AI开启智慧教学新模式

高斐 莆田学院信息工程学院 福建莆田 351100

摘   要：人工智能时代，课程内容、教学方法和师生关系都在发生深刻的变化，人工智能与课堂教学的融合日益深入，个性化学习和资源推荐得到实现。利用人工智能实现更加开放灵活的教学体系，推动人工智能与教育教学系统性融合；提出人工智能在教学领域的研究进展，以及个性化教学方式，让人们深刻了解人工智能正在开启智慧教学的新模式，介绍其给教育带来的巨大影响。当AI真正融入教学模式中，教学模式将重心转移到关注“人”本身时，智慧教学的新时代也就开启了。

关键词：人工智能；教学模式；个性化学习；创新教育

目前，人工智能(Artificial Intelligence，简称AI)正在高速发展，已经融入多个研究领域，尤其教学领域，国内外对AI与教学深度融合的巨大影响越来越重视[1-3]。人工智能技术无论在少儿或青年阶段都在逐步推广[4-5]。随着社会的信息化发展，新时代对教书育人提出新的需求，即如何从以教师为主，走上以学生为主的个性化学习之路，如何借助互联网、人工智能等新技术实现人机交互的智慧教学模式。人工智能赋予教育新功能，满足了大数据时代下个性化学习的需求，促进了课堂学习模式的变革，改变了教学形态、课堂组织形式，促进了学生个性化学习的发展，增加了人机交互模式，用人工智能传授新的知识，教会人类探索知识的新方法，因此推动人工智能与教育的融合是非常必要的。2019年5月，习近平总书记向国际人工智能与教育大会致贺信，指出中国高度重视人工智能对教育的深刻影响，要积极推动人工智能和教育深度融合，促进教育变革创新，充分发挥人工智能优势[6]。因此，本文主要研究将人工智能技术引入教学中，实现智能化教学模式，推进教学改革，促进传统教学走向智能化。

1、AI如何改善教学模式

人工智能技术作为信息时代的一门信息技术，以计算机科学为主导，将心理学、语言学、数学等多学科融入该领域的研究。目前，人工智能已经在医学、教育学等领域产生了巨大影响[7-8]，当前教育教学观念和方式已经发生了很大变化，通过人工智能技术的发展，可以从本质上对传统教学模式取长补短。因此，从传统的以教师主动授课、学生被动听课的教学模式，转换成教师、学生和人工智能三位一体的教学模式是否可行；教师该如何利用人工智能实现课堂转型等，都是需要考虑的问题。什么是教学模式？教学模式是一定的教学理论或教学思想的反映，在一定理论指导下的教学行为规范。不同的教育观往往提出不同的教学模式。每一种教学模式发挥效力的主要条件包括教师、学生、教学内容、教学手段、教学环境。传统的教学模式是传授式的，其结构是“讲、听、读、记、练”，其特点是教师灌输知识，学生被动机械地接受知识。而智能化教学是将人工智能作为教学手段的一部分，达到因材施教的目的。因材施教指的是每名学生对知识的接受能力是不同的，需要按照个人特点进行个性化教学，每次考试后，人工智能可以根据试卷内容分析出学生知识点的掌握情况，推荐个性化资源弥补知识点的短板，集中精力复习学生掌握得比较弱的知识点，这样可以在较短时间内完成学习任务。

2017年7月，国务院已出台《新一代人工智能发展规划》，要求在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育。这要求学校的信息技术教师具备更专业的学科素养和更高的教学能力。开展智慧校园建设，推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用。利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系是非常必要的。具有人工智能系统的教学模式可以通过人工智能实现个性化辅导、个性化的资源推荐等，让人工智能来加强教师对每名学生情况的了解并有针对性地引导和学习。因此，将课程引入人工智能技术不仅可以提高教学的多样化，而且更有利于对传统教育模式的枯燥、呆板的学习方式进行改善，从而提高学生的学习兴趣。基于以上研究，本文从改革内容、改革目标和现有技术的改善三方面进行阐述。

1.1    改革内容

从大班课堂授课模式，转变为“小班化、个性化、精确化”三者相结合的教育组织形式。从集中、规模化的班级授课制和以教师为中心、学生被动听课的教学模式，向以人工智能辅助系统、网络、虚拟化与现实课堂有机结合的教学模式转变。这需要的是学校对硬件设备的支持以及对环境的构建和配置，并慢慢形成教师与学生能够真正融合在一起的教学模式，而不是大班教学产生的“一言堂”模式。

1.2    改革目标

将传统的教学模式转换为人机交互模式、从一个教育种类齐全、功能完备的教育体系转变成规模缩小、走向分散式和交互式个性化教育。通过人工智能技术为学生量身订制学习方案，推荐个性化资源，使学生更深入了解自己，弥补自己的短板，慢慢建立自信心，使得学生的学习活动更具主动性、自由性、差异性和公平性。同时，增加学生锻炼动手能力的机会，提高学生对学习的兴趣，从而让学生对学习更有动力。

1.3    现有技术的改善

进一步提高传统教学辅助系统与AI系统的融合，增加AI的个性化推荐和辅导，结合最新的深度融合技术，使机器对人的了解更加深入，更好地实现人机互动。一个相对完善的具有个性化教学模式的“AI+教育”应满足以下几点：一是根据学生的成绩进行评估，能自动产生相关题库进行测试和复习；二是根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习内容和进度，实现个性化推荐；三是能够分析和理解人类语言，以便实现人机交互的主动性；四是能识别学生理解错误的知识点，分析原因并进行纠正；五是能评价学生的学习行为并构建行为模式，通过行为模式更好地对学生进行修正和训练；六是能评价教师的教学行为，并对教学行为过程进行分析和指正。

2、AI与教学在个性化学习中的应用

将AI应用在具体课程中，可以通过某门课程中对学生的多次考核成绩来评估学生对该课程知识点的学习情况，这里将人工智能中的推荐系统技术引入学生评估系统中，将该课程内容按照知识点进行分类，然后通过梯度算法学习每名学生对知识点的学习权重。

在教学评估系统中，假设有M 次考试，分别为{K1,K2,K3,…,KM}，有N个学生分别为{S1,S2,S3,…,SN}，共有k个知识点分别为{θ1,θ2,θ3,…,θk}，第i个学生在Kj次考试的实际测试结果为Gij。设第i个学生对各个知识点的权重向量为{θ1(i),θ2(i),θ3(i),…,θk(i)}，学生和知识点间的关联矩阵如表1所示。

设r (i ,j )=1表示学生评分，r (i ,j )=0表示学生未评分，Gij 表示学生在第i 次考试对知识点j 的实际测试成绩，θk (i )表示第i 个学生的第k 个知识点的权重参数变量，xk(KM)表示第KM次考试知识点特征值，是学生成绩预测值与真实值间误差的函数关系式。 表示正则表达式，防止求参数θ 时过拟合，公式符合凸函数性质，可以计算极值。通过梯度下降算法学习第i个学生对知识点的权重向量θ：

通过计算式得出学生与知识点的权重向量：θ ={θ 1(i ),θ 2(i ),θ 3(i ),…,θk (i )}，该权重向量可以了解每名学生对知识点的掌握程度，计算min(θ)，了解学生的偏科情况，得出权重最小的那项知识点，该知识点是学生的短板，需要推荐相关资源进行辅导练习，该方法可以在短时间内为学生提高成绩，从而更好地利用人工智能中的推荐系统提供个性化辅导的作用。具体可以将个性化学习分成学生和教师两个模块，如图1所示。

在学生学习过程中，通过AI技术让人工智能为学生提供个性化交互，根据交互情况得出每名学生对知识点掌握的个性化偏好，即权重。根据个性化偏好推荐相关知识点进行个性化辅导。教师在教学过程中，可以根据学生每个人的特点进行针对性的辅导和训练，最终进行教学质量评估，根据学生的反馈情况得出教学效果评估，最后生成每名学生的成长报告。

可见，每名学生的起点不同，在某一科目中遇到的困难不同，需要的辅助和辅导方法也不同。利用人工智能，能更清楚地了解学生的短板和长处，教师可以更有针对性地进行个性化教学。

3、结语

通过将人工智能技术引入传统教学模式中，使得将以教师为中心授课、学生被动听课的二位一体模式转变为教师、学生和人工智能辅助系统的三位一体教学模式，从而解决教师和学生之间缺少互动性的问题，增强学生的学习兴趣。人工智能为教育领域带来一系列创新应用，能优化教学方式，开启“智慧教学”新模式。下一步，要用教学案例的方式分析人工智能在具体课程中如何分析每名学生的学习情况，如何实现个性化的资源推荐和教学模式的建立，通过具体课程进一步完成个性化资源的推荐过程。

参考文献

[1] 陈颖博,张文兰.国外教育人工智能的研究热点、趋势和启示[J].开放教育研究,2019,25(4):43-58.

[2] 高伟,刘苗苗.人工智能时代教育人工智能研究与应用现状、问题及对策[J].软件导刊,2019(8):25-29.

[3] 李海东,王潇筱.“AI+教育”,加速传媒院校教育模式变革和生态重构[J].中国传媒科技,2019(7):79-82.

[4] 孙立会,刘思远,李曼曼.面向人工智能时代儿童编程教育行动路径:基于日本“儿童编程教育发展必要条件”调查报告[J].电化教育研究,2019(7):114-128.

[5] 刘皓颖,徐培富.人工智能在儿童玩具中的应用展望[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2019(4):160-161.

[6] 尹世杰.学习进行时[EB/OL].http://www.xinhuanet.com/politics/2019-05/16/c_1124502111.htm.    

[7] 单戈, 杨柳. 人工智能对教学方式的影响[ J ] . 教育现代化,2019,6(48):195-196.[8] 刘明.人工智能对新工科人才教育的影响研究[J].南阳理工学院学报,2019(1):104-105.

本文转载自：中国知网 

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