我國人工智能教育發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢與發(fā)展建議

劉雪英 亓建蕓

摘 要：人工智能發(fā)展迅速，人工智能教育逐漸受到教育工作者重視。從文獻分布、關(guān)鍵詞詞頻、關(guān)鍵詞聚類、突現(xiàn)關(guān)鍵詞等4方面，利用Cite Space軟件對CNKI數(shù)據(jù)庫中1984-2019年關(guān)于人工智能教育的911篇中文期刊論文進行可視化分析。分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)人工智能教育相關(guān)研究起步早，但缺乏實踐經(jīng)驗。要將人工智能教育落實到教育教學(xué)實踐中，宏觀層面需要政府及有關(guān)部門的政策與資金支持，規(guī)范數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn);微觀層面需對相關(guān)教師及教學(xué)資源開發(fā)人員進行培訓(xùn)，構(gòu)建合作共同體。

關(guān)鍵詞：人工智能教育;人工智能;Cite Space;可視化分析

DOI：10. 11907/rjdk. 201142

中圖分類號：TP434文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0258-05

Abstract： At present， artificial intelligence and related technologies have attracted much attention. After the third artificial intelligence wave， “Artificial Intelligence Education” has received more and more attention of educators. Starting from the four aspects of literature distribution， keyword frequency， keyword clustering and keyword emergence， this paper makes a visual analysis of 807 Chinese periodical papers on “artificial intelligence education” in CNKI database from 1984 to 2019 using Cite Space software. It is found that the research on AI education in China started early， but lacked practical experience. In order to further implement AI education in teaching practice， it is necessary to train relevant teachers and teaching resource developers.

Key Words： artificial intelligence education; artificial intelligence; Cite Space; visual analysis

0 引言

人工智能（ Artificial Intelligence， AI）是計算機科學(xué)的一個分支，是一門研究運用計算機模擬及延伸人腦功能的綜合性學(xué)科[1]，研究主要集中在問題求解、專家系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)、模式識別、人工生命、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，其研究成果在醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年來，利用人工智能技術(shù)促進教育信息化發(fā)展成為重要趨勢。教育人工智能（Education Artificial Intelligence，EAI）是人工智能與學(xué)習(xí)科學(xué)相結(jié)合形成的一個新領(lǐng)域，旨在通過人工智能技術(shù)，更深入細致地觀察、理解學(xué)習(xí)如何發(fā)生、如何受到外界各種因素影響，進而為高效學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件[2]。許多專家學(xué)者從不同角度對人工智能教育教學(xué)應(yīng)用進行深入探究， 取得豐碩成果。本研究嘗試從文獻分布、關(guān)鍵詞詞頻、關(guān)鍵詞聚類、突現(xiàn)關(guān)鍵詞等方面，具象化顯現(xiàn)人工智能教育發(fā)展現(xiàn)狀，以期為我國教育人工智能研究與發(fā)展提供思路。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 樣本選擇

筆者以1984-2019年為檢索時間，以中國全文數(shù)據(jù)庫（CNKI）為文獻來源，以“主題=人工智能教育”或 “題名=人工智能教育”（模糊匹配）為檢索條件，獲得期刊論文共976篇，人工剔除無效論文后得到有效樣本文獻911篇，將樣本文獻以EndNote文件讀取格式導(dǎo)出，進行轉(zhuǎn)碼處理，形成本研究所需樣本數(shù)據(jù)庫。

1.2 研究方法

采用可視化分析方法從所得圖表分析教育人工智能領(lǐng)域研究主題與發(fā)展趨勢。選用SATI 3.2對檢索到的文獻進行分析，得到載文量排名前20的期刊及載文情況。按照被引用次數(shù)由高到低排序，綜合得出排名前10的作者。選用Cite Space 5.3.R4版本作為研究工具進行關(guān)鍵詞詞頻及共現(xiàn)分析、關(guān)鍵詞的共現(xiàn)時區(qū)圖譜分析、關(guān)鍵詞聚類及時序演進分析，預(yù)測教育人工智能研究發(fā)展趨勢。

2 文獻分布

從年發(fā)文量分析、文獻來源分析和高被引作者分析3部分闡述文獻分布情況。

2.1 年發(fā)文量分析

通過文獻檢索獲取有效論文911篇， 不均勻地分布于各年份， 如圖1所示。由圖1可知， 論文發(fā)表量總體呈逐年遞增趨勢， 表明學(xué)者對教育人工智能關(guān)注度逐漸提高， 研究范圍逐漸擴大。

2.2 文獻來源分析

通過對人工智能教育文獻來源期刊及載文量分析，得到載文量排名前20的期刊。由表1可知，國內(nèi)研究人工智能教育的學(xué)者分布在各領(lǐng)域，20種期刊中有5種科技類期刊，表明人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用備受技術(shù)研究者關(guān)注。

2.3 高影響力作者分析

通過分析人工智能教育論文發(fā)表情況，檢索出1 180名作者，按發(fā)文量排出前10位作者，如表2所示。對樣本中被引頻次較高的論文深入剖析，可知人工智能教育不僅引起高校教育工作者廣泛關(guān)注，在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也備受青睞。

3 研究過程

3.1 關(guān)鍵節(jié)點分析

3.1.1 熱點分析

對高頻關(guān)鍵詞和中心度較高（中介中心性大于0.1）的詞進行分析，判定人工智能教育的研究方向與熱點[3]。本研究選取關(guān)鍵詞作為節(jié)點，對樣本數(shù)據(jù)進行分析，時間切片為1年，項目選擇方法為“Top N=50”，生成圖2所示的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、表3所示的關(guān)鍵詞詞頻及表4所示的關(guān)鍵詞中心度排序。

圖2顯示共有605個節(jié)點和1 634條連線，經(jīng)過聚類計算后模塊值（Q值）為0.710 7，平均輪廓值（S值）大于? 0.798 6，意味著劃分出來的社團結(jié)構(gòu)顯著。綜合分析表3、表4，將頻次排名前20的高頻關(guān)鍵詞大致歸納為3個方面：①人工智能相關(guān)技術(shù)方面，涉及到“大數(shù)據(jù)”“機器學(xué)習(xí)”和“專家系統(tǒng)”等關(guān)鍵詞，對應(yīng)相關(guān)的人工智能技術(shù)，說明在教育領(lǐng)域主要采用此類技術(shù)為教育提供服務(wù);②人工智能教育理論方面，涉及到“智慧教育”“遠程教育”等關(guān)鍵詞，此類教育方式多采用技術(shù)支撐教學(xué)，在線用戶較多，需要大數(shù)據(jù)作為技術(shù)支撐，與人工智能技術(shù)結(jié)合更為緊密;③人工智能教育應(yīng)用方面，涉及到“職業(yè)教育”“個性化學(xué)習(xí)”等關(guān)鍵詞，在教學(xué)過程中為學(xué)生提供個性化服務(wù)，在職業(yè)教育中應(yīng)用廣泛。

基于關(guān)鍵詞的相關(guān)研究文獻共現(xiàn)知識圖譜如圖 2 所示。

3.1.2 前沿分析

在聚類基礎(chǔ)上選擇Cite Space可視化知識圖譜中的Time Zone View功能得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖譜，反映關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間和關(guān)鍵詞之間的關(guān)系。本研究選擇突現(xiàn)強度排名前8的關(guān)鍵詞作為前沿關(guān)鍵詞，如表5所示。

專家系統(tǒng)作為人工智能的主要研究方向和關(guān)鍵技術(shù)，自1984年出現(xiàn)之后其研究一直持續(xù)到2015年。“特殊需要的學(xué)習(xí)者”和“聽覺障礙”兩個關(guān)鍵詞結(jié)合相關(guān)文獻分析，可知相關(guān)研究將人工智能技術(shù)應(yīng)用到特殊教育領(lǐng)域，延伸人的器官功能，彌補學(xué)習(xí)者因身體缺陷帶來的學(xué)習(xí)障礙。計算機輔助教學(xué)（CAI）是人工智能進入教育應(yīng)用的著陸點，人工智能教育就是從計算機輔助教學(xué)視角提出的。20世紀(jì)90年代，遠程教育成為人工智能教育發(fā)展方向。計算機輔助教育和遠程教育的出現(xiàn)，將人工智能教育從注重技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)向重視教育本身。2000年起，教育技術(shù)專家學(xué)者成為研究人工智能教育的中堅力量。2003年出現(xiàn) “教學(xué)”關(guān)鍵詞，使人工智能技術(shù)支持教育教學(xué)環(huán)境創(chuàng)設(shè)和教學(xué)資源開發(fā)轉(zhuǎn)向課堂教學(xué)應(yīng)用。

3.2 聚類分析

針對關(guān)鍵詞進行聚類得到12個聚類，如圖3所示。將12個聚類進一步歸納為人工智能相關(guān)技術(shù)、人工智能教育理論和人工智能教育應(yīng)用3大類。

3.2.1 人工智能相關(guān)技術(shù)

人工智能相關(guān)技術(shù)有3個聚類，分別為#3專家系統(tǒng)、#5人工智能技術(shù)、#10虛擬現(xiàn)實，該大類下提取出的關(guān)鍵詞有計算機輔助教學(xué)、機器人、智能制造、虛擬現(xiàn)實、三維建模等。由此可知，此3個聚類都側(cè)重人工智能相關(guān)技術(shù)。傅鋼善等[4]提出基于專家系統(tǒng)的移動學(xué)習(xí)模式，整合已有網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，充分發(fā)揮專家系統(tǒng)特點，實現(xiàn)一種全新的移動學(xué)習(xí)模式，是人工智能技術(shù)融入教育應(yīng)用的一次有益嘗試。隨著人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中廣泛應(yīng)用，人工智能替代教師完成批閱試卷、朗誦課文等重復(fù)性勞動[5]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)較多應(yīng)用于實驗實踐教學(xué)，其應(yīng)用價值更多體現(xiàn)在職業(yè)教育中。虛擬現(xiàn)實在師范生從業(yè)技能教育、建筑設(shè)計、高危實驗、土木工程及醫(yī)學(xué)試驗等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大[6]。

人工智能教育的目的是，通過人工智能技術(shù)，更深入、更細致地觀察、理解學(xué)習(xí)是如何發(fā)生，如何受到外界各種因素影響，進而為高效的學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)條件[7]。技術(shù)應(yīng)用的深度取決于技術(shù)本身的發(fā)展。因此，人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用深度及效果由人工智能技術(shù)的發(fā)展程度決定 [8]。人工智能關(guān)鍵技術(shù)包括問題求解、專家系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別和人工生命等。其中，機器學(xué)習(xí)作為熱門研究領(lǐng)域、Python語言作為目前機器學(xué)習(xí)中最主流的語言已進入高中信息技術(shù)課程體系。人工智能與云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)的結(jié)合促進了人工智能與教育的深度融合。

3.2.2 人工智能教育理論

人工智能教育理論有4個聚類，分別為#0人工智能、#1人工智能教育、#6教育人工智能和#8 AI，在該大類下提取出關(guān)鍵詞有創(chuàng)客教育、遠程教育等，由此可知此4個聚類都側(cè)重教育理論。王小根等[9]分析了機器人教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題，將創(chuàng)客教育與機器人教育相融合，構(gòu)建切實可行的教學(xué)模型，結(jié)合具體案例說明此教學(xué)模型下機器人教學(xué)活動設(shè)計的方法。創(chuàng)客教育作為一種有效的教學(xué)模式，助力國家創(chuàng)新性人才培養(yǎng)，如清華大學(xué)打造的“三創(chuàng)”創(chuàng)客空間，引領(lǐng)全國高等院校的創(chuàng)客教育[10]。實行創(chuàng)客教育，使學(xué)生成為知識的創(chuàng)造者，提高學(xué)生創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力[11]。

人工智能理論研究發(fā)展迅速，其中，以機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)為關(guān)鍵支撐的人工智能技術(shù)，對個性化學(xué)習(xí)進行重塑和再造，人工智能技術(shù)提供的個性化學(xué)習(xí)服務(wù)又推動個性化學(xué)習(xí)理論發(fā)展。由于受教學(xué)條件制約，人工智能教育理論研究僅停留在理論層面，需進一步將理論與實際應(yīng)用結(jié)合。

3.2.3 人工智能教育應(yīng)用

人工智能教育應(yīng)用4個聚類分別為#2智慧教育、#4機器人教育、#7智能教育、#9課程材料，該大類下提取關(guān)鍵詞機器人教學(xué)、語音識別、科大訊飛、個性化學(xué)習(xí)等，可知該聚類都屬人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用。機器人教育是創(chuàng)新教育的有效平臺，也是信息素養(yǎng)培養(yǎng)的良好載體[12]。以機器人為載體，通過機器人模擬教學(xué)場景對學(xué)生進行個性化輔導(dǎo)、教學(xué)訓(xùn)練等，提升教學(xué)質(zhì)量。科大訊飛作為教育技術(shù)引領(lǐng)企業(yè)，研發(fā)覆蓋“教、學(xué)、考、評、管”產(chǎn)品體系，進行了大量機器人教學(xué)實踐，積累了寶貴經(jīng)驗[13]。

人工智能教育應(yīng)用分為兩個方面：①人工智能作為一門課程進入信息技術(shù)課程體系，為人工智能發(fā)展儲備人才;②人工智能作為一種技術(shù)進入教育領(lǐng)域，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)高效的學(xué)習(xí)條件，規(guī)劃科學(xué)的學(xué)習(xí)路徑，提供個性化學(xué)習(xí)服務(wù)[14]。采用人工智能技術(shù)對區(qū)域或校內(nèi)教學(xué)、考試、管理等場景數(shù)據(jù)進行分析，為管理者提供技術(shù)支持。

4 人工智能教育發(fā)展建議

人工智能教育在中國起步較早，但在教育實踐中還未形成成熟的應(yīng)用體系。我國人工智能教育要突破瓶頸，向更深層次方向發(fā)展，需從以下幾方面著手。

（1）重視人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，提供政策支持，加大資金投入。信息化時代要求教育實現(xiàn)個性化、精準(zhǔn)化，尤其強調(diào)因材施教和終身教育。人工智能技術(shù)可以很好地規(guī)避人類在教育過程中由于班級授課制導(dǎo)致的教學(xué)雷同性和粗泛化。2017年《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》中指出，要建立以學(xué)習(xí)者為中心的教育環(huán)境，提供精準(zhǔn)推送的教育服務(wù)，實現(xiàn)日常教育和終身教育定制化[15]。人工智能發(fā)展離不開資金支持，應(yīng)加大資金投入力度，吸引人才積極投入到人工智能教育建設(shè)中。

（2）加強合作共同體構(gòu)建，發(fā)掘人工智能與教育的結(jié)合點。利用人工智能技術(shù)提高教育質(zhì)量，僅僅依靠傳統(tǒng)教師是不夠的，目前一線教師對人工智能技術(shù)了解甚微，很難找到人工智能與教育的結(jié)合點，在教育教學(xué)中應(yīng)用人工智能更是天方夜譚。為使人工智能技術(shù)更好地促進教育發(fā)展，校企合作是重要途徑之一。企業(yè)能為高校提供用戶和技術(shù)支撐，高校則利用人工智能技術(shù)對知識進行重組，對學(xué)習(xí)行為進行智能化分析，以此實現(xiàn)互惠共贏[16]。因此，應(yīng)加強企業(yè)與高校的合作，形成合作共同體，助力人工智能促進教育發(fā)展。

（3）規(guī)范數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，促進數(shù)據(jù)共享。人工智能以大數(shù)據(jù)為依托，隨著技術(shù)的發(fā)展，在線資源大量出現(xiàn)。在線學(xué)習(xí)過程中收集的數(shù)據(jù)內(nèi)容眾多，數(shù)據(jù)處理效率低，數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險大。而大數(shù)據(jù)處理技術(shù)能對大量的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進行處理，提升數(shù)據(jù)處理效率，并能優(yōu)化存儲處理后的數(shù)據(jù)[17]。但學(xué)校的數(shù)據(jù)管理沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為防止數(shù)據(jù)泄露，企業(yè)和學(xué)校之間幾乎不進行數(shù)據(jù)共享，給人工智能教育發(fā)展和研究造成障礙。因此，規(guī)范數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享迫在眉睫。

（4）對教師進行人工智能培訓(xùn)，提高其應(yīng)用人工智能的意識與能力。目前，教師對人工智能技術(shù)了解甚微，對人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用效果不清晰，以至很難開展人工智能教育活動。因此，應(yīng)關(guān)注教師專業(yè)發(fā)展，通過培訓(xùn)提高教師人工智能教育水平。注重人工智能在教育教學(xué)中應(yīng)用案例的講解，培養(yǎng)教師人工智能意識，使教師具備人工智能應(yīng)用的意識和能力，促進人工智能教育應(yīng)用與研究發(fā)展。海淀區(qū)教育科學(xué)研究院技術(shù)中心的人工智能實驗室，開設(shè)多期培訓(xùn)班，開展人工智能技術(shù)應(yīng)用、人工智能環(huán)境構(gòu)建、人工智能周邊應(yīng)用、人工智能在教育中的應(yīng)用等內(nèi)容學(xué)習(xí)，提高人工智能師資專業(yè)知識水平[18]。

5 結(jié)語

人工智能作為當(dāng)下主流技術(shù)，對教育教學(xué)影響深遠[19-31]。本文利用可視化軟件對我國35年來人工智能教育文獻進行研究。人工智能技術(shù)應(yīng)用于教育行業(yè)主要表現(xiàn)為兩個方面：①人工智能技術(shù)的發(fā)展使教學(xué)手段多樣化，促進了教育信息化水平提高;②人工智能本身作為一個學(xué)科融入到教學(xué)體系中，人工智能相關(guān)知識走進中小學(xué)課堂。提出了人工智能教育發(fā)展建議并預(yù)測了未來發(fā)展趨勢。但本研究方法是對關(guān)鍵詞進行概括分析，主觀性較強，提出的建議難免存在一定的局限性。后續(xù)將對人工智能教育研究和發(fā)展?fàn)顩r進行跟蹤，為人工智能發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）