基于人工智能的教育领域变革与路径探析

郑 琳

(衡水开放大学,河北 衡水 053000)

一、人工智能发展的时代背景

当今时代智能化已经成为工业化、自动化、信息化、现代化发展的新特征。伴随人工智能、物联网、大数据、云计算等技术迅猛发展,出现了诸如智能手机、智能驾驶、智能机器人、智能家居、智能工厂、智能超市、智能酒店等产品与设备,这给人们的生产、生活带来极大的便利,在一定程度上智能化延伸了社会产业部门生态链,加快了社会各部门的生产效率,也革新了传统的工业社会固有的生产方式[1]。

从工业社会之始,资本增幂、技术增幂的铁律就要求社会的各个生产领域在自动化的道路上不断前进,不断研发新技术。以英国发明“珍妮纺纱机”为肇端,自动化就如影随形地伴随着科技的发展不停地向前进步。从严格意义上讲,今日的人工智能技术(AI)是在信息化社会的基础上所发展的另一种形式的高端自动化技术,准确说它是“信息自动化”。随着超级计算机技术不断刷新运算速率、不断更新数学模型,更适宜人类社会生产、更能够替代人类体力和脑力工作的智能生产模式将在社会的各个领域应用,人类开始进入智能社会、智能时代。

二、基于人工智能技术促进教育领域变革的意义

(一)人工智能对教育领域的影响日趋凸显

教育领域的智能化推进随着人工智能技术的高速发展也将逐步展开,尤其是在“元宇宙(虚拟空间)学习”、深度学习机器人(如AlphaGo)、自动语音识别(ASR)、自动机器翻译(MT)、自动问答系统(QA)、自动对话系统(DS)、自动文档摘要技术、自动文本分类(TC)技术、自动文本检索(IR)技术等方面,日趋成熟且具有颠覆性的智能技术变革教育的新时代即将来临[2]。

目前,人工智能已经能够在学习辅导、教学测评和教学空间优化等方面全方位地提升教与学的效率。人工智能可以增强学生的学习体验,使得个性化学习、远程学习、虚拟空间模拟技能训练等成为现实。人工智能正在引领着教育教学的创新,包括推动人才模式创新、教学方法改革、构建智慧课堂和交互式学习的新型教育体系等。人工智能正在推动教育由低层次到高层次、由粗放型到精准型、由全才教育到个性化教育的迅猛转变。

(二)时代呼唤人工智能技术变革教育

人工智能在当前的各类教育中已经初步被应用,但从目前的应用效果看,无论是在教育目标、教育内容、教育形式、教育过程、教育结果上,都未有大的发展突破。因而,推动教育领域的智能化转型,实现教育的跨学科、跨专业融合,以使得教育与当今经济和科技进步协同发展,应成为教育部门为社会培养智能型人才的重要使命。

在教育管理中,教育内容、教育形式、教育管理人员是展开教学管理工作的三个重要方面。教育内容决定学生学什么,教育形式决定学生以什么方式、什么技术手段学习,教育管理人员决定学生的秩序状况和学校管理成本。在人工智能时代,人机交互离不开上述“三要素”,人工智能技术只有与上述三个方面紧密结合,才能充分地助推学生教育管理工作的开展。一是在教育内容上,泛在化学习资源以及大数据的高信息储备将使得今后的学习者更加需要进行系统学习,这方面人工智能的专家系统将发挥很大的作用;二是在教育形式上,被动的教育方式将转为高频度、高互动性的主动学习方式,教与学的态势转换标志着终身学习成为人工智能时代的必需;三是在教育管理上,人工智能时代信息技术的高度发展可以提高学生管理工作效率,比如学籍管理、课程管理、图书借阅管理等,纳入智能化信息平台后,所有的管理措施实行都可以提高效率、增加管控准确度、为教学规划提供研判参考。就人工智能的替代功能而言,一般性的简单、重复、有标准程序的教务工作基本可以被代劳,人工智能时代的教育将会把教学重心放在对学生的系统性培养、创新能力培养、思辨能力培养、情感互动方面。这有利于使学生个性得到解放,素质得到全面发展。

三、人工智能促进教育变革的基础

(一)人工智能促进教育变革的相关理论基础

对于人工智能促进教育进行变革的理论阐述,目前国内外学界主要分为三派。

第一派是以R.G哈维洛克和C.V古德为代表的“教育变革理论”,该理论主张有计划地进行教育变革,他们认为教育变革具有非线性与复杂性的特征[3]。基于此,自上而下进行人工智能的技术融入来进行教育变革并不一定会得到理想结果。因为教育变革的结果既可能是好的也可能是坏的,既可能对某一部分受教群体有利也可能使某一部分受教群体受害,因此如何平衡是一个复杂的社会问题。在具体细节上,教育变革理论倡导基于具体的教学环境来改变各教学要素的地位和作用,这些要素包括教学资源形态、教学组织方式、学习活动方式、学习评价方式等,对各要素的状态应用及分布比例进行指标测量与效果反馈,是该理论平衡技术变革教育所引起的社会正负作用的主要方式。

第二派是赫钦斯(Edwin Hutchins)所提出的“分布式认知理论”,该理论认为,人的认知是分布的,人认知现象主要通过某种形式的交互活动来实现。这一派的学者认为,处在“分布式认知状态”中的人利用“人工制品”如工具、技术等可起到转移认知任务、降低认知负荷的作用。各种智能学习软件在文本分析、信息检索、语音翻译、专业领域问题对答等方面的进化优势可以有效帮助人类减轻认知负荷,从而引导个体向深度认知与创造性的生产活动中去发展[4]。此外,分布式认知理论还强调个体与认知环境间的交互,在教学过程中智能技术的应用将会改变生生交互、师生交互、知识与师生的交互、人机交互的形式,这种技术变革将重构学习体验,甚至可以在触觉、听觉、视觉、味觉、嗅觉的“五识”层面创造出迥异于传统教学方式的认知模式。

第三派是技术创新理论,由经济学家熊彼特在《经济发展理论》一书中提出,该理论认为“创新是一种新的生产函数的建立,即实现生产要素和生产条件的一种从未有过的新结合”[5]。这种基于社会生产体系描述的理论,包括五个方面内容,即制造新产品、采用新的生产方式、开辟新市场、获取新的原材料或半成品的供应来源、形成新的组织形式。将这一理论引入教育领域,即培育新型人才、采用新的教育方式、面对新的学习群体、制定新的教育内容、形成新的教育教学管理制度。新的技术出现将对教育教学带来影响,技术创新理论对于教育教学创新具有重要指导意义的内容在于:将人工智能技术应用于智能化教学工具的创新,形成新的教学模式以及教学评价方式和教学管理方式。

随着人工智能技术不断革新,将会大量淘汰重复性强、创造性缺乏的工作,学生在新时代走向工作岗位面临的一个重要决策是:必须具有相对机器(AI)技术的优势之处,即通过教育提升学生的创新创造能力、想象力、问题解决能力、交流沟通能力以及艺术审美能力。人工智能并不能取代人类去做“价值判断”的事,在智能科技发达的今天,重视学生各种创新能力的培养至关重要。

(二)人工智能促进教育变革的技术基础

智能控制、自然语言处理、模式识别、人工神经网络、机器学习、智能机器人是目前应用于教育领域的主要技术。这些智能技术的特点是辅助性强,可以很好地帮助人进行深度学习与强化学习,能够很好地融入教学的资源、环境、评价和管理中。如机器学习,通过从信息中归纳知识,实现统计描述、相关分析、聚类、分类、规则关联、预测、可视化等功能,AI可以从大量的数据中学习规律,其自动识别模式可以很好地对学生的学习表现和成绩进行预测,通过数据预测来进行反馈纠正,教师可以更为有的放矢地促进和改善学生的学习状况[6]。而且机器在数据学习过程中处理的数据越多,预测学生情绪、学习状态、技能水平等指标也就越精准。它还可以有效提高教师在个性化教育、精准化教育方面的掌控力,以实现对学生学习成绩、学习行为的智能改善。如自然语言处理,包括对人类语言、知识文本的分析、检索和整理,如基于语言的问答系统、基于文本的机器批阅。这不仅可以实现教育领域人与“知识专家库”的答疑互动,还能够提升学生自主练习时的反馈效率。如模式识别技术,通过采集学习者的语音、情感、图像等体征数据,在一些技能实训课程中,AI可以自动将学生的技能动作与标准的模式动作进行对比,可以有效对学生的技能动作进行提示、指导、纠正、帮助、鼓励,从而增强学生的技能训练水平并节省相应的师资力量。高校应加强人工智能的技术综合作用,迎接人工智能给教育教学带来的新机遇和新挑战,完成人工智能、大数据、学习分析等新技术与教育教学的融合创新[7]。

四、人工智能促进教育领域革新的路径

(一)人工智能促进教育资源与教育环境创新发展的路径

1.智能化教学工具

一是专门针对某一学科的智能化教学平台的应用,它的特点是为学习者分析教学内容、构建知识图谱、制订学习方案、智能化推荐学习内容以及支持学生自适应学习,它的高效性与个性化优势以及数据驱动逻辑和“虚实交融”体验(VR和AR的应用),不仅可以深入剖析学生的学习过程,有效进行因材施教式的预警干预,还可以将学习与实践相结合,在这个智慧学习环境下,学生可以更加个性化、沉浸式以及趣味化学习,他们的学习积极性和自主性会被调动,有利于让教师的育人行为更加具有人文关怀。二是自适应技术、大数据和云计算技术的应用,如智能教学机器人和智能化学习软件能够有效提升教学的精准性,智能预测学生的能力水平和侦测学生的学习难点与学习盲点,减少他们的重复性学习,并有针对性地提高学习者的学习效率。智慧课堂的应用将推进教学过程的科学化与可视化,如视像系统对学生行为自动生成的可视化数据统计与分析图表,可以帮助教师合理地进行教学过程和学生学习行为干预。人工智能在数据层、算法层的云计算应用既可以拓展教育资源的共享性,也可以有效解决学习者的信息孤岛问题[8]。

2.智能化教学资源

智能化教学资源既可以适应外界不断变化的数字学习环境,也是教育变革的重要内容。智能化教学资源不仅包括一般教学资源,如教材、试卷、课外书籍、教具,还包括音频/视频类的网络课程、开放性的知识资源检索平台、智能化教学资源推送系统等。AI对现有教学资源的分析、整理、归类要远远高于人类,智能化教学资源匹配智能推动流程,才能满足当今学习者对高更新频率知识的各项需求[9]。因此,应将人工智能技术融入教育资源构建和教育资源推送的方方面面,从而为学生的个性化学习、自适应学习、深度学习以及教师的科学教学提供帮助。

3.智能化教学环境

当今数字教学环境下的学习场所仍然比较固定,学生获取知识的来源也相对单一,因此构建具有多元化的知识获取渠道和丰富的新技术、新工具、新活动的智能化教学环境应是教育改革的重要内容。这类智慧学习环境的技术特征包括记录学习过程、识别学习情境、感知学习的物理环境、连接学习社群、具有益智与娱乐功能等,这样才能使得教育环境具有连通、感知、交互、适配、记录、整合的促学作用[10]。总结来说,智能化教学环境必须具有感知化、泛在化、个性化、开放化等四大特征。其中,感知化就是要在物理感知的温度、湿度、灯光等方面和情景感知、社会感知的不同学习者建立交互关系方面,完成对学习者的技术支持;泛在化是指满足学习者在不同时间、不同空间接受文本、视频、音频、动画、图片等学习资源的要求;个性化是应用于学习者的历史学习行为、历史学习兴趣、历史学习成绩等数据基础上的教学反馈系统构建;开放化是指人工智能打造的云端学习环境,随着全球课堂的发展,知识场在云端技术的支持下将变为行为场、交流场、激发场,虚拟世界与现实世界的互动将会更强、连接方式也将更为多元。满足这些环境构建需求的目的是使教育不再成为一种单方面灌输的教育形式,而是为学生主动学习创造多样化的学习环境。

(二)人工智能促进教育方式与学习方式的发展路径

技术的进步必然导致生产方式和生产关系的改变。在人工智能技术融入教育领域之后,原本的传统教育方式和学习方式自然也要迭代跟进,以适应新的生产工具——人工智能。在教师教学方面,教师备课、制定教学内容、管理教学过程等工作都可以由人工智能技术进行辅助。教师可以从繁忙的、基础性的教学事务中解放出来,将更多的时间用于创造性的教学活动以及心灵性的育人活动中来。在学生学习方面,通过智能化的环境构建,如在智慧课堂和交互机器人所创造的支持性学习环境中,学生可以自主完成新知预习、错题练习、技能练习、深度学习,这既帮助学生不断认知自己、发现自己和提升自己,也会促使学生在学习需求方面更为快速地从基础技能、基础知识中解放出来,学生的时间和精力将被用于更前沿、更具有创造性和个性化的学习内容中去[11]。

(三)人工智能促进教学评价与教学管理创新发展的路径

人工智能技术的逐步发展不仅可以使得教学环境得到优化,教学效率得到提高,教学方式得到丰富,还能够使得教学管理与教学评价更契合人的个性化需求。通过采集“教与学”场景中的数据,利用大数据模型对学生的历史学习行为、历史成绩等内容进行深度的挖掘,对于学习者的教学评价将会更加科学、全面、人性化,这将使传统的以经验为主的教育教学管理方式向智能化、科学化转变。如自动分析数据的视像监视系统,可以很好地代替教师监督与反馈学生课堂行为;如智能化学习软件(又称专家训练系统),作为一个自评测的习题资源库,它可以解决学生基础知识自主学习的诸多问题。一些智能画像技术、智能分析技术的应用对于学习者而言,将突破个性化教育的难题,在人工智能对教学的诊断反馈不断加深过程中,因材施教的教学成本会越来越低,这将更有利于学生个性的充分发展。