文/ 趙姝穎，田祥章，張毅，孟華甯，孫浩
摘 要：
近年來，随着AI技術的快速發展及其在各領域應用的不斷普及，國内外專家學者在AI賦能教育的方向上進行了大量的研究和實踐探索，出現了很多面向教育的AI技術和AI賦能的教育實踐案例。作者團隊在 AI 賦能教育工作中，自主研發了漢語程式設計的教學軟體開發環境，以及支援線上線下互動的遠端實踐教學系統，為深化教育教學改革進行了不懈的探索與實踐，取得積極成效。
關鍵詞：
AI賦能教育；教學改革；教學系統；漢語程式設計
1 AI賦能教育的背景與路徑
1.1 背景
随着人工智能（AI）技術的廣泛應用，AI賦能教育、助力教育改革已經成為大勢所趨。2017年7月國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》指出，要發展便捷高效的智能服務，包括智能教育，要建構智能學習、互動式學習的新型教育體系，建設智能校園，開發基于大資料智能的線上教育平台，開發智能教育助理，建立智能教學環境等。2019年2月中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》提出，要加快資訊化時代教育變革，包括建設智能化校園、推動人才培養模式改革、建立教育服務業态、推進教育治理方式變革等。智能技術有助于加快推動人才培養模式改革 , 實作規模化教育與個性化教育的有機結合，AI賦能教育成為教育變革的重要趨勢。
1.2 國内外研究現狀
近年來，随着AI技術的快速發展及其在各領域應用的不斷普及，國内外專家學者在AI賦能教育的方向上進行了大量的研究論證，出現了很多面向教育的 AI技術。
現有的智能技術在賦能教育的形式上可概括為智能教學系統和個性化的智能助教兩個類别。北京師範大學研發的“AI Teacher”國際合作項目，建立了教育大資料平台，實作類似于人類教師的智能輔導；教學機器人“智慧學伴”在學生學習遇到疑難問題時可以進行講授和即時解答。美國對AI賦能教育的研究也有很多，Raj E.Valli團隊開發的Tabtor Math就可以為中國小生提供數學個性化輔導，系統會提供學生的學習情況分析報告，并向使用者推薦适合該學生的學習内容，為學生提供量身訂制的學習計劃表。我們團隊（下面簡稱為“團隊”）長期堅持以AI賦能教育的視角探索提升學生綜合素質的方法與途徑，實施教學改革，取得積極成效。
1.3 路徑探索
教師和學生是教學活動的直接參與者，面向教師側和學生側的AI技術支援能夠更加快速、有效地作用于教學過程。
1.3.1 面向教師側的AI賦能
随着大陸教育改革的不斷深化，教師角色的轉變對其能力也提出了新的要求。教師側的AI賦能主要展現在AI技術作為“助教”參與教學。
一是基于自然語言了解技術，實作教學課件的自動生成，提高課程建設的效率；二是引入智能終端采集學習實踐資料，協助教師收集并分析學生學習結果資訊，提高教學評價的效率；三是通過智能技術生成虛拟教師形象，實作教師“分身有術”，以多元度互動方式提高課上教學效果。
另外還有借助機器視覺、聽覺等技術，協助老師掌握學生學習狀态，輔助維護教學秩序的一些做法等。
1.3.2 面向學生側的AI賦能
在傳統的集體教學活動中，很難做到針對每位學生個體差異的個性化教學，智能技術則可以很好地解決這一問題。
一是基于多模态感覺技術，打造學生學情的數字孿生模型。數字孿生模型既可以結合知識圖譜技術，為學生打造個人的學習路徑；也可以結合智能生成技術和推薦技術，根據學生學習情況推送最優的學習内容和習題作業。二是以智能學伴的形式，全天候滿足學生的學習需求。通過自然語言處理和語音處理，實作學生與智能學伴的問答、交流，實作課上學習和課下自主學習的互補。
另外，AI賦能還可為學生分享學習内容提供有效支援。通過物聯網技術促進了學生團隊學習，使學生在團隊協作的實踐學習中更容易獲得成就感，學習積極性和主動性更容易被激發出來。
2 AI賦能教育的技術方法
AI賦能教育可以通過智慧教室建設、智能學習終端應用，或智慧教育平台搭建等途徑實作，為教學改革創新提供新的途徑。在教學中應用的技術主要包括感覺、認知、機器學習、群體智能、人機互動和知識圖譜技術等。
2.1 機器感覺技術賦能教學
通過智能學習終端為學生提供參與互動學習的途徑，這是機器感覺技術賦能教育的典型方法之一。它改變了原來主要由教師講授課程的單向知識傳播模式，建構一種教與學互動的雙向資訊傳播模式。例如，利用各種傳感器實作對學生學習過程的資料采集，是感覺技術賦能教學的一種具體展現。這些被采集的資料也可以上傳到智慧教育平台，支援進一步深度挖掘，為建構學生個性化學習方案提供依據。
利用點讀技術實作紙面學習是一種常見的幼兒學習模式，互動點讀則可以為孩子們提供探究式學習的機會，讓低齡兒童在遊戲化的學習中遠離螢幕，為保護兒童視力提供很好的技術方案。
感覺技術賦能教學還可以利用各種傳感器及結構配件支援學生自主設計智能裝置。通過對這些裝置的資料采集，實作對學生實踐結果的監測和評價。
2.2 機器認知技術賦能教學
通過視覺識别或者語音識别技術，可以實作對教學的賦能。例如，視覺識别技術實作自動批改作業，利用語音識别技術實作智能知識問答，利用人臉識别和表情識别技術實作對學生學習狀态的監測等。這些技術可以廣泛應用于各種教學創新實踐中。
2.3 機器學習技術賦能教學
機器學習技術賦能教學是通過建構機器學習算法，對一些學習任務進行智能模拟，進而給學生提供一些實作任務的路徑參考，達到啟發學生思維的作用。學生在開展探究式學習過程中，會有很多随機性的探索，很難在事前都能做出各種針對性的回應。是以可以利用機器學習算法，實作對探究式學習程序的輔助引導。例如，在棋類教學中，利用機器學習實作博弈算法，可以為學生提供試探的可選操作作為參考。
2.4 群體智能技術賦能教學
通過建構物聯網教學系統實作對教學的賦能是群體智能技術在教學上的典型應用之一。可以利用搭建好的物聯網系統實作對學生學習資料的捕獲，也可以将學生自主建構的智能體作為擷取學習資料的終端節點裝置接入物聯網教學系統，為學生提供實踐性教學環境，支援學生“做中學”“用中學”和“創中學”。例如，如圖 1 所示，學生可以通過設計物聯智能風扇裝置實作與教學系統的連接配接，将自己創作的作品所獲得的資料實時上傳到智慧教育平台上。這種群體智能技術可以支援開展各種團隊式實踐教學。
2.5 人機互動技術賦能教學
如圖2所示，人機互動技術賦能教學可以通過互動式教學軟體設計，支援學生的探究式學習。利用視覺、語音、穿戴裝置等多種互動方式呈現趣味性更強的實踐教學形式，有利于提高學生的學習興趣，增強自主學習能力。
2.6 知識圖譜技術賦能教學
如圖3所示，知識圖譜技術包含知識表示和模組化、知識擷取、知識融合、知識存儲、知識計算和知識運維等。建構教學相關的知識圖譜，可以讓計算機擷取到知識，通過計算機生動形象地展示出知識，把教材、頭腦中的知識組織、表達清楚。計算機可以通過存儲的知識給學生出試題，也可根據學生的回答情況給予針對性的幫助。知識圖譜技術能增強教學内容的系統性和教學過程的互動性。
3 AI賦能教育的教學軟體及系統開發
在AI賦能教育實踐中，團隊自主研發了通過漢語程式設計的教學軟體設計環境——漢語言，和支援線上線下互動的遠端實踐教學平台——基于雲邊端協同的智能教學系統，為深化教育教學改革提供了有力支撐。
3.1 互動式教學軟體的開發
漢語言是一組系列軟體開發環境，包括面向系統內建的S版 、面向開源硬體的H版、面向智能終端“聽小方”的T版和面向學習者浏覽的L版等。S版是一款極易上手的圖形化程式設計軟體，支援動畫、視訊、音頻和遊戲等多種互動内容的快速設計。程式設計零基礎的學員通過4~6學時學習，就能上手設計內建系統的綜合控制界面。漢語言具有網絡接口，可以實作WiFi、藍牙等通信功能，友善與單片機、Arduino控制器、樹莓派為主的智能硬體系統進行資訊互動。
教師可以利用漢語言程式設計環境友善快捷地設計制作自己的互動式教學軟體。互動式教學軟體包含知識講解、問題互動和成績上傳等功能子產品，學生借助該軟體可以完成教學内容的學習和學習成果的測試與分享。
3.2 遠端實踐教學平台：基于雲邊端協同的智能教學系統開發
遠端實踐教學系統主要包括教學智能體、互動教學軟體及雲伺服器三部分（見圖4）。其中教學智能體為基于STEAM智能硬體設計開發的多種智能系統，比如機械臂、智能車、生産線、互動式教學工具箱、“聽小方”知識競賽系統等。教學智能體具有網絡通訊子產品，可以與計算機進行通訊，實作遠端控制和資訊收集。互動教學軟體為基于漢語言S版開發的教學軟體，包含電子教案和電子測評兩部分。學生可以利用該軟體學習掌握授課内容，測試學習成果。雲伺服器實作學生學習資料的收集和存貯。
如圖5所示，教學環節采用“專家教師 + 班導師”的形式進行授課，線上由專家導師進行統一授課；線下由班導師負責維持秩序，簡單答疑。學生具有自己的身份ID，學習過程産生的資料統一上傳到雲平台進行存儲和分析。
3.3 基于學習資料的教學組織與學習評價
教學環節設定分組和互答互評環節。首先由教師設計好教學内容的架構結構，将學生按不同主題進行分組，分别完成不同的學習任務，利用軟硬體學習資源形成本組學習成果。然後，利用智能教學系統将所有成果進行統一收集和管理，形成一套可以線上上分享和互動的學習管理系統，面向所有學生開放共享。如圖6所示，學生在該平台上可以觀看、學習、測試和點評其他小組的學習成果，平台對學生的成績、正确率和點評情況進行自動收集和整理，實作了學習過程的閉環管理。
4 豐富的AI賦能教育實踐
團隊積極利用自主研發的AI賦能教育的教學軟體及系統進行了豐富多彩的實踐探索，通過遊戲化學習、競争性學習、組織性學習等多種形式， 實作了從幼稚園到大學的全學段教育，以及成人教育AI賦能的全覆寫（見圖 7）。
在實踐探索中，團隊積極倡導科藝融合的理念，以培養學生“三個素養”（科學素養、技術素養和藝術素養）和“三現能力”（發現能力、實作能力和展現能力）為目标，通過建構“4T”（導師（tutors）、教師（teachers）、實習生（trainees）和團隊（teams））教學模型，實施“教、學、練、展、評”五步教學法，實作以教師為主導、學生為主體的互動教學。
4.1 各級各類教育的AI賦能
4.1.1 幼教階段：幼兒綜合能力培養幼教階段教育實踐資源，包括“聽小方機器人”及其配套的适合幼兒的綜合能力培養課程，通過教學助理機器人為小朋友講故事，以及利用教學遊戲軟體等形式開展教學，并通過智能系統對學生的學習情況進行統計、上傳和分析。
“聽小方機器人”是一款自主研發的立方體結構變形仿人機器人，支援拼裝和變形，适合鍛煉動手能力和想象力。課程采用點讀的形式進行互動，互動活動在紙面上進行，有效地避免了電子螢幕對眼睛的傷害，達到了保護兒童視力的效果。
4.1.2 國小階段：樂學系列課程
國小階段的教育實踐活動結合生活化的場景，以項目驅動的方式對學生資訊意識和計算思維進行培養，提升學生的動手能力和解決問題的能力。教育主題包括樂學機器人、樂學程式設計和樂學物聯網三個方面。課程從機器人拼裝、搭建、思維能力訓練開始，以軟硬體相結合的形式進行程式設計思維和能力訓練，以自主研發的子產品化、圖形化程式設計軟體為程式設計工具。學生在學習過程中通過不斷接受挑戰，解決實際問題，增加成就感，樹立自信心，享受學習快樂，提高學習興趣。
4.1.3 中學階段：創意機器人系列課程
中學階段教育實踐活動采用教學和實踐相結合的探索式學習模式，引導學生參與探索式學習，提升學生的綜合素質和實踐能力，使其能夠将所學内容與實際應用相結合。教育主題包括智能車、機械臂和變形機器人三個方面，包含豐富的傳感器、控制器、執行機構原理及應用技術。學生通過設計、程式設計、組裝和調試等環節，掌握AI技術應用及創意開發能力，養成利用計算思維解決學習和生活中實際問題的習慣，培養學生智能系統設計與管理意識，使其具備AI的基礎實踐能力。
4.1.4 大學階段：創造力培養的教學實踐
大學階段圍繞創造力培養開展教學改革的實踐探索，利用AI、機器人等課程的通識化教學，通過PBL和OBE教學模式促進學生創造力和綜合素質提升。教學活動具有充分的開放性，支援學生在實踐探索中開展自主學習。通過資料查找、問題設計、知識共享和團隊測試等環節的設計，實作以測促學；通過任務驅動和合作學習，讓學生有機會在教學中完成諸如智能雲台原理與實作、串聯機械臂分類搬運系統、物聯網風扇系統、音樂魔盒、智能車及其控制方法等諸多項目。學生在創意、設計、制作和分享等過程中體驗學習的收獲，提高對學業的興趣，激發研究的欲望。
4.1.5 成人教育：以智慧交通主題為例
面向成人教育的AI賦能根據實際需要設定多種主題，以生活化的智慧交通項目為例，通過“提問 -探究 - 規劃 - 實施 - 展示”的形式，培養社會學員的科學素養、技術素養和藝術素養。
項目采用由淺入深的形式對學員進行教育訓練，從通過程式設計點亮一個燈到實作傳感器無線控制，從單個智能體設計制作到系統內建的綜合調試，學員們分析裝置集控所需要的資料資訊，設計無線集控的控制方案，調試集控管理程式，最終實作整套智慧交通系統的綜合展示。
4.2 AI 賦能的多樣化學習組織
4.2.1 遊戲化學習：幼兒素質教育
幼兒項目通過遊戲化的形式向小朋友們提供學習體驗，本項目以“方方曆險記”作為故事背景，以沉浸式的方式将小朋友們帶入到這個美妙奇幻的故事裡，小朋友就是故事的主人翁。每次課都是一次冒險，小朋友們與方方一起經曆“考驗”，思考“解決辦法”，最後利用自己的聰明才智通過考驗。
項目采用“學、玩、賽”三個環節進行教學，分别為自己探索、自學自測和集體遊戲競賽。學生利用機器人在教材上點讀探索，擷取故事細節和知識；然後機器人會向學生提問，學生需要根據問題找到正确答案，驗證所學；最終教師組織全體學生進行集體遊戲互動，收集學生的學習資料，掌握學習情況。
4.2.2 競争性學習：思政教學創新
為促進基層黨建工作，深化廣大黨員對黨史知識的學習和了解，以智能技術為依托，開發了“慶祝中國共産黨建黨 100 周年”黨的知識互動學習競賽系統。系統由點讀機器人、紙面編碼系統和互動學習軟體構成，通過網絡連接配接成整體。支援團隊學習、互動學習、集體競賽，通過“邊學邊測”檢驗學習效果；通過分組學習與競賽，極大地促進了學員的學習熱情，提升了基層黨建活動的實效性。
4.2.3 組織性學習：專業課的教學創新
針對大學生課程中理論與實踐脫節的現實問題提出了一整套課程改革思路，在《機器人技術基礎》課程建設過程中，通過互動教學軟體的開發與應用，驗證了基于網際網路實作了遠端PBL模式教學。課程打破正常，大膽改革，實作了實踐課程的創新。
通過AI賦能教育，在以往的“老師講、學生聽”的模式中增加了“學生講、老師評”的環節。學生在老師的指導下，可以在短時間内完成智能系統的創意、設計和實施，實作課程在教學組織的創新。這一方面展現了以教師為主導、學生為主體的教學理念，充分調動了學生的學習主動性，激發了學生的創造力；另一方面也降低了教師的重複勞動，為教師提升綜合能力提供了更多時間。總體上讓老師和學生都能在教學過程中收獲更多成就感，使教學過程不再枯燥和乏味。
5 結束語
AI賦能教育已經成為大勢所趨，這種探索與實踐起于校園而不止于校園。随着AI技術的不斷進步，必将在有效促進教育教學改革和創新的實踐中發揮更大作用，實作讓教與學成為相伴一生的快樂體驗。
（參考文獻略）
選自《中國人工智能學會通訊》
2022年第12卷第6期
人工智能技術賦能下的智能系統設計及應用專題