摘要：新技術(shù)帶來的教育變革方興未艾，人工智能與智慧教育引領(lǐng)教育教學(xué)的創(chuàng)新，已經(jīng)成為教育信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著教育大數(shù)據(jù)的崛起，如何對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以支持精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，是人工智能時(shí)代面對(duì)的一個(gè)新課題。機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的一個(gè)重要分支，能夠滿足教育大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)的需求。為此，基于“為何分析、分析什么、以何分析、何以應(yīng)用”一系列問題，通過對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的作用對(duì)象、作用過程、具體方法和利益相關(guān)者等方面的分析，探討了機(jī)器學(xué)習(xí)和智慧教育的適切性。結(jié)合對(duì)近年來國外基于真實(shí)數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)教育應(yīng)用案例研究成果的梳理和歸納，發(fā)現(xiàn)目前機(jī)器學(xué)習(xí)教育應(yīng)用主要集中在學(xué)生建模、學(xué)生行為建模、預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)行為、預(yù)警失學(xué)風(fēng)險(xiǎn)、學(xué)習(xí)支持和評(píng)測(cè)和資源推薦等六大方面。從跨界、技術(shù)和教學(xué)三個(gè)層面出發(fā)，基于智慧教育的框架對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的教育應(yīng)用與創(chuàng)新提出了相關(guān)建議。
一、引言
智能革命浪潮正席卷全球。2017年開年，神秘棋手Master連勝中日韓多名世界級(jí)頂尖棋手的跨年圍棋大戰(zhàn)落下帷幕，隨即Master被證實(shí)正是2016年3月戰(zhàn)勝李世石的AlphaGo。這是人工智能(Artificial Intelligence，AI)史上絕對(duì)的“歷史事件”。AI也正沖擊著人們的日常生活。Google提出的自動(dòng)駕駛汽車(Autonomous Vehicles)已經(jīng)從教科書照進(jìn)了現(xiàn)實(shí)，依靠車內(nèi)的智能駕駛儀便可實(shí)現(xiàn)無人駕駛。機(jī)器人的腳步也從探索火星拓展到人體內(nèi)，一種可吞服的微型折疊機(jī)器人進(jìn)入人體，可以幫助修復(fù)傷口或挪走被誤食的紐扣電池
在研究領(lǐng)域，美國國家安全與技術(shù)理事會(huì)于2016年5月和10月分別發(fā)布了《為人工智能的未來做準(zhǔn)備》和《國家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃》兩份報(bào)告，指出人工智能研究在經(jīng)歷了20世紀(jì)80年代“專注于人類知識(shí)”和21世紀(jì)00年代“機(jī)器學(xué)習(xí)的興起”兩次浪潮后，即將迎來“解釋性和通用人工智能技術(shù)”的第三次浪潮。而實(shí)現(xiàn)和推動(dòng)AI研究的核心技術(shù)正是當(dāng)下最熱門的機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning)。
教育領(lǐng)域在人工智能研究浪潮的影響和滲透下，也正發(fā)生改變。一方面，人工智能和學(xué)習(xí)科學(xué)相結(jié)合形成新領(lǐng)域——教育人工智能(Educational Artificial Intelligence，EAI)，其核心目標(biāo)是“通過計(jì)算獲得精準(zhǔn)和明確的教育、心理和社會(huì)知識(shí)形式，這些知識(shí)往往是隱式的”。知識(shí)以學(xué)習(xí)者模型、領(lǐng)域知識(shí)模型和教學(xué)模型等形式呈現(xiàn)，算法是獲得這些知識(shí)的核心技術(shù)。目前，已有大量教育人工智能系統(tǒng)被應(yīng)用于學(xué)校，這些系統(tǒng)整合了教育人工智能和教育數(shù)據(jù)挖掘(Educational Data Mining，EDM)技術(shù)(如，機(jī)器學(xué)習(xí)算法)來跟蹤學(xué)生行為數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)其學(xué)習(xí)表現(xiàn)以支持個(gè)性化學(xué)習(xí)。
另一方面，以智慧教育引領(lǐng)教育信息化的創(chuàng)新發(fā)展，從而帶動(dòng)教育教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展，已成為信息時(shí)代的必然趨勢(shì)。個(gè)性化學(xué)習(xí)作為智慧教育的核心要素，如何通過技術(shù)更好地支持和促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)的開展，已經(jīng)成為智慧教育研究領(lǐng)域的訴求。 目前，個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)踐應(yīng)用主要集中于自定步調(diào)學(xué)習(xí)、個(gè)別化指導(dǎo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容自適應(yīng)等方面 ， 但在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中尚未實(shí)現(xiàn)差異化的學(xué)習(xí)服務(wù)，主要原因在于技術(shù)的發(fā)展尚不能充分滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求 。
美國2017國家教育技術(shù)計(jì)劃《重塑技術(shù)的教育角色》，在學(xué)習(xí)部分指出：在移動(dòng)數(shù)據(jù)收集工具和在線協(xié)作平臺(tái)的支持下，能夠?yàn)樗袑W(xué)生獲得個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)提供機(jī)遇;在領(lǐng)導(dǎo)力部分指出：個(gè)性化學(xué)生學(xué)習(xí)將作為有效領(lǐng)導(dǎo)力的核心關(guān)注領(lǐng)域之一，技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑;在測(cè)評(píng)部分指出：形成性和總結(jié)性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的收集和整合，能支持學(xué)習(xí)者生成個(gè)性化數(shù)字學(xué)習(xí)體驗(yàn)，以及教師制定教學(xué)干預(yù)和決策。由此可見，收集和整合大量的、不同源的數(shù)據(jù)支持實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)是必然趨勢(shì)，而人工智能技術(shù)的應(yīng)用將是實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)價(jià)值最大化的關(guān)鍵。
機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能領(lǐng)域最核心、最熱門的技術(shù)，能夠基于大量數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別模式、發(fā)現(xiàn)規(guī)則，預(yù)測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)，為滿足智慧教育和個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求提供了可能。目前，國內(nèi)外尚未有研究對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的教育應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)梳理。 為此，我們?cè)噲D通過全方位地梳理機(jī)器學(xué)習(xí)教育應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀、潛力和進(jìn)展、面臨的挑戰(zhàn)等，為研究者和教育者開展智慧教育和個(gè)性化學(xué)習(xí)提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。