劉雪英 亓建蕓

摘 要：人工智能發(fā)展迅速，人工智能教育逐漸受到教育工作者重視。從文獻(xiàn)分布、關(guān)鍵詞詞頻、關(guān)鍵詞聚類、突現(xiàn)關(guān)鍵詞等4方面，利用Cite Space軟件對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中1984-2019年關(guān)于人工智能教育的911篇中文期刊論文進(jìn)行可視化分析。分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)人工智能教育相關(guān)研究起步早，但缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。要將人工智能教育落實(shí)到教育教學(xué)實(shí)踐中，宏觀層面需要政府及有關(guān)部門(mén)的政策與資金支持，規(guī)范數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn);微觀層面需對(duì)相關(guān)教師及教學(xué)資源開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行培訓(xùn)，構(gòu)建合作共同體。

關(guān)鍵詞：人工智能教育;人工智能;Cite Space;可視化分析

DOI：10. 11907/rjdk. 201142

中圖分類號(hào)：TP434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）010-0258-05

Abstract： At present， artificial intelligence and related technologies have attracted much attention. After the third artificial intelligence wave， “Artificial Intelligence Education” has received more and more attention of educators. Starting from the four aspects of literature distribution， keyword frequency， keyword clustering and keyword emergence， this paper makes a visual analysis of 807 Chinese periodical papers on “artificial intelligence education” in CNKI database from 1984 to 2019 using Cite Space software. It is found that the research on AI education in China started early， but lacked practical experience. In order to further implement AI education in teaching practice， it is necessary to train relevant teachers and teaching resource developers.

Key Words： artificial intelligence education; artificial intelligence; Cite Space; visual analysis

0 引言

人工智能（ Artificial Intelligence， AI）是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是一門(mén)研究運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬及延伸人腦功能的綜合性學(xué)科[1]，研究主要集中在問(wèn)題求解、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、人工生命、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，其研究成果在醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，利用人工智能技術(shù)促進(jìn)教育信息化發(fā)展成為重要趨勢(shì)。教育人工智能（Education Artificial Intelligence，EAI）是人工智能與學(xué)習(xí)科學(xué)相結(jié)合形成的一個(gè)新領(lǐng)域，旨在通過(guò)人工智能技術(shù)，更深入細(xì)致地觀察、理解學(xué)習(xí)如何發(fā)生、如何受到外界各種因素影響，進(jìn)而為高效學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件[2]。許多專家學(xué)者從不同角度對(duì)人工智能教育教學(xué)應(yīng)用進(jìn)行深入探究， 取得豐碩成果。本研究嘗試從文獻(xiàn)分布、關(guān)鍵詞詞頻、關(guān)鍵詞聚類、突現(xiàn)關(guān)鍵詞等方面，具象化顯現(xiàn)人工智能教育發(fā)展現(xiàn)狀，以期為我國(guó)教育人工智能研究與發(fā)展提供思路。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 樣本選擇

筆者以1984-2019年為檢索時(shí)間，以中國(guó)全文數(shù)據(jù)庫(kù)（CNKI）為文獻(xiàn)來(lái)源，以“主題=人工智能教育”或 “題名=人工智能教育”（模糊匹配）為檢索條件，獲得期刊論文共976篇，人工剔除無(wú)效論文后得到有效樣本文獻(xiàn)911篇，將樣本文獻(xiàn)以EndNote文件讀取格式導(dǎo)出，進(jìn)行轉(zhuǎn)碼處理，形成本研究所需樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 研究方法

采用可視化分析方法從所得圖表分析教育人工智能領(lǐng)域研究主題與發(fā)展趨勢(shì)。選用SATI 3.2對(duì)檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，得到載文量排名前20的期刊及載文情況。按照被引用次數(shù)由高到低排序，綜合得出排名前10的作者。選用Cite Space 5.3.R4版本作為研究工具進(jìn)行關(guān)鍵詞詞頻及共現(xiàn)分析、關(guān)鍵詞的共現(xiàn)時(shí)區(qū)圖譜分析、關(guān)鍵詞聚類及時(shí)序演進(jìn)分析，預(yù)測(cè)教育人工智能研究發(fā)展趨勢(shì)。

2 文獻(xiàn)分布

從年發(fā)文量分析、文獻(xiàn)來(lái)源分析和高被引作者分析3部分闡述文獻(xiàn)分布情況。

2.1 年發(fā)文量分析

通過(guò)文獻(xiàn)檢索獲取有效論文911篇， 不均勻地分布于各年份， 如圖1所示。由圖1可知， 論文發(fā)表量總體呈逐年遞增趨勢(shì)， 表明學(xué)者對(duì)教育人工智能關(guān)注度逐漸提高， 研究范圍逐漸擴(kuò)大。

2.2 文獻(xiàn)來(lái)源分析

通過(guò)對(duì)人工智能教育文獻(xiàn)來(lái)源期刊及載文量分析，得到載文量排名前20的期刊。由表1可知，國(guó)內(nèi)研究人工智能教育的學(xué)者分布在各領(lǐng)域，20種期刊中有5種科技類期刊，表明人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用備受技術(shù)研究者關(guān)注。

2.3 高影響力作者分析

通過(guò)分析人工智能教育論文發(fā)表情況，檢索出1 180名作者，按發(fā)文量排出前10位作者，如表2所示。對(duì)樣本中被引頻次較高的論文深入剖析，可知人工智能教育不僅引起高校教育工作者廣泛關(guān)注，在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也備受青睞。

3 研究過(guò)程

3.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

3.1.1 熱點(diǎn)分析

對(duì)高頻關(guān)鍵詞和中心度較高（中介中心性大于0.1）的詞進(jìn)行分析，判定人工智能教育的研究方向與熱點(diǎn)[3]。本研究選取關(guān)鍵詞作為節(jié)點(diǎn)，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，時(shí)間切片為1年，項(xiàng)目選擇方法為“Top N=50”，生成圖2所示的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、表3所示的關(guān)鍵詞詞頻及表4所示的關(guān)鍵詞中心度排序。

圖2顯示共有605個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 634條連線，經(jīng)過(guò)聚類計(jì)算后模塊值（Q值）為0.710 7，平均輪廓值（S值）大于? 0.798 6，意味著劃分出來(lái)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)顯著。綜合分析表3、表4，將頻次排名前20的高頻關(guān)鍵詞大致歸納為3個(gè)方面：①人工智能相關(guān)技術(shù)方面，涉及到“大數(shù)據(jù)”“機(jī)器學(xué)習(xí)”和“專家系統(tǒng)”等關(guān)鍵詞，對(duì)應(yīng)相關(guān)的人工智能技術(shù)，說(shuō)明在教育領(lǐng)域主要采用此類技術(shù)為教育提供服務(wù);②人工智能教育理論方面，涉及到“智慧教育”“遠(yuǎn)程教育”等關(guān)鍵詞，此類教育方式多采用技術(shù)支撐教學(xué)，在線用戶較多，需要大數(shù)據(jù)作為技術(shù)支撐，與人工智能技術(shù)結(jié)合更為緊密;③人工智能教育應(yīng)用方面，涉及到“職業(yè)教育”“個(gè)性化學(xué)習(xí)”等關(guān)鍵詞，在教學(xué)過(guò)程中為學(xué)生提供個(gè)性化服務(wù)，在職業(yè)教育中應(yīng)用廣泛。

基于關(guān)鍵詞的相關(guān)研究文獻(xiàn)共現(xiàn)知識(shí)圖譜如圖 2 所示。

3.1.2 前沿分析

在聚類基礎(chǔ)上選擇Cite Space可視化知識(shí)圖譜中的Time Zone View功能得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)時(shí)區(qū)圖譜，反映關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時(shí)間和關(guān)鍵詞之間的關(guān)系。本研究選擇突現(xiàn)強(qiáng)度排名前8的關(guān)鍵詞作為前沿關(guān)鍵詞，如表5所示。

專家系統(tǒng)作為人工智能的主要研究方向和關(guān)鍵技術(shù)，自1984年出現(xiàn)之后其研究一直持續(xù)到2015年。“特殊需要的學(xué)習(xí)者”和“聽(tīng)覺(jué)障礙”兩個(gè)關(guān)鍵詞結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析，可知相關(guān)研究將人工智能技術(shù)應(yīng)用到特殊教育領(lǐng)域，延伸人的器官功能，彌補(bǔ)學(xué)習(xí)者因身體缺陷帶來(lái)的學(xué)習(xí)障礙。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）是人工智能進(jìn)入教育應(yīng)用的著陸點(diǎn)，人工智能教育就是從計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)視角提出的。20世紀(jì)90年代，遠(yuǎn)程教育成為人工智能教育發(fā)展方向。計(jì)算機(jī)輔助教育和遠(yuǎn)程教育的出現(xiàn)，將人工智能教育從注重技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)向重視教育本身。2000年起，教育技術(shù)專家學(xué)者成為研究人工智能教育的中堅(jiān)力量。2003年出現(xiàn) “教學(xué)”關(guān)鍵詞，使人工智能技術(shù)支持教育教學(xué)環(huán)境創(chuàng)設(shè)和教學(xué)資源開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向課堂教學(xué)應(yīng)用。

3.2 聚類分析

針對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類得到12個(gè)聚類，如圖3所示。將12個(gè)聚類進(jìn)一步歸納為人工智能相關(guān)技術(shù)、人工智能教育理論和人工智能教育應(yīng)用3大類。

3.2.1 人工智能相關(guān)技術(shù)

人工智能相關(guān)技術(shù)有3個(gè)聚類，分別為#3專家系統(tǒng)、#5人工智能技術(shù)、#10虛擬現(xiàn)實(shí)，該大類下提取出的關(guān)鍵詞有計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、機(jī)器人、智能制造、虛擬現(xiàn)實(shí)、三維建模等。由此可知，此3個(gè)聚類都側(cè)重人工智能相關(guān)技術(shù)。傅鋼善等[4]提出基于專家系統(tǒng)的移動(dòng)學(xué)習(xí)模式，整合已有網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，充分發(fā)揮專家系統(tǒng)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一種全新的移動(dòng)學(xué)習(xí)模式，是人工智能技術(shù)融入教育應(yīng)用的一次有益嘗試。隨著人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中廣泛應(yīng)用，人工智能替代教師完成批閱試卷、朗誦課文等重復(fù)性勞動(dòng)[5]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)較多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，其應(yīng)用價(jià)值更多體現(xiàn)在職業(yè)教育中。虛擬現(xiàn)實(shí)在師范生從業(yè)技能教育、建筑設(shè)計(jì)、高危實(shí)驗(yàn)、土木工程及醫(yī)學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大[6]。

人工智能教育的目的是，通過(guò)人工智能技術(shù)，更深入、更細(xì)致地觀察、理解學(xué)習(xí)是如何發(fā)生，如何受到外界各種因素影響，進(jìn)而為高效的學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)條件[7]。技術(shù)應(yīng)用的深度取決于技術(shù)本身的發(fā)展。因此，人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用深度及效果由人工智能技術(shù)的發(fā)展程度決定 [8]。人工智能關(guān)鍵技術(shù)包括問(wèn)題求解、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別和人工生命等。其中，機(jī)器學(xué)習(xí)作為熱門(mén)研究領(lǐng)域、Python語(yǔ)言作為目前機(jī)器學(xué)習(xí)中最主流的語(yǔ)言已進(jìn)入高中信息技術(shù)課程體系。人工智能與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合促進(jìn)了人工智能與教育的深度融合。

3.2.2 人工智能教育理論

人工智能教育理論有4個(gè)聚類，分別為#0人工智能、#1人工智能教育、#6教育人工智能和#8 AI，在該大類下提取出關(guān)鍵詞有創(chuàng)客教育、遠(yuǎn)程教育等，由此可知此4個(gè)聚類都側(cè)重教育理論。王小根等[9]分析了機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，將創(chuàng)客教育與機(jī)器人教育相融合，構(gòu)建切實(shí)可行的教學(xué)模型，結(jié)合具體案例說(shuō)明此教學(xué)模型下機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的方法。創(chuàng)客教育作為一種有效的教學(xué)模式，助力國(guó)家創(chuàng)新性人才培養(yǎng)，如清華大學(xué)打造的“三創(chuàng)”創(chuàng)客空間，引領(lǐng)全國(guó)高等院校的創(chuàng)客教育[10]。實(shí)行創(chuàng)客教育，使學(xué)生成為知識(shí)的創(chuàng)造者，提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力[11]。

人工智能理論研究發(fā)展迅速，其中，以機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)為關(guān)鍵支撐的人工智能技術(shù)，對(duì)個(gè)性化學(xué)習(xí)進(jìn)行重塑和再造，人工智能技術(shù)提供的個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)又推動(dòng)個(gè)性化學(xué)習(xí)理論發(fā)展。由于受教學(xué)條件制約，人工智能教育理論研究?jī)H停留在理論層面，需進(jìn)一步將理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合。

3.2.3 人工智能教育應(yīng)用

人工智能教育應(yīng)用4個(gè)聚類分別為#2智慧教育、#4機(jī)器人教育、#7智能教育、#9課程材料，該大類下提取關(guān)鍵詞機(jī)器人教學(xué)、語(yǔ)音識(shí)別、科大訊飛、個(gè)性化學(xué)習(xí)等，可知該聚類都屬人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用。機(jī)器人教育是創(chuàng)新教育的有效平臺(tái)，也是信息素養(yǎng)培養(yǎng)的良好載體[12]。以機(jī)器人為載體，通過(guò)機(jī)器人模擬教學(xué)場(chǎng)景對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化輔導(dǎo)、教學(xué)訓(xùn)練等，提升教學(xué)質(zhì)量。科大訊飛作為教育技術(shù)引領(lǐng)企業(yè)，研發(fā)覆蓋“教、學(xué)、考、評(píng)、管”產(chǎn)品體系，進(jìn)行了大量機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)[13]。

人工智能教育應(yīng)用分為兩個(gè)方面：①人工智能作為一門(mén)課程進(jìn)入信息技術(shù)課程體系，為人工智能發(fā)展儲(chǔ)備人才;②人工智能作為一種技術(shù)進(jìn)入教育領(lǐng)域，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)高效的學(xué)習(xí)條件，規(guī)劃科學(xué)的學(xué)習(xí)路徑，提供個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)[14]。采用人工智能技術(shù)對(duì)區(qū)域或校內(nèi)教學(xué)、考試、管理等場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為管理者提供技術(shù)支持。

4 人工智能教育發(fā)展建議

人工智能教育在中國(guó)起步較早，但在教育實(shí)踐中還未形成成熟的應(yīng)用體系。我國(guó)人工智能教育要突破瓶頸，向更深層次方向發(fā)展，需從以下幾方面著手。

（1）重視人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，提供政策支持，加大資金投入。信息化時(shí)代要求教育實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、精準(zhǔn)化，尤其強(qiáng)調(diào)因材施教和終身教育。人工智能技術(shù)可以很好地規(guī)避人類在教育過(guò)程中由于班級(jí)授課制導(dǎo)致的教學(xué)雷同性和粗泛化。2017年《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》中指出，要建立以學(xué)習(xí)者為中心的教育環(huán)境，提供精準(zhǔn)推送的教育服務(wù)，實(shí)現(xiàn)日常教育和終身教育定制化[15]。人工智能發(fā)展離不開(kāi)資金支持，應(yīng)加大資金投入力度，吸引人才積極投入到人工智能教育建設(shè)中。

（2）加強(qiáng)合作共同體構(gòu)建，發(fā)掘人工智能與教育的結(jié)合點(diǎn)。利用人工智能技術(shù)提高教育質(zhì)量，僅僅依靠傳統(tǒng)教師是不夠的，目前一線教師對(duì)人工智能技術(shù)了解甚微，很難找到人工智能與教育的結(jié)合點(diǎn)，在教育教學(xué)中應(yīng)用人工智能更是天方夜譚。為使人工智能技術(shù)更好地促進(jìn)教育發(fā)展，校企合作是重要途徑之一。企業(yè)能為高校提供用戶和技術(shù)支撐，高校則利用人工智能技術(shù)對(duì)知識(shí)進(jìn)行重組，對(duì)學(xué)習(xí)行為進(jìn)行智能化分析，以此實(shí)現(xiàn)互惠共贏[16]。因此，應(yīng)加強(qiáng)企業(yè)與高校的合作，形成合作共同體，助力人工智能促進(jìn)教育發(fā)展。

（3）規(guī)范數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享。人工智能以大數(shù)據(jù)為依托，隨著技術(shù)的發(fā)展，在線資源大量出現(xiàn)。在線學(xué)習(xí)過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)內(nèi)容眾多，數(shù)據(jù)處理效率低，數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)大。而大數(shù)據(jù)處理技術(shù)能對(duì)大量的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提升數(shù)據(jù)處理效率，并能優(yōu)化存儲(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)[17]。但學(xué)校的數(shù)據(jù)管理沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為防止數(shù)據(jù)泄露，企業(yè)和學(xué)校之間幾乎不進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，給人工智能教育發(fā)展和研究造成障礙。因此，規(guī)范數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享迫在眉睫。

（4）對(duì)教師進(jìn)行人工智能培訓(xùn)，提高其應(yīng)用人工智能的意識(shí)與能力。目前，教師對(duì)人工智能技術(shù)了解甚微，對(duì)人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用效果不清晰，以至很難開(kāi)展人工智能教育活動(dòng)。因此，應(yīng)關(guān)注教師專業(yè)發(fā)展，通過(guò)培訓(xùn)提高教師人工智能教育水平。注重人工智能在教育教學(xué)中應(yīng)用案例的講解，培養(yǎng)教師人工智能意識(shí)，使教師具備人工智能應(yīng)用的意識(shí)和能力，促進(jìn)人工智能教育應(yīng)用與研究發(fā)展。海淀區(qū)教育科學(xué)研究院技術(shù)中心的人工智能實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)設(shè)多期培訓(xùn)班，開(kāi)展人工智能技術(shù)應(yīng)用、人工智能環(huán)境構(gòu)建、人工智能周邊應(yīng)用、人工智能在教育中的應(yīng)用等內(nèi)容學(xué)習(xí)，提高人工智能師資專業(yè)知識(shí)水平[18]。

5 結(jié)語(yǔ)

人工智能作為當(dāng)下主流技術(shù)，對(duì)教育教學(xué)影響深遠(yuǎn)[19-31]。本文利用可視化軟件對(duì)我國(guó)35年來(lái)人工智能教育文獻(xiàn)進(jìn)行研究。人工智能技術(shù)應(yīng)用于教育行業(yè)主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：①人工智能技術(shù)的發(fā)展使教學(xué)手段多樣化，促進(jìn)了教育信息化水平提高;②人工智能本身作為一個(gè)學(xué)科融入到教學(xué)體系中，人工智能相關(guān)知識(shí)走進(jìn)中小學(xué)課堂。提出了人工智能教育發(fā)展建議并預(yù)測(cè)了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。但本研究方法是對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行概括分析，主觀性較強(qiáng)，提出的建議難免存在一定的局限性。后續(xù)將對(duì)人工智能教育研究和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行跟蹤，為人工智能發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

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