教育数字化转型背景下人工智能何以推动乡村教育振兴——来自国外人工智能在乡村教育应用中的启示

方 旭，开文慧

(南通大学教育科学学院，江苏 南通 226019)

2019年中共中央国务院发布的《数字乡村发展战略纲要》指出加快推进数字乡村建设，充分发挥信息化对乡村振兴的驱动引领作用，整体带动和提升农村现代化发展。数字化转型是乡村教育现代化的必然要求。[1]人工智能对乡村教育数字化转型具有重要推动作用。[2]乡村教育振兴是实现乡村教育现代化的必然要求。2022年2月8日，教育部发布《教育部2022年工作要点》，其中第十六条明确指出统筹推进乡村教育振兴和教育振兴乡村工作，持续巩固拓展教育脱贫攻坚成果，把乡村教育融入乡村建设行动。2022年8月科技部发布的《关于支持建设新一代人工智能示范应用场景的通知》将支持建设包括智慧农场、智能教育在内的10个人工智能示范应用场景。目前，人工智能教育应用不断深化。各国纷纷将人工智能纳入国家发展规划，深入推动人工智能在教育中的应用。人工智能因其支持个性化教育等特点在促进乡村教育振兴方面具有重要价值与适用性，可以为乡村教育振兴的发展提供帮助与支持，开展人工智能支持乡村教育振兴研究具有重要的现实意义。近年来，世界各国纷纷出台了促进乡村教育发展的相关政策，推动人工智能技术在乡村教育领域的应用。通过对国外关于人工智能在乡村教育应用发展的深入剖析，可以为我国人工智能支持乡村教育振兴发展提供有益的参考和启示。

一、人工智能对乡村教育振兴的支持

乡村振兴战略实施以来，乡村教育一直是其重要支撑。[3]教育的“技术治理”成为乡村的前沿主题之一。[4]推动技术应用支撑乡村教育的跨越式发展，[5]是人工智能时代助力乡村教育振兴的有效突破口，是建构特色乡村教育体系的重要策略。教育信息化有利于为农村教育精准扶贫培育创新人才，提供技术保障以及缩小城乡教育差距。[6][7]史耀疆等通过研究得出，乡村振兴依靠应用现代信息技术以促进农村学生学业水平的提高，改善行为表现，有效推动乡村教育的发展。[8]利用人工智能技术精准对症乡村教育中的问题与难题成为了可行与必行之路。

第一，人工智能等新一代信息技术可以提供平台与服务，助力教育资源公共服务体系的完善，支持精准教学与高质量教学。首先是在教学资源方面，技术扩大优质公共教育资源的覆盖面，可以有效弥合乡村地区学校的资源缺口。基于智能技术的网络学习空间可以将学习内容进行有机整合，推进资源进化机制的运行，为资源的管理与服务、个性化推荐提供保障。[9]人工智能技术优化教育服务供给过程，赋能个性化学习。知识图谱技术智能管理学科知识，推动学科知识库的建立，为智能问答和自动推荐等功能提供良好的数据支持；知识图谱解决教材数据来源单一的问题并充分覆盖学习者需求，利用知识关联和知识推理深度分析学习者的需求。学习分析技术精准探析学习者学习短板与不足之处。以教育信息技术构建本土开放化教育、开发乡土课程和乡土教材。[10]“三个课堂”通过“互联网+”共享优质教育资源。完善乡村教育资源公共服务体系，有助于教育资源的动态升级，减小教育资源信息差，构建交互性与基于社区的开放教育资源，促进教育资源最大化利用，推进教育公平。在教育教学方面，人工智能直接作用于教育教学，实现教学自动化的必然与可能，[11]提高教与学的效率和质量，促进学习者学习效果的提升。更为自由的人机交互方式为课堂训练、协作学习以及探究学习提供了支撑。[12]人工智能教师拥有丰富的知识库，学习与生活上的交流能让学生拓展眼界、了解国际前沿信息、克服学习困难，充当教学助理协同教师保障教育教学，[13][14][15]分担非教学性任务。人工智能技术让“因材施教”成为可能。智能系统处理学生作业，为每个学生分别推荐分层进阶式的作业库，训练学生对同种题型举一反三的思维能力。基于各种技术与设备采集的多模态数据，[16]通过处理得到相对应的分析报告，同时可以将全部分析结果存档，建立档案库，为师生的自评、他评与反思提供可靠来源，帮助教师实施精准教学、对症下药。在教学过程中，人工智能技术等支持下的教与学环境，能够将物理空间复制并展示在智能设备上，演示过程生动形象而且支持学生完成之前难以操作的实验。

第二，人工智能技术支持学、教、研一体，协同乡村教师专业成长与发展。教育部等六部门印发《关于加强新时代乡村教师队伍建设的意见》要求应发挥人工智能等新技术在培养乡村教师队伍的助推作用。[17]“人工智能+教育”是培养新时代乡村教师的重要手段。[18]人工智能技术助推教师队伍建设，有效支持教研与活动的开展，[19][20]包括研修内容、环境和支持服务等。[21]在研修的同时，面向教师的学习与教学，提升乡村教师专业素养。面向教师的学习，人工智能引领教师学习空间的变革，在“空间”里融入“技术”。[22]在教师的学习空间中，将研修内容深层化、多元化、精细化，让学习环境舒适化，使支持服务个性化、多方位，满足更高的教与学需求。构建管理、教学和评价等学习支持服务的智能学习空间，[23]有效保障乡村教师教研的实施效率和效果。面向教师的教学，通过打造人工智能教师团队，借助人工智能协同教学、助力研修，有望解决乡村教师质量难题，减轻乡村教师工作负荷。[24]通过技术赋能机制，推动教师教研质量的规模化协同发展，[25]开发满足教师教学需求的智能教学工具，研究有效增强学习效果的新型智能教学模式，探索智能时代乡村教师专业发展的创新路径。人工智能技术对乡村教师的支持机制，可以有效地形成一条专业性强、可解释程度高、效果显著的专业成长之路，逐步提高乡村教师在智能时代的智能素养。

第三，人工智能辅助解决教育中的社会性问题。一方面，学习者的社会性情感互动。乡村学生在情感上的缺失以及部分的家庭教育指导可以通过人工智能技术得到弥补。“智慧学伴”能满足学习者自主感、胜任感及归属感等核心需求，并作为他们在家庭环境的教育指导者。[26]情感导学系统基于学习者的情感流露提供人文关怀。[27]教育智能体的运用能够实现社会化的人机情感交互，激发学习者积极的情绪状态。[28]AI聊天机器人可以成为促进社交阅读的替代方案，[29]在真实情境的社交中，一边创造良好的阅读体验，一边维持学生的学习兴趣。以人工智能技术为支撑的系统或机器人通过直接与学生进行交互，提供补偿性的沟通与指导，能在一定程度上解决乡村学生心理问题以及学习指导服务。另一方面，教育管理部门对人工智能技术的深入应用能极大地提高治理效率。人工智能技术的融合性使用，为解决教育均衡发展的现实问题注入新动能，低成本、高性能地解决学生教育资源差异问题；[30]对于复杂多样的区域性教育问题，人工智能实践打通区域间的数据壁垒，通过数据驱动科学的教育行政决策，充分保障实践方向，实现利益相关者信息的高效对接。[31][32]现代教育治理能力的提升有助于乡村教育运行机制的稳定实施，为高质量发展乡村教育保驾护航。人工智能技术在发挥工具效用的同时，更提供了人文功效，创新性地解决教育领域中的社会问题。

综上，人工智能技术精准面向乡村教育中的困境，以其充分的优势推动乡村教育发展的目的、内容、方法、社会环境等的迭代升级。只有找准乡村教育的发力点，才能为乡村教育走向高质量发展提供有力的推手，充分体现人工智能对于乡村教育发展的价值。

二、国外人工智能在乡村教育中的应用模式

世界各国教育行业的智能化升级如火如荼。目前，越来越多的人工智能教育产品被应用到学校教育中。国外诸多国家，包括发达国家与发展中国家，诸如美国、印度、加纳、马来西亚和乌拉圭等国都不断制定相关政策和法规，相继推出了新的教育改革战略，为本国的智能教育发展奠定基础，并在人工智能乡村教育应用上进行了深入的实践。通过对上述国家人工智能应用的深入分析，可以看出人工智能技术在国外乡村教育中有以下几个方面的应用，主要包括人工智能助力乡村教师教学、人工智能助力乡村学生学习以及人工智能助力乡村教育管理等。

(一)人工智能助力乡村教师教学

1.虚拟老师

教育是任何国家发展的关键因素之一。国外普遍重视人工智能作为虚拟教师的功能，将人工智能作为虚拟教师，参与教学活动与解决学生的学习问题，尤其对于优质教师较为缺乏的地区与国家，人工智能虚拟教师的应用有着重要的现实意义与适用价值。非洲加纳农村地区人工智能虚拟教师的应用是一个典型的案例。尽管加纳政府努力确保实现优质教育，但教育部门仍面临着若干挑战，特别是在农村地区。加纳大多数农村地区的教育缺乏儿童接受教育的基本设施，缺乏学校建筑及其设施，缺乏满足学校最低标准的人力资源，家庭和学校距离遥远，缺乏书籍资源、图书馆设施、计算机实验室等。与此同时，加纳农村地区的学校正在招聘和留住合格的教师。根据最近一项关于教师供求报告的全国研究，加纳基础学校缺少40000名受过培训的教师，即6-15岁儿童的前9年学校教育，包括6年小学教育和3年初中教育，其中24000名空缺由未经培训的教师填补。该研究还表明城市地区的学校基本上都有充足的教师但农村地区尤其是贫困的农村地区，教师短缺最为严重。多年来，教育部及其高等教育实施机构加纳教育局一直在加纳农村地区的学校招聘没有教学资格或一般资格的人，俗称“实习教师”。这些教师不是专业人员，大多是未经培训的教师。就国家致力于在全国范围内实现高质量和公平的教育体验而言，有必要确保向加纳农村地区的所有学校派遣具备必要技能的合格教师。然而，由于缺乏基本的生活设施和基础教学设施，很多教师经常拒绝分配到这些地区，因此人工智能教师在解决这一挑战上显得尤其重要。根据eSchool News 发表的一项研究，到2021年，AI在教育和学习中的应用将增加。47.5%[33]目前，应用和认知人工智能正在加纳各地使用。例如，在管理任务中，允许机构尽量减少完成困难任务所需的时间，并确保教师有更多时间与学生在一起。因此，人工智能可以用于将学术机构中教师的管理义务自动化。这将减少教育工作者花费的时间。例如，给考试评分、评估家庭作业以及为学生提供有价值的答案。在多项测试的情况下，人工智能技术可以用于自动评分任务，从而使教师能够与学生共度宝贵的时间。一个独立的机器人教师整个系统分为教学交互、运动系统和感觉(情感)系统。这个项目使用了基本的编程语言，包括java、python 和C+。人工智能能够为教师短缺问题提供解决方案，并根据既定的质量指标衡量教师质量，以评估机器人作为独立教师的表现。加纳不断探究促进学习者参与、动机、兴趣和更高表现的能力，以及对促进这些因素的评估，以帮助未来设计更有效的教学系统。机器人可以用来制作数字虚拟内容，如视频会议、视频讲座。

2.智能辅导系统的应用

人工智能在乡村教学中的一个重要应用就是智能辅导系统。智能辅导系统可根据不同学生的不同问题给出相应的个性化回答，解决每个孩子的个性化学习问题，同时，对于优质资源较为匮乏的乡村地区，智能辅导系统也可以充当教师的角色，为学生答疑解惑，这一方面提升了教育质量，另一方面促进了教育公平的发展。因此，智能辅导系统在国外乡村教育中有着广泛的应用。2018年7月，英国教育部发布了《英国在线学习与人工智能教育市场报告》，该报告展示了人工智能教育在市场中的作用，其中智能辅导系统试图复制一对一的辅导，提供即时量身定制的指导和反馈给学习者，不需要人类导师的干预。一些人工智能教育开发人员给出了他们的软件评估测试结果和任务的例子，以提供语法方面的反馈，并确定学习者不太擅长的主题。[34]由人工智能技术开发的智能阅卷系统不仅可以批改像选择题、是非题和填空题这样的客观题，而且还可以批改作文。[35]通过判断每篇文章中的词汇和语法，给每个学生一个客观的分数。这不仅有助于开发学生的潜力，还可以很好地了解学生对知识的掌握程度。目前，这种智能阅卷系统已经在全国许多学校得到了常规应用。通过对学生过程性数据的积累和分析，精准定位学生的学习盲区，以便因材施教，提供个性化辅导。人工智能技术也为目前存在的教育资源分布不均提供了可行的解决方案。新的人工智能技术、虚拟现实技术和大数据的结合，提供了丰富多样的信息，让偏远山区的孩子们扩展了视野。[36]辅导是人工智能准备发挥非凡作用的领域之一。这种创新可以用于计算机化的基本练习，如复习任务，节省教师执行其他重要任务的时间，与学生进行互动，计划上课。在巴基斯坦，学者哈立德于2017年推出了一个名为Raaji的创新聊天机器人结合了讲故事和信息和通信技术(包括人工智能)的力量，以促进巴基斯坦在性别平等、卫生和教育方面的联合国可持续发展目标(SDGs)的进展，为巴基斯坦的妇女和女孩提供关于妇女生殖健康、卫生和安全的在线建议。[37]

3.教学管理的应用

人工智能是一项新兴技术，它给教育工具和机构带来了改变。教育是一个必须有教师在场的领域，这是最好的教育实践。人工智能的出现改变了教师的工作，他们在教育系统中是不可替代的。人工智能可以使用深度学习和机器学习来监控特定个人学习的进度。随着人工智能解决方案不断发展到更高水平，它有助于识别教与学之间的差距，并提升教育的针对性。人工智能可以提高效率、个性化并简化管理任务，让教师有时间和自由来提供理解和适应性教学。如Bayne开发了智能教学助手Botty，可以在教学过程中帮助教师，使课堂教学活动更加高效。[38]人工智能几乎影响了当前的教育系统很多需要改变的地方。过去的学校教育不像未来人工智能教育所呈现的那样灵活。在教育系统中扮演最重要角色的教师是缺乏的。在一些国家，教师被赋予繁重的工作。人工智能可以根据每个人的兴趣和技能评估，为他们提供单独的课程，从而分别帮助每个人。此外，人工智能可以用来自动化学校招生委员会，以确保分类和处理文件工作。

4.促进教师专业发展

国外人工智能在乡村教育应用中的一个重要方面就是人工智能支持乡村教师专业发展。乡村教师师资力量往往不足，与城市之间差距较大，而人工智能通过乡村教师个性化专业发展对乡村教师专业提供支持。美国俄亥俄州的森林山学区首先注重转变教师的学习体验，将教师的专业发展重点放在个性化学习的各个方面，并让教师有机会制定计划，使学习体验与学生需求相匹配。地区领导人从不同的个人化学习专家小组收集知识和支持，发展了一个地区范围内的共享课程，新标准包括“6个C”：协作、创造力、批判性思维、沟通、公民权和品格。他们鼓励教师探索学生达到这些标准的方法，为每个学生提供更个性化的学习体验。同时该地区非常重视教学人员之间的合作。为区内所有教师提供每周协作时间，让他们共同努力，以创新有效的方法，由以教师为中心的课堂，转变为以学生为中心的课堂。在他们的合作团队中，教师们致力于不断地回到四个关键问题上：教师想让学生知道什么，能够做什么；教师怎么知道他们什么时候学会了呢；当学生不学习时，教师如何应对；教师如何扩展和丰富学生的学习。[39]

(二)人工智能助力乡村学生学习

1.个性化学习

个性化学习(Personalized Learning)是指各种各样的教育计划，其中学习速度和教学方法可以根据每个学习者的需求进行优化。[40]人工智能教育系统可以适应个人的学习节奏，并提供更复杂的任务来提升学习能力。所以无论接受快或慢的同学都可以按照自己的节奏进行学习。Holotesc设计开发了MOOC(海量开放在线课程)伙伴教学机器人，为学习者提供有针对性、个性化的学习资源。[41]这些个性化学习系统，是人工智能支持学生和教师的最常见和最有价值的应用之一。有了这些应用学生可以使用课程内容的自适应和交互式多媒体版本，而不是在工作表上练习化学或阅读教科书。比较学生在研究人员开发的或标准化的测试中的分数发现，基于个性化学习系统的教学比传统的教师主导的教学产生更高的考试分数。然而，现有的平台还没有为学习者的社会、情感和动机状态提供模型。[42]考虑到新冠肺炎疫情期间向远程K-12教育的转变，个性化学习系统提供了一种有前途的远程学习形式，可以重塑未来的K-12教育。[43]在加纳，由于人工智能在教育方面的各种应用，学习变得便捷和个性化，改变了学生的学习方式，共享了学习资源，在大多数农村地区部署人工智能能够加强和促进优质教育。[44]人工智能将进一步促进和帮助学生提供个性化建议。例如，针对优等生和学困生，课堂作业和期末考试将量身定制，这将确保每个学生都发挥出自己的优势。在摩洛哥城乡教育之间也存在着显著的数字鸿沟。影响农村地区学校教育的主要挑战是获得教育资源、女童的安全以及提供文化方面的教育。此外，由于文化习俗和信仰，特别是在非洲大陆的农村地区，农村地区的教育比城市地区更加性别化。对女童和妇女教育的进一步限制突出了在世界范围内处理这一问题的复杂性。为此，他们提出一个使用开源技术的电子学习(e-learning)门户，以提供数字学习平台，激励农村妇女参与学习，增强农村地区的人类发展能力。[45]由印度非政府组织布拉罕(Pratham)开发的个性化教学(Teachattherightlevel，TaRL)技术，是一项人工智能辅助个性化学习的创新技术，旨在培养所有儿童在离开小学之前的基础数学和阅读技能。[46]根据学习需求(并非年龄或年级)将学生(三至五年级)分成小组，指导学生关注基本技能的学习，且定期评估学生的表现。通过与人工智能的结合，能进一步为学生提供个性化学习内容，提高学生读写能力和计算能力。

2.人工智能支持的精准阅读

人工智能助力乡村学生学习的另一个表现是人工智能支持学生的精准阅读。在这种形式下，人工智能可以根据学习者的状况提供个性化的阅读材料及学习内容。美国K-12学校使用了超过75%的Newsela阅读学习智能教学平台，为学者提供实时测评、同步词汇学习、整合多种资源等功能。[46]阅读内容分为文库类、新闻类、科学实验类三大类，每一类都包含了不少内容丰富的专题。同样的内容根据读者的不同会呈现出不同的形式，并且根据学习者的阅读程度，适当调整了词汇量。当然这些功能都是建立在应用人工智能技术的基础之上的。Newsela以阅读材料结合学校课程内容，为学生提供五种阅读水平，整个目录的内容分为2-6个等级，每篇文章会有5个单词，这是学生要学习的新词汇。之后，进行测试练习以增强学习效果。[47]教师可以通过数据反馈学生的学习进度，及时调整教学进度、方法、内容等。人工智能系统还能使用传统的教学大纲来创建关于某些科目的定制教科书。因此，教科书现在正在数字化，新的学习界面正在创建，以帮助不同年级不同年龄阶段的学生个性化发展。例如加纳地区，cram101利用人工智能使教科书内容更容易理解，Netex learning使教师创建电子课程和教育信息具有在线帮助程序、音频和说明性视频。

3.融入人工智能的教育游戏环境的应用

融入人工智能的教育游戏环境的应用也是国外人工智能支持乡村学生学习的一个有效形式。通过构建融入人工智能的教育游戏环境，可以激发学习者的学习动机，提升学习的有效性与满意度。为了在K-12环境中实施人工智能教育，应该确定并强调课程中涵盖人工智能的应用。因为课程描述了教育的核心目标，具有作为文化和价值观的中介的重要作用，并且旨在为社会的未来促进变革，[48]适当的课程开发是人工智能教学的核心。例如，Wi11iams[49]等人为早期儿童教育开发了一个人工智能课程，被称为面向学前教育的编程(PopBots)平台。该课程旨在满足4-7岁儿童，即学前儿童和幼儿园儿童的特殊学习需求。通过幼儿园和学前班对平台的有效性进行评估，结果表明它在帮助幼儿掌握人工智能概念方面是有效的。同样，PRIMARYAI[50]是一个基于游戏的协作学习环境，用于将人工智能学习体验引入小学高年级课堂(8-11岁的学生)。PRIMARYAI将使学生获得人工智能的经验，因为它适用于解决现实世界的生命科学问题。萨布-努奥卢[51]还为11-13岁的中学生设计了跨学科的人工智能课程，收集反馈来预测他们在完成课程后如何解决相关问题。加纳农村地区引入的智能教室将确保所有包容性教育的发展，促进和增强学习体验。其基础教育课程通常借助照片、地图、图表、流程图、游戏和增强现实的动画视频进行教学。各种教学工具还将促进互动学习，使学习和教学的乐趣具有吸引力易于学生理解。[52]乌拉圭的适应性学习平台基于游戏进行学习，走进一间教室，看到一群孩子聚集在一台显示器前指着屏幕讨论策略，这并不罕见。你还会看到戴着耳机的孩子安静地扫过平板电脑屏幕。当孩子们在教室里与屏幕互动时，一些家长就会怀疑他们的孩子是在玩耍还是在进行高质量的学习？答案是他们两者都在做。与桌面游戏一样，数字游戏可以有效地提高理解和实践技能，使基于游戏的学习在现代课堂中占有一席之地。[53]

(三)人工智能助力乡村教育管理

1.预测辍学

学生辍学在很多国家乡村教育中是一种常见的现象，尤其在一些发展中国家，乡村学生辍学的比例非常高，而辍学的管理往往面临着哪些学生容易辍学较难辨识、问题难以及时发现等困境，[54]人工智能为这种问题的解决带来了契机。很多国家积极将人工智能应用于学生辍学的预测，取得了良好的效果。2013年的一份报告发现，全球有5900万小学适龄儿童(6-11岁)失学。据估计，这些儿童中有五分之一已经辍学，五分之二的辍学儿童再也没有上过学。其中，50%(3300万)生活在撒哈拉以南非洲，其次是中亚和南亚，那里的失学儿童人数居第二位(1100万)。[55]巴基斯坦是失学儿童总数超过三分之一的五大国家之一。在估计的5-9岁小学学龄人口总数(约2140万人)中，有68.5%的入学率，其中男孩多于女孩。此外，这些儿童中只有66.8%继续上到五年级，33.2%在完成小学教育之前辍学。巴基斯坦的整体教育指标也不太乐观。根据2017-2018年巴基斯坦人口与健康调查，49%的已婚女性和25%的已婚男性没有受过教育，只有16.5%的女性和20.3%的男性完成了小学教育。[56]未能完成初等教育的原因包括但不限于缺乏可用的学校设施、无力负担教育费用、不重视教育以及儿童缺乏入学准备。在健康问题上，如与听力、视力和心理因素有关的问题，由于营养不良和疾病复发等多种因素造成的执行功能差和认知能力低可能会影响儿童的入学准备，导致小学成绩差。此外，早期教育中的学业挣扎可能预示着短期行为问题，并预示着辍学。[57]对有风险的儿童进行早期筛查可以帮助专业人员设计适当的干预措施，以确保在学校低年级获得更高的成功率。[58]过去，识别处于风险中的儿童的机制包括听觉和视觉测试或对儿童的直接认知评估，但作为一种筛查工具，准确的认知测试耗时、昂贵，并且需要更高水平的专业培训，这在资源有限的环境中可能并不总是可行。[59]最近，脑电图(EEG)——一种用于记录大脑中电活动的测试的使用，在识别高智商和低智商个体时具有90%以上的判别能力。[60]在巴基斯坦农村进行的一项研究报告指出与认知技能较低的儿童相比认知技能较好且执行功能增强的儿童伽马频带也会增加。因此Tarullo等人(2017年)称与传统测试相比，脑电图可以在更早的年龄检测到儿童大脑成熟度和执行功能的差异。[61]且与心理测试相比，EEG受动机的影响更小，是一种更客观的筛选方法。

不仅是中小学教育的辍学率高，高中阶段的辍学率也引起了人们的注意。2016年的一份报告基于美国农业部教育调查估计，略多于一半的美国公立高中已经实施了早期预警系统。[62]过去，大部分的早期警报系统都采用比较简单的预测模式，监测一种或多种被认为是导致学生脱离正轨和退学的重要指标(如旷课、课程通过率、纪律处分次数、平均绩点累计、学分)。芝加哥大学的学校研究委员会是识别和使用芝加哥公立学校高中毕业跟踪指标的早期先驱。一般情况下，系统会在指数到达或降到某一点时有所注意，随后该机构的工作人员就会采取个性化支持或其它的干预措施，但错误的分类有可能产生负面影响。因此，有些教育机构已在探讨如何运用机器从学生信息系统中获取大量的纵向数据，从而更快地辨识出高风险的学生。初步研究表明，基于机器学习的学术预警系统可以提高现有基于规则的系统提供的预测准确性。[63]研究人员使用机器学习方法开发了一个预警指标系统，以预测那些有可能无法按时完成高中毕业的学生，因为他们要么辍学，要么需要超过四年才能获得文凭。研究小组根据来自美国一个大型学区的11000名学生的纵向数据(6-12年级)训练了该模型。为了测试系统预测的相对精度，比较了机器学习系统和该地区现有的基于规则的系统对不能按时毕业风险最高的学生(风险分数最高的前10%)的预测结果的准确性。对于10-12年级，机器学习系统的精度几乎是基于规则的系统的两倍。例如，对于10年级的学生，机器学习模型估计的最高风险分数中有75%没有按时毕业，相比之下，基于规则的系统识别的学生中只有38%没有按时毕业。[64]

2.心理预警

随着社会的发展，学生心理问题不断突出。国外很多机构在乡村教育中将人工智能应用于学生心理预警，取得了良好的效果。自然语言处理和机器学习可以拾取指示各种心理健康问题的线索，并帮助识别自杀意念或潜在的暴力行为。人工智能可以检测心理健康问题的关键词指标，并标记指示情绪困扰的声音模式。加利福尼亚州圣地亚哥县的圣马科斯联合学区报告称，在学校发放的设备上使用人工智能监控工具Lightspeed，帮助该学区在2021年9月开学的第一周发现了五起潜在自残事件。[65]目前 Kinect V2 可以进行3D面部数据采集作为心理预警系统中情感数据，使用非接触、主动性、实时性的数据采集，解决心理预警系统中情感数据采集困难、时效性差、检测对象体验不良等问题。人工智能可以通过心率、电子皮肤活动、血液脉搏、皮肤温度、脸部表情等来捕捉学生的学习行为。眼动不仅能反映学习者的学习过程，还能监控学生的注意力分布、多媒体资源观看等。此外，某些特定的眼球跟踪发现瞳孔扩大、眨眼等与个体的认知负荷、情绪状况有关。所以可以利用人工智能算法对被测者面部表情所收集到的数据进行分析、处理，进而检测到情绪的变化，并在情绪异常时进行干预。

3.职业咨询

人工智能助力职业咨询也是国外人工智能在乡村教育中应用的一种模式。许多学生特别是那些低收入地区的学生，可能缺乏职业咨询服务，无法从高中到高等教育及更高层次的教育和职业过渡。[66]人工智能可以补充传统的职业和大学咨询服务。例如，支持人工智能的软件可以帮助学生练习模拟面试并优化他们的简历，以便在大学及以后取得成功。[67]它还可以帮助学生进行职业探索。学生可以提供关于他们兴趣和目标的数据，并获得关于潜在职业道路的深入建议。职业咨询对于完成学位课程最后一个学期的学生以及完成高中学业的学生面临与正确职业选择相关的问题非常重要。[68]Mihaela和Cristina[69]研究了罗马尼亚的教育咨询和职业指导。Norasiah等人[70]设计了使用智能学生信息系统管理学生学术活动的软件。这项工作融合了人工智能和机器学习，有助于学生做出明智的职业决策。高级职业指导增加了学生对不同职业道路和大学的认识，并帮助他们在更多样化的机构中追求新时代的职业和充满活力的课程。正确的职业咨询的目标是激励学生提高他们的技能，并致力于他们的学业、家庭、激情和个人发展。职业咨询通过使教育机会合理化，使每个人都有机会接受教育。另一个重要方面是，它预测了教师和家长都不知道的行业最新趋势。学生的兴趣、热情和学习能力对加强素质教育也很重要。

三、对国外人工智能在乡村教育中应用的评析

从上述研究可以看出，世界各国针对本国乡村教育中存在的问题，有针对性的使用人工智能，取得了一定的效果。通过分析可知，国外人工智能在乡村教育中的应用有如下特色。

(一)人工智能在乡村教育中应用模式多样化

可以看出，国外人工智能在乡村中的应用模式多样化。不同的国家根据本国国情的特点，灵活地在乡村教育中选取相应的教育模式，促进本国教育的发展。国外充分发挥人工智能的潜力，充分使用人工智能解决乡村教育中的问题，取得了良好的成效。乡村人工智能教育应用总体上呈现出了模式与解决问题多样的特点。人工智能助力乡村教师教学包括虚拟老师、智能辅导系统的应用、提升教师专业发展与教学管理的应用；人工智能助力乡村学生学习包括人工智能支持的个性化学习、人工智能支持的精准阅读与融入人工智能的教育游戏环境的应用；人工智能助力乡村教育管理包括预测辍学、心理预警及职业咨询。乡村教育问题往往在一些不发达国家中更为明显，这些国家迫切需要这些问题的解决，人工智能因其支持个性化学习等特点成为这些国家的重要选择与手段，同时人工智能也是这些国家提升教育质量的重要方法与手段。加纳深入推动人工智能在辅助教师管理、智能辅导系统、个性化学习、职业咨询等各方面的应用，解决了很多教育面临的棘手难题，给我们提供了经验与启示。

(二)国家高度重视人工智能在乡村教育中的应用

通过对国外人工智能在乡村教育中应用的分析可知，国外很多国家非常重视人工智能在乡村教育中的应用，针对本国乡村教育问题，积极开展人工智能应用的尝试与探索。无论是教育发达国家诸如美国等，还是不发达国家，都非常重视人工智能在乡村教育中的应用，这些国家都在努力发挥人工智能的潜力解决乡村教育面临的问题。各个国家针对教育的需要，开发相应的智能教育系统，推动人工智能的深入应用。印度政府于2017年专门组建了一支人工智能工作小组，2018年6月发布了《国家人工智能战略》报告。可以说，印度对于人工智能的发展方向和未来十分清楚，在很大程度上将人工智能作为促进经济发展的一种手段。[71]英国在推进农村信息化的过程中采取了一系列有效的方法和手段，如利用现代化的网络工具进行的远程指导教育；利用本地学校和农村区域单位进行合作的形式；通过实施一些具体项目工程保证农村信息化的持续发展。目前，通过远程教育来保证和促进农村信息化已成为英国农村教育的一个新举措。英国政府非常重视农村信息化教育，通过建立国家学习中心网络来促进农村教育的信息化，使得每一所农村学校都能够通过当地的互联网，从而使得农村的孩子也能接受城市同等的教育内容。英国政府充分认识到农村教师队伍的建设在整个农村信息化体系中的重要地位，十分重视通过发展农村教师教育技术能力来促进农村信息化。[69]法国推出的“数字化校园”教育发展战略，计划在三年内投入10亿欧元，以推动中小学校数字化转型，包括解决乡村学校上网问题、建设全国数字平台、为中小学教师提供丰富多样的多学科网络教育资源等。俄罗斯于2018年开始实施“数字化教学环境”，目的是创建一个安全的数字化教学环境，为教师和学生提供可利用的基础设施和数字平台。[70]综上，各国都非常重视人工智能与教育的融合，有关人工智能教育政策制定成为推动人工智能与教育发展的关键，包括教师培训制度、教育资源优化制度等，这些对人工智能教育的可持续发展有很大影响。

(三)人工智能在乡村教育中应用的资金保障

促进人工智能持续发展需要持续而稳定的财政支持。各国积极在财政方面为本国乡村教育中人工智能的应用提供资金保障。即使是不发达国家，也努力筹措资金深入推动人工智能教育的发展。尽管印度较晚才开始接触人工智能，但它仍有很大的潜力竞争人工智能领域的领先地位。印度政府于2015年推出了“数字印度”战略，目标是以高速互联网覆盖农村地区，并将独立的数字基础设施作为核心工具，建设一个数字型社会。在制定战略计划时也投入巨资协助人工智能的发展。印度2018年12月批准了366亿卢比投资网络物理系统技术，包括广泛应用人工智能、机器学习、深度学习、大数据分析等。这一系列措施均反映了印度对人工智能投入之多。除了印度，北欧的一些国家也高度重视人工智能教育的发展。美国认为应该投入长期稳定的人工智能投资，重点优化下一代人工智能，奖学金和培训计划向人工智能领域倾斜；[72]英国认为人工智能应该获得大量资金支持，以激励技术研发；法国政府设立了特别的技术转型项目以及人工智能投资奖金；德国制定了两项平权行动，即数字设备和电网建设；日本将2017年人工智能预算增加到2016年的九倍，用于基础研究和应用的拨款增加；新加坡总理办公室发布“人工智能新加坡”项目设立国家研究基金会奖学金。[73]有关人工智能实际应用的教育与培训成为芬兰发展智能教育的主要关注点。芬兰应用技术大学将获得500万欧元的投入开展研发活动，这部分资金将向人工智能领域、机器人、数字化方向应用研究倾斜。[74]

(四)各国人工智能在乡村教育应用中深入推进面临诸多挑战

虽然很多国家积极推动人工智能在乡村教育中的应用，并且取得了一定的效果，但人工智能在乡村教育中的应用仍然面临着诸多问题与挑战，具体包括基础设施的缺乏、人工智能所需基础数据的不足以及数据安全方面的隐患。在美国，人工智能教育目前以城市和人口稠密地区为中心。大约 5723 万人(约占全国总人口的 15%)没有配备进行教育数字化转型所需的各种资源。缺乏高质量的教育工具、基础设施和政府支持，导致美国农村和服务不足的社区缺乏人工智能驱动的可能性和人才。一些农村家庭甚至无法接入宽带互联网，更不用说围绕尖端人工智能技术的教育了，因此Fusemachines正在与全国各地的教育领导者合作，开创专为各级人工智能专业知识而设计的课程，并制定新的举措来改善人工智能教育系统。新南威尔士州巴瑟斯特查尔斯特大学人工智能和网络未来研究所执行主任Ganna Pogrebna认为农村社区由于基础设施原因而错过了使用人工智能的机会，并且很难招募到人工智能研究人员在像巴瑟斯特这样的农村地区工作，这些原因不在他们的控制范围内，需要当地社区、研究人员和政府的努力。[75]就加纳乡村教育中的实施情况而言，基于计算机辅助智能的学习面临着严峻的使用挑战。首先人工智能的学习教育计划有些僵化，因为在强制客户输入、调整基本价值观或实质变化方面存在特殊困难。更加突出的学生自治可能会给年轻人带来不便，缺乏自我训练或在家获得的指导帮助很少的人，可能会加剧成就缺失。相关研究表明，一些教师努力将他们从定制的学习设备中获得的信息翻译成值得注意的指导，并投入不必要的精力来完成个性化任务。此外，还有关于学生如何掌握从基于人工智能的框架中获得的信息的戏谑，以及在计算机上投入大量课堂精力会减少学校的社会学习。在教学中利用人工智能的支出分歧不明显，因为创新的成本可行性存在漏洞。例如一些组织因人工智能的高效便捷性减少教学人员，转而选择人工智能。相反，人工智能可能会让那些能够计划和执行定制学习计划的培训专家感兴趣。[76]全球正处于进入社会变革及信息化发展的大趋势中，各国的人工智能教育应用都面临着挑战，因此有必要提高教育工作者和决策者对人工智能技术及其潜在影响的认识。[77]只有对人工智能潜在影响有足够认识的基础才能对相关行动计划与政策做出调整。其次数据安全可能成为使用人工智能、学习分析和教育数据挖掘的一个关键瓶颈。人工智能需要大量的数据进行模型训练，而这些个人隐私数据的安全需要得到保障。国家应尽快完善相关立法，为人工智能数据安全保驾护航。此外从国家层面来看，基于人工智能系统开发和使用所需要的海量数据集更广泛应用，政府有必要建立相关数据平台，进行数据共享，以便为人工智能研发提供更好的支撑条件，加速人工智能普及化进程。

四、我国人工智能在乡村教育中应用的问题与启示

我国人工智能振兴乡村教育存在着诸多问题问题，针对这些问题，结合国外人工智能在乡村教育中的应用，提出以下建议对策。

(一)进一步深入推进人工智能在乡村教育中的应用

目前我国人工智能教育应用有待深化。虽然关于人工智能在教育中应用的探讨非常多，很多学校也将人工智能应用于教育教学中，进行了一定的实践与探索，[78]但仍然存在着初步探索与实践阶段，有关应用还有待深化。首先，目前仅是部分学校，尤其是东部发达地区、城镇学校等条件较好的学校引进了人工智能系统，很多学校并未引进人工智能系统，这直接阻碍了人工智能在教育教学中的应用。农村地区的教育仍然落后，主要原因有缺乏设施，教育资源差距很大，缺乏教学设备与信息技术设施。在教与学过程中有效使用信息技术会对乡村地区的学生和教师产生巨大影响。信息技术的使用对于教师在教育领域分享知识和发展自己非常重要。但一些学校没有足够的技术基础设施和辅助材料来支持课堂教学过程，特别是计算机和计算机实验室设施。学生由于缺乏笔记本电脑和台式机等设备，学生无法使用互联网，互联网服务有限，互联网不容易访问。其次，即使引进了人工智能系统，应用方面更多集中在试卷机器批改、大数据统计等浅层次阶段，而对于人工智能支持的个性化辅导与学习等方面缺乏深入应用。一些教育实践还停留于自动阅卷和教育数据监控这些旨在促进学生学习成绩提高的低级智能阶段，支持个性化、精确学习、促进学生核心素养的智能教学体系还没有形成。最后，教师缺乏后续支持。很多学校更多的是引入了系统，但对后续系统使用效果如何等缺乏跟踪评估，也缺乏后续的配套支持服务，例如后续的使用指导及优化等。其中原因是多方面的，包括相关制度的缺乏、资金的欠缺、教师信息技术应用能力有待改善以及管理者理念有待提升等。

目前，我国人工智能在乡村教育中的应用还有待深化。国外普遍重视人工智能在乡村教育中的应用，积极使用人工智能促进乡村教育的发展。放眼未来，我国教育应把握人工智能推动乡村教育振兴的战略机遇，凭借人工智能、大数据等主要推动力，有力地促进乡村教育信息化的改造和提升，构建以智能时代为导向的教育新模式。应进一步明确人工智能在乡村教育发展中的作用，特别是人工智能在乡村教育在教育数字化转型及乡村教育振兴中的重要作用。乡村中小学应积极应对新形势下人才培养要求，大力推进人工智能与乡村教育融合的创新发展。第一，逐步在学校中引进人工智能教育系统。应逐渐实现人工智能教育产品的普及化，让广大教师具备相应的应用条件，在此基础上不断优化应用。 第二，逐步加大人工智能教育应用的深度，加大对人工智能支持学生的个性化学习等深层次应用，建立家校社合作培养体系与机制。 应促进人工智能与教学的深度融合，推动教育观念、过程、方式、人才培养模式等转变，为建设高素质教育提供强有力的支持。第三，建立人工智能应用后续跟踪与评估机制，对人工智能教育应用的效果及存在的问题进行跟踪评估，及时解决教师应用过程中遇到的问题。 应建立人工智能应用的专门评价指标体系。要进一步完善管理制度，包括教师激励机制的建立，激发教师人工智能的应用动机与潜力，鼓励教师不断探索与优化个人教学。着力加强教师专业素养和能力提升，提高乡村教师应用人工智能解决实际问题的能力

(二)为人工智能在乡村教育中的应用提供更为充足的资金保障

人工智能的投入需要大量的资金，包括系统引进、教师培训、专家指导、后续优化等。人工智能产品的研发需要以大数据为基础。一个好的人工智能产品往往需要汇集包括学科领域、教育领域、计算机领域等众多专家的智慧，往往开发成本较高，因此系统购置费用也偏高。同时，由于人工智能技术的复杂性，需要对教师等相关人员展开深入培训，后续也要持续对教师使用展开支持，这些都需要投入一定的财力物力。目前很多地区在人工智能应用方面资金投入还是不足，原因与当地财政收入不足、领导意识缺乏等有关。

乡村教育在我国教育现代化中具有重大意义，但发展乡村教育需要一定的保障条件。乡村教育保障制度的建立与健全，既是振兴乡村教育的必要，又是充实和发展社会保障制度的需要。而乡村教育保障基金在某种意义上是乡村教育保障体系得以健全和有效运行的重要物质基础和先决条件，它的充足与否直接影响着乡村教育保障体系的广度与深度。从各国近代教育保障的实践来看，国家投入一直是教育财政的一个重要保障机制。所以，我国乡村教育的发展仍需国家、政府给予有力的扶持。目前，我国教育财政投入的比重已经超过了GDP的4%，但乡村地区的教育投资依然存在着严重的结构性失衡。因此，需尽快采取强有力的措施。我国应建立教育信息化多元化基金保障机制，建立政府保障、企业投资和社会支持的基金体系。首先，政府部门作为基础性资金的来源，应该给予相应的财政拨款，确保教育资金向欠发达地区倾斜，继续加大中央和省财政对乡村教育的资金支付力度，起到基础性的保障作用。其次，企业必须积极投资，促进信息技术部门改革与更新，大力投资研发智能产品并投入应用，寻求合作与共赢；此外，相关科学研究机构应与时俱进，建立人工智能研究部门，完善与人工智能相关的专业设置，改善课程结构，积极引进人工智能专家，注重人才培养。最后，国家和政府应制定政策法规，使各部门都能发挥作用，共同促进人工智能的发展。

(三)进一步推动人工智能在乡村教育中的应用多样化

人工智能教育应用的模式有很多种，包括辅助教师的教、促进学生的学以及包括学生心理预警等诸多应用，但目前，我国人工智能在乡村教育中的应用模式还较为单一，更多的集中在辅助教师的教方面，对其他应用还较为缺乏，应用还有待进一步深化。在人工智能支持教师专业发展方面还较为缺乏。在促进学生的个性化学习等方面，存在着缺乏家长配合、模式不清晰、激励机制有待完善等困境。而在人工智能支持心理预警、预测辍学等方面则更为缺乏，很多学校鲜有应用。

应充分发挥人工智能的潜力，深入推进人工智能在教育各个领域的深入应用。第一，应深入推动人工智能在教师教学方面的深入应用，包括人工智能助力乡村教师专业发展、智能辅导系统的应用等，助力乡村教学质量的提升。应进一步发挥人工智能优化教师教学的潜力。教师应充分利用人工智能支持的数据分析功能，加强对学生学习薄弱点的分析，有针对性的优化教学设计与教学实践。同时，应进一步加强人工智能对教师备课提供帮助与指导方面的潜力，通过人工智能系统为乡村教师提供丰富的备课资源及教案参考。智能辅导系统的应用也是重要的一个方面。要进一步加大乡村学校对智能辅导系统的引进力度，发挥智能辅导系统在对学生答疑解惑方面的作用。要充分发挥人工智能辅助教师管理的作用与潜力，让教师能够更加专注于思维能力的培养。第二，深入推动人工智能支持学生学习方面的应用。目前个性化学习参与度较低，参与人数也有待提升。应逐渐普及可以进一步加强人工智能支持的学生的个性化阅读。第三，深入推动在管理中的应用 ，包括在心理预警、预测辍学等方面的深入应用。这些应用在互联网时代具有很强的现实意义。目前我国乡村学校心理机制监测机制不够健全，人工智能的应用有助于对学生心理与学习生活状况的有效监控，在此基础上及时采取干预措施，保障学生的健康成长与顺利发展。

(四)深入推动适合乡村教育应用的人工智能产品研发

目前，阻碍人工智能应用的一个重要因素是相关人工智能教育产品的匮乏。目前市面上虽然出现了一些人工智能教育应用产品，但总体种类还不多，还不丰富，同时价格也较高，相关功能还有待完善。在心理预警、预测辍学等方面的产品尤为缺乏。首先 ，目前人工智能产品更多的在中小学中使用，侧重开发中小学使用产品，但在高等教育、职业教育以及成人教育中相关产品还较为缺乏。其次，加强对其他学科方面的人工智能产品研发，其他学科的产品偏少，目前语文、数学、英语方面的产品较多，而物理、化学等其他人工智能产品的研发还较为缺乏。再次，同一类产品的种类还偏少，在产品的丰富性、可选择性还有待提升，以满足不同学习者的差异化需求。

应加大对人工智能产品的研发。值得我们思考的是，目前有关人工智能教育的产品偏少、种类不全、乡村地区不能够全面覆盖，这是多种因素导致的，需要各方面的共同努力。国家必须与企业建立密切的伙伴关系，扩展智能教育体系，加快研发人工智能产品，加速人工智能与教育的融合，给教育带来更多机遇，在人工智能发展的不确定性中制定蓝图。 第一，应加强各层次人工智能教育产品的研发，不仅包括中小学，还包括高等教育、高职教育、学前教育以及成人教育在内的各阶段教育的人工智能产品研发，增加产品的丰富性和功能。第二，扩大人工智能产品学科覆盖面，开发面向除语数英外的各个学科的产品，包括物理、化学、生物、地理以及历史等。第三，增加同一类产品的种类与数量。对同一类产品，鼓励不同企业开发差异性的产品，满足不同学生的差异化需要。