人工智能教材发展新样态

高伯骏？罗明勇？蔡威？李欣

2017年7月，国务院发布的《新一代人工智能发展规划》提出，完善人工智能教育体系，在中小学开设人工智能相关课程，逐步推广编程教育。2018年4月，教育部颁布的《教育信息化2.0行动计划》明确提出，完善课程计划和课程标准，丰富适应信息时代和智能时代发展需求的人工智能与编程课程内容。2019年7月，北京市教委发布《北京市促进人工智能与教育融合行动计划》，提出实施青少年人工智能素养提升工程，推进中小学人工智能学习融入实践活动的目标。对中小学生全面实施人工智能教育已成为时代的必然趋势。

在人工智能逐渐进入基础教育领域的背景下，相关出版社相继出版了多部围绕人工智能教育的教材，通过纸媒传播。然而，对于强调知识的动态交互和学生实践能力培养的人工智能教育来说，传统的以语言为主体的纸质教材无法为学生的“做中学”提供更大的支持，在培养学生的人工智能素养方面存在一些不足。特别是在新冠肺炎疫情防控期间，大规模在线学习已经成为教育教学的新常态。传统纸质教材在支持网络教学活动的有效开展方面存在一定的局限性。面对新时代教育发展的新需求和新常态，迫切需要一种新形式的人工智能教材来辅助中小学人工智能教育的发展，以培养学生的人工智能素养。

人工智能教材的新发展:交互式电子阅读器

北师大智慧学习研究院在2020全球智慧教育大会上发布了互动电子阅读器《人工智能助力新冠肺炎疫情防控网络互动阅读器》。该读本一方面借助理论知识和应用案例，帮助年轻读者了解人工智能技术对新冠肺炎疫情防控工作的帮助和支持；另一方面，让青少年在实践中，在与在线编程环境和可视化内容呈现的互动中，学习和体验人工智能的相关知识点。可以说，交互式电子读物为人工智能教学活动在基础教育领域的开展提供了新的载体形式。这种阅读形式既是对未来教材模式的全新探索，也是“人工智能+教育”的尝试，有望成为未来人工智能教材的重要形式。

该读本通过生动有趣的故事和即时的交流互动，帮助青少年尤其是9 ~ 15岁的儿童在了解人工智能实际应用的同时，了解人工智能的基本原理，学习并尝试使用简单的人工智能代码，体验使用人工智能解决实际问题的乐趣，激发他们进一步学习人工智能的兴趣和意愿。当然，这本书的目标读者并不局限于9 ~ 15岁的学习者，也可以作为其他不同年龄段或者没有任何人工智能背景的学习者的学习资料。除此之外，家长和老师也可以利用这款阅读器向青少年介绍人工智能的知识，引导他们与书中的内容进行动态互动，让他们体验人工智能的乐趣，培养他们的人工智能意识和能力。

从内容层面，读者在第一章介绍了关于人工智能的知识，包括人工智能的历史和术语。第二章主要介绍计算机认识世界的方式，以及疫情期间人脸和语音识别提供的帮助。第三章主要讨论了计算机的表达和推理能力，以及疫情期间医学临床诊断和增强现实咨询的工作原理。第4章介绍了机器学习的力量，它可以预测病毒的传播，加速医疗解决方案的形成。第五章进一步讨论了计算机如何使用自然语言来处理人类交互。此外，这些章节还依托交互式编程环境，以可视化的方式呈现人工智能的知识点，帮助学生更好地学习和体验人工智能。

从技术上看，阅读器基于HTML页面呈现，通过iframe等技术将各种多媒体资源插入页面，如支持交互编程的JupyterHub平台、神经网络可视化平台、知识图谱问答平台等。通过网络前端和Web通信技术，实现AR展示、物联网控制、模型训练等功能，让学生直观操作和体验，实现知识和兴趣的有效融合。HTML中的交互式阅读器支持多媒体格式，如文本、图形、动画、声音、链接等。在Web技术的支持下，可以完成学习内容的动态呈现，并与在线编程平台实时连接，从而实现学习者与读者之间的趣味互动。在自然语言处理、语音语义识别、知识图谱等技术的支持下，多模态交互体验将得到进一步优化。结合人工智能、增强现实、虚拟现实、物联网等技术，开发并以实例呈现，让年轻读者在应用实践中完成知识建构。

未来人工智能教材的新风格

内容呈现的多样化和趣味性。在当前技术丰富的时代背景下，人工智能教材的内容完全可以打破传统的静态、单一的线性呈现形式，走向内容动态、媒体丰富(包括视频、音频、动画、链接等)的立体多模态呈现形式。)，从而调动学习者的视觉、听觉、触觉等器官的参与。教材要充分利用虚拟现实、增强现实等技术，通过设置更多的人机互动环节，营造临场感和逼真的学习情境，既突出学习内容的趣味性和互动性展示，又强化学习内容的沉浸式学习体验。

互动的常态化和互动主体的多元化。学习者与学习环境和学习资源的有效互动可以丰富学习经验，建构知识，提高学习效果。未来应注重开发教材与学习主体之间的交互功能，通过点击、拖动、编程、绘画、语音甚至视频等方式实现深度人机交互，从而“激活”学习者的学习过程，增强学习者的参与性。比如学习编程的过程中，学习者可以随时编写代码并调试，实现“做中学”。同时可以增加学习主体之间的互动，激活学习者的各种内在机制，最终促进学习发生并取得学习成果，包括学生与学生的互动、学生与教师的互动、学生与内容的深层互动。通过学习主体间的多重互动，实现对学习内容的深度理解和共创，提高学生的学习效率，减少学习过程中的“孤独”。

学习过程的数字化和学习结果的可视化。在学习效果评估和质量测试中，海量的学习过程数据是分析学习者学习特征和学习风格的最佳素材。在智能技术的支持下，借助Coh-Metrix等计算工具，对交互式图书文本心理表征的难度、可读性和一致性进行评估。基于xAPI和其他技术，从学习者的学习活动中捕获数据。通过增强与学生互动的频率和深度，在互动的基础上完善数据收集、跟踪和分析，从而产生更精准的数据。为参与学习过程的各方提供参考，为教学干预提供依据，实现个性化学习。同时，在学习者课后完成练习后，教材会自动校对答案并综合评分，给出直观的结果，方便学习者和老师检查，清晰直观地发现学习中的问题。

学习资源的塑化和跨终端使用的流畅性。人工智能学习有知识点更新快的现象，比如区块链、5G、边缘计算的学习。未来，教材将打破传统出版行业审核流程慢、印刷周期长的壁垒，实现学习资源的动态更新，紧跟热点，确保教材“不过时”。同时应设置相关机制支持用户原创内容上传。比如学习者可以上传自己对某个代码的理解，简化某个程序；老师还可以上传易错知识点的特别提醒，从而构建丰富的资源库。此外，实现终端和设备之间的流畅使用，突破格式和兼容性的限制，让教材在各种终端都能正常使用，也是未来的一个重要方向。

(作者高伯钧，蔡振宇，李欣单位:北京师范大学智能学习研究所；作者罗明勇单位:北京师范大学第二附属中学)

编辑:王