)值較高。高等教育和職業(yè)教育是兩個(gè)重要的學(xué)習(xí)階段，教師要把握住最佳的教學(xué)機(jī)會(huì)，為學(xué)習(xí)者提供智能教學(xué)新模式。教育技術(shù)頻次較少，說(shuō)明學(xué)者對(duì)其關(guān)注度不高，而人工智能又屬于教育技術(shù)的分支學(xué)科，因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)其研究與發(fā)展。

3.3關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

高頻關(guān)鍵詞詞頻分析可以初步反映出人工智能在教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為進(jìn)一步明晰國(guó)內(nèi)外研究的主題結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵領(lǐng)域，需要對(duì)高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析。聚類分析是將數(shù)據(jù)集劃分為若干組或類的過(guò)程，使得同一組內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)象具有較高的相似度，不同組內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)象則不相似。在某個(gè)主題研究的眾多關(guān)鍵詞中，應(yīng)用聚類分析的方法可以將彼此聯(lián)系密切的關(guān)鍵詞聚集在一起，從而形成不同的類，進(jìn)而表達(dá)該領(lǐng)域分支的組成，具體如圖2所示。

除了主要關(guān)鍵詞“人工智能”，還出現(xiàn)了“智能時(shí)代”“人工智能技術(shù)”，說(shuō)明關(guān)于“智能”的關(guān)注度較高。關(guān)于“在線教育”“課堂教學(xué)”等教學(xué)模式，與其緊密相連的是“信息技術(shù)”“人機(jī)協(xié)同”“智能”，說(shuō)明教學(xué)模式的開展需要技術(shù)做支撐。但有些應(yīng)用處于較邊緣位置且頻次較少，說(shuō)明對(duì)其研究并不深入，需要在以后的研究中逐步深入。

“高等教育”和“職業(yè)教育”是人工智能融合教育的重要學(xué)習(xí)階段，需要進(jìn)一步研究與發(fā)展，將教學(xué)模式的創(chuàng)新融入教學(xué)階段，可以培養(yǎng)高素質(zhì)人才。

4結(jié)論與反思

4.1理論概念

時(shí)代對(duì)教育提出的新要求，使得人工智能與教育的不斷融合形成了“人工智能+教育”，人工智能教育是將人工智能融入教育教學(xué)領(lǐng)域，以促進(jìn)個(gè)性化教學(xué)、精準(zhǔn)化教學(xué)、智能化教學(xué)。人工智能教育主要指的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)中。人工智能教育主要涉及知識(shí)的表示方法（一階謂詞邏輯、產(chǎn)生式、框架、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)）、邏輯推理、深度學(xué)習(xí)等，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、智能測(cè)評(píng)、情感計(jì)算、專家系統(tǒng)、問(wèn)題求解等領(lǐng)域。因此，需要為人工智能領(lǐng)域培養(yǎng)高素質(zhì)人才，促進(jìn)其在教育教學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展。

4.2教師培養(yǎng)

人工智能推進(jìn)了教師課堂中的精準(zhǔn)化教學(xué)，有利于學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。智能時(shí)代的來(lái)臨為教育教學(xué)帶來(lái)了新的機(jī)遇，而教師作為教學(xué)中的關(guān)鍵角色，是否能很好地把握技術(shù)、進(jìn)行智能教育至關(guān)重要。這在一定程度上對(duì)教師的專業(yè)水平提出了更高的要求。在未來(lái)的教育教學(xué)活動(dòng)中，教師將不再有煩瑣重復(fù)的教學(xué)任務(wù)，更多的是向?qū)I(yè)化、素養(yǎng)高方向轉(zhuǎn)變。

4.3教學(xué)模式

智能時(shí)代為學(xué)習(xí)者提供了海量智能化的學(xué)習(xí)資源，學(xué)習(xí)者可以在短時(shí)間內(nèi)獲取大量學(xué)習(xí)資源。其要求學(xué)習(xí)者具有一定的學(xué)習(xí)能力、搜集資源能力以及分辨過(guò)濾資源優(yōu)劣的能力，需要教師重新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，以便學(xué)習(xí)者更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4.4技術(shù)支持

機(jī)器學(xué)習(xí)基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程，能不斷學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù)并預(yù)測(cè)新數(shù)據(jù)。目前，智能教育技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，許多學(xué)校利用現(xiàn)有的現(xiàn)代化教學(xué)平臺(tái)開展精準(zhǔn)化教學(xué)。

另外，機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個(gè)新方向是深度學(xué)習(xí)，通過(guò)構(gòu)建分層模型，建立從底層信號(hào)到高層語(yǔ)義的映射，進(jìn)而提升教學(xué)效果，目前深度學(xué)習(xí)已在圖像和語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域中被廣泛使用。人工智能教育提供的學(xué)習(xí)服務(wù)貫穿課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、作業(yè)批改、在線考試等整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。利用大數(shù)據(jù)等技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)模式，可以為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，可以推送具有針對(duì)性的資源與服務(wù)。George等認(rèn)為學(xué)習(xí)分析的教育價(jià)值主要體現(xiàn)在為教育機(jī)構(gòu)的變革提供指南和幫助教育工作者改進(jìn)教學(xué)方式，在多大程度上共享學(xué)習(xí)者的個(gè)人數(shù)據(jù)仍是教育領(lǐng)域爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。

4.5發(fā)展方向

“人工智能+教育”的一個(gè)分支是智能教學(xué)。祝智庭認(rèn)為智能教育應(yīng)具有智能技術(shù)支持的教育、學(xué)習(xí)智能技術(shù)的教育和促進(jìn)智能發(fā)展的教育三方面的內(nèi)涵，人工智能不能完全取代教師，兩者應(yīng)當(dāng)共同承擔(dān)教育任務(wù)。人機(jī)協(xié)同是人工智能教育的發(fā)展趨勢(shì)，是智能技術(shù)與教育相互融合的重要方式，二者發(fā)揮各自的智能優(yōu)勢(shì)，共同促進(jìn)教育發(fā)展。教育變革體現(xiàn)為人工智能教育可有效促進(jìn)教學(xué)資源、教學(xué)環(huán)境、教與學(xué)方式的改革。2020年，疫情防控期間，全國(guó)中小學(xué)和高校普遍采用在線學(xué)習(xí)方式。因此，應(yīng)當(dāng)重視在線學(xué)習(xí)平臺(tái)建設(shè)和教師在線教學(xué)培訓(xùn)工作，并且高等教育機(jī)構(gòu)應(yīng)多措并舉，為學(xué)習(xí)者提供高質(zhì)量的在線學(xué)習(xí)服務(wù)平臺(tái)。在科技迅速發(fā)展的今天，只有主動(dòng)變革才能更好應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

應(yīng)重視人工智能課程的設(shè)計(jì)與開展。雖然許多中小學(xué)校開展了人工智能相關(guān)課程，如編程、教育機(jī)器人等，但普遍存在設(shè)施不完善、教師信息素養(yǎng)不高等問(wèn)題。還有一些學(xué)校教學(xué)課程建設(shè)不成熟，未能較好地整合人工智能與教育，不同教師也存在教育水平差距。學(xué)校應(yīng)大力支持人工智能相關(guān)課程的開展，設(shè)置考核制度，使教學(xué)更加精準(zhǔn)化、智能化、個(gè)性化，全力促進(jìn)教育信息化發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

宋雪瑩（1997—），碩士，研究方向：教育技術(shù)學(xué)。

高天夢(mèng)（1999—），碩士，研究方向：教育技術(shù)學(xué)。