人工智能技术在基础教育的应用 本文关键词：人工智能，基础教育，技术
人工智能技术在基础教育的应用 本文简介：摘要：为提高我国未来人才竞争力，需从基础教育阶段培养学生人工智能技术素养。通过解读2013到2019年《地平线报告（基础教育版）》，分析人工智能相关问题和发展趋势，提出与人工智能相结合的教学方式及教师和学生培养方向，以期加强人工智能技术在基础教育中的应用深度。关键词：人工智能；基础教育；《地平线报告
人工智能技术在基础教育的应用 本文内容：
摘要：为提高我国未来人才竞争力，需从基础教育阶段培养学生人工智能技术素养。通过解读2013到2019年《地平线报告（基础教育版）》，分析人工智能相关问题和发展趋势，提出与人工智能相结合的教学方式及教师和学生培养方向，以期加强人工智能技术在基础教育中的应用深度。
关键词：人工智能；基础教育；《地平线报告》；应用研究
从1956年人工智能学科被正式提出以来，人工智能（ArtificialIntelligence，AI）至今已有60多年的历史，作为计算机科学分支，人工智能是研究人员和学者十分关注的前沿学科。人工智能研究成果包含图像识别、语言处理、情景感知、专家系统等多个方面［1］。随着信息社会的进步与发展，人工智能在日常生活中发挥着越来越重要的作用，只有充分利用技术才能在未来信息社会占据更大优势。我国从基础阶段培养信息社会人才，致力于将学生培养成为未来发展的中坚力量。本文结合《地平线报告（基础教育版）》，分析人工智能技术在基础教育中教与学的方式，以期提升我国教育竞争力。自2004年开始，新媒体联盟（NewMediaConsortium，NMC）一直致力于文化教育等方面的发展趋势评估，报告从关键趋势、重要挑战以及关键技术三大方面进行阐述［2］，旨在判断影响全球教育的新兴技术发展趋势及对各级各类教育机构在教学方面的影响，并做出相应规划。面对人工智能带来的挑战和机遇，如何在教育中应用人工智能已引起密切关注。美国是信息技术起步比较早的国家，对中小学的教育给予了极大重视［3］。2018年秋季开始，美国匹兹堡蒙托学区推出一个新的人工智能项目，使学生能够更好地体验人工智能。部分中学也开设了人工智能课程，如佛吉尼亚州的一所县公立中学开设了人工智能课程，但考虑到课程难度，只作为选修课对部分学生开设。2005年英国苏格兰中学将人工智能作为选修模块，目的是培养学生对知识分类、知识搜索方法以及专家系统等知识的理解和掌握［4］。我国也在2018年与2019年先后出台了人工智能高中版与初中版教材，着眼于培养具有科学精神的新时代学生［5］。国外人工智能研究主要以学生为中心，以学习者学习行为为主要方向，且校间合作、校企合作较为常见。我国还是以教学设计为原则，研究怎样将人工智能与教育进行深度融合［6］。本文基于《地平线报告》中人工智能技术的分析，并与我国当前基础教育相结合，在应用技术与培养方面提出建议，将报告中提及的挑战与技术进行深层次的应用分析，以增强我国人工智能教育完整性，提升学生素质。
1《地平线报告》研究
1.1研究方法与步骤
本研究采用系统和定量的内容分析法，对基础教育版《地平线报告（2013-2017）》中预测的关键趋势、重要技术以及重大挑战进行客观系统的分析。内容分析法具有系统性、客观性和定量性3个特征，本文在熟悉相关文献的基础上进行分析，进行层层推理。本文研究步骤包括：（1）选择研究样本。《地平线报告》包括基础教育版和高等教育版两个版本，自出版以来已成为国际教育信息化发展风向标，我国自2011年起就对《地平线报告》进行学习研究，引起了我国教育界广泛关注。由于2018年的《地平线报告（基础教育版）》并未如期出版，本文选择新媒体联盟从2013年到2017年连续发布的5期报告作为样本，并结合2019年美国学校网络联合会（ConsortiumforSchoolNetworking，CoSN）出版的《基础教育创新驱动力报告》，这是继承《地平线报告（基础教育版）》理念与方法发布的最新版本报告，该报告分为3个专题，分别为趋势篇、挑战篇和技术驱动篇［7］。（2）确定分析单元。每年的报告均包括关键趋势、重要挑战及关键技术3个主要单元，且每单元内容数目固定，将报告中每个单元涉及的6个关键趋势、6项不同阶段的挑战、6个技术按时间段进行分类。（3）归纳分析单元。在认真阅读报告的基础上，总结每年报告中的关键技术、重要挑战与重要趋势，结合上一步骤确定的单元，将内容归纳整理到表格中。
1.2关键技术进展
通过对2013年到2017年《地平线报告（基础教育版）》和2019年《基础教育创新驱动力报告（趋势篇）》的关键趋势进行整理，获得6年间的关键趋势，如表1所示。2013年-2017年的关键趋势是按照远期、中期和近期的方式进行划分的，2019年的关键趋势并未按照远期、中期和近期的方式划分，而是将总体创新趋势的前5名排列出来。从表中可看出，近几年的关键趋势如学习创造者、STEAM学习、个性化发展等多以学生为中心［8］，但对于教育者而言，学习者（即创造者）个性化发展等趋势也可为教育者带来发展机遇，教育者可以以这些反映未来社会发展的趋势为出发点对教育教学进行讨论和应用。通过对2013年到2017年《地平线报告（基础教育版）》和2019年《基础教育创新驱动力报告（挑战篇）》［9］的整理，获得6年间的挑战和技术方面的纵向对比。6年间的重要挑战对比如表2所示。2013年-2017年的挑战是按照可应对的挑战、有难度的挑战和严峻的挑战3个维度进行划分的，2019年给予挑战难易度系数，可以更加明显地看出各类挑战的难度。2019年的挑战虽然在表述方式上有所差别，但总体内涵相似，教师专业发展与教师教育［10］、推动正规教育与时俱进、数字化公平、推广教学创新和领导变革持续创新分别对应的新表述如表3所示。2019年《基础教育创新驱动力报告（技术驱动篇）》尚未出版。2013到2017年5年间《地平线报告（基础教育版）》的技术进展对比如表4所示。从表中可以发现，未来几年的技术方向在人工智能方面占据很大的比例［11］，如3D打印、可穿戴技术、2017年的分析技术、虚拟现实、物联网等技术均与人工智能有关［12］。
2《地平线报告》的启示与作用
“人工智能”从字面表述来看可以分为“人工”和“智能”两部分，“人工”按字面意思可以理解为人类能制造的；“智能”有多方面的含义，包括意识、思维等。高等教育领域采用的热点技术多为移动学习，包括移动学习平台管理、与课堂的融合等［13］，但对于基础教育的学生而言，由于基础教育阶段的学生自控能力还不完善，在课堂中使用移动设备进行学习存在一定的不可实现性。基于此，本文通过分析发现，可以从教育方式、人工智能技术应用、学生与教师培养等3个方面对我国基础教育阶段中的教学进行改善。
2.1教育方式与人工智能技术的应用
2.1.1地平线报告中的教育方式根据表2提到的种种挑战，我国基础教育应采取正式学习与非正式学习相融合的模式，并在扩大与保持学生创新思维与创新性的同时，让学生了解数字公平。（1）正式学习与非正式学习相融合的教学模式。正式学习主要指在学校经历的学历教育和参加工作后的继续教育；非正式学习指在非正式的时间和地点发生的，通过非教学性质的社会交往传递和渗透知识，由学习者自我发起、自我调控、自我负责地学习。可以通过翻转课堂等方式将两种学习方式相融合，让学生在正式学习场所学到的知识在非正式学习场所中得到巩固和提升，目前面对基础教育阶段的许多研究仍处于教师层次，但也有少部分面向学生的研究，说明教学模式具有可行性。两种教学模式相结合不但可以改善传统课堂高付出、低效率的问题，而且可以增强学生对学习的兴趣，加快学习速度。（2）扩大与保持创新的同时推进数字公平。2019年《基础教育创新驱动力报告（挑战篇）》中扩大与保持创新这一挑战的难度系数最高，将技术迁移到跨学区及大环境中的挑战，需要学校灵活组织、改善并提升策略和思维方式，提升学生创新能力，促进创新。澳大利亚将学生的好奇心放在首位，通过科学课程激发学生好奇心，以悦趣化的方式帮助学生理解计算机科学世界［14］。学生只有在不断接触新事物的过程中才会产生天马行空的问题和想法，推进数字公平，让学生更广泛地接触到新事物与新知识，以学生为精神，让学生自行解决问题，提升在真实世界动手操作能力和创新意识，更好地迎接未来社会发展带来的挑战。2.1.2人工智能技术在探究人工智能的同时应该回归到教育本身，强调做好技术与教育的融合研究。为使人工智能与教育更好地契合，可以在学校教学中让学生接触易于理解的人工智能技术，如3D打印、虚拟现实、自适应学习等技术均可运用到实践教学中。虽然3D打印仅在2013年和2015年提到，但自2014年在报告中提出3D打印以来，国际上有多个国家，如美国、英国等国家已将3D打印作为STEM教育中的一项学习内容融合在信息技术课程中进行学习，我国目前也有很多学校将3D打印作为信息课程教学的一个重要内容，或作为校本课程开设。在教学中使用3D打印技术，让学生以发明者、创造者的身份亲自动手操作将作品打印出来，既能够激发学生的学习兴趣，还能够培养学生动手能力和创新能力。虚拟现实（VirtualReality，VR）在2016、2017年被连续提到，与虚拟现实技术相关的还有增强现实（AugmentedReality，AR）和混合现实（AugmentedReality，MR）。虚拟现实指在计算机生成的环境中，学生能够身临其境地观察学习；增强现实除了虚拟世界外还能看到真实世界，真实感更强，让学生产生学习兴趣。浙江大学计算机科学与技术学院对于增强现实在教学活动中的应用进行了研究，将增强现实技术加入到信息技术课堂教学中。学生作为知识的主动探求者，在增强现实技术下进行参与、交互、传递、反馈、发现、强化［15］。通过结合增强现实技术增加学生对信息技术的现实感知能力，让学生直观观察从书本上难以理解的现象，提升学生数字化学习意识。自适应学习在2015年被认为是2-3年内具有发展潜力的技术，越来越多的学校和教育机构开始关注如何建设与应用自适应学习工具，自适应学习工具不仅促进学生的学习，还可减轻教师负担、辅助教师了解学生。如美国的LearnBop工具，致力于分解数学知识，让学生逐步学习并独立解决问题；CK-12也是自适应评估系统，涵盖多门学科，不仅可根据学生对知识的掌握程度设置题目，还能为学生提供形成性诊断报告，针对学生学习情况做出详细的记录［16］。多个国家正积极开展自适应研究，我国近十年来自适应学习系统取得了显著成果，但也存在诸多瓶颈问题，还需及时调整，利用技术检测每位学生的知识空白点，帮助学生更快更方便地学习知识。
2.2教师与学生的培养方向
（1）培养教师角色与教师专业素养。在基础教育中进行人工智能技术应用的过程中，教师不再是教育教学中的主导者，而应作为引导者帮助学生进行学习，这要求教师具有更加专业的素养。2019年教育部发布能力提升工程，目的在于着力推动全国中小学教师（含幼儿园、普通中小学、中等职业学校）提升信息技术应用能力［17］。教师是学生学习的引路人，教师文化素养对学生的学习和成长有重要影响。良好的师资队伍对学生的学习有极大的帮助作用。西班牙瓦伦西亚大学对于教师ICT基本模式的使用研究表明，信息与通信技术（ICT）的整合过程是复杂的，教师在其中起决定性作用［18］。课堂上ICT运用不仅受到教学能力的制约，而且还受到个人专业使用的制约。因此，表现出较强技术和教学能力的教师在其个人专业领域更能频繁地使用这些资源，并更可能在课堂上与学生一起使用这些教育资源。（2）培养学生思维与意识。人工智能的诸多技术，对于基础教育阶段的学生而言是一个重在体验的过程，但这种体验不是单纯的体验和感知，而是在体验和感知中培养学生思维［19］。在国外的研究热点中，“人工智能”作为研究核心，形成被“学生”、“基础教育”、“孩子”等词围绕的结构，其中，“学生”的节点最大，说明国外注重构建以学生为中心的教育。当今社会正处于迅速发展的状态，计算思维和数字素养作为近年来的重要挑战和关键技术，被多个国家认为是未来社会应该具备的重要素质之一，因此应该对学生重点培养，为未来发展做好准备。美国麻省理工大学媒体实验室从3个维度分析了计算思维包含的要素，分别是计算概念、计算实践和计算观念。为了实现计算思维教育，课程内容需包含编程内容，让学生通过解决实际问题，体验编程的基本流程等，以达到培养计算思维的能力要求。根据调查，美国、英国等国家已在中小学教育中加入编程教育。西班牙国立远程教育大学对当地4所小学的93名学生进行调查，发现编程学习可以大幅度提高学生对逻辑和数学元素的理解［20］，可见编程学习还有助于学生其它方面的学习，当学生从编程中学习到技能后，可以将他们的学习转移到其它课程或生活中。在小学阶段的编程课程中可以使用少儿编程工具，如利用可视化编程语言进行编程教学，有助于帮助学生提高编程能力，在工具的选择上，教师可以选择Scratch或MakeCode等作为编程学习工具，使学习者在编程设计中产生创造性学习的兴趣。如Scratch等进行拖拽方块的模块式编程，学生在视觉化的窗口上，通过直观、趣味化的游戏故事培养学生探索的习惯和创造、表达的意愿，而不是“被编程”，让学生变得像机器人一样按照程序指令一步步行动。学生可在学习过程中频繁接触计算思维的概念，如分支、循环、事件等，提升系统思考和创新思维能力［21］。基础阶段学生的大脑正处于敏感期，容易培养编程天赋，有利于引导学生由抽象思维转变成逻辑抽象思维，提升学生合作能力等优点，因此，在基础教育阶段学习编程知识和思想对于学生未来发展大有裨益。对于高年级学生，有能力学习进阶编程语言，如Python语言，清晰性和趣味性是Python语言最好的品质，并且适合学生阅读，以Python作为编程的入门语言，可以让学生将注意力集中到解决问题的逻辑上。
3结语
人工智能技术发展十分迅速，学生学习需求呈个性化发展，尤其是基础教育阶段的学生，学生从小接触网络，对于网络充满好奇，在该阶段教授学生人工智能知识和技能的同时，还应为学生提供个性化教学、给予学生正确的引导，保证学生健康成长。本文对于最新的研究进展尚未完善，除文中提到的自适应学习、个性化学习等挑战与技术外，仍有许多方面并未提及，如芯片、专家系统等诸多硬件与软件技术需要与基础教育衔接、融合，怎样将这些技术加入并融合到基础教育的课堂教学中是亟待解决的问题，有待进一步探究。
作者：郭瑾 佟安然 高伟 单位：辽宁师范大学计算机与信息技术学院
人工智能技术在基础教育的应用 来源：网络整理
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