中小学人工智能学习环境构建研究
2018年4月，教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》中明确提出要构建智慧学习支持环境，开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设，并且提出启动“人工智能+教师队伍建设行动”，推动人工智能在教师各方面的支持工作。学习环境指人们在进行学习时所面临的周围的情况，包括物理学习环境、资源学习环境、技术学习环境和情感学习环境。
大数据、人工智能和物联网等技术的发展，新的学习环境——智慧学习环境被广泛提出。智慧学习环境是一种能识别学习者特征、感知学习情景、便利的互动工具与提供合适的学习资源、自动记录学习过程和评测学习成果，以促进学习者有效学习的学习场所或活动空间。最终使学习者达到轻松、投入和有效的学习。
人工智能学习环境构建理论
智慧学习环境可以体现人工智能教育应用对教学的帮助，人工智能是支持智慧学习环境的重要技术手段，而针对不同的人工智能教育应用又有不同的技术学习环境[1][2]：（1）智能导师：需要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；（2）教育机器人等智能助手：此类应用需要语音识别、深度学习、机器学习等技术；（3）智能测评：需要自然语言处理技术、语音识别、语料库技术、图像识别及非机打文本语义识别技术；（4）教育数据的挖掘与智能化分析：需要运用数学统计、机器学习和数据挖掘等技术和方法；（5）情绪感知系统：需要人脸识别、眼动跟踪、手势识别等技术；（6）学习分析系统：需要基于大数据的学习分析技术；如需要虚拟环境支持；（7）虚拟课堂：需要虚拟现实、增强现实、混合现实技术的支持。
本研究试图将更多的人工智能教育应用集成在一个学习环境中，使学习环境以多种人工智能教育应用为主题。就目前国内外研究现状，针对专用的人工智能学习环境的研究鲜少，本研究将创建此种学习环境，围绕人工智能教育技术和人工智能的教育应用，展开理论和实践两条线索的设计研究，学习环境更贴近理论要求和实际操作。
图1 实验室实景
一方面，人工智能的教育环境是一个智慧学习环境，满足智慧学习环境的特征，它的构成包括学习者、干预者、资源库、数据库、设备、支持技术，其中干预者不是非必要条件，硬件设备如桌椅也应是支持自由拼接并可形成“圆桌型”“多边型”“稻秧型”“马蹄型”等。智慧学习环境中的技术因其设备的丰富也多种多样，有的技术可以给学习者自动推送信息，有的技术可以使学习者进入模拟世界体验真实世界中的操作去感受和领悟。在此所说的技术已包括最基本的多媒体、投影、高速无线网络等技术，还有如人工智能、传感器、自动推理、二维码和视频监控等无线通信和情境感知技术，数据挖掘、增强现实、3D打印等评价与学习技术，动作捕获、情感计算、课堂教学效果分析、交互文本分析、文本挖掘等分析与跟踪技术，学习对象、语义Web和本体构建与重构技术等。
另一方面，人工智能的教育环境是以人工智能技术应用为主的学习环境，除了智慧学习环境所具有的特征以外，还更强调在技术支持中注重人工智能技术的应用。环境包括硬件、软件和资源。硬件包括了学习设备及非学习的支持设备，如签到、门窗、灯光、桌椅等，学习设备是直接用于教学活动的，如电子黑白板、虚拟教学用具、教学移动设备等，而在人工智能教育环境中硬件方面的特色是具有教育机器人；软件包括了在设备中安装的可存放资源的可交互平台；资源是指支持师生使用人工智能教育应用的知识材料等。
人工智能学习环境构建实践
2017年底海淀教科院建成人工智能教学联合实验室，以人工智能与教育领域的探索研究、示范应用为建设目标，通过打造软硬件设施支撑人工智能教育、教学、探究活动的开展，进行整体规划建设（图1，图2）。
图2 实验室平面设计
人工智能教学联合实验室集硬件、软件和课程为一体，包括4个分区、6个系统、1个工具、多个体验产品。4个分区包括授课区、互动体验区、智能产品展示区、智能信息系统区。6个系统分别为：智能签到、展示及班级显示子系统，通过搭建智慧课堂系统，实现课前、课中、课后的全过程教学和作业管理，同时为大数据分析平台提供过程数据；智慧课堂教学、互动子系统，作用同前一个子系统；物联网智能控制子系统，基于语音识别、语音智控功能，实现对班级内灯光、空气净化器、空调、窗帘等设备的智能管理、控制；大数据分析子系统，采用“人脑图谱”大数据系统，实现对学生进校全天学习、生活、学业影响、学情预判等的大数据分析；VR教学研究子系统，通过虚拟现实系统的建设，实现VR在教育、教学过程中的研究及互动应用；听见实时翻译显示子系统，基于科大讯飞特有的语音识别及语音合成技术，实现讲课过程的实时文字显示、多语种翻译功能。一个工具指智慧微课工具，可重新构建教学录课环境，更智能、更方便，一键录制微课，利用智能语音技术实现自动转译，记录课堂的每一个精彩瞬间，动态积累常规课堂教学资源，建设更为详实的校本资源库；通过语义理解与分析，进行文本结构化，实现知识点的自动归类与挂接，与演示课件实现动态同步，便于学生更精准地定位课堂内容，针对性解决学习问题，极大地提升了学习便捷性。多个体验产品指音响、录音笔、翻译机、台灯、加湿器、机器人、手表、电视盒子等。
在此构建的教室环境中，师生可以开展智慧课堂，可以进行智慧微课录制，可以开展VR和AR互动课堂，可以开展AI课程，包括课前、课中、课后的环节。
目前该实验室主要进行教师培训，截至2019年11月已完成八期培训，涉及所有学科教师，很多优秀的学员参加论坛、比赛、论文发表等。2018年7月，海淀区在国家会议中心顺利举办“突破·合作探究与实践创新——海淀区人工智能创新教育论坛”，在“人工智能进课堂教学实践分享”环节，八一学校的丁洪山、中国人民大学附属中学实验小学的田迎春两位老师分别登台说课，将“语音台灯”与“智能家居系列之人工智能控制”两节人工智能课堂教学设计、实施过程、教学反思向与会者进行了展示与分享，让与会者更直观地了解了海淀中小学人工智能相关课程的研究情况与真实的效果反馈。中央电教馆2019年度的“新媒体新技术教学应用研讨会暨第十二届全国中小学创新课堂教学实践观摩活动”，从全国范围内选拔出的人工智能现场展示课共6节，其中5节课由海淀区教师进行展示，并获现场课一等奖，此外，大赛还举办说课活动，海淀区有两位教师获得说课一等奖，所有海淀区的获奖老师中有三位均为区级人工智能教育培训班的优秀学员。北京市海淀区第二实验小学的吴思琦老师在培训后积极在课堂中引入人工智能技术辅助教学，进行深入思考后于2019年7月在《中小学信息技术教育》杂志发表《人工智能教育软件在小学科学教学中的应用——以“运动起来会怎样(一)”为例》一文。首都师范大学附属育新学校的一位教师，在培训期间对智能编程机器人与虚拟实验室软件深入了解后，在学校开展编程课程和教研活动。
人工智能学习环境的构建对发展智能教育有重要意义。第一，可以培养孩子们的意识、观念，让他们了解人工智能，并且积极地参与进来；第二，增加和拓展中小学阶段的人工智能相关课程，逐步提高孩子们的人工智能动手能力；第三，对有特殊兴趣和能力的学生增加“特长教育”，从而带动全校和全区的人工智能优秀学生发展；第四，加大教师的人工智能相关教学能力提升，鼓励创新、开拓型优秀教师培养；第五，在智慧校园的信息化建设基础上，发展人工智能技术支持的智能教育。人工智能实验室的创建是积极响应新世纪培养高素质人才的要求，是积极迎接新技术变革教育挑战的表现，为研究和发展智能教育提供了基础。实验室不仅为海淀区各校、直属单位的全学科中小学教师举办专题培训、教学研讨、课题研究活动提供了智能空间，也为教师回校开展人工智能课程、举办区级大型活动等提供了技术支持，数次迎接了国家、市领导和各级同仁单位的调研参观，为区中小学人工智能课程的引入、新技术的探索开发、人工智能新产品进课堂的实验，提供硬件基础及实验平台，助力了人工智能在海淀区教育行业的科学研究、技术推广和应用示范，推动了海淀区人工智能教育发展环境和实施路径的建设，为海淀区迈进智慧教育2.0时代添砖加瓦。
[1]闫志明，唐夏夏，秦旋，张飞，段元美. 教育人工智能（EAI）的内涵、关键技术与应用趋势——美国《为人工智能的未来做好准备》和《国家人工智能研发战略规划》报告解析[J]. 远程教育杂志，2017(1): 26-35.
[2]陈凯泉，沙俊宏，何瑶，王晓芳. 人工智能2.0重塑学习的技术路径与实践探索[J]. 远程教育杂志，2017(5).
