人工智能技术在美国学校教学中的应用领域与推进策略

1、    人工智能技术在美国学校教学中的应用领域与推进策略    摘要：人工智能技术是智能时代教学创新的重要变革力量，在美国学校教学中正得到广泛应用，包括设计智能辅导系统实现问题解决精准化、引入机器学习技术确保活动设计个性化、创设智能虚拟现实促进课堂教学情境化、开发智能评估系统保障能力测评科学化等。美国在推进人工智能技术教学应用过程中，构建了联邦引领、高校跟进、社会协同的联动机制，并通过提升教师信息素养，实现了人工智能技术在学校教学中的实践落地。关键词：美国，人工智能技术，智能化教学，教学改革本文系重庆市教委科技项目“大数据时代青少年网络欺凌治理的路径研究

2、”（项目编号：kjqn201800908）研究成果。随着物联网、云计算和大数据技术的快速发展，人工智能（artificial intelligence）作为第四次工业革命的引擎正席卷全球。在推动社会结构全面变革的同时，人工智能还将推动教育生态体系创新，并最终实现人类生活智慧化、学校教育智能化、教育服务精准化。1作为人工智能技术领域领先国家，美国联邦政府自2016年后出台了多份发展人工智能技术的官方报告，提出了以人工智能技术推动教育变革以培养未来人才的愿景，规划了教育发展路径和保障机制。人工智能技术对于学校教学改革有何价值，当前美国中小学如何在日常教学中应用人工智能技术，美国社会各界如何推进人工

3、智能技术的教学应用，是本文关注的核心问题。一、人工智能技术应用于学校教学的动力机制人工智能可以模仿人类思维的某些操作，理性解决系列复杂问题，并采取适当行动，以实现在现实世界中不同情境下的具体目标。人工智能技术应用于教学是指利用机器学习、自然语言处理、深度学习等人工智能技术，以实现教育智能化和学习个性化。（一）人工智能领域人才需求推动学校教学改革人工智能专业人才培养已成为当前各国的一项重要战略任务。在美国，机器人数量于19932007年间持续增长。据统计，2007年时每千名工人中就有一个机器人，估计有150万175万个机器人在工作，预计到2025年将增加到400万600万个，极大地改变着美国的职

4、业性质和劳动力市场的人才需求。2此外，人工智能与互联网信息技术及大数据领域息息相关，三者紧密联系，相辅相成。2017年5月，美国劳工统计局（bureau of labor statistics）测算计算机和信息技术行业的平均年薪为84，580美元，远高于美国其他行业的平均年薪37，690美元。2018年4月，美国劳工统计局发布报告称，从2016年到2026年，美国计算机和信息技术行业的就业人数预计增长13%，这些职业预计新增557，100个就业岗位，包括云计算、大数据收集和储存以及信息安全维护等相关领域。3人工智能相关领域的人才需求量大，就业前景广阔，这将是美国未来社会中的重要职业领域。基于此

5、，美国学校积极着眼于人工智能人才培养，部分州教育行政部门顺应人工智能时代教育发展诉求，构建起独具特色的人工智能教育框架。例如，加利福尼亚州教育局就适时推出了k-12机器人技术课程，该课程主要学习机器人的工作原理和基本知识，学生需要在课程学习过程中通过圆形用户界面和相关智能程序控制一个或多个机器人，并根据机器人的感官信息执行各种任务。课程还强调机器人的动手操作实践，重点解决科学和数学问题的算法开发。4沿袭美国教育重实践、重创新的教学传统，学校也积极探索人工智能技术在教学中的运用。通过协同智能化教学引入机器人教学、智能导师、智能虚拟现实等前沿人工智能技术，不仅能为学生创设生动的情境性教学环境，创新

6、传统教学机制，而且可以使学生在接触人工智能理论的同时，降低抽象理解难度，增强教学的直观性和趣味性，最终达到知行统一的教学效果。（二）人工智能技术的内在价值影响着教学变革方向人工智能技术的内在价值成为美国学校构建人工智能教学模式的关键催化剂。第一，教育大数据实现了学生学习的精准化和个性化。人工智能教育的发展需要教育大数据的支撑，教育大数据是人工智能技术有效应用的基础与前提。美国作为大数据时代的领导者，联邦政府不断发布宏观大数据规划以及教育信息化发展规划，积极推进教育数据库以及各州纵向教育数据系统建设，推动大数据技术在美国各级教育中的普遍运用，为美国人工智能教育技术的研发奠定了坚实的数据基础。5美

7、国的教育大数据战略为人工智能技术在学校教学中的顺利实施创设了条件。通过教育大数据与人工智能教学的深度融合，学生的教育数据将突破简单的数字含义，不仅可以获得精确的智能数据，而且能实现个性化的教育内容定制，从而使不同教育个体获得切实有效的智能学习体验，真正实现因材施教。第二，智能化教学技术能增强教学的直观性，提高学习效率。美国各级学校充分利用自然语言处理、机器学习技术、智能机器人、虚拟现实技术等多种智能技术，创设情境性教学环境，设计个性化学习活动。以虚拟现实技术为例，它既可以使学生穿越历史场景，又能使他们真切感知书本知识的细微情节。而在虚拟实验教学中，智能技术的应用不仅能降低实验用品的消耗，在一定

8、程度上实现环保，而且能使学生亲身体验众多无法实际操作的实验过程，增强教学直观性，提高学习效率。第三，人工智能教学模式能降低教师负担，彰显人机共教价值。教师面临着备课、作业批改、辅导答疑、专业进修、学术发展等系列工作压力，而且基于外部条件和个体精力的限制，他们往往很难做到因人施教。在学校教学中引进人工智能技术，能有效降低教师的教学压力。其中，智能导师系统实现了一对一精准辅导，智能评估引擎解决了作业批改负担繁重的问题，教育机器人协助教师适时答疑，等等。人工智能技术应用于学校教学，既呈现出智能化教学的便利与高效，又具有人类教师与学生之间的情感交融，从而提高学校教育教学的质量。二、人工智能技术在美国学

9、校教学的应用领域人工智能技术推动着美国教育领域的系统性变革，并促进学生学习机制的改变，减轻教师作业批改和考试评估的繁重负担。作为教育领域的革命性技术，人工智能在教师教学和学生学习方面得到了广泛运用。（一）智能辅导系统实现问题解决精准化智能辅导即智能化计算机辅助教学，主要包括领域模型、导师模型和学习者模型，三者相互促进、相互制约，最终实现一对一智能化教学辅导。美国孟菲斯大学研究团队开发了“自动导师”（auto-tutor），通过模拟人类导师的特征与风格，运用自然语言与学生进行对话交流。除特殊情况外，“自动导师”不会直接给出问题答案，而是通过对学生的不断询问，最终使他们循序渐进地得出最终答案，以此

10、鼓励学生进行思考和推理，而非提供简短的碎片知识。6“自动导师”还会通过计算机界面以语音、语调、面部表情、手势等来传递对话时的动作表现，通过动作形态变化传递智能导师的情感状态，进而增强智能辅导系统的真实性和趣味性。美国教育考试服务中心（educational testing service）利用人工智能自然语言处理技术开发了写作导师（writing mentor），致力于为寻求写作帮助的英语学习者和作家提供一站式服务，并向他们提供可操作性反馈，包括写作主题开发、文章连贯性表达、单词选择和英语习惯用法等。7为解决教员无法为学生提供解决复杂问题所需的实践反馈，美国罗德岛大学设计编写了一套智能计算机辅

11、助教学系统，并将其命名为“化学导师”（chem-tutor），致力于帮助罗德岛大学一年级化学专业的学生提高解决复杂问题的能力。“化学导师”由知识阐释系统和问题控制系统组成，其中知识阐释系统包含一个提供解决问题的概念和过程模式的知识库，问题控制系统则控制着1200多个问题模板库。“化学导师”能清晰表达推理技巧和相关问题解决过程，直接监控学生解决问题的整个过程，精准识别学生所犯的错误。据统计，罗德岛大学已有4000多名学习者使用“化学导师”，解决了大约50万个化学问题。8基于“化学导师”的积极效果，该项目在罗德岛大学被制度化，并后继开发了“数学导师”（math-tutor）等项目。（二）机器学习技

12、术确保内容设计个性化机器学习是人工智能的一种典型运用，计算机通过软件中所包含的算法和规则，分析学习者历史数据以制定适应性决策。智能机器可以为学习者定制适时性知识材料，美国内容技术公司（content technologies inc）在此领域进行了积极探索。作为一家利用深度学习开发定制教科书的公司，它关注学生的独特学习需求，为不同学生定制个性化教育内容。美国内容技术公司通过利用人工智能深度学习技术来收集和分析美国现有课程资源，将几十年前的教科书转变为相关的智能学习指南，从而生成和提供定制书籍与学习教材，包括个性化测试、教科书和章节摘要。该机构相继推出了“填鸭101”（cram 101）和“事实

13、真相101”（just the facts101）等智能教材，利用人工智能技术将学习内容分解成更便于学习的内容，以提高学习效率，帮助学生更快、更轻松地掌握学习内容。9美国教育考试服务中心基于人工智能技术推出了语言灵感活动调色板（language museactivity palette），这是一个基于网络的运用程序，旨在自动生成可定制的个性化英语阅读材料。这种基于语言水平所开发定制的活动，主要通过词汇练习、句子结构诊断分析、语篇练习以及总结性写作练习等活动，发展英语学习者的阅读理解和语言技能，帮助英语学习者有效建立语言技能。2008年成立的纽顿公司（knewton）致力于提供个性化教育设计，利

14、用人工智能技术识别学生的个性化学习风格和不足，从而为每个学生设计个性化课程，并实时跟踪学习进度。如纽顿公司开发的自适应学习系统“阿尔塔”（alta），能识别学生课程作业中的知识缺口，为学习者设计个性化的自适应任务，并提供及时的动态补救措施。人工智能在机器学习技术方面的应用，有益于实现学生的个性化教育和精准辅导，打破统一学习内容和进程的局限，实现个性化定制教育。（三）智能虚拟现实促进课堂教学情境化智能虚拟现实技术的开发和运用，能模拟现实世界的真实状态，帮助学生真切感知教学场景，实现直观性教学，增强课堂教学的情境性和趣味性。培生公司（pearson）在2016年引进了智能虚拟现实技术，通过模拟学习

15、用户在现实世界中无法经历的情境，如危险的地理环境位置、无法再现的历史事件等，从而为他们提供真实的沉浸式体验，使他们获得真切的主观印象。10借助智能虚拟现实体验，学生有机会接触现实世界的模拟状态，能大胆探索如干旱、洪水等在生活中可能发生的自然灾害，使他们可以尝试运用所掌握的知识和技能解决未来可能遇到的问题。虚拟教学代理也是一种能改进教学效果的智能虚拟现实技术，这些虚拟代理可在协作学习中扮演教师、学习促进者或学生同伴等角色，它们会提出不同的观点和问题，从而实现智能虚拟现实中的有效交流，增强学生学习的互动性。1999年，美国南加州大学成立了专门的创意技术研究所（institute for creat

16、ivetechnologies），作为南加州大学的一个多学科研究机构，创意技术研究所致力于开发虚拟角色、视频游戏、模拟场景和其他人机交互形式，从而探索和扩展人机互动方式。该研究所积极推进人工智能技术在教育中的应用研究，通过开发不同的人工智能技术和虚拟现实技术，最终创建智能学习环境，致力于增强教学的直观性，激发学生的学习兴趣，发展学生的自主学习能力。11（四）智能评估系统保障能力测评科学化标准化测试和评估能及时反映学生学习情况，了解学生所掌握的知识和技能。2015年10月，奥巴马在测试行动计划（testing actionplan）中呼吁采用新的手段和方式进行测试与评估，包括构建新的和更具创新性

17、的评估工具，以更有效地测试学生学业水平和评估教育工作者绩效。12联邦教育部以及各州教育机构积极响应政策号召，推进教育测评信息化，创新研发智能化评估工具。麻省理工学院媒体实验室的研究人员实施了一项利用人工智能改进特殊儿童能力测评技术的研究13，他们现已开发出一种个性化的机器学习系统，通过利用不同孩子独有的数据信息资源，帮助机器人评估患有自闭症障碍的儿童在互动过程中的参与度和兴趣，借助智能技术提升特殊儿童能力测试的准确性和深入性，进而改进教学指导。美国教育考试服务中心开发了基于人工智能的自然语言处理技术，以便在标准化测试中对作文进行智能评分。该中心开发的“语言评分器”（speech rater）是

18、目前世界上最先进的口语评分运用程序之一，并从2006年起就作为托福线上测试（toefl practice online）的组成部分。评分器使用自动语言识别系统，测试并反馈被试者的语言维度概况，包括流利程度、发音的准确性、词汇用法的恰当性、语法的准确性和复杂性程度等。14在科学测评学习者英语能力的同时，及时提供反馈建议，提高学习者的英语口语表达能力。基于人工智能技术的智能评估将是未来人工智能教育发展的重要趋势，它有助于减轻教师的阅卷负担，增强学生能力评估的科学性，进而发挥能力评估的甄别与发展等教育价值。15三、人工智能技术应用于教学实践的推进策略为推进人工智能技术广泛应用于学校教学，美国联邦政府

19、、高校和行业协会群策群力，构建了联邦引领、高校跟进、社会协同的联动机制，并通过强化教师信息素养的培养，保障了人工智能技术的实践落地。（一）联邦引领：肯定人工智能技术教育价值2016年10月，美国联邦政府出台了为人工智能的未来作好准备（prepare for thefuture of artificial intelligence）和国家人工智能研发战略规划（national artificialintelligence research and development strategicplan）两份报告。其中为人工智能的未来作好准备指出，人工智能技术有助于教师因材施教，实现教育服务定制化，凸

20、显教育个性化。报告同时确立了各级政府和教育机构的角色，如联邦政府须积极推进人工智能资源的开发，资助人工智能课程设计和相关研究，推动实施人工智能教育计划；而教育机构须大胆尝试人工智能技术的运用。国家人工智能研发战略规划则重点强调了智能虚拟导师的开发利用，揭示了智能虚拟导师在学生个性化学习方面具有的重大价值，认为其能基于学习者的个人兴趣、能力和教育需求定制个性化的学习计划，实施适应性学习。16联邦教育部支持成立的美国课程再设计中心（center for curriculum redesign）在2017年发布的个性化学习：现状和未来发展方向（personalized learning：the st

21、ate of the field & future directions）也肯定了人工智能在教育中的重要地位，并阐释了智能导师在满足学习者个性化需求方面的作用。17报告指出，当前美国许多中小学和大学都已广泛运用智能导师，通过自然语言处理、智能游戏、深度学习等人工智能技术，实现美国学校中大规模的个性化学习。在联邦政策充分肯定人工智能技术的背景下，美国各级各类学校深度了解人工智能技术对于学校教学的促进作用，从而引领了人工智能技术在学校教学中的应用。（二）高校跟进：探索人工智能教学应用技术作为全球人工智能技术的领导者，美国社会重视人工智能技术的创新与研制，其中美国高校在这一过程中更是扮演了极

22、其重要的角色。截至2017年，美国有168所高校设立了人工智能本科和研究生专业，占全球45.7%，其中包括康奈尔大学、佐治亚理工学院、斯坦福大学、卡内基梅隆大学以及加州大学伯克利分校等美国著名高校。18各大学创办了众多人工智能实验室和相关智能实验基地，以全面推动人工智能教育技术的创新研发。2016年，佐治亚理工学院成立了“吉尔·沃森”（gill watson）人工智能教育实验室，成为当年人工智能教育领域的重要事件。斯坦福大学汇集了机器人、神经科学、教育学以及设计领域的专家，成立了“人工智能机器人和教育”（ai robotics and education）研究中心，旨在融合不同领域的

23、知识与智慧，利用机器人等人工智能技术重新设计最佳的教育系统。卡内基梅隆大学计算机科学学院下设计算机科学系、软件研究所、机器学习部、机器人研究所等7个部门，合力推动对人工智能教育技术的探索。加州大学伯克利分校人工智能研究室（ucberkeley's robot learning lab）汇集了计算机视觉、机器学习、自然语言处理、智能机器人等领域的研发人员，开展人工智能教育方面的多模式深度学习技术以及与人类兼容的人工智能技术等研究。美国高校及相关实验机构发挥科技研发能力优势，以人工智能领域的前沿研究带动人工智能教育技术层面的实践创新，激发美国人工智能教学发展的活力。（三）社会协同：鼓励人工

24、智能教育技术开发行业协会的积极参与是美国人工智能教育技术发展的重要动力。成立于1979年的美国人工智能发展协会（american association forartificial intelligence）是当前全美最具影响力的社会组织，该协会致力于提高人们对智能行为以及机器运行机制的科学理解，资助并开展人工智能领域的研究和人工智能技术的开发。该协会也极其重视人工智能教育的应用，开展了人工智能教育实践者的教学培训，并基于当前人工智能发展水平以及未来发展方向，为人工智能研究者和资助方提供科学指导。美国人工智能发展协会出版的人工智能杂志（aimagazine）开设了大量人工智能教育研究专题。20

25、16年，由该协会主办的人工智能教育进展研讨会（symposium on educational advancesin artificial intelligence）设立了人工智能杰出教育家奖，表彰为人工智能教育作出贡献的人员，包括利用人工智能技术创新教学方法、面向中小学生或普通公众传授人工智能知识和技能的人员。除人工智能发展协会的倡导与支持外，美国许多慈善基金会也积极赞助人工智能教育技术的开发。休利特基金会（hewlett foundation）就积极赞助了在智能作文评分及其他智能评估项目中引入人工智能技术的研究。为有效吸引数据科学家和机器学习专家致力于对智能作文评分的探索，休利特基金会还向

26、研究模仿人类作文评分的团队提供巨额研究资助。19美国社会重视人工智能教育的发展，动员行业力量实施有效的奖励机制，在赞助人工智能研发资金的同时，也给予人工智能理论研究者和技术研发者道义上的支持，极大地激发了研究者的热情，推动了美国学校不断创新人工智能技术的教学应用。（四）教师发展：实现人工智能教学技术落地教师是学校教学的实施者和关键主体，他们的信息素养与教育技术应用能力是人工智能技术能否成功应用于学校教育教学的重要因素。作为人工智能技术的发源国和引领国，美国对于人工智能技术的研究起步较早，国内聚集了大量人工智能专业领域的研究人员和科研工作者，其中也不乏教学一线的教师。美国人工智能发展的历史演进及

27、良好氛围，使美国学校教师具有较好的智能教学意识与经验基础。美国联邦教育部及各州教育局也一贯重视教师信息素养、数据素养以及相关智能核心能力的建设与培养，通过出台相关文件和报告强调教师对于教育技术的认识与掌握。202016年，美国颁布了新一轮国家教育技术规划为未来作准备的学习：重塑技术在教育中的角色（future ready learning：reimagining the role of technology ineducation），明确了教育工作者在技术教学与学习中须执行的角色任务和实践举措，强调美国教师应该全面认识包括虚拟同伴学习等相关智能技术的教育优势，深刻理解基于教育技术学习的益处。同

28、时，要求教师在职前学习以及在职进修中，适当地增加教育技术学习内容，在丰富他们的专业学习经验的同时提高其数字素养。如美国圣利奥大学为发展教师的信息技术能力，在职前教师培养中要求每个教师都佩戴一个数字背包，里面涉及平板电脑、扬声器、便携式投影仪和便携式交互白板等设备，以增进教师对于教育技术设备的了解与使用。美国课程再设计中心的研究人员也指出，美国教师需要广泛地发展新的技术能力，包括充分理解人工智能技术的有效性，能正确评估并且有效地选择利用适宜的人工智能技术，对于人工智能所产生的数据也能进行合理解释和充分使用，从而革新教学实践。21四、结语作为未来教育发展的一个重要趋势，在人工智能技术支持下的教学改

29、革得到了美国社会各界的大力支持，智能辅导、智能测评、机器学习技术以及智能虚拟现实等人工智能教育技术在教学中得到了广泛应用。美国各界重视在中小学教学中广泛运用人工智能技术，既着眼于对未来人工智能领域人才培养的前瞻性考虑，也出于推动教学适应学生个性特点、提升教学直观性和效率、降低教师工作负担等的现实需求。为在学校教学中推广机器学习等人工智能技术，美国各级政府、教育机构和行业协会携手，出台支持人工智能技术教学应用的政策规划，开展人工智能教育研究和课程开发，提升教育工作者的智能教育意识与技能水平，相关经验对推动我国学校教学中的智能化技术应用不乏借鉴价值。参考文献：1蔡连玉，韩倩倩.人工智能与教育的融合

30、研究：一种纲领性探索j.电化教育研究，2018（10）：27-32.2acemoglu d, restrepo p. robots and jobs: evidence fromus labor marketseb/ol. （2017-03-01）2020-04-16. 3university of central arkansas. computer, it, andengineering occupationeb/ol. （2018-04-10）2020-04-19. 4california department of education. california computerscien

31、ce strategic implementation plan-drafteb/ol. （2018-09-05）2020-04-19. 5王正青，徐辉.大数据时代美国的教育大数据战略与实施j.教育研究，2018（2）：120-126.6graesser c, et al. intelligent tutoring systems withconversational dialoguej. ai magazine, 2001（4）: 39-51.7educational testing service. educational applications ofnatural language p

32、rocessing（nlp）eb/ol.（2018-05-06）2020-04-19. 8u.s. department of education. university of rhode islandchem-tutor: an expert system for teaching freshmanchemistryeb/ol. （1993-09-01）2020-04-19. 9content technologies inc. ventures · business unitseb/ol. （2018-10-18）. 2020-04-19. 10pearson & ucl kn