文/黃榮懷 北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院聯(lián)席院長(zhǎng)

人工智能與教育

文/黃榮懷 北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院聯(lián)席院長(zhǎng)

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)、ImageNet競(jìng)賽在圖像識(shí)別領(lǐng)域帶來的突破，人工智能再次爆發(fā)。人工智能與教育始終是密不可分的。人工智能、計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展及應(yīng)用于教育領(lǐng)域，學(xué)習(xí)者模型、教學(xué)模型及領(lǐng)域模型被不斷地豐富和完善，智能教學(xué)系統(tǒng)涵蓋影響學(xué)習(xí)的所有相關(guān)因素，并將轉(zhuǎn)化應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中。

2016年被稱為人工智能的元年，人工智能領(lǐng)域迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。國(guó)際組織以及世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家相繼發(fā)布了人工智能政策，以此從政府層面來推動(dòng)人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展。中國(guó)政府于2016年和2017年相繼發(fā)布《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》《互聯(lián)網(wǎng)+人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》及《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》 等多部人工智能領(lǐng)域的重要規(guī)劃性文件，明確了“十三五”期間我國(guó)人工智能發(fā)展的指導(dǎo)思想、戰(zhàn)略目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施，部署構(gòu)筑我國(guó)人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，加快建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和世界科技強(qiáng)國(guó)。

通常認(rèn)為，人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)分支，其學(xué)科涉及研究和開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。

人工智能在經(jīng)歷了兩次浪潮后，隨著2006年Geoffrey Hinton提出的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以及2012年ImageNet競(jìng)賽在圖像識(shí)別領(lǐng)域帶來的突破，人工智能再次爆發(fā)。這一階段，人工智能基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，從近幾年Gartner發(fā)布的技術(shù)成熟度曲線來看，生物芯片、微數(shù)據(jù)中心、智能機(jī)器人、自然語言問答、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛等都將會(huì)在5～10年內(nèi)達(dá)到生產(chǎn)力平穩(wěn)期，而同聲傳譯、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)區(qū)域駕駛等技術(shù)所需時(shí)間僅為2～5年。

在人工智能發(fā)展的各個(gè)階段，教育工作者始終積極嘗試將人工智能技術(shù)融入教育過程之中。最早出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）可以稱之為AI教育應(yīng)用的雛形。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)用計(jì)算機(jī)幫助和代替教師執(zhí)行部分教學(xué)任務(wù)，傳遞教學(xué)信息，向?qū)W生傳授知識(shí)和訓(xùn)練技能，直接為學(xué)生服務(wù)。這種模式是強(qiáng)調(diào)以教為中心的個(gè)別化教學(xué)。在行為主義理論指導(dǎo)下，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)模式主要有操練與練習(xí)、個(gè)別輔導(dǎo)、模擬和教學(xué)游戲等。20 世紀(jì) 80 年代以后，由于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論在教育技術(shù)中的應(yīng)用和多媒體技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)以學(xué)為中心。隨著多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)教育以及虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)日益成為現(xiàn)代化教育技術(shù)的重要組成部分并逐漸成了我國(guó)教學(xué)領(lǐng)域的主要電化教學(xué)手段。

智能教學(xué)系統(tǒng)（ITS）

智能教學(xué)系統(tǒng)(Intelligent Tutoring System, ITS)是近二十多年來發(fā)展起來的教育技術(shù)學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域，它結(jié)合人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)和行為科學(xué)以及多媒體等技術(shù)，其研究的最終目的是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)起人類教育的主要責(zé)任，即賦予計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以智能，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在一定程度上代替人類教師，實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)。Hartley & Sleeman于1973年提出ITS的基本框架，領(lǐng)域知識(shí)，即專家模型(Expert Model)，它主要解決教什么的問題，包含系統(tǒng)推理和判斷學(xué)習(xí)者的回答與問題解決的步驟合適與否；學(xué)習(xí)者知識(shí)，即學(xué)生模型(Student Model)，它主要解決教誰的問題，即描述學(xué)習(xí)者當(dāng)前的理解或技能水平，用于形成適度的復(fù)雜任務(wù)；教學(xué)策略的知識(shí)，即導(dǎo)師模型(Tutor Model)，它要解決怎么教的問題，使系統(tǒng)做出合理的輔導(dǎo)動(dòng)作，如提供有效的反饋或調(diào)整下一個(gè)任務(wù)。

智能教學(xué)系統(tǒng)的新發(fā)展

隨著人工智能、計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展及應(yīng)用于教育領(lǐng)域，在Hartley & Sleeman ITS通用框架的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者模型、教學(xué)模型及領(lǐng)域模型被不斷地豐富和完善，智能教學(xué)系統(tǒng)涵蓋影響學(xué)習(xí)的所有相關(guān)因素，并將轉(zhuǎn)化應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中。

ITS模型：增加語義、代理和約束。由于知識(shí)的表示方法——命題語義網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)語義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，以及基于問題解決和概念提示等知識(shí)應(yīng)用規(guī)則的應(yīng)用，領(lǐng)域模型不僅包含了學(xué)科內(nèi)容的知識(shí)，還包括應(yīng)用這些知識(shí)來求解問題的過程性知識(shí)，即領(lǐng)域模型不僅提供知識(shí)，還能生成問題并建構(gòu)正確解答以及求解問題的策略性知識(shí)。教師模型中，教師模型將由不同的人工智能代理（教師代理、元認(rèn)知代理、層次代理）——“模擬的教師”組成, 他們扮演教師、專家，被指導(dǎo)者或?qū)W習(xí)同伴的角色，這些虛擬角色可以提供不同的視角并根據(jù)學(xué)生的知識(shí)水平和學(xué)習(xí)背景等狀況, 將學(xué)習(xí)活動(dòng)與學(xué)習(xí)者的認(rèn)知需求、情感(情緒)狀態(tài)相匹配，并提供有針對(duì)性的及時(shí)反饋，而不需要一個(gè)教師在場(chǎng)。學(xué)習(xí)模型中，由于人工智能技術(shù)和工具的引入使得其涵蓋的內(nèi)容不斷擴(kuò)展，如利用元認(rèn)知支架來獲得學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)和參與程度，反思和自我意識(shí)；利用環(huán)境約束的機(jī)器學(xué)習(xí)來分析學(xué)習(xí)者的認(rèn)知水平、情感狀態(tài)，以及學(xué)習(xí)體驗(yàn)等；還可以使用社會(huì)模擬模型——通過理解文化和社會(huì)規(guī)范，使學(xué)習(xí)語言的學(xué)生能夠與他們的目標(biāo)語言使用者更成功地進(jìn)行接觸，進(jìn)而了解語言學(xué)習(xí)的效率。

ITS模型：利用AR優(yōu)化用戶接口。正如上文介紹，早期的智能教學(xué)系統(tǒng)中用戶界面的呈現(xiàn)一般都是采用基于文本或者2D的圖畫，實(shí)際上嚴(yán)重限制了對(duì)空間及物理概念的傳輸。而虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供身臨其境的體驗(yàn)(一個(gè)人參與現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的主觀印象)，它模擬真實(shí)世界里學(xué)習(xí)者無法訪問的某些場(chǎng)景(比如危險(xiǎn)的環(huán)境，或者是在地理或歷史層面上無法觸及的地方）。而當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)被人工智能增強(qiáng)時(shí)，它就變得“智能”了。人工智能可以使用簡(jiǎn)單的方法來增強(qiáng)虛擬世界，使它能夠與學(xué)生交互并以更自然的方式響應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為要求。如今，有關(guān)研究人員將AR/VR虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于ITS智能教學(xué)系統(tǒng)，利用AR技術(shù)來優(yōu)化ITS的用戶界面，并研發(fā)設(shè)計(jì)了AR與ITS技術(shù)的應(yīng)用模型。

ITS模型：自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。與大數(shù)據(jù)技術(shù)及學(xué)習(xí)分析技術(shù)融合智能教學(xué)系統(tǒng)將能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供支持其自主發(fā)展的個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)，這破解了教育在個(gè)性培養(yǎng)方面不足的難題。以開放式學(xué)習(xí)模型為基礎(chǔ)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)/教學(xué)系統(tǒng)為例，不僅能夠讓學(xué)生自己了解、掌握自己的學(xué)習(xí)情況，更能輔助教師了解學(xué)生群體乃至教育管理部門對(duì)地域?qū)W生整體情況進(jìn)行宏觀把握。系統(tǒng)能夠從學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)者特征、學(xué)習(xí)資源與工具、學(xué)習(xí)行為以及評(píng)價(jià)反饋等多個(gè)方面為學(xué)習(xí)者提供全方位、立體多維的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)分析模型及知識(shí)地圖，完成對(duì)區(qū)域、學(xué)校、班級(jí)、學(xué)生等多維度的數(shù)據(jù)處理及分析。在獲得了學(xué)生用戶、群體以及區(qū)域?qū)W生整體的“學(xué)習(xí)畫像”之外，自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)借助人工智能技術(shù)，讓計(jì)算機(jī)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)實(shí)施個(gè)別化教學(xué)，向不同需求、不同特征的學(xué)習(xí)者推送針對(duì)性學(xué)習(xí)資源和指導(dǎo)性學(xué)習(xí)建議。

黃榮懷，教授、博士生導(dǎo)師。北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院聯(lián)席院長(zhǎng)，聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際農(nóng)村教育與培訓(xùn)中心主任，互聯(lián)網(wǎng)教育智能技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任，數(shù)字學(xué)習(xí)與教育公共服務(wù)教育部工程研究中心主任，教育技術(shù)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任等。兼任教育技術(shù)學(xué)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任委員、教育部教育信息化專家組成員、中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)、國(guó)際智慧學(xué)習(xí)環(huán)境協(xié)會(huì)主席。