人工智能教學平臺的分析與建議

原千慧 賈積有

人工智能教學平臺是用于人工智能知識教學的虛擬學習環境，英文是Virtual Learning Environment（以下簡稱VLE）。虛擬學習環境是一種獨立的、基于網絡的系統，其中整合了音頻、動畫、視頻和文本等要素。教師可以在該系統中分享教學資源，學生可以像在傳統課堂一樣學習。與計算機輔助教學（CAI：Computer Aided Instruction）和智能教學系統（ITS：Intelligent Tutoring System）不同的是，VLE讓學生可以與其他參與者互動，而老師也可以在VLE中利用多種技術來促進課堂活動。人工智能教學平臺有助于破解當前中小學人工智能教育資源分配不均、優秀師資匱乏的難題。

人工智能教學平臺的發展

早在1983年，VLE的雛形就已經出現，并被應用于教學。當時，有人為腦癱兒童設計了一個基于計算機的學習環境，設置了各種各樣的標識游戲，輔助腦癱兒童的治療與學習。結果，該系統幫助這些兒童提升了對幾何與數學概念的理解。1994年，Virtual Learning Environment這一概念被正式提出。隨著技術水平和教育理念的不斷發展，VLE的應用領域越來越廣泛，其功能也在不斷豐富。1996年，VLE開始被用于STEM教育。在一門面向研究生開設的以“信息系統”為主題的討論課上，來自瑪麗斯特學院的兩名學者使用了一個名為Diversity University的VLE模塊，為分散在不同地區實地研究的學生提供在線文本互動的平臺。其教學效果完全不輸現場教學，不僅幫助參與者跨越了空間距離的障礙，還比現場教學更加節省金錢和時間。

1999年，VLE中的虛擬實驗室在STEM學科的課堂上投入使用。德國國家信息技術研究中心和海德堡大學的研究團隊將DELTA虛擬物理實驗室應用于物理與天文的教學，不僅節省了大量實驗經費，讓每個學生都有機會進行自由的嘗試，還不用擔心實驗失敗帶來的危險和損失，更好地促進了學生對理論知識的理解。

在人工智能學科創立和發展之后，VLE開始逐漸與人工智能教育融合。有的平臺配備了機器人實驗室，老師通過軟件與硬件的結合，促進了課堂教學;有的平臺允許老師對現有教學資源進行修改和補充，讓平臺上的知識更新與技術發展保持同步。人工智能教學平臺所具備的功能已經相當全面，并且能夠有效地支持教學活動的開展。

2008年7月，麻省理工學院“終身幼兒園”團隊發布了團隊開發的Scratch圖形化編程工具。Scratch腳本模塊具體表現為舞臺的設計與更換、角色的分配與分角色設置代碼、循環結構的應用和邏輯條件的判斷;Scratch軟件的程序設計是將符號和指令代碼代替自然語言分析問題。與其他編程語言相比，Scratch擁有更為美觀的界面和更為簡易的操作方式。學生可以通過組合代表不同語句的積木塊來設計程序。目前，Scratch平臺已被翻譯為70多種語言，在世界大部分國家和地區使用。

人工智能教學平臺的組成

現有的人工智能教學平臺大多包括以下四個部分。

第一，編程環境。平臺的首要功能是提供編寫程序的開發環境——支持以Scratch為基礎的圖形編程（或積木編程）和以Python語言、C語言、R語言等為基礎的文本編程。在人工智能教學的過程中，老師和同學可以運用平臺中認知AI、分類AI等模塊結合邏輯框架進行編程，以感受人工智能應用的原理與效果。由于Scratch擴展性稍差，這些平臺還提供Scratch與常用編程語言間的過渡與轉化，幫助學生與實際應用接軌。

第二，硬件設備。除了給平臺上創作空間中的動畫形象編程，學生還可以通過藍牙或無線網絡把程序與LED燈、各式傳感器、小車、機器人等開源硬件連接起來，讓程序效果真實可感。有的公司甚至幫助學校建設人工智能課程的實驗室，提升人工智能教學的硬件水平。此類課程實踐性強，需要學生在反復嘗試中理解所學概念和原理，而很多人工智能技術的發明成果轉化成本高昂，比如無人駕駛汽車、智能翻譯機等，難以大量配置在傳統教室中供學生普遍使用。而在虛擬實驗室中，平臺開發者只需要設計出模擬人工智能功能的模塊和虛擬形象，學生就可以編寫代碼，操縱該形象完成人臉識別、語音識別等課堂任務。因此，借助虛擬實驗室輔助人工智能教學，可以保證課堂質量。

第三，課程資源。平臺可以提供一些教學資源，如人工智能公開課和編程教程。這些教學資源可以為老師提供更加廣闊的教學思路，大大減輕老師的負擔，緩解優質師資不足的窘境。平臺資源共享的功能還可以為教師提供人工智能領域的前沿成果和高質量的教學素材，讓老師在平臺上學習，幫助教師提升人工智能課程的教學質量。學生則可以利用平臺豐富的資源自主學習，查缺補漏。

第四，交流社區。絕大多數現有的人工智能教育平臺都設置了“社區”，為使用者提供展示、交流的空間。在此類社區中，用戶可以上傳自己的程序作品、獨創的積木塊或課程設計，供大家學習參考;用戶也可以提出創作中遇到的問題，等待同學和老師的解答。社區的建設可以有效促進課上課下的互動，方便老師組織管理。

人工智能教學平臺建設的問題與對策

目前人工智能教學平臺還存在一些問題。

平臺設計脫離實際教學。平臺開發過程中，一線教師的缺位和測試環節的不到位導致平臺開發者局限于程序設計的專業思維，忽略了教學過程和教學對象的特點，給授課教師和學生帶來不便。

開放式、探索式的學習環境中賦予了學生較高的自由度，以激發他們的創造力。但是，這也產生了課堂秩序混亂、課堂紀律難以維持等問題。有老師表示，希望平臺能有相應的功能，賦予老師更高的權限，加強對學生的管控，避免學生在課堂上出現注意力分散、擾亂課堂秩序的現象。

數據安全問題缺乏保障。使用人工智能教學平臺進行教學的過程中會產生大量的數據，而如何確保這些數據的安全，是平臺建設的重中之重。在學校沒有能力開發平臺的情況下，很多老師只能使用網上面向公眾免費開放的開源平臺。但這些平臺提供的免費服務不受協議約束，平臺對于數據的處置完全不透明。個別學校有實力購買高端的服務，但這些公司提供的數據保障也是有一定限度的。這就給學校帶來了風險。目前來看，較為妥帖的解決方案是由教育部或地方教育部門牽頭建設人工智能教學平臺，并在建設過程中引入企業，為平臺開發提供必要的技術支持。以官方的擔保避免數據被泄漏或濫用。

缺乏與其他系統的有機整合。目前許多中小學都已經使用管理平臺進行精準教學和高效管理。有的平臺可以通過大數據與人工智能技術實現基于學生常態化學情的診斷分析，提升教學效率與課堂教學容量。有的平臺具備智能排課、師生管理、OA辦公等功能，能夠全面地滿足學校在教務管理、教師發展、學生成長等多方面訴求。負責人工智能教學的專用平臺也為老師和學生提供了多樣化的選擇。

各種各樣的平臺之間數據信息不能共享，使得各個平臺難免成為一座座信息孤島，就會給教師帶來重復輸入、信息冗余、信息交流的一致性無法保證等困難。記憶多個賬戶的賬號和密碼，頻繁切換不同的平臺既會消耗不必要的精力，也會給學生和老師造成混亂，違背了使用技術化繁為簡的初衷。如果在未來的建設過程中，能把這些平臺的功能與人工智能教學平臺有機整合，讓學生和老師只需要一套身份驗證就可以在不同的平臺之間切換，就可以提高各個平臺的使用效率。

思考與建議

現有人工智能教學平臺盡管在上述三個方面還存在很大的提升空間，但其現有功能已經能滿足大多數老師和學生的需求，并且已在中小學人工智能的課堂上得到了廣泛的應用。不過，人工智能教育的普及并不能僅僅依靠人工智能平臺的建設。除了“缺乏優質師資”以外，“課時不足”和“經費不足”也是人工智能教育難以普及的主要障礙，一個重要的原因是學校對人工智能課不夠重視，把考試成績作為衡量教學成果的唯一標準。對學校而言，由于驗證教育成效耗時較長，“投資”中高考科目的性價比也相對更高。同時，師生對信息技術課“副科”的認知也令課堂教學效果大打折扣。人工智能課程雖進了學校，卻未能走進老師和學生的心。

為此，除了考慮將信息技術考試納入高考科目，提升人們對人工智能教育的重視外，為中小學人工智能教育的成果提供展示的平臺也能凸顯人工智能教育的價值。中學、大學在招生時應給予中小學生在比賽和展會中取得的成績一定的認可，以鼓勵他們學習并參與人工智能實踐活動，以此提高人工智能課程在學校課程體系中的地位，讓日趨完善的人工智能平臺有用武之地。