智能教育應用研究概述*

王亞飛 劉邦奇,2

（1．訊飛教育技術研究院，安徽合肥 230088；2．首都師范大學 教育學院，北京 100048）

引言

2016年3月，由Google旗下的深度學習公司DeepMind開發的人工智能圍棋程序AlphaGo戰勝了世界圍棋冠軍、職業九段棋手李世石，這一事件轟動了全世界。2016年1月，日本內閣會議審議并通過了《第五期科學技術基本計劃（2016-2020）》，提出實現超級智能社會5.0[1]。2016年10月，美國政府出臺了《國家人工智能研究與發展策略規劃》。2016年12月，英國政府公布了《人工智能：未來決策制定的機遇與影響》的報告。2017年7月，中國政府發布了《新一代人工智能發展規劃》。這些人工智能領域的標志性事件通過媒體的廣泛報道，得到了產業界及社會大眾的普遍關注，吸引了越來越多的研究者對人工智能進行深入探索，也正式宣告第三次人工智能浪潮的興起，人類正式邁入新的人工智能時代。

在人工智能浪潮的影響和滲透下，教育領域也有越來越多的人工智能技術和應用出現：在課堂教學方面，虛擬助教Jill Watson被用在300多人的課堂上，代替助教回答學生們的問題；在自適應學習方面，自適應教學平臺Knewton能夠采集學習者學習過程中的行為數據，并對學生的學習興趣、知識水平、學習風格、學習進度等做出分析和預測，以提供個性化的學習服務[2]；在教育機器人方面，樂高推出的最新一代可編程智能機器人產品Mindstorms EV3增強了與智能設備的互動，添加了WiFi模塊，可以和iOS、Android設備連接，通過App進行控制。通過改進的麥克和揚聲器設備，可以支持人機交互。此外，在考試測評與評價診斷、校園管理及教學管理、教育決策與教育治理等教育場景中，人工智能技術也得到了廣泛的應用。

人工智能技術推動教育形態與教育模式進行改造與重構，成為教育信息化發展的必然趨勢。我國政府于2017年發布的《新一代人工智能發展規劃》，明確要求發展智能教育。“利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系。開展智能校園建設，推動人工智能在教學、管理、資源建設等全流程應用。開發立體綜合教學場、基于大數據智能的在線學習教育平臺。開發智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系統。建立以學習者為中心的教育環境，提供精準推送的教育服務，實現日常教育和終身教育定制化。”[3]

一 智能教育應用的概念解析

在“智能教育”概念興起之前，學術界與產業界研究的熱點是“智慧教育”。通常認為，“智慧教育”的概念起源于2008年IBM提出的“智慧地球”戰略[4]。經過多年的探索研究和建設實踐，相關“智慧教育”的認識已變得非常豐富。祝智庭等[5]認為，智慧教育是信息技術支持下為發展學生智慧能力的教育，強調構建技術融合的學習環境，使教師能夠高效率教學，使學生能夠個性化學習。鐘曉流等[6]認為，智慧教育是依托新一代信息技術所打造的泛在化、感知化、一體化、智能化的新型教育生態系統；通過實現教育環境、教育資源和教育管理的智慧化，最終為學生、教師、管理者、家長、社會公眾等提供智慧化的教育服務。劉邦奇等[7]則認為，實施智慧教育的關鍵，是運用新一代信息技術對傳統教育信息系統進行重構，匯聚、整合教育數據資源，形成具有智能感知能力、增進交流互動、有利于協作探究的智慧化教育教學環境，以支持智慧的教與學。由此可見，“智能化”是智慧教育的核心內容之一。

由于資源數字化和數據的互聯互通一直是智慧教育的核心問題，多年來教育部也把這些工作作為教育信息化的建設重點，故“智能化”未能得到應有的重視。以《數字校園綜合解決方案2016——智慧校園》一書為例，該書全面匯總了產業界對“智慧校園”產品的理解，通過統計該書涉及的200多個產品，可以發現涉及“智能”相關概念的產品不到 15%[8]。為了聚焦于人工智能技術在教育領域中的創新應用，突出智能技術對產品應用形態及應用模式的影響，本專欄采用“智能教育應用”這一術語作為研究的核心概念；同時，針對特定的教育應用領域，又將“智能教育應用”具化為“智能學習”、“智能考試”、“智能評價”等內容。智能教育應用既繼承了智慧教育的核心觀點、方法與實踐，又體現了人工智能時代教育發展的新特征、新要求。結合《新一代人工智能發展規劃》的相關闡述，本研究認為“智能教育應用”是聚焦于人工智能在教育領域中創新應用的技術、模式與實踐的集合。

二 智能教育應用的內涵

基于人工智能技術的發展現狀，結合人工智能技術在實際教育場景中的應用深度，本研究將當前已出現的智能教育應用劃分為淺層、中層和較深層三個層次，如圖1所示。未來，隨著通用人工智能（General AI）技術的進步，適用于更多場景與領域的認知智能將不斷完善，智能教育應用也將迎來更大的發展，并產生更深層次的作用。

1 淺層應用：計算智能+教育

淺層應用是指人工智能技術與教育應用場景只做了淺層的結合，在實踐應用過程中主要體現了“計算智能”的特點，即應用人工智能算法與思想，突出技術的快速計算與持久存儲能力。淺層應用往往采用通用的機器學習算法，技術門檻相對較低，因而被廠商廣泛采用，成為了當前智能教育產品的主要形態。以MOOC學習場景為例，如果產品系統采用“基于kNN的協同過濾算法”（這是一種典型的機器學習算法，其核心思想是根據用戶的相似偏好和物體的相似特性來推薦相關的產品）作為學習資源的推薦引擎，體現了計算智能的特性，那么便可以說該產品系統已經達到智能教育應用的淺層水平。

2 中層應用：感知智能+教育

中層應用是指人工智能技術與教育應用場景做了中等程度的結合，在實踐應用過程中主要體現了“感知智能”的特點，即具備處理聽覺、視覺、觸覺等環境感知的能力，為人工智能更深層次的應用奠定基礎。中層應用通常會集成各類感知智能技術模塊（亦稱為“核心引擎”），如語音合成、語音識別、圖像識別、人臉識別等。由于將既有的技術融入到具體的應用場景中需要自己封裝核心引擎或集成第三方的核心引擎，這具有較高的技術與應用門檻，因而僅被有實力的廠商采用，相關成果只是當前少數智能教育產品的特色功能。以英語口語測試場景為例，如果產品系統將英語口語評分規則與通用的發音檢測、語音識別、文字轉寫等技術相結合，封裝開發“英語口語評測引擎”，體現出感知智能的特性，那么便可以說該產品系統已經達到智能教育應用的中層水平。

3 較深層應用：特定領域認知智能+教育

較深層應用是指人工智能技術與教育應用場景已經做了較深層次的融合，在實踐應用過程中主要體現了“特定領域認知智能”的特點，即在特定場景或領域中具備一定程度的認知推理能力。較深層應用通常會與特定領域的知識體系相結合，需根據業務要求定制模型或開發新算法。由于有顯著的技術門檻，且應用領域比較明確、固定，因而只有技術超群的廠商才能實現，相關成果只是當前極少數智能教育產品的核心功能。以作業場景為例，如果產品系統一方面通過向學科專家、教學專家、命題專家等學習經驗，分別形成面向學科教學與測試的“知識圖譜”（Knowledge Graph），實現了對學科的準確認知；另一方面通過采集學生在聽課、作業、預習與復習場景中的行為數據，對用戶個體與群體畫像，實現了對用戶的準確刻畫；最終綜合知識圖譜和用戶畫像，形成了“個性化推題引擎”，體現了特定領域認知智能的特性，那么便可以說該產品系統已達到智能教育應用的較深層水平。

圖1 智能教育應用的層次劃分

三 智能教育應用的研究范疇

智能教育應用的研究范疇集中在影響智能教育應用建設與落地的三個主要領域：技術領域、模式領域與實踐領域。其中，技術領域主要討論人工智能技術的相關問題，模式領域主要研究教育教學模式的相關問題，而實踐領域主要討論智能教育應用的實踐落地問題。

1 技術領域的研究

智能教育應用技術領域的研究主要解決“有哪些人工智能技術可用于教育應用場景中”和“人工智能技術如何應用到教育場景中”等類型的問題。對智能教育應用技術領域的研究來說，不需要關注開發更快的機器學習算法或探究更深入的智能感知、智能推理的技術原理，而需要關注如何利用通用的機器學習算法與成熟的人工智能引擎，來解決實際教育場景中的技術問題；需要關注實際教育應用場景中有哪些教育問題、學科問題和業務問題等可通過人工智能的手段來解決；需要關注人工智能技術特性和應用策略等相關問題。研究人員并不需要精通機器學習算法細節或人工智能技術開發，但應具備理解、識別和選擇人工智能技術與方案的能力，特別是應具備在真實的教育場景中總結、歸納與提煉技術需求的能力。

2 模式領域的研究

智能教育應用模式領域的研究主要解決“智能教育應用場景應選擇怎樣的教育模式”和“圍繞應用場景如何有效整合技術、產品和方案”等類型的問題。模式領域的研究首先要結合具體產品在真實教育場景中的應用實踐，觀察人工智能技術對當前業務流程與業務邏輯的影響；再結合相關的教育理念與學科特點，有計劃地對業務流程進行再造、實驗與驗證，整理出通過實踐檢驗的流程與方法；最后，將得出的流程與方法經提煉和升華，固化為新的教學模式、學習模式、考試模式、管理模式、評價模式等。以“英語作文智能批改”為例，這一技術和相應服務的出現使語言學習者的英語習作能夠得到個性化的、及時精準的批改，極大地沖擊了現有的英語作文的教學模式和學習方法。因此，智能教育應用模式領域的研究應根據教育業務與場景，結合人工智能技術、產品和方案的特點，構建出新的智能教育應用模式，通過模式創新獲得更好的智能教育應用效果。

3 實踐領域的研究

智能教育應用實踐領域的研究主要討論“怎樣才能更有效地推動智能教育應用的實踐落地”以及“智能教育技術在實踐應用中的價值、意義和影響”等類型的問題。實踐領域的研究是其它領域研究工作的基礎——對真實的、具體的、典型的實踐案例進行全面剖析，總結產品技術、教育活動、管理策略等在實踐過程中的成敗得失，能夠為后來的實踐應用積累寶貴的經驗教訓。特別需要關注和破解的是對人工智能技術及其應用的誤解與偏見。典型的誤解與偏見包括：懷疑排斥型，即總是不相信人工智能可以做推理、判斷，認為人工智能最多可以部分代替人類的體力勞動，而對人類的腦力勞動沒有幫助；期望過高型，即認為人工智能無所不能，可以解決教育領域的大部分問題；概念混淆型，即根據片面的信息和自己的主觀理解，把人工智能技術與其它相關概念混淆，如將“網絡化”、“自動化”等同于“智能化”，進而產生誤解，造成誤判。

四 推動智能教育應用落地的措施

促進智能教育應用落地需要多方協同，整合各方面的力量，打造實踐共同體，構建智能教育應用的生態系統，并為可持續發展提供動力支持和機制保障。

1 打造實踐共同體

智能教育應用的落地，一方面依賴于合適的外部要素，包括政策支持、資金到位、人才就緒、技術成熟等；另一方面依賴于合理的內部要素，即建設者、實踐者、研究者通過相互協作、互相依存，形成實踐共同體，如圖2所示。其中，建設者負責應用產品及服務體系的規劃、設計與生產，既包括人工智能及教育產業界的技術廠商，也包括主導區域智能教育規劃與建設的主管單位（如地方政府、教育局及相關職能部門）；實踐者負責產品的應用實踐，包括各級各類教育機構（如教育局、學校、培訓機構）和各類教育領域的用戶（如教師、學生、家長、教育管理者等）；研究者則負責技術、模式與實踐的研究，既包括高校、企業及科研院所的技術研發者和教學科研人員，也包括廣大中小學校及培訓機構的教研人員。三者組成了利益攸關的實踐共同體，其具體關系為：建設者為實踐者提供應用產品與服務，實踐者為研究者提供實踐案例與行為數據，而研究者幫助建設者改進產品技術，幫助實踐者提升教學的水平和效益。

圖2 智能教育應用的實踐共同體

2 構建基于平臺的智能教育應用生態系統

智能教育應用生態系統要以智能教育平臺作為載體。智能教育平臺是一個依托教育大數據基礎設施（提供海量教育數據存儲、計算與管理的綜合設施），主要提供智能教育應用服務的技術平臺。由于人工智能具有技術門檻高、研發周期長、資金投入大等特點，如果所有的技術應用者都從底層研發開始，既不經濟也不可行。由國家或地方政府投資和監管，委托有實力的廠商企業或行業聯盟構建智能教育平臺，是當前智能教育應用實踐中行之有效的一種選項。2017年11月，由科技部、發改委、財政部、教育部、工信部等15個部門聯合宣布：由四家單位分別牽頭建設新一代人工智能國家級開放創新平臺，包括百度的自動駕駛開放平臺、阿里云的城市大腦開放平臺、騰訊的醫療影像開放平臺和科大訊飛的智能語音開放平臺[9]。國家創新平臺的建設突出技術源頭創新，通過對產業前沿引領技術和關鍵共性技術的研發應用與轉移擴散，推進人工智能在本領域應用生態的形成。

基于智能教育應用平臺，建設者可以便捷地獲取人工智能技術服務并將相關服務融入應用產品中，同時向平臺反饋應用數據；研究者可以利用平臺匯聚的用戶數據，持續提升人工智能技術、產品與服務的應用效果，提煉智能教育應用的新模式與新方法，并用于優化平臺技術、孵化新產品和指導教育實踐；實踐者可以依托平臺上的服務，開展“人工智能+教學”、“人工智能+學習”、“人工智能+考試”等應用實踐，在向平臺反饋數據的同時，也獲得針對性更強、效果更好的智能教育應用服務。三者依托智能教育應用平臺，相互配合、相互支持，可以形成如圖3所示的智能教育應用生態系統。

圖3 基于平臺的智能教育應用生態系統

五 智能教育應用的價值所在

人類進入蒸汽時代，蒸汽設備開始大規模替代簡單的手工勞動；人類進入電氣時代，電氣設備具備了大規模替代程式化體力勞動的能力；人類進入信息時代，信息化設施開始大規模替代簡單的腦力勞動；人類進入智能時代，智能化設施具備了大規模替代程式化腦力勞動的能力。在教育領域，智能教育應用不僅能夠促進教育工作的改進與優化，還能夠推動教育系統的變革與提升，為人類教育的發展打開全新的視角。

1 提升教育智能

智能教育應用使人工智能成為用戶的好助手，在特定場景下，部分替代了程式化腦力勞動，實現為教育活動賦能。如“智能決策引擎”（指自動匯聚、整理、加工數據，并基于推薦模型幫助用戶決策）可幫助教育管理者擺脫繁重的數據統計與分析工作，“智能閱卷引擎”（指自動化評分并給出診斷意見）可幫助教師脫離繁重的試卷批改工作，而“智能推題引擎”（指基于學科知識及學生特點，向學生個性化推薦適合的試題）可以實現精準教學、高效練習和個性化學習。

2 推動教育變革

智能教育應用的落地與推廣，推動了新的教育模式不斷地涌現。在改變原有學習方法、教學策略和管理流程的同時，智能教育應用也在悄悄地提升教育的主體——人。如在各種人工智能引擎的幫助下，學習者可以擺脫簡單低效的學習活動，而把更多精力用在需要深入思考與探究的領域，在潛移默化中培養了創新思維、提升了創新能力。

3 啟迪教育智慧

人類的認知受自身習慣、學習風格、認知水平等諸多因素的限制，而人工智能技術特別是采用強化學習的人工智能技術，卻能夠突破人類的認知局限，為人類開辟了一個全新的世界。以谷歌人工智能圍棋程序AlphaGo為例，其獨創性的戰術與走法是人類歷史上從未出現的，故引起人類頂級棋手紛紛學習效仿[10]。集成此類人工智能技術的智能教育應用，也必將在教育領域啟迪教育智慧，推動教與學的創新發展。

教育肩負著開啟民智、立德樹人的重要使命。在人工智能技術對社會各領域影響越來越大的今天，加強智能教育應用的研究與實踐，不僅能促進教育領域的進步，而且通過培養一批具備人工智能素養的創新人才，能推動人類社會的發展。“比人類更強大的不是AI，而是掌握AI的人類”[11]，讓我們共同迎接智能教育應用更美好的明天！

[1]王玲.日本發布《第五期科學技術基本計劃》 欲打造“超智能社會”[N].光明日報,2016-5-8(8).

[2]萬海鵬,汪丹.基于大數據的牛頓平臺自適應學習機制分析[J].現代教育技術,2016,(5):5-11.

[3]國務院.國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[OL].

[4]祝智庭.智慧教育新發展:從翻轉課堂到智慧課堂及智慧學習空間[J].開放教育研究,2016,(1):18-26.

[5]祝智庭,賀斌.智慧教育:教育信息化的新境界[J].電化教育研究,2012,(12):5-13.

[6]鐘曉流,宋述強,胡敏,等.第四次教育革命視域中的智慧教育生態構建[J].遠程教育雜志,2015,(4):34-40.

[7]劉邦奇.為學習服務:“互聯網+”時代的教育觀念、模式及實現途徑[J].中國電化教育,2017,(8):39-45.

[8]劉雍潛,孫默.數字校園綜合解決方案2016——智慧校園[M].北京:教育科學出版社,2016:111-432.

[9]科技部.科技部召開新一代人工智能發展規劃暨重大科技項目啟動會[OL].

[10]Monaghan E.The rise of artificial intelligence and the end of code[OL].

[11]劉慶峰.A.I.賦能,讓一切皆有可能![OL].