1、    人工智能在我國(guó)教育領(lǐng)域應(yīng)用的可視化分析    摘要：人工智能為我國(guó)教育領(lǐng)域帶來(lái)深刻變革，使教育向智能化方向發(fā)展。文章以cnki數(shù)據(jù)庫(kù)為研究對(duì)象，基于主題“人工智能”和“教育”、“ai”和“教育”進(jìn)行檢索后對(duì)20062017年間的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析。文章首先利用citespace可視化工具，基于關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究熱點(diǎn)和研究前沿分析，然后通過(guò)聚類算法對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)討論，最后探討了人工智能對(duì)教育的影響，并對(duì)人工智能在我國(guó)教育領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行反思。關(guān)鍵詞：人工智能，教學(xué)技術(shù)，citespace，可視化分析基金項(xiàng)目：本文為北京市教育科學(xué)“十二

2、五”規(guī)劃2016年度課題“大數(shù)據(jù)時(shí)代教師數(shù)據(jù)素養(yǎng)能力構(gòu)成和發(fā)展研究”(課題批準(zhǔn)號(hào)：ccfa16119)的階段性研究成果。一 概述人工智能(artificial intelligence，ai)的概念首次在1956年召開(kāi)的美國(guó)達(dá)特茅斯會(huì)議上提出。自20世紀(jì)70年代起，許多國(guó)家都開(kāi)展了人工智能的研究，涌現(xiàn)出了大量的研究成果。2016年，在百度舉辦的“暢想教育科技高峰論壇”上，來(lái)自各領(lǐng)域的專家學(xué)者共同探討了人工智能在未來(lái)教育的發(fā)展方向1。全球新經(jīng)濟(jì)行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘和分析機(jī)構(gòu)iimedia research發(fā)布的2017年中國(guó)在線教育行業(yè)白皮書顯示，人工智能/大數(shù)據(jù)技術(shù)將使大范圍個(gè)性化教育成為可能2。美國(guó)

3、新媒體聯(lián)盟聯(lián)合北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院發(fā)布的2017中國(guó)高等教育技術(shù)展望：地平線項(xiàng)目區(qū)域報(bào)告中指出，未來(lái)45年內(nèi)，情感計(jì)算、機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)將對(duì)中國(guó)高等學(xué)校產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響3，而這些技術(shù)都是人工智能領(lǐng)域中的主要研究?jī)?nèi)容。在教育領(lǐng)域，人工智能技術(shù)具有極大的創(chuàng)新潛力和應(yīng)用前景，我國(guó)在教育人工智能領(lǐng)域進(jìn)行了積極的探索和研究，有必要對(duì)這些研究成果進(jìn)行梳理。二 研究設(shè)計(jì)本研究主要聚焦于我國(guó)教育人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、研究前沿及關(guān)鍵詞聚類這三個(gè)方面。本研究借助軟件citespace，繪制了教育人工智能應(yīng)用的知識(shí)圖譜，并通過(guò)內(nèi)容分析法對(duì)檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，從而對(duì)人工智能技術(shù)在我國(guó)教育領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)

4、行了詳細(xì)梳理和闡述。1 數(shù)據(jù)來(lái)源本研究以cnki學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)來(lái)源，以“人工智能”和“教育”、“ai”和“教育”作為主題詞進(jìn)行檢索，選定文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間為20062017年，共獲得文獻(xiàn)1186篇，剔除無(wú)作者、無(wú)關(guān)鍵詞、與主題相關(guān)度不高等無(wú)效數(shù)據(jù)，得到有效文獻(xiàn)數(shù)量共1086篇，其中期刊629篇、碩博士學(xué)位論文457篇。2 研究步驟本研究首先將所篩選的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)citespace自帶的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行預(yù)處理，再導(dǎo)入到citespace中進(jìn)行科學(xué)知識(shí)圖譜生成。citespace的參數(shù)設(shè)置如下：時(shí)間段為20062017年，時(shí)間切片為1年，節(jié)點(diǎn)類型為“關(guān)鍵詞(keyword)”，分析數(shù)據(jù)的閾值

5、為topn%=50%，并采用pathfinder裁剪方法，最終生成相關(guān)圖譜。三 研究結(jié)果1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析(1)熱點(diǎn)分析本研究首先運(yùn)行citespace使節(jié)點(diǎn)以年輪樣式顯示，然后進(jìn)行關(guān)鍵詞熱點(diǎn)分析。本研究對(duì)高頻詞和中介中心性較高(取值高于0.1、帶有紫色圓環(huán))的詞進(jìn)行綜合分析從而判定熱點(diǎn)。除去基本關(guān)鍵詞“人工智能”后得到高頻與高中介中心性關(guān)鍵詞的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圖譜如圖1所示，圖1顯示共有9個(gè)熱點(diǎn)關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞右側(cè)括號(hào)中的數(shù)值分別為該關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次與中心性值。圖1 高頻與高中介中心性關(guān)鍵詞可視化圖譜上述9個(gè)熱點(diǎn)關(guān)鍵詞可大致歸納為四個(gè)方面：信息技術(shù)方面，主要涉及“數(shù)據(jù)挖掘”、“agent”和“自然語(yǔ)言處

6、理”，這三個(gè)關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)相關(guān)的信息技術(shù)，說(shuō)明在教育領(lǐng)域主要采用人工智能中的此類技術(shù)為教育提供服務(wù)；教育理論知識(shí)方面，主要涉及“遠(yuǎn)程教育”和“在線教育”，這兩種教育方式突破了時(shí)空界限，更多地運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與環(huán)境開(kāi)展教育，用戶規(guī)模巨大，并應(yīng)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，因此與人工智能技術(shù)的結(jié)合更緊密；人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，主要涉及關(guān)鍵詞“智能教學(xué)系統(tǒng)”，通過(guò)分析學(xué)習(xí)行為，提供更好的學(xué)習(xí)路徑；關(guān)鍵詞“智能制造”，它是由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它使制造自動(dòng)化的概念高度集成化、智能化，該熱點(diǎn)在我國(guó)教育領(lǐng)域中主要應(yīng)用于制造業(yè)的職業(yè)技能培訓(xùn)方面。(2)前沿分析本研究選擇突現(xiàn)值5的關(guān)

7、鍵詞作為前沿關(guān)鍵詞，除去基本關(guān)鍵詞“人工智能”后得到的突現(xiàn)關(guān)鍵詞可視化圖譜如圖2所示。圖2中方框示出的是突現(xiàn)值5的7個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞右側(cè)括號(hào)中的數(shù)值為該關(guān)鍵詞的突現(xiàn)值。為進(jìn)一步從時(shí)間維度上顯示前沿關(guān)鍵詞演進(jìn)的視圖，本研究采用citespace中“時(shí)區(qū)視圖”的呈現(xiàn)方式展示出關(guān)鍵詞的更新和相互影響，如圖3所示。由圖3可知，7個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時(shí)間集中在20062007年。圖2 突現(xiàn)關(guān)鍵詞可視化圖譜圖3 時(shí)間區(qū)域方式呈現(xiàn)的突現(xiàn)關(guān)鍵詞可視化圖譜agent的研究集中在20062008年，教育信息化的普及和遠(yuǎn)程教育的發(fā)展使得基于agent技術(shù)的教育應(yīng)用研究不斷涌現(xiàn)。專家系統(tǒng)的突現(xiàn)時(shí)間集中在200620

8、12年，在此期間，專家系統(tǒng)由最初的專業(yè)化解決專門問(wèn)題到單學(xué)科專業(yè)型、應(yīng)用型系統(tǒng)再到多學(xué)科綜合型系統(tǒng)不斷發(fā)展。本體的突現(xiàn)集中在20062010年，這一時(shí)期隨著遠(yuǎn)程教育的發(fā)展出現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，創(chuàng)建了各種學(xué)習(xí)資源。遺傳算法突現(xiàn)時(shí)間為20062011年，應(yīng)用最多的是智能組卷。智能教學(xué)系統(tǒng)的研究集中在20072012年，人工智能不斷從計(jì)算智能、感知智能向認(rèn)知智能發(fā)展，智能教學(xué)系統(tǒng)也伴隨新技術(shù)的出現(xiàn)而改善升級(jí)4。數(shù)據(jù)挖掘在教育領(lǐng)域中的突現(xiàn)出現(xiàn)在2007年，一直延續(xù)至2015年，是所有前沿關(guān)鍵詞中時(shí)間跨度最長(zhǎng)的，能夠應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育、高等教育等多種教育形式，以及智能教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)、教學(xué)輔助系統(tǒng)等

9、多種類型的教學(xué)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)提供了強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。2 聚類分析本研究針對(duì)關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)數(shù)似然率算法(log-likelihood rate，llr)進(jìn)行聚類，并以該類中l(wèi)lr算子取值最高的特征詞的名稱作為聚類名稱，得到聚類結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，共得到12個(gè)聚類，本研究將這12個(gè)聚類進(jìn)一步歸納為三大類：教育領(lǐng)域中采用的人工智能技術(shù)、人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用的產(chǎn)物、人工智能技術(shù)對(duì)教育理論的影響，下面分別從這三個(gè)方面對(duì)各聚類內(nèi)容進(jìn)行分析。圖4 關(guān)鍵詞聚類分析可視化圖譜(1)教育領(lǐng)域中采用的人工智能技術(shù)6個(gè)聚類#0人工智能聚類下提取出的特征詞有人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、三維建模

10、等。虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，vr)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)三維逼真圖像，能高度模擬人在環(huán)境中的各種感知行為，讓觀察者有身臨其境的感受，并很好地感知和研究客觀事物的變化規(guī)律。尹偉等5從警務(wù)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練的角度，探索了vr的教學(xué)模式，如在公安現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法教學(xué)中，教師可通過(guò)vr技術(shù)構(gòu)建案件場(chǎng)景，讓學(xué)員的語(yǔ)言控制、動(dòng)作技能、武力使用在虛擬現(xiàn)實(shí)中最大限度地得到訓(xùn)練。由于vr技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各高校也陸續(xù)開(kāi)始研發(fā)相關(guān)課程并予以實(shí)施。盧梅麗等6對(duì)vr技術(shù)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了研究，通過(guò)講授vr技術(shù)來(lái)培養(yǎng)高精尖職業(yè)技能型人才。#1本體聚類下提取出的特征詞有本體、個(gè)性化學(xué)習(xí)、agent、智能

11、教學(xué)系統(tǒng)等。人工智能領(lǐng)域的學(xué)者neches等7最早提出本體(ontology)一詞，認(rèn)為本體是構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語(yǔ)和關(guān)系，以及利用這些術(shù)語(yǔ)和關(guān)系構(gòu)成的、規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則。jiang等8通過(guò)本體來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的個(gè)性化需求。agent一詞在國(guó)內(nèi)通常被翻譯為“智能體”或“艾真體”，為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用提供幫助9。基于agent的分布式和集中式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，可以針對(duì)不同的學(xué)生個(gè)體提出相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，較好地解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的一些問(wèn)題10。#5學(xué)習(xí)分析聚類下提取出的特征詞有學(xué)習(xí)分析、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等。美國(guó)普渡大學(xué)構(gòu)建的名為“課程信號(hào)(course sign

12、als)”的教師教學(xué)支持與學(xué)習(xí)干預(yù)系統(tǒng)，就是利用學(xué)習(xí)分析的各種技術(shù)手段幫助教師了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，并為學(xué)習(xí)者提供及時(shí)且具有針對(duì)性的反饋11。賀相春等12在明確網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)的功能演變，提出人工智能驅(qū)動(dòng)大數(shù)據(jù)分析、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、可穿戴技術(shù)的交叉融合，使得原有的學(xué)習(xí)環(huán)境可以借助智能代理、智能導(dǎo)師、智能學(xué)伴等，為學(xué)習(xí)者提供智能化的學(xué)習(xí)服務(wù)。#6專家系統(tǒng)聚類下提取出的特征詞有專家系統(tǒng)、推理機(jī)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(computer aided instruction，cai)等。專家系統(tǒng)可以在程序系統(tǒng)中存儲(chǔ)某個(gè)專門領(lǐng)域的專家知識(shí)(知識(shí)庫(kù))，并且擁有類似領(lǐng)域?qū)＜?/p>

13、解決實(shí)際問(wèn)題的推理機(jī)制(推理機(jī))，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)的互動(dòng)(人機(jī)接口)。方利偉等13利用機(jī)器人語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)，它可以自動(dòng)獲取傳感器信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的規(guī)則庫(kù)進(jìn)行推理，得到下一步執(zhí)行的指令，從而控制機(jī)器人的行動(dòng)。推理機(jī)一般在專家系統(tǒng)中用來(lái)控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)14。這些技術(shù)將人工智能理論變成實(shí)踐并應(yīng)用于cai系統(tǒng)中，形成智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，可以幫助學(xué)生對(duì)大量知識(shí)進(jìn)行選擇、判斷、處理。#10關(guān)聯(lián)規(guī)則聚類下提取出的特征詞有關(guān)聯(lián)規(guī)則、遺傳算法、試題庫(kù)、智能組卷等。關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘算法被應(yīng)用于包括教育在內(nèi)的很多行業(yè)和研究領(lǐng)域。例如，通過(guò)改進(jìn)的apriori關(guān)聯(lián)算法挖掘出高職院校教務(wù)信息中的規(guī)則，用

14、于構(gòu)建學(xué)生培養(yǎng)模型、成績(jī)預(yù)警模型、教學(xué)質(zhì)量評(píng)估模型等。此外，關(guān)聯(lián)規(guī)則也可以對(duì)基于遺傳算法的智能組卷系統(tǒng)進(jìn)行考試數(shù)據(jù)的挖掘與分析15。余紅朝16在分析傳統(tǒng)的組卷算法和策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合遺傳算法，以知識(shí)點(diǎn)為基本的考查點(diǎn)，把試題個(gè)數(shù)作為試卷最重要的約束目標(biāo)，提出了改進(jìn)的自動(dòng)組卷算法，并在實(shí)際運(yùn)行中證明自動(dòng)組卷算法能快速生成質(zhì)量相對(duì)較好的試卷。#11媒體融合聚類下提取出的特征詞有媒體融合、科技革命、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。電子和信息技術(shù)的普及應(yīng)用開(kāi)啟了第五次科技革命17。媒體融合指的是各種媒介呈現(xiàn)多功能一體化的趨勢(shì)，信息傳輸通道變得多元化，報(bào)紙、電視等傳統(tǒng)媒體與互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)、智能終端等新媒體結(jié)合起來(lái)，為信息、知識(shí)

15、的傳播提供了不同形式、不同平臺(tái)。如賈寧18基于物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)校園教育互聯(lián)系統(tǒng)，充分利用手機(jī)短信、定位、攝像頭服務(wù)、射頻識(shí)別等功能，使學(xué)生、家長(zhǎng)、老師之間可以無(wú)縫連接溝通。(2)人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用的產(chǎn)物3個(gè)聚類#2智能機(jī)器人聚類下提取出的特征詞有智能機(jī)器人、機(jī)器人教學(xué)、智能制造等。隨著人工智能越來(lái)越多地被應(yīng)用于教育教學(xué)中，類似朗讀課文、點(diǎn)名、監(jiān)考、收發(fā)試卷等這樣的輔助性或重復(fù)性勞動(dòng)可以由人工智能替代老師完成19。東京理科大學(xué)小林宏教授制造的仿人機(jī)器教師“薩亞”可以在面部呈現(xiàn)6種表情，會(huì)講大約700個(gè)單詞、300個(gè)短語(yǔ)，并且可以對(duì)一些詞語(yǔ)和問(wèn)題做出回應(yīng)，還可以學(xué)會(huì)講各種語(yǔ)言20。除此之外，周蘭菊等21從智能制造企業(yè)的崗位能力需求出發(fā)，分析了智能制造的特點(diǎn)和技術(shù)技能人才崗位能力需求的變化，并結(jié)合學(xué)校的實(shí)踐，探索并提出了適合智能制造企業(yè)人才需求的高職人才培養(yǎng)的一些新舉措。#3高考狀元聚類下提取出的特征詞有高考狀元、語(yǔ)音識(shí)別、科大訊飛等。2017年，學(xué)霸君公司研發(fā)的智能教育機(jī)器人aidam與