摘 要：
近年来，随着AI技能的快速发展及其在各领域运用的不断遍及，国内外专家学者在AI赋能教诲的方向上进行了大量的研究和实践探索，涌现了很多面向教诲的AI技能和AI赋能的教诲实践案例。作者团队在 AI 赋能教诲事情中，自主研发了汉语编程的传授教化软件开拓环境，以及支持线上线下互动的远程实践传授教化系统，为深化教诲传授教化改革进行了不懈的探索与实践，取得积极成效。
关键词：
AI赋能教诲；传授教化改革；传授教化系统；汉语编程
1 AI赋能教诲的背景与路径
1.1 背景
随着人工智能（AI）技能的广泛运用，AI赋能教诲、助力教诲改革已经成为大势所趋。2017年7月国务院印发的《新一代人工智能发展方案》指出，要发展便捷高效的智能做事，包括智能教诲，要构建智能学习、交互式学习的新型教诲体系，培植智能校园，开拓基于大数据智能的在线教诲平台，开拓智能教诲助理，建立智能传授教化环境等。2019年2月中共中心、国务院印发的《中国教诲当代化2035》提出，要加快信息化时期教诲变革，包括培植智能化校园、推动人才培养模式改革、创建教诲做事业态、推进教诲管理办法变革等。智能技能有助于加快推动人才培养模式改革 , 实现规模化教诲与个性化教诲的有机结合，AI赋能教诲成为教诲变革的主要趋势。
1.2 国内外研究现状
近年来，随着AI技能的快速发展及其在各领域运用的不断遍及，国内外专家学者在AI赋能教诲的方向上进行了大量的研究论证，涌现了很多面向教诲的 AI技能。
现有的智能技能在赋能教诲的形式上可概括为智能传授教化系统和个性化的智能助教两个种别。北京师范大学研发的“AI Teacher”国际互助项目，建立了教诲大数据平台，实现类似于人类西席的智能辅导；传授教化机器人“聪慧学伴”在学生学习碰着疑难问题时可以进行讲授和即时解答。美国对AI赋能教诲的研究也有很多，Raj E.Valli团队开拓的Tabtor Math就可以为中小学生供应数学个性化辅导，系统会供应学生的学习情形剖析报告，并向用户推举适宜该学生的学习内容，为学生供应量身订制的学习操持表。我们团队（下面简称为“团队”）长期坚持以AI赋能教诲的视角探索提升学生综合本色的方法与路子，履行传授教化改革，取得积极成效。
1.3 路径探索
西席和学生是传授教化活动的直接参与者，面向西席侧和学生侧的AI技能支持能够更加快速、有效地浸染于传授教化过程。
1.3.1 面向西席侧的AI赋能
随着我国教诲改革的不断深化，西席角色的转变对其能力也提出了新的哀求。西席侧的AI赋能紧张表示在AI技能作为“助教”参与传授教化。
一是基于自然措辞理解技能，实现传授教化课件的自动天生，提高课程培植的效率；二是引入智能终端采集学习实践数据，帮忙西席网络并剖析学生学习结果信息，提高传授教化评价的效率；三是通过智能技能天生虚拟西席形象，实现西席“分身有术”，以多维度交互办法提高课上传授教化效果。
其余还有借助机器视觉、听觉等技能，帮忙老师节制学生学习状态，赞助掩护传授教化秩序的一些做法等。
1.3.2 面向学生侧的AI赋能
在传统的集体传授教化活动中，很难做到针对每位学生个体差异的个性化传授教化，智能技能则可以很好地办理这一问题。
一是基于多模态感知技能，打造学生学情的数字孪生模型。数字孪生模型既可以结合知识图谱技能，为学生打造个人的学习路径；也可以结合智能天生技能和推举技能，根据学生学习情形推送最优的学习内容和习题作业。二因此智能学伴的形式，全天候知足学生的学习需求。通过自然措辞处理和语音处理，实现学生与智能学伴的问答、互换，实现课长进修和课下自主学习的互补。
其余，AI赋能还可为学生分享学习内容供应有效支持。通过物联网技能促进了学生团队学习，使学生在团队协作的实践学习中更随意马虎得到造诣感，学习积极性和主动性更随意马虎被引发出来。
2 AI赋能教诲的技能方法
AI赋能教诲可以通过聪慧教室培植、智能学习终端运用，或聪慧教诲平台搭建等路子实现，为传授教化改革创新供应新的路子。在传授教化中运用的技能紧张包括感知、认知、机器学习、群体智能、人机交互和知识图谱技能等。
2.1 机器感知技能赋能传授教化
通过智能学习终端为学生供应参与互动学习的路子，这是机器感知技能赋能教诲的范例方法之一。它改变了原来紧张由西席讲授课程的单向知识传播模式，构建一种教与学互动的双向信息传播模式。例如，利用各种传感器实现对学生学习过程的数据采集，是感知技能赋能传授教化的一种详细表示。这些被采集的数据也可以上传到聪慧教诲平台，支持进一步深度挖掘，为构建学生个性化学习方案供应依据。
利用点读技能实现纸面学习是一种常见的幼儿学习模式，互动点读则可以为孩子们供应探究式学习的机会，让低龄儿童在游戏化的学习中阔别屏幕，为保护儿童视力供应很好的技能方案。
感知技能赋能传授教化还可以利用各种传感器及构造配件支持学生自主设计智能装置。通过对这些装置的数据采集，实现对学生实践结果的监测和评价。
2.2 机器认知技能赋能传授教化
通过视觉识别或者语音识别技能，可以实现对传授教化的赋能。例如，视觉识别技能实现自动批改作业，利用语音识别技能实现智能知识问答，利用人脸识别和表情识别技能实现对学生学习状态的监测等。这些技能可以广泛运用于各种传授教化创新实践中。
2.3 机器学习技能赋能传授教化
机器学习技能赋能传授教化是通过构建机器学习算法，对一些学习任务进行智能仿照，从而给学生供应一些实现任务的路径参考，达到启示学生思维的浸染。学生在开展探究式学习过程中，会有很多随机性的探索，很难在事前都能做出各种针对性的回应。因此可以利用机器学习算法，实现对探究式学习进程的赞助勾引。例如，在棋类传授教化中，利用机器学习实现博弈算法，可以为学生供应试探的可选操作作为参考。
2.4 群体智能技能赋能传授教化
通过构建物联网传授教化系统实现对传授教化的赋能是群体智能技能在传授教化上的范例运用之一。可以利用搭建好的物联网系统实现对学生学习数据的捕获，也可以将学生自主构建的智能体作为获取学习数据的终端节点设备接入物联网传授教化系统，为学生供应实践性传授教化环境，支持学生“做中学”“用中学”和“创中学”。例如，如图 1 所示，学生可以通过设计物联智能风扇装置实现与传授教化系统的连接，将自己创作的作品所得到的数据实时上传到聪慧教诲平台上。这种群体智能技能可以支持开展各种团队式实践传授教化。
2.5 人机交互技能赋能传授教化
如图2所示，人机交互技能赋能传授教化可以通过互动式传授教化软件设计，支持学生的探究式学习。利用视觉、语音、穿着设备等多种交互办法呈现意见意义性更强的实践传授教化形式，有利于提高学生的学习兴趣，增强自主学习能力。
2.6 知识图谱技能赋能传授教化
如图3所示，知识图谱技能包含知识表示和建模、知识获取、知识领悟、知识存储、知识打算和知识运维等。构建传授教化干系的知识图谱，可以让打算机获取到知识，通过打算机生动形象地展示出知识，把教材、头脑中的知识组织、表达清楚。打算机可以通过存储的知识给学生出试题，也可根据学生的回答情形给予针对性的帮助。知识图谱技能能增强传授教化内容的系统性和传授教化过程的互动性。
3 AI赋能教诲的传授教化软件及系统开拓
在AI赋能教诲实践中，团队自主研发了通过汉语编程的传授教化软件设计环境——汉措辞，和支持线上线下互动的远程实践传授教化平台——基于云边端协同的智能传授教化系统，为深化教诲传授教化改革供应了有力支撑。
3.1 互动式传授教化软件的开拓
汉措辞是一组系列软件开拓环境，包括面向系统集成的S版 、面向开源硬件的H版、面向智能终端“听小方”的T版和面向学习者浏览的L版等。S版是一款极易上手的图形化编程软件，支持动画、视频、音频和游戏等多种交互内容的快速设计。编程零根本的学员通过4~6学时学习，就能上手设计集成系统的综合掌握界面。汉措辞具有网络接口，可以实现WiFi、蓝牙等通信功能，方便与单片机、Arduino掌握器、树莓派为主的智能硬件系统进行信息交互。
西席可以利用汉措辞编程环境方便快捷地设计制作自己的互动式传授教化软件。互动式传授教化软件包含知识讲解、问题互动和成绩上传等功能模块，学生借助该软件可以完成传授教化内容的学习和学习成果的测试与分享。
3.2 远程实践传授教化平台：基于云边端协同的智能传授教化系统开拓
远程实践传授教化系统紧张包括传授教化智能体、互动传授教化软件及云做事器三部分（见图4）。个中传授教化智能体为基于STEAM智能硬件设计开拓的多种智能系统，比如机器臂、智能车、生产线、互动式传授教化工具箱、“听小方”知识竞赛系统等。传授教化智能体具有网络通讯模块，可以与打算机进行通讯，实现远程掌握和信息网络。互动传授教化软件为基于汉措辞S版开拓的传授教化软件，包含电子教案和电子测评两部分。学生可以利用该软件学习节制授课内容，测试学习成果。云做事器实现学生学习数据的网络和存贮。
如图5所示，传授教化环节采取“专家西席 + 班导师”的形式进行授课，线上由专家导师进行统一授课；线下由班导师卖力坚持秩序，大略答疑。学生具有自己的身份ID，学习过程产生的数据统一上传到云平台进行存储和剖析。
3.3 基于学习数据的传授教化组织与学习评价
传授教化环节设置分组和互答互评环节。首先由西席设计好传授教化内容的框架构造，将学生按不同主题进行分组，分别完身分歧的学习任务，利用软硬件学习资源形本钱组学习成果。然后，利用智能传授教化系统将所有成果进行统一网络和管理，形成一套可以在线上分享和互动的学习管理系统，面向所有学生开放共享。如图6所示，学生在该平台上可以不雅观看、学习、测试和点评其他小组的学习成果，平台对学生的成绩、精确率和点评情形进行自动网络和整理，实现了学习过程的闭环管理。
4 丰富的AI赋能教诲实践
团队积极利用自主研发的AI赋能教诲的传授教化软件及系统进行了丰富多彩的实践探索，通过游戏化学习、竞争性学习、组织性学习等多种形式， 实现了从幼儿园到大学的全学段教诲，以及成人教诲AI赋能的全覆盖（见图 7）。
在实践探索中，团队积极倡导科艺领悟的理念，以培养学生“三个素养”（科学素养、技能素养和艺术素养）和“三现能力”（创造能力、实现能力和展现能力）为目标，通过构建“4T”（导师（tutors）、西席（teachers）、演习生（trainees）和团队（teams））传授教化模型，履行“教、学、练、展、评”五步传授教化法，实现以西席为主导、学生为主体的互动传授教化。
4.1 各级各种教诲的AI赋能
4.1.1 幼教阶段：幼儿综合能力培养幼教阶段教诲实践资源，包括“听小方机器人”及其配套的适宜幼儿的综合能力培养课程，通过传授教化助理机器人为小朋友讲故事，以及利用传授教化游戏软件等形式开展传授教化，并通过智能系统对学生的学习情形进行统计、上传和剖析。
“听小方机器人”是一款自主研发的立方体构造变形仿人机器人，支持拼装和变形，适宜磨炼动手能力和想象力。课程采取点读的形式进行交互，交互活动在纸面上进行，有效地避免了电子屏幕对眼睛的侵害，达到了保护儿童视力的效果。
4.1.2 小学阶段：乐学系列课程
小学阶段的教诲实践活动结合生活化的场景，以项目驱动的办法对学生信息意识和打算思维进行培养，提升学生的动手能力和解决问题的能力。教诲主题包括乐学机器人、乐学编程和乐学物联网三个方面。课程从机器人拼装、搭建、思维能力演习开始，以软硬件相结合的形式进行编程思维和能力演习，以自主研发的模块化、图形化编程软件为编程工具。学生在学习过程中通过不断接管寻衅，办理实际问题，增加造诣感，树立自傲心，享受学习快乐，提高学习兴趣。
4.1.3 中学阶段：创意机器人系列课程
中学阶段教诲实践活动采取传授教化和实践相结合的探索式学习模式，勾引学生参与探索式学习，提升学生的综合本色和实践能力，使其能够将所学内容与实际运用相结合。教诲主题包括智能车、机器臂和变形机器人三个方面，包含丰富的传感器、掌握器、实行机构事理及运用技能。学生通过设计、编程、组装和调试等环节，节制AI技能运用及创意开拓能力，养成利用打算思维办理学习和生活中实际问题的习气，培养学生智能系统设计与管理意识，使其具备AI的根本实践能力。
4.1.4 大学阶段：创造力培养的传授教化实践
大学阶段环绕创造力培养开展传授教化改革的实践探索，利用AI、机器人等课程的通识化传授教化，通过PBL和OBE传授教化模式促进学生创造力和综合本色提升。传授教化活动具有充分的开放性，支持学生在实践探索中开展自主学习。通过资料查找、问题设计、知识共享和团队测试等环节的设计，实现以测匆匆学；通过任务驱动和互助学习，让学生有机会在传授教化中完成诸如智能云台事理与实现、串联机器臂分类搬运系统、物联网风扇系统、音乐魔盒、智能车及其掌握方法等诸多项目。学生在创意、设计、制作和分享等过程中体验学习的收成，提高对学业的兴趣，引发研究的希望。
4.1.5 成人教诲：以聪慧交通主题为例
面向成人教诲的AI赋能根据实际须要设置多种主题，以生活化的聪慧交通项目为例，通过“提问 -探究 - 方案 - 履行 - 展示”的形式，培养社会学员的科学素养、技能素养和艺术素养。
项目采取由浅入深的形式对学员进行培训，从通过编程点亮一个灯到实现传感器无线掌握，从单个智能体设计制作到系统集成的综合调试，学员们剖析设备集控所须要的数据信息，设计无线集控的掌握方案，调试集控管理程序，终极实现整套聪慧交通系统的综合展示。
4.2 AI 赋能的多样化学习组织
4.2.1 游戏化学习：幼儿本色教诲
幼儿项目通过游戏化的形式向小朋友们供应学习体验，本项目以“方方历险记”作为故事背景，以沉浸式的办法将小朋友们带入到这个美妙奇幻的故事里，小朋友便是故事的主人翁。每次课都是一次冒险，小朋友们与方方一起经历“磨练”，思考“办理办法”，末了利用自己的聪明才智通过磨练。
项目采取“学、玩、赛”三个环节进行传授教化，分别为自己探索、自学自测和集体游戏竞赛。学生利用机器人在教材上点读探索，获取故事细节和知识；然后机器人会向学生提问，学生须要根据问题找到精确答案，验证所学；终极西席组织全体学生进行集体游戏互动，网络学生的学习数据，节制学习情形。
4.2.2 竞争性学习：思政传授教化创新
为促进基层党建事情，深化广大党员对党史知识的学习和理解，以智能技能为依托，开拓了“庆祝中国共产党建党 100 周年”党的知识互动学习竞赛系统。系统由点读机器人、纸面编码系统和交互学习软件构成，通过网络连接成整体。支持团队学习、互动学习、集体竞赛，通过“边学边测”考验学习效果；通过分组学习与竞赛，极大地促进了学员的学习激情亲切，提升了基层党建活动的实效性。
4.2.3 组织性学习：专业课的传授教化创新
针对大学生课程中理论与实践脱节的现实问题提出了一整套课程改革思路，在《机器人技能根本》课程培植过程中，通过互动传授教化软件的开拓与运用，验证了基于互联网实现了远程PBL模式传授教化。课程冲破常规，大胆改革，实现了实践课程的创新。
通过AI赋能教诲，在以往的“老师讲、学生听”的模式中增加了“学生讲、老师评”的环节。学生在老师的辅导下，可以在短韶光内完成智能系统的创意、设计和履行，实现课程在传授教化组织的创新。这一方面表示了以西席为主导、学生为主体的传授教化理念，充分调动了学生的学习主动性，引发了学生的创造力；另一方面也降落了西席的重复劳动，为西席提升综合能力供应了更多韶光。总体上让老师和学生都能在传授教化过程中收成更多造诣感，使传授教化过程不再呆板和乏味。
5 结束语
AI赋能教诲已经成为大势所趋，这种探索与实践起于校园而不止于校园。随着AI技能的不断进步，必将在有效促进教诲传授教化改革和创新的实践中发挥更大浸染，实现让教与学成为相伴生平的快乐体验。
（参考文献略）
选自《中国人工智能学会通讯》
2022年第12卷第6期
人工智能技能赋能下的智能系统设计及运用专题