廖家利，陳 敏

(重慶師范大學(xué)智慧教育研究院，重慶 401331)

引言

人工智能是計算機科學(xué)的一個分支，主要研究模仿和擴展人類智能的相關(guān)理論和實現(xiàn)技術(shù)。隨著人工智能時代的到來，人類的生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)方式也將隨之發(fā)生變化。教育要明確未來人才培養(yǎng)的目標(biāo)，注重培養(yǎng)個人終身發(fā)展和未來社會發(fā)展所需的正確價值觀、基本品質(zhì)和關(guān)鍵能力。目前人工智能在教育領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用研究尚處于初步階段，人工智能和教育的融合面臨著社會—教育系統(tǒng)發(fā)展質(zhì)量不充分、基礎(chǔ)理論研究較薄弱和實踐應(yīng)用領(lǐng)域不均衡三大困境[1]，因此亟需對我國人工智能教育領(lǐng)域的研究熱點及發(fā)展趨勢進行梳理。本研究運用CiteSpace對中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的相關(guān)研究文獻進行分析，以期為人工智能在教育中的應(yīng)用提供參考和借鑒。

一、研究方法

(一)數(shù)據(jù)采集

本研究以CNKI核心合集為數(shù)據(jù)來源，用可視化的方法來分析國內(nèi)人工智能教育領(lǐng)域中的應(yīng)用。以“人工智能+教育”“AI+教育”為主題詞，截至2021年9月1日在CNKI核心期刊上進行檢索后共獲得1379篇文獻，剔除重復(fù)、不符合主題的文獻，共選取901篇文獻作為研究樣本。

(二)發(fā)表年份和發(fā)表數(shù)量

為考察人工智能應(yīng)用于教育領(lǐng)域的成果產(chǎn)出情況，統(tǒng)計了2000—2021年以來的論文數(shù)量，研究文獻的數(shù)量隨年份變化如圖1所示。從圖1可以看出，人工智能技術(shù)應(yīng)用于教育的文獻自2016年以來呈現(xiàn)出連年增長的趨勢，2018—2021年是快速增長期，發(fā)文貢獻率高達90.3%，表明近年來，研究學(xué)者們愈發(fā)重視人工智能在教育領(lǐng)域的相關(guān)研究。

圖1 研究文獻發(fā)表趨勢

為考察人工智能應(yīng)用于教育領(lǐng)域的科研人員投入情況，本研究統(tǒng)計了2000—2021年文獻的作者數(shù)量情況，如圖2所示。從圖2可以看出，人工智能應(yīng)用在教育領(lǐng)域的研究者數(shù)量總體呈上升趨勢，并且從2019年開始，作者數(shù)量是2018年的兩倍。為考察人工智能應(yīng)用于教育領(lǐng)域的科研人員投入產(chǎn)出比，統(tǒng)計了2000—2021年單篇論文參與人員數(shù)，其變化趨勢如圖3所示，截止到2020年，單篇論文參與人員比為3.3個作者。從圖1至圖3的結(jié)果可以看出，我國人工智能教育應(yīng)用研究文獻數(shù)量不斷增長，科研群體規(guī)模逐漸擴大，加強了科研合作凝聚力，越來越多的學(xué)者開始重視人工智能在教育領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。

圖2 作者數(shù)量變化趨勢

圖3 單篇論文參與人員比變化趨勢

(三)研究方法與思路

本研究采用可視化分析方法，通過作者共現(xiàn)分析、研究機構(gòu)共現(xiàn)分析、關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類分析、關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)分析等詞頻分析法對文獻數(shù)據(jù)進行可視化分析。詞頻分析法是指利用能夠解釋或表達文獻核心內(nèi)容的關(guān)鍵詞或主題詞的頻次高低來確定某一領(lǐng)域研究熱點和發(fā)展動向的文獻計量學(xué)方法[2]。首先運用CiteSpace對CNKI數(shù)據(jù)庫收錄的有關(guān)“人工智能+教育”的核心期刊文獻進行作者共現(xiàn)圖譜和機構(gòu)共現(xiàn)圖譜分析，接著采用詞頻探測技術(shù)進行凸顯主題詞圖譜分析，確定突現(xiàn)主題詞，并進行聚類分析，生成代表研究熱點的可視化知識圖譜。

二、研究作者及機構(gòu)的合作網(wǎng)絡(luò)分析

通過對作者的分布情況進行分析，能夠看出該領(lǐng)域高產(chǎn)作者的發(fā)文量，體現(xiàn)作者及其團隊之間的合作情況。運用CiteSpace軟件生成“人工智能在教育領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用”的作者合作圖譜(圖4)，圖4中的每一個節(jié)點代表一位作者，節(jié)點的大小表示作者發(fā)文量的多少，節(jié)點之間的連線則代表作者之間進行合作發(fā)文，連線的粗細(xì)表示合作次數(shù)的多少。

從圖4可以看出，以黃榮懷(北京師范大學(xué))、任有群(華東師范大學(xué))為主的研究團隊存在緊密的學(xué)術(shù)關(guān)聯(lián)；作者相互之間進行合作的主要有李洪修(天津師范大學(xué))和田露(天津師范大學(xué))、張偉(江蘇師范大學(xué))和段世飛(清華大學(xué))、張玲玲(北京開放大學(xué))和張志禎(北京師范大學(xué))等；祝智庭(華東師范大學(xué))、鐘紹春(東北師范大學(xué))、楊欣(西南大學(xué))、劉進(北京理工大學(xué))、李海峰(新疆師范大學(xué))、徐曄(天津大學(xué))等人為分散的節(jié)點并且節(jié)點較大，代表獨立發(fā)文，鮮少和其他作者進行合作。

圖4 作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

不同研究機構(gòu)之間的合作情況如圖5所示。圖5中的節(jié)點代表研究機構(gòu)，節(jié)點的大小表示研究機構(gòu)發(fā)文量的多少，節(jié)點之間的連線則代表研究機構(gòu)之間進行合作發(fā)文，連線的粗細(xì)表示合作次數(shù)的多少。從圖5可以看出，北京師范大學(xué)教育學(xué)部、天津師范大學(xué)教育學(xué)部和河南師范大學(xué)教育學(xué)部等機構(gòu)之間合作緊密，西南大學(xué)教育學(xué)部、華東師范大學(xué)教育學(xué)部與江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院等機構(gòu)之間跨院校合作，與作者合作分析相吻合。

圖5 研究機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

整體來看，學(xué)者們對人工智能在教育領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用高度關(guān)注，不同研究機構(gòu)的作者之間相互合作，共同探討有關(guān)人工智能在教育中的應(yīng)用問題。

三、研究熱點分析

為了解人工智能教育應(yīng)用的研究進展，本研究通過CiteSpace軟件對期刊研究關(guān)鍵詞進行聚類，采用最大似然法(log- likelihood ratio，LLR)對人工智能在教育中的應(yīng)用進行聚類分析。根據(jù)關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)中的Modulariy Q和Mean Sihouette兩個指標(biāo)揭示其基本特點。其中，Modulariy Q是用來評價網(wǎng)絡(luò)聚類效果的指標(biāo)，其值越大，表明網(wǎng)絡(luò)聚類效果越好[3]。Mean Sihouette是用來評價網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性的指標(biāo)，取值范圍在0～1之間，其值越接近于1，表明同一聚類中文獻同質(zhì)性越高，聚類越合理；當(dāng)Mean Sihouette>0.5時，表明關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)聚類結(jié)果理想。

從圖6可以看出，Modularity Q值為0.4415，表明研究樣本的關(guān)鍵詞聚類效果良好，內(nèi)部連接關(guān)系緊密。Mean Sihouette值為0.6076，大于0.5，表明同一聚類文獻基本達到同質(zhì)要求。隱藏較小聚類和無意義聚類獲得如圖6所示，得到6個主要聚類：智慧教育、智能教學(xué)系統(tǒng)、高等教育、思想政治教育、學(xué)科建設(shè)、人機協(xié)同。聚類提取的特征詞如表1所示。“智慧教育”下提取特征詞為智能教育、教育信息化2.0、教育變革、未來教育、個性化學(xué)習(xí)，研究熱點可歸為人工智能促進教育新生態(tài)發(fā)展?！爸悄芙虒W(xué)系統(tǒng)”提取的特征詞為教育大數(shù)據(jù)、教育人工智能、機器學(xué)習(xí)，“人機協(xié)同”提取的特征詞為學(xué)習(xí)、計算思維、人機共生，將這兩個聚類的研究熱點可歸為“人工智能+教育”的應(yīng)用?！案叩冉逃碧崛〉奶卣髟~為人工智能、深度學(xué)習(xí)、教育應(yīng)用，“學(xué)科建設(shè)”提取的特征詞為人才培養(yǎng)、職業(yè)教育、新工科，將這兩個聚類的研究熱點可歸為人工智能引發(fā)人才培養(yǎng)變革。“思想政治教育”提取的特征詞為教育、智能時代、教師角色、變革，研究熱點可歸為人工智能技術(shù)引發(fā)思想政治教育變革。

圖6 關(guān)鍵詞聚類知識圖譜

表1 研究前沿聚類

(一)人工智能促進教育新生態(tài)發(fā)展

隨著人工智能技術(shù)和各領(lǐng)域不斷融合發(fā)展，人工智能技術(shù)的產(chǎn)生再次引發(fā)技術(shù)變革，其在教育領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，推動著教育進行結(jié)構(gòu)性變革。教育信息化從90年代發(fā)展至今，經(jīng)歷了初級階段電化教育、發(fā)展階段數(shù)字教育和現(xiàn)階段教育信息化，教育信息化的最高形態(tài)為智慧教育，即培養(yǎng)智慧型人才[4]。人機關(guān)系由信息系統(tǒng)向自動化再到自主代理的轉(zhuǎn)變，從主從關(guān)系向智能主體的轉(zhuǎn)變[5]。具體而言，人工智能技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)、5G通信技術(shù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)融合創(chuàng)新應(yīng)用，改變傳統(tǒng)教師的教和學(xué)生的學(xué)，實現(xiàn)教師智能化備課、情景化教學(xué)，學(xué)生個性化學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，從教育環(huán)境、教育管理、教育實踐等多個層面系統(tǒng)性、結(jié)構(gòu)化地重塑未來教育樣態(tài)?！蛾P(guān)于推進教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》[6]中提出，支持有條件的學(xué)校利用信息技術(shù)升級教學(xué)設(shè)施、科研設(shè)施和公共設(shè)施，促進學(xué)校物理空間與網(wǎng)絡(luò)空間一體化建設(shè)，為培養(yǎng)智慧型人才打下基礎(chǔ)。

(二)人工智能引發(fā)人才培養(yǎng)變革

人工智能技術(shù)加快了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，導(dǎo)致各產(chǎn)業(yè)專業(yè)技術(shù)人才缺失，新工科教育的出現(xiàn)，是為了加快培養(yǎng)經(jīng)濟發(fā)展急需的人才，積極布局面向未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的新專業(yè)。陳勁等人[7]認(rèn)為，這是人工智能與產(chǎn)業(yè)深度融合的新階段，人工智能將深刻影響新工科學(xué)科的建設(shè)活動。人工智能與智能制造、自動駕駛、語音、圖像、文字的結(jié)合，將促進工科人才的培養(yǎng)。在新工科教育背景下進行教育變革，改變以往的人才培養(yǎng)模式，加快人工智能在高等教育、職業(yè)教育中的應(yīng)用，促進學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的發(fā)展，培養(yǎng)社會所需要的人才。隨著人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，教師在教學(xué)中的角色定位也隨之發(fā)生了變化，教師不僅需要掌握學(xué)科教學(xué)知識，還需要了解人工智能在教學(xué)環(huán)境中的應(yīng)用，通過人工智能技術(shù)深入分析學(xué)生的特點，全面系統(tǒng)地了解學(xué)生，還可以利用人工智能系統(tǒng)開展教學(xué)，實現(xiàn)教育資源優(yōu)化[8]。程姍姍等人[9]認(rèn)為人工智能技術(shù)能夠幫助教師進行更復(fù)雜的教學(xué)決策，未來在人工智能技術(shù)的支持下形成虛擬教學(xué)助理，輔助教師完成基礎(chǔ)工作。

未來隨著人工智能等各式新興技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)適應(yīng)人工智能時代的新型人才應(yīng)從基礎(chǔ)教育開始。目前，人工智能課程已逐步進入中小學(xué)，我國對中小學(xué)人工智能教育的重視程度越來越高。小學(xué)階段通過可視化編程、初級機器人編程等課程內(nèi)容，培養(yǎng)小學(xué)生的信息意識、計算思維等素養(yǎng)，提升小學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識的興趣。初中階段初步了解人工智能的知識體系、基本原理以及應(yīng)用場景，進一步提升計算思維。高中階段學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)自身的能力和特長，形成不同學(xué)習(xí)重點的分科分流。由于技術(shù)更新迭代的速度快，在基礎(chǔ)教育階段更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對新興技術(shù)學(xué)習(xí)的能力，形成計算思維和創(chuàng)新思維，能夠更好地適應(yīng)智能社會。

(三)“人工智能+教育”的應(yīng)用

1.人工智能學(xué)習(xí)平臺分析學(xué)習(xí)者特征

為了科學(xué)全面地實現(xiàn)對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)分析，探索學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)規(guī)律，在人工智能技術(shù)支持下，將自然語言處理、計算機視覺、語音識別、生理信息識別技術(shù)和平臺采集技術(shù)相結(jié)合，擴展學(xué)習(xí)分析的數(shù)據(jù)感知通道，實現(xiàn)基于文本、語音、視頻、生理信息、在線學(xué)習(xí)行為等數(shù)據(jù)的多元采集與融合，利用機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)實現(xiàn)對學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中所產(chǎn)生的各種信息數(shù)據(jù)的融合分析[10]，通過智能平臺形成學(xué)生學(xué)習(xí)行為報表，教師通過報表能夠清晰地看到學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時干預(yù)、針對性地對學(xué)習(xí)者進行因材施教，促進學(xué)習(xí)者進行自我反思，從不同方面來優(yōu)化和促進學(xué)習(xí)者的個性化學(xué)習(xí)。

2.智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)促進學(xué)生個性化學(xué)習(xí)

智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)是借助人工智能技術(shù)，讓計算機扮演專家指導(dǎo)者進行模擬教學(xué)，為學(xué)習(xí)者提供個性化學(xué)習(xí)體驗的適應(yīng)性學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)[11]。智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)專注于機器或智能系統(tǒng)的設(shè)計，有助于實現(xiàn)更具目的性和主動性的學(xué)習(xí)過程，以解決各種問題，包括動機、情感、原則、道德和技術(shù)本身的性質(zhì)[12]。韓建華等人[13]構(gòu)建了基于智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程模型。該系統(tǒng)可以創(chuàng)建個性化的學(xué)習(xí)路徑，使學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)問題的認(rèn)識建立正確的因果關(guān)系，從自身和教師的角度學(xué)習(xí)相應(yīng)的教學(xué)方法、注意事項和學(xué)習(xí)技巧。此外，系統(tǒng)可以隨時跟蹤學(xué)習(xí)者與系統(tǒng)的互動，監(jiān)督學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，提供個性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和激勵機制，有效促進學(xué)習(xí)者的個性化學(xué)習(xí)。

3.智能管理系統(tǒng)構(gòu)建智慧校園

智慧校園是以人工智能技術(shù)為支撐，以推動智能校園建設(shè)為目的的人性化、個性化的高層次智能校園形態(tài)。機器學(xué)習(xí)、自然語言處理、虛擬與增強現(xiàn)實、情感計算是眾多學(xué)者較為關(guān)注的核心智能技術(shù)。劉金揚等人[14]從基礎(chǔ)設(shè)施層、公共平臺層、應(yīng)用系統(tǒng)層、師生交互層四個橫向?qū)哟渭靶畔踩w系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范于運營管理體系兩個縱向體系對智慧校園進行規(guī)劃。趙磊磊等人[15]從基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)平臺、應(yīng)用服務(wù)、技術(shù)規(guī)范四個層面提出人工智能場域下智慧校園的建設(shè)框架。當(dāng)前要進一步推進智慧校園建設(shè)，建設(shè)技術(shù)效能與人文關(guān)懷并重的智慧校園。

(四)人工智能技術(shù)引發(fā)思想政治教育變革

大數(shù)據(jù)和算法是人工智能最核心的部分，若搜集數(shù)據(jù)不夠客觀，算法設(shè)計以利益為導(dǎo)向?qū)鹨幌盗胁还浆F(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致思想政治教育面臨著數(shù)字鴻溝的挑戰(zhàn)。數(shù)字鴻溝將加劇現(xiàn)有的不平等和差異，邊緣化和貧困人群更容易被排除在人工智能教育之外，形成惡性循環(huán)，潛在地對主流意識形態(tài)造成危害。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，近年來，越來越多的研究者開始關(guān)注人工智能背景下思想政治教育面臨的挑戰(zhàn)、應(yīng)對和變革。如富旭[16]認(rèn)為當(dāng)前思想政治教育在人工智能背景下面臨話語意義流失、話語場域離散、話語認(rèn)同消解的困境，因此需要結(jié)合人工智能時代算法傳播機制的新特點，從思想政治教育的話語供給、話語活力以及話語實效等方面創(chuàng)新話語建構(gòu)路徑，使思想政治教育實現(xiàn)因事而化、因時而進、因勢而新。思想政治教育運用人工智能驅(qū)動創(chuàng)新，要尊重大學(xué)生的體驗。各種智能技術(shù)的使用，并不是標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的，而是要結(jié)合學(xué)校具體情況進行智能定制。

四、研究結(jié)論與啟示

本研究運用CiteSpace文獻計量軟件對人工智能應(yīng)用于教育領(lǐng)域2000—2021年的901篇文獻進行了核心作者、核心地區(qū)、研究熱點和前沿等分析，主要得出以下結(jié)論和啟示：

(一)研究結(jié)論

人工智能在教育領(lǐng)域的研究呈增長態(tài)勢，大致經(jīng)歷了萌芽探索期和迅速爆發(fā)期。從2016年開始，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，關(guān)注人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用的學(xué)者明顯增加，人工智能技術(shù)不再是簡單的技術(shù)應(yīng)用，而是其對教育領(lǐng)域所產(chǎn)生的影響，在高等教育、職業(yè)教育和基礎(chǔ)教育中促進了人才培養(yǎng)的變革，革新人才培養(yǎng)模式，加快培養(yǎng)社會急需人才。目前人工智能技術(shù)持續(xù)受到廣大學(xué)者們的關(guān)注，研究團體和研究機構(gòu)之間相互緊密合作，學(xué)者們共同探索人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，推動教育信息化的發(fā)展，隨著5G技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將進一步催生人工智能技術(shù)和教育融合創(chuàng)新發(fā)展與應(yīng)用。

人工智能在教育領(lǐng)域中的研究熱點聚焦在人工智能教育、人才培養(yǎng)、智慧教育、深度學(xué)習(xí)、人機協(xié)同、未來教育等方面。在人工智能技術(shù)的支持下，促進人才培養(yǎng)和引發(fā)的教育變革，融合創(chuàng)新教育服務(wù)體系，其中人工智能技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體和知識傳播路徑的多層次融合，突破了傳統(tǒng)教育方式的限制，提供跨學(xué)科、跨媒體、跨時空的智能教育服務(wù)供給，人工智能助推教師隊伍建設(shè)，以及人工智能背景下思想政治教育面臨的挑戰(zhàn)、應(yīng)對和變革。

(二)研究啟示

(1)加強自動化與人機交互。人工智能應(yīng)用在教育領(lǐng)域的主要方式是通過機器學(xué)習(xí)來建立人類學(xué)習(xí)的規(guī)則，能夠替代教師的部分職能，為學(xué)生進行指導(dǎo)和反饋，提供個性化教育教學(xué)服務(wù)。但是目前如何建立人工智能可識別規(guī)則仍舊是難題，比如培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，人工智能怎樣觀測和識別學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中所形成的計算思維，如何對其量化；怎樣通過采集的數(shù)據(jù)對學(xué)生的“學(xué)”和教師的“教”進行綜合能力的評價等等。因此人工智能應(yīng)用首先需要實現(xiàn)可自動化獲取海量數(shù)據(jù)，其次給定清晰明確的概念界定和規(guī)則，這需要專家學(xué)者們從教育理論和技術(shù)實現(xiàn)兩個方面進行挖掘和探索，有針對性地投向?qū)W習(xí)者，搭建可實現(xiàn)的邏輯框架。

(2)助力情感智能與人文關(guān)懷。人工智能技術(shù)的發(fā)展與教育應(yīng)用使得研究者們更加關(guān)注技術(shù)本身，未來人工智能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)更加針對情感智能?？梢岳枚嗄B(tài)情感識別技術(shù)促進師生情感互動，將人臉識別技術(shù)、語音識別技術(shù)和自然語言處理技術(shù)進行融合，從而提高情感識別的準(zhǔn)確率，優(yōu)化教師的情感表達和決策。此外，教師要及時對學(xué)生進行情感干預(yù)，消除情感計算技術(shù)對師生情感互動的負(fù)面影響，通過情感干預(yù)促進師生情感交互與共鳴。