趙嘉棟 孫文杰 李浩悰 高潔 盧青霞

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西省西安市 710072）

西北工業(yè)大學(xué)“陽光工程”青年志愿者服務(wù)隊(duì)亦通過線上直播的方式，為貧困地區(qū)的學(xué)生進(jìn)行支教援助。通過人工智能為技術(shù)工具，將互聯(lián)網(wǎng)與大學(xué)生支教活動(dòng)深入融合，探討以學(xué)生體悟?yàn)橹行牡慕逃Ｊ絼?chuàng)新和智能教學(xué)代理技術(shù)已成為當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)話題。

1 西北工業(yè)大學(xué)“陽光工程”青年志愿者服務(wù)隊(duì)

西北工業(yè)大學(xué)“陽光工程”青年志愿者服務(wù)隊(duì)成立于1998年，以“教育之光點(diǎn)亮公益夢想”為宗旨，是通過組織義務(wù)家教、山村支教活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)大學(xué)生“愛心獻(xiàn)社會(huì)，真情暖人心”為目標(biāo)的學(xué)生公益社團(tuán)。為擴(kuò)大影響力，服務(wù)隊(duì)通過已有的教育資源、經(jīng)驗(yàn)、榮譽(yù)和骨干成員為基礎(chǔ)，以革新的“互聯(lián)網(wǎng)+”為手段，利用多種自媒體平臺(tái)等以爆發(fā)式的增長擴(kuò)大陽光工程公益協(xié)會(huì)的影響力。2017年啟動(dòng)的“互聯(lián)網(wǎng)+支教”成為團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)型期間重點(diǎn)突出的新時(shí)代支教模式。“互聯(lián)網(wǎng)+支教”采用線上直播教學(xué)的方式，向貧困地區(qū)的學(xué)生們進(jìn)行在線課程錄播。迄今為止，已成功舉辦了41 期支教活動(dòng)，有超過15，300 人次的志愿者，志愿時(shí)長超過366，000 小時(shí)，累計(jì)受助人次多達(dá)20，000 人次。

2 人工智能技術(shù)在教育行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2018年，中國教育部發(fā)布的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》明確了人工智能與教育融合發(fā)展，尤其是促進(jìn)高等教育創(chuàng)新發(fā)展的總體規(guī)劃[1]。目前，在人工智能的風(fēng)口下，產(chǎn)業(yè)界大量投資一線教育領(lǐng)域，尤其是基礎(chǔ)教育領(lǐng)域。包括以學(xué)科知識(shí)模型為核心，基于能力判別的自適應(yīng)學(xué)習(xí)服務(wù)；以學(xué)習(xí)者建模為核心，形成對學(xué)生學(xué)業(yè)的預(yù)測和表現(xiàn)性評價(jià)等。這些有關(guān)人工智能在教育行業(yè)的應(yīng)用，實(shí)際上是基于學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)聚合，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型，為教育教學(xué)某個(gè)具體場景提供智能化的學(xué)習(xí)要素測量、評價(jià)、預(yù)測等服務(wù)。

目前為止，人工智能技術(shù)對遠(yuǎn)程線上教育的主要影響表現(xiàn)為[2]遠(yuǎn)程線上教育人員的增多。并且，出現(xiàn)了越來越多關(guān)于遠(yuǎn)程作業(yè)支持系統(tǒng)PSS(Performance Support System)的成功案例，這種系統(tǒng)配合以模式識(shí)別技術(shù)在教學(xué)信息方面的分析處理，逐步成為了人工智能技術(shù)對教育行業(yè)的重要作用工具。這種應(yīng)用工具包含了教學(xué)信息采集、信息預(yù)處理、學(xué)術(shù)特征提取和分類模式識(shí)別等，可以通過選擇得到匯聚了各種教學(xué)模式的特征參量，隨之進(jìn)行模式分類，從而科學(xué)的選擇最有利的教學(xué)方式。

人工智能技術(shù)在當(dāng)前教育的應(yīng)用現(xiàn)狀主要集中在智能教學(xué)代理和機(jī)器人教育技術(shù)。本文則主要針對智能教學(xué)代理技術(shù)作為模式創(chuàng)新的突破點(diǎn)進(jìn)行闡述。

3 西北工業(yè)大學(xué)“陽光工程”青年志愿者服務(wù)隊(duì)將人工智能技術(shù)應(yīng)用在支教中所總結(jié)的核心問題和應(yīng)用挑戰(zhàn)

3.1 核心問題

在服務(wù)隊(duì)的線上和線下支教工作過程中，將人工智能在支教行業(yè)中所遇到的核心問題歸納為三點(diǎn)：

（1）提高線上教育的服務(wù)提供效率和線下響應(yīng)能力；

圖1：技術(shù)路線示意圖

（2）推動(dòng)教育教學(xué)組織內(nèi)部的創(chuàng)新；

（3）通過多種方式提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

通過總結(jié)上述的核心問題，如何開發(fā)一套更好的智能教學(xué)代理技術(shù)則成為解決問題的關(guān)鍵辦法。為此，我們開發(fā)了一種基于目標(biāo)跟蹤與檢測的交互授課系統(tǒng)，以視頻的形式進(jìn)行基于人工智能技術(shù)背景下的“互聯(lián)網(wǎng)+支教”模式創(chuàng)新。

3.2 以人工智能技術(shù)為媒介的基于目標(biāo)跟蹤與檢測的交互授課系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用挑戰(zhàn)

我們以人工智能技術(shù)為媒介，研究基于目標(biāo)跟蹤與檢測算法的交互授課系統(tǒng)，通過以人工智能技術(shù)為工程背景，用視頻分割算法和多目標(biāo)跟蹤與檢測算法實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)視頻的解析和交互點(diǎn)的添加，并開發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)授課工具。實(shí)現(xiàn)該目的的技術(shù)步驟主要可以分為四步。如圖1 所示，為我們的技術(shù)路線圖。

3.2.1 實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)授課視頻的準(zhǔn)確分割

使用基于Graph-cut 的半自動(dòng)視頻分割算法實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)授課視頻的分割。目前主流的視頻分割算法大致可分為兩種：全自動(dòng)分割與半自動(dòng)分割。半自動(dòng)分割算法相比于全自動(dòng)分割算法具有可人工干預(yù)、GUI（圖形界面）用戶友好、分割更加精確的特點(diǎn)。Graphcut 算法是圖像分割的經(jīng)典算法，它將單個(gè)的視頻場景定義為圖

G(v,u)，圖由像素集合v 和相鄰像素邊的集合u 組成，圖像分割就是要對每個(gè) 圖定義一個(gè)能量函數(shù) E(X)，能量函數(shù)與v和u有關(guān)，當(dāng)能量函數(shù)取得最小值時(shí)，授課圖像分割完成。

3.2.2 實(shí)現(xiàn)對授課過程中多學(xué)術(shù)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤和精準(zhǔn)檢測

（1）使用基于輪廓和 ASIFT 特征匹配的授課學(xué)生目標(biāo)檢測與跟蹤算法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)穩(wěn)定 跟蹤與檢測。通過 Graph-cut 視頻分割算法對圖像進(jìn)行初步分割，在對圖像預(yù)處理之后進(jìn)行最優(yōu)二值化閾值處理，降低目標(biāo)邊界噪聲。再經(jīng)過輪廓檢測，對目標(biāo)生成比較明顯的輪廓，有效提高目標(biāo)檢測效率與精度；最后利用前后兩幀場景圖 像間的目標(biāo)輪廓 ASIFT 特征匹配，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)容下的精準(zhǔn)目標(biāo)檢測與穩(wěn)定跟蹤。

（2）ASIFT 算法模擬了相機(jī)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)緯角度參數(shù)，為在更多的變換下提供更 多的特征點(diǎn)提供前提，是一種完全仿射不變特征提取與匹配方法。另外，ASIFT 算法能夠從圖像中全方位地提取更為豐富的特征，十分有利于提高授課目標(biāo)匹配的有效性。

3.2.3 實(shí)現(xiàn)對帶有交互授課信息的交互視頻解析與播放

使用基于 HTML5+Javascript 實(shí)現(xiàn)的播放器具有傳統(tǒng)播放器必要的功能，但同時(shí)具有解析交互視頻的能力。交互視頻相比于傳統(tǒng)視頻，多附帶一個(gè)存儲(chǔ)了目標(biāo)軌跡和交互信息的外置文件，解析視頻實(shí)際上是對外置文件的解析。而解析外置文件實(shí)際上是構(gòu)造場景的二維矩陣 D 的過程，當(dāng)學(xué)生鼠標(biāo)移動(dòng)到播放器區(qū)域的時(shí)候，根據(jù)鼠標(biāo)所處的坐標(biāo)，查找平面矩陣 P（x,y）處對應(yīng)的目標(biāo)標(biāo)號 ，再據(jù)此標(biāo)號獲取外置文件中對應(yīng)目標(biāo)的交互信息，然后根據(jù)信息響應(yīng)用戶的交互操作，如網(wǎng)頁請求、評論添加、題目回答等。

3.2.4 開發(fā)出學(xué)生界面友好的交互視頻系統(tǒng)

我們利用上述對關(guān)鍵點(diǎn)的算法實(shí)現(xiàn)和交互視頻解析模型的建立基礎(chǔ)，開發(fā)學(xué)生界面友好的交互視頻編輯工具和交互視頻播放工具，使學(xué)生和老師可利用交互視頻系統(tǒng)輕松完成對傳統(tǒng)視頻的交互添加、視頻導(dǎo)出、以及視頻播放。

3.3 總結(jié)要求

總體而言，人工智能在“互聯(lián)網(wǎng)+支教”模式應(yīng)用場景的拓展有兩個(gè)要求：一是可自動(dòng)化獲取的海量數(shù)據(jù)，二是清晰明確的概念界定和規(guī)則[3]。如今教育領(lǐng)域依然存在大量的未給出規(guī)則定義、或者規(guī)則定義和范圍不清晰的教育目標(biāo)，使得人工智能在線上教學(xué)的應(yīng)用存在困難。解決困難的根本途徑，除需要從技術(shù)上探索，挖掘數(shù)據(jù)采集和分析的可能性外，我們還需要協(xié)同教育學(xué)和心理學(xué)的專家學(xué)者，從底層的教學(xué)理論進(jìn)行挖掘和探索，搭建邏輯框架，保證人工智能“有章可循”。

4 人工智能技術(shù)在“互聯(lián)網(wǎng)+支教”應(yīng)用的期望

要實(shí)現(xiàn)人工智能推動(dòng)教育體系 的靈活開放，一方面需要認(rèn)識(shí)人工智能在支持學(xué)習(xí)和挖掘評價(jià)潛能方面的發(fā)展趨勢，評估并調(diào)整課程，以促進(jìn)人工智能與學(xué)習(xí)方式變革的深度融合。另一方面，需要發(fā)掘數(shù)據(jù)潛能，支持學(xué)生綜合能力的多維度評價(jià)。由此可見，人工智能在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用已是大勢所趨，在這一背景下，我們認(rèn)為人工智能技術(shù)的教育應(yīng)圍繞人的發(fā)展展開探索，而非在技術(shù)的綁架下追求教育的“智能化”。人工智能技術(shù)的教育應(yīng)用，首先必須具備對學(xué)習(xí)者發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，這種認(rèn)識(shí)需要多學(xué)科協(xié)同探索，共同構(gòu)建清晰的評量、匹配、干預(yù)的規(guī)則[4]?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+支教”是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，既涉及志愿者教和學(xué)過程的 方方面面，又涉及學(xué)校、家庭、社會(huì)、政府的各個(gè)體系。從某種意義上說，利用算法幫助我們在教育場景更好地理解教育本身，可能是人工智能教育應(yīng)用的另一個(gè)重點(diǎn)，也就是“智能增強(qiáng)”。此時(shí)，算法和數(shù)據(jù)都可以用來創(chuàng)建增強(qiáng)我們評價(jià)、診斷、預(yù)測、干預(yù)教育服務(wù)和創(chuàng)新教育服務(wù)的能力。如何在人機(jī)協(xié)同的環(huán)境下共同增強(qiáng)雙方的智能，圍繞教育問題給予科學(xué)有效的解決，將是個(gè)長久的、不斷迭代和不斷優(yōu)化的過程。

5 結(jié)語

21 世紀(jì)是人工智能的世紀(jì)，是“互聯(lián)網(wǎng)+”的世紀(jì)，也更是教育理念和模式變更的世紀(jì)，我們需要更好的解決人工智能產(chǎn)業(yè)落地的問題，通過“互聯(lián)網(wǎng)+支教”模式作為參考，讓人工智能技術(shù)真正的走進(jìn)教育行業(yè)。