人工智能技術(shù)在新教學(xué)中的應(yīng)用與影響*

侯明鑫 李 軍

（1.廣東海洋大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院 廣東湛江 524088；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（湛江）廣東湛江 524088）

引言

Artificial Intelligence（AI），即人工智能。隨著AI技術(shù)在圖像檢測、聲音識別與對話、大數(shù)據(jù)分析中的快速發(fā)展，近年來許多學(xué)者將AI技術(shù)與新時代教育相結(jié)合。例如，2021年南京財經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院的詹國輝，將人工智能圖像技術(shù)與智慧教學(xué)空間相融合，從而進(jìn)一步助推高校智慧教學(xué)的高質(zhì)量發(fā)展[1]。2021年中國傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院人工智能系的趙艷明，根據(jù)“語音信號處理”作為語音識別和自然語言處理的重要基礎(chǔ)，開展了對課程教改的探索[2]。同年，三亞學(xué)院信息與智能工程學(xué)院的周顯春等人，開展了一流本科教育建設(shè)背景下大數(shù)據(jù)與人工智能課程教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)實踐與探索[3]。

人工智能與新教育時代相結(jié)合被用于為每個學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)。利用機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)超個性化概念，結(jié)合人工智能技術(shù)，為每個學(xué)生設(shè)計定制的學(xué)習(xí)檔案，并為他們量身定制培訓(xùn)材料，同時考慮到學(xué)生喜歡的學(xué)習(xí)模式，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)性因材施教，達(dá)到學(xué)生個人的能力和經(jīng)驗穩(wěn)步成長的目的。同時，教師可以將教學(xué)中的課程分解成更小的學(xué)習(xí)指南、智能筆記或抽認(rèn)卡，以幫助學(xué)生理解。借助人工智能輔助生成圖像、語音、數(shù)字內(nèi)容，使授課過程變得更加數(shù)字化，減少對平裝本和硬拷貝的依賴。

人工智能技術(shù)的興起與不斷發(fā)展，必將對新教育時代下教師的教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生巨大的影響。本文將從AI與新教學(xué)中圖像、語音和數(shù)據(jù)相結(jié)合的角度，歸納出AI與新教育時代相結(jié)合的特點和發(fā)展趨勢。

一、新教學(xué)中基于圖像的識別應(yīng)用

教學(xué)中基于圖像為核心的授課，主要有食品學(xué)科、機械學(xué)科、建筑學(xué)科、美術(shù)學(xué)科等，基于圖像的傳統(tǒng)教學(xué)模式主要是教師對著圖進(jìn)行相關(guān)的講解，學(xué)生看著專業(yè)的圖進(jìn)行思考、分析和推理。隨著人工智能技術(shù)的崛起，以機器視覺為基礎(chǔ)的人工智能技術(shù)逐漸成為學(xué)生學(xué)習(xí)中有利的工具。通過AI技術(shù)可以實現(xiàn)自動對圖像中的信息進(jìn)行判讀，從而進(jìn)一步地分析出圖像中的信息，工具的載體常用的是手機app，當(dāng)學(xué)生們碰到圖像中想要知道和學(xué)習(xí)的信息，僅僅通過手機的智能識別，便可以進(jìn)行判斷；當(dāng)教師對圖像中有一定的專業(yè)理解，通過手機app的自動判讀，可以輔證自身知識庫中的信息判斷，使得教學(xué)更加的充分。

AI與新教學(xué)圖像相結(jié)合的實現(xiàn)過程：

教學(xué)圖像常在一個3D教育環(huán)境世界中，當(dāng)拍攝一張照片時，它會在2D圖像中記錄教學(xué)圖像，人工智能程序接收來自攝像頭的視覺輸入。因此，如果想讓人工智能與教學(xué)中的世界互動，則需要確保它能夠解釋2D圖像可以告訴它的3D教育空間，讓人工智能準(zhǔn)確識別教學(xué)過程中二維圖像的三維對象，如建筑的模型，化學(xué)分子的結(jié)構(gòu)，汽車的部件裝配圖等，大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)依靠激光雷達(dá)來導(dǎo)航3D空間，激光雷達(dá)使用激光測量距離。其過程是能夠識別教學(xué)2D圖像中的3D教學(xué)對象，并將其放置在“邊界框”中，這可以有效地告訴AI相關(guān)對象的最外邊緣。建立在大量現(xiàn)有工作數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，旨在幫助人工智能程序從2D圖像中提取教育環(huán)境3D數(shù)據(jù)。其中許多工作通過“顯示”2D圖像和在圖像中的對象周圍放置3D邊界框來訓(xùn)練AI。這些教學(xué)示范對象是多面體，有多個頂點——類似鞋盒上的角。在訓(xùn)練過程中，AI會獲得教學(xué)示范物體的三維坐標(biāo)，以便“理解”教學(xué)對象的高度、寬度和長度，以及每個角與相機之間的距離。AI訓(xùn)練技術(shù)使用該方法來教人工智能如何估計每個邊界框的尺寸，并指導(dǎo)人工智能預(yù)測傳感器和教學(xué)物體之間的距離。每次預(yù)測后，教師將“糾正”人工智能，給出正確答案。隨著時間的推移，這使得人工智能在識別對象、將其放置在邊界框中以及估計對象的尺寸方面變得越來越清晰。除了要求人工智能預(yù)測相機到對象的距離和邊界框的尺寸，還要求人工智能預(yù)測框的多個點的位置，以及它與邊界框中心的距離。進(jìn)一步的，人工智能程序根據(jù)2D圖像能夠更準(zhǔn)確地識別和預(yù)測3D教學(xué)對象的精準(zhǔn)信息。

二、新教學(xué)中基于語音的識別與應(yīng)用

傳統(tǒng)的教學(xué)依賴于老師的講解，通過教師的語言信息傳遞出專業(yè)的背景信息，學(xué)生依賴于對教師語音的核心詞和句子的理解，學(xué)習(xí)特定的知識背景。當(dāng)學(xué)生碰到問題難點的時候，傳統(tǒng)的方式是問老師、同學(xué)或者上網(wǎng)搜索問題答案等。隨著AI技術(shù)的不斷升級，模型算法的不斷完善，AI更加智能化，對語義理解的深度和回答更具備完整性和邏輯性，從而在新教育時代背景下，學(xué)生可以通過語音對話得到全部或部分問題的答案，快速地得到想要了解的全部知識信息。

AI與新教學(xué)語音相結(jié)合的實現(xiàn)過程：

AI語音識別是計算機科學(xué)和計算機語言學(xué)的一個跨學(xué)科分支領(lǐng)域，它開發(fā)的方法和技術(shù)，使計算機能夠識別口語并將其翻譯成文本，其主要優(yōu)點是可搜索性。它也被稱為自動語音識別（ASR）、計算機語音識別或語音文本轉(zhuǎn)換（STT）。它融合了計算機科學(xué)、語言學(xué)和計算機工程領(lǐng)域的知識和研究。相反的過程是語音合成。教學(xué)中一些語音識別系統(tǒng)需要“培訓(xùn)”（也稱為“注冊”），即單個說話者將文本或孤立詞匯讀入系統(tǒng)。該系統(tǒng)分析教師的特定語音，并使用它來微調(diào)對教師語音的識別，從而提高準(zhǔn)確性。不使用訓(xùn)練的系統(tǒng)稱為“獨立于教師主講人”的系統(tǒng)。使用訓(xùn)練的系統(tǒng)被稱為“教師主講人依賴型”。教學(xué)語音識別應(yīng)用程序包括語音用戶界面，如教學(xué)語音喚醒（如“開啟教學(xué)模式”）、呼叫路由教學(xué)終端（如“開啟機械圖紙數(shù)據(jù)庫”）、教學(xué)語音關(guān)鍵詞設(shè)備控制、搜索教學(xué)特定領(lǐng)域關(guān)鍵詞（如查找現(xiàn)代大學(xué)美術(shù)教育的代表作品）、簡單教學(xué)術(shù)語數(shù)據(jù)輸入（如輸入3D建筑模型）、準(zhǔn)備結(jié)構(gòu)化教學(xué)文檔（如闡述STEAM教育的STEAM具體含義）、確定主講人特征、教師或?qū)W生語音到文本處理（如文字處理器或電子郵件）。教學(xué)語音識別或?qū)W生語音識別指的是語音的理解，可以理解成語音波形信號轉(zhuǎn)化成文字的過程，但是，此過程不包括語義理解，即不進(jìn)一步分析文字的含義。識別教學(xué)過程中的講話人可以簡化在經(jīng)過特定人語音培訓(xùn)的系統(tǒng)中翻譯語音的任務(wù)，也可以用于在安全過程中驗證說話人的身份。從AI技術(shù)角度來看，語音識別有著悠久的歷史和幾波重大創(chuàng)新。近年來，該領(lǐng)域受益于深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)的進(jìn)步，不僅體現(xiàn)在該領(lǐng)域發(fā)表的學(xué)術(shù)論文激增上，更重要的是，全世界的教育行業(yè)在設(shè)計和部署語音識別系統(tǒng)時采用了各種深度學(xué)習(xí)方法，從而使得教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的過程更加的智能化、高效率，且具備實時性。

三、新教學(xué)中基于數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用

大學(xué)教育如會計、數(shù)學(xué)、金融等學(xué)科常常依賴數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過分析數(shù)據(jù)的趨勢、邏輯、關(guān)聯(lián)等得出潛在的真實規(guī)律。當(dāng)今教育行業(yè)數(shù)據(jù)量與日俱增，僅僅憑借傳統(tǒng)的人力分析，使用電腦手工操作是非常低效的工作方式。隨著AI大數(shù)據(jù)分析算法的發(fā)展，當(dāng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為一組變化的曲線時，AI算法可以智能化地實時生成數(shù)據(jù)信息，從而給出相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律。憑借這種方式可以很直觀地讓學(xué)生得到答案，教師教學(xué)中也可使用AI大數(shù)據(jù)分析工具非常形象地展示講述內(nèi)容，讓學(xué)生更加方便地高效理解，也在教學(xué)中加快課件的準(zhǔn)備。

AI與新教學(xué)大數(shù)據(jù)相結(jié)合的實現(xiàn)過程：

大數(shù)據(jù)和人工智能（AI）技術(shù)的快速發(fā)展對人類社會的所有領(lǐng)域都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，尤其是在教育行業(yè)。在很大程度上2020冠狀病毒疾病流行的情況下，新的教育模式能夠使我們的教學(xué)活動繼續(xù)進(jìn)行。教學(xué)數(shù)字工具、平臺、應(yīng)用程序和教師與學(xué)生之間的通信在不同的地點產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)（“大數(shù)據(jù)”）。教學(xué)大數(shù)據(jù)的特征屬性通常被稱為四個V，即體積（教學(xué)數(shù)據(jù)量）、多樣性（教學(xué)數(shù)據(jù)源和教學(xué)類型的多樣性）、速度（教學(xué)數(shù)據(jù)傳輸和教學(xué)生成的速度）和準(zhǔn)確性（教學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和教學(xué)可信度）。近年來，增加了第五個V，即價值（即教學(xué)數(shù)據(jù)可以價值化）。由于教學(xué)大數(shù)據(jù)固有的特性（五個V），使用傳統(tǒng)的教學(xué)數(shù)據(jù)管理技術(shù)無法處理和利用大型復(fù)雜數(shù)據(jù)集。因此，教學(xué)大數(shù)據(jù)的獲取、存儲、分發(fā)、分析和管理需要新穎創(chuàng)新的計算技術(shù)。教學(xué)大數(shù)據(jù)分析通常包括教學(xué)收集、分析和評估大型數(shù)據(jù)集的過程。從教學(xué)數(shù)據(jù)中提取可操作的知識和可行的模式通常被視為教學(xué)大數(shù)據(jù)革命的核心好處。教學(xué)大數(shù)據(jù)分析采用多種技術(shù)和工具，如教學(xué)統(tǒng)計分析、教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘、教學(xué)數(shù)據(jù)可視化、教學(xué)文本分析、教學(xué)社交網(wǎng)絡(luò)分析、教學(xué)信號處理和教學(xué)機器學(xué)習(xí)。關(guān)于教育大數(shù)據(jù)與人工智能相結(jié)合，第一個智能教學(xué)系統(tǒng)“SCHOLAR”旨在支持地理學(xué)習(xí)，并能夠?qū)W(xué)生的陳述產(chǎn)生交互式反應(yīng)。雖然當(dāng)時的數(shù)據(jù)量相對較小，但與其他傳統(tǒng)教育和心理學(xué)研究中收集的數(shù)據(jù)量相當(dāng)。在過去幾十年里，教育領(lǐng)域?qū)θ斯ぶ悄艿难芯恳恢敝铝τ谕七M(jìn)智能計算技術(shù)，如教學(xué)智能系統(tǒng)、教學(xué)機器人系統(tǒng)和教育聊天機器人。隨著過去十年信息技術(shù)的突破，教育心理學(xué)家獲得了更多大數(shù)據(jù)。具體來說，有教學(xué)社交媒體、在線學(xué)習(xí)環(huán)境、智能教學(xué)系統(tǒng)、學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等。移動設(shè)備正在生成越來越多的動態(tài)教學(xué)復(fù)雜數(shù)據(jù)，包括學(xué)生的個人記錄、學(xué)習(xí)日志和活動，以及學(xué)生們的學(xué)習(xí)成績和結(jié)果。學(xué)習(xí)分析被描述為“為了理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)及其發(fā)生的環(huán)境，對學(xué)習(xí)者及其環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、收集、分析和報告”，通常用于分析這些海量教學(xué)數(shù)據(jù)。機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了學(xué)習(xí)分析的能力，從教學(xué)大數(shù)據(jù)中提取的基本信息可用于優(yōu)化學(xué)習(xí)、教學(xué)和管理。因此，大數(shù)據(jù)和人工智能的研究在教育和心理學(xué)中越來越重要。最近，在學(xué)習(xí)和教學(xué)心理學(xué)中采用教學(xué)大數(shù)據(jù)和人工智能已成為前沿教育研究的一種新方法。作為人工智能的一個子集，機器學(xué)習(xí)專注于構(gòu)建計算機教育系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在無須顯式編程的情況下自動學(xué)習(xí)和適應(yīng)數(shù)據(jù)。機器學(xué)習(xí)算法可以提供新的見解、預(yù)測和教學(xué)解決方案，以定制學(xué)生們每個人的需求和環(huán)境。有了大量高質(zhì)量的輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)，機器學(xué)習(xí)過程可以獲得準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)結(jié)果，并促進(jìn)知情教學(xué)決策。這些數(shù)據(jù)密集型教學(xué)機器學(xué)習(xí)方法位于大數(shù)據(jù)和人工智能的交叉點，能夠改善和推動教育領(lǐng)域的服務(wù)和生產(chǎn)力。

四、結(jié)論

在不久的將來，可以期待人工智能和機器學(xué)習(xí)在所有教育體驗中占據(jù)不可或缺的位置，人工智能已開始在廣泛的教育領(lǐng)域證明其優(yōu)勢和力量。人工智能技術(shù)是當(dāng)今時代發(fā)展的大趨勢，本文從人工智能三個典型的應(yīng)用總結(jié)出了AI圖像分析、AI語音識別、AI大數(shù)據(jù)分析與新時代教育相結(jié)合的發(fā)展趨勢。AI圖像分析主要可以應(yīng)用在以圖像為中心的教育學(xué)科中，例如食品、美術(shù)、機械、建筑等學(xué)科；AI語音識別可以讓學(xué)生通過移動手機app直接對話，尋找出精準(zhǔn)答案；AI數(shù)據(jù)分析可以讓學(xué)生快速通過AI算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律性查找。新教育時代與AI技術(shù)相結(jié)合，也會使得教師的工作更加高效，從教學(xué)圖像授課、語音授課、數(shù)據(jù)舉例授課中多維度、高清晰地給學(xué)生全方位高效展示教學(xué)信息，從而讓學(xué)生具備更加快速、形象且具有自發(fā)尋找答案的學(xué)習(xí)特點。

五、展望

AI與教育相結(jié)合未來在給新教育時代帶來巨大優(yōu)勢的同時，也將會面臨如下五個主要挑戰(zhàn)：

1.公共政策對人工智能與新教育模式相結(jié)合促進(jìn)協(xié)同發(fā)展的支持；

2.新的教育模式中人們對人工智能的包容性和公平性；

3.為人工智能教育培養(yǎng)新教育時代的優(yōu)秀教師隊伍；

4.開發(fā)高質(zhì)量、包容性強的AI數(shù)據(jù)系統(tǒng)；

5.AI新教育模式的道德性和透明度。