人工智能的教育应用——概念、现状与发展

人工智能的教育应用之研究框架张剑平浙江师范大学教育信息技术研究所人工智能的教育应用之研究框架1.AI教育应用的分类2.智能教学系统及其发展3.AI教育及其现状4.机器人教育与创新能力培养5.AI的教育应用之研究框架人工智能教育应用的分类人工智能的教育应用什么是“人工智能”•人工智能（ArtificialIntelligence:AI）是研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科是计算机科学的一个分支,也是一门交叉和边缘学科•人工智能研究处于信息技术发展的前沿，它的研究和应用在一定程度上反映了信息技术的发展方向。•教育信息化是教育领域全面、深入地运用IT来促进教育改革的过程，新世纪教育信息化的风起云涌呼唤AI的教育与应用。AI的教育应用之类型•从应用对象看，“计算机的教育应用”包括（3L）：1.学习计算机(Learnaboutcomputer)；2.用计算机学习(Learnwithcomputer)；3.从计算机学习(Learnfromcomputer)。•同理，“AI的教育应用”包括：1.学习AI(LearnaboutAI)把AI作为学习对象，内容包括AI的基础知识、基本技能及其对社会的影响等。2.用AI学习(LearnwithAI)学生把AI技术与工具作为学习工具，主要包括用AI来处理信息。3.从AI学习(LearnfromAI)教师把AI作为一种辅助的教学工具来辅助教学、辅助测试、辅助备课、管理教学等工作。智能教学系统及其发展——AI在教育中的主流应用人工智能的教育应用智能教学系统及其特征•智能教学系统是借助人工智能技术，让计算机扮演教师的角色实施个别化教学，向不同需求不同特征的学习者传授知识、提供指导的一种适应性学习支持系统。•就本质上看，以下系统是相同的：1.ITS，IntelligentTutoringSystem2.ICAI，IntelligentComputer-AssistedInstruction3.IIS，IntelligentInstructionSystem4.AIS，AdaptiveInstructionalSystems•智能教学系统的特征：–能了解学生的学习情况–能进行有针对性的教学–可以用自然语言交互——学生模型——教师模型——智能接口ITS系统的组成教师模型相当于专家系统的推理机ITS也称为教学专家系统ITS的国际研讨会届时间地点论文数7thAugust30-Sept.3,2004Maceio,Alagoas,Brazil796thJune2-7,2002Biarritz,FranceandSanSebastian,Spain985thJune19-23,2000Montreal,Canada674thAugust16-19,1998SanAntonio,Texas,USA653rdJune12-14,1996Montreal,Canada752ndJune10-12,1992Montreal,Canada781st1988Montreal,Canada－ITS国际研讨会的论文主题论文主题\届别2nd3rd4th5th6th7th合计（篇）特邀论文66565634ITS结构856610540著作系统42636829学生模型1166641043教学策略8756531协作学习0753621认知模型653317教学评价4325844教学代理5910327自然语言对话和分布式学习环境12911121155智能远程教育358基于Web的ITS1521018模拟369其他232022610990合计（篇）787565679879462ITS实例：ADELE•作者：美国南加利福尼亚大学信息科学学院•功能：临床医学诊断的教学•由模拟角色、解释引擎、会话管理器三部分组成，可以利用因特网进行远程教学。•基于病例的临床诊断：–系统向学生提供某一特殊的医学条件和病例，让学生通过练习和ADELE系统适当的引导来学习临床医学知识。ADELEAgentforDistanceEducation－LightEditionITS实例：Z＋Z智能教学系统•由中科院张景中院士主持开发的智能教育系列软件，包括初中代数、三角函数、解析几何、立体几何、初中物理、初中化学等多个软件。•基本功能:–能够进行智能解题、人机交互、自动推理和动态作图。•该软件已经通过审定并作为教育部推荐软件列入中小学教材图书目录。ITS的发展：智能代理•代理（Agent）–一种具有智能的实体,它具有自主性、反应性、适应性和社会性等基本特性。•教师代理–运用自身的推理机制，在了解学生实际情况的前提下，产生恰当的教学策略。•学生代理–充当学习者的学习伙伴或知心朋友，与学习者进行平等的讨论、交流。•实现智能化信息服务–可以充分发挥其主动性、智能性和协作性，为用户提供方便简单的信息搜索、处理手段，提高学习者的信息获取、处理能力。ICAI的发展：知识库系统•任务:存储记忆全部智能检索所需要的知识，并利用知识库的知识推导出新的知识。•基本功能：–能理解自然语言，允许用自然语言提出各种询问。–具有较强的联想能力，能根据对需求的大致描述找到有关知识。–具有推理能力，能根据存储的知识，演绎出所需的答案。–具有较强的知识获取能力，并具有自学功能。•目前的研究侧重于知识检索，即智能数据库系统。–目的：提高对网上信息的管理和检索能力–热点：数据仓库系统、数据挖掘ITS的发展趋势•自组织与个性化的信息系统——新的人工智能研究趋势NewAI:TowardSelf-OrganizingandPersonalizedInformationSystems——克劳斯.迈因策尔（德国奥克斯堡大学跨学科信息科学研究所所长）•现代社会最能被预见到的特质就是它的不可预见性。——杜德斯达（美国密西根大学前校长）ITS的发展趋势•现代学习理论的应用–将现代学习理论用于ITS，可以激发学生的学习兴趣和学习主动性，为学生建构知识提供有效的信息，满足学生个性化学习的需求。•智能代理技术的应用–智能代理技术是由各种技术支撑着的，许多实用的应用特性的集合，系统正是利用这些特性来扩展并达到能自动执行用户委托任务的目的。•自然语言处理技术的应用–通过自然语言人机接口更加方便地进行人机交互；实现知识点之间的层次关系和复杂的语义联系；技术实现知识的查找和利用；进行跨语种的知识学习。•虚拟现实技术的应用–虚拟现实技术是多媒体技术的最新发展，在ITS中，可以通过在虚拟环境中的亲身体验，来达到演示、操作的教学目的，也为增强学生的学习实践提供了方便、高效的途径。人工智能教育及其发展——以我国高中新课程为例人工智能的教育应用学习领域科目必修学分选修I学分选修II学分语言与文学语文10国家为满足学生的兴趣、爱好和未来发展的需要，在共同必修的基础上，各科课程标准设置若干选修模块，供学生选择。学校根据当地社会、经济、科技、文化以及自身条件开设，供学生选择。外语10数学数学10人文与社会政治8历史6地理6科学物理6化学6生物6技术信息技术4通用技术4艺术艺术或音乐、美术6体育与健康体育与健康11综合实践活动研究性学习15社区服务2社会实践6普通高中新课程概况多媒体技术应用算法与程序设计数据管理技术网络技术应用人工智能初步信息技术基础高中《信息技术》新课程的构成必修（2学分）:选修(2+X学分):信息获取信息加工与表达信息资源管理信息技术与社会12345人工智能教育对于信息素养培育的重要作用•对多种思维方式的培养和信息素养的综合锻炼求解结构化问题的传统程序＝算法＋数据结构求解非结构化、半结构化问题的人工智能程序＝知识＋推理•体验人类专家解决复杂问题的思路，提高学生的逻辑思维能力Jonassen认为：那些自行设计专家系统的学生将会在这种活动中受益匪浅，因为这是一个对所学知识进行深度加工的过程。•了解信息技术发展的前沿，激发对信息技术未来的追求高中教材:《人工智能初步》第1章初识人工智能1.1什么是人工智能1.2人工智能可以为我们做什么第2章了解人工智能语言2.1了解Prolog2.2使用Prolog2.3人工智能语言第3章用计算机表示知识3.1知识及其类型3.2知识表示入门3.3知识表示的常用方法第4章用计算机推理4.1什么是专家系统4.2专家系统如何工作4.3如何开发专家系统第5章用智能搜索解决问题5.1可以通过搜索求解的问题5.2穷举式搜索5.3启发式搜索与博弈第六章人工智能的发展与未来6.1人工智能的发展6.2人工智能的未来张剑平主编教育科学出版社2004•高中人工智能教材的比较研究机器人教育与创新能力培养人工智能的教育应用机器人的教育价值•作为家庭的益智玩具•作为幼教工具1.与传统的幼教工具相比有较强的交互性，交互形式多样，不易产生厌烦感。2.可以让孩子承担更错综复杂的探索并促成其全面发展。•作为成人的益智玩具•作为学校课外活动的载体•教育机器人课外活动的形式：1.课外兴趣小组2.各种机器人竞赛•作为基础教育课程的载体机器人教学的基本目标（供讨论）•知识与技能–了解机器人硬件结构、功能与应用等方面的基本知识；具备开展机器人活动的基本能力。•过程与方法–能够规划、拼装简易机器人、进行相应程序编写,能进行机器人的使用和维护。•态度、情感与价值观–培养对人工智能技术的兴趣；认识到智能机器人对社会进步与经济发展的作用；有应用机器人、参加机器人竞技活动的意识。机器人教育现状3：教育机器人产品（据不完全统计）产品生产/经销企业1诺宝机器人深圳市诺博特智能科技有限公司2能力风暴机器人上海广茂达3乐高机器人西觅亚科技4慧鱼机器人慧鱼中国5紫光机器人南京紫光科教仪器有限公司6通用机器人北京通用依耐特技术开发有限公司7中鸣机器人中鸣数码科技8纳英特机器人杭州纳英特电脑电子工程有限公司9研究版、大学版机器人上海英集斯自动化技术有限公司10教育机器人系列北京博创兴业科技有限公司12教学模型两足机器人，教学模型足球机器人中山大谷电子科技有限公司13未来之星教育机器人上海积成电子系统有限公司14交大智能机器人交大智通智能机器人事业部15英罗智能机器人（主要提供传感器等配件）上海英罗智能机器人有限公司16重庆友恒机器人重庆友恒电脑科技有限责任公司17利德机器人（足球比赛用）沈阳东大利德电子有限公司18灭火机器人套装博思电子数码科技有限公司18MythBusters、RadioShackVEX机器人教育面临的问题1.教学目标的科学性不强•小学、初中、高中机器人教育的教学目标问题2.教育行政部门的重视不够•目前主要由企业的积极性推动着相关活动的开展3.缺乏科学规划与教学设计•机器人“教材”大多是“产品说明书”或“用户指南”•对于“智能”概念的使用过于泛化4.缺少从教育视角进行的研究•相关研究涉及多个领域，课题申报的难度较大5.机器人产品缺少规范•教育机器人品牌繁杂，自成体系，互不兼容，开放度低•教育功能完善且性能价格比高的教育机器人产品不多6.……推进AI&R教育的思考：关于AI&R教育的研究•研究意义1.为我国中小学开展人工智能与机器人（AI&R）教学提供可操作的教学与学习模式、教学评价方法，推进中小学人工智能与机器人教育的健康发展2.探索机器人作为人工智能教育的应用平台，更好地与基础教育课程改革相结合。•课题指南《中国电化教育》2006（12）•专题文章：1.机器人教育：现状、问题与推进策略2.开展机器人教学培养学生创新精神3.对机器人学科教学目标与内容的认识•编者按：随着基础教育教育信息化的不断深入，目前机器人教育已经在中小学逐步得到开展。教育部2003年颁布的高中技术课程标准中，把“人工智能初步”和“简易机器人制作”设为技术领域的选修模块，意味着我国的人工智能和机器人教育在大众化、普及化层面上进入了一个新阶段。我国中小学人工智能与机器人教育刚刚起步，就广大一线教师而言，一些相关问题尚有待进一步实践和多视角的研究。其中包括：适合小学、初中、高中不同学段学生认知水平的机器人教育教学目标问题、如何为学生