1.1　人工智能时代教育变革

人工智能技术的发展对教育产生了重要影响。人工智能技术已经深入影响到社会各个领域，新技术与教育应用的深层次融合，形成了一种新的教育生态，即人工智能教育。人工智能教育是以“实现人的智慧成长和全面发展”为根本目标，以“实现个性化、精准化、智能化学习”为直接目的，并与云计算、大数据等技术一起作为技术支撑，依托智能化的互联网生态环境，打造新型教育生态系统。

1.1.1　人工智能教育新时代的到来

人工智能技术对社会发展产生了极其重要的作用，不仅改变人们生活、学习以及工作方式，而且助力全球产业转型升级，实现社会从移动互联网时代、大数据时代到“人工智能+”时代的跨越式发展，人类社会正式进入“人工智能+”时代。1941年，图灵成功破译了著名密码系统“Enigma”，开启人类探索人工智能领域研究的序幕。1956年，在达特茅斯会议上人工智能的概念被正式确立。人工智能技术应用研究最早可追溯1960年第一代机器人和智能软件研发，随后日本研发wabot1以及wabot2机器人，实现与人沟通、阅读乐谱并演奏电子琴功能。1997年，IBM超级计算机深蓝（Deep Blue）战胜国际象棋著名选手加里·卡斯帕罗夫。2011年，苹果公司终端设备智能语音助手Siri问世。2016年，阿尔法狗（AlphaGo）成为世界上首个击败人类职业围棋选手并且战胜围棋世界冠军的人工智能系统，全球迎来新一轮人工智能技术研究与应用热潮。

人工智能技术应用受到社会各领域高度重视。相关技术应用已深入到社会各个领域，包括工业、农业、金融、通信、交通、教育、医疗等行业，对社会发展产生了持久而深远的影响。在工业应用领域，人工智能技术促使传统生产制造业向智能制造服务发展；在农业应用领域，人工智能技术服务于农业病虫害探测、智能土壤探查等；在金融应用领域，人工智能技术主要应用于智能投资顾问、智能信贷与监控预警、智能客服等；在医疗应用领域，人工智能技术能为医生提供疾病分析与诊断服务；在交通运输领域，智慧交通、智能出行、智能导航等服务极大提高了人们出行的便利性。

教育是国家发展、民族复兴、科技进步、经济繁荣的重要育人工程。党的十九大报告将优先发展教育事业、加快教育现代化、建设教育强国作为三大极其重要的战略部署。中国工程院院士、中国人工智能学会理事长李德毅表示：“教育是人工智能对当前经济社会冲击最大的四个领域之一。”在“人工智能+”时代，人工智能技术发展赋予教育新的时代内涵，智能化、交互化的教育新体系规划与建设，精准化、个性化的在线学习服务平台设计与研发，学习过程诊断与评价、“智能教师助理”等新型智能学习服务不断涌现，人工智能与教育应用深度融合宣告人工智能教育新时代的到来。

针对人工智能对教育变革的重要影响，全球各国非常重视发展人工智能教育，颁布了一系列推进人工智能教育应用的政策文件。2016年，美国正式实行人工智能国家战略，奥巴马政府先后出台Preparing for the Future of Artificial Intelligence（《为人工智能的未来做好准备》）、The National Artificial Intelligence Research and Development Strategic Plan（《国家人工智能研究和发展战略计划》）以及Artificial Intelligence，Automation，and the Economy（《人工智能、自动化与经济》）报告，报告中指出，人工智能是一种具有巨大社会经济效益的变革性技术，可以提供更多的教育机会和质量，学习者可以通过人工智能技术实现终身学习。同年，日本政府发布《日本再兴战略2016——面向第4次产业革命》，文件明确指出要在基础教育阶段，培养学生的编程能力、运用信息技术思考问题的能力。英国、法国、新加坡等国家也相继出台了相关政策文件，推动人工智能教育发展。世界主要发达国家颁布的系列人工智能相关政策文件如表1-1所示。

人工智能教育应用同样受到我国政府的高度关注。2010年，教育部制定了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，指出“信息技术是推动教育发展的关键因素，具有革命性影响，教育信息化应视为国家信息化整体发展战略的重要组成部分，加快教育信息化建设进程刻不容缓。”2016年，教育部颁布《教育信息化“十三五”规划》，同年，国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、中央网信办四部门联合印发了《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》，方案指出要积极推进“互联网+”这一新模式、新业态的建设，大力推动人工智能产业的建立与发展；2017年，国务院出台《新一代人工智能发展规划》，指出全民智能教育项目应在全国广泛普及；2018年，教育部先后颁布了《高等学校人工智能创新行动计划》《教育信息化2.0行动计划》，助推人工智能及其教育应用的发展。国内人工智能相关政策文件如表1-2所示。

人工智能的发展也为智能教育产业发展提供了新机遇。智能教育产业是人工智能时代教育服务产业新模式，推动传统教育服务行业从劳动密集型向低成本、高科技、可持续发展产业转型。国外智能教育产业研发起步早，目前较为成功的Knewton系统通过评估学生对学习内容掌握程度，为每位学生动态推荐合适的学习内容，以满足学生个性化学习需求。国内好未来、新东方、VIPKID、51talk、沪江、科大讯飞、英语流利说等企业相继宣布进军人工智能教育行业；其中，科大讯飞充分利用人工智能技术，实现精准教学、自主学习，打造智慧课堂，创建智慧校园；英语流利说研发了一款名为“懂你英语”的移动英语课堂学习软件，该软件以人工智能自适应技术为基础，探索“没有老师”的机器英语教学服务。

1.1.2　人工智能对新时代教育影响

人工智能技术是推动社会变革的重要因素，同样也是推动教育变革的重要因素。回溯教育的发展历史，历经原始社会、农业社会、工业社会、信息社会，到如今的人工智能时代，技术起到关键性的推动作用。

（1）教育变革的发展历程

纵观人类社会教育发展历史，整个教育发展经历了四次变革。从原始社会到农业社会、从农业社会到工业社会、从工业社会到信息社会，再从信息社会进入智能时代，每一次的变革都是技术发展促成的。黄荣怀等（2017）认为，教育的核心问题是需要解决学什么（人才培养目标和学习内容）、怎么学（教与学的方式）、在哪学（学习环境）三个问题，教育变革发展历程如图1-1所示。

第一次教育革命是原始社会向农业社会的变革，此次教育变革的标志是文字的出现。在原始社会，人类主要是通过模仿行为来学习生存技能和生存经验的，学习的场所是在户外，并且没有固定的时间，是在人与人交流中潜移默化完成学习的。

第二次教育革命是农业社会向工业社会的变革，班级授课制是此次教育变革的标志。在工业社会，人们通过听讲、询问的方式在课堂上学习知识，学习内容包括职业技能、文化知识和科学技术。

第三次教育革命是从工业社会进入信息社会。随着互联网以及相关信息技术的快速发展，人们不再局限于学校学习场所，也不受时间约束，可以通过移动设备、智能平板电脑开展学习；学习方式也发生很大变化，出现了混合学习、移动学习、协作探究等多种新型学习方式。

第四次教育变革是从信息社会进入人工智能时代。智能技术为人们构建了智能化的学习环境，人们可以在任何时间、任何地点使用智能学习服务，学习过程呈现个性化学习、无缝学习以及泛在学习等特点，学习内容聚焦21世纪核心素养。

（2）人工智能对新时代教育影响

随着人工智能技术应用的普及，人工智能对教育领域各要素产生重要影响。新时代教育基本要素包括教育理念、教师、学习者、教育环境、教育内容以及学习方法等。通过分析人工智能对教师、学习者、教育理念、教育环境、教育内容和学习方法等要素影响，构建人工智能对新时代教育影响体系框架，如图1-2所示。

第一，强化智慧教育理念，促进“智慧型”人才培养。

人工智能对教育理念的影响主要体现在人才培养目标和人才培养模式要素。新时代人才培养目标是促进“知识型人才”向“智慧型人才”转变，实现人的全面发展。《新一代人工智能发展规划》提出“智能技术助力人才培养模式转型升级、教学方法发生根本性变革，新的教育体系是一种以技术为支撑，包含智能学习、交互式学习等多种学习方式的新体系”，人工智能为人才培养模式的创新提供了强有力的技术保障。

第二，转变教师角色，从“教育者”向“服务者”转型。

人工智能促使新时代教师角色转变。人工智能技术同大数据、云计算等为学生提供了多元化、智能化的在线学习平台，学生可以自主地开展学习，与教师的互动方式也更加多元化，这就促使教师的角色从原先的“教育者”转变为“指导者”“引导者”“服务者”，教师不再按照传统的授课方式传授知识，而是要运用智能化教学手段开展教学活动。

第三，提升核心竞争力，做新时代学习的“主导者”。

人工智能赋予新时代学习者新要求。学习者不仅要学习理论知识，还应该以“21世纪核心素养”为目标，不断提升自己的核心能力、技术运用能力，培养逻辑思维、计算思维以及创造性思维，以“智慧型人才”目标引领自身发展。另外，人工智能技术发展也为学习者开展学习提供了极大的便利条件，学习者不再受时空限制，可以在任何时间和任意地点进行学习；师生、生生之间互动显著增加；学习者可以根据自身需求，获取互联网上丰富的优质学习资源，真正做到个性化学习。

第四，促进教育环境转型升级，创设智能化学习环境。

人工智能促使教育环境从“封闭式校园”走向“共享式智能化学习环境”。新时代的教育环境不仅具有灵活性、开放性、智能性，还具有包容性、协同性、层次性和多样性等特征。人工智能技术与智慧校园、智慧教室的有机融合，打造了无缝衔接的混合学习空间，实现学习过程知识共享、资源共享、服务共享，为学习者提供一个智能化、个性化、多元化的新时代智能教育环境。

第五，创新教育内容，注重21世纪核心素养培育。

新时代教育内容主要是培养学生适应21世纪发展需要的各种能力，包括对学生信息素养的培养；另外，教育内容更加趋向于定制化和个性化，人工智能技术能够打破传统的教学形态，根据个人的实际情况，为学习者提供不同的学习计划和学习内容。

第六，变革传统学习方法，真正实现“无缝学习”。

传统的学习方法以课堂授课为主，人工智能技术的发展使学习者不再局限于学校、课堂，而是在任何地点、任何时间开展个性化学习。畅肇沁等（2019）认为在人工智能技术影响下，传统学习方式发生了变化，被动学习变为主动学习、单向学习变为开放学习、以知识学习为主变为以思维能力培养为主、终结式学习变为终身式学习。个性化学习是根据学生的需求以及学习程度，为学生提供个性化服务，真正做到因材施教，提高学生的学习效率；而自适应学习是智能系统根据学习者的学习需求和学习风格，推送合适的学习资源和学习路径，以最优方式适应学习者的学习状态。

1.1.3　人工智能教育跨界融合应用

跨界融合是指两个或两个以上的不同领域，通过一定的介质，实现资源共享、优势最大化以及服务最优化。人工智能作为信息技术领域的重要内容，对教育领域相关要素产生重要的影响；技术推动教育变革，同时教育发展内在诉求又促使技术不断升级，两者相互促进、共同发展。

1. 人工智能教育应用概况

通过梳理相关研究文献，目前人工智能教育应用领域主要分为学习模式、应用形态、智能服务三个体系，具体如图1-3所示。

应用形态体系包括智能导师系统、智能测评系统、教育机器人、智能校园等研究内容。吴永和等（2017）认为智能校园、立体化综合教学场、基于大数据分析的在线学习教育平台以及智能教育助理是“人工智能+教育”的四大主要应用形态；梁迎丽等（2018）提出智能导师系统、自动化测评系统、教育游戏、教育机器人是人工智能教育应用的四大应用形态。

学习模式体系包括自适应学习和个性化学习等服务内容。张坤颖等（2017）将学习模式分为三种模式，分别是人工智能主体性融入模式、人工智能功能性嵌入模式以及人工智能作为辅助技术模式；而杨现民等（2018）根据服务对象和内容不同，将学习模式应用概括为三个层次，第一层次是面向特殊人群的补偿性教育，第二层次是针对常规业务的替代式教育，第三层次是服务学习者个性发展的适应性教育。

智能服务体系包括技术类服务、业务类服务等内容。吴晓如等（2018）提出“智能教育核心服务”概念，并将智能服务分为技术和业务两大类；冯翔等（2018）归纳了人工智能教育应用的九项核心共性服务。

2. 人工智能教育跨界融合应用实例

智能导师系统是人工智能技术模仿教师角色，为学生提供一对一个性化服务的计算辅助教学系统。该系统由领域知识库、学生模型、教学策略和推理模块、人机接口四部分组成。其中，领域知识库包含对知识和解决问题的答案，所运用的人工智能技术有知识获取与知识表示；学生模型记录了学生的基本信息，反映了学生的认知水平、学习风格和情感态度，是整个智能导师系统的核心；教学策略和推理模块是根据学生的状态，选择合适的教学内容，实现个性化教学；人机接口的主要功能是，实现领域知识库、学生模型、教学策略和推理模块三者的交互，包含了图片、文字、多媒体等所有信息，主要使用的人工智能技术包括自然语言理解以及虚拟现实等。

智能测评系统是计算机对学生在学习过程中发生的学习行为进行监测和评估，并提供反馈信息。智能测评系统打破了原有以问卷形式的静态测量，通过人工智能技术以及相应设备，对学生学习行为、认知水平以及心理健康等方面进行多维度、持续性的评价。因此，智能评测系统应用给教育评价带来了根本性的变革。

教育机器人已成为人工智能教育融合的典型应用。目前教育机器人分为自我认同塑造、托管陪伴、特殊教育三个类别。其中，“自我认同塑造”类型机器人培养学生协作探究的能力以及创造性思维，主要应用于STEM教育、创客教育以及相关竞赛。如索尼公司的KOOV机器人、足球机器人等。“托管陪伴”类型机器人主要扮演家长教育助手角色，主动为学习者提供学习建议。如美国麻省理工大学TEGA机器人。“特殊教育”类型机器人主要服务于特殊人群，以便于他们更好地生活和学习，同时通过机器人来改善症状。例如，微软公司与中科院计算技术研究所联合开发的基于Kinect的手语识别系统。

智能教学系统提供面向教学的学情分析服务、面向学习的智能推荐服务以及面向管理的决策支持服务等。其中，学情分析服务主要是分析学习者的学习行为、认知水平、身心状态；智能推荐服务是通过学情分析，将合适的资源推送给学习者，实现学习者个性化学习；决策支持服务主要是利用大数据分析、数据挖掘等技术对教育数据进行处理，给教育管理者提供预测、监督的作用。科大讯飞公司开发的“畅言智慧校园系统”通过搭建教育数据平台，实现校园教、考、评、学、管业务的无缝连接与数据贯通；依托人工智能技术，为师生提供一个智能化的教育生态环境，实现人人互动、人机互动，同时基于大数据分析，真正做到因材施教，帮助管理者全面监督，以便做出正确的决策，是一个典型的智能教育服务系统。

1.1.4　人工智能教育发展趋势

人工智能的发展给教育带来了根本性变革，对教育理念、教学环境、教学内容、学习方法以及师生关系等产生深刻影响，未来人工智能与教育跨界融合应用更加深入，人工智能教育服务也更加多样化，特色也更加鲜明。

第一，目标导向：未来教育应培养具备21世纪核心素养的智慧型人才。

教育的根本目的是育人。习近平总书记多次在教育工作会议上强调人才培养工作的重要性，强调要全面贯彻落实立德树人的根本任务，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。随着人工智能技术的发展，人类社会已经迈入智能时代，人才培养目标内涵也被赋予了时代特征。21世纪核心素养的提出，给未来教育的人才培养指明了方向。未来的人才培养应以核心素养为价值导向，着重培养学习者的创造能力、信息技术运用能力、逻辑思维能力、人际交往能力，增强学习者社会责任意识。因此，未来人才培养的方向将会是培养具备核心素养和核心能力的智慧型、复合型、创新型人才。

第二，模式变革：构建人工智能教育生态系统，实现无缝学习。

人工智能技术应用改变传统封闭式、灌输式的教育模式，而在人工智能时代，随着人工智能教育生态系统建立和完善，教育模式将逐步转变为开放式、共享式的学习环境，并以学生为中心，实现学生全面发展。未来教育模式不再是传统的课堂教学模式，而是在人工智能技术助推下，可以将STEM、创客等融入到课堂教学中，激发学习者主动探究的好奇心，从灌注式的教育转变为主动学习式的教育，让学习者实现无缝学习。

第三，环境创设：打造智能化校园，创造智能化的教学环境。

人工智能技术赋予了学校新的功能，协同大数据、云计算等技术将学校打造成为一个虚实融合的智能教育环境，为教师、学习者、管理者提供了智慧化的学习和工作环境。智能教育环境将智能技术与教育服务结合、线上学习与线下学习结合，形成教育智能服务的新模式，同时能够感知学习者的学习情境，实现学习者的个性化学习。未来的学校具备自然交互、情境感知、自动适应等特征，真正实现以学习者为中心，提供精准化的智能学习服务。

第四，教师转型：转变教师角色，培育服务型智慧教师。

人工智能时代，师生关系发生重要的变化，教师由“主导者”逐渐转变为“引导者”。智能时代需要智慧型人才，更需要智慧型教师。人工智能时代也对教师能力提出更高的要求，首先，教师需要掌握新技术，不断提升自身的专业能力；其次，教师要运用智能化的技术，开发数字化的学习资源，鼓励学生学习；再次，要积极与学生交流，了解学生的学习情况，及时给予学生指导；最后，要转变观念，向服务型教师转型。

第五，学习创新：实现个性化、终身学习。

人工智能时代，个性化学习是技术与教育融合的最高表现形式。学习者可以根据自身的需求，在丰富的学习资源中选取合适的内容进行学习；同时学习服务应根据学习者的搜索内容分析学习者的特征，从而推送相关内容给学习者，个性化学习将会成为未来教育发展的主要趋势。技术的不断发展，需要学习者不断与时俱进，不断提升自己的职业能力和核心素养，技术发展给终身学习创造了便利条件。因此，未来的教育一定会实现终身学习。

第六，技术驱动：深化应用研究，增强人机交互，提供智能服务。

目前“人工智能+教育”应用模式仍然处在起步阶段，随着人工智能技术的进一步发展，势必会加大对教育应用的研究力度。人工智能时代，简单、机械式的学习活动必然会被机器所替代，但是学习者价值观念、道德品质和情感态度的培养是人工智能无法替代的，需要由教师来完成。因此，人机交互合理性更显得重要。在人机交互的过程中，既要注重交互的高效性，还要注重人的主体性。在人工智能技术的驱动下，为学习者提供多样化、跨学科、跨时空的智能教育服务，是建设“人人皆学、处处能学、时时可学”学习型社会，实现个性化教学的有效途径。