人工智能教材發展新樣態

高博俊?羅明勇?蔡臻昱?李新

2017年7月，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》提出要完善人工智能教育體系，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。2018年4月，教育部頒布的《教育信息化2.0行動計劃》明確提出完善課程方案和課程標準，充實適應信息時代、智能時代發展需要的人工智能和編程課程內容。2019年7月，北京市教委印發了《北京促進人工智能與教育融合發展行動計劃》，提出要實施青少年人工智能素養提升工程，推動人工智能學習納入中小學實踐活動的目標。面向中小學生全面實施人工智能教育已成為時代發展的必然趨勢。

在人工智能逐漸走進基礎教育領域的時代背景下，相關出版社圍繞人工智能教育相繼出版了多部教材，以紙質媒介的方式進行傳播。但對于強調知識動態交互以及學生實踐能力培養的人工智能教育而言，以語言文字為主體的傳統紙質教材無法為學生的“做中學”提供更大支持，在培養學生人工智能素養方面存在一定的不足。尤其是在新冠肺炎疫情防控期間，大規模的在線學習成為教育教學的新常態，傳統紙質教材在支持在線教學活動有效開展方面存在一定的局限性。面對新時代下教育發展的新訴求與新常態，亟需一種新形式的人工智能教材輔助中小學人工智能教育的開展，以培養學生的人工智能素養。

人工智能教材形式的新發展：可交互電子讀本

北京師范大學智慧學習研究院在2020全球智慧教育大會上發布了可交互電子讀本《人工智能助力新冠肺炎疫情防控網絡互動讀本》，該讀本一方面借助理論知識及應用案例，讓青少年讀者了解人工智能技術對新冠肺炎疫情防控工作的輔助及支持，另一方面結合在線編程環境、可視化內容呈現等操作形式，讓青少年在實踐及互動中學習和體驗人工智能的相關知識點。可以說，可交互電子讀本形式的教材為基礎教育領域人工智能教學活動的開展提供了一種新的載體形式，這種形式的讀本既是對未來教材模式的一種全新探索，也是“人工智能+教育”的一次嘗試，有望成為未來人工智能教材的重要形式。

該讀本通過生動有趣的故事和即時交流互動，幫助青少年，尤其是9～15歲的孩子們在了解人工智能實際應用的同時理解其中的基本原理，學習并嘗試使用簡單的人工智能代碼，體驗運用人工智能解決實際問題的樂趣，激發他們的興趣以及進一步學習人工智能的意愿。當然，該讀本面向的對象也不僅僅局限于9～15歲年齡段的學習者，也可以成為其他不同年齡段或沒有任何人工智能知識背景的學習者的學習資料。此外，家長和老師也可以利用這個讀本向青少年介紹人工智能的相關知識，并引導他們與書中的內容進行動態交互，讓他們在體驗人工智能樂趣的同時，培養人工智能的意識和能力。

從內容層面上看，讀本在第1章介紹了有關人工智能的知識，包括人工智能的歷史和術語。第2章主要介紹計算機認識世界的方式，以及人臉和語音識別在疫情期間提供的幫助。第3章主要討論計算機的表達和推理能力，以及疫情期間醫療診所診斷和增強現實咨詢的工作原理。第4章介紹了機器學習的力量，它可以預測病毒的傳播，加速醫療解決方案的形成。第5章進一步討論計算機如何利用自然語言處理與人類的互動。此外，這幾章還依托互動編程環境，通過可視化的方式呈現人工智能的知識點，幫助學生更好地學習和體驗人工智能。

從技術層面看，讀本基于HTML頁面呈現，通過iframe等技術，將各種多媒體資源插入頁面中，如支持交互編程的JupyterHub平臺、神經網絡可視化平臺、知識圖譜問答平臺等。通過網絡前端和Web通信技術，實現AR展示、物聯網控制、模型訓練等功能，讓學生可以直觀地進行操作和體驗，實現知識性和趣味性的有效融合。以HTML形式呈現的交互式讀本本身支持文字、圖形、動畫、聲音、鏈接等多媒體格式，在Web技術支持下可以完成學習內容的動態呈現以及和在線編程平臺的實時串聯，實現學習者與讀本之間的趣味互動。在自然語言處理、語音語義識別、知識圖譜等技術的支持下，還將進一步優化多模態的交互體驗。結合人工智能、增強現實、虛擬現實、物聯網等技術進行開發，并在實例中予以呈現，讓青少年讀者在應用實踐中完成知識建構。

未來人工智能教材的新樣態

內容呈現方式的多樣化與趣味化。在當前技術豐富的時代背景下，人工智能教材內容，完全可以打破傳統的靜態、單一的線性呈現形式，走向內容動態、介質豐腴（包含視頻、音頻、動圖、鏈接等）的立體多模態呈現形式，從而調動學習者的視覺、聽覺、觸覺等多器官參與。教材應充分運用虛擬現實、增強現實等技術，通過設置更多的人機互動環節，打造臨場感與現實學習情境，既突出學習內容的趣味性、互動性展現，又強化學習內容的沉浸式學習體驗。

交互的常態化與交互主體的多元化。學習者與學習環境、學習資源的有效交互能夠豐富學習經驗、建構知識、提升學習效果。未來，應注重開發教材與學習主體之間的交互功能，通過點擊、拖拽、編程、繪畫、語音甚至視頻等方式，實現人機深度交互，讓學習者的學習過程“動起來”，提升學習者的參與度。例如，在學習編程的過程中，學習者可以隨時編寫代碼并調試運行，實現“做中學”。同時，可以增加學習主體之間的交互，激活學習者內部的多種機制，最終促使學習發生并取得學習成就，包括學生與學生之間的互動、學生與教師之間的互動以及學生與內容之間的深度交互等。通過學習主體間的多元交互，實現對學習內容的深度理解與共創，提升學生學習效率，減少學習過程中的“孤獨感”。

學習過程的數據化與學習結果的可視化。在學習效果評價和質量檢測中，海量的學習過程數據是分析學習者學習特點、學習風格的最佳素材，在智能技術的支撐下，借助Coh-Metrix等計算工具對交互式圖書文本的難度、可讀性和心理表征的一致性等進行評估，并基于xAPI等技術從學習者的學習活動中捕捉數據，通過增強與學生之間的互動頻率與互動深度，在互動的基礎上完善數據采集、跟蹤和分析，生成更為準確的學習者畫像模型。為學習過程涉及的各相關方提供參考，為教學干預提供依據，實現個性化學習。同時，學習者完成課后的練習題后，教材將自動完成答案的校對與分數的合成，給出可視化結果，方便學習者與教師查看，清晰直觀地發現學習中存在的問題。

學習資源的可塑化與跨終端使用的流暢化。人工智能的學習存在知識點更新快的現象，例如區塊鏈、5G以及邊緣計算等內容的學習，未來教材將打破傳統出版行業審稿流程慢、印刷周期長等壁壘，實現學習資源的動態更新，緊跟熱點，確保教材“不過時”，同時也應設定相關機制，支持用戶原創內容上傳。例如：學習者可以上傳自己對某段代碼的理解，對某段程序的簡化;教師也同樣可以上傳對于易錯知識點的特別提醒，從而構建一個內容豐富的資源庫。此外，實現跨終端與設備間的流暢使用也是未來的一個重要方向，突破格式與兼容性的限制，使教材能夠在多種終端中正常使用。

（作者高博俊、蔡臻昱、李新單位：北京師范大學智慧學習研究院;作者羅明勇單位：北京師范大學第二附屬中學）

責任編輯：王夢茜