人工智能在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用

摘 要：在社會(huì)信息化快速發(fā)展的背景下，人工智能與教育有效深度結(jié)合，能為人類的教育事業(yè)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，人工智能主要從傳統(tǒng)教育方式難以發(fā)力之處入手，幫助廣大教育工作者取得更大的突破。本文以華東師范大學(xué)小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)為例，歸納描述了人工智能在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用及表現(xiàn)的全面性、針對(duì)性、共向性以及趣味性。

關(guān)鍵詞：人工智能；智能教育；小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

作者簡(jiǎn)介：張曉姝（2000—），女，西南民族大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院。

一、智能教育簡(jiǎn)介

人工智能是全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，它正在推動(dòng)一場(chǎng)比工業(yè)革命發(fā)展速度更快、涉及范圍更廣、顛覆性更強(qiáng)的社會(huì)變革，促使經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化加速升級(jí)。作為引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，人工智能正深刻改變著我們的生產(chǎn)生活和教育教學(xué)方式。教育是國(guó)之大計(jì)、黨之大計(jì)，現(xiàn)今世界各國(guó)都非常重視人工智能給教育理念、教育模式和辦學(xué)體系帶來(lái)的深刻影響，積極地探索人工智能與教育深度融合的實(shí)現(xiàn)路徑。計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜、自然語(yǔ)言處理等前沿技術(shù)和教育的結(jié)合日趨緊密，人工智能時(shí)代下的智能教育正在成為促進(jìn)教育資源均衡化、服務(wù)個(gè)性化、治理現(xiàn)代化的重要抓手和創(chuàng)新引擎。

在過(guò)去，信息技術(shù)尚未發(fā)展成熟，傳統(tǒng)教育中出現(xiàn)學(xué)生厭學(xué)、課堂教學(xué)很難個(gè)性化、優(yōu)秀教師無(wú)法服務(wù)所有學(xué)生、學(xué)生理解疑難知識(shí)困難、在主要學(xué)科教學(xué)中缺乏學(xué)生系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)必要的安排和部署、教學(xué)和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)缺乏科學(xué)的路徑和量化的標(biāo)準(zhǔn)、課堂教學(xué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)均衡等教育共性、本質(zhì)的問(wèn)題［1］。在人工智能背景下，教育發(fā)生了革命性的改變，智能技術(shù)的發(fā)展催生了智能教育。人工智能作為一種智能技術(shù)，可與教育深度融合，聚焦打造智能教育，推動(dòng)數(shù)據(jù)歸集和共享。換句話說(shuō)，智能教育是利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、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)的新型教育體系［2］。

二、小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是由華東師范大學(xué)上海智能教育研究院組織跨學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)，基于人工智能學(xué)習(xí)、學(xué)科知識(shí)圖譜和自適應(yīng)學(xué)習(xí)，共同研發(fā)建設(shè)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破了現(xiàn)有其他在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的局限，基于智能算法動(dòng)態(tài)迭代的知識(shí)圖譜，實(shí)施大規(guī)模個(gè)性化學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在知識(shí)、能力和情感三個(gè)維度的協(xié)同發(fā)展。

系統(tǒng)中數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)圖譜覆蓋義務(wù)教育全階段，其運(yùn)行原理是對(duì)學(xué)科整體內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整合，形成初步的學(xué)科知識(shí)圖譜，并且在這一過(guò)程中形成對(duì)學(xué)科內(nèi)容的直觀表述以及外化知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系，螺旋式地拓展和加深學(xué)習(xí)內(nèi)容。而后，系統(tǒng)整理學(xué)生學(xué)習(xí)后臺(tái)記錄數(shù)據(jù)，借助人工智能算法分析，形成知識(shí)路徑矩陣，動(dòng)態(tài)迭代生成新的知識(shí)圖譜，以此為學(xué)生提供最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑。（如圖1）

“知識(shí)路徑動(dòng)態(tài)迭代”是系統(tǒng)工作的核心部分，在這一部分中，系統(tǒng)將依據(jù)每個(gè)學(xué)生的發(fā)展需求，在學(xué)習(xí)內(nèi)容上，注重學(xué)科核心素養(yǎng)能力導(dǎo)向，通過(guò)生動(dòng)的視頻動(dòng)畫(huà)講解，知識(shí)內(nèi)容聯(lián)系生活實(shí)際，體現(xiàn)知識(shí)間的關(guān)聯(lián)性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中逐漸形成和發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。在學(xué)習(xí)形式上，系統(tǒng)采用主題闖關(guān)、人機(jī)交互的方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與熱情。在教學(xué)講解上，系統(tǒng)注重啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出問(wèn)題，利用觀察、數(shù)值計(jì)算、邏輯推理等方法分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生理解和掌握學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)按照動(dòng)態(tài)迭代生成的知識(shí)路徑矩陣，為每個(gè)學(xué)生規(guī)劃當(dāng)前最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑，通過(guò)視頻學(xué)習(xí)、答題闖關(guān)、做題鞏固、學(xué)習(xí)診斷分析的循環(huán)方式，對(duì)學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行科學(xué)化、智能化調(diào)整。（如圖2）

在實(shí)際的教學(xué)場(chǎng)景當(dāng)中，教師利用自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)給學(xué)生布置自主學(xué)習(xí)任務(wù)，當(dāng)學(xué)生收到任務(wù)后在系統(tǒng)中開(kāi)始個(gè)性化的自主學(xué)習(xí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將知識(shí)體系分解為多個(gè)小知識(shí)點(diǎn)，并根據(jù)學(xué)生的歷史學(xué)習(xí)軌跡和知識(shí)掌握情況，推薦學(xué)生當(dāng)前最佳的學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)。在學(xué)生確定要學(xué)習(xí)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，該節(jié)點(diǎn)也會(huì)為學(xué)生提供個(gè)性化的視頻，而學(xué)生在觀看學(xué)習(xí)視頻的同時(shí)，可記下重點(diǎn)或不理解的問(wèn)題，并做出反饋。在學(xué)生完成視頻學(xué)習(xí)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)對(duì)當(dāng)前學(xué)生發(fā)展水平的診斷分析，提供不同難度、不同數(shù)量的鞏固練習(xí)題。學(xué)生在答題過(guò)程中，智能診斷算法持續(xù)跟蹤學(xué)生的答題情況，當(dāng)檢測(cè)到學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)已經(jīng)趨于穩(wěn)定時(shí)，則停止并呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的診斷分析報(bào)告。在學(xué)生了解自己的答題情況并做出調(diào)整的同時(shí)，教師在系統(tǒng)后臺(tái)也可以實(shí)時(shí)查看班級(jí)學(xué)生個(gè)體的自主學(xué)習(xí)分析報(bào)告，為撰寫(xiě)或修改教學(xué)方案提供參考材料，從而為學(xué)生提供精準(zhǔn)、科學(xué)、全面的教學(xué)方案。

在線下課堂中，教師可利用智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)組織學(xué)生進(jìn)行單元復(fù)習(xí)。系統(tǒng)可提供觀看視頻或答題鞏固兩種復(fù)習(xí)模式。在復(fù)習(xí)過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)根據(jù)智能診斷算法的實(shí)時(shí)分析，為每個(gè)學(xué)生匹配不同難度、數(shù)量的復(fù)習(xí)題。完成復(fù)習(xí)后，系統(tǒng)會(huì)評(píng)估診斷學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入學(xué)習(xí)。教師可以借助系統(tǒng)提供的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，完善教學(xué)環(huán)節(jié)。

三、智能教育在小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的體現(xiàn)

（一）智能教育的全面性——有教無(wú)類

人工智能在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域能夠得到應(yīng)用與發(fā)展，實(shí)際上是由于應(yīng)用場(chǎng)景創(chuàng)新帶動(dòng)了智能技術(shù)等相關(guān)信息技術(shù)產(chǎn)生了有效組合。在創(chuàng)新場(chǎng)景下，情景想象、數(shù)據(jù)匯總、直觀思維得以體現(xiàn)，教育資源變得更均衡，這充分體現(xiàn)了智能教育的全面性，與著名教育家孔子提出的“有教無(wú)類”教育思想相符。

在小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，學(xué)科知識(shí)圖譜從小學(xué)擴(kuò)展到初中，覆蓋義務(wù)教育全階段。無(wú)論何時(shí)何地，學(xué)生只要具備使用條件便可進(jìn)入系統(tǒng)學(xué)習(xí)，打破了優(yōu)質(zhì)教育資源傳播的空間限制與時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)了教育資源的全面共享，有助于基本公共教育服務(wù)均衡化，彌合數(shù)字鴻溝，促進(jìn)教育公平，縮小區(qū)域、城鄉(xiāng)、學(xué)校、群體之間的教育差距，構(gòu)建服務(wù)全民的終身教育體系，推進(jìn)正規(guī)教育、非正規(guī)教育與非正式教育等多種學(xué)習(xí)成果的認(rèn)證、積累與轉(zhuǎn)換［3］。

（二）智能教育的針對(duì)性——因材施教

在傳統(tǒng)教育中，因材施教這個(gè)目標(biāo)較難實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生都有獨(dú)特的個(gè)性、愛(ài)好和思維方式。而智能教育則為因材施教創(chuàng)造了條件，可以讓學(xué)習(xí)變得更加個(gè)性化、細(xì)節(jié)化，這也是智能教育與傳統(tǒng)教育最大的區(qū)別。智能教育系統(tǒng)能智能化分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，獲取學(xué)生的具體需求，打破傳統(tǒng)教育單一化的教學(xué)方式，使每個(gè)學(xué)生都按照自己的節(jié)奏學(xué)習(xí)。

在小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，教師（教育者）向?qū)W生（受教育者）布置自主學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將知識(shí)體系分解為多個(gè)小知識(shí)點(diǎn)，并根據(jù)學(xué)生的歷史學(xué)習(xí)軌跡和知識(shí)掌握情況，推薦學(xué)生當(dāng)前最佳的學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)。雖然全體學(xué)生的學(xué)習(xí)主題都相同，但每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡都是不同的，自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠確保當(dāng)前學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)與學(xué)生學(xué)習(xí)情況相匹配，幫助每個(gè)學(xué)生找到屬于自己的最高效的學(xué)習(xí)路徑。在系統(tǒng)智能算法的幫助下，針對(duì)同一知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)學(xué)生在鞏固練習(xí)時(shí)題目的內(nèi)容、難度及數(shù)量都不同，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)階段性評(píng)估學(xué)生目前的學(xué)習(xí)狀態(tài)，包括知識(shí)點(diǎn)的掌握情況以及學(xué)科能力素養(yǎng)等，并基于這些診斷信息去定位每個(gè)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，從而智能生成個(gè)性化學(xué)習(xí)建議，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率。

（三）智能教育的共向性——教學(xué)相長(zhǎng)

學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，信息化已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)重要的階段，即數(shù)字化階段和網(wǎng)絡(luò)化階段，目前正在進(jìn)入智能化的高級(jí)階段。在這一階段中，人類的智能和人工智能的有效融合，體現(xiàn)了智能教育的共向性。教育者是教育活動(dòng)的主導(dǎo)者，受教育者是教學(xué)活動(dòng)的主要對(duì)象，人工智能可有效地將兩者有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，使兩者共同進(jìn)步，這就是智能教育的共向性。

人工智能的加入，不僅可以讓學(xué)生在后臺(tái)及時(shí)得到教師反饋的具有針對(duì)性的結(jié)果，了解自己的學(xué)習(xí)情況并及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整，而且可以讓教師及時(shí)了解到教學(xué)效果和學(xué)生接受知識(shí)的程度。人工智能在一定程度上可以減少教師的教學(xué)準(zhǔn)備時(shí)間，幫助教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)情分析篩選出合適的教學(xué)材料，促進(jìn)教師對(duì)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行自我反思、對(duì)教育方法進(jìn)行研究，不斷提升專業(yè)綜合素養(yǎng)。

在小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，在學(xué)生進(jìn)行鞏固練習(xí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為學(xué)生實(shí)時(shí)記錄過(guò)往的錯(cuò)題，以供學(xué)生隨時(shí)查看。在課前，教師可登錄系統(tǒng)教師端了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，實(shí)時(shí)查看班級(jí)學(xué)生個(gè)體的自主學(xué)習(xí)分析報(bào)告，結(jié)合學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和學(xué)習(xí)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果，撰寫(xiě)或修改教學(xué)大綱，為學(xué)生提供精準(zhǔn)、科學(xué)、全面的教學(xué)內(nèi)容。

如何實(shí)現(xiàn)教育的科學(xué)減負(fù)與增效提質(zhì)，是目前教育改革的重點(diǎn)之一。以小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的作文智能輔導(dǎo)系統(tǒng)為例，其是教師智能化教學(xué)的有效工具，能幫助教師提升作文批改的效率和質(zhì)量，減輕教師負(fù)擔(dān)。在中小學(xué)語(yǔ)文教學(xué)中，作文批改一直是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，想要讓學(xué)生的作文充滿活力，讓他們擁有較好的思考能力，并在寫(xiě)作當(dāng)中表達(dá)真實(shí)情感，教師就要對(duì)每篇作文進(jìn)行精批細(xì)改。但作文精批細(xì)改的時(shí)間比較長(zhǎng)，難免會(huì)影響教師的工作效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。故此，教師可以利用智能技術(shù)的輔助功能，實(shí)現(xiàn)智能化教學(xué)。

（四）智能教育的趣味性——寓學(xué)于趣

人工智能在各領(lǐng)域中發(fā)揮的作用和特點(diǎn)有較大的不同。在大部分領(lǐng)域中，人工智能強(qiáng)調(diào)的是替代人類進(jìn)行工作；而在教育領(lǐng)域中，人工智能則更強(qiáng)調(diào)與人的深度融合。智能教育在教學(xué)過(guò)程中體現(xiàn)了“寓教于樂(lè)，寓學(xué)于趣”，能將傳統(tǒng)教育中由教師單一講述知識(shí)的教學(xué)模式變?yōu)槎嘣?、趣味性的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)教育向“關(guān)注人”“重過(guò)程”轉(zhuǎn)變，賦予課堂樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)在學(xué)習(xí)內(nèi)容上，注重學(xué)科核心素養(yǎng)能力導(dǎo)向，通過(guò)生動(dòng)的視頻動(dòng)畫(huà)效果講解，從視覺(jué)上帶動(dòng)學(xué)生積極學(xué)習(xí)思考，并將知識(shí)內(nèi)容融入生活，層層遞進(jìn)，理論聯(lián)系實(shí)際，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中保持積極向上的正面情緒，逐漸形成和發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。在學(xué)習(xí)形式上，系統(tǒng)采用主題闖關(guān)、人機(jī)交互的形式激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣與熱情。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，系統(tǒng)借助人工智能動(dòng)態(tài)迭代，為每個(gè)學(xué)生規(guī)劃當(dāng)前最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解知識(shí)、掌握知識(shí)。

結(jié)語(yǔ)

人工智能是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略性技術(shù)，也是教育工作者不可忽視的變革力量，其在以人為核心的前提下，推動(dòng)著智能教育的發(fā)展［4］。華東師范大學(xué)小花獅智適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是人工智能在教育中具有代表性的應(yīng)用，除此之外，人工智能在教育領(lǐng)域的其他應(yīng)用還有待深度挖掘與探究。

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