基于人工智能技術(shù)的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

摘 "要 "在個(gè)性化教育和終身教育需求日益增長的背景下，在人工智能技術(shù)賦能發(fā)展的時(shí)代，高性能的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有良好的開發(fā)基礎(chǔ)和廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)“千人千面”的個(gè)性化教學(xué)，難以全面評估學(xué)生的綜合水平，缺乏對學(xué)生的人文關(guān)懷。通過梳理當(dāng)前成熟的人工智能技術(shù)，結(jié)合教育學(xué)和心理學(xué)的理論及實(shí)踐成果，設(shè)計(jì)出基于人工智能技術(shù)的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，為學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)提供有效工具。

關(guān)鍵詞 "人工智能技術(shù)；個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)；學(xué)習(xí)資源

中圖分類號：G434 " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）02-0031-06

Development and Design of Personalized Self-Study Sys-tem Based on Artificial Intelligence Technology//LIN Shule

Abstract "In the context of the growing demand for persona-

lized education and lifelong education， in the era of artificial

intelligence technology enabling development， high-perfor-

mance personalized self-study system has a good development

foundation and broad application prospects. The traditional self-study system is difficult to realize the personalized tea-ching and is difficult to evaluate the comprehensive level of

learners， as well as lacking humanistic care for learners， a per-

sonalized self-study system has been designed based on arti-ficial intelligence technology by combing the current mature artificial intelligence technology with the theory and practice experience of pedagogy and psychology to provide effective tools for learners.

Key words "artificial intelligence technology; personalized self-study system; learning resources

0 "引言

當(dāng)前，全球正在進(jìn)入人工智能賦能的新時(shí)代，人們的生產(chǎn)生活以及學(xué)習(xí)、科研的方式發(fā)生變化，推動(dòng)著社會向智能化、個(gè)性化方向發(fā)展。在此背景下，教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，要求以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，積極開展智慧教育創(chuàng)新研究和示范。

與此同時(shí)，隨著社會經(jīng)濟(jì)水平和生活水平的提高，人們的教育需求正從標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)向個(gè)性化學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)發(fā)展，相應(yīng)地，教育服務(wù)供給也將由標(biāo)準(zhǔn)化供給向個(gè)性化服務(wù)轉(zhuǎn)變。因此，開發(fā)個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)極其迫切。

本文介紹人工智能技術(shù)的功能及應(yīng)用場景，然后將這些功能與完整的自主學(xué)習(xí)過程深度融合，設(shè)計(jì)出個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以期為學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)提供一種有效的工具。

1 "人工智能技術(shù)的應(yīng)用

人工智能是依靠大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)制造智能機(jī)器或開發(fā)智能計(jì)算機(jī)程序，從事類似人的智能工作或完成類似人類智能的任務(wù)，如感知、推理和行動(dòng)等[1]。目前，人工智能技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于人臉表情識別、語音識別、智能推薦、圖像識別、動(dòng)作識別等。

1.1 "人臉表情識別

人臉表情識別是指給定一張人臉圖片，判斷出這張圖片所屬的表情類別。通過優(yōu)化算法、提高運(yùn)算能力，人臉表情識別系統(tǒng)能做到實(shí)時(shí)判斷人的情緒[2-3]。這些技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于課堂教學(xué)質(zhì)量評價(jià)中。賈鸝宇等[4]基于課堂視頻，采用人工智能的方法，對學(xué)生狀態(tài)進(jìn)行分析并對指標(biāo)進(jìn)行量化。韓麗等[5]結(jié)合現(xiàn)有智能監(jiān)控設(shè)備，利用多姿態(tài)人臉檢測和面部表情識別技術(shù)，及時(shí)獲取學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的情緒變化，設(shè)計(jì)課堂教學(xué)評價(jià)系統(tǒng)。目前，市場上成熟的人臉表情識別產(chǎn)品有諾達(dá)思的面部表情分析系統(tǒng)、曠視科技的Face++等。

1.2 "語音識別

語音識別是一種基于語音特征參數(shù)的模式識別，包括情感分析、語義理解、關(guān)鍵詞提取等。其中，語義理解、關(guān)鍵詞提取等功能可以識別語音中包含的文字內(nèi)容，在人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。而語音情感分析能夠判斷和理解說話人的情緒狀態(tài)，在教學(xué)過程中起到積極作用。張永皋等[6]將語音情感分析技術(shù)用于遠(yuǎn)程教育中，以彌補(bǔ)教學(xué)中的情感缺失。卞浩瑄等[7]通過教師授課語音的文字識別和語音情感識別來分析教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，從而構(gòu)建一套智能化的教學(xué)質(zhì)量綜合評價(jià)方法。目前，市場上成熟的語音情感分析產(chǎn)品有科大訊飛的自然語言處理產(chǎn)品、華為云的自然語言處理產(chǎn)品等。

1.3 "智能推薦

智能推薦是指利用用戶的行為日志分析用戶的特征、偏好并向其推薦所需信息。智能推薦系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子商務(wù)、視聽產(chǎn)品播放等場景中。近年來，研究者嘗試將智能推薦系統(tǒng)應(yīng)用于教育領(lǐng)域。張進(jìn)良等[8]構(gòu)建以學(xué)生大數(shù)據(jù)分析和學(xué)習(xí)資源大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)、以智能推薦引擎為核心、以個(gè)性化資源服務(wù)為目的的學(xué)習(xí)資源智能推薦模型。董敏[9]采用混合推薦算法提高中小學(xué)教育資源推薦系統(tǒng)的效率。目前，市場上成熟的具備智能推薦功能的系統(tǒng)主要有百度智能云的智能推薦BRS、阿里云智能推薦AIRec等。

1.4 "圖像識別

圖像識別是指基于深度學(xué)習(xí)算法，根據(jù)當(dāng)前圖像與目標(biāo)圖像的相似度，對圖像的類型進(jìn)行分類。該技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域，在教育領(lǐng)域主要基于圖像轉(zhuǎn)文字技術(shù)輔助閱卷[10]。目前，市場上成熟的圖像識別產(chǎn)品是具有圖片差異識別功能的基恩士AI+圖像傳感器。

1.5 "動(dòng)作識別

動(dòng)作識別是利用計(jì)算機(jī)檢測動(dòng)作數(shù)據(jù)、獲取并符號化動(dòng)作信息，繼而提取和理解動(dòng)作特征以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作行為分類的過程。該技術(shù)在安防監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)被成功應(yīng)用，在人機(jī)交互領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。周

全[11]利用坐姿識別技術(shù)制作教學(xué)反饋系統(tǒng)。王

磊[12]首先利用動(dòng)作識別技術(shù)精準(zhǔn)跟蹤毛筆的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過計(jì)算書法學(xué)習(xí)者的毛筆運(yùn)動(dòng)軌跡與范本之間的差異特征完成臨摹評分。

2 "個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 "系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)該是知識內(nèi)容的重新配置者和優(yōu)質(zhì)教育資源的推送者，應(yīng)該是個(gè)性化學(xué)習(xí)顧問和教學(xué)交互的促進(jìn)者。因此，完整的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)該包括個(gè)性化知識講授系統(tǒng)、個(gè)性化技能訓(xùn)練系統(tǒng)、綜合評價(jià)系統(tǒng)、個(gè)性化學(xué)習(xí)建議系統(tǒng)等模塊，具有智能推送學(xué)習(xí)資源、針對性地強(qiáng)化訓(xùn)練、引導(dǎo)學(xué)生制定學(xué)習(xí)計(jì)劃、調(diào)節(jié)學(xué)生情感以達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)、跟蹤和評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果等功能。

個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。基于“學(xué)—練—評—促”四者循環(huán)的教學(xué)理念，該系統(tǒng)由個(gè)性化知識講授系統(tǒng)、個(gè)性化技能訓(xùn)練系統(tǒng)、綜合評價(jià)系統(tǒng)、個(gè)性化學(xué)習(xí)建議系統(tǒng)等四大模塊構(gòu)成。個(gè)性化知識講授系統(tǒng)融合相關(guān)動(dòng)畫、文檔、網(wǎng)絡(luò)視頻、授課視頻、閱讀素材以及專業(yè)詞典等資源，具備推送教學(xué)資源和講解學(xué)習(xí)方法的功能；個(gè)性化技能訓(xùn)練系統(tǒng)融合理論知識題、理論應(yīng)用題、仿真操作題、實(shí)訓(xùn)操作題、案例分析題以及情景模擬題等資源，具備訓(xùn)練任務(wù)推送、智能質(zhì)量評價(jià)和任務(wù)要點(diǎn)分析等功能；綜合評價(jià)系統(tǒng)根據(jù)崗位適應(yīng)性評價(jià)、思想素質(zhì)評價(jià)、創(chuàng)業(yè)能力評價(jià)、心理素質(zhì)評價(jià)、執(zhí)行力評價(jià)，以及IQ、EQ與AQ（智力商數(shù)、情緒商數(shù)與逆境商數(shù)）測試結(jié)果，從知識層面、技能層面和素質(zhì)層面評價(jià)學(xué)生；個(gè)性化學(xué)習(xí)建議系統(tǒng)能根據(jù)學(xué)生實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生制定學(xué)習(xí)計(jì)劃、發(fā)展自主性、調(diào)控情感并鼓勵(lì)學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

此外，每個(gè)模塊都應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化和精準(zhǔn)化的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)千人千面的個(gè)性化教學(xué)；并且所有的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)將記錄在系統(tǒng)中，形成個(gè)人學(xué)習(xí)檔案，使系統(tǒng)成為學(xué)生的終身“私人教練”。

2.2 "個(gè)性化知識講授系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的知識講授系統(tǒng)有騰訊課堂、云朵課堂等在線直播平臺以及網(wǎng)易云課堂、中國大學(xué)MOOC等學(xué)習(xí)資源點(diǎn)播平臺。但是這些系統(tǒng)都無法根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和狀態(tài)進(jìn)行授課，也無法讓教師兼顧學(xué)生的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“一對一”授課。

個(gè)性化知識講授系統(tǒng)以攝像頭和麥克風(fēng)為輸入端，利用關(guān)鍵詞提取、語義理解、情感分析、人臉表情識別等人工智能技術(shù)，根據(jù)學(xué)生的狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。對于學(xué)生出現(xiàn)疑問、沒興趣、不耐煩等情景，分別提供不同選項(xiàng)讓學(xué)生選擇，而決策數(shù)據(jù)又反饋到系統(tǒng)中，讓日后的講解和推送的知識更加精準(zhǔn)。具體的個(gè)性化知識講授系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

通過提取關(guān)鍵詞，系統(tǒng)可以按相關(guān)性強(qiáng)弱排列教學(xué)資源，方便學(xué)生搜索需要學(xué)習(xí)的資源。

系統(tǒng)通過語言感知和人臉表情識別判斷學(xué)生對知識點(diǎn)有疑問時(shí)，會慢速播放視頻讓學(xué)生聽清楚，提供相關(guān)知識點(diǎn)供學(xué)生先打基礎(chǔ)，介紹該知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)方法讓學(xué)生調(diào)整學(xué)習(xí)策略。

系統(tǒng)通過語言感知和人臉表情識別判斷學(xué)生對知識點(diǎn)沒興趣時(shí)，會提供該知識點(diǎn)下的其他教學(xué)資源讓學(xué)生用自己感興趣的方式學(xué)習(xí)，介紹該知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)目的以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，進(jìn)入技能訓(xùn)練系統(tǒng)讓學(xué)生測試后判斷是否需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)該知

識點(diǎn)。

系統(tǒng)通過語言感知和人臉表情識別判斷學(xué)生對知識點(diǎn)不耐煩時(shí)，會進(jìn)入技能訓(xùn)練系統(tǒng)讓學(xué)生測試后判斷是否需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)該知識點(diǎn)，快速播放視頻讓學(xué)生快速進(jìn)入需要細(xì)致學(xué)習(xí)的地方，利用學(xué)習(xí)建議系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生調(diào)控情感。

2.3 "個(gè)性化技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于學(xué)生而言，傳統(tǒng)的技能訓(xùn)練方式主要是完成教師統(tǒng)一布置的練習(xí)題、學(xué)習(xí)任務(wù)等，輔以教師答疑等方式，通過大量的題海戰(zhàn)術(shù)實(shí)現(xiàn)技能的提升。同時(shí)，以往的評分系統(tǒng)主要面向客觀題，主觀題需要人工評分。

個(gè)性化技能訓(xùn)練系統(tǒng)基于自然分材教學(xué)理念[13]，

利用智能推薦技術(shù)，讓學(xué)生自己設(shè)定訓(xùn)練目標(biāo)后，根據(jù)學(xué)習(xí)習(xí)慣、以往的學(xué)習(xí)成績等從題庫中選擇難度合適的題目，必要時(shí)在系統(tǒng)提示下完成訓(xùn)練任務(wù)。同時(shí)，該系統(tǒng)充分利用語音識別、圖像識別、動(dòng)作識別等技術(shù)，讓任務(wù)的完成形式不再局限于書面層次，而是拓展至口試、實(shí)訓(xùn)操作、情景模擬等。本系統(tǒng)具有任務(wù)完成質(zhì)量評價(jià)模塊和訓(xùn)練目標(biāo)完成度評價(jià)模塊，如果學(xué)生無法實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的訓(xùn)練目標(biāo)，那么系統(tǒng)將讓學(xué)生重設(shè)目標(biāo)或進(jìn)入知識講授系統(tǒng)補(bǔ)習(xí)必要知識。具體的個(gè)性化技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

所有的訓(xùn)練數(shù)據(jù)將記錄在系統(tǒng)上，從而提高學(xué)習(xí)任務(wù)推送的精準(zhǔn)性。

2.4 "綜合評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為學(xué)生的終身“私人教練”，綜合評價(jià)系統(tǒng)能讓學(xué)生更為全面地理解自己的特點(diǎn)，避免確認(rèn)偏誤。利用系統(tǒng)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷、學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)習(xí)慣、情緒情感變化、興趣偏好等信息，基于知識樹的加權(quán)評估模型、知識空間的三維向量模型、德爾菲指標(biāo)加權(quán)評估模型等評價(jià)模型[14-15]，對學(xué)生的知識儲備、基礎(chǔ)能力、專業(yè)能力、社會能力、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度、思想品德、職業(yè)道德、心理健康等進(jìn)行分類評估，再利用自適應(yīng)測試模型、模糊綜合評價(jià)模型等[16-17]進(jìn)行客觀的崗位適應(yīng)性評價(jià)、創(chuàng)業(yè)能力評價(jià)、執(zhí)行力評價(jià)、思想素質(zhì)評價(jià)、心理素質(zhì)評價(jià)以及IQ、EQ與AQ評價(jià)。具體的綜合評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.5 "個(gè)性化學(xué)習(xí)建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)

個(gè)性化學(xué)習(xí)建議系統(tǒng)是引導(dǎo)學(xué)生在知識學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練道路奮勇前進(jìn)的指路人，它與綜合評價(jià)系統(tǒng)配合，可以讓個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)這個(gè)“私人教練”實(shí)現(xiàn)千人千面的個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

除了利用人工智能技術(shù)感知學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和情感需求，以及根據(jù)學(xué)生的興趣偏好、學(xué)習(xí)習(xí)慣等數(shù)據(jù)作為智能推薦模塊的輸入外，作為“私人教練”，本系統(tǒng)還在智能推薦時(shí)充分融入教育學(xué)和心理學(xué)的理論。本系統(tǒng)利用崗位能力需求和知識圖譜，結(jié)合學(xué)習(xí)金字塔理論[18]和建構(gòu)主義理論[19]，引導(dǎo)學(xué)生制定科學(xué)的學(xué)習(xí)計(jì)劃；應(yīng)用具身認(rèn)知理論[20]分享勵(lì)志故事，鼓勵(lì)學(xué)生努力達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)；利用相關(guān)視聽資源，在學(xué)生情緒不佳時(shí)采用積極心理學(xué)[21]進(jìn)行干預(yù)，讓學(xué)生有意識或無意識地調(diào)節(jié)情緒情感[22]。

具體的個(gè)性化學(xué)習(xí)建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

所有的系統(tǒng)推薦項(xiàng)均由學(xué)生自主選擇后實(shí)施，利用人工智能技術(shù)檢驗(yàn)實(shí)施效果，培養(yǎng)學(xué)生的情意自主性、認(rèn)知自主性和行為自主性[23]。

3 "結(jié)束語

在個(gè)性化教育和終身教育需求日益增長的背景下，在人工智能技術(shù)賦能發(fā)展的時(shí)代，高性能的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有良好的開發(fā)基礎(chǔ)和廣闊的應(yīng)用前景。由于傳統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)千人千面的個(gè)性化教學(xué)，難以全面評估學(xué)生的綜合水平，缺乏對學(xué)生的人文關(guān)懷，本文通過梳理當(dāng)前成熟的人工智能技術(shù)，結(jié)合教育學(xué)和心理學(xué)的理論及實(shí)踐成果，設(shè)計(jì)出基于人工智能技術(shù)的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，為學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)提供有效工具。

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