农村中学人工智能普及教育模式研究

引言课题研究的背景与意义人工智能是指引焕然一新的产业变革和科技革命的核心力量，与人们的生活、生产以及学习方式息息相关，促进了人机合作、共创共享、跨界融合的智能时代的到来。2017年7月制定了“新一代人工智能发展规划”这一文件，标志了人工智能技术上升到了国家层面。2018年相关教育部门又发布了“高等学校人工智能创新行动计划”，该文件中指出人工智能普及教育需要在中小学阶段就引入，同时建构人工智能多层次教育的体系，即符合不同年龄阶段的教育。由此可看出AI教育非常重要。2019年3月李克强在第二次会议的第十三届全国人大政府工作报告中，首次提出“智能教育”，国家对人工智能建设非常重视。2019年5月16日，习近平在“国际人工智能与教育大会”强调，“中国在面对人工智能应用教育的影响非常重视，为促进有效教育和人工智能的整合，积极推动教育改革创新，充分发挥人工智能的优势，加速发展终身教育、平等教育、适合教育、尤其开放灵活的教育。”人工智能普及教育已成为我国重大教育国策。近年来，人工智能教育应用的范围越来越广，技术层面越来越深，发展水平越来越高，采用的案例越来越多，开始步入信息化教育的新时代，是一种星火燎原之势。但是，由于人工智能技术仍在不断发展中，人工智能普及教育模式应用的实践仍处于初期阶段，人工智能普及教育对于农村中学教育而言具有重大的意义。论文的结构安排文章研究了2012-2020年间与人工智能在教育行业的普及应用相关文献，对邵阳市邵阳县的多所农村中学对人工智能教育模式进行调查，经分析调查数据发现人工智能教育的普及存在的问题，针对这些问题进行深入研究。论文的内容主要分为以下几个部分：第一章引言，研究背景以及意义与目的。第二章阐述什么是人工智能教育。第三章人工智能普及教育的现状研究与分析。第四章人工智能普及教育模式发展中的问题。第五章改善人工智能普及教育模式的建议。文章最后为概述当前农村中学人工智能普及教育模式的现状以及我们现在主要的任务2什么是人工智能教育2.1人工智能的概念人工智能（ArtificialIntelligence），英文缩写为AI，“人工智能”一词起源于1956年的美国达特茅斯学院会议，人工智能是计算机科学的一个分支,涉及计算机科学、信息科学、心理学、哲学、生理学等众多领域，是一门综合性极强的前沿交叉学科[1]。人工智能是一门研究和模拟人类智能的跨领域学科,同时也是模拟、延伸和扩展人的智能的一门新技术[2]。我国在2017年推行的“新一代人工智能发展规划”一文中指出，在中小学阶段开展与人工智能有关的课程、同时发展编程教育、建设完整体系的人工智能学科，培养综合型的人才，形成我国人工智能人才发展基地，人工智能技术与教育融合。2.2人工智能教育的内涵人工智能技术与教育融合,衍生了“智能教育”、“智慧教育”、“人工智能+教育”等相关概念[2]。“智能教育”是指培养学习者如何系统性掌握和运用多种思维与技术工具,达到实现智能信息处理、构造智能解决方案和开发系统的目的,这个过程是个体智能发展与智能技术实践相整合的跨学科开展的创新教育过程[3]。“智慧教育”是指以运用人工智能技术促进学习环境、教学方式和教育管理的智慧转型,在学校教育中提供合适的学习机会,形成精准、个性、灵活的教育服务体系[4]。借鉴智能教育和智慧教育的相关研究成果，我们发现这两者的本质是存在差异的。而“智能+教育”，则是指人工智能和教育融合并发展。目前，我国在人工智能技术方面主要应用的形式是人工智能教育，也就是把人工智能应用于教育领域，达到提升教育的质量水平的目的。可以制定较大规模的教育内容及教育服务，可以帮助教师批改作业、与学生及学生家长交流、促进个性化学习等等[5]。在人工智能辅助于教育(学)应用、建构教育场景、重组教育中的要素或者重构教育过程,才属于人工智能的教育应用[6]。2.3本章小结本章简单介绍了人工智能、智能教育、智慧教育、人工智能+教育以及人工智能教育应用的概念。3人工智能普及教育的现状调查与分析3.1学术上的研究现状3.1.1发文数量分析期刊数量可从某种程度上反应人工智能教育在学术界所受的关注度。本研究数据来源是中国知网（CNKI）。以“人工智能教育”为主题来检索，选择的期刊为《现代教育技术》、《中国医学教育技术》、《电化教育研究》、《中国电化教育》、《中小学信息技术教育》、《中国信息技术教育》等6个期刊来源，其检索时间段设为2017年开始至今。一共检索到文献193篇，对这些文献进行了筛选，最后选取102篇文献作为本研究采用的样本文献。其分布情况如表1所示。表12017年至2020年期刊发文数量统计表期刊来源现代教育技术中国医学教育技术电化教育研究中国电化教育中小学信息技术教育中国信息技术教育中学相关10篇1篇9篇3篇18篇14篇总篇数20篇1篇20篇15篇24篇22篇人工智能已经成为教育技术学领域的一个重要研究领域和发展方向，从2017年开始关于人工智能教育的研究文献数量飞速上升，从文献的数量上升情况可以看出专家学者及国家越来越重视人工智能在中学教育中的应用。在国家相关政策的支持下，关于人工智能教育的研究也会更加深入。3.1.2文献期刊来源分析据文献统计的数据，《现代教育技术》、《电化教育研究》、《中小学信息技术教育》、《中国信息技术教育》等4个期刊对中学的人工智能普及教育的研究关注度颇高。2017年至2020年发表的86篇文章里有51篇与中学人工智能教育相关。其中发表2篇及以上论文的作者共有5人，其中秦建军（3篇）、王有学（2篇）、高洁（3篇）、郭艳玫（2篇）、吴俊杰（3篇）其中有6篇与中小学人工智能教育相关。在中学开展人工智能教育模式，是培养人工智能人才的关键。3.1.3文献内容分析在这102篇样本文献种，主要研究了人工智能在教育中的应用、人工智能应用于教育的现状、人工智能应用于教育的案例分析，中学人工智能课程的开发研究与实施案例，人工智能从理论走向实践的探讨，人工智能教育背景下的课堂教学研究。在人工智能教育模式下的教学存在诸多问题，其中教学资源，教学体系，课程制度设置都不够完善，且我国农村地区占多数，绝大多数的农村中学的学生对人工智能的认知度不够，学校的教学设施不完善，学校对人工智能教育模式的重视度不高，在农村中学开展人工智能教育模式存在诸多问题。教育和科技是经济、社会发展的两大核心动力，在中学开展人工智能教育必须紧跟人工智能技术发展的脚步。3.2地区人工智能普及教育模式的调查现状3.2.1调查问卷设计调查问卷分为两部分，第一卷为中学生对学习人工智能的兴趣及理解程度的深浅，参与调查的学生有452人。第二卷为教师对人工智能应用于教育的看法，参与调查的教师有93人。本次受调研的中学选择为湖南省郴州市桂阳县地区的农村中学。问卷的数据由“问卷星”自动记录并生成数据图，针对这些数据进行分析，探究其原因。3.2.2调查结果分析分析第一卷调查数据发现有50%以上的学生希望在农村中学开展人工智能教育，学生认为学习人工智能可以开阔眼界，能学习更多的知识，能训练思维，学习起来有趣。根据调查数据还是可以发现中学生对于人工智能的理解程度较浅，大多数都处于感知和具象的水平。对于现实生活中的事物或功能其人机互动性较强的，例如可以和人对话的机器人、自动驾驶等等，学生能够较好的区分。但对于指纹解锁、微博的首页推荐等抽象功能，学生就难以区分。分析第二卷调查数据调查显示农村教师非常了解人工智能的占调查人数的24.37%，一般了解占50%，不了解占25.63%。总体上而言，农村教师对人工智能的内涵有一定的了解程度，一般了解和不了解的人数居多。对于人工智能未来会不会取代教师的地位这一问题，受调查的教师认为不会取代，即使是在人工智能的科技时代，依然是采用以教师为主，人工智能为辅的教学模式。关于人工智能在教育的应用这一问题中，受调查的教师认为这不仅可以提高教师的工作效率，减轻教师的工作压力；同时提升教师的信息技术方面的能力；也能改善教学效果，解决一些枯燥乏味的教学知识；查询资料等等。研究发现农村教师绝大多数都认识到人工智能教学模式的价值所在。对于在农村中学开展人工智能教育模式会存在哪些局限性这一问题，受调查的教师罗列了诸多问题，可以归纳为四类：资金、师资力量、课程、学生的认知水平。农村中学的老教师相对较多，绝大部分的老教师都不会使用智能化系统教学，有少部分老教师通过自学学会怎样利用多媒体进行课堂教学模式。也有少部分学校组织了培训课程，针对如何正确使用办公技能，以及如何将人工智能与传统教学模式相结合。传统教学模式和人工智能相互联系的教学，使得课堂的趣味性提高，同时也增加了师生的互动性，学生注意力也更加集中，有利于提高课堂教学效率达到课堂教学目的。但农村中学的教学设备相比于一线二线城市的学校有着相当大的悬殊，中学的软硬件设施与学校所在地经济发展水平和政府教育经费投入有直接关系，一所学校现代化水平和基本办学条件水平是由学校的固定资产决定的。农村中学的多媒体设备，机房的硬件设备都过于老化，影响教师上课的教学效果。此次调查发现，80%以上的农村中学在关于人工智能课程方面的实施并未完全落实，大部分农村中学重视文化课程，而且学生在文化课程方面也花费大量的时间去学习，家长也比较重视学生在文化课程方面的成绩，在学习信息课程时，学生更多的是花时间在游戏和看剧上面，为了提高学生对人工智能的学习兴趣，学校组织了课后兴趣小组，但90%的学生不愿意参加人工智能兴趣小组，更多的在娱乐活动和文化兴趣小组。农村地区生源质量偏低，很多学生和家长为了追求更好的教学质量，可能选择就读乡镇重点中学，甚至省会城市的重点中学，这样就减少了农村中学的生源数量降低了生源质量。在我国应试教育的背景下，一所学校对学习者的吸引力绝大部分来自于该校学生的升学率，即能否考上重点高中或者重点大学，因此在缺乏素质教育的基础和其他软硬件的吸引生源的前提，升学率就成为农村中学对外宣传最有力的武器。因此，农村中学通常比一般城区中学更加注重升学率而过分关注，从而忽视了对学生信息素养的提高。3.3本章小结本章在调查人工智能普及教育的现状时主要采用了文献研究法和问卷调查法以及访谈法这三种研究方法。人工智能教育这一话题在学术界关注度很高，在政策的支持下，越来越多的中学采取了人工智能教育模式，人工智能和传统的教学模式形成的新型教学模式——人工智能教学模式，这一模式在农村教学中存在着诸多问题，教师的综合素养，课堂教学，课程的实施，学校的重视度以及学生的学习兴趣和认知程度。4人工智能普及教育模式发展中的问题4.1师资稀少且师资培训机制不完善师资力量是中小学实施人工智能普及教育的一大困难之一，而当务之急是培养培训综合性专业化的教师，目前我国在师资力量储备的教学实践和指导专业发展方面还有待完善，其他学科的教师也缺少人工智能教育的知识，无法准确判断课程中需要运用哪种人工智能技术，也无法运用合适的技术解决课程中出现的问题。专业的师资力量稀少，目前在人工智能这一方面，培养专业化师资的体系尚未建立完善，教师知识储备扎实、教学方法多样、案例分析经验丰富。但在人工智能普及教育方面的缺乏实践，也没有足够的教学实践场景，导致没有足够的实践经验，普遍存在不知道如何上课的情况。我国高校输出的人工智能专业人才紧缺、薪资高涨，而人工智能技术人员也缺乏教学理论和经验。因此，中小学校很难招到既懂人工智能又懂教育的跨学科人才，尤其是农村中学，更是困难。[13]。4.2缺少系统性课程及配套的教具教材人工智能普及教育作为一种具有技术含量的教育，需要以人工智能教育设备作为基础。在推进中小学人工智能教育过程中，我们提出要秉持“装备课程化”理念，依托装备创设课程，利用课程促进装备应用[14]。我国在推行人工智能教育政策中指出在中学阶段人工智能课程的建设要求，但目前人工智能教育主要依附于信息技术，并未推出信息技术教材的编写方案，全国统一还是地方校本教材，都需要进一步研讨；跨学科的课程体系如何设计，如何处理好与现有学科的联系，避免重复设课；贯穿中小学人工智能普及教育课程标准有待完善，中小学生之间存在年龄差异，学习基础和认知水平也大有不同，故人工智能课程的设计还需适合不同学段学生的认知特点和能力水平。4.3教学方法需改进且地方资金不足让学生在“做中学，玩中学”是贝尔科教集团开展人工智能教育的一个核心教育理念。传统教育强调动脑思考，而人工智能教育更强调“动手思考”[15]。学生在动脑动手中学习的知识，比学生被动的接受知识要有效的多。长期的传统教育模式都是强调以动脑为主要学习方式，而眼下人工智能教育模式则倾向于以动手为主要的学习方式，在活动中获得学习知识。其次是地区资源差距大，特别是农村中学投入人工智能教育的资金少。资金的投入直接决定了教学设备配置、教师培训、教学场地这三方面的发展状况[16]。一二线城市拥有最优质的教育资源，丰富的学习路径，校高校的政策落实以及丰富的教育经费，这些资源在其他地区分布很不均匀，三四线城市的学生和家长对人工智能教育的意思，觉醒和执行反映普遍迟缓的情况，也是当下人工智能教育阶段应该解决的问题。4.4学生自身的兴趣及其认知水平研究结果表明，学生普遍愿意学习人工智能，对通过学习人工智能来提升个人的能力素质，充满期待。有50%以上的学生对人工智能概念有所了解，但绝大多数学生对人工智能的认识和理解都是通过生活经验来了解的，都停留在感知和具体事物的水平，即对于现实生活中人机互动性较强的事物或者功能有比较好的区分度，超过了学生的认知水平就难以区分。中小学生对人工智能概念的认知水平和理解准确度的存在差异，一、二线城市教育资源丰富的学校的学生，他们的认知水平普遍高于农村学校的学生。4.5本章小结本章主要阐述人工智能教育模式下的一系列问题：具有综合学科能力的师资稀少，且师资培养培训机制需完善；贯穿各个学段的系统性课程待完善，课程配套的教具教材也需丰富；传统教学模式不能全面提升学生的综合素养和综合能力，而且地区的资源存在差异；学生自身的兴趣以及其认知水平。5建立健全的人工智能教育模式5.1从教学理念方面体现教育模式指人们在尊重教育规律的前提下，为保证教育活动有效进行，而使用的一种相对稳定的教育策略理念体系。教育模式是一种相对稳定的策略，尊重客观的教育规律，结果是保证教育活动的质量和效率。本文中的农村中学教育模式，是指在我国农村中学中使用的比较固定的教育策略和理念。[7]那么将人工智能技术与教育融合可视为一种形成的教育模式，依旧符合教育的基本规律，能够起到提高教育质量和效率的作用。我国农村长期使用的教育模式不能达到这样的标准，一层不变的教学管理，停滞不前的教育理念，巨大的资金缺口，具有综合素养的师资队伍都成为农村中学开展人工智能教育模式急需解决的问题。基于传统教学的改革：计算机辅助教学指的是利用计算机来辅助教师教学，即把相关的教学内容编织成各种课件提供给学习者和教育者进行参考和学习。个人可以根据自己的实际选择学习内容与进度学习，因此会使教学内容形象化、多样化、具体化[8]。基于教学方法的改革，目前对中学人工智能课程实施的模式主要有讲授式与探究式两种教学方式。人工智能科普教育教学模式，其教学实施过程以教师的讲授为主，提倡教师有意义的情境创设及对学生知识原理理解的支持，同时注重学生练习及分享。[9]这种教学模式容易让学生理解人工智能知识与生活的实际联系，但缺乏学生自主探究。不能很好的培养学生发现问题、解决问题的及创新能力，而这些是人工智能时代学生人工智能素养培育中的重要内容。[10]探究式为主的教学模式强调教师作为课程的辅助者，学生为课堂主体，充分培养了学生分析问题、解决问题能力。综合复杂的人工智能知识若只强调学生自主探究，这样就影响学生的知识逻辑思维的紧密性。北京师范大学某研究院在中小学人工智能课程教学实践这一项目中以学习为主要形态，依托项目使学生动手探究进行项目实践。在这一过程中教师转变为学生探究过程中的指导者、辅助者，学生的学习积极性得到了充分发挥。[11]目前我国STEM教育、创客教育中都涉及到人工智能教育的影子。人工智能相关内容的复杂性、跨学科性致使人工智能教育最好以一种贴近生活实际的探究式教学方式展开。[12]5.2从教学制度方面体现2019年2月出台的《中国教育现代化2035》这一文件中指出，为了加快信息化时代教育改革，应从建设智慧校园，统一智能教学和智能管理以及智能服务平台开始。创新并改革目前存在的教育行业，以适应智能化时代的到来；建立和完善数字教育资源的共享机制，以达到城乡师生教育平衡的目的；完善利益分配机制，保证教师所享受的权益以及工作待遇。同时加强知识产权保护制度以及新型教育服务的监管制度，让更多的师生家长看到公平公正的教育。制定合理的教育治理方法，快速形成现代化的教育管理和监测体系，以加强教育管理的精准化和文件决策的科学化。5.3从教学资源方面体现农村中学的教学设施老化，教学设备落后，教育资源不完善，教育部为了让更多学生享受优质的教育资源，出台了《教育信息化2.0行动计划》等文件，提出推进智能化教育，开展以学习者为中心的智能化教学，配有智能化教学设备的环境，以提高农村教学资源和教学环境。推动发展人工智能在中学教学、中学管理等方面的应用，利用人工智能技术推动和实施人才的培养模式、教学方法的改革，探究灵活和智能的教育教学模式。根据教育部最新教育信息化和网络安全工作月报显示，98.4%的中学接入了互联网设备。国家教育资源公共服务平台为教师、学生、家长及学校开通了平台，教师学生家长可以登录平台共享优质资源，平衡城乡教育资源。目前，我国智能教育市场发展迅速，引领智能教育市场的主要有智能批改，帮助教师家长批改孩子的作用；拍照搜题，疑难问题学生可以通过使用软件进行解决；智能测评，测评学生对教师的满意度以及教师的教学评价；还有智能题库、分级阅读和自适应学习。目前我国智能教育就是这六大产品。人工智能的应用范围越来越大，农村学生也受益良多，缩小了城乡学习资源的差距。同时，教育部推行了“一师一优课、一课一名师”、“专递课堂”、“名师课堂”、“名校网络课程”等一系列优质资源可供广大师生共享。5.4本章小结本章主要讲述人工智能应用到教育后形成的人工智能教育模式。人工智能对于教育教学来说是一个极有用的教学辅助工具，但也不会改变教育理念的本质。在正确理念的指导下，人工智能渐渐改变着教学模式和教育行业。6改善人工智能普及教育模式的建议(1)在师资方面，分类推进培养模式，针对小学教师和中学教师的不同特点，探索不同的培养模式。加深国际之间的交流与合作以及国内外中小学的交流与合作，加强教学实习等形式，可以发展教师的国际事业。同时，完善协同培养机制，开展中小学培训培养，师范教育与基础教育相互贯通。丰富社会实践经验，提高教学质量。设置课时充足且内容丰富的实践课程，建设完善的实践教学体系，以培养培训专业化教师的全过程教学体系，保证实践教学前后的衔接程度，实践与理论的是否有机结合。(2)在资金方面，倡导政府以及相关部门对资金的投入，以缓解农村中学的经济压力；增加中小学人工智能教育模式的宣传力度，提高教学质量的影响，引导教师对人工智能教育模式的树立正确价值观和情感态度观，让教师们能够理性客观的认识人工智能课程的重要性，学校对该教育模式的重视程度越高，那么资金投入就越多。(3)在课程方面,明确人工智能课程目标,人工智能课程目标需要从操作技能训练转向信息素养提升，重点内容是在培养学生的信息意识、计算思维、数字化实践能力。规划人工智能课程内容，中小学人工智能教育主要涉及人工智能的基本概念、发展历程、主要流派、算法程序、关键技术等内容。合理规划中小学人工智能课程内容，根据学生的年龄以及针织程度来进行制定；激发学生对人工智能的兴趣，有利于提高学习的效率达到教学目的；培养学生对人工智能的基本意识、基本概念、基本兴趣和基本素养，使学生了解主流算法和技术，并能开发简单的应用系统解决实际问题[13]。总结为了加快教育教学改革与创新，我国推出了一系列政策来培养具有信息素养和创新能力的综合性人才，为我国打造智能型人才奠定基础。目前，我国农村中学人工智能教育的理论和实践研究仍处于探索阶段，在实践与研究人工智能与教育融合的这一项目中，面临着许多致命性问题，比如缺少综合学科能力的专业化教师，没有建完善的师资培养培训机制；各个学段的系统性课程没有统一标准，课程配套的教具教材也不丰富；传统教学模式不能培养农村中学生的综合能力；地区资源差别大等，如果要把人工智能纳入中学教育模式，我们可以从两个方面入手：首先，第一个从顶层为切入点，建立完善的政策保障体系，制定并确立实施统一的课程标准，建立完善的专业化师资的培养机制，资金支链的不冻结以及利用社会各方面资源等。其次，在制定文件规划及决策实施的时候要注意政策的层次性，根据各地区的教育发展情况和学生认知度来制定，制定符合实际情况的政策指导文件。那么如何推进各项人工智能教育政策的落地实施，还需要各地方政府、中学和社会企业等的共同努力和进一步的教学实践研究。参考文献[1]徐鹏,王以宁.国内人工智能教育应用研究现状与反思[J].现代远距离教育,2009(05):3-5.[2]高婷婷,郭炯.人工智能教育应用研究综述[J].现代教育技术,2019,29(01):11-17.[3]张进宝,姬凌岩.是“智能化教育”还是“促进智能发展的教育”——AI时代智能教育的内涵分析与目标定位[J].现代远程教育研究,2018(02):14-23.[4]曹培杰.智慧教育:人工智能时代的教育变革[J].教育研究,2018,39(08):121-128.[5]吴永和,刘博文,马晓玲.构筑“人工智能+教育”的生态系统[J].远程教育杂志,2017,35(05):27-39.[6]张坤颖,张家年.人工智能教育应用与研究中的新区、误区、盲区与禁区[J].远程教育杂志,2017,35(05):54-63.[7]李嵩阳.微课促进农村中学教育模式改变的研究[D].河北师范大学,2016.[8]翟雷,邢国春.大数据环境下人工智能技术在教育领域的应用研究[J].情报科学,2019,37(1