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天津教育报:人工智能教育时代来临,你准备好了吗?


发布时间:2020-09-25

随着社会和科技的不断发展,我们迎来了第四次工业革命。第四次工业革命推动了社会的变革,有着深远的意义。它影响着我们生活的方方面面,当然也包括教育。社会的变革意味着需要更加多元化、符合社会发展所需的人才,我们就要根据新的人才需求构建新的人才培养体系,让教育的发展跟上并服务于社会的发展。

2011年,汉诺威博览会上德国首先提出“工业4.0”的概念。“工业4.0”是一次理念催生的“智能化”工业革命。它是以人工智能、清洁能源、机器人技术、量子信息技术、虚拟现实以及生物技术为主的全新技术革命。这场技术革命的核心是网络化、信息化与智能化的深度融合,它在提高生产力水平、丰富物质供给的同时,也会重塑人力与机器力结合的劳动形式和要求,在教育及产业政策方面增添新内容和新方法。

2020年1月,“世界经济论坛”(达沃斯论坛)发布了一份对教育界举足轻重的报告:《未来新鼎娱乐:为第四次工业革命定义新的教育模式》。报告提出“教育4.0”全球框架,为未来世界需要的人才勾勒画像,并提醒全球教育人做好学习内容升级的准备,包括8个关键特征:全球公民技能、创新创造技能、技术技能、人际关系技能、可及性和包容性学习、基于问题和协作的学习、个性化和自定进度的学习、终身学习和学生自驱动的学习。

第四次工业革命,特别是其中与教育关系更为紧密的人工智能领域,将会为教育带来哪些变化?本期我们邀请多位相关研究者,共同探讨在当前国家战略布局下,人工智能到底能为我国的教育事业带来什么影响,以及人工智能在教育领域有哪些实际应用。

天津师范大学教育学部颜士刚、周金铭:

人工智能与教育的距离有多远

人工智能(Artificial Intelligence),简单地讲,就是人类所创造的智能,是一种机器智能。美国计算机科学家麦卡锡(John McCarthy),在1956年达特茅斯学院组织的首届夏季研讨会上,第一次提出了这个概念。此后,人工智能的概念及相关技术逐步得到科学家、哲学家关注,成为一个稳定的研究领域。近年来,人工智能技术有了突破性进展,下棋机器人、作诗机器人、翻译机器人走进大众视野,引发广泛关注。

新鼎娱乐人工智能的概念,中国人工智能学会理事长李德毅院士认为,人工智能是指“探究人类智能活动的机理和规律,构造受人脑启发的人工智能体,研究如何让智能体去完成以往需要人的智力才能胜任的工作,形成模拟人类智能行为的基本理论、方法和技术,所构建的机器人或者智能系统,能够像人一样思考和行动,并进一步提升人的智能”。

按照这个解释,根据人工智能技术模拟人类智能的水平,人们把人工智能划分为三类,或者说必须经历的三个阶段:弱人工智能、强人工智能和超人工智能。弱人工智能,又称工具人工智能,它是指在特定领域,能够达到像人一样或者超越人类的智能水平。阿尔法狗能够战胜围棋世界冠军、微软小冰能够像诗人一样作诗,都属于弱人工智能。强人工智能,又称通用人工智能,它是指已经达到人类智能水平,跟正常人一样,能够完成人能做的任何任务,具有意识、知觉和思维能力。而超人工智能则是在强人工智能的基础上,又在科学创造、智慧创新、社交能力等任何领域都比最聪明的人类还要聪明的智能。

当前的人工智能技术还处于弱人工智能阶段。但目前的弱人工智能技术在各个领域所表现出来的创造性,正在全面改变着人类社会,改变着人们的生活、工作和学习方式。无人银行、无人超市、智能翻译等,仅仅是人工智能重构人类社会的“冰山一角”。

当前的人工智能技术对教育领域的影响,主要表现在三个方面:其一,人工智能作为教育教学的新内容,这一点在中小学和高校均有体现。近几年,很多高校增设了人工智能、大数据相关的专业;而在中小学,则很早就在信息技术课程中增设了“人工智能”选修模块,正在进行的新课程改革则进一步将人工智能模块列为必修内容。其二,人工智能作为工具应用到教育领域,也带来了教师角色和课堂氛围的改变,虽然人工智能的应用也会带来伦理风险,但它的影响不容忽视。其三,人工智能和虚拟现实的结合,进一步增强了教学情境的智能化,能够促进和保持学生的沉浸状态,从而促进学习,这种改变是前所未有的。

诚然,人工智能作为工具正在影响教育领域,重塑教育新形态,为教育的未来发展提供了新的机遇。但是,这种影响并非无限美好,它在某些领域也引发了不小的伦理争议,已经引起教育部关注。因此,对于人工智能的教育应用,我们应该持审慎的态度。

津师范大学教育学部李彤彤、郝晴:

中小学人工智能教育到底“教什么”

中国教育学会名誉会长、北京师范大学资深教授顾明远先生指出,“人工智能不仅仅是工具,更是现在以及未来学习的重要部分,在教育领域推动人工智能有效落实的具体行动,是国家培养复合型人才,形成我国人工智能人才高地的基础路径、关键内容和有效破局点。”人工智能教育的重要性日益凸显,AI教育“从娃娃抓起”已经成为许多国家的共识。那么,中小学人工智能教育到底“教什么”?

在课程标准中,现阶段我国中小学实行的《基础教育信息技术课程标准(2012专委会版)》和《普通高中信息技术课程标准(2017版)》中,人工智能相关内容在选修和必修模块中都有所涉及。如小学和初中学段设有“算法与程序设计”和“机器人”的拓展模块;高中学段包括必修模块“人工智能初步”和选修模块“算法初步”,其中专门设置的“人工智能初步”选择性必修模块包含“人工智能基础”“简单人工智能应用模块开发”“人工智能技术的发展与应用”三大主题,覆盖了AI概念、特征、发展历程、核心算法、开发工具、典型应用、伦理与安全等具体内容。

在现实实践中,中小学AI教育多依托信息技术课程、校本课程、社团活动等开展,内容上有的侧重编程,也有的突出某一项或某几项人工智能技术的体验实践(如机器人等),或关注大数据技术等。教学内容设置呈现碎片化特征,各阶段的衔接还缺乏系统规划,与其他课程的关联也尚未引起重视。

人工智能知识的学习需要日积月累的培养,如何循序渐进地将“黑匣子”打开,合理地规划和呈现教学内容,让幼儿和青少年明白人工智能的原理,是中小学AI教育需要深入探讨的课题。中小学AI教育的目的,不是让学生做研究,而是要激发学生探索的兴趣,因此要注重普及性、趣味性和操作性,从技能训练到思维培养,通过系统的、科学的课程内容设计,让学生在小学、初中和高中逐步学习系统化、符合其认知水平的内容,提高其运用AI思想和技术解决问题的能力。

小学阶段重在“认识与感知”,需要学生认识什么是AI、AI可以做什么、身边的AI产品有哪些,进而通过如“猜画小歌”小程序、识花神器“形色”APP等有趣的AI应用程序以及一些图像识别、语音合成等故事化的实例,感悟AI对生活和学习的影响;还需要使用图形化编程工具进行简单AI编程,或者更改某些参数设计AI作品,如利用图形化编程工具编写出模拟手机语音助手的人机“对话”。

初中阶段重在“尝试与体验”,需要学生进一步从学习和生活中体验AI应用,并从技术角度理解基本的AI原理,如体验AI开放平台的人脸识别功能、理解机器识别人脸的机制、意识到特征点对人脸识别的作用等;还需利用图形化编程工具或Python尝试初步设计稍微复杂一些的AI作品(一般包含多个技术功能点),可以使用编程工具的AI模块或修改参数等方式。

高中阶段重在“实现与创造”,需要学生通过基于场景的体验深度认识人工智能,深入理解AI原理与方法;并通过Python编程、机器人等应用AI 技术,以实现或创造较为复杂的项目,如利用Python语言实现文本分析、人脸识别等完整算法程序设计。

AI涉及计算机、数学、物理等多学科知识,中小学AI教育也绝不是开设一门AI课程就可以实现的。因此,需要系统规划AI教育的目标及内容,以思维和兴趣为基点,在不同学科中灵活地融入AI思想及相关知识,考虑各学段学生的认知发展特征,同时关注各学段间的衔接,包括与高等教育的衔接,真正实现中小学AI教育规范化、体系化、个性化。

津师范大学教育学部刘哲雨、刘畅、王媛:

人工智能时代的课堂与教师

国务院发布的《新一代人工智能发展规划》中倡导,“利用智能技术加速人才培养模式和教学方法的变革,构建包含智能学习和互动学习在内的新型教育体系。”而实际上,人工智能作为技术工具,对未来课堂教学活动的发展具有变革作用,以下三个方面已经相对成熟。

支持服务智能化。在大数据的支持下,人工智能技术可以精准掌握学情,从而能够按照学生的学习特点和学习习惯提供针对性服务,为学习者匹配最适合的学习方法与策略。

评估管理智能化。测评智能化在教学中的应用主要包含两部分,一部分是发现问题,即智能测评;另一部分是反馈问题,即智能答疑。如一些智能化学习平台,集成了教师教学管理等诸多功能,协助教师第一时间响应最有需求的学生,更强调课程标准与教学目标的中介调节作用,更敏感、更高效、更智能化地动态调整对学生的全面评估。

情绪感知智能化。人工智能可以感知人类的情感与态度,在学习过程中陪伴学生、激励学生,调节学习情绪。智能教学系统通过语音识别、图形图像识别、表情及手势识别等多种形式,捕捉感知学习过程和学习状态,更新学习者模型数据,及时调整教学内容的推送和学习过程设计。例如,当教师在课堂上提出推理性问题时,需要学生唤醒先前的知识或经验,这时学生可能会有嘴角上扬或唇线紧闭等各种现象。研究表明,通过表情识别、生理感应等可以智能预测学生的成绩。而对于呈现出厌倦或排斥等面部表情信息的学生,系统可以调整教学内容的呈现方式以及适当降低学习材料的难度,避免学习倦怠。

在未来教学活动中,人工智能将引领教学效率和教育质量的提升,可以将教师从低效重复的教学工作中解放出来,与此同时,教师角色必然发生相应的转变。

教师将成为个性化学习的辅助者和支持者。人工智能与大数据分析相结合,能够精准地分析学生的学习行为,进而通过资源推送等形式满足个性化学习的需求。这就要求教师能够掌握新教学理念,具备人工智能素养,了解人工智能产品,能有效地将人工智能的成果运用于教学环节中,从而提升教学质量。因此,教师的角色转变为学习的辅助者和技术服务的支持者。

教师将成为成长数据的分析者与管理者。人工智能能够辅助教师通过大数据给学生“画像”,全面掌握学生的基本情况。由此,教师需要对家庭数据、身体机能数据、学习行为数据、学习风格数据、学习成绩数据等影响学生成长的数据进行详细的收集和分析,进而成为学生成长数据的分析者和管理者。例如,借助学习平台对学生学习数据进行收集与分析,教师提供及时反馈与建议,在一定程度上可以实现教学的精准化、公平化以及个性化,为教与学带来极大的便利与高效。

教师将成为动机情感的沟通者与陪伴者。学生在成长过程中都会面临情感相关的各种问题,人工智能的介入会让这些问题在一定程度上得到缓解。例如,教育机器人辅助第二语言学习的应用中,教师使用一款机器人,通过技术的应用能够细致观察到学生的真实情感,进而通过问答模式、表演模式、领读模式等互动方法,激励学生参与活动,营造了良好的心理环境。但不容忽视的是,虽然机器与人类的交流方式越来越丰富,但是确实缺少“人情味”,无法像身边的老师一样细致入微地观察、关怀学生的情绪变化与学习体验,可能会导致认知负荷、认知孤独等更为复杂的问题。因此,人工智能教育时代,学生更加迫切地需要心灵疏导者和沟通者。

随着人工智能应用的深入,课堂教学活动、教师角色一定会呈现出新的变化。虽然受限于弱人工智能的工具属性,目前的人工智能仅能替代那些形式化、重复性的机械劳动,无法全面替代教师,但教师仍旧需要提高素养,明确定位,更加深入地融入人工智能时代,成长为符合未来发展需要的合格教师。

天津师范大学教育学部王雪、张蕾:

人工智能塑造全新的教学情境

用AI技术打造情境化的教学模式,能以学生的年龄特征和情感特征为依据、以教材内容为准绳,创设真实的教学情境,在情境中引发学生的认知冲突,进而促进学生创新和高阶思维的形成与发展。它具有三大主要特点。

教学环境情境化

利用智能虚拟现实等AI技术,模拟现实世界的真实状态,设计个性化学习活动,创设情境化教学环境,能够激发学生的兴趣,从而提升学习效果。例如,借助智能虚拟现实技术创建情境式教学环境,学生能够乘坐虚拟潜艇深入海洋深处观察海洋生物,或者能够探索核电站、古罗马或外行星。除此之外,在这些虚拟环境中,学生还能探索、互动和操纵这个模拟世界的各个方面,研究“如果”情景(如,“如果发生干旱怎么办?”),并尝试运用所掌握的知识和技能解决未来可能遇到的问题。因此,通过智能虚拟现实技术,既可以使学生穿越无法再现的历史场景、危险的地理场景等,将所学知识通过教学情境直观地呈现给学习者,又能为学习者提供真实的、沉浸式的体验和互动,实现教学环境的情境化。

教学交互情境化

传统的教学交互主要是课堂中的面对面交流,是一种主要依托教师教学经验技能的教学交互。借助AI技术,教学交互呈现出情境化的发展趋势。合肥市某省属重点中学在教育各场景中常态化应用了科大讯飞的智能教学系统、智能虚拟代理(AI代理)等。例如在英语课堂中,教师利用AI代理完成英语作文的批改与数据采集,并通过AI代理自动生成学情分析报告,为学生提供个性化的互动与指导,还可将优秀作文分享至全班,利用AI代理进行分组讨论。与此同时,在智能教学系统中,学习者还可以控制自己的学习,发展自我调节技能。还有一些课程将AI代理引入协作学习当中,此时AI代理既可以扮演教师指导学生进行卓有成效的合作,又可以扮演虚拟同伴在协作学习中发表其他观点,以激发富有成效的论点和反思。综上,智能教学系统和AI代理可以扮演教师、同学或学习同伴等角色,通过向学生提供认知困惑,引导学生有效思考和推理,精准交互,实现教学交互的情境化。

教学内容情境化

借助AI技术,对教学内容实现个性化延展,构建学科知识图谱,实现教学内容情境化。在新冠疫情防控期间,深圳市某新鼎娱乐引入智能学习系统,该系统服务学生、教师以及管理者,根据教师的授课需求和学生的学习需求智能生成讲义,简化教师备课流程,优化教学内容,促进教学内容情境化。某公司相继推出多种智能教材,使用AI技术传播和分解教科书内容,使之成为可消化的“智能”学习指南,其中包括章节总结、对错和多项选择题练习测试,帮助学生更快、更轻松地掌握学习内容。因此,借助AI技术和深度学习技术寻找最适合的教学案例、配套内容和多元素材作支撑,能够加深学生对于概念的理解和规律的建构,对教学内容进行个性化延展,实现线下或线上教学内容的情境化。

AI技术是智能时代教学创新的重要变革力量,我们应将AI技术作为打造情境化教学模式的技术引擎,创设情境化的教学环境、实现情境化的教学交互、提供情境化的教学内容,培养富有创新能力、道德品质、合作能力和人文精神的具备数字能力的人才,以迎接AI时代的机遇和挑战。

来源:2020年9月4日 天津教育报 第A3版



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