人工智能在基础教育中的应用
2023-06-08张晓姝
摘 要:在社会信息化快速发展的背景下,人工智能与教育有效深度结合,能为人类的教育事业发展做出更大的贡献。在基础教育领域,人工智能主要从传统教育方式难以发力之处入手,帮助广大教育工作者取得更大的突破。本文以华东师范大学小花狮智适应学习系统为例,归纳描述了人工智能在基础教育中的应用及表现的全面性、针对性、共向性以及趣味性。
关键词:人工智能;智能教育;小花狮智适应学习系统
作者简介:张晓姝(2000—),女,西南民族大学数学学院。
一、智能教育简介
人工智能是全球新一轮科技和产业发展的重要驱动力,它正在推动一场比工业革命发展速度更快、涉及范围更广、颠覆性更强的社会变革,促使经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速升级。作为引领未来发展的重要驱动力,人工智能正深刻改变着我们的生产生活和教育教学方式。教育是国之大计、党之大计,现今世界各国都非常重视人工智能给教育理念、教育模式和办学体系带来的深刻影响,积极地探索人工智能与教育深度融合的实现路径。计算机视觉、机器学习、知识图谱、自然语言处理等前沿技术和教育的结合日趋紧密,人工智能时代下的智能教育正在成为促进教育资源均衡化、服务个性化、治理现代化的重要抓手和创新引擎。
在过去,信息技术尚未发展成熟,传统教育中出现学生厌学、课堂教学很难个性化、优秀教师无法服务所有学生、学生理解疑难知识困难、在主要学科教学中缺乏学生系统的学习和创新思维能力培养必要的安排和部署、教学和学习评价缺乏科学的路径和量化的标准、课堂教学无法实现优质均衡等教育共性、本质的问题[1]。在人工智能背景下,教育发生了革命性的改变,智能技术的发展催生了智能教育。人工智能作为一种智能技术,可与教育深度融合,聚焦打造智能教育,推动数据归集和共享。换句话说,智能教育是利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革,构建包括智能学习、交互式学习的新型教育体系[2]。
二、小花狮智适应学习系统简介
小花獅智适应学习系统是由华东师范大学上海智能教育研究院组织跨学科专家团队,基于人工智能学习、学科知识图谱和自适应学习,共同研发建设的学习系统。该系统突破了现有其他在线学习系统的局限,基于智能算法动态迭代的知识图谱,实施大规模个性化学习,实现学生在知识、能力和情感三个维度的协同发展。
系统中数学学科知识图谱覆盖义务教育全阶段,其运行原理是对学科整体内容进行结构化整合,形成初步的学科知识图谱,并且在这一过程中形成对学科内容的直观表述以及外化知识点间的联系,螺旋式地拓展和加深学习内容。而后,系统整理学生学习后台记录数据,借助人工智能算法分析,形成知识路径矩阵,动态迭代生成新的知识图谱,以此为学生提供最优学习路径。(如图1)
“知识路径动态迭代”是系统工作的核心部分,在这一部分中,系统将依据每个学生的发展需求,在学习内容上,注重学科核心素养能力导向,通过生动的视频动画讲解,知识内容联系生活实际,体现知识间的关联性,让学生在学习的过程中逐渐形成和发展学科核心素养。在学习形式上,系统采用主题闯关、人机交互的方式,激发学生学习的兴趣与热情。在教学讲解上,系统注重启发式教学,激发学生学习的主观能动性,引导学生发现问题和提出问题,利用观察、数值计算、逻辑推理等方法分析问题和解决问题,促进学生理解和掌握学科的基础知识和基本技能。在整个学习过程中,系统会按照动态迭代生成的知识路径矩阵,为每个学生规划当前最优学习路径,通过视频学习、答题闯关、做题巩固、学习诊断分析的循环方式,对学习路径进行科学化、智能化调整。(如图2)
在实际的教学场景当中,教师利用自适应学习系统给学生布置自主学习任务,当学生收到任务后在系统中开始个性化的自主学习时,系统会将知识体系分解为多个小知识点,并根据学生的历史学习轨迹和知识掌握情况,推荐学生当前最佳的学习节点。在学生确定要学习某个知识点后,该节点也会为学生提供个性化的视频,而学生在观看学习视频的同时,可记下重点或不理解的问题,并做出反馈。在学生完成视频学习后,系统会根据对当前学生发展水平的诊断分析,提供不同难度、不同数量的巩固练习题。学生在答题过程中,智能诊断算法持续跟踪学生的答题情况,当检测到学生的学习状态已经趋于稳定时,则停止并呈现对应的诊断分析报告。在学生了解自己的答题情况并做出调整的同时,教师在系统后台也可以实时查看班级学生个体的自主学习分析报告,为撰写或修改教学方案提供参考材料,从而为学生提供精准、科学、全面的教学方案。
在线下课堂中,教师可利用智适应学习系统组织学生进行单元复习。系统可提供观看视频或答题巩固两种复习模式。在复习过程中系统会根据智能诊断算法的实时分析,为每个学生匹配不同难度、数量的复习题。完成复习后,系统会评估诊断学生当前的学习状态,并提供个性化的学习建议,促进学生对知识的深入学习。教师可以借助系统提供的学习数据,完善教学环节。
三、智能教育在小花狮智适应学习系统中的体现
(一)智能教育的全面性——有教无类
人工智能在基础教育领域能够得到应用与发展,实际上是由于应用场景创新带动了智能技术等相关信息技术产生了有效组合。在创新场景下,情景想象、数据汇总、直观思维得以体现,教育资源变得更均衡,这充分体现了智能教育的全面性,与著名教育家孔子提出的“有教无类”教育思想相符。
在小花狮智适应学习系统中,学科知识图谱从小学扩展到初中,覆盖义务教育全阶段。无论何时何地,学生只要具备使用条件便可进入系统学习,打破了优质教育资源传播的空间限制与时间限制,实现了教育资源的全面共享,有助于基本公共教育服务均衡化,弥合数字鸿沟,促进教育公平,缩小区域、城乡、学校、群体之间的教育差距,构建服务全民的终身教育体系,推进正规教育、非正规教育与非正式教育等多种学习成果的认证、积累与转换[3]。
(二)智能教育的针对性——因材施教
在传统教育中,因材施教这个目标较难实现,这是因为每个学生都有独特的个性、爱好和思维方式。而智能教育则为因材施教创造了条件,可以让学习变得更加个性化、细节化,这也是智能教育与传统教育最大的区别。智能教育系统能智能化分析学生的学习数据,获取学生的具体需求,打破传统教育单一化的教学方式,使每个学生都按照自己的节奏学习。
在小花狮智适应学习系统中,教师(教育者)向学生(受教育者)布置自主学习任务时,系统会将知识体系分解为多个小知识点,并根据学生的历史学习轨迹和知识掌握情况,推荐学生当前最佳的学习节点。虽然全体学生的学习主题都相同,但每个学生的学习轨迹都是不同的,自适应学习系统能够确保当前学习节点与学生学习情况相匹配,帮助每个学生找到属于自己的最高效的学习路径。在系统智能算法的帮助下,针对同一知识点,每个学生在巩固练习时题目的内容、难度及数量都不同,同时系统也会阶段性评估学生目前的学习状态,包括知识点的掌握情况以及学科能力素养等,并基于这些诊断信息去定位每个学生的最近发展区,从而智能生成个性化学习建议,帮助学生提高学习效率。
(三)智能教育的共向性——教学相长
学术界、产业界认为,信息化已经经历了两个重要的阶段,即数字化阶段和网络化阶段,目前正在进入智能化的高级阶段。在这一阶段中,人类的智能和人工智能的有效融合,体现了智能教育的共向性。教育者是教育活动的主导者,受教育者是教学活动的主要对象,人工智能可有效地将两者有机联系起来,使两者共同进步,这就是智能教育的共向性。
人工智能的加入,不仅可以让学生在后台及时得到教师反馈的具有针对性的结果,了解自己的学习情况并及时做出相应调整,而且可以让教师及时了解到教学效果和学生接受知识的程度。人工智能在一定程度上可以减少教师的教学准备时间,帮助教师根据学生的学情分析筛选出合适的教学材料,促进教师对教学实践进行自我反思、对教育方法进行研究,不断提升专业综合素养。
在小花狮智适应学习系统中,在学生进行巩固练习时,系统会为学生实时记录过往的错题,以供学生随时查看。在课前,教师可登录系统教师端了解学生的预习情况,实时查看班级学生个体的自主学习分析报告,结合学生平时的学习表现和学习系统评估结果,撰写或修改教学大纲,为学生提供精准、科学、全面的教学内容。
如何实现教育的科学减负与增效提质,是目前教育改革的重点之一。以小花狮智适应学习系统的作文智能辅导系统为例,其是教師智能化教学的有效工具,能帮助教师提升作文批改的效率和质量,减轻教师负担。在中小学语文教学中,作文批改一直是一个重要的教学环节,想要让学生的作文充满活力,让他们拥有较好的思考能力,并在写作当中表达真实情感,教师就要对每篇作文进行精批细改。但作文精批细改的时间比较长,难免会影响教师的工作效率和学生的学习效率。故此,教师可以利用智能技术的辅助功能,实现智能化教学。
(四)智能教育的趣味性——寓学于趣
人工智能在各领域中发挥的作用和特点有较大的不同。在大部分领域中,人工智能强调的是替代人类进行工作;而在教育领域中,人工智能则更强调与人的深度融合。智能教育在教学过程中体现了“寓教于乐,寓学于趣”,能将传统教育中由教师单一讲述知识的教学模式变为多元化、趣味性的教学模式,强调教育向“关注人”“重过程”转变,赋予课堂乐趣,激发学生学习兴趣,从而提高教学质量。
小花狮智适应学习系统在学习内容上,注重学科核心素养能力导向,通过生动的视频动画效果讲解,从视觉上带动学生积极学习思考,并将知识内容融入生活,层层递进,理论联系实际,促进学生在学习的过程中保持积极向上的正面情绪,逐渐形成和发展学科核心素养。在学习形式上,系统采用主题闯关、人机交互的形式激发学生主动学习的兴趣与热情。在学习过程中,系统借助人工智能动态迭代,为每个学生规划当前最优学习路径,引导学生进一步理解知识、掌握知识。
结语
人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术,也是教育工作者不可忽视的变革力量,其在以人为核心的前提下,推动着智能教育的发展[4]。华东师范大学小花狮智适应学习系统是人工智能在教育中具有代表性的应用,除此之外,人工智能在教育领域的其他应用还有待深度挖掘与探究。
[参考文献]
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曾海军,张钰,苗苗.确保人工智能服务共同利益,促进教育系统变革:《人工智能与教育:政策制定者指南》解读[J].中国电化教育,2022(8):1-8.
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