美国人工智能与教学有效融合的战略、应用及对我国的启示

徐建华　张晓帆

摘   要 目前，科学技术迅猛发展，人工智能成为国际视野的新焦点，人工智能与各行各业的有机结合为人类社会开辟了新的研究视角和发展方向。美国人工智能与教学的有机融合一直在全球处于领先地位，其在战略上的政府主导、学校主体和社会协同，以及在实际应用中的智能导师、虚拟模拟和数据统计等做法都值得我国学习与借鉴。

关键词 人工智能  教学融合  战略  应用

目前，我国已步入教育改革的新时代，要大力推动教育现代化发展以及教育强国的建设，就要紧紧抓住人工智能与教学融合的战略部署，为我国建设创新型国家与科技强国把握新的发展机遇。人工智能是国际视野的新焦点，美国人工智能与教学的有机融合一直在全球处于领先地位，其在战略方略与实际应用方面都为我国提供了可资借鉴的经验。

一、美国人工智能与教学有效融合的战略方略

1.政府主导：整体规划教育人工智能战略

美国为推动教育领域的深刻变革，实现未来人才培养目标，保持其科技大国的领先地位，2009年至2015年，美国联邦政府先后修改了三次《美国创新战略》，2016年起至2018年又颁布了三份有关教育人工智能的国家级报告，战略与报告中均重点提到教育是人工智能发展的重要领域，应对其给予高度重视[1];2018年同年，美国国防部和战略研究所相继下发文件，明确指出教育人工智能为美国国防的重要战略组成部分之一;此外，美国联邦教育部还制定了教育技术专项规划，持续推动教育人工智能发展。从美国多频次颁布的系列报告与文件中，足以可见美国政府早已将人工智能提到国家发展战略的高度，充分肯定了人工智能在教育领域中的地位与价值。《美国人工智能研发战略规划》指出，联邦政府需大力投资进行教育人工智能研发，其中包括培养人工智能的技术与应用人才、资助人工智能课程的开设、增设人工智能项目与软件的研发和烘托人工智能的舆论氛围等。在美国联邦政府充分肯定教育人工智能价值的背景下，美国各级各类学校开始将人工智能引入教学，从而引领了人工智能技术在学校教学中的广泛应用。

2.学校主体：贯彻实施教育人工智能课程

早在二十世纪末，人工智能课程就被引进了美国的科学课堂，继而STEM教育思潮的涌现继续推动了人工智能课程的发展。在美国，中小学人工智能课程大多数以选修课的形式开设，属于计算机科学课程的一部分。课程内容主要包括使学生初步了解通过计算机传感器去感知世界，从计算机数据中进行学习并且通过数据模型进行推理，简单组成已经编写好的编程程序来操作机器人的动作，以培养学生对于教育人工智能的兴趣为主。美国学校根据学生不同的年龄阶段，制定了独具特色的计算机科学课程的框架，例如：1-6年级的学生，教师引导其认识计算机的重要性，并了解其基本结构;6-9年级的学生，教师引导其将计算机作为解决问题的工具，并将计算机渗透到其他学科中;10-12年级的学生，教师教授计算法则，并将其运用到今后的职业生涯中。对于未来要从事专业计算机行业的学生，教师则教授其专业的编程语言。美国学校的计算机科学课程按照内容难度相互衔接，使学生循序渐进地深化对教育人工智能的了解。

3.社会协同：鼎力支持教育人工智能发展

人工智能被列为美国发展战略之一，美国政府特别注重发挥社会各界的优势和积极性，社会各行业协会、培训机构以及科技巨头等均纷纷投资，鼎力推动教育人工智能的发展，为美国带来了巨大的经济与社会效益。美国人工智能发展协会积极投资并研发了教育人工智能项目，对教育人工智能实践者进行了培训;出版《人工智能杂志》并开设了许多有关人工智能教育的专题，面向中小学生进行宣传与讲解;协会还设立人工智能杰出教育家奖，对教育人工智能做出贡献的人员进行表彰。美国的培训机构定期会开展以人工智能为主题的活动，例如美国的数字媒体学院机构或科学机构每年都会组织机器人夏令营活动，来激发学生对人工智能的兴趣，提高学生对人工智能技术的应用能力[2]。同时，美国各大慈善基金会也大力支持并资助教育人工智能的研发，吸引全球智能领域顶尖的技术人才与应用人才，加强与国际其它投资者、业界人士的商讨与合作。美国希望与其他国家建立人工智能合作伙伴的关系，利用盟友的优势宣传其人工智能的价值观，并在国际顶尖人才的帮助下完善教育人工智能机制，提升人工智能的治理水平，促进教育与人工智能融合的发展。各界鼎力合作是美国教育人工智能发展不竭的动力之源。

二、美国人工智能与教学有效融合的实际应用

人工智能与教学的融合为教育领域的创新性发展提供了极大便利，教师与人工智能合力协作，通过人工智能协同辅导、虚拟现实情景模拟以及人工智能教育评估等方式，进而培养出符合时代发展所需的未来人才。

1.智能导师：协同进行教学辅导

人工智能与教师在日常的教学生活中进行协同化教学，充分发挥各自的优势，推进美国教育领域的历史性变革。人工智能不仅能利用其精准性与熟练性的特点进行一些例如批改试卷、修改作业、评定分数以及评估课程等繁琐、耗时的程序性劳动[3]，美国孟菲斯大学人工智能研究团队还研发了人工智能产品—“智能导师”。智能导师与传统形式上的人工智能并不相同，它可以智能地对学生进行分析，促进学生对于知识的领悟，进而协助教师更好地进行教学。智能导师的编程中储存了大量的知識库，可以充分准确地解答学生的问题。同时，智能导师不会直接将答案告诉学生，而是通过不断地启发、循序诱导，最后使学生自己得出问题的答案。智能导师还会从学生的面部表情、语音语调中分析出学生的心理，从而进行更好的教学指导。因为班级额度的原因，教师的精力并不足以做到一对一辅导，但是智能导师能够协同教师针对不同的学生，具体分析每个学生的认知程度和思维方式，从而为不同学生量身定制适合其自身个性化发展的教育内容，进行因材施教的教学。智能导师还通过跟踪学生的学习进度、学习策略，不断调整学生的学习路径，从而使其达到更高水平的发展。

2.虚拟模拟：创设教学情景再现

美国人工智能在教育领域的虚拟模拟技术可以增加教学的直观性，促进学生对教学情景的领悟，从而提高学习质量与学习效率。人工智能与教学的有机融合，体现在虚拟模拟技术与各个学科相结合，例如虚拟模拟技术与历史学科结合，使学生置身于历史场景中，经历无法亲临的场景，生动形象地感受历史人物与故事的趣味性，获得主观真切感受;虚拟模拟技术与物理、化学学科实验相结合，不仅能够减少实验物品的消耗，实现实验的环保性、节能性，同时能够做一些现实生活中无法完成的实验，增加实验的趣味性，减少实验的危险性，真正做到安全实验;虚拟模拟技术还用于创设教师、同学等不同的虚拟人物，美国南加州大学的创意技术研究所致力于开发人机交互的虚拟角色，与学生在教学过程中进行共同探讨，他们会从不同的角度提出观点，启发学生新的学习思维，增强教学的互动性及有效性[4]。人工智能的虚拟模拟技术，可以使学生置身于虚拟的现实教学情景中，增强直观感受，更好地促进其对学习的感知与领悟。

3.数据统计：促进教学科学评估

美国教育人工智能系统针对学生进行科学、准确的教育评估。传统的教育评估可能掺杂个人因素，评估结果有可能存在误差，而人工智能教育评估采用教育数据挖掘及分析系统，能够保障教育评估的精准性与科学性。智能评估系统为每位学生单独建立一个数据信息资源库，数据信息资源库具有实时更新、不可篡改以及随时验证等特点。2017年，麻省理工学院推出数字证书，学生可以自己对教育数据进行管理，了解数据的生成过程，保障数据的真实性，也可提出自己的观点与反思，成为自身数据信息资源库的主管者[5]。联邦教育部积极响应政府号召，大力研发智能评估工具，采用标准化的智能测试，能够更加准确地了解学生的学习水平以及发展能力，进而改进对学生的教学方法，使其更有效率地进行学习。人工智能与教育评估相结合是未来教育的必然发展趋势，对于学生的评估将更加具有科学性与精准性。

三、美国人工智能与教学有效融合对我国的启示借鉴

纵观美国教育领域人工智能与教学融合所取得的丰硕成果，可以清晰地看到，美国各界都高度重视教育人工智能发展战略，充分肯定了未来教育中人工智能的地位与价值，为我国新时期人工智能与教学的有效融合提供了可资借鉴的经验。

1.加强战略设计，健全人工智能与教学融合的体制机制

目前，我国正处于新时代的坐标下，应立足于我国国情，以开放的姿态面向当今世界，向世界人工智能发达的先进国家学习与借鉴。其中，加大对教育人工智能的资本投资以及政策建设是大力加强战略设计的首要任务，应做到以下五点：第一，在研发领域，将人工智能技术的开发与应用作为资金投入的重点，加强我国人工智能发展的基础保障;第二，在政策方面，应加快落实《新一代人工智能发展规划》，全面提升经济社会发展以及教育智能化水平，加快建设创新型国家以及世界科技强国;第三，在资源配置方面，尽快缩小城乡发展差距，使教育资源均衡化发展，人工智能与教学的融合得到普及;第四，在人力资本培养方面，加大资本投入并设置教育人工智能奖项，全面提升教师的信息化素养，使人工智能协作教师贯穿于教学的始终;第五，在国际合作方面，与世界人工智能发达国家的顶尖人才进行交流合作，吸取高端人才的成功经验，为我国未来教育中人工智能的发展提供智力支持。

2.推进智能课程，全面提升教师与学生的信息化素养

当前，我国人工智能课程还处于探索阶段，师资培养体系尚未完善，人工智能理念还未深入人心等问题。因此，要加快推进人工智能与教学的有效融合，需要学习和借鉴美国在各级学校的成功经验。首先，在基础教育中开设人工智能课程。设置人工智能教育的课程标准，根据学生年龄阶段定制不同的人工智能课程教授内容，提供相互衔接的人工智能课程体系，吸引学生对人工智能课程及计算思维的兴趣，培养学生的信息化素养;其次，完善人工智能课程的软硬件设施与资源。学校应加大教育经费的投入，加强对教师进行人工智能课程的进修及培训，积极寻求与高等院校的合作，借助高校的智能资源进行课程的推进，不断提升教师的信息化水平;最后，将人工智能与学科课程相融合。人工智能与教学的有效融合要贯穿于基础教育的各个学科，在开拓学生视野的同时，提升其运用人工智能技术为实际生活服务的本领。只有加快推进中小学智能课程建设，提高教师以及学生的信息化素养，才能使我国人工智能与教学的有效融合得到飞速进展。

3.加快技术开发，积极探索人工智能与教学融合的新模式

我国应加快教育领域内人工智能技术的开发，采用人机协作的方式推动教育变革，积极探索人工智能与教学有效融合的新模式。首先，利用人工智能辅助教师教学，帮助教师处理繁琐、复杂的程序性劳动，减轻教师的日常工作负担;其次，利用人工智能的导学系统对学生学习能力进行测评及数据分析，帮助学生量身定制学习计划与学习策略，学生通过线上教学、智能机器人教学，实现个性化自主学习，将学习的主动权移交给学生，使学生的角色发生转化，帮助学生有针对性的进行学习并及时反馈;再次，利用人工智能技术可以模拟虚拟的教学情景，使学生能够感同身受地领悟立体化教学，并通过虚拟的教师，与学生进行交流与探讨，促进学生对教学内容的深入理解;最后，利用人工智能技术对数据进行整合与分析，能够对学生、教师、课堂进行科学的评析，增强评析的客观性与准确度。

目前，我国正处于新时代教育改革的浪潮中，人工智能与教学的融合是教育发展的必然趋势。我国要加强顶层战略设计，建立健全人工智能与教学融合的体制机制，推进智能课程的落实，全面提升教师与学生的信息化素养，加快智能技术的开发，积极探索人工智能与教学有效融合的新模式，全面提升我国教育信息化水平，为成功建设科技强国与创新型国家做好完满准备。

参考文献

[1] National Science and Technology Council.Preparing for the Future of ArtificialIntelligence[EB/OL]（2016-10-12）.[2020-5-25].https：//obama

whitehouse.archives.gov/sites/default/files/whitehouse_files/microsites/os

tp/NSTC/preparing_for_the_future_of_ai.pdf.

[2]魏巍.美国中小学机器人教育的实施路径及启示[J].教育观察，2020，9（31）：1-3+33.

[3] 王正青，但金凤.人工智能技术在美国学校教学中的应用领域与推进策略[J].比较教育研究，2020，42（06）：43-49.

[4] USC Institute for Creative Technologies.ICT Overview[EB/OL]. （2018-04-11）[2020-04-19].https：//ict.usc.edu/about/.

[5] 王樹涛，陈瑶瑶.美国教育人工智能的战略、应用与发展策略[J].当代教育与文化，2020，12（05）：17-25.

[作者：徐建华（1968-），女，黑龙江哈尔滨人，黑龙江大学教育科学研究院教授，博士，硕士生导师;张晓帆（1996-），女，黑龙江齐齐哈尔人，黑龙江大学教育科学研究院。]

【责任编辑】

*该文为全国教育科学规划教育部重点项目“教育供给侧视域下我国高等教育结构研究”（课题编号：DIA180390）的阶段性成果之一