人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究

杜 鵑，王琳琳

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475001）

0 引 言

現(xiàn)代化的教育教學(xué)工作正在從傳統(tǒng)的單一固定授課模式朝著個性化、自適應(yīng)模式轉(zhuǎn)變，而這種轉(zhuǎn)變離不開海量的教育教學(xué)數(shù)據(jù)以及人工智能技術(shù)，圖像、語音以及視頻識別，學(xué)生學(xué)情測評，學(xué)習(xí)建模，這些都是人工智能技術(shù)發(fā)揮作用的場景。研究人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用對推動現(xiàn)代教育具有深遠(yuǎn)的價值。

1 人工智能技術(shù)在現(xiàn)代教育中的應(yīng)用價值

1.1 打造個性化的教學(xué)場景

教學(xué)模式在教學(xué)改革中雖然有所拓展，如探究式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等，但為了保證教學(xué)工作的效率，大部分時間依然采用老師主講而學(xué)生做筆記的課堂模式，所以，從本質(zhì)上看，當(dāng)前的教學(xué)模式并沒有出現(xiàn)根本性的變化，教學(xué)場景單一化、固定化的問題依然存在。一個非常重要的原因是教師在各類授課活動中無法同時和每一位學(xué)生開展個性化的互動。但是在人工智能技術(shù)的加持下，很多原本必須由教師完成的工作可通過計(jì)算機(jī)軟件算法實(shí)現(xiàn)，并且人工智能還具有數(shù)據(jù)、專業(yè)性方面的優(yōu)勢。在這些技術(shù)的支撐下，教學(xué)過程變得更加個性化，能夠滿足絕大部分學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求。人工智能和學(xué)習(xí)者進(jìn)行各種方式的互動，如語音交流、文字互動、視頻互動、VR/AR 互動等。學(xué)習(xí)時間上更加自由，極大地豐富了教學(xué)場景[1]。

1.2 全面提升教育資源的質(zhì)量

教育工作對教學(xué)資源的質(zhì)量具有很高的要求，例如，外語學(xué)習(xí)中的聽力和閱讀、語文學(xué)習(xí)中的寫作和閱讀、數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中的大量經(jīng)典例題等，這些都是保證教學(xué)質(zhì)量的必要條件和關(guān)鍵因素。人工智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)屬于同一代的技術(shù)產(chǎn)物，在實(shí)際應(yīng)用中往往也相互關(guān)聯(lián)。人工智能技術(shù)可根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容以及學(xué)習(xí)者當(dāng)前的學(xué)習(xí)程度自動匹配難度適宜的學(xué)習(xí)資料。并且依靠互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的加持，人工智能可提供各種高質(zhì)量的學(xué)習(xí)資料，學(xué)習(xí)者通過語音方式即可快速搜尋到各種類型的學(xué)習(xí)資料和數(shù)據(jù)。如果在傳統(tǒng)模式下，僅僅是搜尋這些高質(zhì)量的學(xué)習(xí)資料就已經(jīng)花費(fèi)了大量的時間，嚴(yán)重制約了教學(xué)的效率。因此，無論是學(xué)生自學(xué)，還是教師備課，人工智能技術(shù)都能提供優(yōu)質(zhì)的資料，大幅提升教學(xué)的效率和質(zhì)量[2]。

1.3 降低高質(zhì)量教育的成本

在現(xiàn)代社會中，教育成本已經(jīng)成為眾多家庭的負(fù)擔(dān)，尤其是藝術(shù)類教育。城市和城市之間、城市和鄉(xiāng)村之間在教育教學(xué)質(zhì)量上存在很大的差距，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市對教學(xué)人才具有更強(qiáng)的吸引力，部分一線城市在中小學(xué)階段甚至聘任重點(diǎn)大學(xué)的博士生；反觀經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)，人才匱乏，教學(xué)質(zhì)量嚴(yán)重不足。良好的師資意味著巨大的人力成本，并非所有的地區(qū)都能承受這種經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。人工智能技術(shù)提供以軟件算法為底層，以教育大數(shù)據(jù)為加工的資料。借助互聯(lián)網(wǎng)的全面普及，人工智能可走進(jìn)千家萬戶，成為每一個家庭的重要教學(xué)工具和手段，并且這種教學(xué)方式成本上更加低廉（相對于聘請優(yōu)質(zhì)的師資），甚至具有顯著的普惠性質(zhì)，全國各個地區(qū)的學(xué)生均可通過人工智能技術(shù)獲取高質(zhì)量的教育資源[3]。

2 人工智能技術(shù)在教育中的典型應(yīng)用場景

2.1 語音技術(shù)在教育中的應(yīng)用

語音識別是人工智能技術(shù)的重要組成部分，目前出現(xiàn)的很多人工智能產(chǎn)品都具備語言對話的功能，相關(guān)產(chǎn)品可識別人類的語言邏輯，并做出與之相符合的回應(yīng)。典型的教學(xué)場景是學(xué)習(xí)者通過語音指揮人工智能產(chǎn)品搜尋自己需要的內(nèi)容，在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式下，學(xué)習(xí)者通過搜索引擎完成這一操作，但操作上較為麻煩，需花費(fèi)一定的時間，而人工智能的語音識別技術(shù)可按照人的意志自動完成相關(guān)操作。再如，閱讀是最常見的學(xué)習(xí)形式，但有時候亦可通過語音朗讀的方式代替文字的靜態(tài)閱讀，人工智能技術(shù)可直接將文字信息轉(zhuǎn)化成語音信息，并以適當(dāng)?shù)墓?jié)奏朗讀出來，這種技術(shù)在WPS、Word 等文字類軟件中已經(jīng)投入應(yīng)用。在很多專業(yè)的閱讀軟件中也能實(shí)現(xiàn)文字轉(zhuǎn)語言朗讀的功能。再如，口語能力測評是語言學(xué)習(xí)中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)模式下依靠聽力錄音的方式開展口語能力測試，相關(guān)內(nèi)容完全固定，缺乏靈活性[4]。并且一旦內(nèi)容聽過之后，再次學(xué)習(xí)的價值就大幅降低，人工智能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動化的口語測評，無論是漢語還是外語，均可利用人工智能的語音功能實(shí)現(xiàn)口語練習(xí)和測試。

2.2 自然語言處理技術(shù)在教育中的應(yīng)用

自然語言指的是各種類型的文字性內(nèi)容，如國內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)的漢語、英語等，由此衍生出的數(shù)學(xué)、物理以及化學(xué)等也都是通過語言文字和專業(yè)符號呈現(xiàn)內(nèi)在邏輯。人工智能技術(shù)具備自動識別自然語言以及各種學(xué)科符號的功能，并且還能判斷其內(nèi)在的邏輯關(guān)系。這種技術(shù)的應(yīng)用場景有如下幾個方面。

（1）自動閱卷。人工智能技術(shù)通過文字識別判斷寫作類題目、翻譯類題目的答案是否合理，傳統(tǒng)閱卷模式下這些內(nèi)容由于復(fù)雜度較高，通常只能由人工方式閱卷，選擇題、判斷題、填空題等答案明確的題目更容易實(shí)現(xiàn)自動閱卷的模式。在作文類題目的閱卷中，人工智能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)詞匯拼寫檢查、段落結(jié)構(gòu)數(shù)量檢查、邏輯判斷等，甚至還可總結(jié)判斷文章的主題思想。在閱卷的過程中還可根據(jù)文章中的錯誤提出修改意見。

（2）分級閱讀。閱讀是漢語學(xué)習(xí)和外語學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容，在閱讀的過程中要根據(jù)學(xué)生的學(xué)情選擇難度適宜的素材，并且要做到立意準(zhǔn)確。傳統(tǒng)教學(xué)模式下由教師幫助學(xué)生選擇閱讀的材料或者讀本，學(xué)生家長也經(jīng)常承擔(dān)這一工作。高中生和大學(xué)生主要采用自主閱讀的方式，人工智能技術(shù)可自動評估閱讀者的能力和學(xué)習(xí)程度，然后從海量的資源庫中挑選出與其程度相符的閱讀內(nèi)容，并且借助算法將這些內(nèi)容推送給閱讀學(xué)習(xí)者[5]。

2.3 圖像技術(shù)在教育中的應(yīng)用

教學(xué)中的大量資料和內(nèi)容以文字的形式呈現(xiàn)出來，人工智能技術(shù)能將圖像資料作為處理目標(biāo)，幫助學(xué)習(xí)者完成特定的目標(biāo)，最常見的應(yīng)用場景包括以下幾種。

（1）文字識別。學(xué)習(xí)者可以通過手寫或者圖像資料搜尋與之相關(guān)的海量學(xué)習(xí)資料。例如，當(dāng)學(xué)習(xí)者寫下一個一元二次方程：x2-2x-3=0，此時以智能終端為媒介，掃描這種靜態(tài)的文字信息，人工智能的圖像識別技術(shù)可直接將其識別到系統(tǒng)中，并且給出這一問題的標(biāo)準(zhǔn)解法。其內(nèi)在的實(shí)現(xiàn)過程分為圖片信息采集、字符切分、字符識別、二維結(jié)構(gòu)解析以及邏輯重建等。

（2）拍照搜題以及拍照批改等。在自主學(xué)習(xí)的過程中經(jīng)常會面臨做題、測驗(yàn)等情境，學(xué)習(xí)者在自測的過程中可借助人工智能終端對題目進(jìn)行拍照，然后在相關(guān)技術(shù)的支撐下自動做出判斷和批閱，并且還可搜尋到與題目相關(guān)視頻講解內(nèi)容，學(xué)習(xí)者根據(jù)視頻內(nèi)容標(biāo)題選擇觀看與否[6]。拍照之后還可實(shí)時自主閱卷等一系列功能。

2.4 視頻技術(shù)在教育中的應(yīng)用

視頻在動態(tài)化、立體化的教學(xué)分析中承擔(dān)著非常重要的功能，人工智能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)視頻深度分析，具體的應(yīng)用場景涵蓋了視頻檢索、課堂教學(xué)分析以及運(yùn)動測評分析等。

（1）視頻處理和檢索。教師在教學(xué)中經(jīng)常采用錄制微課的方式，制作視頻課件時的配字幕、配音等是較為煩瑣的一個階段，尤其是字幕。人工智能技術(shù)具備優(yōu)越的語音識別和轉(zhuǎn)換功能，可直接讀取人聲，并將其轉(zhuǎn)化成文字信息。教師在制作視頻課件的過程中可利用這一功能自動完成配字幕的操作。雖然現(xiàn)階段的配字幕還不能實(shí)現(xiàn)百分之百的正確率，但相對于人工打字的方式，效率早已成倍提升。另外，人工智能的視頻功能還可將一段較長的視頻切分成多個切片，然后根據(jù)視頻中的內(nèi)容、關(guān)鍵詞等形成關(guān)鍵知識點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

（2）課堂學(xué)生反饋分析。學(xué)生在課堂上的反饋是教學(xué)評價中非常重要的一個環(huán)節(jié)，但教師將主要精力放在授課上，無暇去觀察每一個學(xué)生的具體表現(xiàn)。在人工智能技術(shù)下，可將學(xué)生們在課堂上的學(xué)習(xí)過程錄制成視頻，并且錄制時要保證清晰度，然后利用人工智能算法和軟件工具分析學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)，利用視頻識別的技術(shù)判斷學(xué)生的表情、專注度、情緒、持續(xù)時間等基本參數(shù)，進(jìn)而得出每一位學(xué)生對課程內(nèi)容的態(tài)度。

（3）體育運(yùn)動教學(xué)和測評。在專業(yè)的體育教學(xué)中對學(xué)生的運(yùn)動姿態(tài)提出了極高的要求，例如，足球運(yùn)動員射門時的腳法、舉重運(yùn)動員抓舉和推舉時的體態(tài)等，科學(xué)的教學(xué)和訓(xùn)練中需提高精度，對運(yùn)動員的體育姿態(tài)做出嚴(yán)格的監(jiān)控，然后不斷改進(jìn)錯誤的習(xí)慣。人工智能技術(shù)的引入有助于記錄下運(yùn)動姿態(tài)，并建立三維模型，開展深度的數(shù)據(jù)分析，然后在這些技術(shù)的支撐下不斷優(yōu)化訓(xùn)練方法，提高訓(xùn)練的科學(xué)性和精確度[7]。

2.5 自適應(yīng)技術(shù)在教育中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教師的主要工作是從海量的信息中尋找適宜的教學(xué)內(nèi)容，然后根據(jù)教學(xué)需求將這些教學(xué)內(nèi)容組織起來，編輯成PPT 課件或者視頻課件。對于學(xué)生而言，每一名學(xué)生在這種模式下都只能獲得相同的教學(xué)內(nèi)容，并且學(xué)習(xí)進(jìn)度要與授課內(nèi)容保持一致，但這種模式下也存在一定的弊端，主要問題是有些學(xué)生基礎(chǔ)較為扎實(shí)，對于基礎(chǔ)性的內(nèi)容無需花費(fèi)過多的時間，而基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生甚至要從概念開始學(xué)起，雙方在學(xué)習(xí)進(jìn)度上存在差異，難以同步。因此，傳統(tǒng)的教學(xué)方式靈活性較差，難以滿足不同學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求。在人工智能技術(shù)的支撐下，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)，教師成為學(xué)生在學(xué)習(xí)中的組織者和教練，發(fā)揮自身的激勵作用。而人工智能技術(shù)可根據(jù)學(xué)生的學(xué)情，自動化地匹配和推薦學(xué)習(xí)內(nèi)容，對于學(xué)生已經(jīng)掌握的概念或者學(xué)習(xí)內(nèi)容減少推薦量，而學(xué)生未能掌握或者熟練度不足的內(nèi)容則增加推薦量和訓(xùn)練力度。因此，人工智能技術(shù)可形成一種自適應(yīng)的教學(xué)模式，為每個學(xué)生量身打造學(xué)習(xí)方法。

3 提升人工智能技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的措施

3.1 強(qiáng)化教師的信息技術(shù)教學(xué)素養(yǎng)

基于人工智能技術(shù)的信息化教學(xué)方式對教師的教學(xué)思維、教學(xué)角色、信息化應(yīng)用能力等都提出了新的要求，這些變化與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)大為不同，因而要求教師做好準(zhǔn)備工作，尤其要提高有效的信息化教學(xué)能力。一方面，教師的知識主講人角色有所下降，并且在教學(xué)工作中承擔(dān)起組織、引導(dǎo)以及總結(jié)的職能，為學(xué)生們創(chuàng)造出更多的自主學(xué)習(xí)空間；另一方面，教師應(yīng)該具備操作信息化工具的能力，人工智能技術(shù)雖然具備較高的自動化水平，但是在某些教學(xué)活動中依然要求教學(xué)工作者操作軟件、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，尤其是存在建模需求的教學(xué)工作[8]。

3.2 加大技術(shù)創(chuàng)新力度

人工智能技術(shù)的發(fā)展非常迅速，因?yàn)槠湓诒举|(zhì)上是對算法的提升，而算法優(yōu)化和更新的周期相對較短，產(chǎn)品迭代速度非?？臁⑷斯ぶ悄芗夹g(shù)應(yīng)用于各類教育活動中時離不開技術(shù)創(chuàng)新?，F(xiàn)有的教育教學(xué)產(chǎn)品也要不斷改進(jìn)，在數(shù)據(jù)、智能化方面提升性能。當(dāng)前的人工智能技術(shù)還處于初步發(fā)展的階段，其適用場景還較為簡單，未來需根據(jù)復(fù)雜的教育活動開發(fā)出高水平的人工智能技術(shù)和產(chǎn)品，真正解決某些教育難題，如鍛煉國內(nèi)學(xué)生的英語口語，避免“啞巴英語”。

3.3 重視隱私保護(hù)

在人工智能教育模式下，教師和學(xué)生將大量通過網(wǎng)絡(luò)的方式開展教學(xué)，并且會出現(xiàn)錄制視頻和語音等一系列行為。在網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的法律法規(guī)中要求保護(hù)公民的隱私權(quán)，人工智能技術(shù)在運(yùn)用過程中會收集大量的用戶信息，為了實(shí)現(xiàn)用戶畫像，還要在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上不斷訓(xùn)練數(shù)據(jù)模型。因此，在人工智能教育模式下要格外重視隱私保護(hù)的問題。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代化教育教學(xué)中可借助人工智能技術(shù)為學(xué)生提供海量的學(xué)習(xí)資料、創(chuàng)造個性化的學(xué)習(xí)場景以及降低學(xué)習(xí)成本。人工智能技術(shù)在教育中的典型應(yīng)用場景是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)教學(xué)、課堂視頻采集和分析、語音識別、圖像識別等。這些技術(shù)可自動化地完成閱卷、打分、推薦學(xué)習(xí)資料等，極大地提升了教學(xué)工作的效率。