人工智能开启“互联网+教育”新模式

李昭涵 中国信息通信研究院产业与规划研究所工程师

金桦 中国信息通信研究院产业与规划研究所高级工程师

刘越 中国信息通信研究院产业与规划研究所高级工程师

人工智能开启“互联网+教育”新模式

李昭涵 中国信息通信研究院产业与规划研究所工程师

金桦 中国信息通信研究院产业与规划研究所高级工程师

刘越 中国信息通信研究院产业与规划研究所高级工程师

人工智能技术的不断进步促进了其与教育行业的融合发展与应用创新，以人工智能为核心的新兴信息技术不仅有助于均衡教育资源、提高教学效率、改进学习体验，而且正在逐步实现真正意义上的个性化学习。可以说，人工智能将成为“互联网+教育”取得突破式发展的重要驱动力量。本文梳理分析了“互联网+教育”的发展现状及存在的问题，并对目前人工智能技术与教育行业的结合成果进行了介绍，最后对未来人工智能与教育行业在学习者模型领域、教学模型领域及特定学习领域的融合应用前景进行了分析及展望。

人工智能；互联网+教育；个性化学习；STEAM教育

1 引言

AlphaGo在与李世石的“人机围棋大战”中胜出，使越来越多的大众把目光投向人工智能领域。人工智能自20世纪40年代发展至今已有70余年，近几年，深度学习技术在图像识别、语音识别等领域的长足进步推动人工智能进入了崭新的发展阶段。Gartner最新公布的2017年重大科技发展趋势表明：“未来将是以智能为核心、通过数字化实现万物互联的时代”，人工智能将无处不在。

如今，人工智能已经或正在颠覆性地改变着许多行业和领域，并且悄然渗透进大众生活：从Siri到指纹解锁、人脸识别，从在线翻译助手到智能机器人、无人驾驶汽车等，人工智能正逐渐融入电商零售、金融、交通、教育、医疗健康、个人助理等多个领域，并展现出巨大的应用潜力。2016年8月，国务院发布《“十三五”国家科技创新规划》，明确指出：“要在基于大数据分析的类人智能方向取得重要突破”、“并在教育、办公、医疗等关键行业形成示范应用”。教育作为知识密集型行业，人工智能将成为“互联网+教育”突破式发展的重要驱动力。

2 “互联网+教育”现状和问题

早在2500年前，孔子就提出了“有教无类，因材施教”的教育理念。如今，让每个人都能平等接受教育并享受到个性化的教学指导，一直是广大教育工作者为之努力奋斗的目标。互联网新技术的不断进步突破了时间和空间限制，让优质教育资源得以科学配置与整合；信息化、互联网化、智能化的技术手段，丰富了教学形式与场景，极大地改善了教育体验；以大数据、云计算、人工智能、AR/VR为代表的新技术应用，越来越创造性地突破教育外延，促使线上、线下融合加深，也让互联网重塑传统教育逐步成为可能。

“互联网+”对传统教育的重塑主要体现在以下两个方面：

（1）均衡教育资源、实现教育公平

“互联网+教育”在一定程度上打破了时空、地域、经济、文化的壁垒，将优质教育资源与先进学习模式传递给每一位求知者，尤其是经济欠发达地区的学习者。例如，MOOC模式在线学习平台将广大学生与海量课程相连接，学生能够更加方便地获取其感兴趣的教学资源，使线上自主学习模式成为传统课堂学习的有效补充。同时，随着教育资源数字化、在线化、共享化程度的不断加快与加深，教育公平的愿景也将进一步实现。

（2）提高教/学效率、打造个性教育

互联网新技术的不断进步，使教育活动从各个环节上得到优化和完善，从而提高了教师的教学效率与学生的学习效率。例如，教育O2O平台搭建起学生与老师的沟通桥梁，提升了学生快速找到好老师的效率；题库类、拍照答疑类工具产品，通过改善教学过程中的练习自测及辅导答疑过程体验，提高了学习效率与辅导效率；再如借助大数据分析、深度学习等技术，个性化、精准化教育取得显著进展。此外，人工智能、AR/ VR等新技术与传统教育也在不断融合发展，自适应学习、沉浸式教学等技术与应用均有所突破。

但应当看到，“互联网+”只是在浅层次实现了对教育服务的融合渗透，互联网发挥在线市场作用，初步解决了教育上的“可获得性”（Accessibility）、“灵活性”（Flexibility）和“可支付性”（Affordability）等问题。然而，教育和学习是一个极其复杂的过程，其核心“交互性”（Interactivity）问题一直未得到有效解决，这也是互联网与教育行业融合后出现课程完成率低、教/学效果令人堪忧的根本原因。教育产品的交互性不仅是简单的产品界面交互，更是学生在学习过程中不断获得反馈的过程，这种交互性体现为满足老师和学生的交互、学生之间的交互以及学生与系统内容的交互。其中，学生与系统内容的交互又是重中之重，平台或系统应当能够针对每个学生个体接受度、理解力等有所不同，给予差异性学习规划及指导，扮演智能学习引擎角色。只有实现了教育产品的智能反馈与智能互动，互联网对传统教/学方式的革新才指日可待、与传统教育的融合渗透才能进一步加深。互联网从来不是单纯的解决连接问题，更多的还应解决在习惯、效率、技术等其他层面上的问题，借助图像/语音识别、语义识别、大数据、机器人等先进技术，人工智能将成为互联网重塑传统教育的重要驱动力量。

3 人工智能时代教育的现在和未来

3.1 什么是人工智能

人工智能（ArtificialIntelligence，AI）作为前沿科学和交叉学科，国际上目前尚无统一定义，一般来说可认为人工智能是研究和开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新兴技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支，其主要研究内容包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能是对人类意识及思维过程的模拟，它虽不是人类智能，但能模拟人类的思考过程，甚至有可能超越人类的智慧。

业界研究者普遍认为，人工智能的发展将经历弱人工智能、与人类智能相当的“强人工智能”和全面超过人类智能的“超人工智能”3个阶段。目前，弱人工智能已经应用于生活的方方面面：智能搜索引擎、实时在线地图、Siri手机语音助手等都运用了人工智能技术，教育领域的拍照搜题、智能口语测评、语音学习助手等也已深入教学应用。随着人工智能技术的不断成熟与强大，人工智能与教育行业的结合势必更加紧密与深入，为“互联网+教育”带来颠覆性的新突破。

3.2 人工智能与教育的结合

目前，以人工智能为核心的教育科技开始从数据采集（语音识别、图像识别、传感器等）、数据处理（语义识别、大数据、自适应、认知计算、情感计算等）和人机界面（AR/VR、机器人、3D打印）3方面与教育行业开展深度结合与应用，逐步增强教学智能性与互动性。融合应用主要集中在作业自动批改、拍照搜题类在线答疑、智能测评和个性化学习4个方向。目前结合点较为分散且大多数产品尚处探索阶段，但已有部分产品开始投入应用、接受市场验证，并取得了较为显著的成效。

（1）作业自动批改

语义分析技术的进步使得作业自动批改成为可能，对于简单的文义语法机器可以自动识别及纠错，甚至是提出修改意见，并根据学生的作业结果为教师自动生成详细的学情报告。目前，已有许多教育产品开始尝试这一功能，随着技术的不断完善，大规模应用作业自动批改将有效分担教师的教学压力，显著提高教学效率。

（2）拍照搜题、在线答疑

借助智能图像识别技术，拍照搜题功能在教育产品中获得了突破式发展，并已具备了一定的应用规模。学生在遇到难题时只需用手机拍照上传到云端，系统在一到两秒内就可以反馈出答案和解题思路。目前，这类应用不仅能识别机打题目，手写题目的识别正确率也已提高至70%以上。拍照搜题不仅丰富了学生的答疑辅导方式，更提高了学生的学习效率，极大增强了学生的自主式学习能力。

（3）智能测评

智能测评是指利用人工智能技术对可被数字化、标准化的教/学行为及数据进行测试、分析与评价，目前已取得初步应用。一是利用语音识别技术的英语口语智能测评，此类语音测评软件能够在用户跟读的过程中，及时对发音做出测评并指出发音不准的地方，通过反复测评训练提升用户口语水平；二是利用大数据和数据分析技术的学情智能测评，通过对学生学习过程及学习成效的数据统计，分析学生知识、能力结构和学习需求的差异化特点，帮助学生与教师获取真实有效的改进依据。通过学情智能测评，学生可以清楚看到问题所在，学习更高效；教师可以针对具体情况对症下药，选择不同教学目标和内容，实施不同教学方式，进一步提高教、学的针对性、有效性和科学性。

（4）个性化学习

个性化学习是指以反映学生个性差异为基础，以促进学生个性发展为目标的学习范式。利用大数据可以详细描述每个学生的学习特性，构建完整的学生画像，因此可以与自适应学习技术相结合，为每个学生创建个性化的自适应学习体验与学习路径，推送适合每个学生的差异化学习内容与课程规划。另外，提供个性化教学服务的虚拟学习助手会像学生的私人家教一样，尽可能地从情感、行为和认知层面模拟一位优秀教师的教学过程。

3.3 人工智能开启“互联网+教育”新模式

随着更多维度和更大量级的数据采集与数据汇聚、更高效的数据处理方法以及更具互动性的人机界面的发展，今后人工智能在教育领域将形成点面结合的产品演进模式与系统化、智能化的产品应用潮流，人工智能将不断革新改变传统教育的学习范式，开启教育新模式。

从教/学过程中学习者、教学者的角色分类出发，未来人工智能与教育行业的融合应用将主要划分为学习者模型（Learner Model）与教学模型（Pedagogical Model）两大领域。同时，在标准化、普遍化的传统教育内容（如应试教育内容、职业教育内容等）之外，某些特定学习领域（DomainModel）也成为人工智能与之结合的热点，同样具有强大的发展潜力。这里就在充分考虑教学角色与特定教学内容的基础上，对人工智能在学习者模型领域、教学模型领域和特定学习领域3方面的创造性革新进行分析与展望。

（1）学习者模型领域

该领域重点关注以学习者为中心的教育产品与应用，并把促进个性化学习、实现因材施教作为重要目标。据Technavio预测，2020年全球“人工智能+教育”在学习者模型领域的全球市场规模将达到6300万美元，年复合增长率将达40%。

如果说现有的“互联网+教育”方式解决的是“知识送达”问题，那么基于人工智能的“互联网+教育”将重点解决交互式自适应学习难题，并最终实现因材施教。智能化的自适应学习系统是学习者模型领域的关键与核心，它将显著改变现有的学习范式。自适应学习系统利用算法处理获取到的各类信息，通过“生成适应性内容”与“获取并分析反馈数据”两个步骤的不断迭代，逐步进化成为与学习者越来越契合的适应性“家教”。事实上，许多传统教育机构与互联网教育研究者为了给学习者提供更智能的学习选择，早已在其产品中应用了自适应学习技术。从广义上说，任何能够通过学生的反馈而推荐不同题目或知识点的系统，都意味着具有“自适应学习”功能，但本文所强调的是基于人工智能的、更加成熟的、具有一定技术深度的自适应学习。

具备人工智能能力的自适应学习解决方案显然也是个性化学习的有效方案之一。在拥有优质教学内容的前提下，自适应学习技术通过提供学习路径和精准内容推送，为学习者带来真正意义上有反馈、有互动且智能化的高效学习模式。

学习路径

简单来说，学习路径可以理解为基于知识图谱的知识点跳转。完善的基于人工智能的自适应学习系统，首先会通过专家预设的知识图谱进行阶段性使用，再根据使用后学生留下的海量行为数据进行数据挖掘，然后得到准确客观的知识图谱。最终，系统将以优化后的知识图谱，为学生匹配最佳学习路径。

内容推送

正如智能搜索、电商平台的个性化推荐一样，智能化的自适应学习系统也应能够根据每个学生的学习记录，推断学生的能力水平和问题所在，为学生进行学习内容个性化推送，其核心关键在于对当前学习路径下的特定学生推送最合适的学习内容。为了使推送内容与学生的水平相匹配，需要对内容的难度以及学生的水平进行客观地测量，这需要将复杂理论算法与人工智能技术充分结合才能得以实现。

（2）教学模型领域

该领域重点关注教学模式与场景下可以提高教学质量的教育产品与应用，口语语音测评、学情智能测评、考试评测方法（Assessment）、虚拟学习助手等应用都属于该领域范畴。据Technavio预测，2020年全球“人工智能+教育”在教学模型领域的市场规模将达到3100万美元。

评测方法是教学模型领域用于提升教学质量的一个重要手段。传统评测方法大多通过封闭式问答方式实现，因此其中可被标准化的内容正逐步被在线评测方法所取代；但对于开放式问答内容，如作文、申论等，普通在线评测方法难以给出有效反馈。不过，随着语义分析技术的逐步成熟，依托人工智能方式可以更加轻松地实现对开放式题目的在线评测，使学生更加自主地进行练习与自测、获取评价与反馈，实时提升自身学习表现。

个人助理机器人的突破式发展推动教学领域的虚拟学习助理研究取得显著成果。借助自然语言处理和语音识别技术，虚拟学习助理可扮演起学生的课外教师角色，为学生提供精准解答并分析其学习表现。由于基于人工智能的虚拟学习助理能够自动分析学生语音及所提问题主干，因此学生完全可以采用自然语言的方式提问，这更加贴合真实的教学互动。随着技术的不断成熟与系统功能的日趋完善，虚拟学习助理将逐步走向广泛应用。

得益于人工智能，机器与人正逐渐重新分工合作。机器将发挥简单环境下的标准化和规模化优势，完成辅助教学、简单答疑、作业练习、测评批改等工作；教师则聚焦于教学设计、复杂决策、团队协作等创造性与人文性内容。未来的教育将是人与人工智能协作的时代，其关键是充分发挥机器与人类的不同优势，一方面要借助人工智能完成教育过程中简单重复的脑力劳动，另一方面也要发挥人类的创新变革、复杂决策、情感关怀激励等更大优势。

（3）特定学习领域

特定学习领域重点关注某些具体的垂直细分学习领域，预计将主要集中在STEAM教育方向。据Technavio预测，2020年全球“人工智能+教育”在特定学习领域的市场规模将达到1100万美元。

STEAM教育是集科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）多学科交叉融合发展的综合性教育，其最初是由美国政府主导的一项教育计划，提倡“动手动脑的探索式”学习过程。STEAM教育重实践、重跨界、重创新的特点尤为突出，可以说是对标准化考试环境下传统教育理念的重大转型。未来，基于人工智能与VR/AR的仿真实验室、基于高级机器人及3D技术的陪伴/教学机器人智能产品以及基于认知计算的复杂决策辅助系统，都将帮助学生在游戏化的学习体验中培养逻辑思维和动手能力，真正从智能交互的角度完成多学科、交叉融合的探索式学习过程。例如，现在已有提供编程类应用程序的STEAM教育产品面市，学生可以通过拖拽、点击、画图等方式，用最简单的可视化编程语言对机器人行为进行编程，下达指令。

STEAM教育与中国素质教育在理念上异曲同工，在人工智能技术的推动下，中国传统素质教育的方式也将更加丰富多元。未来，在小学、初中、高中等各个阶段，学生们将在更多的智能化场景中锻炼逻辑思维、提高动手能力、培养创新精神，同时也会有更多的人工智能+STEAM教育产品服务于学生与教师，开启素质教育新模式。

4 结束语

人工智能虽已在教育领域的部分应用中有所突破，但整体仍处于“弱人工智能”阶段，距离实现从情感、行为到认知的多维度全面模拟人类“强人工智能”水平，还有很长的路要走。尽管如此，我们仍要客观看到人工智能所涉及的语音/图像识别、语义识别、大数据、自适应、机器人等技术，与教育领域的应用需求有着天然的契合。我们更应相信，随着人工智能技术的不断成熟与深化，传统教育方式将被颠覆，传统学习方式将被革新，人工智能将从提高教/学效率、满足个性化学习、增强交互与反馈等多方面为“互联网+教育”的发展注入新动力。

[1]王乔峰,曹效英,路璐.“互联网+教育”模式的发展情况分析[J].中国教育信息化,2015,15∶9-11.

[2]陈丽.“互联网+教育”的创新本质与变革趋势[J].远程教育杂志,2016,04∶3-8.

[3]贾积有.国外人工智能教育应用最新热点问题探讨[J].中国电化教育,2010,07∶113-118.

[4]徐陶冶,姜学军.浅谈基于专家系统的人工智能在教育领域中的应用[J].科技信息,2011,11∶55+31.

[5]钟琦,胡水星.人工智能在教育中的整合应用研究[J].赣南师范学院学报,2011,06∶66-69.

Artificial intelligence brings thenewpattern of “Internet+Education”

LI Zhaohan, JIN Hua,LIUYue

The progress of artificial intelligence (AI) technology promotes the integration development and applicationinnovation in education industry. The emerging information technologies, with AI technology as the core, not only helpbalance the educational resources, increase teaching efficiency and improve the learning experience, but also gradually realizingthe true sense of personalized learning.We can say thatAI will become the significant driving force for“Internet + education”development. The paper firstly summarizes present situation and analyzes the existing problems of“Internet + Education”,then introduces the achievements of the combination of AI technology and education industry. Furthermore, the paperalso deals in detail with the analysis and prospects of AI applications in educational industry from three aspects∶ Learnermodel, PedagogicalmodelandDomainmodel.

artificial intelligence；Internet+education；personalized learning；STEMAeducation

2016-11-28）