2020智能教育发展蓝皮书:人工智能助力因材施教.pdf
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1、智能教育发展蓝皮书人工智能助力因材施教讯飞教育技术研究院认知智能国家重点实验室智能教育研究中心2020年12月11日2020年12月7日,2020国际人工智能与教育会议现场,教育部部长陈宝生在致辞中提出,人工智能等新技术向我们展示了变革教育的巨大潜能,人工智能将为促进个性化发展提供更多可能,新技术的应用将创造更加个性化的教育环境。2020国际人工智能与教育大会陈宝生致辞2019年5月16日,习近平主席在向2019国际人工智能与教育大会的致贺信中提出:“积极推动人工智能和教育深度融合,促进教育变革创新,充分发挥人工智能优势,加快发展伴随每个人一生的教育、平等面向每个人的教育、适合每个人的教育、更
2、加开放灵活的教育。”2019国际人工智能与教育大会习近平致贺信技术赋能的因材施教智能技术助力“科学识材”智能技术助力“精准施教”智能技术助力“发展评价”相关产品及行业趋势背景和意义因材施教相关政策与理论利用智能技术助力因材施教、破解大规模个性化教育难题,成为新时代教育发展的重要使命。基于此,讯飞教育技术研究院在去年2019智能教育发展蓝皮书的基础上,结合近年来国内基于技术开展个性化学习和因材施教的实践探索,对智能教育背景下技术赋能的因材施教进行系统研究,撰写了2020智能教育发展蓝皮书人工智能助力因材施教研究报告。本报告作为“智能教育发展蓝皮书”系列研究之一,聚焦于智能教育深入发展中的“人工智
3、能助力因材施教“这一主题进行深入探讨。目录CONTENTS一背景和意义二因材施教相关政策与理论三技术赋能的因材施教四智能技术助力“因材施教”实践案例五因材施教相关产品及行业趋势 1.智能时代多样化创新人才培养的迫切需要当前社会正处于教育领域转型发展的关键时期。智能时代对于多样化创新人才培养的需求,促使教育教学模式加快变革。利用智能技术助力因材施教落地,破解大规模个性化教育难题,成为新时代教育创新发展的重要使命。2.信息技术与因材施教深度融合的重要举措一一(一)智能时代多样化创新人才培养的迫切需要智能技术既为经济社会发展注入新的动能,也对当代人力资源发展提出了更高、更新的要求。相比工业时代严格服
4、从和高度专业化、标准化的人才相比,智能时代需要教育培养的是有创新能力、有个性特长的多元人才。智能时代经济社会发展亟需培养大批多样化创新人才智能时代人才培养需求的变化,以及智能教育理论与实践的进一步发展,迫切要求教育教学模式加快变革创新,全面推动信息技术与教育深度融合,加速推进大规模个性化教育,构建人本、开放、平等、可持续的教育新生态。人才需求变化和智能教育发展加速推进大规模个性化教育一(二)信息技术与因材施教深度融合的重要举措因材施教是一个源自古代而又长久不衰的话题,其内涵随着时代的发展不断被修正和拓展。上个世纪末至今,随着信息技术的快速发展及应用,为因材施教的实施提供了重要的技术支撑,因材施
5、教进入了规模化实施新阶段。智能时代背景下因材施教发展进入新阶段在智能技术的增能、使能和赋能下,因材施教必将呈现新样式、新形态。我们需要从思想理念、教学模式、方法手段等方面重新审视因材施教的内涵和实践方式,用技术赋能实现识材、施教、发展诸方面的变革创新。智能技术赋能的因材施教将呈现新样态在智能时代,发扬因材施教思想,落实全面而个性发展的教育目标,需要对因材施教的政策要求、发展阶段、基本内涵进行梳理分析,从而为因材施教的落地应用提供参考和依据。二 2.因材施教主要的发展阶段 3.智能时代因材施教呈现新的内涵 1.国家政策关于因材施教的宏观要求二(一)国家政策关于因材施教的宏观要求1944年毛泽东在
6、关于陕甘宁边区文化教育问题的讲话中提出了学校要遵循“三七”制度,强调教师要先向学生学习,了解学生的想法。1978年邓小平在全国教育工作会议开幕式讲话中指出“尽可能使每个人按不同的条件向社会主义和共产主义的总目标前进“。2016年习近平在北京市八一学校考察时指出教育要注重以人为本、因材施教。2007、2010、2012、2016、2017、2020等六届教育部年度工作会议及全国教育工作会议对因材施教进行了直接阐述。2015年刘延东在第二次全国教育信息化工作会议上提出要依托信息技术营造信息化教学环境,促进因材施教、个性化培养。2018年杜占元在第四次全国教育信息化工作会议上指出要构建“互联网+”条
7、件下的人才培养新模式,实施因材施教、个性化学习的新型教学组织方式。改革开放以来有18个直接或间接提及因材施教的政策文件,这些文件可分为6类,分别在如下方面提到因材施教的相关要求:教育改革与因材施教教育信息化与因材施教教学质量提升与因材施教课程改革与因材施教教师发展与因材施教素质教育与因材施教发展特征因材施教的思想原型初步形成,作为朴素经验被继承和传播。因材施教在实践中不断被概括和提炼,“因材施教”词语正式形成。因材施教随着教育发展而不断丰富。技术为因材施教的规模化实施提供了有力支撑。代表人物孔子、墨子、孟子、荀子、学记作者、董仲舒、郑玄、徐干等。韩愈、张载、程颐、朱熹、王守仁、王夫之、魏源、郑
8、观应等。蔡元培、陶行知、杨树森、周龙影等。雷朝滋、余胜泉、刘邦奇、杨现民等。主要内容因材施教的思想原型始创于孔子,并被不断继承和发展,秦汉时期的“罢黜百家,独尊儒术”、“兴太学,置明师”推动了因材施教在封建教育系统中的广泛采用。随着唐宋思想变革、宋儒义理之学的兴起,经过数百年的封建社会教育实践,因材施教在实践中被进一步提炼和概括,逐步成为教育领域中的一个专有名词。随着新型教育思想的引入和学校教育的广泛实践,因材施教从为培养“封建士大夫”服务转变成为培养“全面发展的人”服务,并不断被赋予更现代化的内涵和特征。上世纪90年代以来信息技术的快速发展和技术与教育的深度融合推进了教育教学改革与创新的纵深
9、发展,为因材施教的真正实现提供了有力支撑。二(二)因材施教发展的主要阶段770BC1912221BC9601368早期实践阶段(先秦、秦汉时期)概括提炼阶段(宋、明、清时期)丰富发展阶段(民国、新中国建立初期)规模化实施阶段(20世纪90年代至今)2201636194919902020二(三)智能时代因材施教呈现新的内涵智能时代的因材施教,就是因材施教思想和原则在智能技术背景下的深化发展与创新应用,通过智能技术为教学系统赋能,助力规模化因材施教的实施,创新智能化、个性化教育教学模式,发展适合每个人的教育,促进学习者全面而有个性的发展。智能时代因材施教的新内涵考察因材施教的新视角过程观主体观目的
10、观价值观时代观新时代考察因材施教的新视角从字面意思理解,“因”是根据,“施”是实施,“教”是教育活动,“材”主要指“学生”,包括学生的生理、心理和社会差异等各种特征。四个字合起来就是指针对不同受教育者(即学生)的生理、心理和社会差异,开展适切的教育活动,最终促进学生的个性化成长和全面发展。因材施教的一般内涵+因材施教教学模式搭起了因材施教教学理念与教学实践之间的桥梁,在智能技术赋能下,促使“因材施教”走向“可因材施教”。三 1.技术赋能的因材施教概述 3.基于大数据精准教学系统的因材施教教学模式 4.基于自适应学习系统的因材施教教学模式 5.基于智慧课堂信息化教学平台的因材施教教学模式 2.助
11、力因材施教的智能技术基本框架三(一)技术赋能的因材施教概述技术赋能的因材施教实践框架通过借鉴差异化教学模式的研究成果,结合教师在一线实施因材施教的现实场景,形成因材施教教学实践的一般框架。主要包括学习者、施教活动、教育结果三大要素,与“因材施教”三个层面的内涵“识材”“施教”“发展”分别对应。施教活动个性化教与学施教者教育结果全面个性发展学习者个性化差异多元评价与反馈三(一)技术赋能的因材施教概述基于大数据精准教学系统的因材施教教学模式基于自适应学习系统的因材施教教学模式基于智慧课堂信息化平台的因材施教教学模式大数据精准教学系统自适应学习系统智慧课堂信息化平台因材施教实践框架教学模式技术系统实
12、践归纳技术赋能的因材施教教学模式构建流程三(一)技术赋能的因材施教概述技术赋能的因材施教应用场景利用智能技术应用因材施教的实践框架,可以将因材施教教学过程进行模型化处理,建立因材施教应用场景的层级模型。智能技术赋能的因材施教场景包括“识材”“施教”“发展”三个层级,层级之间层层递进。“识材”学生差异分析“施教”个性化教与学“发展”全面个性发展个性化教与学场景多样化教学预设适切性情境创设多样化课堂互动智能化辅导与答疑个性化作业生成与批改发展评价场景实时测评反馈多维度学习效果分析学生综合素质评价基于诊断性测验的学情分析基于学生档案的学情分析学情诊断与分析场景三(二)助力因材施教的智能技术基本框架助
13、力因材施教的智能技术因材施教场景智能技术+助力因材施教的智能技术第一层移植的智能技术第二层融合的智能技术第三层定制的智能技术研究层次技术举例能经过定制,可解决因材施教的具体场景应用问题的智能技术面向教师备课场景的大数据学情分析技术、面向学生考试场景的语音智能评测技术等能融合教育教学规律,以解决教育教学应用中的普遍问题的智能技术教育知识图谱、教育数据挖掘、学习分析等能通过直接移植,以解决教育行业基础问题的通用智能技术人工智能、大数据、云计算、5G等三(二)助力因材施教的智能技术基本框架助力因材施教的智能技术框架+智能教育关键技术平台参考框架因材施教场景下技术应用特点2019年智能教育发展蓝皮书+
14、三(二)助力因材施教的智能技术基本框架教学系统由教师、学生、教学资源三个要素构成。基于这一视角,可以对结合因材施教的教育场景与业务进行定制的、可解决具体因材施教场景问题的智能技术进行探讨。结合因材施教应用场景定制的智能技术备课管理资源教师学生试题生成试卷生成学习工具生成教案生成教案推荐课件推荐学习者画像习题推荐分级阅读微课推荐英语口语评测知识点推荐教案推荐讲义/课件推荐智能组卷作业答疑智能阅卷智能批改学习路径规划教师评估职业兴趣评估师生匹配度评估课堂质量评估习题个性化推送拍照搜题钢琴陪练智能答疑个性化答疑班级学情管理选科排课学情分析学习数据采集语音评测批改微课实录习题推荐智能助理课堂行为管理授
15、课普通话评测学习练习评测发展基于大数据精准教学系统的因材施教教学模式框架针对因材施教的个性化教学特征,基于当前精准教学的技术环境、实践流程和教学内容,形成了基于大数据精准教学系统的因材施教教学模式框架,总体上由平台层、操作层、目标层三个部分构成。三(三)基于大数据精准教学系统的因材施教教学模式精准学情分析确定教学目标精准记录监测实施教学干预精准教学测评评估学生表现精准教学设计预设教学活动支撑支撑支撑支撑学生全面而有个性的发展大数据精准教学系统教学大数据目标层操作层平台层三(三)基于大数据精准教学系统的因材施教教学模式精准学情分析确定教学目标精准教学设计预设教学活动精准记录监测实施教学干预精准教
16、学测评评估学生表现个性诊断、学情分析学情掌握、确定目标选择策略、推荐资源教学设计、预设活动数据记录、课堂监测实时评测、干预调整个性推题、课后评测发现问题、巩固练习下一轮精准教学基于大数据精准教学系统的因材施教教学模式操作程序基于大数据精准教学系统的因材施教教学模式是根据学生学习全过程数据,进行精准学情分析、精准施教、精准评价,为实现因材施教教学目标而构建的一种教学活动框架。三(四)基于自适应学习系统的因材施教教学模式基于自适应学习系统的因材施教教学模式框架自适应学习分析先决知识自适应学习过程自适应学习反馈认知水平学习状态学习成效学习风格学习行为自适应学习系统操作层目标层平台层个性化学习内容个性
17、化学习策略个性化学习路径自适应测试学生全面而有个性的发展教师监督基于自适应学习系统的因材施教教学模式是根据学生的行为表现和交互数据而动态调整学习过程的一种非线性教学流程。根据流程特性结合教学实际归纳出基于自适应学习系统的因材施教教学模式操作程序。三(四)基于自适应学习系统的因材施教教学模式基于自适应学习系统的因材施教教学模式操作程序学习分析学习过程学习反馈开展学习分析确定学习起点定制学习过程调整学习策略反馈学习结果更新学生学情教师监督人机协同合作监督学习进度三(五)基于智慧课堂信息化教学平台的因材施教教学模式基于智慧课堂信息化平台的因材施教教学模式框架目标层操作层组织层数据层发展目标学生全面而
18、有个性的发展操作程序组件差异化学生差异课前个性预习预设学情分析分层设计预习测评课中分层合作学习分层引入精准强化分组合作实时测评课后个性辅导拓展个性作业多元评价智能辅导内容过程环境生理差异心理差异社会差异学生数据平台层智慧课堂信息化平台技术支持智慧课堂教学模式的一般流程是“三段十步”教学流程。基于智慧课堂的因材施教教学模式操作程序仍然由课前、课中、课后三个阶段组成,但每个阶段的具体步骤和内容已经发生了变化,因此称之为“新三段十步”教学流程。基于智慧课堂信息化平台的因材施教教学模式操作程序(新三段十步模式)三(五)基于智慧课堂信息化教学平台的因材施教教学模式学情分析差异诊断自主预习测评反馈以学定教
19、分层设计多元评价立体反馈情境创设多样导入内容分层分组合作实时测评即时反馈数据分析精准强化个性作业巩固拓展微课推送个性辅导课后个性辅导拓展课前个性预习预设课中分层合作学习因材施教要求教师的学情分析必须以学生的真实情况为起点,不能凭主观的分析或解释去代替学生的真实情况;教学过程要基于学生特点开展差异化教学,为不同的学生提供适合其发展的教育;对学生的评价必须是多样化的和发展性的,不能仅依据学生考试成绩等结果性数据进行绝对化的评价。四 1.用智能技术辅助学情分析、科学识材 2.用智能技术实现以学定教、精准施教 3.用智能技术助力智能测评、多元评价四(一)用智能技术辅助学情分析、科学识材基于学习行为采集
20、、学生生理信号采集等大数据采集技术,实现对学生学习、课前预习任务、作业、心理特质等多维度数据的采集、测量、评分和诊断,全面采集知识水平、学习风格、认知特点、学习动机等相关学生数据。多维度数据采集与学情诊断深度挖掘基础数据、学业数据、行为数据、心理数据、生理数据等多维度学情数据,建立学情数据动态分析模型,辅助教师从多维度了解学生的知识点掌握情况、课内外学习参与度、学习状态等信息。数据挖掘与动态建模综合利用图像识别、语音识别、自然语言理解等人工智能技术,从多个维度记录学生的学习、生活、身体体征、作业、社交和位置信息等各种数据,汇聚到学生成长数据中心,构建个性、实时、多维、全面的学生数字画像,形成可
21、视化报告。学生数字画像与可视化呈现四(一)用智能技术辅助学情分析、科学识材课前诊断性测验结果概况在该课例中,教师课前编制诊断性测验并推送给学生,本次测验的分析报告显示,学生在各道题的表现并不均衡,反映了学生对一元一次方程和一次函数的求解方法掌握情况较好,但对一次函数图像与方程、不等式的关系理解不够深入。基于以上结论,教师细化了该节课的教学目标,并对教学资源、教学策略、教学流程等进行针对性设计,安排了“自主纠错”“合作探究”“学以致用”“测评反馈”等课堂教学活动,最终学生的知识掌握程度明显提升。基于诊断性测验的学情分析,可以帮助教师详细测量出学生在某一学科、某一方面的现实基础,进而根据学生具体薄
22、弱点的类型去分析原因和找出补救方法,从而在教学过程中形成有针对性的因材施教策略。以山东省临沂第六中学八年级数学教师闫丽云的一次函数与方程、不等式为例。基于学习档案的学情分析在本课例中,教师为进一步提升该节课复习的针对性,在课前查看了本单元的单元学习档案,档案内容包含知识点掌握情况、成绩分布、作业完成和提交情况、学生课堂表现、课后自主学习情况等,结果显示“法律的脚步”“法律的产生”“法律的本质”“特殊保护”等知识点掌握情况较好;“法律的作用”和“依法办事”知识点掌握情况不理想。同时,学生单元作业得分率普遍较好,但差距较大;大部分学生已经基本养成按时完成作业的习惯,但不能做到及时订正作业。以学习档
23、案的方式记录学生的学习内容、考试成绩、作业成绩、作业时长、课堂获表扬次数、举手次数、回答问题次数等学习数据并加以整合分析,可以全面、客观地揭示学生群体或个体在一定时间内的学习情况。以重庆市璧山中学校七年级政治教师杨静的走进法治天地为例。四(一)用智能技术辅助学情分析、科学识材四(二)用智能技术实现以学定教、精准施教教学设计自动生成基于大数据和学科知识图谱技术,分析和挖掘教师授课风格和学习者特征,实现学科知识点与教学目标、教学重难点、教学资源、教学活动等信息的智能匹配,并在此基础上自动生成教学设计方案。01教学资源智能推荐利用协同过滤、关联规则等典型的机器学习推荐算法,分析教师与资源之间的关系,
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