人工智能辅助成人远程教学的方式和途径

李 霞，李 云，王 菲

(山东广播电视大学，山东 济南 250014)

“人工智能”一词最早出自1956年美国的达特蒙斯大学，发展至今已过60多年，现已成为一门涉及计算机科学、信息科学、心理学、哲学、认知神经科学、生理学等众多领域的前沿交叉科学。近年来，信息技术在机器学习、深度学习、神经网络上不断取得突破性进展，人工智能从计算智能向感知智能、认知智能迅速发展，人工智能的教育应用变得普遍而丰富。

2017年7月，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，指出要围绕教育、医疗等迫切民生需求，加快人工智能的创新应用，要求利用人工智能加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系，为人工智能推动教育发展指明了方向。2018年4月2日，教育部印发《高等学校人工智能创新行动计划》，提出要加快人工智能在教育领域的创新应用，可见，利用人工智能技术推进教育系统的变革与创新已经引起国家的高度重视。随着信息技术的快速发展，我国的远程教育迈入了高速发展的全新阶段。然而在成人远程教学的实践中，面临着诸多问题和难点，如师生分离、沟通和交流的途径有限、教师无法对学生进行全方位监督、无法了解学生的真实需求等。对于成人远程教育领域来说，人工智能技术可以应用在教学资源的开发、教学活动的组织、教学过程的监督、教学结果的评价等各个领域，有效地促进教学最优化。

一、“人工智能+教学”的研究现状

以“中国知网”为分析数据库，主题设定为“人工智能”并含“教学”“AI”并含“教学”进行全数据库检索，文献发表时间设定为2006年至2020年，文献来源选择《中国电化教育》《开放教育研究》等8种教育技术核心期刊，截止到2020年2月12日，共检索到相关论文293篇。通过发文情况可以看出2016年以来，随着人工智能技术的发展，人工智能与教学的相关研究显著增长，成为研究的新热点。如图1所示。

图1 2006-2020人工智能教育文献发表年度变化图

通过对相关文献研读分析，发现目前人工智能与教育的研究主要在以下几个方面：人工智能教育应用的内涵、人工智能教育的关键技术、“人工智能+教育”的应用形式和案例、发展前景和业态趋向。高频关键词有专家系统、网络教育、远程教育、机器学习、学生模型、智能教学系统、神经网络等。

关于人工智能教育应用的内涵，闫志明、唐夏夏等认为教育人工智能是人工智能与学习科学相结合而形成的一个新领域，教育人工智能重在通过人工智能技术，更深入、更微观地窥视、理解学习是如何发生的，是如何受到外界各种因素(如，社会经济、物质环境、科学技术等)影响的，进而为学习者高效地进行学习创造条件。[1]吴永和等认为“人工智能+教育”能够提高教学效率和效能，为学生更好增知增智、为教师更好教学提供服务，并构建了“人工智能+教育”的生态系统。[2]

关于人工智能的关键技术，吴永和等指出“人工智能+教育”的关键技术包含信息技术、教育技术和人工智能技术，其中信息技术、人工智能技术有：机器学习、深度学习、自然语言处理、人工智能算法、神经网络、推理机、学习计算、图像识别等技术。[2]

关于“人工智能+教育”的应用形式和案例方面，张坤颖等认为人工智能技术在教育应用中的形态有两个方面，主体性与辅助性。主体性应用如智能教学系统、智能问答系统、智能评价系统等；辅助性应用如自适应学习系统、数字化评价系统、教学游戏、智能教育决策支持系统等。[3]陈丽等认为人工智能技术可以有效促进在线交互行为的发生。人工智能为核心的教学系统，可以部分取代教师，直接与学生交互，解决学生的问题。[4]梁迎丽等认为人工智能主要有四大应用形态：智能导师系统、自动化测评系统、教育游戏与教育机器人。[5]

关于教育人工智能的发展前景和业态趋向，张志祯等认为人工智能教育应用研究亟待超越技术、产品开发与应用设想研究，亟待开展有关人机分工教学法的机制与效果及其对教育机构的全面影响的系统化理论研究与高生态效度的实证研究。[6]梁迎丽等认为以数据驱动引领教育信息化发展方向，以深化应用推动教育教学模式改革，以融合创新优化教育服务供给方式将是人工智能教育应用的未来发展趋势。[5]

从上述研究成果中不难看出，“人工智能+教育”能够提高教学效率和效能，提供个性化的学习路径，自适应呈现学习资源，促进教学的有效交互、提供沉浸式的学习环境、替代教师机械化的劳动、实现智能化的教学评价，有助于解决成人远程教学存在的师生分离、沟通不畅、学习资源单一、学习监督困难等诸多问题，促进教学效果最优化。

在人工智能教育商业化应用方面，“AI+教育”企业如好未来、猿辅导、小盒科技等已有相关的技术产品，如“WISROOM”智慧课堂解决方案、小猿搜题、作业盒子等，但大多数的智能教育产品面向的是中小学生，适用于成人远程教学的产品较少。

二、人工智能辅助成人远程教学的方式

教师、学习者和教学管理人员是教学过程不可缺少的三个主体，笔者从这三个方面分析人工智能辅助成人远程教学的方式和途径，构建基于人工智能的成人远程教学模型，如图2所示，为成人远程教学的发展提供借鉴。

(一)基于教师层面

首先，通过人工智能助手，教师可以更便捷地了解学习者的基本情况，并可以通过自动算法分析学习者的知识基础、认知特点、学习风格偏好，为学习者建立用户画像，便于后续展开个性化教学。第二，人工智能为核心的教学系统，可以取代教师的部分工作，实现和学习者的有效交互。可以通过语音识别技术，判断学习者回答问题情况或自动识别其问题，实现人机交互，人工智能助手目前已经可以自动回复学习者的一些问题，如提问概率比较高的问题、概念性问题，以及课程相关的简单问题等。第三，可以实现沉浸式的学习环境构建。设计学习资源，构建学习环境时可以借助语音识别、动作识别、人脸识别、表情识别、视线检测等创建沉浸式的学习环境，提高学习者的学习内驱力。第四，改进教师对学习者的评价方式。当前的评价方式中，客观性信息常用来被分析，而主观性信息总是被忽略，通过人工智能的数据分析可以帮助教师处理主观性信息，实现对学习者及学习过程更全面的评价。

(二)基于学习者层面

远程学习有多种形式，根据问卷调查(样本数12547，电大成人学习者)，66.2%的学员希望采用视频课件，53.6%的学员希望通过直播课堂开展学习。首先，有了人工智能技术的辅助，直播学习平台或视频学习网站可以根据学习者的用户画像，推荐合适的教师或资源，学习者可以便捷高效地开展学习。其次，沉浸式的学习环境，有效的学习交互，会带给学习者逼真的学习体验，这种学习体验会激发学习者的学习内驱力，保持较好的学习动力。第三，个性化的学习环境为学习者提供了更多的可能性。学习者可以自定学习步调，选择适合自己知识基础和认知特点的学习资源。第四，学习者可以快速准确得到教学反馈，提高其自我效能感。在传统成人远程教学中，教师很难进行个性化评价和即时反馈，而基于人工智能技术的智能评价和反馈工具可以有效解决即时评价问题。

(三)教学管理层面

传统的课堂质量评估，往往通过人工质量团队完成，人工评价课堂会出现评价方式主观、评价指标不可量化、监课覆盖率低、人工成本较高等问题。人工智能评价系统的评价方式客观、评价指标量化，可以降低成本，实现智能课程管理和评价。学习分析技术通过对教与学过程数据的采集、教与学行为的分析，实现对学习过程的评价，预判学习者可能出现的问题，及时反馈教师进行干预。人工智能技术可以统计师生对话中占比、说话长度分布等，实现对师生互动的评价，也可以通过图像识别、关键词挖掘、语音情感分析等对教师和学生课上视频、文字、笔记等数据进行分析，对教学过程进行智能化管理。利用人工智能技术还可以对直播环境进行检测，如检测人脸是否在指定范围内，判断课堂场景下，对话是闲聊还是与教学相关，也可以识别课堂中出现的敏感红线词。从经济角度讲，使用人工智能评价系统可以节约人力成本，量化评价因子，提高管理效率。

(四)人工智能技术应用

人工智能技术应用存在与教学资源的开发、教学活动的组织、教学过程的监督、教学结果的评价等各个方面，可以实现人脸签到、师生匹配、动作识别、直播检测、AI智能课堂、智能教学评价等场景。

三、人工智能辅助远程教学的应用场景

目前很多人工智能辅助远程教学的功能已经实现并应用到教学场景中，如人脸签到、师生匹配、语音评测、动作识别等。但主要是中小学生远程教学，成人远程教学系统的智能化水平有待提高。

图2 基于人工智能的远程教学模型

(一)人脸签到

在远程教学过程中，通过人脸签到在第一节课进行人脸标注，后续课程中可以对每一个学习者自动进行识别，从而准确获取每个人的行为表现和学习记录。

(二)师生匹配

智能化教学平台可以根据历史数据、学生用户画像、教师用户画像，为学习者挑选合适的候选老师，从而提升平台的服务，赢得更多的用户。

(三)语音评测

语音识别技术可以对发音水平进行评测，给出学习者综合得分和发音信息，对于语言类学科的教学有促进作用，也深受各类学习者的喜爱。

(四)动作识别

可以通过人体姿态识别、骨骼点识别算法等分析学习者的动作，判断他们的行为类别，如写字、认真听课、低头、举手等，进而对学习者的行为进行记录并给予反馈。

(五)直播检测

老师和学生直播过程中，可以检测人脸是否在指定视频区域内，方便老师纠正仪态，也可以从一定程度反馈双方的“态度”。在直播课堂情境下，对教学过程中的说话内容进行识别，提取相关核心词汇，以判断是否与教学相关，识别教师在讲课中是否出现学科相关词汇，是否出现政治、暴力等敏感词汇。针对课程内容方面，还可以从更多的维度，对老师和学生的课堂行为数据进行分析。

(六)AI智能课堂

AI智能课堂最显著的特点就是可以实现自适应的学习视频。将优质的教学资源，根据教学步骤和知识点，录制为视频切片，根据教学过程中的不同情境，如回答问题对错或者解决问题完成情况，展示不同的视频内容。切片化的视频资源也可以在多种教学情境中重复使用，主要依靠人工智能技术实现视频资源的自适应呈现。

(七)智能教学评价

智能教学评价系统可以从课堂视频中精准抽取问答、讲题或错题纠因片段，并基于多维语音、语义特征，对学生问答等行为进行分级，除课堂视频外，从手写板数据中提取笔记、做题和思维导图的图片，对每个图像素材进行智能分级，可以量化学生在课堂中的表现，自动化形成每堂课的学习报告，客观的体现学习者的成长与变化。

四、结语

从“互联网+教育”到“AI+教育”，技术创新在不断变革传统教育教学方式，改善教育资源均衡化和学习个性化的问题。传统的成人远程教育，对于千万个不同的学习者来说，学习路径是基本相同的，基于人工智能技术的智能教学系统可以根据学生的学习基础，选择适合学生层次的学习内容，为学习者设计个性化学习路径，并以学生偏爱的认知方式向学生展示学习内容，可以创设沉浸式体验学习场景，提供智能代理，推送学习资源，优化学习评价反馈效果，智能化分析教学数据，完善教学评价机制。2019年科技部发布的《智能教育创新应用发展报告》中指出智能教育发展的三个阶段是教学辅助阶段、价值创造阶段、因材施教阶段，目前尚处于第一个阶段，期待人工智能技术和成人远程教学能够继续融合发展，真正实现因材施教。