北京市中小學(xué)人工智能技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀、問(wèn)題及建議

【摘要】人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。本文圍繞人工智能系統(tǒng)在教育管理應(yīng)用和精準(zhǔn)助力教學(xué)兩個(gè)維度，系統(tǒng)闡述了人工智能在建設(shè)智慧校園、實(shí)施減負(fù)、增強(qiáng)教學(xué)效果、學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)等方面的運(yùn)用。同時(shí)，分析了人工智能技術(shù)在北京市中小學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀與問(wèn)題，并且提出了相應(yīng)的建議?！娟P(guān)鍵詞】人工智能;個(gè)性化學(xué)習(xí);中小學(xué);智能管理;精準(zhǔn)教學(xué)以人工智能為核心的新一代信息技術(shù)逐漸進(jìn)入教育教學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和提升教育教學(xué)效能，發(fā)揮了重要的作用。為推進(jìn)人工智能在教育領(lǐng)域的運(yùn)用，2019年，北京市教育委員會(huì)制定了《北京促進(jìn)人工智能與教育融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》，將工具理性與價(jià)值理性相融合，堅(jiān)持以人為中心推進(jìn)人工智能在中小學(xué)教育教學(xué)中的運(yùn)用與發(fā)展。人工智能技術(shù)在北京市中小學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀1.人工智能技術(shù)助力北京市中小學(xué)實(shí)現(xiàn)智能化管理（1）以智慧校園建設(shè)為核心，人工智能增強(qiáng)了北京市中小學(xué)的現(xiàn)代化管理水平。以智慧校園建設(shè)為核心的人工智能在學(xué)校管理領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用，推進(jìn)了數(shù)字校園向智能校園演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)校園精細(xì)化管理、個(gè)性化服務(wù)。北京市“十四五”期間將建設(shè)100所新型智慧校園示范校，推動(dòng)人工智能技術(shù)條件下的教育教學(xué)模式與環(huán)境變革，將人工智能技術(shù)普遍融入教育教學(xué)之中。（2）利用人工智能技術(shù)，推進(jìn)“雙減”政策實(shí)施，為學(xué)生提供個(gè)性化服務(wù)。2021年7月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳頒布了《關(guān)于進(jìn)一步減輕義務(wù)教育階段學(xué)生作業(yè)負(fù)擔(dān)和校外培訓(xùn)負(fù)擔(dān)的意見(jiàn)》，這將推動(dòng)傳統(tǒng)教育教學(xué)方式的變革。北京市中小學(xué)校研究“雙減”政策的影響，探索利用人工智能技術(shù)全流程融入課堂教學(xué)，在減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的精準(zhǔn)化指導(dǎo)。當(dāng)前，北京市海淀區(qū)在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的中小學(xué)中，通過(guò)智能化系統(tǒng)采集線上線下學(xué)業(yè)數(shù)據(jù)，建立精準(zhǔn)的學(xué)生學(xué)業(yè)畫(huà)像，構(gòu)建學(xué)科知識(shí)圖譜，為教師提供班級(jí)學(xué)情分析并推送教學(xué)支持資源，為學(xué)生匹配個(gè)性化學(xué)習(xí)資源，促進(jìn)了學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量的提升。（3）利用人工智能技術(shù)開(kāi)展“五育融合”的學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)。借助人工智能技術(shù)不僅可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，還可以支持學(xué)校開(kāi)展“五育融合”的學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)。充分將德智體美勞教育教學(xué)的過(guò)程性數(shù)據(jù)融入到學(xué)生綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)，建立過(guò)程性評(píng)價(jià)與結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合的多元評(píng)價(jià)模式，更加客觀地展現(xiàn)學(xué)生“五育融合”全面發(fā)展的情況，有助于學(xué)校為不同的學(xué)生量身制定個(gè)性化發(fā)展方案。2.人工智能技術(shù)賦能中小學(xué)精準(zhǔn)教學(xué)當(dāng)前有些中小學(xué)在以下方面開(kāi)展了人工智能賦能精準(zhǔn)教學(xué)的研究，并且取得了一系列的研究成果。（1）利用人工智能進(jìn)行學(xué)情分析，教師實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)備課。在北京市懷柔區(qū)、通州區(qū)等中小學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，利用人工智能開(kāi)展數(shù)據(jù)分析、學(xué)生畫(huà)像等功能，在每次學(xué)生作業(yè)、練習(xí)后，系統(tǒng)會(huì)即時(shí)產(chǎn)生可視化、圖表化、多維度的學(xué)情報(bào)告，教師既可以查看學(xué)校、年級(jí)、班級(jí)的整體數(shù)據(jù)，也可以精確跟蹤到每位學(xué)生、每個(gè)題目的數(shù)據(jù)分析。通過(guò)人工智能的系統(tǒng)分析可以掌握不同學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解情況，可以從學(xué)習(xí)成績(jī)變化、同年級(jí)差距分析、薄弱項(xiàng)分析、學(xué)科潛力等維度診斷班級(jí)學(xué)生群體或?qū)W生個(gè)體的學(xué)業(yè)情況，然后根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整下一階段的授課內(nèi)容，做到精準(zhǔn)備課。在北京市延慶區(qū)某中學(xué)的“人工智能助力個(gè)性化教學(xué)”研究實(shí)驗(yàn)中，教師根據(jù)人工智能系統(tǒng)對(duì)學(xué)情進(jìn)行分析后，對(duì)備課內(nèi)容做適當(dāng)調(diào)整。對(duì)全體學(xué)生基本上回答正確的題目進(jìn)行略講，對(duì)經(jīng)常出錯(cuò)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解。在做課堂小結(jié)時(shí)，教師會(huì)重點(diǎn)分析學(xué)生易錯(cuò)題目。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在引入人工智能系統(tǒng)開(kāi)展備課教學(xué)的條件下，學(xué)生掌握同樣內(nèi)容的知識(shí)比傳統(tǒng)教學(xué)節(jié)約近50%的時(shí)間。（2）人工智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂教學(xué)效果的精準(zhǔn)分析。在20世紀(jì)70年代，教育科研領(lǐng)域就出現(xiàn)了對(duì)學(xué)生聽(tīng)課情況進(jìn)行采樣并對(duì)教師課堂教學(xué)成果進(jìn)行分析的實(shí)驗(yàn)研究，其中以S-T行為分析法和弗蘭德斯互動(dòng)分析法最有代表性。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)效果分析以人工觀察和手工編碼為主，存在過(guò)度依賴(lài)人工、分析效率低、分析結(jié)果受到人為主觀因素影響等短板，這對(duì)改善教師的教學(xué)技能幫助有限[1]。利用人工智能技術(shù)在課堂上通過(guò)人臉識(shí)別、學(xué)生動(dòng)作識(shí)別等方式實(shí)現(xiàn)課堂智能采樣，使得采樣結(jié)果更加有效。這種基于人工智能技術(shù)的課堂教學(xué)分析更加精準(zhǔn)，且效率更高。通過(guò)算法的不斷優(yōu)化，將課堂的教學(xué)效果更加客觀地反饋給教師本人，增強(qiáng)了對(duì)教師課堂教學(xué)效果的精準(zhǔn)化“畫(huà)像”能力，教師可以參考課堂分析的反饋報(bào)告，對(duì)課堂教學(xué)效果不斷優(yōu)化。筆者在2021年利用人工智能分析技術(shù)對(duì)北京市2020年的100節(jié)獲獎(jiǎng)?wù)n例進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)課堂教師主導(dǎo)的言語(yǔ)行為在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中占比超過(guò)50%。并且在教師主導(dǎo)的言語(yǔ)行為中，占比最多的是講授，最少的是批評(píng)或指正。在單個(gè)學(xué)生的言語(yǔ)行為中，占比最多的是主動(dòng)發(fā)言，主動(dòng)發(fā)言和被動(dòng)發(fā)言?xún)身?xiàng)占比接近課堂時(shí)間的1/5。如果再加上多人討論的時(shí)間，1/3以上的課堂時(shí)間內(nèi)有學(xué)生參與。分析顯示獲獎(jiǎng)?wù)n例學(xué)生參與度高，氣氛活躍。將分析的結(jié)果反饋給相關(guān)教師，經(jīng)過(guò)跟蹤調(diào)研，其中77%的教師根據(jù)反饋報(bào)告優(yōu)化了自己的課堂教學(xué)，取得了良好效果。（3）人工智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)提升教學(xué)效率，減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)。人工智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)在提升教學(xué)效率、減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)方面有良好表現(xiàn)。在筆者2019年結(jié)題的“利用個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)教學(xué)研究”項(xiàng)目中，該項(xiàng)目組織了全市共65所中小學(xué)200多個(gè)教學(xué)班參與了研究，班級(jí)跨度從小學(xué)一年級(jí)到初中八年級(jí)，歷時(shí)3年。利用人工智能技術(shù)開(kāi)展義務(wù)教育學(xué)段學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)情況的分析與診斷，為學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)方面提供了精準(zhǔn)的個(gè)性化解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，在教學(xué)課時(shí)相同的前提下，實(shí)驗(yàn)班使用人工智能輔助系統(tǒng)的后測(cè)成績(jī)提高了3.42分，而對(duì)照班的后測(cè)成績(jī)卻比前測(cè)成績(jī)下降了1.2分。在縱向?qū)Ρ戎?，在前測(cè)中實(shí)驗(yàn)班落后對(duì)照班1分，但在后測(cè)中實(shí)驗(yàn)班超過(guò)對(duì)照班3.62分。這體現(xiàn)了人工智能輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)提升學(xué)習(xí)效率、減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)方面效果明顯。（4）人工智能技術(shù)助力課后個(gè)性化作業(yè)體系的建設(shè)。隨著北京市教育系統(tǒng)扎實(shí)推進(jìn)“雙減”工作，各中小學(xué)開(kāi)始大幅度減輕義務(wù)教育階段學(xué)生的作業(yè)負(fù)擔(dān)，這就要求教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況定制符合學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的高質(zhì)量作業(yè)。筆者單位在北京市海淀區(qū)、懷柔區(qū)開(kāi)展的“人工智能賦能北京郊區(qū)中小學(xué)教學(xué)模式創(chuàng)新研究”項(xiàng)目中，通過(guò)人工智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，精準(zhǔn)定位學(xué)生薄弱知識(shí)點(diǎn)，并匹配與其學(xué)習(xí)能力最相適應(yīng)的作業(yè)內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生的分層化教學(xué)。同時(shí)，該系統(tǒng)也對(duì)教師設(shè)計(jì)的作業(yè)內(nèi)容從教學(xué)目標(biāo)一致性、難度合理性、結(jié)構(gòu)合理性、時(shí)長(zhǎng)合理性等維度進(jìn)行分析，全方位輔助教師提升作業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)效果的目的。人工智能技術(shù)在北京市中小學(xué)中應(yīng)用面臨的問(wèn)題人工智能技術(shù)已經(jīng)在北京市中小學(xué)管理和教學(xué)等方面發(fā)揮了重要的作用，但是也存在著如下問(wèn)題。一是人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中的運(yùn)用缺少頂層設(shè)計(jì)，科研成果推廣過(guò)程緩慢。依托與教育教學(xué)融合開(kāi)展的各類(lèi)型人工智能研究，已經(jīng)取得一定研究成果，但由于各類(lèi)課題的研究由不同的機(jī)構(gòu)各自展開(kāi)，相互之間缺少橫向聯(lián)系，研究過(guò)程缺少統(tǒng)一管理，導(dǎo)致不同機(jī)構(gòu)研究的方向出現(xiàn)雷同，研究成果無(wú)法得到共享。二是引入社會(huì)人工智能技術(shù)資源進(jìn)入校園，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。北京是全國(guó)科技創(chuàng)新中心，人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用水平領(lǐng)先全國(guó)，有許多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)擁有先進(jìn)的技術(shù)，也有為學(xué)校提供服務(wù)的意愿，但由于缺少相關(guān)的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，使得學(xué)校在采購(gòu)第三方服務(wù)時(shí)隨意性較大，不利于人工智能技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)對(duì)教育模式變革和教學(xué)方式創(chuàng)新的支持。三是教師專(zhuān)業(yè)化隊(duì)伍建設(shè)滯后。當(dāng)前人工智能技術(shù)以各種形式進(jìn)入北京市中小學(xué)，已與教育教學(xué)形成了一個(gè)有機(jī)整體，但是為人工智能技術(shù)的實(shí)施提供技術(shù)支持的教師隊(duì)伍還沒(méi)有建立，學(xué)校缺少精通人工智能技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人才，阻礙了人工智能技術(shù)在學(xué)校中的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。人工智能技術(shù)在北京市中小學(xué)中應(yīng)用的建議針對(duì)北京市中小學(xué)應(yīng)用人工智能技術(shù)開(kāi)展教育教學(xué)存在的問(wèn)題，提出以下建議。一是加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌推進(jìn)。學(xué)校要將人工智能與教育融合工作發(fā)展目標(biāo)納入工作計(jì)劃中，統(tǒng)籌人工智能在教育教學(xué)方面的頂層設(shè)計(jì)，為人工智能與教育融合發(fā)展提供指導(dǎo)方向。二是建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系，做好已有科研成果的總結(jié)推廣工作。加強(qiáng)人工智能技術(shù)進(jìn)入校園的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，統(tǒng)籌全市相關(guān)領(lǐng)域的教科研項(xiàng)目，加快制定引導(dǎo)政策，為人工智能與教育融合發(fā)展提供優(yōu)良政策環(huán)境。三是關(guān)注對(duì)學(xué)校師生需求的調(diào)研，創(chuàng)新人工智能支撐人才培養(yǎng)模式。優(yōu)先支持人工智能與教育領(lǐng)域交叉學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)、科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用