人工智能与计算机教学研究：泛在智能化教学环境的发展

教学环境的发展是促进教学变革的基础。新一代的学习者对教学环境的建设提出了更高的要求，如智能感知学习者需求、个性化提供学习服务等。为满足学习者对教学环境的诉求，智能教学环境成为当代教育环境发展的必然趋势。

（一）智能化教学环境的概念与内涵

1.教学环境的演变

教学环境是影响学习者学习的外部环境，是促进学习者主动建构知识意义和促进能力生成的外部条件。随着技术的发展，教学环境也在不断优化。从早期的留声机，到无线广播应用于远程教学、扩大教学规模，再到电视机支持电视教学，录像机成为视听学习源泉等，再到现代的多媒体计算机、网络，这些技术都在教学中发挥过举足轻重的作用，对教学环境的发展具有积极的推动作用。1998年，美国前副总统戈尔提出“数字地球”的概念，并进而引出数字校园、数字城市等概念，教学环境的研究与实践步入数字化时代。然而，数字化教学环境下的学生的学习场所仍比较固定，就是教室，学生获取知识的来源也比较单一，主要是教师讲授，教师为教学主导，忽略了学生学习的主体地位，以灌溉式完成教学任务，没有很好地指导学生形成勇于探索和批判的创新精神。

2.智能化教学环境的概念

“数字地球”提出十年后，2008年，IBM公司总裁彭明盛提出“智慧地球”的概念。之后不同学者从各自的角度提出关于智慧（能）教学环境的构想。黄荣怀等认为，智慧学习环境是一种能感知学习情景、识别学习者特征、提供合适的学习资源与便利的互动工具，自动记录学习过程和评测学习成果的学习场所。通过分析不同学者的研究可以发现，虽然对智慧（能）教学环境定义的关注点有所差异，但其核心思想表现出一定的共性，即智慧教学环境是一个智能的学习场所或活动空间，它以学习者为中心，以各种新技术、工具、资源、活动为支撑，具有灵活、智能、开放等特性，为学习者的有效学习提供轻松、个性化学习支持。

（1）感知化

智能感知是智能化教学环境的基本特征。在人工智能与各种嵌入式设备、传感器的支持下，对教学环境进行物理感知、情境感知和社会感知。物理感知主要是指对教学活动的位置信息和环境信息进行智能感知，如温度、湿度和灯光等，为学生提供温馨舒适的学习环境；情境感知是从物理环境中获取教学情境信息，识别所需的各种原始数据，从而构建出情境模型、学习者模型、活动模型和领域知识模型，为教学活动的开展推送教学资源、连接学习伙伴等；社会感知包括感知学习者与教育者的社会关系，感知不同学习者的学习与交往需求等。

（2）泛在化

智能化教学环境应该是一种泛在的教学环境，能够支持教学共同体随时随地以任何方式进行无缝的教学、学习与管理，同时为其提供无处不在的教学支持服务。泛在教学环境不是以某个个体（如教师）为核心的运转，而是点到点的、平面化的学习互联“泛在”。目前，教学资源都是以文本、视频、音频、动画、图片等数字化形式存在，利用人工智能可将教学资源数据化，通过将音频转换为文字，将文字内容智能识别，可以提升信息的传播速度、提高教学资源共享率，而且可以根据不同学生的学习风格自动转换学习资源类型，帮助学习者获得良好的学习体验。

（3）个性化

在大数据、学习分析、数据挖掘等技术的支持下，为教师和学生提供个性化的教学环境是教学环境发展的重要方向。智能化教学环境通过感知物理位置和环境信息，记录教师和学生教学与学习过程中形成的认知风格、知识背景和个性偏好，从而为其提供个性化的教学资源、工具和服务。

（4）开放性

利用人工智能打造一种云端学习环境，为学习者提供开放的、可随时访问的、促进学生深入参与的学习环境，支持开放学校、开放教师、开放学分、开放教学内容，支持全球课堂的发展。云端学习环境下，学习者不再是系统地听教师的知识传授，因为知识在家里也可获取，在这种环境下重要的在于交流，学习环境由原来的知识场变为行为场、交流场、激发场，通过局部小环境的变化带来学校环境的整体变化。正如美国斯坦福大学的新型教育模式“斯坦福2025项目”所指出的那样，教育不是去教授，而是为学生创造新型的学习环境。

（二）智能化教学环境的技术支持

教育人工智能的目标就是促进自适应学习环境的发展。新一代人工智能发展规划指出，要实现高动态、高维度、多模式分布式大场景感知。人工智能不仅要听懂人类的声音，更重要的是要学会“察言观色”，感知人类的情绪。在这一方面，智能感知、智能识别等技术的飞快发展，为智能化教学环境提供了有力支撑。

1.智能感知

智能感知是利用RFID、QRCode等各类传感器或智能穿戴设备，获取教师和学生的姿势、操作、位置、情绪等方面的数据，以便分析教学和学习过程信息，了解访问需求，连接最有可能帮助解决问题的专家，或者为学习者构建相同学习兴趣的学习共同体，提供合适的支持服务。

智能感知是实现个性化学习资源推送的基础，其目标是根据情境信息感知学习情境类型，诊断学习者问题，预测学习者需求，以使学习者能够获得个性化学习资源。智能感知涉及学习者特征感知、学习需求感知等。在学习者特征感知方面，智能教学环境综合数据分析和学习者行为分析，能够自动识别学习者特征，判断学习者的学习风格，从而帮助教师准确定位，实施更具针对性的教学。在学习需求感知方面，通过智能感知教学环境、识别学习者特征、学习数据分析等方面智能匹配学习任务、学习内容，根据学习者情绪变化智能调节教学进度。

2.生物特征识别

生物特征识别技术是指通过个体生理特征或行为特征对个体身份进行识别认证的技术。其在教学中的应用较为广泛，无论是语音识别、人脸识别、动作识别，还是脑波识别，都属于生物识别范畴。这些识别技术应用于教学，有利于教师识别出学习者的学习状态，动态调整教学内容、教学进度，达到更好的教学效果。

（1）人脸识别

人脸识别是一种机器视觉技术，是人工智能的重要分支。近些年来，人脸识别渐渐走入我们的日常生活，如火车站安检、刷脸支付、刷脸开机（手机）等。在教学领域，人脸识别在教学场景中也慢慢发挥其作用。一方面，人脸识别技术可用于国家教育招生考试中，严密防范考试作弊行为。另一方面，可以在智慧教室中，配备高清摄像头，捕捉每一个学生的面部表情，根据面部表情分析出学生的注意力是否集中，以及对所学知识点的掌握情况，然后将这些数据反馈给教师。教师根据反馈调整讲课的节奏、讲课的内容，以达到更好的教学效果。来自美国北卡罗来纳州立大学的研究者，通过教学实践，识别、收集、分析学习者的面部表情，得出学习者的面部表情与皮肤电传导反应可以用于预测学习效果的结论，并指出当发现学习者出现学习困难时，可提供相应的学习辅导。

（2）动作识别

动作识别是人工智能模式识别的一个分支，研究怎样使计算机能够自动依据传感器捕获到的数据正确辨析人类肢体动作，将动作准确分类，还可以根据某些策略和规则对该动作提出干预意见，从而帮助人类修改可能产生的异常行为。动作识别可以用于实训型的教学场景中。传统实训课堂环境下，学生操作是否正确需要教师进行判别，但教师在有限精力内只能观测少量学生。将动作识别应用于教学环境可以有效解决以上问题，系统可以自动识别每一个学生的操作，与系统库内的标准动作进行比对，分析判断学生操作是否规范。

（3）声纹识别

声纹识别是指根据待识别语音的声纹特征识别讲话人的技术。声纹识别技术通常可以分为前端处理和建模分析两个阶段，声纹识别的过程是将某段来自某个人的语音经过特征提取后与多复合声纹模型库中的声纹模型进行匹配。常用的识别方法可以分为模板匹配法、概率模型法。通过声音识别，推断教学过程中学生的自尊、害羞、兴奋等情感，从而发现学生可能遇到的问题。

（三）综合的智能化教学环境——智能校园

智能校园是数字校园的进一步发展，也是建设智慧校园的物质基础，其主要强调依托人工智能等技术的应用服务。智能校园是智能化教学环境的重要组成部分，智能校园建设要以提升学习者的智慧为目标。(www.chuimin.cn)

1.智能校园的建设目的

（1）引领教学创新与变革

面对当前教学过程中存在的互动性不高、参与率低等问题和瓶颈，教学创新和变革迫切需要智能化环境为其提供支撑。智能校园通过情境感知、学习行为分析、大数据分析等工具，为实现技术与教育的深度融合、指导教育教学发展提供了可能。营造泛在、灵活、智能的学习环境，为教学、学习、教学管理与评价等提供优质的服务。面向未来高水平的智能校园建设，应该能够支持教学方式、学习方式、教学管理与教学评价的创新与变革，促进教育均衡发展。

（2）培养创新型、智慧型人才

建设创新型国家，培养创新型人才是国家首要的战略任务。从一定意义上说，创新型人才正以前所未有的时代需求承载着推进国家自主创新在激烈的国际竞争中占据主动。校园作为学生学习和生活的主要场所，对创新人才的培养发挥着不可替代的作用。而学生的自主创新意识不是教师直接赋予的，是在适宜的教学环境中成长的果实，就好像“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳”，人也是环境的产物。当下教育者的首要任务，就是要为创新人才的成长、发展提供所需要的环境和氛围。

2.智能校园的建设内容

目前，各个学校与企业联合打造的智能校园建设主要包括智能网络基础设施、智能感知设施、交互式教学环境、智能管理控制中心、智能分析决策系统。

（1）智能网络基础设施

建设智能校园的基础是首先要建设智能网络基础设施。可以首先对现有的网络基础设施进行升级、优化与完善，打造云智能基础设施与虚拟网络存储空间，提升上传下载速度，确保学校无线网络无缝覆盖以及校园网的安全、稳定运行，保证教师和学生可以随时随地在线学习、下载资源。

（2）智能感知设施

融合人工智能、物联网等各种技术与网络环境，实现智能感知与管理。例如，通过校园摄像头的人脸识别功能，对学生的学习状况和人身安全进行检测。

（3）交互式教学环境

创造交互式教学环境的要点在于支持学习者主动建构问题，并为学生解决问题搭建良好条件（如提供相应设备、资源无缝获取等）。例如，新加坡南洋理工大学兴建的互动学习环境“创意之坊”有56间智能教室和13间讨论室，每个智能教室里有若干LED屏幕、无线通信设备及灵活的座椅。学生可提前进行在线学习，再到教室与教师、同伴进行深入讨论。学生可以将智能手机或平板电脑等设备连接到屏幕，进行头脑风暴。

（4）智能分析决策系统

通过对教学环境中的数据进行采集与分析，为学生个性化学习、教师精准教学、管理者科学决策提供支持服务。

3.智能校园建设的策略

（1）加快创新，引领智能校园改革发展

创新是校园的灵魂和生命力所在。智能校园的建设应该在学校发展理念、目标、育人方式和育人环境方面有自己的特色，要以现代化的发展理念，主动融入“互联网+”行动计划、大数据发展战略，结合自身校情的实际，不断提升自身层次，坚持与时代发展同步，与师生要求相符。坚持创新发展必须全面推进教育创新，这是校园不断保持活力的根本。

（2）注重协调，促进智能校园持续发展

智能校园建设要全面、协调发展，首先要形成具有地方特色的校风、校训、办学思路、发展目标等内容，为整个智能校园体系建设提供精神动力。其次要形成一定的制度约束，包括各种管理和责任制度，对学校全体师生的言行起到约束作用。然后是智能校园的外在表现和物质载体，包括校园建筑、人文环境、活动设施等，它是能被师生直接感知的，从而影响身在其中的人们。在协调发展理念的引导下，要着眼学校的未来，形成可持续性发展，促使智能校园建设工作稳步向前。

（3）倡导绿色，促使智能校园健康发展

智能校园建设应大力提倡资源节约和环境保护，利用大数据技术对智能校园内的水、电等各种资源监控管理，利用信息技术的发展大力推进教学电子化和办公电子化，构建一套资源消耗低、综合效益好的运行模式。要引导师生树立资源节约和环境保护的意识，合理利用学校资源，全面实行低碳发展，这是绿色发展的第一个含义。同时，智能校园的建设要更加注重学生的身体健康。智能校园建设应推动绿色发展，营造舒适、健康的学习环境和智能化的生活学习环境，促进学生的健康成长。

（4）厚植开放，提升智能校园影响力

“互联网+”背景下，人与人之间的联系得到了空前的拓展，智能校园要凝聚开放的共识，增强开放的自信，理清开放的思路，把握开放的重点，提高开放的能力，以互惠互利为准则，坚持“引进来”和“走出去”并重，拓展校园空间，形成开放创新新格局。

智能校园要开放发展，更加注重优化，努力弘扬和传播优秀校园文化，开创文化交流和文化传播新局面，提升校园文化影响力。一是需要进一步提升对外开放的层次。主动与世界名校联合开发在线课程，实现校际选课、学分互认机制；聘请国内外优秀师资，校企联合建设高水平研究中心、创客中心等，探索高层次学研新模式。二是要扩大对外交流力度，与国内外高校进行合作，扩大交流培养学习的机会，尽可能满足更多优秀学子的出国学习交流需要，同时积极为教师赴国外高层次机构访学交流提供便利。

（5）推进共享，打造智能校园共同体

共享发展理念要求实现人的公平发展，即实现人人参与、人人尽力和人人享有。智能校园建设要以共享为价值引领，让全校师生平等享用学校资源，同时让更多人共享资源发展成果，从而打造智能校园共同体。以共享理念打造智能校园共同体，首先要打破信息壁垒、信息孤岛，消除信息鸿沟，拓展智能校园功能，扩大共享的覆盖面，更加注重公平和正义。智能校园的空间和教学资源应对社会人员进行适度开放，使智能校园资源更好地服务社会的发展。未来是大数据时代，只有共享才能得到全面发展。