人工智能赋能高等教育模式新变革

张慧峰，陈竹湘，徐水晶

（1.南京邮电大学先进技术研究院；2.南京邮电大学自动化学院、人工智能学院；3.南京邮电大学教育科学与技术学院，江苏南京 210023）

0 引言

近些年来，随着人工智能的快速发展，其逐渐融入各行各业，并产生新的行业应用场景。除金融、城市管理、医疗等行业外，作为立国之本，重中之重的教育行业，在2000年初就逐渐融入了人工智能。尤其是2020 年以来，受新冠疫情影响，全国教育工作无法在学校中顺利开展，为了保证教育活动正常进行，广大师生利用信息化平台展开教学任务。而此次大规模的在线教育实践，加快了人工智能与教育的融合，给当前教育方式带来了根本性改变［1］。运用人工智能技术的互联网平台为保障教育教学工作的正常运转发挥了巨大作用，人工智能与教育教学的深度融合，是新时代教育信息化最重要的特征之一［2］。

1 人工智能在教育领域的影响

人工智能给社会带来了巨大变革，也对人们的生产生活方式带来了巨大影响。在“新工科”教育背景下，传统的工科与人工智能不断结合，不断寻求新的变革［3］。社会生产也逐渐加入人工智能的浪潮，产生“人工智能+教育”，“人工智能+农业”，“人工智能+医疗”等一系列新领域，给人们的生产生活带来了便捷。人工智能正从各方各面影响着未来社会。而随着新冠疫情的来临，人工智能技术也加快了与教育的融合，给当前教育方式带来了巨大变革。当前，我国已充分认识到人工智能与教育融合发展的重要性，并进行了相关规划布局。2019 年2 月，《中国教育现代化2035》发布，提出加快推进信息化时代的教育变革，建设智能化校园，统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台，利用现代技术加快推动人才培养模式改革［4］。

人工智能与教育融合具有可行性，两者拥有很多契合点，包括知识的明确性、内容的重复性等。首先，人工智能能与教师相互配合，实现双师教学，人工智能可以帮助教师完成作业批改、试卷判定，而教师可以拥有更多的时间用来激发学生创造力；其次，人工智能可以将优质资源共享，打破地区之间的资源壁垒，实现教育公平；最后，人工智能与学生之间是互动关系，扭转学生的被动学习为主动学习，突出学生主体，实现一对一的教育过程。人工智能改变了教育的育人目标、学习方式、教师角色、教育供给，以至于改变了整个教育生态。虽然人工智能与教育的结合刚刚开始，但人工智能作为科学技术发展的产物，必将给未来教育变革带来巨大影响。

2 人工智能在高等教育中的应用难题及解决方案

随着“人工智能寒冬”的褪去，机器智能、深度学习和认知架构的发展有了复苏之势，人工智能的支持者重新获得人们的信任。同时，人工智能的发展也为社会诸多领域注入了新的活力。但目前，人工智能在高等教育中的应用落后于其他领域，归根结底在于当前我国教育治理中的人工智能应用存在人文环境弱、数据量不足、隐私泄露的困境［5］。为了彻底唤醒和释放高等教育的活力和潜能，助力高等教育体系建设，必须切实剖析其中的原因，从而做到深化新时代高等教育与人工智能有机结合。

2.1 人工智能与高等教育结合存在人文环境局限

社会各界对“人工智能+教育”的接受程度低下，教育工作者对人工智能嵌入教育的参与度相对薄弱。许多教育工作参与者（如教师、学生、家长）对人工智能是知之甚少，甚至对人工智能技术的具体操作应用一概不知。他们尚未准备好将这项先进的人工智能技术运用于教学工作中，并且对人工智能在教育变革中取得的成绩将信将疑。同时，部分参与者也轻视了借助防篡改和永久保存技术记录学习者成长数据的重要性。并且，人工智能与高等教育有机结合的阻力来源于教师对“技术替代人力”存在抵制惯性［6］，即有可能损害一些固步自封的既得利益者：这些人担心如果持续深化人工智能及区块链技术在教育领域的广泛应用，则区块链技术中的去中心化特点［7］很可能会降低教师在教育体系中的绝对地位，并将对教育中传统第三方机构予以强烈冲击。此外，在诸多领域面对新技术时，教育通常是最胆怯、保守、有所落后的，不愿冒险尝试新技术新思想，也缺乏支持非传统教育模式的资金。因此，教育工作参与者及教育部门都对新技术保持着高度谨慎和保守态度，致使人工智能技术在高等教育领域的深化应用缺乏推进动力。

着眼于上述人工智能在高等教育应用过程中呈现的诸多难题，从改良教学模式、匡正教育工作者理念等角度提出以下解决方案：将人工智能逐渐渗入传统教育中，宣传人工智能在高等教育领域的应用成果，增大社会各界对智能教育的信心与接受度。如改良教育模式，从传统教学向智能教学模式转变：传统的精准教学依托教师记录分析学生的学习表现和行为数据，并由教师根据自身经验调整学习进度和教学策略，受限于教师经验的丰富程度。如今得益于蓬勃发展的人工智能技术，智能教育模式应用人工智能技术正逐步实现分析数据和决策模拟，并可结合大数据驱动的精准教学方法，能够在线、无干扰地记录师生双方在课堂讲学、课后作业及期末测试等全过程的学习行为与学分数据，并相应生成各项精准数据及分析报告从而高效地调整教师教学策略和学生学习方法。同时，由于智能教育模式实时记录了学生在学习过程中的学习状态，通过这些多元表征数据不断规正学生的学习态度有望帮助智能教学与自适应学习实现由教师传授向知识共生的跨越。教育工作者应当在不损害高等教育的大原则与价值观下，摒弃偏见，积极接纳新技术，主动参与到人工智能技术与高等教育有机结合的伟大进程中来。

2.2 人工智能教育数据规模有限

虽然人工智能技术在高等教育中有着广阔的应用前景，但由于数据量严重不足、数据类型单一、数据规模有限等问题，人工智能教育发展受到极大阻滞。从各细分教育方向切入的人工智能教育企业，大都缺少相关的精准数据，然而在信息时代，企业与高校对精准数据的需求进一步激增。因此，要满足高等教育日常所需的数据需求，比如学生成绩、出勤率、作业情况等，则需要实现人工智能与教育的深度融合。此外，数据无法进行有效评估，人工智能教育的主要障碍是教育行业的学习数据还未形成闭环，某些重要环节仍然缺失，比如学习过程数据，知识点掌握情况等数据，因而现阶段利用AI 无法形成有效评估并推动学习改进。传统教育系统对于落地教育场景的接受度将成为人工智能教育面临的棘手问题。

数据量缺失的主要原因在于没有充分将人工智能融入课程。当前正处在更高发展阶段，需尽快确定新型教学内容、明确教学模式、规范配套教材、完善基础设备、发展人工智能教育教学理念。在学生、教师和家长三方的配合下，以学校的人工智能教育为中心，积极使用智能设备，数据互联互通，从而形成一个智能的教育闭环。将人工智能作为新工具，融入现有教育模式，构建新型教育体系将极大促进人工智能教育发展［8］。

2.3 人工智能教育应用存在安全风险

相比传统高等教育，人工智能教育存在隐私数据泄露的风险。作为新型的技术与教育模式，会出现区别于传统教育的新问题，使得教育数据的权力和责任界限变得模糊。传统教育模式下，教育数据均以纸质保存，由相关教育部门监管，安全度较高。而对于人工智能教育，虽然应用了新技术，提高了效率，但同时存在安全风险，比如人脸数据、个人信息等可能被泄漏。权衡技术优势和防止隐私泄露是人工智能教育发展道路上必须解决的最大难题［9］。

应建立相应的数据数据安全规范，完善相关法律法规。同时，对个人信息谨慎采集，加强安全意识［10］。明确划分工作中的职责，制定严格的程序与规范。提高关键隐私数据的权限级别，实施责任到人的制度。从技术上加大对隐私数据的保护力度，杜绝人脸识别滥用现象，对算法进行必要监管，提升算法自身的代码透明性和算法决策的透明性。设立双重身份验证机制，在通过人脸或指纹验证后需要再验证唯一身份识别码或者密钥进行再次验证。政府部门需拟定虚拟数据的归属权制度标准，划清责任范畴，防止产生产权纠纷。在推进人工智能教育发展过程的同时，也要加强社会文化引导，高度重视新技术带来的安全风险，警惕不成熟的技术，最大限度降低风险。

3 人工智能技术在高等教育中的变革应用

目前，《2022 年人工智能教育蓝皮书》发布，随着“双减”政策的落地，人工智能教育正成为多地教育主管部门和学校丰富“课后三点半”服务的重要组成，其中以中部地区最为突出，超85%的学校考虑将人工智能教育引入课后服务。教师整体认可人工智能教学工具的价值，学生也普遍愿意使用人工智能学习工具，并希望获得个性化评估与辅导。因此，高校传统教育适应人工智能时代教学学习需求势不可挡。本文针对教师和学生需求，就传统教学模式中的“教”“学”“评”三方面，期望在“教”上将教师从简单教学任务中解放出来，提高课堂活力，在“学”上实现个性化学习，助力精准教学，在“评”上实现学生学情的及时反馈，辅助提高教学水平［12］。人工智能在教学三部曲的变革应用如图1所示。

3.1 “教”：双师课堂，提高教学质量

Fig.1 Transformation and application of artificial intelligence in teaching，learning and evaluation图1 人工智能在“教”“学”“评”中的变革应用

现有的教学生态受限于资源条件，教师从事重复性的劳动，点名、评阅、考核占用了教师过多的精力，使得教师出现职业倦怠，难以投入时间进行课堂内容优化。而人工智能赋能传统“教”的核心价值在于赋能教学，辅助教师工作，其最终目的是减少教师工作量，提高教学质量，这促使了教师角色的转换［13］。本模块将人机交互技术应用于课堂，构建智能助教，帮助教师开展简单会话和及时答疑解惑；利用Web 技术、VR 虚拟现实技术构建的虚拟实验室可给予学生试错机会，提高教学活力。这些人工智能在减轻教师负担的同时，辅助实现教学质量提升。因此，融合背景下的教师合理应用这些技术，能够更多地将职责重心放在监督和引导学习者上，辅助整个教学活动开展。

3.1.1 智能助教

智能助教是一种基于对话形式进行辅助教学的服务。传统课堂中，构成以“签—授—答—辩”为基础模式的授课方式。课堂时间约束不利于教学内容的尽可能丰富，智能助教的融入，可为传统课堂注入活力，便于教师及时调整教学策略。利用课堂签到功能便于统计学生出勤状况，答题功能准确了解每一位学生对课堂讲授知识的掌握情况，讨论功能可以调节课堂气氛。基于智能助教的丰富功能，构建双师课堂，形成以教师为主导、智能助教为辅的上课形式，有效提高教学活力。郝一双［14］以面向教学的课堂在线互动平台“微助教”为例，探讨了“微助教”对教学的辅助作用。借助微助教签到功能，保证学生在两分钟内完成签到，减少考勤对课堂时间的占用；微助教可以将学生进行分组管理，方便小组合作；针对阶段性学习，微助教可远程开启考试，查看学生是否在正常IP 范围内，以及每个学生答题进度和正确率等，关注学生的学习状况。

3.1.2 VR/AR教学

实验教学是学生理解深化理论知识的必经之路。在传统教学实验过程中，学生熟练度不够，经常会造成设备损失、材料浪费。虚拟实验室以Web 网络数据共享技术为依托，利用VR/AR 等虚拟仪器构建实验平台，该平台可以真实模拟出实验设备及场景，学生可以在虚拟实验室中进行操作控制。该模式提高了学生实验试错的机会，可以使学生记忆更深刻，提高学生自主学习能力和教学真实性。刘革平等［15］提出将手势交互加入虚拟实验室中，并对此方式的使用感受进行了访谈，访谈结果显示，26 名学习者中有24 名对基于手势交互技术的虚拟实验很感兴趣，15 名学习者表示虚拟实验过程与真实实验过程基本一致，10 名学习者表示虚拟实验环境很逼真，有很强的沉浸感，6 名学习者表示想要尝试更多的手势交互虚拟实验。从访谈结果可以看出，虚拟实验室可以增强学生的学习体验，提高学生的参与兴趣。

3.2 “学”：个性化学习，提高学生学习质量

传统教育提倡因材施教，但在大班教学的背景下，教师难以照顾到每位学生，这使得个性化教育难以落实。人工智能的参与，延伸了教学的时间与空间，助力学习资源与学习指导个性化。以大数据为基础创建的拍照搜题助力学习资源个性化，拍照搜题软件涵盖海量的题型，学生针对自己的知识水平、兴趣爱好，自主选择各类题型，实现教育资源过滤；在教学生活中加入教育机器人能实现学习指导个性化，教育机器人根据学习者的状态和兴趣，规划学习路径，助力学习者自适应学习。人工智能与“学”的融合，改善了传统教学灵活性不足的局限性，助力学生根据个人需求与兴趣，定制学习方案，实现个性化教学。

3.2.1 教育机器人

教育机器人是以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目的的机器人。目前，很多家庭都是双职工家庭，对于学生课后学业辅导缺少时间和精力，教育机器人的出现正好可以辅助家长完成智能教育工作。它不仅能够监督学生完成任务，还可以充当玩伴角色，记录学生行为，了解学生喜好。陆小飞等［16］在利用Mero 和EngKey 智能机器人对24 名学生实施为期8 周、每周两天、每天两小时的英语口语及听力教学后，学生在发音、词汇、语法、使用口语信心和实际交流能力等方面都有明显进步。

3.2.2 拍照搜题

拍照搜题根据图像处理技术，以大数据构建的题库为基准，针对图片上的信息，到题库中寻找相同题型。教师讲解错题无法精确到每一道，学生错的方法与题型也各不相同。拍照搜题实现一对一答疑，推送相似题型，辅助复习。拍照搜题的合理应用可有效缩小学生之间的差距，使学生充分利用碎片化时间提高学习效率。以夸克拍照搜题为例，2020 疫情爆发初期，超两亿学生转为线上学习，夸克的拍照搜题应运而生，在2020 年下半年期间，用户量增长3 倍，在AI 的加持下，从拍照到获取答案的流程也提速20%。

3.3 “评”：评估教学质量，提升教学水平

传统教学中的评价实验更偏向于终结性评价，学生一般会经历从测验、评价、反馈到改进的过程，教师则依靠学生的作业情况、考试成绩等单一数据进行反馈教学［17］。这个评价过程静态、固定、单一，无法追踪到每一位学生，难以综合把控每一位学生的发展状况。大数据的加入，使得每位学生数据得以单独、便捷、及时的采集，顺应个性化教学。将人工智能融入教学评价中，实现学评融合，让每一位学生都能在评价活动中提高核心素养，在评价反馈中进一步改进学习［18］。以人工智能技术和认知科学的基本原理为基础构造的智能辅导系统为例，可持续动态地采集每位学生的状态，形成一套具有正向流动与反馈的学习流程，对每位学生的状态进行动态把控，即分析动态学生情况初始值—调用教学模式—记录学习状况—反馈当前状态，实现全过程有效、灵活、个性化的评价反馈。此外，依靠人工智能图像识别技术与大数据技术结合形成的智能批改，能够准确批改并及时将情况反馈给教师，实现作业情况的动态反馈。因此，人工智能与高等教育的耦合，推动着教学评价从静态评价转向动态评价。

3.3.1 智能辅导系统

智能辅导系统（Intelligent Tutoring Systems，ITS）是一种智能化和人性化的计算机软件。它根据不同学生的初始状态和前置知识，制作出不同的学生模型；教学模型基于学生模型信息，再通过算法，提取相关学习资料，并提供给学习者；学习者通过学习，将结果反馈给学习者模型，生成学情，并提供给家长（见图2）［19］。这种学习方式可以使学生获得个性化、互动性的帮助，同时这也是大学教师因材施教的有效手段。相比在传统大学课程教学中，ITS 几乎可以取得如同面对面教学的效果，在ITS 的帮助下，部分学生甚至可以获得更好的成绩。例如，由卡内基梅隆大学匹兹堡高级认知导师中心开发的“代数导师PAT”（PUMP代数导师或实用代数导师）使学生参与固定学习问题，并使用现代代数工具激励学生参与解决问题并分享他们的成果。从学生成绩和学生、教师反馈情况看，效果显著。

Fig.2 Flow of intelligent tutoring system图2 智能辅导系统流程

3.3.2 智能批改

在传统教育模式中，作业批改是一项量大、低效的重复性工作，不仅浪费了教师精力，不利于教学内容优化，也容易导致学情反馈滞后，不利于学生及时巩固新知识。人工智能在高等教育中的应用，实质上是对教育工作的辅助和替换，作业智能批改就是人工智能技术在教育工作中的高效替换。教师可以根据进度将作业发布在平台上，设置完成时间。学生提交后，系统自动批改作业，并将作业的详细情况反馈给教师。作业智能批改极大减少了教师批改作业的时间，减小了教师工作压力，使批改作业这项工作得以高效完成。同时，智能批改系统可以统计学生的错题情况，以便于教师更好地对学生进行个性化教学定制。林毅贞等［20］对119 名学生进行调研，94 名学生（占79%）认为网上作业形式方便；105 名学生（占88%）会独立完成作业，因为抄袭作业不方便；110 名学生（占91%）表示愿意采取这种作业完成方式。由此可见，智能批改代替人工批改深受师生们喜爱。

3.4 教育模式评价案例

吴晓如等［21］提出在合肥某学校应用科大讯飞的智能教育，介绍人工智能教育应用情况。以英语教学的某班某节作文课智能教学评价为例。①利用AI 评估学生学情，将学情分析报告反馈给教师，以图3 的“作文练习错误类型分析图”为例，向教师灵活反馈作文练习的薄弱点分布状况，助力教师掌握学情；②教师针对该报告，就高低分组高频错误进行讲解，形成以学生为主体的个性化教学；③学习者根据报告与教师讲解自主修改，实现个性化学习；④教师通过智能助教，将优秀作文分享到班级，学生通过智能助教讨论学习优秀作文，极大调动学生的积极性，提高课堂活力。据后期统计，在新方案的助力下，7 月初该班的英语作文平均分较同年2月初的作文分数提高15%。

Fig.3 Essay practice error type analysis图3 作文练习错误类型分析

4 结语

人工智能与教育融合的最高阶段是人工智能成为思维方式，作为人类智能的伴生体，深度嵌入教育系统。我国人工智能教育目前仍停留于浅层，缺少人工智能治理整体解决方案。本文围绕高等教育在“教”“学”“评”中存在的问题，结合人工智能的优势和特点，调研人工智能对精准教学的影响，分析人工智能赋能高等教育的可行性，提出创新教学、个性化学习、智能评估等建议，以提高教学整体质量。人工智能与高等教育的深度融合，是高等教育适应信息化时代变革的必然要求，激发了人们对于未来的无限憧憬和向往。尽管目前人工智能技术并未成熟，教育行业也有很多技术、制度等方面的问题有待探索和突破，但随着相关领域的不断发展及其应用的日渐深入，深度融合的盛景指日可待。相信在不久的将来，人工智能与教育行业的动态平衡与和谐共生将成为现实。