人工智能在高等教育领域的应用及其影响

欧非凡 ，欧以克

(1.中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083；2.广西民族大学 民族教育研究中心，广西 南宁 530006)

近年随着计算机技术和互联网技术的迅猛发展，人工智能在社会各领域得到了广泛应用，正深刻改变着人们的生产、生活、学习方式。我国高度重视人工智能对教育的深刻影响，积极推动人工智能与教育深度融合，促进教育变革创新[1]。人工智能在高等教育领域的应用，给中国高等教育带来了深远的影响，引发了高等教育观念、模式、内容、方法和手段等的深刻变革。下面对人工智能在高等教育领域的应用及其影响进行探讨。

一、人工智能及其在高等教育领域的应用

(一)人工智能概述

人工智能(Artificial Intelligence，AI)学科正式诞生于1956年，由约翰·麦卡锡等科学家首次提出，他认为人工智能是拥有模拟能够被精确描述的学习特征或智能特征的能力的机器[2]。作为一门前沿交叉学科，人工智能的定义一直存在不同的观点。如，李开复、王咏刚认为：“深度学习+大数据=人工智能，人工智能依赖于算法把知识与意义、教育与人性转化为‘0’与‘1’的机器代码，并为人们提供学习方案。”[3]林命彬认为人工智能是研究人类智能活动的规律，构造具有一定智能的人工系统，也就是研究如何应用计算机的软硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方法和技术[4]。贾积有认为人工智能是人们使用机器模拟人类和其他生物的自然智能[5]。我国《人工智能标准化白皮书(2018 版)》认为：“人工智能是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统”。[6]这些观点从不同角度反映了人工智能的基本思想和基本内涵。

人工智能是近年国际竞争的新焦点，世界主要发达国家纷纷出台政策和规划，将发展人工智能作为维护国家安全、提升国家竞争力的重大战略[7]。如，欧盟委员会2014年开始实施《欧盟机器人研发计划》，日本2015年颁布《机器人新战略》，美国2016年提出《国家人工智能研发战略计划》，法国2017年公布《国家人工智能战略》。中国2017年以来先后出台了《新一代人工智能发展规划》《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》《高等学校人工智能创新行动计划》等政策措施，积极推动人工智能发展。

(二)人工智能技术在高等教育领域的应用

作为一项引领未来的战略技术，人工智能近年在社会领域的应用越来越深入。我国2018年发布的《人工智能标准化白皮书(2018版)》，将人工智能关键技术分为机器学习、知识图谱、自然语言处理、计算机视觉、人机交互、生物特征识别、虚拟现实/增强现实等7项。在高等教育领域，人工智能通过PCA、LBP、MFCC等算法进行应用分析，实现了机器学习、生物特征识别、虚拟现实等多种技术的应用。

1.机器学习在高等教育领域的应用

机器学习(Machine Learning)是人工智能技术的核心，它是一门涉及统计学、系统辨识、逼近理论、神经网络、优化理论、计算机科学、脑科学等领域的交叉学科，主要研究计算机如何模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。基于数据的机器学习是现代智能技术中的重要方法之一，研究从观测数据(样本)出发寻找规律，利用这些规律对未来数据或无法观测的数据进行预测[6]。近年来，我国已经有越来越多的高校进行机器学习应用的探索，依托大数据技术实现在教学、科研、管理等环节的数据获取与分析，在促进教育公平、精准教学、个性化学习、辅助管理等方面取得了显著的成效。高等教育基于大数据的机器学习，主要通过以下方式进行：一是通过对学习者的学习行为数据进行跟踪、记录和分析，形成“学习者画像”，帮助教师和学习者更好地掌握其学习特征和规律，以便因材施教和开展个性化学习；二是对学习者的学习绩效进行动态预估，将其学习过程和结果做出可视化数据呈现，并及时反馈，教师可以有针对性地对教学内容、方法和难度等进行动态调整，学习者也可以据此合理地选择适合自己的学习时间和学习方式；三是利用学习者的特征大数据，对其学习内容进行精准筛选和推送，这也是人工智能时代网络教学平台最基本、最常用的功能。

2.生物特征识别在高等教育领域的应用

生物特征识别技术是指通过个体生理特征或行为特征对个体身份进行识别认证的技术[6]，其中包括语音识别技术和图像识别技术等。生物特征识别技术目前已经广泛运用到高等教育领域。通过语音识别技术，学生能够随时提出学习中面临的问题，而人工智能技术采取人机交互的形式，由机器人进行识别和解答，从而更加准确、及时地帮助学生解决疑惑，真正达到答疑解惑的目的。语音识别技术还能够识别语音并将其转化为文字，不仅可以帮助教师和学习者提高利用智能教学平台进行人机交互的效率，而且能够对一些语言类学科进行自动化评估，既可减轻教师重复工作量，又可避免主观性偏差，有利于形成更科学的教学评价。图像识别技术在高等教育领域主要应用于文字识别和人脸识别。文字识别技术不仅可以识别印刷文本，而且对手写文本、模糊文本也有较高的识别度，可以对学生的作业、考卷等进行初步识别及自动化判定。人脸识别技术可以区分不同的学习者，能够提高教学管理的效率和质量，例如运用于出勤、替考等行为的管理。

3.虚拟现实技术在高等教育领域的应用

虚拟现实(VR)是以计算机为核心的新型视听技术，它结合相关科学技术，可以在一定范围内生成与真实环境在听觉、视觉、触感等方面高度近似的数字化环境。用户借助于必要的装备与数字化环境中的对象进行交互，相互影响，可获得近似真实环境的体验和感受，通过显示设备、数据获取设备、触力觉交互设备、跟踪定位设备、专用芯片等实现[6]。虚拟现实技术运用到高等教育领域，可以利用计算机模拟现实环境，创造逼真的教学情景，让学生沉浸其中，并对自己的选择或互动做出反应。例如，EON Reality公司开发的虚拟现实3D数据库(Experience Portal)，收集了4000多种仿真教学模型和虚拟场景，教师和学生从这个数据库下载这些高度仿真的立体模型，使用这公司提供的VR软件就可以看到各类三维模型，包括动物解剖模型、植物成长生态环境变化模型、宇宙中星球间的关系模型等[8]。应用虚拟现实技术建立起来的教学虚拟环境，可以尽可能地为学习者提供充足的资源和经验背景，学习者通过人机交互获取知识和技能，建构知识体系[6]。

应用在高等教育的人工智能技术是多方面的，随着人工智能与高等教育的深度融合，将有越来越多的人工智能技术运用到高等教育领域。

二、人工智能引发的高等教育变革

人工智能在高等教育领域的应用，引发了高等教育的整体变革，促使教育内容、教育方法、管理模式、教育理念、教学方式、学习方式等发生了根本性变化。

(一)教育内容和教育方法的变革

1.教育内容的变革

教育内容是指为了实现教育目标，要求学习者系统学习的理论知识、技能和行为经验的总和。人工智能与高等教育相结合，导致了以学习者为中心的教育内容变革：一是教育内容由“批量化”生产转向分层定制。人工智能实现了精准学习诊断、定制内容推送、个性化辅导等功能，帮助教师精准厘清不同学生的学情状况和内在成因，为精准施策、分层教学、因材施教提供了可能。学生可以享受与其个体接受能力、认知结构、知识缺陷、身心特点等更加匹配的教育内容，有利于提高人才培养质量。二是将人工智能素养课程纳入通识教育体系。人工智能的深入渗透，促使高等教育承担起更宽知识纬度的人文素养培育重任，将融合多学科知识的复合型、交叉型教育内容纳入大学课堂，要求高校通过开设人工智能素养课程，建立在线课程的模块化形式，全面提升学生的知识技能和全球意识。

2.教育方法的变革

教育方法是指为了完成教育任务，实现特定的教育目的，师生双方在共同的教育活动中所采取的方式。在人工智能的帮助下，高校教师可以分解课程，将课程教学细化为课前准备、课中教学与课后复习巩固三个阶段，借助于强大的智能技术平台，改变传统单一的教育方法，通过AI技术和人机友好交互手段，采用讨论、实验和启发等方法，突破学习时间与空间的限制，促进教师和学习者互动交流，更全面地对学生的学习结果进行指导，提升教育效果。同时，教师运用人工智能技术，还能够根据课程教学的进展，及时对学生进行智能测试，定期检查学生对教育内容的掌握情况，获取学生学习报告，从而更好地进行个性化指导，真正做到因材施教。

(二)管理模式和教育理念的变革

1.管理模式的变革

管理模式是指在管理理念指导下构建起来的，由管理模型、管理制度、管理程序、管理方法和管理工具组成的管理行为体系结构。在传统的管理模式下，高校教育成本普遍较高，其中管理成本占了相当大的比例。人工智能的运用，促进了高等教育管理模式的变革，高校可以利用人工智能技术，实现对高校教学、科研、师资、学生、财务和后勤等的智能化管理，借助于管理智能化，优化管理程序，减少繁琐的流程，提高管理效率，控制管理成本。另外，高校利用智能平台可以随时采集和监测相关的管理数据，通过对数据进行统计和分析，实现对管理方法的智能决策，提升教室、学生宿舍、实验室、图书馆等教育资源的利用率，确保高校管理工作更加有序、高效的运行。

2.教育理念的变革

人工智能在影响高等教育管理模式的同时，也引发了高等教育理念的变革，促使教育者重视运用人工智能技术促进教学方式、学习环境和教育管理的智能转型，在大众化的高等教育中提供适切的学习机会，形成精准、灵活、个性化的高等教育服务体系，为学习者提供个性化、多样化的学习空间，并注重学习者的学习体验，最大限度地满足广大学生的全面发展需要。要求教育者树立“大教育”观，重视促进产教融合，真正将高等教育与经济社会发展相结合，使高等教育朝着综合化、多元化和智能化的方向发展。

(三)教学方式和学习方式的变革

1.教学方式的变革

教学方式是指为了实现教学目标，完成教学内容，应用教学手段而进行的由教学原则指导的一整套方式组成的师生相互作用的活动。在传统的教学方式中，教师是高校课堂的绝对主导，而学生只局限于从教师的课堂讲授中获取理论知识。同时，传统教学方式普遍呈现出相对统一的模式，即教师在讲台上授课，学生在台下被动聆听，师生之间往往缺少互动，导致理论知识只是从教师到学生的单向流动，因而很难激发学生的学习兴趣和学习激情，更不用说照顾到每一位学生的个性化学习需求。人工智能应用到高校之后，基于人工智能技术所具有的虚拟现实、图像识别和语音识别等功能，将能赋予高等教育理想化的教学效果，各学科的理论知识均可基于智能设备来展开，而且教学过程也将对拓展学生综合能力和锻炼学生思维有所侧重，而不再是以讲述基础知识点为主。当然，教师在教学过程中所使用的媒介也发生了相应的变化，如借由智能终端、虚拟现实等设备，以便调动学生参与课堂的积极性，并结合学生的学习实际，有针对性地制定个性化的教学方案。

2.学习方式的变革

学习方式是指学习者在学习活动中表现出来的、具有偏好性的行为特征和行为方式。在人工智能的影响下，高校的教学活动将以学习获得为中心，学习者的学习方式将由传统的集体学习，转变为以个体学习为主。由于传统的高等教育不注重彰显学生的学习主体性，因而学生在学习过程中始终处于被动接受的状态。随着人工智能技术逐步融入高等教育，教师借助于智能化的教学平台，可随时向学生推荐有益的学习资源，而学生则可以借助于智能手机、平板电脑等移动设备，进行自主的预习和复习。当然，在这个学习过程中，教师仍然需要对学生完成作业的情况给予及时分析和评价，通过纠正错题来帮助学生查缺补漏，以便提升学生的学习效率，培养学生分析和解决问题的能力。

三、人工智能时代高等教育的发展趋势

当前，人工智能技术仍于不断创新和发展之中，未来人工智能在高等教育领域的应用将更加广泛，高等教育发展将呈现以下趋势。

(一)教师角色: 转向多样化

在人工智能时代，随着以技术为支持的学习方法的兴起，学习场所与学习平台日趋多样化，学校不再是教育的唯一场所，传道授业解惑的唯一权威角色不再是教师。随着学习模式和学习平台的不断更新，教学活动正在逐步转向以学习者为中心，这就对人工智能时代高校教师角色提出新要求和新定位。人工智能赋能教学与教师，对智能技术与大数据进行充分利用，使教师能够从繁重的教学工作中解脱出来，高校教师的角色和功能从单纯的知识传授者变成学生学习的引领者、指导者和协作者，从课堂的主导者转变为学生身心发展过程的支持者和陪伴者，从而形成人工智能时代的个性化指导者、学习分析者、情感沟通者、价值引领者、生涯规划者等多功能角色[9],教师将会有更充足的时间关注学生的个体成长，不仅帮助学生学会学习，而且帮助其学会做人。

(二)教学模式: 走向智能化

人工智能改变了高等教育的传统教学模式，促使学习时间和空间边界不断拓展，学习平台不断变化，教育资源更为丰富，教学方法更为多样，教育服务更为精准，教学模式更为智能，加快了终身教育的实现和学习化社会的建构。在人工智能时代，高等教育正在以全新的形态呈现，教育无时不在，教育无处不在，人工智能学习资源平台、方式和渠道日趋多样化，学生不再局限于通过大学课堂和教师来汲取知识，人们接受教育不再局限于传统的地点和时间，借助于智能手机、平板电脑、手提电脑等移动设备可以随时随地进行学习，学习者真正成为学习活动的主体。人工智能时代大学课堂变得更加开放、灵活有弹性，教学模式日趋智能化。如，显示屏可操纵显示课堂教学需要的内容，智能屏幕、智能课桌成为教室硬件的新宠；智能手机、手提电脑连接网络提供在线资源，有效地实现线下面对面课堂讲授与线上虚拟课堂远程的来回切换，学生在线上、线下可同步开展小组讨论、分享交流等学习活动。教育资源应用方式更加多元化，课程教学越来越多地体现为线上、线下混合式，如微课、SPOC、MOOC等新型课程。

(三)学习模式:转型个性化

人工智能技术的出现，对高等教育结构和学习模式产生了巨大影响，使学习模式越来越个性化。借助于人工智能技术，高等教育实现了个性化、精准化、差异化，能够基于搜集到的学习数据，准确计算出每位学生的学习计划、学习偏好、优势和劣势等，为他们提供个性化的学习服务“菜单”。人工智能算法可以进一步引导学生根据不同的学习内容，采用适当的学习方法，以提高学习效率。人工智能技术还可以进行大数据分析反馈，通过对学生学习有关数据的挖掘和分析，预测学生的学习效果，判断学生遇到的学习困难及没有掌握的教学内容，有针对性地对学习者进行指导，从而提高个性化服务的精准度。正式学习和非正式学习方法的融合，为个性化学习的实现提供了充分的支持。学校和教室不再是学习或教育的单一阵地，随着个人学习、协作学习、移动学习、远程研讨、仿真学习等模式的出现，学生凭借移动终端将不再受时空的限制，正式学习与非正式学习的互补形成了多样化的学习形态。

(四)教学评价: 趋向多元化

基于人工智能时代教学形态和教学资源已发生深刻变化，高等教育评价结合趋势而发生变化，高校教学评价反馈机制将更加多元、立体、客观。课程、教学与评价只有共同保持良好的一致性，才能使一套完整目标得以实践和落实。区别于传统评价方式，人工智能时代的高校教学评价将充分发挥智能技术的优势，协同多方参与，发掘技术潜能用大数据说话。教学评价参与者不仅仅局限于高校内部的师生，还可以面向毕业校友、用人单位、教育管理部门、社会行业部门等相关协作单位共同参与评价，以形成全方位的评价体系。大量全面的数据、完善的数据平台等，不仅对教育者和学习者当前的教育和教学、学习成效做出评价，而且更多关注学习者个体的学习状态全过程，注重过程性监督指导，支持多角度评估，支持远程评价的发展，由此产生的高校教学评价是一种形成性、总结性、全过程的双向乃至多向性成效评估，将通过线上线下对教与学做出全面评价。在人工智能时代，教育将更多地转向人自身的成长与完善，教学评价将由量化指标转到基于学生核心素养的教育教学评价。

(五)教育生态: 促进开放化

高等教育是一个动态的系统，它通过教学活动将教育者、学习者与学习环境联系起来。进入人工智能时代，机器学习、生物特征识别、虚拟现实等技术带来的高等教育变革，不仅是高等教育结构和形式的根本性转变，而且涉及教育与社会之间互动，大学不再是“孤岛”，它与外界的联系愈加紧密开放。一方面，人工智能为高校提供技术支撑，而高校则为企业提供智力支撑；另一方面，人工智能与高等教育的深度融合，逐渐打破高等教育和产业界的界限，促使高等教育不再局限于校园，而是面向整个社会系统，将高校、社会、企业、科研机构等连为一体。高校作为教育对社会开放的接口，联合企业、行业、科研机构，构建起开放的教育生态系统[10]。

总之，人工智能运用于高等教育领域，改变了现代高等教育的形式和效果，加速了高等教育的现代化进程。走进人工智能时代，我们应高度关注人工智能对高等教育的巨大影响，积极顺应高等教育发展新趋势，走好未来智能教育发展之路。