基于人工智能的自适应学习环境建设初探

■天津市教育科学研究院 吴 勇 陈凯阳

当前，伴随着深度学习、大数据、云计算等新兴信息技术的发展，人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）逐渐成为社会和经济发展的重要推动力。同时，人工智能与教育的融合正在逐步推进教育理念、教学模式和管理模式的创新发展，使教育现代化进程进入了提速增效的新时代。

国外也相继推出面向智能时代的教育新形态。美国的“AltSchool”充分应用智能科技手段构建个性化学习平台，来确保学生和教师实现个性化地学与教。新加坡在2015 年发布的教育信息化发展规划中提出，要通过构建智能学习生态系统支持学生个性化、自主化地学习，并培养其成为面向未来、适应智能时代的数字化学习者。

人工智能的快速发展，使基于课堂大数据的学情分析、教情分析变得越来越规范、科学，可信度和实践指导意义越来越高。“AI+教育”的应用场景越来越多，“智慧课堂”“智慧校园”“智慧教育”等教育新生态逐步展现。语音识别、图像识别、虚拟现实、大数据、云计算等人工智能关键技术与教育的融合将实现资源推送、智能评测、学生画像、教师画像、知识图谱、课堂数据资产等“AI+教育”的典型应用场景，学生获得量身定制的学习支持，教师获得个性化的资源支持，从而形成紧跟智能社会发展趋势的“自适应”教育生态体系。

“自适应学习(Adaptive Learning)”的概念于20世纪80 年代由认知心理学家朱新明教授提出。在《人的自适应学习——示例学习的理论与实践》一书中，朱新明等提出了自适应学习的“条件建构—优化理论”，系统阐述了人通过示例学习获取知识与技能的信息加工过程。推进人工智能与教育的融合是教育生态顺应时代发展的必然选择，基于人工智能技术构建自适应学习环境使学生自适应学习成为可能。本文以班作为规模化的研究对象，通过对智能云教室项目的建设研究，探索人工智能与教育教学融合应用的自适应教育新生态的创新发展，关注学生个性发展，就规模化教育和个性化学习有机结合的自适应学习环境建设做一下初步探究。

本文中自适应学习环境的载体“智能云教室”是指将人工智能技术引入教育场景，打破传统教室教学的时空概念和模式限制，将课堂内的基础设施（网络、终端、教室等）、资源（教材、图书、课件等）、应用（学习、教学、管理等）延伸至课堂外，打造支持多维教学空间的无边界课堂，通过对课堂数据资产的分析和资源汇聚，发掘教师研学和学生个性化学习新模式，拓宽优质教育资源辐射面和受益面，不断完善以学习者为中心的智能化教学系统。目前，我市部分中小学教室安装了AI课堂呵护系统，通过人工智能技术的应用实现全程无感知的人脸识别和行为识别，与课表联动，与学籍系统建立链接，实现各学科课堂数据精准采集，沉淀课堂数据资产，在教育心理学的指导下应用大数据分析和算法迭代生成“年级—班—学生—教师”从宏观到微观的数据报告，为教学评价提供客观数据依据，为教师因材施教提供科学建议，为学生个性发展和创新能力的培养自动推送合适的资源，为自适应学习环境的建设积累了初步的经验。

为进一步推进“教育+互联网”的发展，利用人工智能技术推动优质教育资源共建共享，促进学生全面发展和教育均衡发展，我市启动了优质教育资源共建共享创新智能云教室建设项目，该项目顺应时代发展趋势和教育生态重构需求，充分利用大数据、云计算、人工智能等新技术探索构建自适应学与教有机统一的教育新生态，探寻大规模因材施教的实现策略，为实现公平而有质量的教育，促进全体学生全面发展积累实践经验。本文以该建设项目作为研究基础，以创新教室的教学活动作为规模化的研究样本，开展智能环境下的自适应学习环境建设与应用的创新研究，旨在探索基于人工智能的规模化自适应教育新生态的构建思路和实践路线，对应时代需求，具有一定的理论价值和实践意义。本文认为自适应学习环境建设主要包括但不限于以下五个方面：

1.面向智能社会发展趋势的教育新生态环境。

随着大数据和人工智能的逐步普及，推进着智能时代的教育生态的重构，通过物联网、高速互联网和移动通讯技术支持，实现教室设备智能控制，温湿度、光线等自适应调节，将主讲教师的技术支持由原来的电教教师转换为人工智能，大大减少人员负担，将电教教师的角色由设备管理者转换为数字教育资源开发管理者。实现基础设施的互联互通，让学生和教师、校内和校外的学习数据可以进行实时互通，充分利用大数据、云计算、虚拟现实、人工智能等新技术，推进学生自主、合作、探究式学习和教师教育信息教学服务平台建设和应用。

2.智能教学硬件环境建设。

智能教学的硬件系统建设是实现“AI+教育”的重要保障，硬件系统包括：专线网络系统能更好地服务教育资源的接入与共享，为学生提供优质创新教育资源的智能VR 教室硬件环境，支持学情分析的4K 超清智能录播系统、智能平板、智慧黑板、自主信息岛，以及强大的后台大数据支持的云桌面和云计算等硬件系统。部署资源云平台，通过多机位录播系统和语言识别系统把课堂教学过程生成视频、课件、文稿同步的数字教育资源，通过教师空间汇聚到学校资源云平台中，同时向下推送到学生空间，经数字教育资源管理部门遴选后向上推送到省级平台乃至国家平台，为学校师生提供点播、大规模直播等功能。

3.教师教学资源自适应系统建设。

以各级数字教育资源公共服务平台互联互通为基础，引入获得国家教育行政部门准入的国家标准课程教材同步数字教育资源，围绕课前、课中、课后教学闭环和自主探究、项目学习教学开环，集数字资源、同步备课、课前导学、课堂互动、随堂在线测验、课堂大数据、课后作业为一体，覆盖课前备课、课中授课、课后学习、课外拓展等多种教学场景。在人工智能技术加持下，教师可以实现课堂教学资产和资源汇聚的智慧无缝互动，智能备授课、智能考评，创建、共享优质的教育教学资源。以教师成长平台为载体，通过“过程性成长模块”与“教学评价模块”来实现教师专业成长和核心素养提升。教师在线接受专家指导，并进行协同教研，促进优秀教师团队建设和发展。

4.学生个性化学习环境建设。

基于课堂大数据为每一个学生建立个人数字成长档案，精准刻画学生数字画像，实时大数据分析学习状态，考勤记录，动态分析学生知识结构，构建知识图谱，为学生提供个性化的学习资源。建设VR/AR课程资源，通过沉浸式学习体验调动学生学习的积极性、主动性、创造性和协作性，突破教学的重难点。移动学习终端的使用实现学生课堂笔记的电子化留存、学习痕迹记录和学情个体分析，自动生成错题本和学习困难点，帮助学生精准强化提高。学生可以通过使用学生终端完成教师下发的知识测验或提交小组探究成果，提交后即时生成统计分析报告，并为每一名学生生成个性化反馈，支持学生收藏习题或教师分享的内容，构建自适应学习和精准化教学新形态。

5.课堂数据资产的汇聚与应用。

依托于课堂大数据的汇聚与分析，将为学生、教师、家长和学校教育管理者提供多维度、可视化的教育分析结果。依据全局性的数据分析报告，实现教育决策由经验总结向数据实证的转型，打通教育变革的创新路径。智能云教室在实现优质校本资源积淀的同时，将通过教育资源公共服务平台的资源汇聚和辐射功能促进优质教育资源共享，逐步构建课堂数据资产的沉淀、挖掘、分析、交流、共享的研究和应用平台，为自适应学习环境建设和教育生态转型重构探索实践经验。

人工智能方兴未艾，在教育信息化2.0行动计划的肇始阶段，各地都在深入开展智慧教育、智能教育的创新应用研究和实践探索。2019 年末，国内某人工智能技术企业先后中标青岛、蚌埠十数亿金额的人工智能教育项目，提供学生个性化学习、教育大数据、智慧管理等服务，以人工智能助力因材施教和教育优质均衡发展。我市于2019 年开启了智能云教室建设项目，本文即是结合项目建设实践初步探索合理利用人工智能技术规模化地实现学生全面发展和教师减负增效的途径，并对人工智能支持下的自适应学习环境作一初步构想。