人工智能环境下教育情境信息模型构建研究

桂秋凡 曹双双

摘 要：为促进教育教学有效开展，构建教育情境信息模型开展教学活动，做到因材施教，促使学习者在教学活动中以自己喜欢的方式掌握知识和技能。从人工智能环境出发，通过收集参与教学实体的教育情境信息，结合已有教育情境信息资源，构建出适合当下教学活动的教育情境信息模型，使教育教学活动能够更加符合学习者的特点，让学习者得到更加有效的学习。研究表明，人工智能环境下构建教育情境信息模型，能提高学习者的思维和创造能力，提高教育者的教学效率，更新教学模式。

关键词：人工智能;教育情境信息模型;《计算机与网络》教学

DOI：10. 11907/rjdk. 182478

中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）001-0221-04

Abstract： In order to promote the effective development of education teaching，the construction of educational context information model in the artificial intelligence environment has a good effect on teaching activities. Learners can carry out activities for individualized teaching according to the model so that they can master knowledge and skills in their favorite way. From the background of the artificial intelligence environment， by collecting information of participator in the teaching and combining with the existing education situation， the article constructs the educational context information model， which is suitable for current teaching activities. Education teaching activities can be more consistent with the characteristics of learners so that learners can get more effective learning. Research shows that the construction of education context information model under the artificial intelligence environment can improve learners' thinking and creative abilities， improve educators' teaching efficiency and partially replace the traditional teaching mode.

0 引言

隨着信息技术不断发展，教育教学方式更加具体生动，形式更加灵活多变。人工智能不断深入到教育中来，也逐渐成为教育教学的重要支持，如何在人工智能环境下提高教育教学质量受到很多学者关注。2016年初，谷歌人工智能团队在权威期刊《Nature》上介绍了他们设计的人工智能围棋程序AlphoGo，即以人类棋谱为样本，运用复杂人工神经网络进行有监督学习，人工智能机器人学会了与人类棋手对弈的方法[1]。随着互联网不断发展，数据爆炸性增长，人类学习需求呈智能化、多样性变化，人工智能2.0时代到来。2016年9月，斯坦福大学发布了《2030年的人工智能与生活》，详细阐释了人工智能在交通、家庭服务、医疗保健、教育、社区、公共安全、就业及娱乐等8个方面将产生的深远影响及颠覆性变革[2]。

2017年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，特别强调人工智能对于教育的重要性[3]。可以看出，培养全面发展的人才，创新和实践能力是重点，如何有效支持教与学、促进学生个性化发展是当前学习者的诉求。个性化学习是技术和教育深度融合的高级阶段，学习者在教育教学活动中以自己喜欢的方式掌握知识和技能，真正以学习者为中心，促使其个性和能力在受教育过程中得到自由和谐发展。传统教学模式下，教育者的教学方式对学习者的学习效果有重要影响，而在人工智能环境下构建教育情境信息模型能够综合学习者、教育者、学习内容以及教学环境等各方面因素，从而更好地开展教学活动，提高学习者学习效率、教育者教学效果，充分发挥教育教学活动的有效性。

通过对国内外数字化学习环境下情境信息构建相关文献进行梳理和分析，发现大部分研究主要集中在3个方面：情境感知研究;情境中个性化学习行为研究;基于情境的学习资源推荐研究。对于人工智能新型环境下如何系统构建教育情境信息模型，还没有相关研究。因此，本文从人工智能环境的概念出发，分析教育情境信息内涵、情境信息收集，研究教育情境信息的构成、建模以及实际应用意义。

1 人工智能环境概述

1.1 内涵

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新技术科学。它使用计算机模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等），主要包括计算机智能原理、类人脑智能制造，使计算机实现更高层次应用。

1.2 特征

在人工智能环境下，教育教学的开展更加便捷有效，可以让学习者更加容易获取知识，也让知识呈现更加直接。人工智能环境的主要特征如下：

（1）经验总结。在人工智能环境下，系统具备利用机器学习算法对数据中已有知识和经验进行总结的能力。与此同时，系统还可以依据当前环境进行相应信息提取，使用户在交互过程中进行动态学习，随时获取当前信息，因此具备可以不断进化和进步的较高智能水平，使学习过程能够融入更多可利用的知识信息，从而达到更高要求。

（2）经验运用。人工智能环境下，系统并非只是停留在感知智能层面，而是将知识作为智能体现的重要部分。在与环境进行交互时，其不但能获取周围环境的信息，而且也会与已有数据进行信息深度对比，对该条件下相应的信息资源进行初步加工和处理，将信息归纳为客观事物的规律、常识或者经验，然后进行相应存储[4]。当再次遇到类似情况时，系统可以更加智能地对经验进行提取和整理。

（3）事件处理。人工智能环境下，系统还具备相应的事件处理能力。现实生活中会有不确定以及意外事件发生，人工智能系统不仅能够依据算法处理确定事件，也具备处理意外事件的能力。因此，一个优秀的智能系统还应该具有很强的意外事件处理能力，能够很好地处理数据中的不确定性（噪声、数据属性缺失等）、模型决策的不确定性（决策结果的置信度等）甚至模型内部参数的不确定性问题。如无人驾驶系统需要处理各种各样不确定性问题，Alpha Go系统运用强化学习以概率方式探索不同的落子方法。

2 基于人工智能环境构建教育情境信息模型

2.1 教育情境信息内涵

情境是实体周围环境中自己能注意到并且能对自身产生一定影响的信息集合，而情境信息的关键组成部分是人、环境和事件[4]。教育情境信息包括参与教育教学活动的实体、开展教学活动的场所和设备、由实体依据教学环境共同作用开展的教育教学活动等3个部分。在教育情境信息中，三者缺一不可、至关重要。

2.2 教育情境信息收集与分析

2.2.1 教育情境信息收集

人工智能环境下构建教育情境信息模型，目的在于更好地开展教学活动，所以在模型构建之前需要首先进行情境信息收集，其中最重要的是参与教育实体的情境信息收集[5]。主要包括：学习者情境信息（年级阶段、学习科目、学习风格、学习目标、性别、性格特征、兴趣爱好等）;教育者情境信息（年龄、性别、擅长知识版块、教学风格、性格特征等）;学习内容情境信息（当下教学活动中涉及的年级信息、对应学科信息以及相应学习内容）;教学环境情境信息（学习和教学设备、网络、教学场所等）。通过当下已有平台（微信、QQ等），给教育者和学习者发布相应的情境信息问题，让参与者填写并提交，再将收集到的情境信息保存下来以便构建教育情境信息模型。

2.2.2 教育情境信息模型构建原因

信息技术逐渐发展，已经形成了多种形式的智能学习环境，但是不同的智能学习环境都存在一些问题，导致学习活动效果通常达不到预期目标。

在传统课堂模式下，教师为了让学生注意力集中在课堂，通常会以问题情境或者故事情境开展课堂导入[6]。但是，由于没有太多信息技术支持，情境创设比较受限，能够借助的资源也很有限，往往在一节课上教师会逐渐从情境教学转换为知识教学，变成单一的知识技能传授，而学习者的注意力也會变得不够集中，很难达到预期教学目标。

在现有智能学习环境下，MOOC是当下使用比较多的形式，学习者可以根据需求选择对应学科和课程。MOOC拥有十分丰富的教学资源，包括人文、科学、宗教等多方面视频课程，学习者可以通过课程学习了解相关知识和技能，同时在完成全部课程之后得到证书形式奖励，该形式对学习者有很大的鼓舞作用[7]。尽管这种环境对学习者的个性化学习有极大促进，但仍有较多学习者不能完成自己选择的课程，原因在于：首先，完成MOOC课程不计入学分，与大学授予学位必修课程无关;其次，在MOOC课程学习中，学习者与教育者沟通不及时，存在很大的时间间隔，导致无法及时解决问题;第三，MOOC课程是针对所有学习者的，没有个性化教学，教育者只就某个科目或者模块的知识进行讲解，而学习者通过视频课程进行学习，在教学活动中没有体现学习者为主体、教师为主导的教学理念，同时由于存在个体差异，有些学习者可能无法适应视频课程中的教学风格。因此，构建教育情境信息模型非常必要，能有效解决现有人工智能环境下存在的问题。

2.3 教育情境信息模型构建

在人工智能环境下构建教育情境信息模型主要分为两大版块：参与教育实体的情境信息收集匹配、依据匹配好的情境信息资源进行模型构建[8]。首先需要对参与教育实体的信息进行收集，将收集到的实体情境信息与对应的情境信息资源进行匹配，将匹配好的情境信息组合成合适的整体，然后构建基于人工智能环境的教育情境信息模型（见图1、图2）。

2.3.1 参与教育实体

在人工智能环境下构建教育情境信息模型，主要目的在于更有效展开教学活动，让教育者更方便开展教学活动，以便学习者更好地掌握相关知识和相应技能，并且让学习者处在学习的主动地位[8]。由于学习者和教育者都存在个体差异，因此需要针对其不同特性，构建不同的教育情境开展教学活动，因材施教。所以，在人工智能环境下构建教育情境信息模型，参与教育的实体至关重要。

（1）学习者。学习者是教学活动开展的重要组成部分，在整个学习阶段，学习者是不同的个体，因此学习者在教育教学活动中根据年龄和已有知识经验分成不同年级阶段，而不同年级阶段的学习者在不同学科上会表现出不同的学习习惯，也会对不同学科的知识掌握有所侧重。所以，需要对学习者的年级、科目、学习目标、学习风格和兴趣爱好进行信息收集，然后针对不同特点的学习者自动匹配已有学习者情境信息资源。

（2）教育者。教育者在教学活动中占主导地位，主要引导学习者在人工智能环境中学会如何发现问题，并通过知识技能学习解决问题。而不同教育者也会有自身特点，所以需要对教育者的年龄、擅长知识领域、教学风格、性格特点等属性进行一定的信息收集，然后再在对应的教育者情境信息资源中匹配合适的情境信息。

（3）学习内容。学习内容是开展教育教学的关键，也是主体内容。所以，需要首先针对学习者和教育者，找到相对应的学科、年级及知识点，然后在已有学习内容中匹配合适的情境信息资源。

（4）教学环境。教学环境不仅包括教育教学的场所，也包括教育教学的信息环境，其中最重要是教育者的教学设备和学习者的学习设备，不同设备对网络的要求可能不同，因此设备信息需要在上课之前进行收集，以便匹配情境信息资源。

2.3.2 教育情境信息资源

人工智能环境下构建教育情境信息模型，先通过收集参与教学活动实体的信息情况，在对应情境信息资源中匹配合适资源，然后将匹配到的学习者情境信息、教育者情境信息、教学环境情境信息以及学习资源情境信息进行整合，形成一个最适合当前教学活动的教育情境信息模型，再根据该教育情境信息模型开展教学活动。其中，各部分情境信息资源基于人工智能环境下已有的大数据支持，包括以下几个部分：

（1）学习者匹配情境。人工智能环境下，基于大数据对已有学习者情境信息资源库中的信息进行筛选，选出与当前环境下学习者匹配的情境信息，其中包括学习者的年级、学习目标、学习风格、性格特点以及兴趣爱好等信息。将匹配条件与当前学习者进行对应，形成适应教学活动的所有学习者情境信息，以构建教育情境信息模型。

（2）教育者匹配情境。在人工智能环境下，基于大数据对教育者情境信息资源库进行有目的的筛选，选出适应当前教学活动的教育者匹配情境信息，包括教育者的年龄阶段、擅长知识领域、教学风格以及性格特点等属性信息。然后将匹配的情境信息与当前教育者对应，同时形成与教学活动相适应的教育者情境信息，便于所有情境信息匹配完成后构建教育情境信息模型。

（3）学习资源匹配情境。学习资源包括不同年级、不同科目及相对应的课内外学习资源，所以匹配合适的学习资源情境信息时，需要首先了解到学习者和教育者进行教学活动的内容，同时比对当前学习活动中学习者与教育者所需学习资源情境信息是否相似或者相同，然后对当前条件下学习资源情境信息进行匹配对应，形成该次教学活动所需学习情境信息，最后与匹配出来的其它情境信息进行有效组合，形成适应当前教学活动的教育情境信息模型。

（4）教学环境匹配情境。对学习者使用的学习设备、教育者使用的教学设备以及网络状况信息进行收集，然后针对学习者和教育者需求选择合适的教学环境，将这些信息与教学环境情境信息资源库中的相关信息进行匹配，形成适合该条件的教学环境情境信息，最后与匹配出来的其它情境信息进行有效组合，形成适应当前教学活动的教育情境信息模型，进而开展教学活动。

3 教育情境信息模型构建意义

3.1 提高学习者思维与创造能力

教育情境信息模型可以在课前对学习者和教育者的基本属性进行信息收集，对参与课程的其他实体进行对应分析，自动匹配情境信息资源，然后对匹配好的情境信息资源进行有效整合，构建与当下课程活动相适应的教育情境信息模型，进而开展课堂活动[9]。

教育情境信息模型首先解决了学习者以及教育者的个体差异，做到了因材施教 [11]。在教育情境信息模型中，学习者可以依据教育情境信息模型和教育者的引导发现问题、解决问题，提高思维能力;同时，也可以在教育情境信息模型中更加直观地了解知识、学习技能，通过情境信息开展学习活动，在学习知识的同时进行适当的实践活动，以激发创造能力 。

3.2 提高教育者教学效率

构建教育情境信息模型开展教学活动，不再是传统形式上根据知识内容设置教学情境开展教学，而是针对该次课程构建教育情境信息模型，以此来开展教学，对于教育者来说，不需要花费大量时间进行教学设计，只需按照教育情境信息模型提供的思路与资源具体实施。因此，教育者能够将注意力集中在教学环节，从而提高教学效率，达到更好的教学效果。

3.3 更新教学模式

传统教学模式下，学习者囿于课堂、限制身体的同时，也限制了思维。人工智能环境下构建教育情境信息模型，能够将知识与生活有效结合，让学生更加直观地感受和学习知识，不再是传统教学模式下的掌握知识，也不再是为了考试而学习，而是全面建构学习者的知识系统，真正意义上将知识与技能相结合[13]。同时，其对教育者来说也是一种很好的教学体验。

4 结语

人工智能环境下构建教育情境信息模型对教育教学有很好的促进作用，通过教育情境信息模型开展教学活动，能够有效避免因学习者个体差异对知识和技能掌握带来的负面影响，做到因材施教，促使学习者在教学活动中以自己喜欢的方式掌握知识和技能，同时能够参与相应实践、巩固所学知识。本文从人工智能环境出发，通过对参与教学的实体进行情境信息收集，初步提出了构建教育情境信息模型的基本思路以及将教育情境信息模型应用在教育教学活动中的基本设想，可为研究者提供一些理论思路。不过文中构建的只是理论模型，今后将在技术实现层面作进一步研究。

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（责任编辑：何 丽）