侯雅莉

(南京曉莊學(xué)院,江蘇 南京 211171)

一、 引言

傳統(tǒng)的教育模式在面對日益增長的知識體系和多樣化的學(xué)習需求時,顯得捉襟見肘。如何提高教育質(zhì)量、縮小教育差距、滿足個體化學(xué)習需求等問題,一直困擾著教育工作者。人工智能(Artificial Intelligence, AI)技術(shù)的出現(xiàn),為教育領(lǐng)域的改革和創(chuàng)新帶來了新的思路和可能性[1]。習近平總書記強調(diào),中國高度重視人工智能對教育的深刻影響,積極推動人工智能和教育深度融合,促進教育變革創(chuàng)新。國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》,明確利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革[2]?；诩夹g(shù)和政策的雙重驅(qū)動,AI教育發(fā)展勢不可擋,正確認識并把握AI教育的機遇與挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

本文對中國近十年“人工智能+教育”的研究進行了全方位分析,深入探討了AI技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用效果,通過對已有研究的總結(jié)和評價,了解AI在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢和局限性,從而為未來的研究和實踐提供有益的啟示。

二、 研究方法

本文采用文獻計量學(xué)分析方法,對“人工智能+教育”的研究進行對比分析,并利用CiteSpace生動地展示分析結(jié)果。文獻計量學(xué)是一種基于大量文獻數(shù)據(jù)的定量分析方法,旨在通過對文獻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和圖表呈現(xiàn),揭示某一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢、熱點問題和研究熱度等信息[3]。其中,關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析、共現(xiàn)詞聚類分析以及突發(fā)性檢測是本文挖掘AI教育領(lǐng)域研究熱點和前沿趨勢的主要方法。

(1) 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析主要用于分析文獻中關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系,基本思想是通過統(tǒng)計文獻中關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻率,揭示不同關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)性。

(2) 基于關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次,聚類分析通過統(tǒng)計文獻中關(guān)鍵詞之間的相似性,揭示AI教育領(lǐng)域中的熱點問題。本文利用潛語義索引(LSI)對關(guān)鍵詞進行聚類,考慮關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次的同時,還考慮了關(guān)鍵詞間的語義相似性,因此聚類結(jié)果更加準確。 CiteSpace中,聚類模塊值(Q值)和平均輪廓值(Silhouette,簡稱S值)是評價聚類結(jié)果優(yōu)劣的指標,Q值和S值的區(qū)間是[0,1)。當S值大于0.5說明聚類合理,大于0.7說明聚類可信,越接近1說明同質(zhì)性越高;當Q>0.3時,說明聚類結(jié)果是顯著的[4]。

(3) 關(guān)鍵詞突發(fā)性檢測是指挖掘持續(xù)時間內(nèi)出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞,對關(guān)鍵詞進行突發(fā)性檢測有助于把握近10年中與AI教育相關(guān)的熱門研究話題的延續(xù)性和演變趨勢。

三、 研究結(jié)果

(一) 數(shù)據(jù)來源

近十年,中國在人工智能領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展,人工智能在教育領(lǐng)域的影響也得到了廣泛專注。本研究數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng),檢索日期為2023年3月2日,時間跨度為2013至2023年。以篇名、摘要或關(guān)鍵詞為檢索范圍,在中國知網(wǎng)的教育理論與教育管理學(xué)科中檢索 “人工智能”和“教育”相關(guān)的文獻,篩選其中科學(xué)引文索引(Science Citation Index,SCI)、北大核心以及中文社會科學(xué)引文索引(Chinese Social Sciences Citation Index,CSSCI)收錄的文獻,總計1347篇。數(shù)據(jù)源概況如圖1所示。根據(jù)圖1(a),2013年至2016年是人工智能應(yīng)用于教育領(lǐng)域的起步階段,自2016年,年度發(fā)文量迅猛增加,自2019年,發(fā)文量增加變緩,并維持在一個高水平。圖1(b)描述了排名前十的發(fā)文機構(gòu),主要集中在研究型師范類院校,表現(xiàn)最突出的是不同區(qū)域的三所 985院校。圖1(c)繪制了排名前十的期刊,主要集中在高影響力的教育類期刊。

圖1 數(shù)據(jù)源概況

(二) “人工智能+教育”領(lǐng)域研究熱點

關(guān)鍵詞是對論文主題和內(nèi)容的簡明概括。通過構(gòu)建關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò),將文獻中的關(guān)鍵詞作為節(jié)點,節(jié)點之間的連線表示這些關(guān)鍵詞在同一篇文獻中出現(xiàn)的頻率或者共現(xiàn)次數(shù)。然后,利用節(jié)點的中心性識別出網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點或者子群。在此基礎(chǔ)上,使用LSI將關(guān)鍵字共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分為若干個子圖,每個子圖代表一個研究主題。本節(jié)對1347篇AI教育的文獻進行分析,最終得到17個聚類(如圖2—圖9),得到的Q值為0.8595,輪廓系數(shù)為0.9641,聚類結(jié)果合理且可信。在每個聚類圖中,關(guān)鍵詞的字體越大,該關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次越高,節(jié)點間的連線越粗,則關(guān)系越緊密。依據(jù)聚類主題,下面將從核心技術(shù)、學(xué)習方式、教學(xué)測評、人才培養(yǎng)、教育變革、師生角色、倫理問題七個角度分析AI教育的研究熱點。

圖2 以“人工智能”“深度學(xué)習”為主題的聚類圖

1. 核心技術(shù)

人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)分布在三個聚類,每個聚類的核心技術(shù)分別是霧計算、深度學(xué)習和機器人(圖2、圖3)。

圖3 以“機器人”為主題的聚類圖

(1) 霧計算

霧計算是一種新型的計算模式,可以將數(shù)據(jù)處理和存儲功能分布到網(wǎng)絡(luò)的邊緣,即近用戶端的設(shè)備上。這樣可以降低數(shù)據(jù)傳輸時延和帶寬壓力,同時提高計算和存儲資源的利用效率。在教育領(lǐng)域,霧計算可以將教育數(shù)據(jù)存儲在本地設(shè)備上,利用邊緣計算能力進行數(shù)據(jù)處理和分析,從而支持個性化學(xué)習和教育資源的高效使用[5]。數(shù)據(jù)湖是一種存儲大數(shù)據(jù)的架構(gòu),可以將各種類型和格式的數(shù)據(jù)存儲在同一個數(shù)據(jù)池中,并在需要時對其進行分析和處理[6]。數(shù)據(jù)湖可以用于管理和存儲學(xué)生的教育數(shù)據(jù),包括學(xué)習記錄、測評結(jié)果、個人信息等。這樣可以為學(xué)生提供更加全面和精準的學(xué)習管理和支持。霧計算和數(shù)據(jù)湖為精準管理、代際傳遞和反饋回路提供了不可或缺的技術(shù)支持。

(2) 深度學(xué)習

深度學(xué)習是機器學(xué)習的分支,兩者都是通過訓(xùn)練算法使計算機具備從數(shù)據(jù)中自動學(xué)習和提取知識的能力。深度學(xué)習主要側(cè)重于使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理復(fù)雜的非線性數(shù)據(jù),而機器學(xué)習則包括更廣泛的算法[7]。數(shù)據(jù)挖掘可以幫助教師分析學(xué)生的學(xué)習行為、成績趨勢、教學(xué)資源的使用情況等,從而為優(yōu)化教學(xué)策略提供有力支持。在深度學(xué)習、機器學(xué)習和數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)上,專家系統(tǒng)通過模擬人類專家的思維過程,實現(xiàn)對知識的自動獲取和推理,它是一種基于知識庫和推理機制的人工智能應(yīng)用[8]。在教育領(lǐng)域,語義圖示可以用于構(gòu)建知識地圖、概念網(wǎng)絡(luò)等,幫助學(xué)生形成清晰的知識體系[9]。語義圖示與深度學(xué)習、機器學(xué)習和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)相輔相成,共同促進教育資源的優(yōu)化和學(xué)生學(xué)習效果的提升。

(3) 機器人

區(qū)塊鏈和機器人作為兩大熱門技術(shù),對教育行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響[10]。區(qū)塊鏈技術(shù)以其去中心化、安全可靠、透明公開的特點,可以記錄學(xué)生的學(xué)習過程,包括成績、表現(xiàn)、技能等方面的信息,形成完整的學(xué)習檔。這有助于教育機構(gòu)對學(xué)生的綜合評價和個性化教學(xué)[10-11]。區(qū)塊鏈技術(shù)也可以促進教育資源的共享和交流,打破地域和學(xué)科的界限,實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源的公平分配[12]。機器人技術(shù)通過人工智能、自然語言處理等技術(shù),不僅可以充當智能教學(xué)助手[13-14],而且能夠完成個性化教學(xué)[15-16]、在線答疑和情景模擬等工作。區(qū)塊鏈和機器人推動了智慧校園的建設(shè),智慧校園作為一個基于人工智能技術(shù)的綜合性教育平臺,實現(xiàn)了學(xué)校管理、教學(xué)資源、學(xué)習環(huán)境等多方面的智能化[17]。

2. 學(xué)習方式

人工智能對學(xué)習方式的影響分別圍繞在線學(xué)習和智慧課堂展開(見圖4)。慕課作為在線學(xué)習的重要組成部分,通過大規(guī)模開放式課程,為廣大學(xué)生提供了豐富的學(xué)習選擇[18-19]。在鄉(xiāng)村教育方面,人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用有助于縮小城鄉(xiāng)教育資源差距。通過在線學(xué)習、慕課和平臺建設(shè),鄉(xiāng)村學(xué)生和城市學(xué)生都能享受到優(yōu)質(zhì)的教育資源,進一步縮小了城鄉(xiāng)之間的教育差距。

圖4 以“在線學(xué)習”“智慧課堂”為主題的聚類圖

基于中臺架構(gòu)和邊緣計算的技術(shù)支持,智慧課堂、精準教學(xué)、協(xié)作學(xué)習對高校教學(xué)和教師教育等方面帶來了深刻影響[20-21]。智慧課堂是以人工智能技術(shù)為核心,將教育資源、教學(xué)方法、教學(xué)評價等多種元素有機融合,實現(xiàn)個性化、智能化的教育環(huán)境[22]。精準教學(xué)側(cè)重于通過大數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習需求、能力特點的精確把握,從而提供針對性強的教學(xué)方案[23]。協(xié)作學(xué)習則強調(diào)學(xué)生之間的相互合作與交流,以提高學(xué)習效率[24]。

3. 教育變革

作為教育變革的前沿陣地,高等學(xué)府在教育方式上更加注重人機協(xié)同和精準教育,未來教育輸出中將更加重視培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和創(chuàng)業(yè)教育(見圖5)。

圖5 以“教育”“智能技術(shù)”“智能教育”“信息技術(shù)”為主題的聚類圖

在AI教育時代,計算思維成為必備的素質(zhì),學(xué)生需要掌握如何運用計算機解決問題、分析數(shù)據(jù)等能力[25],學(xué)生應(yīng)具備保護個人信息、預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊等基本技能[26],同時需要具備辨別、評估、利用信息的能力,以便在海量信息中篩選出有價值的內(nèi)容[27]。在人工智能的輔助下,教學(xué)設(shè)計應(yīng)注重個性化、差異化,滿足學(xué)生多樣化的需求[15]。情感計算則能夠讓計算機更好地理解學(xué)生的情感需求,從而提高學(xué)生的學(xué)習體驗[28]。

4. 教育測評

圖6顯示,隨著人工智能與教育的深度整合,教育評估的方法和目標也將經(jīng)歷重大的變革[29]。人工智能可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對學(xué)生的學(xué)習數(shù)據(jù)進行深度挖掘,實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習成績、學(xué)習習慣、勞動素養(yǎng)等多維度的全面評估。這種評估方式不僅準確度高,而且可以為后續(xù)的學(xué)習分析提供數(shù)據(jù)支持[30]。其中,勞動素養(yǎng)是個體綜合勞動能力與素質(zhì)的體現(xiàn),涵蓋知識、技能、態(tài)度等方面,具有在人工智能時代適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和職業(yè)要求的重要性[31]。

圖6 以“知識圖譜”“工具理性”為主題的聚類圖

5. 人工智能背景下師生角色的重定位

泛在學(xué)習與智慧教育的興起引領(lǐng)教育角色轉(zhuǎn)變,在人工智能輔助教育中,教師和學(xué)生的角色發(fā)生了變化[32]。教師不再是單純的知識傳授者,而是學(xué)生學(xué)習過程中的引導(dǎo)者和輔助者[33];學(xué)生則從被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿髡?更加注重自主學(xué)習和發(fā)揮創(chuàng)造力(見圖7)。

圖7 以“教師角色”“智慧教育”為主題的聚類圖

6. 人才培養(yǎng)

人工智能在推動人才培養(yǎng)的同時,也對其提出了新的要求,主要表現(xiàn)在核心素質(zhì)和職業(yè)教育兩個方面(見圖8)。

圖8 以“人才培養(yǎng)”“大數(shù)據(jù)”為主題的聚類圖

核心素養(yǎng)是人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)。在人工智能時代,學(xué)生需要具備批判性思維、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作等基本素質(zhì),以適應(yīng)未來社會的需求。在此基礎(chǔ)上,新工科和新文科作為兩個重要的教育領(lǐng)域,分別強調(diào)工程技能和人文素養(yǎng)的培養(yǎng),以滿足不同行業(yè)的人才需求。新工科是指以AI為代表的新興工程技術(shù)領(lǐng)域,其在人才培養(yǎng)中的地位日益凸顯。新工科的發(fā)展要求教育體系進行調(diào)整,增加相關(guān)課程設(shè)置,培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力、跨學(xué)科素養(yǎng)的工程技術(shù)人才[34-35]。新文科則關(guān)注人文素養(yǎng)和社會責任感的培養(yǎng),以提升學(xué)生的思辨能力和領(lǐng)導(dǎo)力[36]。

人工智能技術(shù)為職業(yè)教育提供個性化學(xué)習方案[37],可以通過模擬真實商業(yè)場景,幫助學(xué)生提高商業(yè)思維和實踐能力[38]。人才培養(yǎng)目標更加注重培養(yǎng)學(xué)生的商業(yè)能力和技能。

7. 倫理問題

AI在助力技術(shù)創(chuàng)新、教學(xué)創(chuàng)新和教育治理的同時,也帶來了倫理問題。在數(shù)據(jù)安全方面,隨著大量教育數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和應(yīng)用,數(shù)據(jù)安全和隱私保護成為了亟待解決的問題[39]。在教育倫理方面,AI技術(shù)應(yīng)用于教育需要尊重學(xué)生的隱私權(quán)、知情權(quán)和選擇權(quán)(見圖9)。

圖9 以“倫理策略”“數(shù)據(jù)倫理”為主題的聚類圖

(三) “人工智能+教育”前沿發(fā)展趨勢

對“人工智能+教育”領(lǐng)域的共現(xiàn)關(guān)鍵詞進行突現(xiàn)詞檢測得到11個突現(xiàn)詞,如圖10所示。這些關(guān)鍵詞是2013—2023年期間在共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)頻率驟增的詞匯,代表了“人工智能+教育”在每個階段的研究前沿。圖10中,“Year”表示關(guān)鍵詞突現(xiàn)開始的年份,且持續(xù)時間至少為1年,“Strength”表示關(guān)鍵詞突現(xiàn)的強度,“Begin”和“End”分別表示關(guān)鍵詞突現(xiàn)開始和結(jié)束的年份。2013至2023年期間,中國的AI教育經(jīng)歷了初步探索、實踐階段、深入發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展四個階段。

圖10 2013—2023年”人工智能+教育”領(lǐng)域的研究前沿演變

1. 初期探索階段(2013—2016年)

在初期,學(xué)習分析和深度學(xué)習技術(shù)逐漸引起關(guān)注,為提高教育質(zhì)量和個性化教學(xué)提供了技術(shù)支持。通過對學(xué)生的學(xué)習數(shù)據(jù)進行挖掘和分析,可以為教育者提供有關(guān)學(xué)生學(xué)習情況的詳細信息,從而有針對性地提高教學(xué)效果[40]。其次,深度學(xué)習可以用于語音識別、圖像識別、自然語言處理等多個方面,為學(xué)生提供更加智能化的學(xué)習體驗[41]。初期的主要目標是通過AI技術(shù)提高教學(xué)質(zhì)量、輔助教師進行批改作業(yè)、評估學(xué)生表現(xiàn)等任務(wù),提高教育效率、實現(xiàn)個性化教學(xué)[42]。

2. 實踐階段(2017—2018年)

在這一階段,中國政府高度重視AI教育的發(fā)展,出臺了一系列政策和規(guī)劃,為AI教育提供了有力的政策支持。各大高校、科研機構(gòu)和企業(yè)紛紛加大對AI領(lǐng)域的投入,通過合作共建、資源共享等方式,整合教育資源,共同推動AI教育的發(fā)展[19]。在此背景下,各大高校和教育機構(gòu)積極探索AI教育的新模式,如實驗性教學(xué)、項目式學(xué)習、在線與線下相結(jié)合等,以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力[43]。

3. 深入發(fā)展階段(2019年)

在這一階段,AI教育呈現(xiàn)出多元化、綜合化的特點,旨在培養(yǎng)具有全面素質(zhì)、創(chuàng)新精神和實踐能力的人才,以適應(yīng)社會發(fā)展的需求[44]。AI教育不僅注重學(xué)生的理論知識積累,同時也強調(diào)實踐能力、心理健康和政治信仰的培養(yǎng)[45]。同時,AI教育招生策略更加注重選拔具有創(chuàng)新精神和實踐能力的學(xué)生。選拔過程不再單純依賴于考試成績,而是結(jié)合學(xué)生的實際操作能力、團隊協(xié)作能力等多方面因素進行綜合評估[46]。

4. 創(chuàng)新發(fā)展階段(2020—2023年)

這一階段的特點主要體現(xiàn)在教育變革和元宇宙兩個方面,它們共同推動著教育領(lǐng)域的變革,為學(xué)生提供了更加個性化、有趣和高效的學(xué)習方式,有望為未來教育發(fā)展帶來更多的可能性。AI技術(shù)不僅使教育過程變得更加智能化、個性化和高效[47],而且還可以實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習過程的實時監(jiān)控和評估,為教育決策提供數(shù)據(jù)支持。元宇宙作為一個虛擬的、數(shù)字化的世界,可以為學(xué)生提供沉浸式的學(xué)習環(huán)境,使他們能夠在虛擬世界中親身體驗和探索知識[48]。

與此同時,ChatGPT實現(xiàn)了語言邏輯上的元宇宙并快速成為AI教育的熱門話題。一方面,元宇宙為ChatGPT提供了一個廣闊的應(yīng)用場景;另一方面,ChatGPT為元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強大的支持。鑒于目前的研究現(xiàn)狀,元宇宙教育將成為未來AI教育領(lǐng)域的研究前沿。然而,元宇宙教育也面臨著諸多挑戰(zhàn)和問題,包括較高的技術(shù)成本、信息安全以及學(xué)生的心理健康。AI教育將不斷優(yōu)化元宇宙教育的技術(shù)和應(yīng)用,為未來教育帶來革命性的變革。

四、 結(jié)語

本文利用文獻計量學(xué)對我國近十年AI教育領(lǐng)域的文獻進行量化分析,并對該領(lǐng)域的研究熱點和前沿趨勢進行可視化操作。關(guān)鍵詞聚類結(jié)果顯示,我國AI教育的研究熱點分布于核心技術(shù)、學(xué)習方式、教學(xué)測評、人才培養(yǎng)、教育變革、師生角色、倫理問題等七個方向。在此基礎(chǔ)上,對AI教育研究的關(guān)鍵詞進行了突現(xiàn)分析,根據(jù)關(guān)鍵詞突現(xiàn)時間將研究前沿的發(fā)展劃分為四個階段:初期探索、實踐階段、深入發(fā)展和創(chuàng)新發(fā)展階段。

人工智能在教育領(lǐng)域所帶來的機遇和挑戰(zhàn)已經(jīng)引起了國內(nèi)研究型師范類院校的高度重視。同時,隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展,越來越多的AI技術(shù)得以實際應(yīng)用于教育領(lǐng)域。隨著核心技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是深度學(xué)習等技術(shù)的廣泛應(yīng)用,學(xué)習方式得以創(chuàng)新。個性化學(xué)習系統(tǒng)、虛擬實境等基于核心技術(shù)的創(chuàng)新性學(xué)習方式逐漸嶄露頭角,進一步推動了教學(xué)測評方法的更新。在這一過程中,自動化評估系統(tǒng)、學(xué)習行為分析等技術(shù)與個性化學(xué)習方式相結(jié)合,為更精準的教學(xué)測評提供支持。AI技術(shù)帶來的教育變革不僅改變了教學(xué)方式,也重新定義了師生的角色。教師不再僅是傳統(tǒng)的知識傳授者,更成為引導(dǎo)學(xué)生利用AI工具學(xué)習的導(dǎo)師,學(xué)生在個性化學(xué)習中發(fā)揮更為活躍的作用。新型師生互動方式對倫理問題提出了新的挑戰(zhàn),需要更嚴謹?shù)膫惱硪?guī)范和監(jiān)管機制。未來,如何通過教育變革迎接元宇宙的落地,將是熱門的研究主題。