基于人工智能技術的實踐教學改革的研究

馬羊琴　蔣晶　周勇

關鍵詞：人工智能技術;教學改革;實踐創新;Waston軟件;Knewton平臺

一、概述

近年來，隨著大數據以及云計算等技術的涌現，人工智能技術在控制工程、機器人、醫療、智能交通等領域備受關注的同時，也在教育領域掀起了一股新浪潮。中國對人工智能教育是非常重視的，在2019年舉辦的國際人工智能與教育大會中曾提到，人工智能深刻影響著教育，人工智能和教育的縱深交融正向推進教育創新。因而將人工智能技術應用到高職高校是順應時代潮流，也是促進高職高校教學質量提升的有效途徑。

所謂人工智能指的就是通過對機器的操控來實現人類不愿意從事的簡單煩瑣或人類無法依靠自身來完成一系列操作的過程。目前，關于人工智能與教育融合的研究正緊鑼密鼓地進行著，雖然國內在這方面的研究起步比較晚，但總體趨勢是逐年遞增的，如圖1所示。

由圖1可知，尤其從2017年開始，急速上升，這與國家頒布相關文件政策離不開關系。通過采用Bicomb2.0與Ucinet技術對現有文獻進行量化分析后得知，國內大多研究聚集在這幾方面：

（1）“人工智能”這門課程教學設計構思、師資隊伍的建設和人才培養課程體系的建設的研究，以及存在的問題和如何改革;

（2）人工智能與教育融合的相關理論探究以及在不同學科教學中的應用研究;

（3）人工智能系統實踐創新平臺的建設。

綜合上述，國內大多學者對于人工智能應用于實踐教學的研究總體注重教學工具、教學模式、學科課堂分析等總結性的理論研究，對于真正實現人工智能技術促進教學變革還存在一定差距。而且對于人工智能技術在實踐教學中引起的教學變革以及如何在教學資源中發揮有效作用的研究還是比較少的。為了將人工智能較好地融入教學，需要對人工智能支持的教學有準確定位和總體規劃。本文在信息化教學的基礎上，主要從教與學等方面提出了實踐教學變革的策略，建出基于人工智能技術的教學變革分析框架、智能化教學模式框架。

二、基于人工智能技術的實踐教學改革

我國教育的發展目前一共經歷兩次變革：第一次是由傳統教育向信息化教育變革;第二次就是信息化教育向人工智能教育變革。

對于傳統教育與信息化教育的對比如表1所示。傳統教育的教學方式主要是以老師為主，教學資源有限，環境比較單一，不利于調動學生的積極性，而且有時間地域限制。而信息化教學主要以學生為主，教學資源豐富、多樣化，充分利用了計算機、互聯網等現代教學媒體優勢，提高了學生的主動性，而且不受時間與地域限制，教學環境也向互聯網智慧教學平臺過渡。

信息化教學雖然在教育教學發展中起到了不可或缺的作用，但它過分強調的是利用共享資源庫和現代信息技術，而學生對知識點的掌握情況教師無法獲悉，學生也不能自主地選擇自己感興趣的模塊學習。除此之外，有些東西很有局限性，不能實際演示。而在人工智能大背景下，技術已經不僅僅作為一種工具或者手段了，突破了技術以往的角色局限，力求實現教學目標、教學內容、教學環境等系統要素與信息技術的融合。人工智能促進教學改革的整體框架如圖2所示。

（一）存在問題分析

1.缺乏師生互動

當前的人工智能課件大多都由學生自學和操作，教師無法完全了解學習者的處境，當學生遇到問題時，無法及時向老師尋求幫助，師生彼此封閉，無法互動，因此，課件的效果大大降低了。在教學過程中還存在許多不合理的方面，過分強調教師的教學，學生的獨立思考的時間比較少。

2.缺少人機交互功能

現有的大多數人工智能都使用CD-ROM作為信息載體來顯示教材的內容，根據預設的教學過程將教學信息機械地提供給學習者，完全處于被動使用人工智能課件學習。而且在實際教學過程中，教師只能根據預先設計好的課件流程進行操作，人機交互沒有很好地實現。

（二）人工智能技術下的教與學變革

1.變革教學主體

當人工智能技術引入教學領域后，教學主體也由以前的教師、學生為主體的二體論向教師、學生、人工智能助手都為主體的三體論過渡，如圖3所示。

對于老師來說，首先，人工智能可以作為助手來輔助教師進行智能備課、答疑解惑、批改作業等，這樣一來就為教師提供更多的精力與時間去了解每位學生。其次人工智能可以作為學伴，隨時指出教師在教學過程中存在的問題并給出改進意見，提高教學水平。最后，人工智能還可以充當虛擬學生角色，幫助教師提前演示課堂或者公開課教學。如圖4所示。

對于學生來說，首先，人工智能可以作為導師來分析每位學生的基礎、感興趣的風格，從而為學生推送適合他們各自特點的學習課件，然后將結果反饋給教師。其次，人工智能可作為學生的學伴，為學生制訂合理的學習計劃，陪伴練習并監督學生在規定時間內完成。最后，人工智能還可以扮演學生的玩伴，在學習任務完成的情況下，人工智能助手可以陪學生一起鍛煉、唱歌等，如圖5所示。

2.基于人工智能技術的教學模式設計

針對以教師、學生、機器為主體，借鑒華璐璐等人構建的智能化教學模式，充分利用大數據、互聯網、云計算、人工智能等硬件設備和軟件設備，設計了人工智能技術下的教學策略，分別包含課前、課中和課后教學模式，如圖6所示。該模式下的教學方法通過人機融合、師生智能化實時互動，實現了精準教學和個性化教學。

課前智能備課。備課對老師來說是開展教學的基礎，然而大多老師都是根據自己的主觀意識和經驗來分析學生的學情，教學資料和課件基本都是拿現成的網絡資源用，這樣的話就很難把握教學進度和教學目標。因此，為了克服這些不足，本文提出利用備課軟件Waston1.0進行智能化備課。此軟件可以實時記錄學生學習的數據，這些數據經大數據智能分析后，可以根據具體章節知識點向老師推送各種符合學情分析的優秀教學資源，個性化地向學生推送教學課件。

課中個性化教學。當前實際教學模式很難提高教學質量和帶動學生的積極性，而人工智能技術恰好可以解決這個問題，我們可以借用Knewton平臺，根據學生的學習風格動態組合出與其符合的個性化內容，采用多種方法設計教學情境，多屏切換互動，課堂即時測驗點評，充分調動他們對學習的激情。除此之外，我們可以利用人工智能里面的圖像處理技術和語音識別技術去分析處理課堂實錄的視頻，通過對視頻與語音進行技術處理后，教師就可以掌握每個學生在課堂上的動態，及時發現問題，有針對性地開展教學，從而真正實現個性化、人性化教學。

課后智能化答疑輔導與優化教學活動。由于課堂留給教師答疑的時間有限，部分學生的疑問無法解決，為了解決此問題，設計了相關方案：

（1） Wasten智能系統已經建立專家知識庫，可以進行智能化在線指導答疑，對于比較典型的問題，系統會傳達給老師，經過老師答疑上傳答案后會自動傳遞給學生。

（2）借助AR技術。首先將手機拍照模式設置到AR模式，然后學生可以將攝像頭對準自己沒有理解的知識點，經過匹配分析后就會轉換成3D模型知識點，形象又好理解，大大提升學生的學習能力。

3.基于人工智能技術的學習模式設計

目前，大多學生的學習模式都是拿著教材聽課，紙本計算，完成課后作業，每個學生的學習任務和學習活動都一樣，枯燥又乏味，考查方式更注重對知識點的掌握情況。由人工智能輔助學生學習，可以有效解決這類問題。

課前，自適應學習。Knewton自適應平臺可以根據每個學生的學習情況，提供適合他們自身能力和興趣的預習學習內容，雖然提供的內容材料稍有不同，但自適應內容背后的原理是相同的。當學生遇到困難時，系統會自動降低內容的難度，即不斷通過學生在學習過程的表現，及時調整學生的學習內容，是一種個性化學習體驗，讓學生的學習更輕松、更高效。

課中，人機交互與小組交互學習。課堂中，智能系統平臺為學生提供了個性化學習服務，學生可以使用手機移動終端完成例如簽到、提問、搶答、練習等互動任務，有利于活躍課堂氣氛、高效學習。智能教學平臺還可以根據每個學生的優勢合理分組，實現小組間的互動學習，齊心協力、共同探討，完成老師布置的學習任務，有利于培養學生分析問題、解決問題和團結合作能力。

課后，個性化復習。人工智能作為導師時，可以隨時為學生答疑。作為學伴時，一方面可以監督學生在規定時間內完成學習任務，若按時完成人工智能會給予表揚，否則督促批評;另一方面，學生可以在手機移動終端查看老師對自己的評價，反思自己的學習情況，做到查缺補漏。

結語

人工智能技術促進教育發展逐漸成為一個趨向，本文針對高職高校在現有信息化技術教學過程中遇到的教學方法落后、學生自主性學習意識薄弱以及師生互動、人機互動等問題，提出了基于人工智能技術的智能化教學模式。希望通過此變革策略能夠促進教師與學生的發展，全方面提升教與學效率。

作者簡介：馬羊琴（1991— ），女，漢族，陜西綏德人，碩士，講師，專任教師，研究方向：多智能體系統、智能控制、機電一體化;蔣晶（1986— ），男，漢族，重慶合川人，本科，高級工程師，軌道交通學院副院長，研究方向：軌道交通信號;周勇（1989— ），男，漢族，四川內江人，本科，助理工程師，專任教師，研究方向：機電一體化。