随著(zhe)人工智能(néng)技術的快速發(fā)展,人工智能(néng)與教育的關系日益成(chéng)爲國(guó)際領域關注的熱點,我國(guó)也開(kāi)始逐步關注并推動教育人工智能(néng)發(fā)展。2018年,教育部頒發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》,強調關注智能(néng)化教學(xué)環境的建設[1]。同年,國(guó)内第一本關于人工智能(néng)技術的高中教材——《人工智能(néng)基礎(高中版)》在滬發(fā)布,标志著(zhe)人工智能(néng)在中小學(xué)教育中的應用進(jìn)入一個嶄新階段[2]。綜合來看,“智能(néng)技術進(jìn)校園”已成(chéng)爲我國(guó)教育技術發(fā)展的重點。機器學(xué)習、自然語言處理、虛拟與增強現實、情感計算等智能(néng)技術的不斷完善,爲師生等教育用戶在情境感知、服務體驗、人機互動等方面(miàn)的個性化與智能(néng)化發(fā)展提供了新的技術支持,也由此湧現出了校園計算智能(néng)、情感智能(néng)等多種(zhǒng)校園智能(néng)形态。在智能(néng)時(shí)代,基于人工智能(néng)的智慧校園成(chéng)爲了技術變革背景下新的智慧校園形态。但是,當前針對(duì)“基于人工智能(néng)的智慧校園”的研究仍處于起(qǐ)步階段,有關“基于人工智能(néng)的智慧校園”的結構與實現路徑等方面(miàn)的探索相對(duì)較少。因此,本研究嘗試以智能(néng)時(shí)代作爲智慧校園變革背景,思考何爲“基于人工智能(néng)的智慧校園”,并對(duì)其結構體系與實現路徑進(jìn)行深度解析,以期爲智能(néng)技術與智慧校園的深度融合提供參考。
一 人工智能(néng)時(shí)代:智慧校園變革的新背景
人工智能(néng)時(shí)代是對(duì)當前信息技術新時(shí)代的一種(zhǒng)泛稱,是人工智能(néng)技術與其它類型技術深度融合的時(shí)代。在智慧校園變革不斷升溫的背景下,厘清相關智能(néng)技術的價值内涵,深度認識智能(néng)技術的賦能(néng)方式,是運用人工智能(néng)技術推進(jìn)智慧校園建設的關鍵需求。其中,機器學(xué)習、自然語言處理、虛拟與增強現實、情感計算是衆多學(xué)者較爲關注的核心智能(néng)技術。
1 機器學(xué)習:助力個性化學(xué)習的精準實現
機器學(xué)習(Machine Learning)既是人工智能(néng)領域的關鍵技術之一,也是一門研究怎樣使用計算機模拟或實現人類學(xué)習活動的科學(xué)。機器學(xué)習可借助資料數據與經(jīng)驗、軟件或機器程序的性能(néng),實現辨識、預測、發(fā)現等功能(néng)[3]。機器學(xué)習賦能(néng)個性化學(xué)習的過(guò)程,是利用機器的自動學(xué)習能(néng)力不斷攝取經(jīng)驗并進(jìn)一步優化學(xué)習模型的良性循環過(guò)程。例如,機器學(xué)習可使用回歸算法,對(duì)學(xué)生的平時(shí)學(xué)習表現數據與以往考試成(chéng)績變化軌迹進(jìn)行分析,預測學(xué)生未來的考試結果,從而實現學(xué)習資源的個性化推送。機器學(xué)習的最大優勢,是具有不斷學(xué)習并完善自身的獨特智能(néng),能(néng)通過(guò)對(duì)智慧校園中的大量曆史數據與經(jīng)驗進(jìn)行自動化處理,從中挖掘并解析教育規律,借助基于海量數據與經(jīng)驗的個性化教育服務模型,搜尋并辨識學(xué)生過(guò)去的學(xué)習軌迹、知識學(xué)習取向(xiàng)、學(xué)習行爲偏好(hǎo),從已知推未知,精準預測學(xué)生未來的學(xué)習結果,及時(shí)采取個性化幹預措施,爲個性化學(xué)習的實現提供決策支持。
2 自然語言處理:實現智能(néng)化的人機互動及信息反饋
自然語言處理(Natural Language Processing,NLP)研究實現人與計算機之間用自然語言進(jìn)行有效通信的各種(zhǒng)理論和方法,是結合計算機科學(xué)與語言的人工智能(néng)子領域[4]。自然語言處理在一定程度上突破了以往教學(xué)互動與反饋時(shí)信息傳輸的局限,成(chéng)爲了人與計算機之間的溝通橋梁,有助于進(jìn)行智能(néng)化的人機互動與信息反饋。例如,在英文寫作教學(xué)中,自然語言處理能(néng)夠對(duì)學(xué)生作文的單詞拼寫、語法結構進(jìn)行基于機器的自動評判、賦分和修改;在英文口語訓練中,機器人自然語言界面(miàn)的智能(néng)問答系統能(néng)夠實現智能(néng)化的人機互動、語言交流與知識傳授。綜上所述,自然語言處理可通過(guò)語言智能(néng)處理與回應,爲學(xué)生提供可以自由嘗試錯誤的學(xué)習情境和信息反饋渠道(dào),有利于學(xué)生學(xué)習路徑和教師教學(xué)決策的及時(shí)調整。
3 虛拟與增強現實:推動教育空間的沉浸化轉型
虛拟與增強現實(Virtual and Augmented Reality)是指讓使用者沉浸在電腦所産生的拟真環境中進(jìn)行互動的人機界面(miàn)[5]。以往的教育空間較爲固化,學(xué)生的學(xué)習場所基本固定在校内,而虛拟與增強現實技術能(néng)夠爲此種(zhǒng)固化教育空間的轉型帶來契機。例如,在小學(xué)課堂,由于學(xué)生的邏輯運算能(néng)力尚未成(chéng)熟,故大量教學(xué)内容難以依靠生硬的教材與講授幫助學(xué)生内化,而利用虛拟與增強現實技術可爲學(xué)生創造安全風險大大降低的沉浸式感知情境,使學(xué)生足不出戶就(jiù)能(néng)在校園中利用頭戴設備遨遊熱帶雨林、極地、博物館等。可以說(shuō),虛拟與增強現實爲師生的沉浸式體驗提供了基本的情境支持,并突破了以往物理教育環境的空間局限,可助力師生交互場景的智能(néng)延伸與拓展,而這(zhè)也正是智慧教育空間邁向(xiàng)“沉浸化”的重要體現。
4 情感計算:助力校園人機環境的情感感知
情感計算(Affective Computing)涉及建立情緒模組、辨識用戶情感特點、實現機器人情緒表達等關鍵技術[6]。以往的信息技術很難觸動個體的情感智能(néng),而情感計算的出現爲校園人機環境的情感感知提供了更多可能(néng)。在智慧教學(xué)環境方面(miàn),由于個體面(miàn)部表情可透露個人的心理狀态,因此可以利用情感計算技術辨識學(xué)生的學(xué)習情緒、偵測學(xué)生出現的負向(xiàng)學(xué)習情緒(如困惑、絕望等),并施以某些幹預活動(如教學(xué)策略的改變、情緒激勵),進(jìn)而促使學(xué)生將(jiāng)負向(xiàng)學(xué)習情緒轉變爲正向(xiàng)學(xué)習情緒(如有趣、快樂等)。在校園安全環境方面(miàn),校園智能(néng)終端的解鎖、校外人員的校内行動軌迹均可通過(guò)面(miàn)部識别、姿态分析等情感計算技術予以精細化管控,這(zhè)也爲校園安全環境的創設提供了技術保障。
二 “基于人工智能(néng)的智慧校園”的提出
在我國(guó),衆多高校和中小學(xué)積極籌劃、開(kāi)展智慧校園建設肇始于2010年以後(hòu)。傳統的智慧校園雖然已經(jīng)實現了現代信息技術、校園建設的深度整合與集成(chéng),但從本質上來講并未完全超越數字校園階段,傳統智慧校園建設的智慧化水平亟待提升。
随著(zhe)人工智能(néng)技術的發(fā)展,超強網絡和大規模智能(néng)設備的運用將(jiāng)有助于實現萬物互聯;以增強現實、情感計算爲代表的新智能(néng)技術,將(jiāng)促進(jìn)虛拟世界與真實世界的融合;情境感知與自适應學(xué)習系統的開(kāi)發(fā),則有利于師生智能(néng)感知周邊教學(xué)信息及環境。在人工智能(néng)時(shí)代,人對(duì)技術的“絕對(duì)”優勢逐漸轉爲“相對(duì)”,人工智能(néng)的“類人”特性得以凸顯,智慧校園面(miàn)臨新的變革機遇,“基于人工智能(néng)的智慧校園”可被視爲智慧校園的智能(néng)升級。
究竟何爲“基于人工智能(néng)的智慧校園”?簡言之,“基于人工智能(néng)的智慧校園”不再是物聯網、移動互聯等各種(zhǒng)現代信息技術機械式的堆砌組合,而是一種(zhǒng)以人工智能(néng)技術爲支撐的人本化、個性化的高階智慧校園形态。可以說(shuō),基于人工智能(néng)的智慧校園真正诠釋了“智慧”一詞的關鍵内涵,并已具備基于教育證據的問題解決能(néng)力和教育決策能(néng)力,也具有基于用戶個性化需求滿足的自适應服務能(néng)力。基于人工智能(néng)的智慧校園打破了數字化智慧校園的結構體系,也爲智慧校園的智能(néng)升級提供了技術支持,有利于促進(jìn)學(xué)校的教學(xué)、管理等工作從“智慧化”邁向(xiàng)“智能(néng)化”。
①對(duì)于學(xué)生而言,智能(néng)技術以智能(néng)終端和智能(néng)傳感設備爲媒介,不僅能(néng)根據學(xué)生對(duì)教師性格、年齡、教學(xué)風格的需求,爲學(xué)生配備個性化的人工智能(néng)“老師”;而且能(néng)智能(néng)感知并動态捕捉學(xué)生的疲勞程度、心理狀态、情緒體驗等,據此爲學(xué)生推薦個性化的學(xué)習資源和學(xué)習計劃,并借助自适應評估技術提升學(xué)生的學(xué)習成(chéng)效,爲學(xué)生自定步調式的學(xué)習創造了便利條件。
②對(duì)于教師而言,智能(néng)技術可基于教育大數據的精準采集,分析學(xué)習數據異常值,并通過(guò)AI算法爲教師提供不同層級的解決方案;同時(shí),可以精準診斷教學(xué)的薄弱點與難點,爲優化教學(xué)提供抓手。此外,人工智能(néng)系統能(néng)夠自動監測、評估、記錄學(xué)生的表現數據,智能(néng)機器人也可以擔任課堂助教,這(zhè)有效減輕了教師的行政與教學(xué)負擔,讓教師得以將(jiāng)更多的時(shí)間和精力放在學(xué)生的個性化發(fā)展上。
③對(duì)于教育管理者而言,智慧校園管理平台及其計算系統可以對(duì)教師、學(xué)生的教學(xué)活動狀态進(jìn)行情感計算與智能(néng)辨識,在任何時(shí)間、任何場所爲師生提供教學(xué)、生活等方面(miàn)的智能(néng)化定制服務,不僅有利于優化智慧校園管理人員的信息溝通機制,而且有利于實現精準化教育決策并提供人本化教育服務。
三 “基于人工智能(néng)的智慧校園”的架構設計
通過(guò)文獻梳理與分析,本研究發(fā)現目前較多學(xué)者利用分類原則對(duì)智慧校園進(jìn)行頂層設計。例如,宗平等[7]從自上而下的角度,將(jiāng)智慧校園體系劃分爲信息标準體系、安全維護體系、數據融合、服務融合等模塊。事(shì)實上,智慧校園不僅可從縱向(xiàng)層面(miàn)進(jìn)行層次劃分,而且可從橫向(xiàng)層面(miàn)進(jìn)行結構體系分類。爲了系統地審視智慧校園不同組成(chéng)部分的功能(néng),本研究嘗試從橫向(xiàng)分類的角度對(duì)智慧校園進(jìn)行劃分,同時(shí)參照江蘇[8]、浙江[9]等地的智慧校園建設方案和相關學(xué)者設計的智慧校園層次架構,將(jiāng)“基于人工智能(néng)的智慧校園”的架構分爲感知通訊體系、信息處理體系、應用服務體系、技術安防及規範體系,具體如圖1所示。
1 感知通訊體系:促進(jìn)環境感知即時(shí)全面(miàn)
感知通訊體系可爲智慧校園的運行與發(fā)展提供基礎設施保障。對(duì)于“基于人工智能(néng)的智慧校園”而言,感知通訊體系應包括校園智能(néng)教學(xué)設施、雲端資料庫與服務器、智能(néng)通訊設施(如5G網絡)、智能(néng)傳感設備、人臉及圖像識别裝置等。智能(néng)時(shí)代智慧校園的感知通訊體系建設應注重智能(néng)終端與設備的統一鋪設,需緻力于加強5G網絡建設及智能(néng)傳感信息傳遞,打造高速、泛在、智能(néng)、即時(shí)感知的校園服務網絡,及時(shí)獲取師生表情、動作、話語等方面(miàn)的傳感信息,以幫助師生個性化獲取教育資源及相關服務,并基于智能(néng)互聯型的高速校園網,保障教育信息的高速流動與定向(xiàng)輸送;也可基于人臉識别、智能(néng)預警等技術,構建靈活的校園安全防護體系。
圖1 “基于人工智能(néng)的智慧校園”的架構設計
2 信息處理體系:注重海量數據存儲及智能(néng)分析
“基于人工智能(néng)的智慧校園”的信息處理體系可爲智能(néng)時(shí)代智慧校園各類教育應用服務提供數據支撐,可分爲資料交換、資料處理、資料服務和統一界面(miàn)等功能(néng)單元。人工智能(néng)技術的應用,使智慧校園中的海量數據能(néng)夠被深度挖掘、存儲并進(jìn)行智能(néng)分析。信息處理體系的建設可依據機器學(xué)習、數據建模技術、智能(néng)信息采集等AI新技術,增強海量數據智能(néng)存儲與分析的功能(néng),對(duì)學(xué)校管理、課程教學(xué)等方面(miàn)産生的諸多教育信息進(jìn)行篩選、處理與存儲,爲智慧教育管理、智能(néng)教育服務提供決策與信息支持,并通過(guò)數據挖掘技術對(duì)海量信息進(jìn)行智能(néng)文本分類,以實現對(duì)教育信息特征與規律的智能(néng)分析、智能(néng)歸納、智能(néng)預測。
3 應用服務體系:關注智能(néng)教育服務的功能(néng)融合
應用服務體系是智能(néng)時(shí)代智慧校園應用服務的集合,涉及教學(xué)、學(xué)習、行政、管理和生活等方面(miàn)的應用服務。應用終端是接入存取的信息門戶,用戶可以通過(guò)智能(néng)終端、移動終端系統接入應用系統,以獲取數字資源和相關服務。人工智能(néng)爲智慧服務的升級與拓展提供了更多可能(néng),語音辨識服務、圖像辨識服務、人臉識别服務、智能(néng)感知服務等的應用在一定程度上推動了學(xué)校智能(néng)教育的發(fā)展,人工智能(néng)教室、虛拟學(xué)伴等人工智能(néng)技術賦能(néng)智慧校園的個性化教育服務産品則爲智能(néng)教育服務注入了生命力。在人工智能(néng)時(shí)代,智慧校園應用服務體系建設應著(zhe)力于采用開(kāi)放、整合、協同的信息化架構,實現不同業務應用的智能(néng)融合;同時(shí),應著(zhe)力于打破校園服務範圍的局限性,借助自然語言處理、VR、AR等新技術,助力智能(néng)化的人機互動,推動教育空間的沉浸化轉型,實現應用服務内容的智能(néng)擴展。
4 技術安防及規範體系:側重智能(néng)技術算法及倫理規範
技術安防及規範體系涉及信息安全、隐私防護、技術倫理等方面(miàn)的标準和規範。人工智能(néng)的開(kāi)發(fā)可能(néng)會(huì)因爲在倫理道(dào)德方面(miàn)考慮不足,而出現人工智能(néng)傷害用戶的現象;也可能(néng)會(huì)因爲數據隐私缺乏安全保護,而導緻用戶隐私信息暴露、用戶盜取他人信息、公共安全危機等問題。在人工智能(néng)時(shí)代,智慧校園的技術安防及規範體系建設需側重算法和倫理規範,開(kāi)發(fā)基于雲計算的惡意程序代碼入侵防控算法及其檢測模型,确保智能(néng)技術、大數據等技術手段不會(huì)侵犯學(xué)校師生的個人隐私,保障技術的教育應用不損害教育公共利益。此外,智慧校園治理主體應明晰基于人工智能(néng)的個性化教育服務背後(hòu)所蘊含的數據治理邏輯,助力其有效駕馭人工智能(néng)技術,而不是被人工智能(néng)技術所禁锢;尤其應關注在人工智能(néng)技術應用過(guò)程中倫理問題的發(fā)掘、反饋與消解,确保智能(néng)技術能(néng)被學(xué)校組織成(chéng)員規範地使用。
四 “基于人工智能(néng)的智慧校園”的實現路徑
基于前文所提出的“基于人工智能(néng)的智慧校園”架構,本研究認爲“基于人工智能(néng)的智慧校園”建設需關注感知通訊、信息處理、應用服務、技術安防及規範等體系的建設。據此,本研究提出“基于人工智能(néng)的智慧校園”的實現路徑,具體包括:
1 創建需求本位的智能(néng)教育感知空間
感知通訊體系是“基于人工智能(néng)的智慧校園”建設的基礎層。人工智能(néng)在多大程度上能(néng)夠改善教育生态,取決于它能(néng)否及時(shí)适應不斷變化的師生個性化教育需求。因此,創建需求本位的智能(néng)教育感知空間應成(chéng)爲“基于人工智能(néng)的智慧校園”關注的基本點:①在物理空間層面(miàn),可利用情感計算、人臉識别、智能(néng)傳感等方面(miàn)的技術及其相關設備,對(duì)校園内教室及實驗室的溫度、濕度等物理參數予以實時(shí)監測,根據學(xué)生學(xué)習舒适度的變化情況,智能(néng)調節取暖、通風、照明等配套系統,營造舒适度極佳的學(xué)習環境。②在虛拟空間方面(miàn),應創設智能(néng)互聯的虛拟學(xué)習社區,利用大數據技術爲學(xué)生推送個性化學(xué)習資源,促進(jìn)學(xué)生的跨校在線互動,并基于虛拟與增強現實、情境感知等技術,動态捕捉、及時(shí)追蹤、可視化呈現學(xué)生的學(xué)習畫像,爲學(xué)生提供量身定制的有效學(xué)習路徑。
2 推進(jìn)人工智能(néng)時(shí)代師生信息素養培育
信息處理體系是“基于人工智能(néng)的智慧校園”建設的數據支撐層。信息處理體系的建設要求校園主體(即師生)具備一定的信息素養:①提升計算思維。計算思維是數理思維的高級形态,體現了較爲精細的問題分析、系統設計的思維能(néng)力。具體來說(shuō),學(xué)校可通過(guò)STEM項目實踐、校内外知覺學(xué)習體驗等方式,提升師生對(duì)信息的抽象和分解能(néng)力,助力師生有效利用智能(néng)技術進(jìn)行數據的獲取與呈現、解決複雜的教育教學(xué)問題。②關注師生數據意識與數據敏感性的培育。數據意識是智能(néng)時(shí)代師生數據素養的核心體現。在智能(néng)時(shí)代,學(xué)校可開(kāi)設智能(néng)傳感信息處理、數據挖掘與知識發(fā)現等信息處理方面(miàn)的技術課程,也可基于問題情境增強人機協同方面(miàn)的教育數據服務體驗,引導師生有效利用數據形成(chéng)問題解決方案,并對(duì)數據來源、數據采集與數據可視化呈現持批判性采納的态度,以更好(hǎo)地理解、選擇與使用數據。
3 構建智能(néng)化數字資源服務體系
應用服務體系是“基于人工智能(néng)的智慧校園”建設的核心層。在人工智能(néng)時(shí)代,數字資源服務體系的構建是校園應用服務功能(néng)發(fā)揮的關鍵支撐:①在數據資源生成(chéng)方面(miàn),學(xué)校應建設專門的大數據存儲平台,可基于大數據分析、機器學(xué)習、雲計算等技術,對(duì)教育數據的質量予以嚴格把關,推進(jìn)教育數據的大規模采集與智能(néng)分類存儲,構建高質量的教育大數據資源庫,推進(jìn)基于大數據的教育決策與管理。②在教學(xué)資源共建共享層面(miàn),學(xué)校應著(zhe)重建立跨域智能(néng)互聯型的網絡教學(xué)資源管理平台(内容涉及微課資源庫、學(xué)科備課工具庫、圖書文獻檢索庫等),及時(shí)開(kāi)展對(duì)師生資源需求、資源使用行爲等方面(miàn)的智能(néng)監測與評估,并基于師生需求的變化規律,實現資源的定制化流動和數字教學(xué)資源使用的智能(néng)反饋。
4 優化教育人工智能(néng)算法和倫理監管制度
技術安防及規範體系是“基于人工智能(néng)的智慧校園”建設的保障層。智能(néng)技術的算法存在一定的局限性與倫理困境,因此有必要優化教育人工智能(néng)算法和倫理監管制度,以有效構建技術安防及規範體系:①構建智能(néng)教育發(fā)展的決議與倫理監管制度。學(xué)校應與技術供應商、師生共組共建智能(néng)教育治理小組,共同商讨“人工智能(néng)進(jìn)校園”的具體方案,消解數據洩露、隐私侵犯等方面(miàn)的倫理問題,避免智能(néng)技術損害教育公共利益。②構建人工智能(néng)算法風險預警及其防範機制。教育人工智能(néng)面(miàn)臨算法偏差、算法陷阱、算法缺陷等問題,導緻出現了教育資源廣告頻繁出現、同類教育資源不間斷推送等現象,給學(xué)生帶來了一種(zhǒng)資源獲取的束縛感。爲此,學(xué)校應與技術開(kāi)發(fā)商、第三方教育評價機構攜手共建人工智能(néng)算法改進(jìn)與風險預警機制,并制訂教育人工智能(néng)算法安全防範協議,以保障用戶數據與信息的隐私安全,确保數據的采集與使用符合倫理規範。
五 結語
本研究提出的“基于人工智能(néng)的智慧校園”構想,是對(duì)人工智能(néng)賦能(néng)智慧校園建設的理論性回應。“基于人工智能(néng)的智慧校園”是智慧校園的智能(néng)升級,在一定程度上體現了人與技術關系的進(jìn)階。在人工智能(néng)時(shí)代,智慧校園建設絕不可忽視人與技術的和諧相處,并且需要明确“人”是“基于人工智能(néng)的智慧校園”的建設核心。盡管“基于人工智能(néng)的智慧校園”爲學(xué)校教育發(fā)展提供了新的環境,但在人工智能(néng)賦能(néng)智慧校園的過(guò)程中所出現的技術倫理失範、數據洩露、盲目跟風等現實問題也亟待引起(qǐ)重視。在建設“基于人工智能(néng)的智慧校園”時(shí),教育工作者應看到人工智能(néng)的技術優勢與不足,确保人工智能(néng)教育應用的目的符合公共利益。在未來教育教學(xué)的過(guò)程中,如何促使“基于人工智能(néng)的智慧校園”建設兼具技術效能(néng)與人文關懷并推動“基于人工智能(néng)的智慧校園”真正落地,值得衆多教育工作者關注與探索。
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