新一代人工智能技术在智慧校园建设中的应用研究

    刘怡萱 陶奕芹 贾雪彬 王运武

    摘要：随着信息技术的迅速发展，人工智能技术作为新一轮科技革命的代表，已上升为国家战略，对人类的生活、工作、学习产生了重大影响。当前，全国高校和中小学正在大力推进智慧校园建设，然而智慧校园建设还存在着许多亟待解决的问题。人工智能与教育融合为智慧校园建设提供了新的路径。本文主要深入发掘智慧校园建设中的问题，剖析人工智能技术在教育方面的应用潜能，并希望运用新一代人工智能技术为智慧校园建设提供新思路。

    关键词：智慧校园;人工智能技术;深度融合;大数据

    中图分类号：G434 ?文献标识码：A ?论文编号：1674-2117（2020）12-0000-04

    近年来，新一代人工智能技术与教育的深度融合为智慧校园的未来发展指明了方向，尤其是大数据、云计算、深度学习等新一代人工智能技术的迅猛发展为智慧校园建设提供了全新的发展动力。人工智能智能化、自动化等典型特征也影响着智慧校园建设的发展方向。

    ● 新一代人工智能技术的发展现状及应用潜能

    1.人工智能技术的发展历程

    人工智能技术的发展可以分为三个阶段。

    第一阶段：人工智能技术的兴起（1956年至20世纪60年代末）。1956年，“人工智能”一词由约翰·麦卡锡在美国达特茅斯学院举办的会议上提出。随后，人们对算法语言和程序开发的学习热情高涨，推动了人工智能的发展。几年后，LISP表处理和机器定理被纳入人工智能技术之中。[1]此阶段的人工智能技术发展缓慢，面临交互不佳、效率低等问题。

    第二阶段：人工智能技术迅速发展与扩大应用（20世纪70年代至2005年）。20世纪70年代，数据采集效率提高，实现了人工智能大规模运算。专家系统逐步发展，构造理论、机器视觉等理论也被运用于人工智能。人工智能的概念不断扩展，并逐渐运用于各个行业。

    第三阶段：人工智能技术高速发展（2006年至今）。人工智能技术发展迅猛，进入一个全新的阶段。硬件技术有较大的提升，能够支持多台计算机同时进行运算，人们运用算法解决问题的能力也逐渐成熟。[2]人工智能在各领域展现出了应用潜能，进入第三次发展高峰。

    当前，人工智能正在逐渐突破从技术到实际应用之间在技术应用难、设备更新缓慢等方面的障碍。图像语音识别、人机对弈、无人驾驶、专家系统等人工智能技术应用越来越广泛，迎来爆发式增长的新高峰。[3]人工智能应用逐渐普及，涵盖各领域，成为下一阶段经济技术快速发展的重要支撑，也为人类文化生活提供了新的模式。

    2.人工智能的关键技术

    人工智能的三大核心驱动力量分别为大数据、云计算和深度学习，这是人工智能的关键技术。发挥这些技术的应用潜能，有助于实现问题可视化、数据条理化、反馈精确化。

    大数据技术是对海量数据的收集、挖掘、分析、共享和可视化等技术的综合应用。近年来，大数据技术推动着各种智能服务的发展。例如，淘宝平台通过大数据采集、分析技术、图像处理技术等实现用户购买偏好、各地区、各年龄阶段的消费差异的可视化呈现。[4]

    云计算是一种以数据为中心的数据密集型新型超级计算方式[5]，能够推动数据处理速度和规模的指数级增长，其优势体现在动态易扩展、虚拟化的资源管理。云计算的核心是将大量计算机资源协调在一起，使用户不受时间和空间的限制，通过网络就可以获取无限的资源。

    深度学习是机器学习的一种，获得的是以概率表示的非线性连接关系，它模仿人脑的机制来解释数据，已经在智能搜索、机器学习、数据分析、自然语言处理等方面取得了较大进展。人工智能的基础是数据和硬件，而其核心则是算法。因此，建立专业知识库、完善算法是提升深度学习的可靠性和可解释性的必然之路。

    3.人工智能技术教育应用的五个典型特征

    ①智能化。人机自然交互的迅速发展更大程度上满足了人们的各种需求。例如，视觉智能技术可以察觉被观察者的状态、情绪，通过眼球追踪、图像识别记录数据，并做出智能的回应。[6]学生通过使用智能工具改变了学习方式，进入沉浸式教学环境中感受更真实的教学情境。

    ②个性化。人工智能可以追踪、记录使用者的个性化行为，并定制一份个性化方案，解决各学段学生的需求差异问题，适时提醒学生更正不恰当的操作，培养良好的学习习惯。基于此，学生能够缓解学习倦怠感，完善原有的知识架构，从而拓展知识面，提高学习效率。

    ③自动化。人工智能提升了评测技术的自动化水平。近年来，人工智能技术在电子阅卷、教学评价等方面的应用逐渐成熟，有效降低了教师的教学评测工作量。

    ④多元化。人工智能技术涉及多个学科领域，综合性较强。近些年，很多国家重视开展人工智能教育。当前，steam教育备受关注，跨学科领域的综合课程正在走进学校。国内高校重视人工智能学科建设，相关专业中也已开设人工智能课程，正在逐渐形成“人工智能+X”创新专业培养模式。[7]

    ⑤协同化。人工智能与教師协同开展教学。人工智能辅助教学需要教师的协助，高程度的协同化不仅能为教师减轻负担，提高其工作效率，而且能够更好的发挥能够将人工智能技术在教学中的作用。

    4.新一代人工智能技术的教育应用潜能

    人工智能技术在教育领域有广泛的应用，促进了人工智能与教育的融合。教育人工智能的核心在于将人工智能与教育各业务进行深度且恰当的融合，以达到协同化教学、智能化管理的目的，让教育真正拥有“智慧”。新一代人工智能技术的教育应用潜能主要体现在五个方面。

    一是促进教师角色的转变。人工智能技术将代替教师的部分工作，释放其生产力，促进教师角色的快速转变。智能答疑、自动评测、智能教学代理等代替了教师的答疑、阅卷、教学部分工作，人工智能+教师的双主体教学改变了教师的传统角色，让教师可以将更多的精力集中在更具有挑战性、创新性的教学活动探究中。

    二是培养学生学习的自主性。人工智能技术在支持自主、探究和协作学习等新型学习方式上发挥着重要作用，能够促进学习的个性化，增强学生学习的自主性。教育机器人、智能辅助系统等支持的新型学习方式既注重学生个性的发展，又利于激发学生的创造力。

    三是增强教育教学数据的丰富性。人工智能技术可以为学生“画像”，为每个学生记录专有的学习过程和成长轨迹，识别学生的优缺点和学习偏好。[8]分析学生学习数据、教师教学数据、师生体质数据、学生一卡通消费数据等一系列丰富的教育数据，有助于达到促进师生共同发展、改进教学中的不足、提高教育质量的目的。

    四是提升教学环境智慧性。人工智能技术支持下的沉浸式虚拟学习环境能够优化智慧校园的环境，提升教学环境的智慧性，从而提升学生的学习体验。

    五是增加教育支持服务的广泛性。人工智能技不仅能直接作用于课堂教学、师生活动，还能营造智慧校园环境，提供满足师生发展的个性化服务。[9]人工智能技术可以通过分析技术对学校布局、教育财政、招生选拔、家校联系等进行模拟，以优化学校管理。

    ● 智慧校园建设中的现实困惑

    1.人工智能时代智慧校园发展的新诉求

    在数字校园出现不久之后，智慧校园就跟随着“智慧地球”这一概念出现了。[10]人工智能时代，智慧校园的内涵发生了新变化，迫切需要人工智能技术的融入;人才的需求发生了新变化，智慧校园作为人才培养的重要场所，越来越受到学校的重视。因此，智慧校园发展的总趋势呈现校园泛在化、资源共享化、服务个性化等特征，而这些發展要求与人工智能技术的优势呈现出高度匹配的状态。随着时代的进步、技术的不断变革，智慧校园的发展将会以教育信息化2.0为导向，以新一代人工智能技术为支撑，正式进入一个新的发展时期。

    2.智慧校园建设中存在的问题

    当前，智慧校园建设主要存在以下亟待解决的问题：①教学个性化难实现。我国教学主要以大班制教育模式为主，这种模式存在着不利于学生个性化发展、不利于教师发挥教学辅助者作用的弊端。大班制的教学模式下，教师很难关注到每个学生的独特性。②“智慧”难体现。目前，我国仍处于智慧校园建设的起始阶段，建设的实际情况相比于数字校园，其智慧化水平提升不大。校园基础设施、软件和平台、应用系统等智慧性有待提升，亟待解决教育实践中师生互动不充分、管理难度大等问题。③教学大数据难应用。智慧校园的教育大平台中蕴含着丰富的教育大数据，但要发挥出其中的巨大价值，还需要深入分析和挖掘。目前大部分智慧校园还缺乏有效的大数据挖掘技术，很多隐藏的价值还没有被挖掘出来。④智慧管理不精准。智慧校园平台已能够支持智慧处理人事信息数据、学籍数据等，但并不能涵盖学校管理的每个方面。

    ● 人工智能技术突破智慧校园建设的难点

    1.促进个性化教学

    人工智能将会突破传统校园单一的学习空间和场景，为智慧校园建设创造出全新的学习空间，做到校园内师生学习泛在化。智能化设备是移动学习、虚拟学习等新型学习方式的重要工具。人工智能技术能够识别学生的行为和情感状态，自动做出反馈，并将数据反馈给教师，帮助学生在学习中保持积极的情绪，提高学生的专注力。丰富的学习资源和新颖的形式都能激发学生的学习兴趣，从而激发其学习潜能，提高学习效率。[11]适应性学习支持系统能够根据学生的不同特点，为其制订相应的教学计划，为学生推送符合其认知水平和兴趣的学习资源，设计符合最近发展区的最佳学习路径，由此达到学习的个性化。[12]

    2.构建智慧学习环境

    智慧学习环境是一个能够帮助学生有效进行资源获取和交互活动、记录学习过程、评测学习成果、提升自身综合素质的空间，其搭建依赖于智能技术和必要的设施设备。近几年来，我国各地的学校纷纷加快了智慧学习环境建设，逐步取得了显著的成绩，智能校园门禁、资源的云端共享、移动终端支持的自主学习等应用正在普及。智慧学习环境能够帮助师生高效利用碎片时间，提升工作和学习效率。

    3.加强智慧校园数据中心建设

    通过学习软件、智能手环、校园一卡通、信息系统、智慧教室、智慧图书馆等，可以获得师生在校园中活动产生的数据。运用分析技术深刻剖析这些数据，可以得出对学生学习成绩影响因素的客观分析，从而为每个学生“量身定制”个性化的学习方案。充分运用人工智能技术将教育数据可视化，可以监测每个学生的成长过程，对其学习成绩、学习风格、生活习惯等进行分析，探寻教育中常规问题的最佳解决方案。因此，人工智能技术在智慧校园数据中心建设及应用中不可或缺。

    4.实现高效精准管理模式

    人工智能技术减轻了各级教育部门和学校管理工作的负担，提高了管理效率，实现了高效精准管理。例如，人工智能技术支持的图书管管理，增强了图书借阅管理的便捷性，不仅调动了师生的阅读积极性，还能减少劳动力的投入。为了适应当下快步伐的学习节奏，师生还可以通过“移动图书馆”这一软件进行线上阅读等。智能技术的加入使得传统的图书馆管理模式便捷化、个性化，适应了当下线上阅读的潮流。在硬件设施管理方面，人工智能技术简化了管理人员的工作。例如，教室管理系统的功能不仅包括智能调控教学环境和教学媒体，还包含了教室课程的自动最优化分配、自助借用等功能，实现对师生的智慧管理服务。

    ● 小结

    人工智能时代已经来临，智慧校园建设中存在的一些问题也亟待解决，人工智能技术与教育的融合能够给智慧校园建设提供新的发展思路，这也是人工智能与教育深度融合的价值体现。借助新一代人工智能技术，可以让大数据、云计算等充分参与到新型智慧校园的建设中，实现智慧校园设备智能化、应用多元化、人机协同化，从而实现个性化教学，构建智慧学习环境、建设校园数据中心，建立创新高效管理模式，利用技术改革教育，发展教育。

    参考文献：

    [1][2]高文.解读新一代人工智能发展[J].软件和集成电路，2018（11）：10-11.

    [3]黄荣怀.人工智能在教育有多少潜能可挖[N].中国教育报，2018-01-28.

    [4]靳芳.人工智能领域关键技术的发展[J].人工智能，2019（22）：246-248.

    [5]陈全，邓倩妮.云计算及其关键技术[J].计算机应用，2009，29（09）.

    [6]祝智庭，彭红超，雷云鹤.智能教育：智慧教育的实践路径[J].开放教育研究，2018（04）：13-24.

    [7]梁迎丽，刘陈.人工智能教育应用的现状分析、典型特征与发展趋势[J].中国电化教育，2018，374（03）：24-30.

    [8]黄荣怀，张慧，尹露雨.人工智能促教育2030议程实现[N].中国教育报，2019-05-20.

    [9]刘德建，杜静，姜男，等.人工智能融入学校教育的发展趋势[J].开放教育研究，2019（04）：33-42.

    [10]于长虹，王运武，马武.智慧校园建设的现状、问题与对策[J].教学与管理：理论版，2015（02）：48-51.

    [11]王运武，张尧，彭梓涵，等.教育人工智能：让未来的教育真正拥有“智慧”[J].中国医学教育技术，2018（02）：117-125.

    [12]姜强，赵蔚.自适应学习系统述评及其优化机制研究[J].现代远距离教育，2011（06）：57-63.

    基金项目：本文为2018年度江苏省现代教育技术研究重点课题“智慧校园与智慧学习环境建设研究”（项目编号：2018-R-60658）;2018年度江苏省大学生创新创业省级重点（自筹）课题“江苏省智慧校园建设现状、问题及对策研究”（项目编号：201810320080Z）的阶段性研究成果。