人工智能教育應(yīng)用的視覺交互“賦能”效應(yīng)研究

　?。壅萑斯ぶ悄芙逃龖?yīng)用的價(jià)值歸宿是為教育主體賦能、為教育系統(tǒng)賦能。何以可能、如何賦能是其核心問題。人工智能交互是人工智能賦能的關(guān)鍵，如何理解并運(yùn)用其視覺交互方式，擴(kuò)展實(shí)踐賦能空間，增強(qiáng)實(shí)踐賦能“活性”是需要研究的重要環(huán)節(jié)。本研究結(jié)合研究文獻(xiàn)和實(shí)踐應(yīng)用考察了人工智能教育應(yīng)用的形態(tài)及特性，在“交互賦能”觀念下分析了人工智能教育應(yīng)用的交互形態(tài)及視覺交互方式;立足“可視化”研究和人工智能應(yīng)用案例分析了視覺交互的“賦能”通則;最后在教育賦能層面上從學(xué)與教兩個(gè)方面探討了人工智能視覺交互應(yīng)用為教育主體帶來的影響及面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。研究認(rèn)為，可見性、可變性與智慧性是人工智能視覺交互應(yīng)用的三大賦能通則。人工智能視覺交互的賦能實(shí)踐，可充分發(fā)揮賦能通則的認(rèn)知“內(nèi)輔”與互動(dòng)“外輔”效用，設(shè)計(jì)并運(yùn)用視覺交互方式與形態(tài)，從認(rèn)知方式到行動(dòng)策略全面促進(jìn)學(xué)習(xí)，從個(gè)體差異到群體共性精準(zhǔn)改進(jìn)教學(xué)，并在賦能行動(dòng)的智能理想與教育現(xiàn)實(shí)間辯證地應(yīng)對人工智能交互賦能的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　［關(guān)鍵詞］人工智能教育應(yīng)用，人工智能交互，人工智能視覺交互，人工智能賦能

　　一、問題提出

　　人工智能教育應(yīng)用正努力實(shí)現(xiàn)為主體賦能、為教育教學(xué)賦能的價(jià)值目標(biāo)。在教育最優(yōu)化的發(fā)展路徑上，以計(jì)算為基礎(chǔ)的人工智能技術(shù)，通過模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)被應(yīng)用于教育教學(xué)管理產(chǎn)品、教學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品和學(xué)習(xí)系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)與實(shí)踐中。其在學(xué)習(xí)支持服務(wù)和教學(xué)以及行政管理服務(wù)方面的應(yīng)用主要集中于:特征分析和預(yù)測、考核和評價(jià)、自適應(yīng)系統(tǒng)與個(gè)性化和智能輔導(dǎo)系統(tǒng)四個(gè)方面(奧拉夫·扎瓦克奇-里克特等，2020)。

　　人工智能教育應(yīng)用效能的發(fā)揮主要依靠互動(dòng)和交流，即主體與人工智能應(yīng)用實(shí)體的“交互”。人工智能教育應(yīng)用的情境主要有“人”與“物”兩個(gè)方面，其在教育、教學(xué)和學(xué)習(xí)應(yīng)用中的角色表現(xiàn)為伙伴、師長、管理者，以及支持工具與服務(wù)環(huán)境等五種。不同的應(yīng)用形態(tài)都存在教育主體與人工智能應(yīng)用角色的互動(dòng)與交流問題———它與反思一樣在人的學(xué)習(xí)與思考中具有重要意義。根據(jù)人在學(xué)習(xí)中感官參與的程度，視覺交流是人工智能應(yīng)用中“人-智”互動(dòng)的重要部分，涉及視覺感知、視覺反應(yīng)及能被視覺感知的實(shí)體表達(dá)。人工智能能以多樣的實(shí)體形態(tài)在多種場景中為教育、教學(xué)、學(xué)習(xí)提供支持與服務(wù)。視覺化、可視化是主體感知信息、形成意義、準(zhǔn)確傳達(dá)、高效呈現(xiàn)，乃至視覺分析與思考中不可或缺的方式，是人的學(xué)習(xí)中應(yīng)用最多的學(xué)習(xí)方式。所以，人工智能視覺互動(dòng)在人工智能教育應(yīng)用中有重要意義。在科技界，華為與百度已發(fā)布了5G+人工智能工業(yè)視覺解決方案白皮書(百度智能云，2020)，為智能工業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持，也反映了視覺智能是人工智能應(yīng)用的重點(diǎn)之一。

　　二、人工智能教育應(yīng)用的形態(tài)及特性

　　將人工智能與其相關(guān)技術(shù)結(jié)合起來考慮其如何被用于教育，才能透徹觀察其教育應(yīng)用的研究與實(shí)踐。因?yàn)榘l(fā)展中的人工智能，形態(tài)不定、功能日增，其應(yīng)用涉及方方面面;而且，連接“硬件”與“軟件”的“潛件”更是其應(yīng)用的要點(diǎn)。如果把人工智能作為一種問題解決方法，那么其教育應(yīng)用就是要用人工智能技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)教育問題，或用人工智能技術(shù)支持或滿足現(xiàn)實(shí)教育需求。在現(xiàn)實(shí)情況下，研究并判定人工智能應(yīng)用的真實(shí)教育場景與情景，厘清人工智能技術(shù)的本質(zhì)及其擅長應(yīng)對的問題，才能在實(shí)踐中恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)并應(yīng)用它們。

　　考察人工智能教育應(yīng)用如何賦能主體，需要全面理解人工智能教育應(yīng)用形態(tài)。當(dāng)前應(yīng)用于教育領(lǐng)域的人工智能軟件系統(tǒng)主要有三類:私人導(dǎo)師、協(xié)作學(xué)習(xí)智能支持系統(tǒng)和智能虛擬現(xiàn)實(shí)(Luckinetal．，2016)。貝克等(Bakeretal．，2019)把人工智能教育應(yīng)用工具按教育活動(dòng)參與要素分為:面向?qū)W生的、教師的和系統(tǒng)的人工智能教育軟件。事實(shí)上，人工智能技術(shù)可嵌入的教育系統(tǒng)要素，是由其“智能”本質(zhì)和潛在需求決定的。兼具感知、計(jì)算、表征、存儲(chǔ)以及識別、推理、表達(dá)等功能的人工智能技術(shù)可與教育教學(xué)主要要素相結(jié)合，針對教育教學(xué)實(shí)際需要設(shè)計(jì)技術(shù)樣式，形成不同應(yīng)用方向和應(yīng)用層次的實(shí)踐形態(tài)。楊緒輝等(2019)指出，通過人工智能技術(shù)之所長補(bǔ)足教育活動(dòng)中人之短板來完成“人-技”關(guān)系重構(gòu)，是使人工智能教育應(yīng)用達(dá)到協(xié)同與融合狀態(tài)的實(shí)踐方向之一，是最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)之教育價(jià)值的基本途徑。所以，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，人工智能教育應(yīng)用形態(tài)可以更完整地分為:智能環(huán)境、智能工具、智能學(xué)伴、智能教師和智能管理者。

　　人工智能環(huán)境主要通過環(huán)境感知和信息整合從環(huán)境適宜的角度智能地為主體提供主動(dòng)的活動(dòng)建議或被動(dòng)的行動(dòng)指導(dǎo)，使主體擁有多元的場景感和深刻的現(xiàn)場體驗(yàn)。智能環(huán)境的特性在于環(huán)境信息聯(lián)通，為學(xué)習(xí)者提供適時(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境信息，“溝通”主體所需要的環(huán)境信息并按需調(diào)節(jié)，營造人性化的教育活動(dòng)氛圍。例如，由人工智能支持的教室是典型的智能環(huán)境，它能智能地調(diào)節(jié)光線、溫度和空氣質(zhì)量。

　　人工智能工具主要利用判別、跟蹤、預(yù)測等智能，通過信息整理、模式識別、思維感應(yīng)等提供必要的認(rèn)識監(jiān)察和適宜的思維輔助，使主體擁有充分的認(rèn)知和思維發(fā)展。其教育應(yīng)用在于對“認(rèn)”和“思”的輔助，對主體認(rèn)知與思維的輔助是其釋放其教育效用的重要目標(biāo)。例如，智能軟件為主體提供及時(shí)的反饋或提示。

　　人工智能學(xué)伴主要利用感應(yīng)、識別、對話、思維、行動(dòng)等智能通過不同層級與風(fēng)格的同伴身份或伴學(xué)角色為主體提供“學(xué)友”式的人際交流與心智交流，使主體擁有人性化的心智發(fā)展體驗(yàn)。其教育應(yīng)用特性主要是情志陪伴與社交往來。嵌入人工智能的智能學(xué)伴，使學(xué)生不僅不會(huì)缺少心理交流和社會(huì)交往，而且會(huì)因交往自由而放大智能“學(xué)伴”的效用。在積極正向的情志作用下，交流中的認(rèn)知也會(huì)因靈活性和啟發(fā)性增強(qiáng)而額外增強(qiáng)。

　　人工智能教師能利用識別、監(jiān)察、決策、規(guī)劃等智能為主體診斷學(xué)情、疏導(dǎo)心理、適應(yīng)地推薦、檢測目標(biāo)等。人工智能教師可以輔助學(xué)生課業(yè)學(xué)習(xí)和個(gè)性成長，可以傳授科目內(nèi)容，耐心地為學(xué)生授業(yè)解惑。“人工智能+教師”的協(xié)同實(shí)踐模式是人工智能教師形態(tài)的特別形式(周琴等，2020)，或可為教育教學(xué)帶來更好的效果。在強(qiáng)人工智能技術(shù)支持下，人工智能教師可如同師長一樣輔佐學(xué)生，幫助其成長為一位知識技能優(yōu)秀、心智能力健全、人格品性和倫理觀念兼具的“完人”。

　　作為人工智能管理者，其具體形態(tài)多樣，功能上與其他應(yīng)用形態(tài)的信息充分互聯(lián)，擔(dān)負(fù)著組織決策、系統(tǒng)協(xié)調(diào)的角色，負(fù)責(zé)團(tuán)體、學(xué)校、社區(qū)的活動(dòng)規(guī)劃與資源調(diào)配(見圖1)。其教育應(yīng)用特性在于輔助決策與協(xié)同管理，使團(tuán)體、學(xué)校、社區(qū)等活動(dòng)井然有序、和諧發(fā)展。

　　在各應(yīng)用形態(tài)中，人工智能技術(shù)發(fā)揮的功用主要有四種，包括獨(dú)立或協(xié)同地知識建構(gòu)、問題解決、系統(tǒng)決策和協(xié)同行動(dòng)。對教育主體來說，其應(yīng)用重點(diǎn)在于信息交換、引導(dǎo)思考、陪同交流和協(xié)助行動(dòng)四個(gè)方面。正是基于上述支持，人工智能技術(shù)不同教育應(yīng)用形態(tài)的主體賦能才得以展開，其教育價(jià)值實(shí)現(xiàn)成為可能。

　　不過，對于人際型的智能學(xué)伴、智能教師和智能管理者形態(tài)來說，機(jī)器人的出現(xiàn)將成為人工智能教育應(yīng)用的拐點(diǎn)，其經(jīng)典的“擬人”化實(shí)體代理就是智能機(jī)器人。由于智能機(jī)器人更加具象化、實(shí)體化，在滿足主體即時(shí)的交流、溝通、指導(dǎo)、啟發(fā)等需要時(shí)更具優(yōu)勢。實(shí)際上，隨著數(shù)字智能的獨(dú)立性和集成性的發(fā)展，人工智能教育應(yīng)用形態(tài)也將更靈活多樣。例如，智能工具與智能“學(xué)伴”或智能“教師”可以合二為一。在“軟硬”技術(shù)成熟、應(yīng)用形態(tài)理想的情況下，機(jī)器人的應(yīng)用將成為人工智能教育應(yīng)用的一大亮點(diǎn)。所以，在現(xiàn)階段和未來很長一段時(shí)間內(nèi)，幾種形態(tài)的應(yīng)用將獨(dú)立存在;而未來的應(yīng)用形態(tài)或?qū)⒀莼癁?智能環(huán)境、智能“附件”、智能機(jī)器人(可代理多種教育角色)三種形式。

　　三、人工智能教育應(yīng)用的視覺交互方式

　　與教育主體的互動(dòng)“連接”是人工智能教育應(yīng)用的重點(diǎn)。如果說互動(dòng)“連接”是實(shí)現(xiàn)其賦能的關(guān)鍵，那么視覺交互智能就是打開教育主體賦能空間的鑰匙。視覺交互能擴(kuò)展人的實(shí)踐活動(dòng)范圍，在人工智能服務(wù)中扮演非凡的角色。事實(shí)上，以視覺交互智能為代表的人工智能交互(簡稱“人智交互”)與“人機(jī)交互”之間存在本質(zhì)的不同。

　　(一)“人工智能體”與教育主體交互的形態(tài)

　　人工智能依附于物理實(shí)體而存在，“人工智能體”與教育主體間的交互存在多種形態(tài)，即人智交互形態(tài)，涉及多個(gè)維度:1)由于人的活動(dòng)涉及情感、認(rèn)知、行為等層面，交互需要也涉及不同層面;2)交流動(dòng)機(jī)不同，交互有主動(dòng)與被動(dòng)的差別;3)人工智能所屬關(guān)系或地理位置不同，交互也存在面對面或異地的差異;4)交互涉及感官不同，存在多種方式;5)依附的實(shí)體不同，交互所依賴的硬軟件樣式也多種多樣。對交互形態(tài)的多維度考慮，意味著對多樣人工智能交互需求的支持，以及多樣的人工智能交互形態(tài)的產(chǎn)生。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，多樣需求與多維支持使人智交互呈現(xiàn)豐富的特點(diǎn)，其在人工智能技術(shù)的應(yīng)用特性上表現(xiàn)為:1)功能有強(qiáng)弱，即已被熟知的強(qiáng)人工智能和弱人工智能，如影片《機(jī)器人管家》中的安德魯和《機(jī)器人和富蘭克林》中的“強(qiáng)智”機(jī)器人;2)顯性或隱性的應(yīng)用，即有無可見形象，如智能代理和智能軟件工具;3)形象有虛有實(shí)，如車間的機(jī)器人、微軟計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(Windows)里的小娜(Cortana);4)存在于人體內(nèi)或外，如嵌入人體的人工智能單元與可穿戴的人工智能設(shè)備。多樣的人工智能應(yīng)用使人智交流方式更豐富。

　　(二)“人-智”視覺交互方式

　　人工智能體與教育主體的交互有兩個(gè)重要要素:交互方式和交互時(shí)機(jī)。人智交互主要是“近距離雙向”交互(見表一)，交互方式直接影響人智交互的“溝通”表現(xiàn)，涉及感官通道，內(nèi)容組織與解析形式。交互方式為交互內(nèi)容服務(wù)，支持“人-智”間的信息交匯、知識交流、思維交融和創(chuàng)造協(xié)作等。交互時(shí)機(jī)取決于基于學(xué)習(xí)與教學(xué)原理的社會(huì)性行為設(shè)計(jì)，信賴于設(shè)計(jì)者的理解與設(shè)定。交互方式則與學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)與參與度緊密相關(guān)，與人體感官關(guān)系密切，尤其是視覺交互方式。

　　四、人智視覺交互方式的“賦能”通則

　　在教育系統(tǒng)活動(dòng)中，主體的知識技能增長與能力提高通常涉及學(xué)與教的活動(dòng)及認(rèn)知思維兩個(gè)層面。人工智能應(yīng)用賦能主體、賦能教育，也需要從活動(dòng)與認(rèn)知思維兩個(gè)層面考慮。作為人工智能應(yīng)用的“連接樞紐”，人智交互的形態(tài)與方式直接影響其應(yīng)用的結(jié)果和效能。設(shè)計(jì)與應(yīng)用更要重視視覺交互方式及交互形態(tài)，聚焦視覺交互操作以提高“內(nèi)輔”效果，聚焦視覺互動(dòng)活動(dòng)以增強(qiáng)“外輔”效用。

　　五、人智能交互的主體“賦能”影響

　　如果說以計(jì)算智能(王亞飛等，2018)為根基的人工智能教育應(yīng)用是“內(nèi)驅(qū)”數(shù)據(jù)動(dòng)力的智能應(yīng)用，那么以視覺交互智能為基礎(chǔ)的人工智能教育應(yīng)用就是“外展”實(shí)踐空間的智能應(yīng)用。人工智能視覺交互可以使教育實(shí)踐活動(dòng)在人智交互中充分展開，機(jī)器和智能的技術(shù)潛能也可以在人智交互中充分發(fā)揮。人工智能視覺交互質(zhì)的變化將在各種應(yīng)用形態(tài)中為教育主體帶來深刻影響

　?。蹍⒖嘉墨I(xiàn)］

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