对人工智能助力基础教育的思考与建议

王鹏远 包蕾

对人工智能驱动教育变革需要冷思考

近来，人工智能对教育将产生影响越来越成为人们关注的话题。我们看到诸如《人工智能何以驱动教育变革》《展望2035技术重塑教育生态》《智能化领跑教育信息化2.0》《未来使用人工智能的教师将取代不使用人工智能的教师》等等一系列文章。国务院于2018年1月印发的《关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见》中提到“教师主动适应信息化、人工智能等新技术变革，积极有效开展教育教学”。《教育部2018年工作要点》提出“启动人工智能+教师队伍建设行动计划”。人工智能、3D打印、物联网也进入教育部印发的《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》。专家则呼吁“学校应积极拥抱人工智能”“教师要主动拥抱人工智能”“教师角色需要加速转型”。这里提出了一个既现实又似乎迫不及待需要回答的问题：人工智能时代需要怎样的教师？教师怎样拥抱人工智能？怎样主动适应信息化、人工智能等新技术变革？教师角色需要怎样加速转型？

对此，有的文章提到，有了人工智能“最基础的教育将不再需要教师”“人工智能将代替教师批改作业”“人工智能可以代替教师传授知识，解疑答难”……总之，当前思想异常活跃，持什么观点的都有，一时间教师被搞得有点晕头转向，不知所措了。

当前对这个话题的讨论似乎有些过热，其实对于人工智能驱动教育教学模式变革这样一个时代课题需要加以冷静的思考，避免炒作和误导。

既然讨论涉及人工智能，那么首先得对人工智能的概念与发展现状有一个清晰的认识，否则对人工智能的一知半解就会导致高谈阔论、理想主义，对人工智能引发的教育变革也会抱有过高的期望；另外，应该更多从教育（特别是学科教育）的价值、特点与需求思考技术带来的影响，而不是从技术的角度想当然地思考技术在教育中的作用。讨论中一个被忽视的问题是如何处理未来和当前、理论与实际的关系。某些专家设想的人工智能的功能或许在未来某个时刻能够实现，但当前技术却远没有达到这个水平。专家设想的某种人工智能催生教育变革的理论，没有经过教学实践的检验，未必能马上应用在当前的教学实际中去。

1.怎样认识人工智能

最近，在中科院第十九次院士大会上，谭铁牛院士的报告给出了清晰完整的解答。人工智能自1956年提出，其研究的目的是探寻智能的本质，研制出具有类人智能的智能机器。研究内容是能够模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统。它的表现形式包括会看，如图像识别、文字识别；会听，如语音识别、机器翻译；会说，如语音合成、人机对话；会动，如机器人、无人机；会思考，如人机对弈、定理证明、医疗诊断；会学习。谭院士认为，目前专用人工智能取得了突破性的进展，如与围棋对弈的 AlphaGo、Alpha-zero，用于安检的人脸识别技术等，但远未达到“奇点”，与通用人工智能还存在非常大的差距。所谓专用人工智能，是为某一特定目标设计的，如围棋对弈的不能用于象棋对弈、图像识别技术不能用于语音合成。

至今，人的大脑到底是怎么处理外部视觉信息或者听觉信息的，很大程度上还是一个黑箱。人工智能总体发展水平现在仍处于起步阶段，例如，利用人脸识别技术很难区分同卵双胞胎。一些信息技术专家错误地把专用人工智能混同于通用人工智能，显然夸大了人工智能的作用，谈到人工智能对教育变革的驱动至少在当前显然是说过头了。

2.怎样认识教育的价值

一些专家考虑教育往往从技术出发，在讲技术的优势时总是先否定、批判传统。如传统的教育就是灌输知识，传统的数学教育只限于机械地讲解题技巧，传统的教育中学生总是处于被动的接受状态等等。现在有了人工智能则要改变这一切，转变到培养学生创新意识、实践能力、自主探究、合作交流、突出个性……其实，传统的教育并不像某些专家说的那样一无是处。抗日时期的西南联大虽然条件异常艰苦，没有电脑、没有网络、更没有人工智能，甚至连像样的教室都没有，但是从西南联大却走出了不少蜚声中外的大科学家。这怎么解释呢？把技术与传统教育截然对立起来显然是错误的。

从技术出发谈教育，教师角色的加速转型似乎要以人工智能、互联网、大数据为本，学科教学成为次要的，于是教师应更加关注构建和谐稳固的师生关系和促进学生全面长远发展。教师不再仅仅是知识的传授者，而是满足学生个性化需求的教学服务提供者、设计实施定制化学习方案的成长咨询顾问。其实，关注和谐稳固的师生关系、促进学生全面长远发展是教师一直关注的，并非受人工智能的影响才开始转变。在人工智能出现以前，教师也不仅限于知识的简单传授，他们也需要关注学生的全面发展。所以，从技术出发谈教育的变革难免空泛。

从教育出发论技术，一方面要求教师回归学科教育本身，不管技术怎样进步，他们仍然要精心钻研教材，认真研究学情，不断改进教法；另一方面，则要关注技术的进步对学科教学的影响，某种技术对自己所教学科能否适用，对改进教学是否有益，能否取得良好的效果。例如数学学科，鑒于它的特点，则特别需要关注技术对促进学生数学思考的作用。人工智能与其他技术一样是个双刃剑，关键在于结合学科特点恰当地应用，用好了对教学能起正面作用，否则会削弱学生的数学思考。

教师拥抱人工智能——从现在开始

麻省理工学院温斯顿教授把人工智能定义为“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只用人才能做的智能工作。”这样看来，人工智能并非那么神秘高深莫测，正如张景中院士所述：数学计算软件、作图软件也是人工智能。那么，吴文俊先生创立的几何定理机器证明，还有目前我们正在数学教学中使用的动态数学软件、机器证明软件、互动反馈技术等，它们不仅可以完成过去只有人才能做到的工作，而且还可以完成前人不能胜任的一些工作。这些都是人工智能技术在教育教学中的应用典范。

所以，教师拥抱人工智能不必等待未来通用人工智能的出现，从现在就可以开始尝试把专用人工智能的一些技术运用在自己的教学中。

教师要“走进”而非“走近”人工智能。例如，动态作图软件（几何画板、超级画板、网络画板等）已经在不少数学教师的教学中得到应用。实践已经表明，它在智能计算、画图、证明、动画、编程、测量等方面的功能确实可以为数学教学提供实实在在的帮助，成为数学教师教学的得力助手。动态数学软件的应用不仅能提高教学效率，可以取得传统教学手段难以取得的效果，还可以借助技术组织更加有效的数学实验与数学探究等有价值的数学活动。

数学教学需要解决的问题是首先把数学变得容易一些，并凸显数学的本质。利用超级画板有助于达到这一目的。

我们利用超级画板制作的许多课件可以激发学生的学习兴趣，如模拟自行车运动的游戏课件。

图1 模拟自行车的运动

我们还制作了便于加深对数学概念理解的课件，如展示椭圆定义双球模型、三视图的生成。这些动画课件，可以通过选择屏幕上的动画按钮，呈现不同的动画效果或者可以使图形交替出现，给学生留下想象的空间。

图2 椭圆定义双球模型

图3 正五棱柱的三视图

数学的解题教学需要关注学生构建解题思路的思维过程，我们可以结合学生现场的反应利用隐藏显示按钮逐步展现解题的思维過程。如在一个题目解答中考虑添加辅助线的过程，以及通过鼠标拖动给出本题的不同情况。

限于篇幅，我们不再举更多的教学案例了，只从上面几个案例已经充分说明动态作图软件深刻改变了数学教学的现状。作为一线数学教师需要思考，在人工智能时代基础数学如何利用人工智能带来的新机遇。

教师需要恰当地将人工智能用于数学教育，充分合理地使用人工智能提供的丰富资源，补足现行教育的短板，实现优质教育资源共享，改进教学方式方法，但不能养成学生对技术的过分依赖。人工智能介入数学教育不应导致学生懒于思考，懒于阅读，懒于探索。

人工智能软件的出现对数学教学的一个影响是数学教学侧重点的变化。基础需要更加夯实，要抓住数学的本质，凸显知识的形成过程（但不是靠死记硬背和重复性的机械训练）。除了知识层面以外，要更加侧重于思维和能力层面，关注数学思维和数学表达能力的培养。

要渗透公理化和算法的思想，要培养学生独立思考、锲而不舍和勇于提出问题、大胆质疑的品质，发展和培养创造性思维的方法。这些素养不仅对未来从事AI工作的学生是必要的，对未来从事其他行业的学生同样重要，因为在飞速变化的人工智能时代，势必在一些职业不断消亡的同时涌现一批新的行业，良好的数学素养必将为未来公民适应多变的社会提供更多的机遇。

数学思维一方面是数学的抽象严谨的逻辑推理和形式化表达，另外一方面则是大胆的猜想和想象，这是创新思维所需要的，所以要更加注意合情推理与演绎推理的配合。在数字化社会，越来越多的问题可以转化成数学问题，因此在数学教学中要重视数学模型的建立和问题解决、计算思维的渗透。在初中过渡到高中的教学中则要特别注意符号化和形式化语言的运用。机器证明软件为此提供了很好的技术支撑。

困扰课堂教学的最大问题是难以实现教学的个别化，一个教学班几十个学生，程度参差不齐，教师难以做到针对每一个学生因材施教。这个矛盾在中、高考前的复习中尤为突出。

为解决这个矛盾，可以充分利用网上资源，解决传统手段难以克服的困难，借助互联网实现线上和线下教学的配合。教师可以自己制作微课放到网上（或用微信方式传给学生），利用微信群开展调查或组织讨论。

目前不能过高估计人工智能的作用。一提人工智能，人们脑子里马上想到的是声称可以充当家教的“小帅5.0”智能机器人。于是人们会形成一种错觉，以为现在人工智能已经发展到能像人一样进行思考（甚至比人思考得更敏捷、更周密）的水平，不仅如此，借助语音和语义识别功能还能与人充分交流。那样一来，人工智能就可以完全替代老师了。其实，目前人工智能虽然取得了骄人的进步，但远远还没达到这一步。

人的思维是复杂的，不像围棋那样有一定的规则，能在高考答对选择题和填空题的高考机器人其实背后有庞大的题库支持，“小帅5.0”与互联网相连，背后也有云平台存储的巨量的教育资源做后盾，但这不代表他们现在已经能完全替代教师。

教学是复杂和灵活的，需要考虑多方面的因素，在可预见的将来，人工智能不可能像教师那样精通学科业务和研究学生，不可能胜任启发式教学，随机应变，因势利导，循循善诱，灵活地与学生交互。但可以预计，随着人工智能的进步，它将会给教师提供越来越多的帮助。所以教师需要与时俱进，挖掘技术在教学中的潜力，借助技术的进步创设更优质的教学。

目前，互动反馈技术已经能为实现精准教学提供有力的技术支持，且在一些地区进行了实验并取得较好的效果。借助互动反馈技术当堂获取的教学反馈信息：学生解答情况的统计（正确、错误以及还没有回答学生的比例）、哪些学生做对、做错或没有解答、以及所有学生的具体解答状况；还可以在网上对学生的学习情况进行动态的大数据统计和分析。这些信息为教师及时调整教学策略、教学节奏提供了有价值的参考。

人工智能对数学教学可以提供的帮助不止这些，但现在已经证明对数学教学行之有效的这类技术还远未普及。

最后再举一个帮助教师制作微课的技术。一节课45分钟，有时需要关注的重点、难点或易错点的讲解其实只有短短的10来分钟。这时根据教学需要要求教师制作所谓“微课”的教学视频，可以在课堂上使用或课下回放。

如何录制微课是当前教学的实际需求。现在人工智能提供了这样的技术，教师只需写出文本（Word或PPT）讲稿，利用人工智能就可以把文字转化成语音（男声或女生），无需教师自己讲述。如果再把教师的照片放进去，则可以呈现模拟教师现场讲解的生动效果，背后还可以放置不同场景。这样一来大大节省了教师制作微课的时间。

从以上的介绍不难看出教师与人工智能的距离并不遥远，所谓拥抱人工智能，完全可以从现在开始。但需要指出，所谓人机相互配合施教的过程中，数学教师关注的首先仍然应该是学科教学。不管是使用动态数学软件，还是机器证明软件，乃至互联网、互动反馈技术、微课生成技术，教学设计仍然是第一位的，教学目标应该明确，教学决策应当合理，教学节奏应当与学生思维同步，在此基础上才谈得上信息技术与学科教学的有机融合。

人工智能发展迅猛，我们期待它能为助力基础教育提供越来越多强有力的支持，这是一个渐进的过程。让我们利用已有的专用人工智能成果脚踏实地地从我做起、从现在做起吧！