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AIEd:教育中的人工智能大揭秘 | 未來之星深度



小星導(dǎo)讀


我們的生活已經(jīng)進入了人工智能(Artificial Intelligence)的時代。而在教育領(lǐng)域,人工智能又有什么樣的表現(xiàn)與潛力呢?繼上一次有關(guān)自適應(yīng)學(xué)習(xí)(Adaptive Learning)的分享之后,小星將繼續(xù)為大家分享培生集團(Pearson)的另一份研究報告,《智能釋放》(Intelligence Unleashed),與大家繼續(xù)討論這一教育科技領(lǐng)域的新鮮話題。


AlphaGo在與李世石的“人機圍棋大戰(zhàn)”勝出,使越來越多的大眾把目光投向人工智能這一領(lǐng)域。其實,人工智能一直在我們身邊,從Siri到無人駕駛汽車,從在線翻譯助手到機器人,就連谷歌搜索都是隱藏很深的人工智能——用戶的每一次搜索,都是在幫助引擎對用戶的需求與偏好進行深度學(xué)習(xí)。而在教育領(lǐng)域中,人工智能也被進一步廣泛地應(yīng)用。比如小星介紹過的“自適應(yīng)學(xué)習(xí)”(adaptive learning),這實際上就是教育人工智能的一部分:“通過自主提供適合每位學(xué)生的獨立幫助,在現(xiàn)實中與學(xué)生進行實時互動”。

根據(jù)培生集團《智能釋放》的報告,小星將分兩次為大家仔細解讀人工智能。


  • 總覽:什么是人工智能(AI, Artificial Intelligence)?什么是教育中的人工智能(AIEd, Artificial Intelligence in Education)
  • AIEd現(xiàn)階段的發(fā)展情況與發(fā)展趨勢AIEd能為我們提供什么幫助?目前市場上較為成熟的應(yīng)用是什么?


智能科技使我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化,似乎也毫無疑問地會影響到我們的教與學(xué),但目前教育行業(yè)當(dāng)中智能科技帶來的影響卻似乎始終未達預(yù)期,報告指出,可以從幾個方面來思考教育中的人工智能(AIEd):
                                             
首先,需要明確什么是教育當(dāng)中的人工智能(AIEd, artificial intelligence in education),它能夠?qū)崿F(xiàn)什么,以及是如何實現(xiàn)的。

其次,需要厘清人工智能領(lǐng)域是如何與教學(xué)的核心連接起來的,以此來避免不能帶來學(xué)習(xí)效果階躍變化(step change,從一種變化很快地變?yōu)榱硪环N狀態(tài))的通用科技,比如適應(yīng)于更討喜的內(nèi)容,而非更有效的學(xué)習(xí)。

再次,需要提出能夠在系統(tǒng)層面上實現(xiàn)AIEd的潛力的明確的選擇,即能夠廣泛支持教育工作者與積極影響每個學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

最后,需要更深入地探討道德倫理問題,比如應(yīng)如何恰當(dāng)?shù)剡\用AIEd收集得來的數(shù)據(jù)。


簡言之,我們需要對AIEd有明晰的認識,從而進行一系列的評定、投資、計劃、履行與測試等等。



什么是人工智能(AI, artificial intelligence)


即使是專家也很難給AI下定義,原因之一是AI包含的東西是在持續(xù)變化的,“如果某物變得足夠有用、足夠常見,就不再有AI這一標(biāo)簽”,而是被認為是電腦程序、算法、應(yīng)用等等。另一個原因是這個領(lǐng)域是跨學(xué)科的,人類學(xué)、生物學(xué)、計算機科學(xué)、語言學(xué)、哲學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)都對這個領(lǐng)域有貢獻,而它們都有各自的視角和專業(yè)術(shù)語。


根據(jù)《智能釋放》報告的定義,AI是通過模擬人類能力與智慧行為,與世界產(chǎn)生互動的計算機系統(tǒng)(We define AI as computer systems that have been designed to interact with the world through capabilities and intelligent behaviors that we would think of as essentially human.)。


日常生活中的AI運用在更快速地發(fā)展,比如,AI科學(xué)家在建立新的方法來進行機器學(xué)習(xí)、計算機建模、收集改善金融決策制定的概率數(shù)據(jù)、利用決策理論與神經(jīng)科學(xué)促進更有效的藥物診斷的發(fā)展等。

教育中的人工智能(AIEd, artificial intelligence in education)


AIEd把本身即跨學(xué)科的AI與學(xué)習(xí)科學(xué)(教育學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、語言學(xué)、社會學(xué)、人類學(xué))相結(jié)合,促進適應(yīng)性學(xué)習(xí)環(huán)境與其他AIEd工具的發(fā)展。

AIEd的科學(xué)目標(biāo)為“實現(xiàn)教育、心理學(xué)、社會學(xué)知識的計算精確明晰的形式”,即成為打開“學(xué)習(xí)黑箱子”的重要工具,讓我們更深入地了解學(xué)習(xí)是怎么發(fā)生的(比如是如何受學(xué)習(xí)者的社會經(jīng)濟、物質(zhì)環(huán)境或科技影響的)。

AIEd也可以有利于不含科技的學(xué)習(xí)過程,比如,AIEd可以幫助我們看到、了解到學(xué)習(xí)物理的極細微的步驟與容易發(fā)生的錯誤想法,從而在教學(xué)過程中對教師起輔導(dǎo)的作用。

上面提到,我們把AI定義為利用原本被認為是屬于人類的能力與智慧行為與世界互動的計算機系統(tǒng)。這意味著AI依賴對世界的認知與智能處理這一認知的算法。對世界的認識用所謂的“模型(models)”來展現(xiàn),AIEd包括3個核心模型:教學(xué)者模型(Pedagogy Model)、領(lǐng)域模型(Domain Model)、學(xué)習(xí)者模型(Learner Model)。


教育人工智能(AIEd)系統(tǒng)案例分析
下面以一個專門為學(xué)生提供適當(dāng)?shù)膫€人反饋的AIEd系統(tǒng)為例。首先,這個系統(tǒng)需要AIEd了解:

  • 教學(xué)的有效方法(在教學(xué)者模型中展現(xiàn))
  • 學(xué)習(xí)的科目(在領(lǐng)域模型中展現(xiàn))
  • 學(xué)生本身(在學(xué)習(xí)者模型中展現(xiàn))


其中學(xué)習(xí)者模型展現(xiàn)了電腦與學(xué)習(xí)者的互動(學(xué)生活動、以往成績、是否接受反饋等等),這可以被AIEd程序的領(lǐng)域、教學(xué)部分利用,來推斷學(xué)習(xí)者(和教學(xué)者)的進度,同時來決定下一步最適當(dāng)?shù)幕樱▽W(xué)習(xí)材料或?qū)W習(xí)活動)。更重要的是,學(xué)習(xí)者的行為會持續(xù)反饋到學(xué)習(xí)者模型中,使該模型更豐富更完整,使系統(tǒng)更“聰明”。

下圖展現(xiàn)了以模型為基礎(chǔ)的適應(yīng)性家教(model-based adaptive tutor):

圖片翻譯源于《智能釋放》報告


AIEd運算法則處理三部分信息,根據(jù)學(xué)習(xí)者的個人能力與需求選出最佳內(nèi)容傳遞給他們。除此以外,通過對學(xué)生互動的持續(xù)分析(如當(dāng)前的行為與答案、過去的成績、現(xiàn)在的有效狀態(tài))提出反饋(如暗示和指導(dǎo)),從而幫助他們在學(xué)習(xí)的內(nèi)容中取得進步。

對學(xué)生互動的深入研究也會被用于更新學(xué)習(xí)者模型。對于學(xué)生現(xiàn)在的狀態(tài)的精確估計(比如他們對動機的理解)確保每個學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷是與他們的能力和需求相匹配的,然后有效地支持他們的學(xué)習(xí)。

把持續(xù)的分析呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者和教學(xué)者,包括關(guān)于學(xué)習(xí)者成績的有價值的信息,他們的有效狀態(tài),或者他們的任何錯誤理解。這可以幫助老師理解他們的學(xué)生的學(xué)習(xí)方法,從而使他們能夠更好地進行適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)。對于學(xué)習(xí)者來說,開放的學(xué)習(xí)者模型可以通過使他們追蹤自己的進步來激發(fā)他們的動力,也可以鼓勵他們對自己的學(xué)習(xí)進行反思。


為了更直觀地描述上圖中的幾個模型,我們以智能學(xué)習(xí)機器人“智小樂”為例:這款機器人根據(jù)孩子的年齡特點建立對話場景,將孩子帶入到不同的話題中,引導(dǎo)孩子發(fā)問,在多輪交互式的對話中教學(xué)者模型(教學(xué)方法)],講授知識領(lǐng)域模型(教學(xué)內(nèi)容)]。同時分析孩子的情緒與其興趣點所在,在云端數(shù)據(jù)平臺記錄孩子的智力發(fā)展和對知識點的掌握情況學(xué)習(xí)者模型(學(xué)生反饋)]。在這個互動的過程中,機器人通過各種算法處理獲取的相關(guān)信息,通過“生成適應(yīng)性內(nèi)容”與“獲取并分析反饋數(shù)據(jù)”的不斷迭代,成為與孩子越來越契合的適應(yīng)性家教。



圖片來源于智小樂官網(wǎng)


另外一個使用AIEd系統(tǒng)的優(yōu)勢是這個系統(tǒng)能夠收集大量的數(shù)據(jù),進行旨在優(yōu)化教學(xué)與領(lǐng)域模型的數(shù)據(jù)分析計算,提供更有效、更有針對性、更連貫的支持,同時測試、增進我們對于教學(xué)過程的理解。

在學(xué)習(xí)者、教學(xué)者、領(lǐng)域模型以外,AIEd研究者發(fā)展了展現(xiàn)學(xué)習(xí)的社會、情緒的、和元認知(對認知過程的認知)等方面,使得AIEd系統(tǒng)能夠適應(yīng)影響學(xué)習(xí)的全范圍的因素。


總而言之,這一系列越來越豐富的AIEd模型可能會成為這一領(lǐng)域?qū)W(xué)習(xí)最大的貢獻。


下期預(yù)告


本期的介紹先到這里,希望能夠讓大家對教育中的人工智能(AIEd)有所了解,在接下來的推送中,小星將繼續(xù)深入為大家介紹AIEd。請大家關(guān)注我們的下一個專題分享:AIEd的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢


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