教育信息化与智能化
基于人工智能开放平台的培智学校智能教育场景的构建
周    静    陈    晖
摘　要：人工智能与教育的深度融合，是时代发展和科技进步的必然趋势。以AI 开放平台为技术支撑，将人工智能技术中的人脸识别、人体识别、图片识别、语音识别、AR /VR 技术与培智学校的课堂教学深度融合，从教学情境的创设、教学内容的形象化、沟通对话、交互体验、教学反馈等方面创建培智学校的智能教育场景，有效提升智力障碍学生的学习动机；提升交互体验，促进知识的理解与应用；丰富课程资源，降低教学材料的制作成本。关键词：人工智能；培智学校；智能教育场景；构建策略
作者简介：周静，本科，小学高级；陈晖，硕士，小学高级。广东省广州市天河区启慧学校，510655
基金项目：广东省教育研究院第二批STEM 教育专项研究课题《STEM 教育理念下培智学校主题活动课教学设计与实施的行动研究》(编号：GDJY-2020-S-b009)；广州教育学会教育科研一般课题《基于AI 开放
平台的特殊学校智能教学的实践研究》(编号：2020YCJH-005)。
一、人工智能与教育深度融合的发展趋势AlphaGo 的胜利、无人驾驶技术的成功、模式识别的突破性进展等人工智能技术的飞速发展，一次又一次地刷新纪录。人工智能是当今的热点议题，许多国家都将人工智能提升到国家战略层面，发布人工智能相关政策。2017年7月至今，由国务院或各部委印发的与人工智能教育相关的文件多达20个。2019年5月16日至18日，国际人工智能与教育大会在北京召开，习近平向大会致贺信，他强调：“中国高度重视人工智能对教育的深刻影响，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、更加开放灵活的教育。”[1]人工智能与教育的深度融合，是时代发展和科技进步的必然趋势。
中国的“AI+智能教育”近年来经历了高歌猛进式的发展和百舸争流式的竞争，目前市面上的智能教育产品较多集中在“教、考、管”等教学流程来落地AI 教育场景方案，为学校提供课堂质量分析、智能阅卷及作业批改等AI 教育产品及服务。而在特殊教育尤其是培智教育领域，由于学校和学生数量有限、学生个性化需
求差异大、大规模复制量产可能性低等局限，目前可直接应用的智能教育产品和服务非常有限。然而，随着智能教育的影响越来越大，特殊教育教师和智能教育先行者，不仅在态度层面正视未来、在认知层
面读懂未来，更要抓住机遇，直面挑战，在行动上适应未来，积极探索构建适用于培智学校的智能教育场景，帮助特殊学生激发学习兴趣、补偿缺陷、开发潜能、提升综合素养、收获有意义有尊严的人生，从而提高培智学校教学质量和效益。
二、培智学校智能教育场景构建的必要性培智学校主要招收思维停留在具体形象思维阶段的智力障碍学生。根据心理学家皮亚杰对儿童发展阶段的研究：处于具体形象思维阶段的儿童，他们的思维仍局限于当前的具体情境，思维的进行需要具体表象的支持[2]。智力障碍学生的心理发展水平和认知所处的阶段决定了他们不具备一般同龄人所拥有的用符号代表符号的心理表征能力。他们的知识单元多为具体、单一的，分析、抽象与概括能力的缺乏使他们难以将知识进行灵活、合理、触类旁通的运用，不能独立想象事情各种
可能性的形成和假设检验。同时，皮亚杰认为“儿童从呆板、非逻辑的思维转向灵活、逻辑的思维，既依赖于神经系统的发育，又依赖于在适应环境过程中获得的经验”[3]。在培智学校的课堂教学中，枯燥的照本宣科、生硬的环境嫁接、固化的经验获得等成为课堂转型升级的瓶颈，这是时代发展过程中每一位特殊教育教师不得不面临的问题，而人工智能技术无疑为课堂教学模式变革提供了全新的思路。以用电安全教育为例，仅仅以视频、动画、图片、语言等创设如湿手碰触插座会引发漏电危险的场景，会导致不
安全操作与危险后果的直接关联性不明显，特殊学生很难掌握应用。而通过虚拟现实(VR)、增强现实(AR)技术的应用，将现实与虚拟结合，可以将危险性的触电场景等教育内容逼真呈现，同时可进行场景对话式语言学习，并进行互动，让学生完全沉浸在学习的体验之中，从而全面提升教学效果。
三、培智学校智能教育场景构建的技术支撑
人工智能促进原有教育模式的变革，推动教育信息化转型升级。目前人工智能与教育融合存在诸多困难和瓶颈，其中技术门槛就是很重要的一条。掌握人工智能需要很多专业知识，如特征提取、神经网络、深度学习等，同时，还要熟悉线性代数、微积分、概率统计等。教师想要深究人工智能的算法和模型的建立、训练及改进难度很大。因此，教师迫切需要到合适的切入点来解决这一难题。各类AI开放平台的出现和迅速发展使解决这一难题成为可能，以百度AI开放平台为例，平台提供了支持不同功能的API开放接口，用户在使用相应智能应用时，可直接调用平台功能模块实现相应的功能，而不必耗费太多的时间和精力去研究智能算法和模型建立，这为人工智能在基础教育的推广提供了技术支撑。
四、培智学校智能教育场景构建的策略
以百度AI开放平台为技术支撑，将人工智能技术中的AR与VR技术、人体与人脸识别、语音识别、图片识别，以及百度云的计算、存储技术和智能多媒体平台、智能大数据平台都应用于特殊教育的课程教学方案中，基于教学情境的创设、教学内容的形象化、沟通对话、教学反馈等方面创建出了全新的智能教
育场景，变革教育模式，推动教育信息化转型升级。
1.AR/VR在教学情境创设中的应用
AR是一种借助计算机图形、可视化技术等，将虚拟信息叠加到真实环境中，从而达到超越现实的感官体验的数字化技术，可将抽象的文字或平面图片立体、形象地呈现出来，并可实现互动[4]。在实际的教学应用中，可以依托百度AR、奇巴布AR等平台，在课堂教学中充分利用其人机交互性强、特效场景丰富等优点，创设符合教学需要的真实情境，让一些虚拟、抽象的教学内容得以呈现。如生活语文课程中的古诗词教学部分，由于古诗词距今时间久远，其营造的优美意境、表达的真实情感、保留的智慧启发等往往距离学生的现实生活比较遥远，造成学生理解困难。而借助AR技术，可以将其中意境进行可视化呈现，让学生仿佛置身于作者创作诗词的时空中，对理解诗词有极大帮助。以《培智学校义务教育课程标准(2016年版)》(简称课标)中生活语文课程里的古诗《江雪》为例，借助AR技术营造出“大雪纷飞、天寒地冻中，一位渔翁不畏严寒、敢斗风雪、孤独垂钓”的情境，同时通过摄像头并借助人脸与人体识别技术中的人像分割与人脸融合技术将学生的真实形象与渔翁形象进行融合，让学生在扮演渔翁的过程中体会诗词传达出的严酷冷清的意境和孤独不屈的情感。
VR主要依赖三维实时图形显示、三维定位跟踪、触觉及嗅觉传感、人工智能、高速计算与并行计算等技术以及人的行为学研究等[5]。如课标中生活适应课程中“国家与世界”部分有“了解一些风景名胜和文物古
迹”的教学目标，为了达成这一教学目标，课堂教学中可以借助VR技术突破时空局限，让学生戴上立体眼镜、数据手套等特制的装备，在虚拟场景中看到蜿蜒的万里长城、雄伟的天安门、气势恢宏的兵马俑等，调动学生的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉，获得浸入式、交互式的学习体验，这对于学生了解幅员辽阔、历史悠久的中国，激发民族自豪感有着积极的作用，同时也有利于初步建立人机交互的创新体验式教学模式，为教师提供多层次的信息化教学资源。
2.人脸及人体识别技术在教学内容形象化中的应用
人脸识别技术包含人脸检测与属性分析、人脸对比、人脸搜索、活体检测、人脸融合、人脸离线采集等
教育信息化与智能化
功能，能灵活应用于金融、泛安防、零售等行业场景，满足身份核验、人脸考勤、闸机同行等业务需求[5]。人脸识别技术可以大量应用于有人物的教学中，如生活语文课程中人物相关的教学内容，劳动技能、运动与保健等课程中需要人物示范教学的部分等。以生活语文课程为例，情绪词汇的学习一直是特
殊学生较难掌握的内容之一，借助人脸识别技术可以将“高兴、伤心、惊讶、愤怒、厌恶、恐惧”等情绪词汇呈现为形象、丰富的可视化表情，同时识别学生在适当场合和时机中表现出的表情，返回置信度分数，帮助教师及时了解学生词汇的掌握情况，并给予相应的鼓励性反馈。
人体识别技术能准确识别图像中的人体相关信息，具有提供人体检测与追踪、关键点定位、人流量统计、属性分析、行为识别、人像分割、手势识别等能力，能支持本地服务器或专有云服务器私有化部署，保障业务数据的私密性和安全性[5]。基于百度AI 开放平台中人体识别技术下的手势识别和人像分割能力，可以将教学内容中抽象的文字转化为学生容易理解的直观形式。以生活语文课程中比喻修辞手法教学为例，在教导学生理解“观众发出雷鸣般的掌声”这一比喻句的过程中，教师可以借助手势识别技术，在识别到全部学生都做出了鼓掌拍手的动作后，也模拟出掌声雷动的效果，让学生以听觉感知到这一比喻句的含义，并真实体会到“雷鸣般掌声”所营造出来的热烈的氛围。
3.语音技术在课堂沟通对话中的应用
语音技术采用国际领先的流式端到端语音语言一体化建模算法，将语音快速准确识别为文字，支持手机应用语音交互、语音内容分析、机器人对话等多个场景[5]。基于百度AI开放平台中语音识别和语言合成能力将教学内容中的沟通对话部分进行符合角特征的呈现，根据不同场景的需求对音库的语速、音调、音量进行灵活设置，如男、女、老人、儿童、小动物等角的对话，让学生对于教学内容有形象化
的认识，使得教学资源更具有多样性，并且满足个性化需求。同时，语音技术还能对学生在课堂中的声音进行合成和识别，转化成更贴近角的语言，营造更加身临其境的感受，提高学生学习的参与度，促进学生词汇量、声调及语气的控制与变化、口语流畅度和即兴口语表达等语言能力的发展。
4.图像技术在教学反馈中的应用
图像技术能精准识别超过十万种物体和场景，包含多项高精度的识图能力并提供相应的API接口服务，能充分满足各类个人开发者和企业用户的业务需求[5]。图像技术可以识别教学过程中物品的名称、属性等信息，即时给予学生反馈。如课标中的劳动技能课程的“中年段家务劳动技能—厨房劳动”项目下，有“无明火条件下使用炊具制作简单饭菜”的教学目标，因此教师设计“学习使用电饭锅煮饭”这一教学内容。在教导学生认识电饭锅的过程中，可以让学生先自行观察电饭锅的构造，真实感知电饭锅的各个部分；再以人机互动的形式，借助图像技术由AI反馈学生现在拿的是电饭锅的哪个部分，该部分的作用是什么。这一教学形式不仅可以提升学生学习的积极性，还实现了以感知为起点的发现学习，体现了以学生为本的课程改革理念，学生学习效果得到有效保证。此外，图像技术还可以应用于学生的书面作业、绘画作品的分析反馈中，以了解学生对教学内容的掌握情况，以及在作品中反映出的个人知识储备、能力发展层次、情绪状态等重要内容，为教师精准评估学生能力提供重要依据。
五、培智学校智能教育场景构建的效果
1.AI辅助教学　有效提升特殊学生的学习动机
学习动机是指推动学习的一种动力，包括需要和诱因。需要有多种，表现为对学习必要性的认识、学习的兴趣、意愿等。诱因指激起需要的条件和满足需要的对象，可引发或激起有目标指向的活动[6]。特殊学生由于各种障碍的不利影响，在认知、思维、想象、语言、记忆力、注意力等方面不同程度上处于劣势，因而激发其学习动机就具有了特殊的意义[7]。在激发特殊学生学习动机的相关研究中，孟万金等将美国佛罗里达州立大学John M Keller教授创立的ARCS(Attention，Relevence，Confidence，Satisfaction)动机模式系统引入，该理论指出：对学习动机的激发主要包括“注意、相关性、自信心和满意”四大要素，是一种有效激发学生学习动机的方法。基于它简单又具有操作性的特点，将其引
入特殊教育中具有广阔的前景，值得在实践中深入探讨。在教学过程中吸引并维持注意力是激发动机的第一步[8]。AI辅助教学，将虚实融合的交互方式引入教育场景，为特殊课堂教学提供更生动、有趣、兼具互动性与益智性的沉浸式教学解决方案，对于学生简单的知觉唤醒、深度好奇心的探询唤醒都有积极意义。
2.提升交互体验　促进特殊学生对知识的理解与应用360云平台
2016年，教育部正式发布课标，我国的特殊教育进入了发展的新时期。随着课标的落地实践和课程改革的不断深入，特殊教育的价值导向已经从“生活化的课程”转向追求“有意义的生活”[9]。教育教学中应更着眼于学生的现实生活需求和社会发展需要，注重拓宽学生学习与运用知识的领域。AI中的人脸与人体识别、AR/VR等技术，可将课堂教学的知识与概念形象化、具体化地展现出来，增强交互性和趣味性，倡导感知、体验、参与的学习方式，有利于学生对知识的理解，同时虚实结合的教学环境有助于促进知识的迁移，实现寓教于乐的教学。
3.丰富课程资源　降低教学材料的制作成本
课标明确要求教师要高度重视课程资源的开发和利用，创造性地开展各类活动。通过AI技术中的图像识别、知识图谱技术等可以帮助教师整合多元的教育资源、社区资源和现代信息技术资源，提升教学内容的丰富程度，以多种途径提升学生的核心素养。此外，在教学材料准备的过程中，如教学视频的配音、教学材料有声朗读等环节，结合百度AI开放平台上的语音合成技术，可以有效降低教学材料制作成本，提升教学材料的品质，从而优化课堂教学模式，促进课堂教学的转型升级。
参考文献
[1] 习近平向国际人工智能与教育大会致贺信
[EB/OL].v/xinwen/2019-05/16/ content_5392134.htm.
[2] 黛安娜•帕帕拉，萨莉•奥尔.发展心理学：从生
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[3] 刘春玲，江琴娣.特殊教育概论[M].上海：华东师
范大学出版社,2013.
[4] 赵晓嬿.增强现实技术在基础教育教材领域的应用
现状及发展策略[J].出版科学,2019,27(6):93-97. [5] 百度AI开放平台-全球领先的人工智能服务平
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[6] 中国百科大辞典编委会.中国百科大辞典[M].北
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[7] 孟万金，张冲.如何激发特殊儿童学习动机:ARCS
动机模式在特殊教育中的应用—特殊儿童学与教的心理学研究(Ⅰ)[J].中国特殊教育,2007(7):72-77. [8] 孟万金，刘玉娟.再论如何激发特殊儿童学习动机:
特殊儿童学与教的心理学研究(II)[J].中国特殊教育,2007(8):91-96.
[9] 吴春艳，肖非.从“生活化的课程”走向“有意义
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