中小學(xué)人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建研究

高潔

【摘 要】當(dāng)前，人工智能專用教學(xué)教室還沒有廣泛研究與建設(shè)，本文從智慧學(xué)習(xí)環(huán)境與人工智能技術(shù)兩方面闡述如何進行中小學(xué)人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建，再以2017年底建設(shè)完成并投入使用的人工智能教學(xué)聯(lián)合實驗室為案例進行分析，最后進行反思與總結(jié)，為相關(guān)研究者提供參考。

【關(guān)鍵詞】人工智能;學(xué)習(xí)環(huán)境;教育應(yīng)用;環(huán)境構(gòu)建

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）05-028-03

2018年4月，教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》中明確提出要構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)支持環(huán)境，開展以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)，并且提出啟動“人工智能+教師隊伍建設(shè)行動”，推動人工智能在教師各方面的支持工作。學(xué)習(xí)環(huán)境指人們在進行學(xué)習(xí)時所面臨的周圍的情況，包括物理學(xué)習(xí)環(huán)境、資源學(xué)習(xí)環(huán)境、技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境和情感學(xué)習(xí)環(huán)境。

大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，新的學(xué)習(xí)環(huán)境——智慧學(xué)習(xí)環(huán)境被廣泛提出。智慧學(xué)習(xí)環(huán)境是一種能識別學(xué)習(xí)者特征、感知學(xué)習(xí)情景、便利的互動工具與提供合適的學(xué)習(xí)資源、自動記錄學(xué)習(xí)過程和評測學(xué)習(xí)成果，以促進學(xué)習(xí)者有效學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)場所或活動空間。最終使學(xué)習(xí)者達到輕松、投入和有效的學(xué)習(xí)。

人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建理論

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境可以體現(xiàn)人工智能教育應(yīng)用對教學(xué)的幫助，人工智能是支持智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的重要技術(shù)手段，而針對不同的人工智能教育應(yīng)用又有不同的技術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境[1][2]：（1）智能導(dǎo)師：需要通過自然語言處理和語音識別技術(shù)，來實現(xiàn)計算機扮演導(dǎo)師角色的功能;（2）教育機器人等智能助手：此類應(yīng)用需要語音識別、深度學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)等技術(shù);（3）智能測評：需要自然語言處理技術(shù)、語音識別、語料庫技術(shù)、圖像識別及非機打文本語義識別技術(shù);（4）教育數(shù)據(jù)的挖掘與智能化分析：需要運用數(shù)學(xué)統(tǒng)計、機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)和方法;（5）情緒感知系統(tǒng)：需要人臉識別、眼動跟蹤、手勢識別等技術(shù);（6）學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)：需要基于大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析技術(shù);如需要虛擬環(huán)境支持;（7）虛擬課堂：需要虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實技術(shù)的支持。

本研究試圖將更多的人工智能教育應(yīng)用集成在一個學(xué)習(xí)環(huán)境中，使學(xué)習(xí)環(huán)境以多種人工智能教育應(yīng)用為主題。就目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對專用的人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境的研究鮮少，本研究將創(chuàng)建此種學(xué)習(xí)環(huán)境，圍繞人工智能教育技術(shù)和人工智能的教育應(yīng)用，展開理論和實踐兩條線索的設(shè)計研究，學(xué)習(xí)環(huán)境更貼近理論要求和實際操作。

一方面，人工智能的教育環(huán)境是一個智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，滿足智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的特征，它的構(gòu)成包括學(xué)習(xí)者、干預(yù)者、資源庫、數(shù)據(jù)庫、設(shè)備、支持技術(shù)，其中干預(yù)者不是非必要條件，硬件設(shè)備如桌椅也應(yīng)是支持自由拼接并可形成“圓桌型”“多邊型”“稻秧型”“馬蹄型”等。智慧學(xué)習(xí)環(huán)境中的技術(shù)因其設(shè)備的豐富也多種多樣，有的技術(shù)可以給學(xué)習(xí)者自動推送信息，有的技術(shù)可以使學(xué)習(xí)者進入模擬世界體驗真實世界中的操作去感受和領(lǐng)悟。在此所說的技術(shù)已包括最基本的多媒體、投影、高速無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，還有如人工智能、傳感器、自動推理、二維碼和視頻監(jiān)控等無線通信和情境感知技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘、增強現(xiàn)實、3D打印等評價與學(xué)習(xí)技術(shù)，動作捕獲、情感計算、課堂教學(xué)效果分析、交互文本分析、文本挖掘等分析與跟蹤技術(shù)，學(xué)習(xí)對象、語義Web和本體構(gòu)建與重構(gòu)技術(shù)等。

另一方面，人工智能的教育環(huán)境是以人工智能技術(shù)應(yīng)用為主的學(xué)習(xí)環(huán)境，除了智慧學(xué)習(xí)環(huán)境所具有的特征以外，還更強調(diào)在技術(shù)支持中注重人工智能技術(shù)的應(yīng)用。環(huán)境包括硬件、軟件和資源。硬件包括了學(xué)習(xí)設(shè)備及非學(xué)習(xí)的支持設(shè)備，如簽到、門窗、燈光、桌椅等，學(xué)習(xí)設(shè)備是直接用于教學(xué)活動的，如電子黑白板、虛擬教學(xué)用具、教學(xué)移動設(shè)備等，而在人工智能教育環(huán)境中硬件方面的特色是具有教育機器人;軟件包括了在設(shè)備中安裝的可存放資源的可交互平臺;資源是指支持師生使用人工智能教育應(yīng)用的知識材料等。

人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建實踐

2017年底海淀教科院建成人工智能教學(xué)聯(lián)合實驗室，以人工智能與教育領(lǐng)域的探索研究、示范應(yīng)用為建設(shè)目標，通過打造軟硬件設(shè)施支撐人工智能教育、教學(xué)、探究活動的開展，進行整體規(guī)劃建設(shè)（圖1，圖2）。

人工智能教學(xué)聯(lián)合實驗室集硬件、軟件和課程為一體，包括4個分區(qū)、6個系統(tǒng)、1個工具、多個體驗產(chǎn)品。4個分區(qū)包括授課區(qū)、互動體驗區(qū)、智能產(chǎn)品展示區(qū)、智能信息系統(tǒng)區(qū)。6個系統(tǒng)分別為：智能簽到、展示及班級顯示子系統(tǒng)，通過搭建智慧課堂系統(tǒng)，實現(xiàn)課前、課中、課后的全過程教學(xué)和作業(yè)管理，同時為大數(shù)據(jù)分析平臺提供過程數(shù)據(jù);智慧課堂教學(xué)、互動子系統(tǒng)，作用同前一個子系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)智能控制子系統(tǒng)，基于語音識別、語音智控功能，實現(xiàn)對班級內(nèi)燈光、空氣凈化器、空調(diào)、窗簾等設(shè)備的智能管理、控制;大數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，采用“人腦圖譜”大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)對學(xué)生進校全天學(xué)習(xí)、生活、學(xué)業(yè)影響、學(xué)情預(yù)判等的大數(shù)據(jù)分析;VR教學(xué)研究子系統(tǒng)，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)VR在教育、教學(xué)過程中的研究及互動應(yīng)用;聽見實時翻譯顯示子系統(tǒng)，基于科大訊飛特有的語音識別及語音合成技術(shù)，實現(xiàn)講課過程的實時文字顯示、多語種翻譯功能。一個工具指智慧微課工具，可重新構(gòu)建教學(xué)錄課環(huán)境，更智能、更方便，一鍵錄制微課，利用智能語音技術(shù)實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)譯，記錄課堂的每一個精彩瞬間，動態(tài)積累常規(guī)課堂教學(xué)資源，建設(shè)更為詳實的校本資源庫;通過語義理解與分析，進行文本結(jié)構(gòu)化，實現(xiàn)知識點的自動歸類與掛接，與演示課件實現(xiàn)動態(tài)同步，便于學(xué)生更精準地定位課堂內(nèi)容，針對性解決學(xué)習(xí)問題，極大地提升了學(xué)習(xí)便捷性。多個體驗產(chǎn)品指音響、錄音筆、翻譯機、臺燈、加濕器、機器人、手表、電視盒子等。

在此構(gòu)建的教室環(huán)境中，師生可以開展智慧課堂，可以進行智慧微課錄制，可以開展VR和AR互動課堂，可以開展AI課程，包括課前、課中、課后的環(huán)節(jié)。

目前該實驗室主要進行教師培訓(xùn)，截至2019年11月已完成八期培訓(xùn)，涉及所有學(xué)科教師，很多優(yōu)秀的學(xué)員參加論壇、比賽、論文發(fā)表等。2018年7月，海淀區(qū)在國家會議中心順利舉辦“突破·合作探究與實踐創(chuàng)新——海淀區(qū)人工智能創(chuàng)新教育論壇”，在“人工智能進課堂教學(xué)實踐分享”環(huán)節(jié)，八一學(xué)校的丁洪山、中國人民大學(xué)附屬中學(xué)實驗小學(xué)的田迎春兩位老師分別登臺說課，將“語音臺燈”與“智能家居系列之人工智能控制”兩節(jié)人工智能課堂教學(xué)設(shè)計、實施過程、教學(xué)反思向與會者進行了展示與分享，讓與會者更直觀地了解了海淀中小學(xué)人工智能相關(guān)課程的研究情況與真實的效果反饋。中央電教館2019年度的“新媒體新技術(shù)教學(xué)應(yīng)用研討會暨第十二屆全國中小學(xué)創(chuàng)新課堂教學(xué)實踐觀摩活動”，從全國范圍內(nèi)選拔出的人工智能現(xiàn)場展示課共6節(jié)，其中5節(jié)課由海淀區(qū)教師進行展示，并獲現(xiàn)場課一等獎，此外，大賽還舉辦說課活動，海淀區(qū)有兩位教師獲得說課一等獎，所有海淀區(qū)的獲獎老師中有三位均為區(qū)級人工智能教育培訓(xùn)班的優(yōu)秀學(xué)員。北京市海淀區(qū)第二實驗小學(xué)的吳思琦老師在培訓(xùn)后積極在課堂中引入人工智能技術(shù)輔助教學(xué)，進行深入思考后于2019年7月在《中小學(xué)信息技術(shù)教育》雜志發(fā)表《人工智能教育軟件在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用——以“運動起來會怎樣（一）”為例》一文。首都師范大學(xué)附屬育新學(xué)校的一位教師，在培訓(xùn)期間對智能編程機器人與虛擬實驗室軟件深入了解后，在學(xué)校開展編程課程和教研活動。

人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建對發(fā)展智能教育有重要意義。第一，可以培養(yǎng)孩子們的意識、觀念，讓他們了解人工智能，并且積極地參與進來;第二，增加和拓展中小學(xué)階段的人工智能相關(guān)課程，逐步提高孩子們的人工智能動手能力;第三，對有特殊興趣和能力的學(xué)生增加“特長教育”，從而帶動全校和全區(qū)的人工智能優(yōu)秀學(xué)生發(fā)展;第四，加大教師的人工智能相關(guān)教學(xué)能力提升，鼓勵創(chuàng)新、開拓型優(yōu)秀教師培養(yǎng);第五，在智慧校園的信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，發(fā)展人工智能技術(shù)支持的智能教育。人工智能實驗室的創(chuàng)建是積極響應(yīng)新世紀培養(yǎng)高素質(zhì)人才的要求，是積極迎接新技術(shù)變革教育挑戰(zhàn)的表現(xiàn)，為研究和發(fā)展智能教育提供了基礎(chǔ)。實驗室不僅為海淀區(qū)各校、直屬單位的全學(xué)科中小學(xué)教師舉辦專題培訓(xùn)、教學(xué)研討、課題研究活動提供了智能空間，也為教師回校開展人工智能課程、舉辦區(qū)級大型活動等提供了技術(shù)支持，數(shù)次迎接了國家、市領(lǐng)導(dǎo)和各級同仁單位的調(diào)研參觀，為區(qū)中小學(xué)人工智能課程的引入、新技術(shù)的探索開發(fā)、人工智能新產(chǎn)品進課堂的實驗，提供硬件基礎(chǔ)及實驗平臺，助力了人工智能在海淀區(qū)教育行業(yè)的科學(xué)研究、技術(shù)推廣和應(yīng)用示范，推動了海淀區(qū)人工智能教育發(fā)展環(huán)境和實施路徑的建設(shè)，為海淀區(qū)邁進智慧教育2.0時代添磚加瓦。

參考文獻

閆志明，唐夏夏，秦旋，張飛，段元美. 教育人工智能（EAI）的內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用趨勢——美國《為人工智能的未來做好準備》和《國家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃》報告解析[J]. 遠程教育雜志，2017（1）： 26-35.

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作者單位：北京市海淀區(qū)教育科學(xué)研究院