郑庆华：人工智能赋能在线教育创新发展的探索与实践
2024年03月29日 点击：[]
［摘 要］
人工智能已成为当今时代最具挑战性、最具催化、最具赋能特征的新的前沿技术，面对新的发展机遇，可以通过精准的学前分析和判断，营造沉浸式的教与学的学习环境，提供个性化服务，建立过程评价、目标达成评价、各种认证和评估等途径，使人工智能为在线教育创新发展提供可能。
人工智能已经成为当今时代最具挑战性、最具催化、最具赋能特征的新的前沿技术，本文结合高校在人工智能赋能在线教育所做的一些工作，主要阐述三个方面内容：一是当今时代提出的挑战和我们面临的机遇；二是人工智能将从哪些领域、哪些途径为在线教育创新发展提供可能；三是结合西安交通大学的实际，列举两个创新应用的案例，进一步探索人工智能赋能在线教育创新发展。
当今时代提出了新的挑战，但也面临着新的机遇，主要是以下几个方面。
人工智能已经成为当今时代最具挑战性、最具催化、最具赋能特征的新的前沿技术，基于BBC组织的一批专家调查研究表明，人工智能将导致一大批职业被机器人、无人系统所替代。
从技术角度进行研究，我们认为人工智能正在改变世界发展的模式和格局。在信息技术出现以前，世界是由两个部分组成的，一个是物理世界，另一个是我们人类社会。随着信息技术的广泛应用，实现了从过去的两维世界到三维世界的转变，由此改变了人类社会发展的规律，从过去沿着达尔文生物进化论，按照有机演化的规律，到朝着有机演化和无机智慧并存的方式发展，特别是无机智慧成为各个领域的新的发展路径和方式。由此造成的大数据时代对于我们的认知和信息产生了巨大冲击，出现了信息爆炸的重大问题。近30年来，生产的信息量超过了过去5000年的信息总量，据统计，21世纪《纽约时报》一周的信息量相当于17世纪普通学者一生获得的信息量。因此对我们的教育和认知提出了重大的挑战，因为知识更新的半衰期从过去的每50年更新一次缩短到每隔3到5年。如何应对大数据时代信息爆炸、认知过载这些重大挑战，是我们当前教育面临的重大课题。而面对新的世界也不仅仅是物理世界，以元宇宙为代表的新的虚拟世界成为我们认知的另一个新的空间。
新一轮科技革命和产业变革，对我们的思维和教育也产生了新的重大影响。前三次工业革命的基本逻辑是以先进的科学技术创造设计新的设备，以新的生产力帮助人类摆脱体力劳动，因此它追求的逻辑是“科技造物，物帮人类”，而以第四次工业革命为代表，其核心是代替人的智力劳动，表现为“人机混合、增强赋能”的新范式。
由此对我们科学研究和科学思维的方式也产生了重大的影响，人类科学研究已经产生和形成了科学研究范式，最早期的经验归纳，比如说中国古代劳动人民总结的二十四节气。文艺复兴之后，新的科学技术，特别是以物理、数学为代表建立的一套模型，在这个基础上形成了一套模型推理的科学研究范式。而近80年来，以计算机技术为代表，特别是近60年来，以互联网技术为代表，信息技术出现了模拟仿真的技术，从无穷小的世界到无穷大的宇宙，从深海到深空，通过仿真模拟，人类的探索研究能力得到了巨大的拓展。但是这些都不足以解决我们今天遇到的问题，今天遇到的问题是在大数据时代更多的关系是建立在相关性的基础上，就是说两个事情，不一定是确定的因果关系，更多是建立在模糊关系上，所以大数据思维、大数据时代的科学研究范式对我们教育认知和思维提出了新的重要挑战。
人类改造自然的力量范式也发生根本变化，从农耕时代人多力量大的力量范式到了工业化时代知识就是力量，今天我们进入智能化时代，少数人通过设计算法、设计模型、设计规则决定了多数人的行为，这些模型实际上潜移默化地影响了我们人类的生活、学习、工作乃至思维和教育各种方式。
信息技术创造了人类文明的第四个里程碑。一是人类的语言发明和应用，使得人与人之间可以交流思想，成为人类文明的第一个里程碑；二是文字的发明和应用，使得文明得以传承；三是活字印刷术使得人类文明可以传播，从而使教育更为普及。今天电子信息技术推动了语言、文字、活字印刷术从过去农业文明、工业文明迈向了信息文明，从过去铅与火的时代迈向了光与电的时代。
以信息技术为载体的教育教学技术从数字方式迈向了智慧方式，信息技术运用于教育是从有计算机、互联网开始的，特别是从上世纪九十年代开展的数字化课程建设，到本世纪初开展的面向全球的网络化远程教育，再到10年前开启的以慕课为代表的过程在线化，把所有的课程在线环节全部转移到线上，这是一个重大的发展和变革，从而使得教育方式、教育氛围、教育领域实现了无时无处的重大演变，而所有这些都成为未来智慧教育的基础，未来智慧教育将突出表现为个性化、场景感知。智慧教育将在已有数字教育的基础上，朝着智能导学、精准推荐、情景感知、智慧管理、个性服务这些新的特征加速发展，这是我们愿意看到的。在未来元宇宙背景下，每个人能享受因材施教，享受着更好更高质量的学习服务。
人工智能将从六个新的学习方式和四条重要途径赋能教育，新的学习方式包括游戏化学习、社交化学习、协同学习、自主个性化学习、问题驱动式学习、项目推进式学习，这些学习方式虽然现在也有，但是不是人人都能获得的。让人工智能改造我们的教育和学习方式，重点是下面这四项核心关键技术。第一，精准的学前分析和判断，通过人工智能，将实现学生、教师的个性画像，也可以实现以班级为单位、以专业为单位的群体画像。第二，营造沉浸式的教与学的学习环境，特别是实现教学场景的情境理解、意图识别，过去三年线上教学最缺乏的就是情境理解、意图识别。第三，提供个性化服务，提供备课、智能答疑、动态组卷、数字化批改，为学生提供资源个性化推荐服务。第四，从根本上改变现在以分数为评价标准的评测方式，建立过程评价、目标达成评价，还有各种认证和评估，这将从根本上为我们未来智慧教育评估提供全新的投资和方式。这些都是把人类在教育领域所积累的经验和智慧与人工智能教育两者深度融合起来，通过对学科、专业建立知识图谱，以及对教材数字课程进行全新应用，从而对整个学习过程进行全程记录，并且对大数据进行分析和评判。
因此，人工智能将从三个方面改变未来的教学，一是改变校园环境，把人工智能技术嵌入到有形的物理空间和无形的虚拟数据空间中，从而让校园充满更加智慧、更有温度的服务。二是改变教师的教，教师当前的主要职责还是在知识的传授上，未来教师的主要任务是创造知识，成为创意工作者，成为学生、老师人际的连接者，以及复杂模式的判断者。三是改变学生的学，提供个性化、定制化的学习内容、方法，激发学生深层次的学习欲望，人工智能赋能教育后，通过场景的优化设计，沉浸式的感知互动，让学生的学习积极性、体验性、成就感、可理解性更好。
其中，最核心的是要改变教育的范式，让人工智能创建未来教育的新范式，现代教育的范式是由老师和学生两部分组成，我们称之为二元结构，而在人工智能赋能教育以后，将形成老师、机器和学生三位一体，并且是教学相长的模式，机器具有智能、具有温度，它能和老师、学生同学习、共进步，因此未来的教育范式是师—机—生三元复合主体，学生和老师甚至感知不到机器是人还是物，这是一个非常重要的进化转变。这些新的场景主要表现为沉浸式的学习环境，知识森林导航的个性化学习，线上的在线实训、在线考试，虚拟教研室，新型的教材、个性画像、智能导学、教学的智能化组织以及学习的全过程评价。
一个典型案例是个性化在线学习。在本世纪初，美国工程院提出了21世纪工程领域面临的巨大挑战，其中把个性化学习列为第13个巨大挑战。我们知道，个性化教学自古以来就是中外教育工作者追求的崇高理想。其中的难点在于如何解决在大数据环境下碎片知识的融合问题。现在互联网资源很丰富，但是存在位置分散、结构无序、模态多样、内容片面等问题。出现了只见树木，不见森林，学习迷航、认知过载的问题。因此，问题的关键不是缺少资源，而是如何将资源转化为知识，将大海捞针式的知识获取升华为个性化智能导学，进行知识服务的供给侧改革。
针对这一问题，我们提出了一套创新的思路，即针对学习迷航、千人一面的在线教育学习的困境，通过在资源中找知识、学知识转变为通过知识森林个性化智能导学的方法，帮助学生、教师更高效地获取知识。这主要是从供给侧和需求侧两个方面进行改革。在供给侧方面，从知识的提供者来说，要从海量资源当中挖掘碎片知识，解决资源知识化的问题，同时把碎片知识有序地组织成为面向某个主题的主题树和面向某个领域的知识体系，我们称之为知识森林；在需求侧方面，要根据学习者的个性特点形成个性画像，并且能够根据个性画像在知识体系中进行个性导学，这两者的结合才能从根本上解决由信息爆炸造成的学习认知过载的问题。
另一个典型案例是我们研制了一个知识森林构建和导学系统，并且已经在国家教育资源公共服务平台、中国慕课、学堂在线得到了应用，知识森林构建工具也获得了国际高新技术交易会的金奖。我们已经用到了中国慕课，整合1000多门慕课课程，并构建知识森林，已为1100多万用户提供服务，同时也在面向“一带一路”国际工程科技人才在线教育平台上得到了应用，为多个国家培养了四万多名工程科技人才。特别是在疫情期间，我们和国家智慧教育公共服务云平台进行合作，服务全国近两亿中小学生，实现了停课不停教，停课不停学。
因此，这两个典型案例为探索人工智能赋能在线教育提供了极大的动力。我们坚定认为，依靠人工智能塑造在线教育的新时代是完全可行的，为学生赋能，为教师赋能，为大学赋能。人工智能将打通线上和线下、过去和未来、现实世界和虚拟世界的壁垒，将人类的认知能力延伸到每一个角落。
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