基于人工智能导向的教育教学变革再思考：理论、技术与路径

韩轶强

(江苏经贸职业技术学院 工商管理学院，江苏 南京 211168)

人工智能是研究、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的技术科学，是计算机科学的一个分支。近年来，人工智能理论、方法、技术及应用系统的快速发展，如搜索引擎、智能手机、智慧医疗、人脸识别等产品和技术的广泛应用，带来了社会生活和工作的变革，人类社会正在加速进入一个与人工智能协同工作、共同生活的新阶段，即人工智能时代。人工智能技术的发展和应用，必然对人类社会的教育理念和教学模式产生深远影响，推动教育教学变革。一方面，可以充分利用和挖掘人工智能在优化教育管理、提升教师教学能力、提高学生学习质量等方面的作用，为教育管理部门更好地制定教育政策和规划提供支持。另一方面，对人工智能技术的发展和应用情况进行深入研究和科学预测，可以促进教育管理部门对未来的就业岗位和就业技能需求进行思考，进而科学合理地设置专业。2017 年国务院颁布了《新一代人工智能发展规划》，这是我国政府首次在正式文件中明确提出“智能教育”概念，目的在于挖掘和利用人工智能技术来加快推动教育改革，创新人才培养模式，优化教学方法。2018 年教育部发布的《高等学校人工智能创新行动计划》指出，在人工智能时代，高校要推动人工智能与教育教学深度融合、变革教育教学方式。由此可见，我国已经预见到人工智能技术在教育领域的作用，也已经把融合人工智能技术、促进教育智能化作为未来教育变革的目标之一。

一、促进人工智能与教育教学变革融合的相关理论

(一)教育变革理论

教育变革理论认为，人类社会的教育一直都在不断变革，教育变革是教育动态发展的推动力量。著名教育改革理论专家哈维洛克教授把教育变革分为两种类型，即有计划教育变革和自然教育变革。有计划教育变革主要是指借助一系列的政策指引，运用各种设计方案来有针对性、有目的地推行教育变革。教育领域通常所说的教育革命、教育革新等都属于有计划教育变革的范畴。自然教育变革是指非人为推行的教育变革，既没有专门的计划，也没有专门的方案。借助人工智能技术实施的教育教学变革就是一种有计划的变革[1]。人工智能时代的教育变革本质上不是要全面否定传统教育教学，而是要吸收和融合传统教育教学中的优点，在此基础上优化教育和学习过程、创新教与学的方法和手段，是对教学资源的形态、教学活动的组织方式、学习活动的开展形式、学习评价的方式等进行系统变革。

(二)分布式认知理论

分布式认知理论是赫钦斯于20世纪80年代提出的。该理论认为认知具有分布性，认知分布于个体内、个体间、社会、环境、媒介、文化和时间等之中，这些分布式的要素必须彼此交互、相互依赖才能完成认知任务。该理论将参与者全体、人工制品及其所处特定环境中的相互关系作为一个分析单元，对参与认知活动的全部因素进行系统考虑，其核心思想是认知现象不仅包含在人类个体头脑中产生的认知活动，还包括人与人之间、人与工具之间、人与技术之间通过交互活动实现某一目标的过程。在人工智能技术应用背景下研究分布式认知理论，对于推动教育教学变革具有重要的指导意义。一方面，作为人工制品的人工智能，可以起到降低认知负荷和转移认知任务的作用。当学习者在学习过程中遇到认知困难时，智能化的学习软件等人工制品可以帮助他们降低认知的难度和负荷，以利于他们顺利完成任务认知。学习者作为“人”这样一个个体，可以进行更有深度和创造性的认知活动，而那些简单、重复的认知任务可以由智能机器来完成。目前,人机协同技术已经能够帮助人类个体解决复杂问题中的认知问题，人机协同成为解决认知问题的基本方式。另一方面，分布式认知理论认为认知是在认知个体与认知环境交互作用中逐步构建的。对于教学而言，其中存在教师与学生之间的交互、学生与学生之间的交互、师生与知识之间的交互、师生与智能机器之间的交互等。这就导致认知结构的多样化，而智能化的教学环境可以提供多样化的认知交互方式，如可以通过听觉、视觉、触觉等感知来影响学习者，帮助学习个体强化认知，重构学习体验。

(三)技术创新理论

熊彼特在其著作《经济发展理论》中首次系统地提出技术创新理论。他认为,创新就是建立一种新的生产函数，把一种从未有过的关于生产要素和生产条件的新组合引入生产体系。技术创新理论对教育教学变革的指导意义在于促进技术与教育教学的结合以及学生创新能力的培养。事实上，人工智能技术在教育教学领域的应用对教育工作者提出了变革教育思维和教学方式的要求，要求其运用智能化的教学工具创新教与学的模式，转变教学管理方式，改进教学评价机制，将教育教学与人工智能技术深度融合，促进教育模式和教学方式创新发展[2]。对于学习者而言，在人工智能技术快速发展的背景下，简单、机械、重复的工作终将会被机器取代，而人要保持对机器的优势，就必须充分挖掘和全面提升创新创造能力、想象力、问题解决能力、沟通交流能力、艺术审美能力等独特能力。

二、人工智能时代教育教学变革的技术基础

目前，教育教学变革中人工智能技术的应用类型主要有主体性应用和辅助性应用。主体性应用是指人工智能技术在教育系统中占主导地位，如智能教学机器人、智能导师系统等；辅助性应用是指在教学实施环节采用部分融入人工智能技术的功能模块和结构辅助教学，发挥某些特定的作用和功能，如智能组题功能、智能学习评价功能等。人工智能技术主要的研究领域有自然语言处理、大数据分析、计算机视觉、语音识别和机器学习，这些技术融合交织，构成了教育教学变革的技术基础[3]。

(一)自然语言处理

自然语言处理包含自然语言理解和自然语言生成两个部分。自然语言理解技术的功能在于使计算机能够理解自然语言文本的意义，自然语言生成技术则是使计算机以自然语言文本来表达给定的思想和意图等。发展自然语言处理技术的目的是避免人们花费大量的时间和精力去学习各种晦涩难懂的计算机语言，让人们使用自己最熟悉、最习惯的自然语言来操作计算机，实现人机间自然语言通信。

(二)大数据分析

大数据分析技术是指能够处理各种类型、各种形态的数据，并在全新的处理模式下获取海量和高增长数据的信息价值的能力。大数据分析技术通过采集、存储和挖掘数据，能够帮助人类找到已知变量间的相互关系，并据此进行科学、智能的决策。教育教学过程中存在大量的数据，而有针对性地建立人工智能分析模型可以借助大数据分析技术分析这些数据,帮助教师发现教学中存在的不足，并提供改进方案。人工智能在教育教学领域的应用水平取决于大数据分析技术的升级和完善程度。

(三)计算机视觉

计算机视觉技术旨在建立能够从图像或者多维数据中获取信息的人工智能系统，实现用计算机和摄像机替代人眼对目标进行识别、跟踪和测量的功能。该技术能对捕捉到的图形进行处理，进而生成更适合人眼观察或仪器检验、检测的图像。

(四)语音识别

语音识别是目前人工智能应用最为成功的技术。语音识别技术主要包括特征提取技术、模式匹配准则及模型训练技术三个方面。该技术解决了让机器理解人的说话内容这一难题，实现了机器对人类语音信号的识别和理解，进而能把信号内容转变为对应且可阅读的文字或命令。

(五)机器学习

机器学习是人工智能的核心，这项技术专门研究如何让机器模拟或实现人类的学习行为，使机器具备人一样的学习能力，并在获取新的知识和技能后不断优化知识结构，改善自身性能。判断一个系统是否“智能”，主要看其是否具有学习能力。目前有关机器学习的研究主要有两个方向：一是研究学习机制，注重探索、模拟人的学习机制；二是研究如何有效利用信息，注重从海量数据中获取隐藏、有效、可理解的信息。

三、人工智能促进教育教学变革的路径

(一)专业设置符合人工智能产业发展的需要

人工智能时代，随着产业结构的转型升级，一些传统的企业和就业岗位会逐渐消失，新的行业、企业和职业会不断涌现。学校的专业设置必须随着社会环境和科技环境的变化而调整，适应产业结构发展的新需求[4]。例如：“人工智能+”产业模式下，智慧物流、智能游戏、虚拟现实等业态不断涌现，而这些领域的专业人才供给明显不足，相关院校应结合自身的专业优势和AI技术的发展情况，增设新的“人工智能+”专业。人工智能时代，智能化生产系统在企业被广泛应用，这就要求劳动者能够适应新的工作模式，掌握人工智能环境下完成工作所需要的知识和技能。学生是未来的劳动者，只有掌握这些知识和技能，才能有效满足未来工作岗位的专业需求，这就需要学校的专业设置与人工智能产业发展需求相吻合。

(二)课程建设满足智能化生产需求

人工智能时代的智能化生产方式模糊了工作过程中的分工界限，淡化了人才结构的分层现象，颠覆了生产、销售、研发和服务分离的传统。鉴于此，学校的课程变革需要从课程开发、课程结构和课程内容三个方面有效开展[5]。第一，要结合智能化生产中的系统、流程、知识和技能来开发和设置课程，以培养学生完成复杂工作任务的专业能力。第二，应结合智能化生产需求设计课程结构，对相同专业领域内的课程进行横向整合，对不同专业领域内的课程进行跨界整合，以更好地培养学生的职业能力。

(三)课程内容具有人工智能时代特色

人工智能时代的课程应该融合专业知识、跨学科知识、人工智能技术、职业技能和职业素养等内容，增设数据挖掘、深度学习和混合智能等与 AI 相关的内容。另外，需要在课程中融入人工智能时代的数据安全和隐私保护等内容，培养学生的人工智能素养。

(四)师资队伍具有较高的智能化专业水平

全面深化教师队伍建设是人工智能时代实现人才培养目标的重要保障。学校应重视人才，推动人工智能专业人才引进工作，聘请人工智能领域的名师和经验丰富、技术过硬的企业专家为兼职教师，建设高水平的教学团队；要创造条件，鼓励教师参加企业培训和各类专项培训，加深教师对人工智能技术的理解，提升教学实践过程中人工智能技术的应用水平；建设信息化的学习和交流平台，为教师及时学习前沿技术、了解技术动态提供便利。

(五)教学实施过程中多方位应用人工智能技术

人工智能在教学中的应用逐渐改变了传统的教学方式、学习方法、评价机制等，有助于学生丰富知识、提高技能水平和综合素养。教学实施过程中多方位应用人工智能技术，可以提高教师教学、学生学习、课程辅导和教学评价等方面的效果[6]。人工智能时代，教师借助 AR或VR虚拟场景开展体验式教学，利于解决传统教学中无法用语言描述场景的问题，能够在课堂上演示或开展实践操作，让学生“身临其境”，增强体验式学习的效果。如：学生只要戴上由爱尔兰Immersive VR Education公司设计的“阿波罗11号”VR眼镜，就可以“亲身”体验“阿波罗11号”登月的全过程，这样的VR虚拟场景教学的效果是任何语言描述教学无法达到的。学生借助智能学习设备在人工智能学习平台完成教师布置的任务，在此过程中所展示的学习进度、学习问题等能为教师实施个性化教学提供帮助，而平台设置的虚拟教师也可以不受时空限制地辅导学生。英国一家虚拟教育公司设计出一款运用人工智能技术在线辅导数学的软件产品，学生在使用这款产品学习的过程中可以随时向虚拟教师提出问题，虚拟教师会根据学生的反馈调整问题解答方式，直到帮助学生解决问题。人工智能系统可以对教师指导每位学生学习的数据及每位学生反馈的数据进行分析，在此基础上实现对教师教学的精准评价，促进教师提升教学质量。

人工智能时代，传统的教育系统逐步与人工智能、信息网络等融合而成为现代智慧教育系统，为教育教学构建了智能化、信息化、多样性的学习场景，这必然对教育教学产生深远的影响。及时进行教育模式、教学方式和学习方法等方面的变革，有助于更好地为人工智能时代的社会培养所需要的人才。世界各国政府对人工智能赋能教育的战略目标均给予高度重视。美国政府自2016年起发布了《为人工智能的未来做好准备》等报告，为本国人工智能发展奠定了基础，明确了美国高等教育尤其是研究型大学应进行人工智能理论研究和尖端技术研发，并将培养前沿学科和跨学科人才作为人工智能发展的基石。英国政府在《在英国发展人工智能》报告中指出，对于人工智能教育，要从教育制度、人才培养模式、课程设置、技术应用等方面进行创新。进入人工智能时代，无论是发达国家还是发展中国家，教育的竞争都进入一个新的赛道。“人工智能+教育”为打破传统教育的局限性开辟了新路径，使普适性教育增添了个性发展元素、常规性教学增加了多维性方案、特殊人群教育完善了补偿性模式，使人工智能技术能更好地为教育教学改革服务。