人工智能教育应用环境下的探究学习及未来发展

王忠华 吕雪淳

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.071

摘  要 人工智能技术的发展给当今教育形态带来强烈的冲击，不仅推动了新的教育实践，对于新的学习方式、学习环境以及学习内容的改变也十分显著。分析人工智能教育应用环境可能带给探究学习的支持和变化，对人工智能教育应用的未来发展提出若干建议。

关键词 人工智能;人工智能教育;探究学习;创新型人才

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）21-0071-03

1 引言

人工智能时代使教育实践发生十分显著的变化，教学方式和教育形态也会随之改变。在2019年5月16日召开的首届人工智能与教育大会上，国家主席习近平在发给大会的贺信中指出：“把握全球人工智能发展态势，找准突破口和主攻方向，培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命。”[1]而人工智能教育正是实现该使命的重要实践途径。在人工智能的强烈冲击下，教育领域也正发生巨大变革。

2 目前人工智能在教育领域的主要应用

人工智能发展迅速，已在社会各个领域获得广泛应用。人工智能与教育的深度融合已成为教育发展不可阻挡的趋势[2]。目前，人工智能在教育领域的应用主要有五个方面：智能教学系统、智能代理系统、智能答疑系统、智能决策支持系统、智能测评系统。

智能教学系统可以帮助教师进行个性化教学，计算机强大的计算能力及数据分析能力可以根据学生的学习情况提供即时、有效、全面和针对性的学习诊断，以此来帮助教师进行个性化的教学。

智能代理系统主要是搜集教学活动中教师与学生的相关信息，整理后储存在数据库中。当用户提出信息需求时，智能代理就会查询数据库是否拥有需求信息，有则提取信息并发送给用户，没有则搜索信息，将信息整理归纳后存入数据库，再将信息发送给用户[3]。这不仅提高了用户获取信息的效率，也提高了信息的全面性和精准性。

智能答疑系统是指能够自动解答用户提出的问题的系统，主要通过自然语言的语意理解技术来实现这一功能，不仅可以有效解决学生自主学习遇到的困难，也可以有效地提高学生自主学习的效率。

智能决策支持系统是用来帮助用户解决复杂的决策问题的辅助系统，它在DSS的基础上增加了知识库和推理机。决策的制定需要经过分析、思考、讨论等一系列环节一步一步得出来，而该系统通过严谨的逻辑来帮助学生解决复杂的决策问题，大大加快了制定决策的速度。

智能测评系统则可根据学生的表现自动化地给出全面的评价，进一步提高了评价的准确性，既减轻了教师的负担，也为教学方法的改进提供了极大的帮助。

3 人工智能教育应用环境下的探究学习

探究式学习是指教师在教学中创设一定的开放性问题情境，学生通过自主思考、动手实践，主动发现问题、解决问题并获得知识和能力的一种学习方式。它强调学生在學习过程中的主体性，主要特点是自主性和探究性，更注重学习过程而非结果。而随着人工智能教育应用的不断发展，智能导师系统、智能答疑系统、智能代理系统、智能测评系统、智能决策支持系统等为探究性学习提供了良好的智能学习环境，可以部分代替教师，为学生的探究性学习过程提供强大的支持和帮助服务，从而能更好地培养学生主动分析问题和解决问题的能力，满足信息时代对大量创新型人才培养的需要。下面就从探究学习的教学过程来分析人工智能应用于探究学习会给教学带来的变化。

创设问题情境  探究性学习情境的创设要有一定的真实性，这样才能使学生产生一种沉浸感，学习环境越真实，这种沉浸感就会越强烈[4]。然而很多真实的问题情境在教学中是难以提供的，这会导致学生无法更好地进行探究学习。比如，现在的骨科临床医学生在教学实践中一般只能使用标本或骨骼模型进行操作，然而标本来源有限，且由于很多部位解剖结构和损伤机制的复杂性，正常结构标本或模型很难全面揭示其特点，又不可能提供真人去给学生做研究，因而教学面临缺乏直观性和可操作性的大问题。而依托于智能感知、虚拟现实技术构建的高度情境化的学习环境，则可以使学生沉浸在真实的问题情境中，最大限度地激发学生的探究欲望，大幅度提高学习的临场感，从而使学生真正地去探索新知、解决问题、获得能力。

启发思考  当创设的学习情境激发了学生的学习积极性之后，教师要及时提出相应问题，问题需要具有一定的启发性，且要与当前所学知识相联系，以此来活跃学生思维，培养自主思考的能力。在人工智能技术的支持下，根据人工智能平台形成的针对所有学生和每个学生的数据集，教师可以清楚地掌握每个学生的学习水平，提出更加适合学生的问题，甚至是不一样的个性化启发问题，使问题既能够真正启发每个学生思考，又不至于太难而打消有些学困生的学习积极性。在以往探究学习的这一阶段，教师需要告诉学生应当利用哪种认知工具或者学习资源去解决该问题，并需要帮助学生解决在探究过程中遇到的难题。但在人工智能教育应用环境下，有丰富的在线资源供学生使用，教师无须规定学生使用的学习资源，且智能答疑系统也可以帮助教师共同解决学生思考过程中遇到的难题，培养学生的计算思维和创新思维。

自主探究  该过程是学生针对教师提出的问题自主去探索和解决的过程，他们需要利用相应的学习资源进行辅助。在人工智能教育应用环境下，教学资源更加丰富，学生可随时利用各种网络终端获取自己需要的信息，通过线上包括文本资源、多媒体资源、交互教材、影音资源等各种资源的资源库来查找与问题相关的资料，拓宽自己的思维;并主动对所获取的新信息进行分析、加工与评价，完成对当前所学知识的意义建构;甚至还可以利用虚拟仿真的学习环境来检验自己的方案是否可行，以便进一步思考和修改。在各种软硬件的支撑下，通过大数据分析，在线学习平台能够将教育资源结构化和碎片化，建立起资源推送与学生特征精准匹配的智能体系，有效保证个性化资源推送。

协作交流  在自主探究的基础上，教师还应组织学生以小组为单位进行组间或组内的交流与讨论，这一过程既可以帮助学生获得更多的知识，又可以培养学生的合作交流和表达能力。在传统课堂中，学生因为受到空间和位置的限制而只能和固定的组内成员或者相邻小组进行合作交流。但智慧教室的使用，突破了传统教室信息交流方式的局限，也突破了原有教室的桌椅摆放方式，活动桌椅的使用使得学生交流、合作更加方便。头脑风暴式的学习交流，不仅可以调动学生学习的积极性和参与度，也能激发学生的思维。交流之后，各小组可以将探究成果上传到电子白板，小组代表面对全体同学进行展示讲解，分享合作成果，以供全班同学交流分享。这样既能提高学生的合作学习能力，又可促进学生对知识的全方位理解，实现学生思维过程的具体化、形象化[5]。

总结评价  总结评价是实施探究性学习的最后一个步骤。在这一过程中，教师要对学生整节课的表现进行评价，总结学生的优点和不足并提出相应的改进建议，使学生进一步达到最终的教学目标。在人工智能教育应用的教学环境下，通过综合运用学习分析、智能测评等技术，对学生的各类数据进行分析，包括学生学习行为和教学互动等的学习过程数据、各类作业和练习等的评测数据[6]，多维、客观、个性化地分析学生的不足和需求，提高对其评价的准确性和针对性，并根据分析结果向学生推送个性化学习服务，进一步提高学生对所学知识的理解与应用。

4 人工智能教育的优势

人工智能技术应用于教育可以推动个性化学习的发展，有利于创新型人才的培养，可以满足公民生存和发展的终身学习需要。

满足个性化学习需求  首先，利用人工智能技术，学生可以根据自己的需求、学习特点、能力等自主制订学习计划、安排学习进度甚至自主选择学习内容。其次，通过人工智能技术可以精准地对每个学生的学习偏好、作业完成情况、注意力集中情况等进行大数据收集并对其进行分析，根据分析结果为学生制订相应的阶段性学习方案，并对进一步的学习状况进行跟踪反馈，不断完善学习方案，从而真正做到为每位学生提供个性化教育[7]。

有利于培养创新型人才  人工智能技术应用于教学中，可以促进学生创新思维和创新能力的发展，培养创新人才。中国教育发展战略学会副会长周满生说过，如果老师只做简单的知识传递，人工智能可以取代60%;而在培养学生各方面，包括创新能力、批判性思维能力、复杂决策能力、团体管理能力、沟通能力等，人工智能能取代的可能只有30%[8]。而人工智能与教育的深度融合，人机相互协助、相互协同，能够增强教育服务创新发展能力，培养学生的创新能力。

满足公民的终身学习需要  随着人工智能技术的发展，人们可以随时随地学习，尽管不在学校，也可以在人工智能的辅助下根据自己的兴趣、生活、工作等需要进行学习，真正地实现人人都是学习者的学习型社会。随着学习者年龄的增长，可以自动调整和更新学习内容，使学习者始终保持对学习的热爱，养成主动、不断探索、学以致用的良好习惯，真正做到学习伴随每个人终身。

5 人工智能教育应用的未来发展

人工智能技术在教育中的应用，在提升教学质量、创新教学方式、优化人才培养、促进个性化和终身化学习等方面发挥了积极作用，但目前我国的人工智能教育应用还处于初级发展阶段，面临很大的挑战，同樣面临巨大的机遇。教育智能化的实现不是一蹴而就的事情，而是一个需要不断探索、不断前进的过程。

完善智能时代的教育理论体系  由于人工智能技术发展过快，新型教学内容不确定，教学目标和教学模式也不明确，教师缺乏相关经验，成熟的教育理论体系尚未形成，等等，都给教育工作者和教育管理机构带来困惑。要想解决这些困惑，就要从数据、技术、应用场景等多方面入手，拓宽人工智能教育的应用空间，健全人工智能教育跨学科人才培养体系，而这些教育实践首先需要一个完整的教育理论体系的指导。

注重人工智能教育应用中的伦理教育  在人工智能时代不断发展过程中，维护整个教育发展过程的科学性、健康性成为不可忽视的要点。在人工智能教育应用过程中需要大量数据的挖掘和整合，但由于其技术的复杂性和不可预知性，给伦理带来挑战。因此，要重视数据的安全使用和隐私保护，要具备一定的信息意识和计算思维，不仅要将人工智能教育纳入课程体系，更要将伦理教育纳入，在人工智能教育应用的发展问题上也要制定出科学合理、符合社会规范伦理的法规和制度。

6 结语

人工智能教育应用在促进教学方式变革、创新教学内容和方法、实现教育的个性化和终身化等方面发挥着越来越重要的作用，但在看到其取得重要进展的同时也要意识到其不足之处。人工智能教育应用可以为改变传统的学习方式带来可能，目前对于人工智能如何在不同的新型学习方式中进行应用研究还在不断探索之中，但人工智能教育应用已经成为未来教育的趋势，学者也将在该领域不断研究和探索，它终会引领未来教育的发展，引领未来人的发展，引领未来社会的发展。

参考文献

[1]习近平向国际人工智能与教育大会致贺信[EB/OL].[2019-05-16].http：//www.xinhuanet.com/politics/lea

ders/2019-05/16/c_1124502111.htm.

[2]郑珂，赵伟刚.人工智能教育应用的典型特征与发展趋向分析[J].中国信息技术教育，2019（Z4）：152-154.

[3]施佳玮.人工智能在教育中的应用研究[J].北极光，

2020（1）：129-130.

[4]张雪，罗恒，李文昊，等.基于虚拟现实技术的探究式学习环境设计与效果研究：以儿童交通安全教育为例[J].电化教育研究，2020（1）：69-75，83.

[5]杨丽萍.利用智慧教室提升政治教学效益的策略[J].名师在线，2020（5）：89-90.

[6]管珏琪，孙一冰，祝智庭.智慧教室环境下数据启发的教学决策研究[J].中国电化教育，2019（2）：22-28，42.

[7]王弘扬，龙耘.人工智能助力高等教育发展的动因、特征和方向[J].中国高等教育，2019（20）：57-58.

[8]周满生：人工智能时代，我们该如何培养创新人才[EB/

OL].[2018-03-14].http：//jyj.gmw.cn/2018-03/14/con

tent_27977150.htm.