教室里，告别了黑板和粉笔，全新的数字化教学让课堂讲解更生动了，师生互动更有效了，家校互联更方便了。如今，随着云计算、大数据、移动互联网、人工智能、区块链等技术迅猛发展与应用，教育教学系统的结构和形态正在发生变革与转型，智慧教育理念与模式逐步形成。当技术全面渗透教育，当教育走向“互联网+”，以人为本的智慧教育正悄然开启教育3.0新时代。
一、政策加码，“AI+教育”成新风口2017年3月，人工智能首次被写入国务院《政府工作报告》，正式上升至国家战略高度。同年7月，国务院发布了《新一代人工智能发展规划》，提出将加快推动新型教育体系、智能校园建设以及开发智能教育助理。2018年4月2日，教育部颁布《高等学校人工智能创新行动计划》，提出到2020年基本完成适应新一代人工智能发展的高校科技创新体系和学科体系的优化布局。4月13日，教育部出台《教育信息化2.0行动计划》，实施智慧教育创新发展行动，推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构。从教育信息化1.0到2.0，从基础网络配套普及到应用服务升级共享，2.0阶段将开启智能时代教育的新征程，更加注重学生的个性化和多样化教育。
表1 支持人工智能在教育领域应用的相关政策
资料来源：国务院、教育部官网
（1）变革之一：从数字化教育向智慧教育转型
信息化教育的早期发展阶段为数字化教育，随着信息技术从数字化向智能化方向发展，我国许多地区和学校积极探索智慧教育、智慧课堂教学模式，智慧教育成为信息化教育发展的高级阶段和新的形态。同时，智慧教育利用新一代信息技术更好地实现“为全体学生服务”的新教育模式，为学习者提供智慧、高效的教育服务，可以使每个学习者都能沿着符合个性化特征的路径成长。
（2） 变革之二：从传统教室向智慧学习环境转型
实施智慧教育，需要构建和为学生提供富有智慧的学习环境，而互联网、人工智能等现代信息技术为此提供了重要的手段。智慧学习环境包括校内外、课内外、线上线下各种类型的有利于学习者知识学习，帮助学习者能力和素质提升，促进学习者个性化成长与发展的学习场所、平台和环境。
（3）变革之三：从经验性教学向基于证据的教学转变
“互联网+”时代教育思维方式发生了变化，数据改变教育是教学变革的核心理念。基于全过程教学大数据的采集、分析和应用，传统经验性教学向基于证据的教学转变。
（4）变革之四：从“标准化生产”向个性化学习转变
在“互联网+”时代，生产过程已由单一、重复的流水线生产模式转变为大规模、个性化、自动化的智能制造模式，亟须培养个性化、创新型人才。智慧教育将利用互联网、人工智能技术手段，在教学内容、方法、手段和组织等各方面进行深刻的变革，改变统一化和单一化教学模式，真正实现个性化的学习。
（5）变革之五：从翻转课堂向教学结构性变革转变
互联网及各种新技术、新媒体的使用为学习者提供了丰富的认知工具与智能化的支撑环境，在“先学后教”的基础上进一步实现“以学定教”，使翻转课堂从“流程颠倒”进入“结构性变革”的2.0阶段，形成了“互联网+”时代的新的课堂模式——智慧课堂，将教师主宰的“以教师为中心”的传统教学结构，改变为“以学生为中心、主导与主体相结合”的新型教学结构，促进“课堂革命”，有利于学生个性化成长和智慧发展。
三、AI技术赋能，教育更加“智能化”
十年前，教育进入“多媒体化”，由“黑板粉笔”变成“PPT”，让“做作业”变成“做游戏”。现在，教育“智能化”，语音识别，自然语音理解，AR/VR等都被搬上了课堂。“AI+教育”的关键技术有机器学习、深度学习、自然语言处理、人工智能算法、神经网络、推理机、学习计算、图像识别等技术。随着技术的不断成熟，人工智能与教育的结合充满着无数可能，目前主要的应用形式有自适应学习系统、智能导师系统、智能测试系统和基于VR/AR的场景式教育。
（1）自适应学习系统
自适应学习系统(Adaptive Learning System, ALS)是通过收集和分析学生的学习数据，用人工智能逐渐勾勒出每个学生的学习方式和特点，然后自动调整教学内容、方式和节奏，使每个学生都能得到最适合自己的教育。过去的10多年间，自适应学习一直不温不火，主要原因在于系统功能不够精细，而基于人工智能技术的自适应学习系统不仅能够加大分层力度，甚至做到一人一层，并且能够根据学生学习的实时情况，动态调整下一步的学习内容和路径，从而实现可规模化的个性化教育。现阶段，“搜集大数据——构建学习模型——输出学习建议”是实现人工智能自适应学习的基本步骤。学习模型的构建过程非常复杂，通俗来说，它是在“借鉴”人类大脑的思考过程，通过成千上万个函数点互相传导信息，用穷举的方式从千丝万缕的函数嵌套关系中找出学习规则，并不断进化模型。
它的输出由三部分要素有机结合而成：学习材料（如：一段教学视频、一道练习题），用来测评学生是否掌握学习材料的标准，学习材料的推送顺序。这三部分的内容和时长都由人工智能算法来决定。学生使用系统的时间越多，留下的行为数据越多，系统的效率就越高。自适应技术在人工智能+教育中的角色如图1所示。
图1 自适应在“人工智能+教育”中的角色
图片来源：艾瑞咨询：《2018年中国人工智能自适应教育行业研究报告》。
（2）智能导师系统 ②
智能导师系统（Intelligent Tutoring System，ITS）由早期的计算机辅助教学发展而来，它模拟人类教师实现一对一的智能化教学，是人工智能技术在教育领域中的典型应用。智能导师系统主要由领域模型、导师模型和学习者模型三部分组成，即经典的“三角模型”。
领域模型是智能化实现的基础，教学模型则是领域模型和学生模型之间的桥梁，其实质是做出适应性决策和提供个性化学习服务。ITS中教学模型模拟人类教师实现一对一个性化教学的过程即是适应性教学策略选取和个性化资源推荐算法的实现过程，适应性教学策略选择是资源个性化推荐的前提。
运用智能导师系统，可以实现发现式学习、探究式学习和协作式学习等多种教与学的方式，从而提高了教师的教学效率，也有助于学生个性化学习及探究、创新能力的培养。数据驱动的智慧教学与智能决策正在成为教育教学的新范式。
（3）智能测试系统 ③
智能测试系统，即利用人工智能技术提高教学自动评估的效率和效果的在线智能测试软件。智能考试系统中有一个庞大的数据库，首先吸收各个地区各个学校的考试试题，然后计算机自行分组分块进行结合，形成有规则的题库，针对不同的学生和不同的基础，给出有针对性的试题，这样避免了学生机械性充分性地做他们已经会的题目，而是在自己薄弱的地方下功夫，各个击破。
对于教师来说，利用组卷系统能更好地整合讲过的知识点，只需要在菜单上输入大纲中所要考的知识点和难度系数，即可快速生成一份试卷，简单高效。智能考试系统提供了教育教学实施检查的有效手段，实现了智能检测和检查，扩大语义相似性的范围，降低了教育成本，降低了教师的阅读考试的负担，使学生能迅速掌握自己的学习情况，提高教学和学习效率，对促进教育的社会化和现代化具有十分重要的现实意义。
（4）基于虚拟现实/增强现实的场景式教育④
VR和AR技术综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学，将计算机处理的数字化信息变为人所能感受的具有各种表现形式的多维信息。 虚拟现实和增强现实技术在教学中的运用，可以为学生营造一种自主学习的交互环境，从而实现了对知识的主动建构。
虚拟现实和增强现实技术在教学上的应用模式有三种：①虚拟课堂，即以学生或教师为虚拟大学的虚拟对象；②虚拟实验室，以设备为虚拟对象，即应用计算机建立能客观反映现实世界规律的虚拟仪器用于虚拟实验，可以部分地替代在现实世界难以进行的实验，学生和教师可在计算机上进行虚拟实验和虚拟预测分析；③虚拟校园，即利用虚拟现实技术，展现教学和校园生活等虚拟的事物。这是一种三维的可视化技术，通过虚拟展示，可直观体验校园的文化和教学情况。虚拟现实和增强现实技术以真实、互动、情节化的特点体现了其独特的魅力，它使学生形成一种通过自身与信息环境的交互来获得知识和技能的新型学习方式。
四、AI技术爆发，智慧教育市场火爆李彦宏说，“未来没有任何一家企业可以宣称与AI无关”，马云说，“企业不围绕智能转型将会被淘汰”。经过这几年技术及产业化浪潮的席卷，我们逐渐可以感受到，人工智能已经从一个新兴科技话题上升为宏观战略布局，在不久的将来，人工智能将会像空气一样无处不在。“人工智能+教育”市场备受资本青睐，越来越多的企业积极布局，依托人工智能技术研制和开发了各类教育智能产品。
从AI教育企业成立数量来看，2010-2013年，AI教育公司成立数量呈现平稳发展态势，年平均成立企业数约16家；自2014年起，AI教育公司大批涌现，2014年成立企业数超过50家。从AI教育领域融资情况来看，2014年以前投资态势较为平稳，自2015年始呈现爆发式增长。2017年多家龙头企业均获得了亿元以上的融资额度，无论是融资总额还是平均投资额均创历史新高。从AI教育企业布局情况来看，K12、素质教育、职业教育、出国留学等细分领域都涌现出多家布局AI的企业。部分企业提供系统及平台服务，渗透到了教研、教学、练习、测评以及管理五个环节中。还有部分企业提供智能机器人等硬件产品，如“音乐笔记”就是音乐教育领域的陪练机器人，智能腕带和APP结合，利用可穿戴设备和视频传感器，对钢琴演奏的数据进行实时采集分析，并将练习效果反馈和评价呈现给用户。从智能教育产品开发情况来看，智能教育企业基于自身的优势开发具有核心竞争力的产品，主要集中在自适应/个性化学习、虚拟导师、教育机器人、基于编程和机器人的科技教育、基于虚拟现实/增强现实的场景式教育等方面。智能化、精准化、个性化教育产品成为教育行业的香饽饽，AI教育企业深耕“AI+教育”领域，不断推陈出新，用智能化手段帮助老师和学生更好地实现教与学。
五、AI教育应用，机遇与挑战并重⑤（1）机遇
提供个性化的学习
如“智能导师”作为教育领域的一个重要应用，可以通过自然语言处理和语音识别技术，来实现计算机扮演导师角色的功能，代替现有教师为学生提供辅助性的学习材料，并能够对学习者的学习表现和问题解决的情况进行评价和反馈，提出相应的建议。
促进学习者各方面素养和能力的获得
21世纪核心素养主要包含三大类：一是学习与创新素养，二是数字化素养，三是职业和生活技能；21世纪能力包括创造性与问题解决、信息素养、自我认识与自我调控、批判性思维、学会学习与终身学习、公民责任与社会参与等内容。人工智能技术不仅能促进学生学习具体的、结构良好的知识和技能，还可以帮助学生获得复杂问题解决、批判性思维、多人协作等高阶能力。
加快全球课堂普及
全球课堂的目标是为学习者提供一种普及化的、随时随地可以访问的、学习者深度参与的学习环境。在人工智能技术支持下的全球课题，能够为学习者提供一个云端一体、支持认知发展和相互协作的全新学习，进而促进全球课堂的普及。
减少教师的重复性劳动
随着人工智能技术的发展，越来越多的人工智能工具被应用于教育领域，成为教师教学和学生学习的得力助手，在减轻教师负担的同时，还提高了教师的工作效率，从而使教师将更多的精力真正放在学生身上，促进学生更好地学。
（2）挑战
人工智能的人才培养存在滞后性
在就业市场上，虽然企业高薪资聘用相关人才的公告在就业市场屡见不鲜，但这方面的人才却很难在市场上找到。这也表明在现今社会中，人工智能领域相关人才培养还是存在着显性不足和滞后的问题，政府和学校所贡献的力量还存在着欠缺。
人工智能中教师角色转变的障碍
一方面，实施的过程中存在部分教师不愿意改变的现象。另一方面，教育信息技术的老师比较少，当更多的教师面临一个新的事物时，对教师实施有效的培训是非常有必要的。
与此同时，人工智能在教育系统中的实施也面临着怎样将人工智能教学系统与面对面教学相结合，使教师与人工智能系统之间协同工作，以最大限度地发挥二者的协作优势，共同为学生提供更有个性的、更有效的教学体验，这是当前教育人工智能研究面临的挑战之一。
人工智能教育中的伦理、社会及安全问题
互联网在给我们带来越来越便利的生活的同时，也存在一些隐患：网络暴力的滋生、信息的泄露、网络欺诈行为等问题不断涌现。在图像识别技术上，出于对当事人隐私或者某些信息的保护，电视和网络会将文字或脸部像素化。但随着人工智能的发展，这种保护隐私的方法已经不再可靠。因此，伦理道德和安全保障是教育人工智能也必须面对的挑战之一。
未来的时代是智能时代，人工智能延伸了人类的体力和脑力，那“人工智能+教育”能否延伸人类教育的“育力”，增强学生的“学力”、教师的“教力”、校长的领导力？一切还取决于我们的不懈努力。未来已来，未来超越想象！智慧教育3.0时代将给我们带来惊喜的教育变革。
①《智慧教育：新时代的教育变革与转型》，http://www.sohu.com/a/220193628_440113。
②梁迎丽，刘陈：《人工智能教育应用的现状分析、典型特征与发展趋势》，《中国电化教育》2018年3月，第24-30页。
③郝芳：《人工智能在智慧教学中的应用研究》，《民营科技》2018年第8期，第69页。
④高姝睿：《人工智能在教育领域的应用研究》，《软件导刊?教育技术》2018年第1期，第6-8页。
⑤傅莉：《人工智能在教育中的应用研究》，《计算机与数字工程》2012年第12期，第63-65页。
⑤《人工智能教育应用的机遇与挑战》，http://www.sohu.com/a/258289997_100020578。
