人工智能教育应用的视觉交互“赋能”效应研究

　　［摘要］人工智能教育应用的价值归宿是为教育主体赋能、为教育系统赋能。何以可能、如何赋能是其核心问题。人工智能交互是人工智能赋能的关键，如何理解并运用其视觉交互方式，扩展实践赋能空间，增强实践赋能“活性”是需要研究的重要环节。本研究结合研究文献和实践应用考察了人工智能教育应用的形态及特性，在“交互赋能”观念下分析了人工智能教育应用的交互形态及视觉交互方式;立足“可视化”研究和人工智能应用案例分析了视觉交互的“赋能”通则;最后在教育赋能层面上从学与教两个方面探讨了人工智能视觉交互应用为教育主体带来的影响及面临的机遇和挑战。研究认为，可见性、可变性与智慧性是人工智能视觉交互应用的三大赋能通则。人工智能视觉交互的赋能实践，可充分发挥赋能通则的认知“内辅”与互动“外辅”效用，设计并运用视觉交互方式与形态，从认知方式到行动策略全面促进学习，从个体差异到群体共性精准改进教学，并在赋能行动的智能理想与教育现实间辩证地应对人工智能交互赋能的机遇和挑战。

　　［关键词］人工智能教育应用，人工智能交互，人工智能视觉交互，人工智能赋能

　　一、问题提出

　　人工智能教育应用正努力实现为主体赋能、为教育教学赋能的价值目标。在教育最优化的发展路径上，以计算为基础的人工智能技术，通过模式识别、机器学习、深度学习被应用于教育教学管理产品、教学系统产品和学习系统产品的研发与实践中。其在学习支持服务和教学以及行政管理服务方面的应用主要集中于:特征分析和预测、考核和评价、自适应系统与个性化和智能辅导系统四个方面(奥拉夫·扎瓦克奇-里克特等，2020)。

　　人工智能教育应用效能的发挥主要依靠互动和交流，即主体与人工智能应用实体的“交互”。人工智能教育应用的情境主要有“人”与“物”两个方面，其在教育、教学和学习应用中的角色表现为伙伴、师长、管理者，以及支持工具与服务环境等五种。不同的应用形态都存在教育主体与人工智能应用角色的互动与交流问题———它与反思一样在人的学习与思考中具有重要意义。根据人在学习中感官参与的程度，视觉交流是人工智能应用中“人-智”互动的重要部分，涉及视觉感知、视觉反应及能被视觉感知的实体表达。人工智能能以多样的实体形态在多种场景中为教育、教学、学习提供支持与服务。视觉化、可视化是主体感知信息、形成意义、准确传达、高效呈现，乃至视觉分析与思考中不可或缺的方式，是人的学习中应用最多的学习方式。所以，人工智能视觉互动在人工智能教育应用中有重要意义。在科技界，华为与百度已发布了5G+人工智能工业视觉解决方案白皮书(百度智能云，2020)，为智能工业发展提供技术支持，也反映了视觉智能是人工智能应用的重点之一。

　　二、人工智能教育应用的形态及特性

　　将人工智能与其相关技术结合起来考虑其如何被用于教育，才能透彻观察其教育应用的研究与实践。因为发展中的人工智能，形态不定、功能日增，其应用涉及方方面面;而且，连接“硬件”与“软件”的“潜件”更是其应用的要点。如果把人工智能作为一种问题解决方法，那么其教育应用就是要用人工智能技术解决现实教育问题，或用人工智能技术支持或满足现实教育需求。在现实情况下，研究并判定人工智能应用的真实教育场景与情景，厘清人工智能技术的本质及其擅长应对的问题，才能在实践中恰当地设计并应用它们。

　　考察人工智能教育应用如何赋能主体，需要全面理解人工智能教育应用形态。当前应用于教育领域的人工智能软件系统主要有三类:私人导师、协作学习智能支持系统和智能虚拟现实(Luckinetal．，2016)。贝克等(Bakeretal．，2019)把人工智能教育应用工具按教育活动参与要素分为:面向学生的、教师的和系统的人工智能教育软件。事实上，人工智能技术可嵌入的教育系统要素，是由其“智能”本质和潜在需求决定的。兼具感知、计算、表征、存储以及识别、推理、表达等功能的人工智能技术可与教育教学主要要素相结合，针对教育教学实际需要设计技术样式，形成不同应用方向和应用层次的实践形态。杨绪辉等(2019)指出，通过人工智能技术之所长补足教育活动中人之短板来完成“人-技”关系重构，是使人工智能教育应用达到协同与融合状态的实践方向之一，是最终实现技术之教育价值的基本途径。所以，结合实际应用，人工智能教育应用形态可以更完整地分为:智能环境、智能工具、智能学伴、智能教师和智能管理者。

　　人工智能环境主要通过环境感知和信息整合从环境适宜的角度智能地为主体提供主动的活动建议或被动的行动指导，使主体拥有多元的场景感和深刻的现场体验。智能环境的特性在于环境信息联通，为学习者提供适时、准确的环境信息，“沟通”主体所需要的环境信息并按需调节，营造人性化的教育活动氛围。例如，由人工智能支持的教室是典型的智能环境，它能智能地调节光线、温度和空气质量。

　　人工智能工具主要利用判别、跟踪、预测等智能，通过信息整理、模式识别、思维感应等提供必要的认识监察和适宜的思维辅助，使主体拥有充分的认知和思维发展。其教育应用在于对“认”和“思”的辅助，对主体认知与思维的辅助是其释放其教育效用的重要目标。例如，智能软件为主体提供及时的反馈或提示。

　　人工智能学伴主要利用感应、识别、对话、思维、行动等智能通过不同层级与风格的同伴身份或伴学角色为主体提供“学友”式的人际交流与心智交流，使主体拥有人性化的心智发展体验。其教育应用特性主要是情志陪伴与社交往来。嵌入人工智能的智能学伴，使学生不仅不会缺少心理交流和社会交往，而且会因交往自由而放大智能“学伴”的效用。在积极正向的情志作用下，交流中的认知也会因灵活性和启发性增强而额外增强。

　　人工智能教师能利用识别、监察、决策、规划等智能为主体诊断学情、疏导心理、适应地推荐、检测目标等。人工智能教师可以辅助学生课业学习和个性成长，可以传授科目内容，耐心地为学生授业解惑。“人工智能+教师”的协同实践模式是人工智能教师形态的特别形式(周琴等，2020)，或可为教育教学带来更好的效果。在强人工智能技术支持下，人工智能教师可如同师长一样辅佐学生，帮助其成长为一位知识技能优秀、心智能力健全、人格品性和伦理观念兼具的“完人”。

　　作为人工智能管理者，其具体形态多样，功能上与其他应用形态的信息充分互联，担负着组织决策、系统协调的角色，负责团体、学校、社区的活动规划与资源调配(见图1)。其教育应用特性在于辅助决策与协同管理，使团体、学校、社区等活动井然有序、和谐发展。

　　在各应用形态中，人工智能技术发挥的功用主要有四种，包括独立或协同地知识建构、问题解决、系统决策和协同行动。对教育主体来说，其应用重点在于信息交换、引导思考、陪同交流和协助行动四个方面。正是基于上述支持，人工智能技术不同教育应用形态的主体赋能才得以展开，其教育价值实现成为可能。

　　不过，对于人际型的智能学伴、智能教师和智能管理者形态来说，机器人的出现将成为人工智能教育应用的拐点，其经典的“拟人”化实体代理就是智能机器人。由于智能机器人更加具象化、实体化，在满足主体即时的交流、沟通、指导、启发等需要时更具优势。实际上，随着数字智能的独立性和集成性的发展，人工智能教育应用形态也将更灵活多样。例如，智能工具与智能“学伴”或智能“教师”可以合二为一。在“软硬”技术成熟、应用形态理想的情况下，机器人的应用将成为人工智能教育应用的一大亮点。所以，在现阶段和未来很长一段时间内，几种形态的应用将独立存在;而未来的应用形态或将演化为:智能环境、智能“附件”、智能机器人(可代理多种教育角色)三种形式。

　　三、人工智能教育应用的视觉交互方式

　　与教育主体的互动“连接”是人工智能教育应用的重点。如果说互动“连接”是实现其赋能的关键，那么视觉交互智能就是打开教育主体赋能空间的钥匙。视觉交互能扩展人的实践活动范围，在人工智能服务中扮演非凡的角色。事实上，以视觉交互智能为代表的人工智能交互(简称“人智交互”)与“人机交互”之间存在本质的不同。

　　(一)“人工智能体”与教育主体交互的形态

　　人工智能依附于物理实体而存在，“人工智能体”与教育主体间的交互存在多种形态，即人智交互形态，涉及多个维度:1)由于人的活动涉及情感、认知、行为等层面，交互需要也涉及不同层面;2)交流动机不同，交互有主动与被动的差别;3)人工智能所属关系或地理位置不同，交互也存在面对面或异地的差异;4)交互涉及感官不同，存在多种方式;5)依附的实体不同，交互所依赖的硬软件样式也多种多样。对交互形态的多维度考虑，意味着对多样人工智能交互需求的支持，以及多样的人工智能交互形态的产生。

　　在实际应用中，多样需求与多维支持使人智交互呈现丰富的特点，其在人工智能技术的应用特性上表现为:1)功能有强弱，即已被熟知的强人工智能和弱人工智能，如影片《机器人管家》中的安德鲁和《机器人和富兰克林》中的“强智”机器人;2)显性或隐性的应用，即有无可见形象，如智能代理和智能软件工具;3)形象有虚有实，如车间的机器人、微软计算机操作系统(Windows)里的小娜(Cortana);4)存在于人体内或外，如嵌入人体的人工智能单元与可穿戴的人工智能设备。多样的人工智能应用使人智交流方式更丰富。

　　(二)“人-智”视觉交互方式

　　人工智能体与教育主体的交互有两个重要要素:交互方式和交互时机。人智交互主要是“近距离双向”交互(见表一)，交互方式直接影响人智交互的“沟通”表现，涉及感官通道，内容组织与解析形式。交互方式为交互内容服务，支持“人-智”间的信息交汇、知识交流、思维交融和创造协作等。交互时机取决于基于学习与教学原理的社会性行为设计，信赖于设计者的理解与设定。交互方式则与学习者的体验与参与度紧密相关，与人体感官关系密切，尤其是视觉交互方式。

　　四、人智视觉交互方式的“赋能”通则

　　在教育系统活动中，主体的知识技能增长与能力提高通常涉及学与教的活动及认知思维两个层面。人工智能应用赋能主体、赋能教育，也需要从活动与认知思维两个层面考虑。作为人工智能应用的“连接枢纽”，人智交互的形态与方式直接影响其应用的结果和效能。设计与应用更要重视视觉交互方式及交互形态，聚焦视觉交互操作以提高“内辅”效果，聚焦视觉互动活动以增强“外辅”效用。

　　五、人智能交互的主体“赋能”影响

　　如果说以计算智能(王亚飞等，2018)为根基的人工智能教育应用是“内驱”数据动力的智能应用，那么以视觉交互智能为基础的人工智能教育应用就是“外展”实践空间的智能应用。人工智能视觉交互可以使教育实践活动在人智交互中充分展开，机器和智能的技术潜能也可以在人智交互中充分发挥。人工智能视觉交互质的变化将在各种应用形态中为教育主体带来深刻影响

　　［参考文献］

　　［1］奥拉夫·扎瓦克奇-里克特，维多利亚·艾琳·马林，梅丽莎·邦德，弗兰齐斯卡·古弗尼尔．(2020)．高等教育人工智能应用研究综述:教育工作者的角色何在?［J］．肖俊洪译．远程教育，(6):1-21，76．

　　［2］Aleksandrova，M．(2018)．AugmentedＲealityinEducation［EB/OL］．［2020-06-29］．

　　［3］百度智能云(2020)．5G+工智能工业视觉解决方案白皮书V1．0［EB/OL］．［2020-07-29］．

　　权国龙1顾小清2汪静1

《人工智能教育应用的视觉交互“赋能”效应研究》

上一篇：基础教育信息化发展的问题审视与战略调整

下一篇：心理发展特点视域下的英语阅读教学策略探究