人工智能教育的含义界定与原理挖掘

发布机构:教育技术专业委员会-时间:2021-07-19

以下文章来源于《中国电化教育》杂志社

 

人工智能教育的含义界定与原理挖掘

彭绍东1, 2

1.湖南师范大学 认知与人类行为湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410081;

2.湖南师范大学  基础教育大数据研究与应用重点实验室,湖南 长沙 410081))

【摘要】人工智能教育包括利用人工智能赋能的教育和以人工智能为学习内容的教育。前者又称为智能化教育。智能化教育是指基于智能感知、教学算法与数据决策等技术,利用智能工具对学习者、教师、教学内容、教学媒体及教育环境进行自动分析,实施精准干预,支持个性化学习与规模化教学,形成教育的智能生态,培养学习者智能素养和实现教育高绩效的理论与实践。人工智能教育原理是指人工智能教育中具有普遍意义的内在的基本规律。基于理论推演与实践探讨,挖掘出人工智能教育的17条原理。其中,教育层面的原理有8条,教学层面的原理有5条,要素运行层面的原理有4条。该文界定了人工智能教育的含义,分析了原理纲要,对于促进人工智能教育事业发展和建立人工智能教育原理学科知识体系具有积极作用。

【关键词】人工智能教育;人工智能教育原理;智慧教育;定义;挖掘;赋能

 

为了迎接智能时代的到来,各地在大力推行人工智能(AI)教育(简称智能教育)和致力实现教育智能化。但亟待解答两个关键问题:什么是人工智能教育?人工智能教育有何基本规律?本文拟对此进行探讨,以期抛砖引玉。

一、人工智能教育的含义界定

(一)人工智能教育的定义

1.相关定义

随着智能技术的更新和教育的发展,人工智能教育的基础、目标、方式在不断变化。不同时代的学者从不同视角、不同层次探讨人工智能教育的内涵,并加以界定,从而出现了林林总总的多种定义。

其中,近年来出现的有一定参考价值的定义有:“人工智能教育就是通过将人工智能应用于教育领域,以提升教育的质量,最后可以实现大规模的独特化教育内容及精确性的服务,帮助教师完成一系列机械的工作,提升教学效率”[1]。“智能教育是基于人工智能、大数据等智能技术,以学习者为中心,构建情境感知、泛在互联、数据融通、业务协同的智能教育环境,打造智能型教师队伍,实现差异化教学、个性化学习、精细化管理和适切性服务,以推动人才培养模式及教学方法变革,促进学习者核心素养提升和创新型人才培养的新型教育模式”[2]。“智能教育是依据大数据,利用人工智能技术,精准计算学生的知识基础、学科倾向、思维类型、情感偏好和能力潜质,按照认知规律和教育规律,科学实施因材施教,实现个性化培养和人才素质的全面提升”[3]。

这三个定义在不同程度上揭示了人工智能教育的一些特征,但第一、第三个定义没有表达出概念的“类属”;第二个定义认为人工智能教育是一种“新型教育模式”,其内涵边界过窄。

2.人工智能教育的新界定

2004年,笔者曾将人工智能教育界定为“是指学习、利用人工智能,改善师生活动方式,优化教育效果的理论与实践”[4]。该定义虽然简练,但限于当时的条件,对如何利用人工智能改善师生活动方式和优化教育效果,没有进一步揭示。2020年,经过长期实践与综合分析,笔者提炼出如下新界定:人工智能教育包括利用人工智能赋能的教育和以人工智能为学习内容的教育。前者又称为智能化教育。智能化教育是指基于智能感知、教学算法与数据决策等技术,利用智能工具对学习者、教师、教学内容、教学媒体及教育环境进行自动分析,实施精准干预,支持个性化学习与规模化教学,形成教育的智能生态,培养学习者智能素养和实现教育高绩效的理论与实践。后者属于智能科技教育,包括人工智能知识教育、人工智能应用能力教育、人工智能情感教育。该定义可用图1简要表示。

 

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(二)人工智能教育的新界定阐释

1.人工智能教育有两大组成部分:智能化教育和以人工智能为学习内容的教育。其中,智能化教育强调人工智能与教育的融合,强调利用人工智能赋能教育变革,需要进行智能化教育环境与生态建设、模式探讨、制度建设,不断提高教学绩效。以人工智能为学习内容的教育属于面向智能社会公民的智能素养教育,包括不同层次的人工智能科学、人工智能技术、人工智能应用方法等方面的知识、能力与情感教育。在普通学校通常以人工智能必修课的形式开设,在其他培训中可用专题教学形式。

2.智能感知、教学算法、数据决策是智能化教育的三大关键技术。其中,智能感知旨在利用智能教学系统了解教学环境的物理状态信息、学习者的生理与心理状态信息、教学媒体的特征信息、教师的教学状态信息,以便积累教育大数据。教学算法包括面向学习过程优化的认知计算、面向教学过程优化的教学行为计算、面向教学环境优化的环境支持计算的多种算法。数据决策是指利用智能系统根据教学目标、教学规律和教学状态中的数据自动决策,以规划出后续行动方案。这三大关键技术背后所依赖的是物联网技术、大数据技术、高性能计算技术、高速通信技术以及相应软硬件的支持。

3.智能化教育的实施,需要运用四大基本策略:利用智能工具进行自动分析,实施精准干预,支持个性化学习与规模化教学,形成教育的智能生态。其中,利用智能工具对学习者、教师、教学内容、教学媒体、教学环境等要素的特征与变化趋势进行自动分析是基础。对各要素偏离预定发展轨迹的状况予以及时干预,对干预的时机、次数、强度、方式要精心设计。强调支持规模化教学中的个性化学习,这得益于智能技术的支持——对大规模群体同时运行多种个性化教学方案。教育的智能生态是人工智能教育良性运行和持续推进的前提,其中强调协作、平衡、发展等理念。

4.智能化教育的最终目标是培养学习者的智能素养和实现教育的高绩效。学习者智能素养的培养,既是智能社会对学习者生存的素养要求,也是开展智能化学习所必须具备的学习素养要求。AI知识教育、AI应用能力教育、AI情意(含情感、意识、伦理等)[5]教育有利于培养智能素养。智能素养具有相对稳定性和发展变化性、自然生物性与社会文化性等特性。其中,计算思维是智能素养的核心要素。教育的高绩效包括效率、效果、效益三个方面。

5.智能化教育的本质是利用人工智能赋能教育。即利用人工智能具有的大数据分析、自学习、自动决策等能力使教育的各方面发生积极改变,使教育具有更强大的功能。从媒体的本质是人体的延伸、组织的授权增能,到利用人工智能促进教育变革与提高绩效,强调的都是“赋能”作用。

6.智能化教育有理论与实践两大领域。其理论领域指智能化教育是现代教育的一个新分支,包括概念体系、理论框架、原理、命题、方法论等研究内容。其实践领域指智能化教育是一种新的教育活动、一种工作实践、一项教育现代化事业,具体包括智能教育的软硬件建设、课程教材开发、师资培训,以及各种教育智能技术的综合运用等。

二、人工智能教育原理的挖掘途径与体系框架

(一)人工智能教育原理的概念界定与特征分析

1.人工智能教育原理:从本质层面看是人工智能教育中具有普遍意义的内在的基本规律;从学科层面看是以人工智能教育的本质、范畴、演变、研究范式、内在算法、实践模式等为研究对象,从理论高度阐明人工智能教育的基本规律而形成的知识体系(含事理和学理);是教育技术学科和人工智能学科的新分支。

2.人工智能教育原理的特征:(1)基础性。表达的是人工智能教育中具有普遍意义的、可用作其它规律基础的规律,但区别于教育的或人工智能的一般规律。(2)兼具事理与学理。一方面表达了对人工智能教育实践活动的理性说明(事理),以帮助人们理解和操作。另一方面,通过对事理的理性分析,从整体价值上和逻辑严谨上阐明人工智能教育学科的道理(学理)。因此,包括人工智能教育实践原理和人工智能教育学科原理。(3)多种类。按适用范围分,有全局性原理与局域性原理;按结构表现分,有内在结构原理与外在关系原理;按抽象程度分,有抽象的理论原理和具体的操作原理。(4)源于实践归纳与理论推演。人工智能教育原理的来源主要有两个:一是对大量的教学实践进行分析归纳、抽象概括,发现其隐含的普遍规律;二是利用逻辑推演并借鉴相关理论建构出原理体系。(5)对实践具有指导价值,其正确性最终被实践所检。原理不是空洞的言语文字,应对人工智能教育的设计、实施、测评与治理等的有效开展具有指导作用。所有原理,无论是理论原理还是实践原理,其正确性最终必须通过实践检验。(6)采用命题形式加以表述。人工智能教育原理是对人工智能教育活动有解释、指导作用的道理,是规律性的认识。它通常是用命题表达某种运行机制的判断,而不仅限于对概念的解释。

(二)人工智能教育原理的挖掘途径

1.理论推演。与人工智能教育原理相关的学科理论主要有:教育原理、教育学、教学论、心理学、教育技术学、信息技术教育学、人工智能理论、哲学、系统科学、逻辑学等。利用人工智能教育理论及相关学科理论中的关键概念及已有原理,可以进行有限推演,推导出有参考价值的原理,然后进行实践验证。

2.实践归纳。在人工智能科技教学和智能化教学中,在未来学校、智慧教育示范区的建设中,人们会遇到并解决许多实际问题。通过对实践的分析归纳,可挖掘出隐含的人工智能教育原理或原则。

(三)人工智能教育原理的检验策略

本文采用的是如图2所示的“4向2维”原理检验策略。其中的“4向”是指从四个方向分别对原理的科学性、实用性、创新性、可推广性进行检验;“2维”指的是学理与事理检验属内在主检维度,专业刊物发文评审与广大教师推广评议属外在辅检维度。通过“4向2维”检验,确保原理价值。

(四)人工智能教育原理的体系框架

人工智能教育原理是关于人工智能教育基本规律的理性表达。在人工智能教育原理新学科研究中,可综合采用教育技术研究方法体系中的多种方法[6]。通过运用上述理论推演与实践归纳挖掘途径、“4向2维”检验策略及有关研究方法,笔者构建了图3所示的人工智能教育原理体系框架。

 

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  上页图3中显示,通过挖掘,已提炼出17条原理。其中,从教育层面探讨的宏观层次类有8条:赋能原理、人本原理、与社会互促原理、两大组成部分原理、双重目标原理、四大“基本策略”原理、三大“关键技术”原理、与智慧教育相互支持原理。从教学层面探讨的中观层次类有5条:计算思维是智能素养的核心要素原理、智能化教学设计的分层分类原理、智能化教学实施的“一融三境”原理、个性化学习与规模化教学相结合原理、基于实时测评的动态调控原理。从要素运行层面探讨的微观层次类有4条:基于协同开放理念的人工智能教育生态系统建设原理、用教学算法恰当表达教学策略原理、以学习绩效最优化为基准的精准干预原理、数据决策与人的决策相结合原理。

限于篇幅,下文仅对这三个层面原理的基本内容、参考依据、作用价值、应用注意事项做一简要分析。

三、教育层面类人工智能教育原理分析

(一)赋能原理

1.原理内容。利用人工智能对教育赋权增能是人工智能教育的本质。通过人工智能的广泛应用,使教育的工具、媒体、资源、环境等智能化,进而促进教育的方法、模式、测评、治理等智能化,实现智能化教育。

2.参考依据。麦克卢汉(Mcluhan)在《媒体通讯,人体的延伸》一书中揭示了传播媒体的本质是人体的延伸[7]。人工智能同样延伸了教育参与者的机能。技术化教育观认为,高新技术的恰当使用能带来教育的变革,如扩大教育规模,提高教学效率,提高教育质量,促进教育改革[8]。人工智能赋能教育,使学习环境生态化、由人际协同作用扩展到人机协同作用、使学习的个性化与教学的规模化统一、使教学评估“全息化”[9]。

3.作用价值。阐明了人工智能教育的本质,指明了人工智能在教育中应用的目标与方向,有助于推进教育的智能化变革,有助于从人类教育发展与革命的历史长河中把握教育智能化的总趋势。

4.注意事项。(1)要恰当把握人工智能赋能教育的时机、方式、深度,坚持人的主体性,不能因人工智能之“赋”而使人变“傻”或变“废”。(2)充分挖掘人工智能的功能,不断提高“赋能”的质量。

(二)人本原理

1.原理内容。在处理人工智能与人的智能、智能机器与人的关系中,强调以人(包括学生、教师和学习支持者)为本,尊重人的本性、尊严及成长规律,以人的积极性和潜能的发挥为工作重点,以学生的智能素养培养为主要目标。

2.参考依据。教育是有目的、有计划地培养人的活动,人工智能教育遵循这一主旨。在信息技术教育人本论[10]中,论述了其人本主义、建构主义、人性论、潜能发展说、素质教育等方面的理论支持。人工智能教育是信息技术教育的新发展。这些人本理论的支持同样适用于人工智能教育人本原理。

3.作用价值。奠定了人工智能教育的伦理基础,有助于指导“AI老师”“智能学伴”“教育智能系统”的设计、开发与应用。有助于建立科学的人工智能教育伦理体系,形成健康的人工智能教育生态。有助于处理与教师助理及学习助理关系,建立人机协同机制。

4.注意事项。既要尊重人的主体性,也要看到AI的巨大发展潜力。强调人机共生,但在人机冲突中强调以人为本。

(三)与社会互促原理

1.原理内容。AI教育与AI社会、AI经济、AI科技、AI文化密切相关,AI社会、AI经济、AI科技、AI文化的发展为AI教育的发展提供驱动力,AI教育的实施能促进AI社会、AI经济、AI科技、AI文化的发展。

2.参考依据。这是由教育的社会属性、经济功能、科技作用与文化价值所决定的。同时,AI社会需要AI教育培养大量具有智能素养的人,AI经济的发展需要AI教育提高生产力,AI科技的进步需要AI教育促进研发,AI文化的传承更需要AI教育承载。因此,国家层面往往高度重视加强AI教育这一关键举措。

3.作用价值。阐明了AI教育的社会功能和外在影响因素,对加强AI教育的设计、实施、管理具有重要作用。适用于处理AI教育与AI社会、AI科技、AI文化的关系,有助于分析AI教育的发展原因和建立AI教育生态。

4.注意事项。(1)在AI教育的发展谋划中,既要依据当前的客观条件,也要着眼未来和发挥人的主观能动作用;(2)AI文化是智能社会文化的组成部分,也是AI教育的重要内容。要重视包括学校AI教材与社会AI信息资源在内的文化建设;(3)加强AI教育体制与AI政治制度建设,促进协同发展。

(四)两大组成部分原理

1.原理内容。AI教育包括智能化教育和以AI为学习内容的教育(简称AI科技教育)两大组成部分。二者都需要掌握一些AI知识和培养AI应用能力,但侧重点不同。

2.参考依据。智能时代,AI科技教育是面向所有公民的基本素养教育,旨在掌握智能化生存所需的基本AI知识和AI应用能力。同时,所有在智能化环境中进行的教育活动都应尽可能实施智能化教学,以提高教学绩效。

3.作用价值。阐明AI教育有两大组成部分,同时避免了二者的割裂,对于AI教育的开展与未来走向具有指导作用。适用于所有教育组织开展的人工智能教育。

4.注意事项。(1)AI内容教育强调循序渐进、螺旋推进、与时俱进,其实施要注重理论与实践结合和尽量采用智能化教学模式。(2)智能化教学中要适度传播AI知识和培养学习者的智能素养。

(五)双重目标原理

1.原理内容。AI教育有培养学习者智能素养和实现教育高绩效双重目标。其中,智能素养的培养是从智能社会的大需求和学习者终身受用的长远视角来看的,需要多种层次多个专题的AI课程体系来承载。智能教育的高绩效是智能时代高技术投入对高质量教育的要求,强调教育的高效果、高效率和高效益。

2.参考依据。《中国学生发展核心素养》[11]以培养“全面发展的人”为核心,由自主发展(含学会学习、健康生活)、社会参与(含责任担当、实践创新)、文化基础(含人文底蕴、科学精神)三个维度的六项核心素养指标组成。据《普通高中信息技术课程标准(2017版)》,“高中信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、社会责任四个核心要素组成”。国务院颁发的《新一代人工智能发展规划》[12]的“指导思想”强调“以提升新一代人工智能科技创新能力为主攻方向”。

3.作用价值。对人工智能教育具有定向、激励、评价等作用,可避免单一的AI文化教育观和片面的AI“整合”观。

4.注意事项。(1)不同学科、不同层次的人工智能教育,其教育目标要区别对待。AI文化教育强调智能素养的培养,智能化教育强调教育的高绩效。(2)要处理好总目标与分目标、阶段目标与长远目标、低级目标与高级目标的关系。(3)AI文化教育中,要注重“问题求解”“机器学习”“决策规划”“推理机制”等基本算法的学习和计算思维能力的培养。在智能化教育中,要注重设计型学习、深度学习、项目化学习等学习策略的应用,要注重发挥AI在全纳教育(InclusiveEducation)[13][14]中的作用。

(六)四大“基本策略”原理

1.原理内容。智能化教育的开展,需运用四大“基本策略”:(1)利用智能工具对学习者、教师、教学内容、教学媒体、教育环境进行自动分析;(2)实施精准干预;(3)支持个性化学习与规模化教学;(4)形成教育的智能生态。

2.参考依据。(1)动态教学和大规模个性化学习的设计、实施、测评与治理,必须依靠AI技术进行自动分析及精准干预。(2)AI支持下的个性化学习与规模化教学的结合,有助于破解群体教学的“一刀切”与个性化发展的冲突。(3)人工智能与人的智能的共用,AI企业、教育机构与师生的协同,众多个性化学习者的相融与发展,都有必要建立教育的智能生态。

3.作用价值。上述策略(1)有助于对人工智能教育系统的数据进行挖掘,提取状态特征,研判发展趋势,以利因材施教。策略(2)可确保人工智能教育系统按预定最佳方案运行。策略(3)有助于利用AI充分发挥个性化学习与规模化教学的优势,弥补其不足。策略(4)有助于使人工智能教育系统结构-功能优化。

4.注意事项。策略(1)、策略(4)是策略(2)和策略(3)的基础,策略(2)又是策略(3)的基础。四大策略可以选择与组合运用。

(七)三大“关键技术”原理

1.原理内容。智能感知、教学算法、数据决策是智能化教育的三大“关键技术”。可用于解决教学系统与环境信息的采集与理解、教与学策略的生成、系统自动决策与自主运行中的关键问题。

2.参考依据。从智能教学系统的运行看,以上三大“关键技术”有助于解决信息采集(输入)、加工(处理)、输出(行动)中的三个关键问题。从智能化教育实施所依赖的技术支持看,智能感知是前提,教学算法运用是根本,数据决策是保证。

3.作用价值。(1)在“智能感知”中,利用多种信息采集器,可以感知环境状态,了解教学系统要素特征和教学过程动态。(2)利用“教学算法”,可以对学与教的过程、策略、效果等进行计算分析,以利调控。(3)利用“数据决策”,可以使智能教学系统及时对规模化学习群体的每个个体提供个性化的学习方案、针对性的学习指导及干预。

4.注意事项。(1)这里的“关键技术”是从宏观应用层面看的,包括许多具体技术。(2)每种技术可以有多种备选方案,并可不断改进。如“教学算法”中的自适应学习算法包括测量类与机器学习类,前者有基于项目反应理论的算法、基于认知诊断理论的算法、基于知识空间理论的算法等等。后者有贝叶斯知识跟踪算法、深度知识跟踪算法、概率图模型算法、协同过滤算法、遗传算法等多种[15]。(3)“智能感知”不限于对环境信息的感知,也包括对学习材料语义的感知、学习者状态的感知、以及对教与学系统其他要素的感知。(4)教学算法的表达形式有概念(流程)模型、数学公式、程序代码等。(5)要注意将数据决策与人的决策有机结合。(6)随着这些技术的逐渐成熟,其将被用到智能教学系统的模块中并“透明”化。

(八)与智慧教育相互支持原理

1.原理内容。智慧教育是指利用智能技术赋能,融合数据智慧、教学智慧与文化智慧,实现教育的精准、个性化、创造与优化,培养学习者智慧素养的教育形态与教学方式。人工智能教育与智慧教育含义不同,但二者相互支持。一方面,人工智能教育的发展,必然加强AI的教育应用,推进智能技术对教育的“赋能”。这有助于促进“三智”(数据智慧、教学智慧、文化智慧)的融合,有助于实现教育的“精准、个性化、创造与优化”,有助于培养学习者的“智慧素养”,进而促进智慧教育的实现。另一方面,智能时代开展智慧教育,必然引领和推进“利用人工智能赋能”的智能化教育。人工智能教育与智慧教育的比较,如表1所示。

 

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2.参考依据。基于笔者对人工智能教育、智慧教育的含义界定与实践探讨,参考国内外关于人工智能教育、智慧教育的相关研究[16-18]。

3.作用价值。(1)有助于理解人工智能教育与智慧教育的异同,明确工作重点,推进人工智能教育、智慧教育。(2)人工智能教育是智慧教育的实现途径,人工智能教育需要智慧教育引领。

4.注意事项。(1)理清人工智能教育与智慧教育的异同,有利于集中力量,突出重点。应优先推进教育智能化,实现智能化教育。(2)开智启慧的教育自古就有,利用AI赋能的智慧教育,能融合数据智慧、教学智慧、文化智慧,使智慧教育迈上新高度。

四、教学层面类人工智能教育原理分析

(一)计算思维是智能素养的核心要素原理

1.原理内容。人工智能素养是指人所具有的认识、利用、创造、管理人工智能以适应智能社会发展需要的知识、能力、情意等各方面基本品质的总和,简称智能素养。智能素养是智能时代人才所必须具备的核心素养(必备品格和关键能力),包括人工智能知识、人工智能能力、人工智能情意三大组成部分。计算思维是指人运用计算机科学领域的思想方法,在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动与能力表现。具备计算思维的人,能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽取特征、建立模型、组织数据、选用算法、形成问题解决方案,并将总结的问题解决过程与方法进行迁移推广。计算思维是人工智能能力的重要组成部分,是智能素养的核心要素。

2.参考依据。(1)依据上述“核心素养框架”和教育部制定的《普通高中信息技术课程标准(2017年版)》中关于计算思维的界定,借鉴《基于核心素养的学生智能素养构建及其培育》[19],《从信息素养到智能素养:中小学信息技术课程培养目标转向》[20]中的有关探讨。拓展了笔者2001年关于信息素质的探讨[21]。(2)计算思维是认识、利用、创造、管理人工智能的能力基础,对智能素养的形成有直接支持作用。

3.作用价值。(1)有助于把计算思维培养作为人工智能教育的重要目标。(2)有助于把握“信息素养”向“智能素养”演化中的“变”与“不变”。

4.注意事项。(1)计算思维是一种人机结合的工程化思维,具有形式化、模型化、自动化、系统化等特征[22]。智能素养中的计算思维是强调支持“智能计算”的思维,包括形式化表达要便于智能处理,采用智能处理数学模型,建构智能化的问题解决方案,开发问题求解的智能化系统等。(2)人工智能教育中,要注意对AI知识、AI能力、AI情意、AI伦理等各方面智能素养的综合培养。

(二)智能化教学设计的分层分类原理

1.原理内容。智能化教学设计要根据人工智能水平分层和学习者、教学模式等的分类进行。其中,AI水平通常分为弱AI与强AI两个层级;弱AI只能在特定领域自动推理与问题求解,如图像识别、语音识别等;强AI像人那样进行学习、推理与执行“通用任务”(Generalized Mission)。目前的AI总体处于弱AI水平。学习者的知识基础、学习能力等在很大程度上是智能化教学设计时首先要分析的因素。不同类型的智能化教学模式,往往需要不同类型的教学设计。

2.参考依据。(1)弱AI层级的智能化教学设计是信息化教学设计的拓展,强AI层级的智能化教学设计中强调人机协同设计。(2)不同教学模式下AI的应用方式与作用不同。(3)教学设计包括宏观层面的教学系统设计、中观层面的教学过程设计、微观层面的教学产品设计。

3.作用价值。(1)有助于立足现状、瞄准未来,促进弱智能教学设计向强智能教学设计的演变。(2)无论何种智能化教学设计,都强调自适应机制的设计,注重个性化学习设计、动态教学设计与精准干预设计。

4.注意事项。(1)要充分领会智能化教育的内涵。在智能化教学设计中,要注重利用智能工具对学习者、教师、教学内容、教学媒体及教育环境进行自动分析,实施精准干预,支持个性学习与规模化教学,形成教育的智能生态。(2)要根据实践总结与理论分析,不断探讨新的智能化教学设计模式。(3)要区分不同层级的智能化教学设计。(4)智能化教学设计的根本任务是为了使学习绩效最优化而对教学要素和活动安排进行系统计划。

(三)智能化教学实施的“一融三境”原理

1.原理内容。智能化教学的实施从深度和广度看有三层境界:一是营造智能教学环境,并使教学系统的要素与结构智能化;二是提炼与应用智能化教学模式;三是使智能化教学制度化、普及化。低层境界是高层境界的基础,“AI与教学的融合”是“三层境界”的共同内核。如图4所示。

2.参考依据。基于国内外技术化教育的大量实践与探索[23],借鉴《智慧教育的三重境界:从环境、模式到体制》[24]中的相近观点,参考《教育信息化2.0行动计划》中的有关思想。

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3.作用价值。(1)强调AI与教学的融合有不同的层次表现。(2)在第一层境界中,智能化教学环境是指智能教学系统边界之外的所有因素及其关系之和,包括物理环境、心理环境等。智能化教学系统的要素包括教师+教学助理、学生+学习助理、教学内容、教学媒体,要素间的结构关系不是简单的线性关系,可以是动态的算法关系。(3)在第二层境界中,智能化教学模式是指为完成教学任务而采用的、相对稳定的,用以设计、组织、实施、评估、优化智能化教学的策略、方法与结构的简化形式。智能化教学模式的提炼,有理论推演和实践归纳两个来源,智能化教学模式的应用有指导实践和建立理论两个目的,从而形成如图5所示的智能化教学模式方法论模型。智能化教学模式可以从学科、目的、组织形式、学习场所、AI与人的关系、价值观、认识论等视角加以分类。(4)第三层境界强调把AI在教学中的应用纳入到教学组织与管理机构的运作机制中,使智能化教学能长期、持续进行;强调通过研讨、示范、激励,使模式与经验得到推广应用。

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4.注意事项。(1)“融合”是AI在教学中有效应用的基础。同时,AI与教学的深度融合将引起教学结构与体制的变革。(2)在智能化教学系统与环境的创设中,要注重生态优化与遵循伦理。(3)智能化教学模式,按组织形式分有智能化课堂教学模式、智能化远程教学模式、智能化自主学习模式;按学习场所分,有学校智能化教学模式、家庭智能化教学模式、社会智能化教学模式。各种教学模式又包括一系列具体教学形式与方法。(4)形成智能化教学应用体制,不是一蹴而就的,需要师资培养、设施建设、教学研讨、经费投入等配套支持。

(四)个性化学习与规模化教学相结合的原理

1.原理内容。在智能化教学中可利用AI大规模培养个性化创造性人才以取得最优教学绩效。其中,个性是个人带有倾向性的、本质的、比较稳定的心理特征的总和[25]。个性的结构包括个性倾向(如需要、动机、兴趣、信念)和个性心理特征(如能力、气质、性格等)两大组成部分。个性化学习是指以学生个性差异为基础,以促进学生个性发展为目标的学习范式[26]。规模化教学是指学习者数量达到一定规模的教学(如小组学习、班级教学、大规模网上教学等)。

2.参考依据。依据中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》[27]中提出的“战略任务”:“利用现代技术加快推动人才培养模式的改革,实现规模化教育与个性化培养的有机结合”。王珠珠认为该战略任务也是中国教育信息化2035年的重要目标[28]。袁振国认为,“让教育从大规模的标准化教育发展到大规模的个性化教育成为人类的共同理想”,而“线上线下融合”有助于实现“大规模个性化的未来教育”[29]。一些学者已就如何利用AI促进个性化学习进行了探讨[30][31]。

3.作用价值。(1)有助于利用AI解决“面向全体”与“因材施教”的矛盾、“社会化教育”与“个性化培养”的矛盾、“班级批量化教学”与“个性化教学”的矛盾。(2)有助于利用AI推进全纳教育与全民教育,提高教育绩效,促进中国教育现代化“2035目标”的实现。

4.注意事项。(1)本原理的应用,有三种基本模式:面向班级课堂的大规模教学+面向每个学习者个性化智能助学;面向所有在线学习者的大规模开放教学+面向每个学习者的个性化智能助学;面向每个学习者的智能化自主学习。(2)在大规模个性化学习中,要建立学习者数字画像和学习档案,要利用知识图谱和信息资源库,要进行自动测评分析和适时调整学习策略。(3)原理中的“结合”点包括学习者、学习内容、学习目标、学习策略、学习环境、学习资源等。

(五)基于实时测评的动态调控原理

1.原理内容。在人工智能技术与工具的支持下,对教学系统的要素及其关系的状态进行实时测量、评价,以便按照系统优化要求进行动态调整、控制。其中,实时测评是前提,动态调控是手段,系统过程与绩效的优化是目的。

2.参考依据。依据智能化教学的特征与需要;依据教育系统论、教育控制论、教育管理学的有关原理。

3.作用价值。有助于指导智能化教学系统的设计与运行;有助于将智能化教学中的测评与调控恰当关联:实时→动态;有助于精准干预策略的实施。

4.注意事项。(1)注意测评、调控的多维度与实时性。其中环境感知测评通常采用传感器和智能芯片处理,其调控常采用数字化机械设备实施。其测评与调控通常是连续的,以确保教学环境的舒适、安全、稳定。而学习者的学习状态测评,通常要把握三个关键时段:学习开始前的诊断性测评、学习中的过程性测评、学习后的总结性测评,其对应的调控分别为形成学案、调整学习路径、学习水平总体评价。学习内容深度测评是通过语义分析、知识图谱追索、问卷调查等途径对学习内容和作品水平的难度、深度、质量等进行的测评,主要用于形成性评价、帮助提高教师(代理)的教学能力、帮助学习者进行高质量学习。(2)调控的方式多样,应尽量使干预精准。其中,对人的活动干预要容许有一个适度的区间,以免过频繁干预使学习者无所适从。

五、要素运行层面类人工智能教育原理分析

(一)基于协同、开放理念的人工智能教育生态系统建设原理

1.原理内容。人工智能教育生态建设中,要遵循协同、开放理念,致力形成教育的智能生态。其中,人工智能教育生态是指人工智能教育系统的形成、发展状态与特性。人工智能教育生态理论研究人工智能教育生态的特征与运行规律,重点探讨人工智能教育系统与环境的相互作用规律及机理。其中,“协同”理念强调,学校、教育管理部门、企业、家庭各方要积极协作,共同为智能教育事业发展献策献力;教师、学生、智能助理、支持服务人员要积极沟通,共同为学生的学习创设良好条件。“开放”理念强调,人工智能教育系统只有开放且偏离平衡态,才有可能使系统的结构、功能由低级向高级、由无序向有序发展。教育的“智能生态”强调,要以具有智能调控和自治优化能力的教育新生态为人工智能教育生态建设目标。

2.参考依据。依据教育生态学、人工智能教育的含义界定和大量相关研究[32-34]。

3.作用价值。能用于指导人工智能教育生态的设计、建设、评价及环境开发;有助于人工智能教育系统的结构功能优化与升级改造。

4.注意事项。(1)适当把握协同、开放的“度”。强调在各尽其责基础上的“协同”和坚持本体特征基础上的“开放”。(2)只是从生态建设角度强调了“协同、开放”。其实人工智能教育生态系统还应遵循生态学的十条共同原理:优胜劣汰原理;拓资适环(成功的发展必须拓展资源和适应环境);相生相克原理;正负反馈原理;消变补稳原理(功能失调会引起系统改变,通过补偿机制可使系统稳定);S型突破原理(呈S型发展);循环再生原理;多样主导原理(多样多元结构可分散风险,以优势产品主导形成发展实力);趋利避害原理;开放有序原理。

(二)用教学算法恰当表达智能教学策略原理

1.原理内容。在智能化教学系统设计中,要善于用教学算法表达各种智能教学策略,以便根据教学对象、教学环境、教学任务的特征,灵活选择教学活动的程序、方法、形式与调控对策,进而高效地实现智能教学目标。

2.参考依据。(1)梅瑞尔(Merrill.M.D.)在教学处理理论(Instructional Transaction Theory,简称ITT)[35]中提出“教学处理”就是“教学算法”,即解决教学问题的步骤;认为不同类型的知识教学需要不同类型的“教学处理”;一种“教学处理”设计完成并形式化后,可重复用于同类知识的教学。(2)国内外一些学者在智能教学系统、个性化学习系统研究中对学习者特征提取算法[36]、基于多目标改进的教学优化算法[37]等领域进行了有益探讨。(3)智能化教学策略的实现,有赖于教学算法的支持。

3.作用价值。(1)有助于教学算法的系列化、模块化、标准化研究。(2)有助于指导教学系统的设计、开发与应用。(3)有助于在智能教学中综合处理教学活动的程序、方法、形式、调控等因素。

4.注意事项。(1)智能教学策略是指人类教师或智能教师针对教学对象、教学环境、教学任务的特征,在一定的教学思想指导下,综合考虑教与学活动的程序、方法、形式等因素,为高绩效的实现教学目标,而提出的智能教学方案与调控对策。包括教的策略与学的策略。因此,用教学算法来表达的工作量比较大,通常需要学科教师与智能技术开发人员协同进行。(2)在本原理的实际运用中,通常是先从某个教学活动因素的算法设计入手,再拓展到整个教学策略的算法表达。其较高形式是智能教师主持教学的算法系统表达。(3)为了降低对一般教师和学生的技术要求,在智能教学系统开发中应尽量将教学算法的设置透明化(只需简单选择便可调用,无需普通教师去编代码)。(4)应尽量提高教学算法的可读性、准确性、健壮性、有效性。

(三)以学习绩效最优化为基准的精准干预原理

1.原理内容。在智能化精准教学中应以学习绩效(包括效果、效率、效益)最优化为干预基准,对偏离优化目标的学习状态与学习行为实施个性化精准干预。

2.参考依据。依据奥格登·林斯利(OgdenLindsley)的精准教学理念[38]及其在信息化教学中的拓展应用[39][40];依据巴班斯基的教学过程最优化理论[41];依据智能化教育的含义界定。

3.作用价值。指导智能化教学的设计、组织与调控。有助于弥补奥格登·林斯利基于斯金纳行为主义学习理论所提出的精准教学理论的不足,使智能化精准教学理念能适用于认知主义学习、建构主义学习等各种类型的学习。如班级差异化教学、小组合作研创型学习、个人自主适应性学习、群体互动生成性学习[42]。

4.注意事项。(1)在基于行为主义的知识教学和特殊教育中,以学习的流畅度(Fluency)(指学习表现的“精准度”+“速度”)[43]指标作为干预依据是比较有效的,但对于建构性学习、创新性学习就不一定有效。建议以学习绩效的最优化为基准针对具体情况拟定具体干预指标。(2)注意人机协同干预和干预的时间、场景、数量、强度与学习者特征相符。(3)倡导正面引导性干预和预防性干预,避免乱干预和无效干预。

(四)数据决策与人的决策相结合原理

1.原理内容。在智能化教学的设计、实施、管理、研究中,要善于将基于数据和智能系统的自动决策与基于人的经验的自我决策结合,以提高决策效能。

2.参考依据。(1)源于数据决策和人的决策互补。数据决策是指通过数据分析和决策模型所进行的判断与提出策略或方案的过程。人的决策与数据决策的比较,如下页表2所示。从中可见,在决策者、决策依据、决策机制、决策变量、决策时机、决策作用等方面具有互补性。(2)参考已有研究。如管珏琪等人开展的“数据启发的教学决策研究”[44],雷云鹤等人开展的“基于预学习数据分析的精准教学决策”探讨[45],冯仰存的“数据驱动的教师教学决策研究综述”[46]、钟婉娟等人的大数据支持的教学决策改进[47]等。

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3.作用价值。(1)避免教学决策的极端化、片面化,使教学决策全面、科学、有效。(2)指导智能化教学的精准设计、精准实施与精准干预。

4.注意事项。(1)在智能化教学的设计、实施、评价反思等阶段,数据决策与人的决策作用比重有所不同。数据决策因其实时性、个性化特点,在教学互动中往往发挥较大作用。而教师决策在教学设计、教学评价阶段因其概括性、总体性特点而发挥较大作用。

(2)注重数据决策与人的决策的相互交融,强调基于证据的决策和建立决策失误的纠错机制。

 

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