在教育技術(shù)、信息技術(shù)教育、人工智能及其他相關(guān)學(xué)科中,人工智能與教育的關(guān)系都是一個重要研究領(lǐng)域,也是應(yīng)該為本科生和研究生開設(shè)的一門重要課程。筆者總結(jié)1990年以來從事人工智能研究、1994年以來從事計算機(jī)教育、2000年以來將人工智能應(yīng)用于教育的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),并結(jié)合為北京大學(xué)和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)所開設(shè)的教育和人工智能課程內(nèi)容,撰寫了本書。
全書包括14章。為便于學(xué)習(xí)新知和復(fù)習(xí)鞏固已學(xué)內(nèi)容,每一章包括:內(nèi)容提要、學(xué)習(xí)目標(biāo)、關(guān)鍵詞、正文、本章小結(jié)、思考和練習(xí)題。第1章深入闡述教育與人工智能的關(guān)系,第2~8章介紹人工智能重要研究領(lǐng)域的基本知識、最新進(jìn)展、常用軟件,特別是他們在教育領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)證研究成果,依次包括知識工程、數(shù)據(jù)挖掘、自然語言處理、模式識別、機(jī)器人、藝術(shù)創(chuàng)作、自動程序設(shè)計。第9章詳細(xì)介紹智能教學(xué)系統(tǒng)。第10章介紹智能教學(xué)系統(tǒng)中學(xué)生模型的一個要素學(xué)習(xí)風(fēng)格及其在個性化教學(xué)中的應(yīng)用。第11章介紹人工智能在英語教學(xué)中的應(yīng)用,即筆者團(tuán)隊研發(fā)的英語智能教學(xué)系統(tǒng)希賽可。第12章介紹人工智能在數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用,即筆者團(tuán)隊研發(fā)的數(shù)學(xué)智能教學(xué)系統(tǒng)MIATS V2.0。第13章介紹筆者團(tuán)隊完成的一項人工智能編程教育對創(chuàng)新思維培養(yǎng)影響的實(shí)證研究,第14章介紹筆者團(tuán)隊研發(fā)的半自動化課堂視頻師生行為分析系統(tǒng)及其應(yīng)用案例。本書介紹的研究將人工智能前沿技術(shù)與教育實(shí)踐緊密結(jié)合,促進(jìn)教育變革,實(shí)證研究證明了其顯著效果。
本書可以作為教育技術(shù)學(xué)和相關(guān)學(xué)科的教學(xué)參考書,供師生使用;還可作為中小學(xué)教師人工智能等相關(guān)知識的培訓(xùn)教材;更能為教育技術(shù)類企業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)提供借鑒;更能為教育技術(shù)資源和設(shè)備管理(電教工作)、教育技術(shù)類企業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)等提供參考借鑒。
賈積有,北京大學(xué)教育學(xué)院教育技術(shù)系主任、教授、博士生導(dǎo)師;北京大學(xué)教育信息化國際研究中心主任。曾應(yīng)邀擔(dān)任德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)教育學(xué)院和香港公開大學(xué)客座教授、香港教育大學(xué)訪問教授。入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃(2009)。北京大學(xué)理學(xué)學(xué)士、教育學(xué)碩士,德國奧格斯堡大學(xué)哲學(xué)博士。
研究領(lǐng)域:教育技術(shù)學(xué)、人工智能教育應(yīng)用、計算機(jī)輔助語言教學(xué)、教育決策支持系統(tǒng)等。主持和參與二十多項國內(nèi)外重要科研項目。曾百余次受邀在國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)研討會報告科研成果、在國培等全國和省市級教師培訓(xùn)會議及高校師資培訓(xùn)會議上授課。
撰寫或者主編漢語、英語、德語專著八本,在國內(nèi)外重要期刊和會議發(fā)表論文二百余篇,榮獲國內(nèi)外教育和人工智能研究等領(lǐng)域的科研和教學(xué)獎項十余項,包括2023年Emerald杰出論文獎、2016年全國第五屆教育科學(xué)研究優(yōu)秀成果一等獎等。
學(xué)術(shù)兼職:全國和多個省級教育信息化咨詢專家,中國教育技術(shù)協(xié)會學(xué)術(shù)委員會委員,清華大學(xué)、北京師范大學(xué)等多所高校學(xué)術(shù)委員,多個國家和省部科研和人才項目評審專家,多次國際會議(聯(lián)合)主席等。
第1章 教育和人工智能
1.1 教育和一般教學(xué)系統(tǒng)
1.1.1 教育的含義
1.1.2 一般教學(xué)系統(tǒng)
1.1.3 一般教學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)性
1.1.4 一般教學(xué)系統(tǒng)的開放性
1.1.5 一般教學(xué)系統(tǒng)中教育者的功能
1.1.6 一般教學(xué)系統(tǒng)中的教學(xué)理論
1.1.7 一般教學(xué)系統(tǒng)的工作效率
1.1.8 教育技術(shù)
1.2 自然智能與教育
1.3 人工智能
1.3.1 人工智能的研究領(lǐng)域
1.3.2 計算機(jī)硬件
1.3.3 計算機(jī)軟件
1.3.4 支撐人工智能技術(shù)的計算機(jī)硬件和軟件
1.3.5 人工智能的理論基礎(chǔ)
1.3.6 人工智能的跨學(xué)科特性
1.4 教育、自然智能與人工智能的關(guān)系
第2章 知識工程
2.1 知識的定義及其分類
2.1.1 知識的定義
2.1.2 知識的分類
2.2 知識的自然表達(dá)方法——自然語言
2.2.1 世界和自然語言
2.2.2 計算機(jī)語言和自然語言
2.3 謂詞邏輯表示法
2.3.1 命題邏輯
2.3.2 謂詞邏輯
2.3.3 謂詞公式的等價性與永真蘊(yùn)含
2.4 產(chǎn)生式表示法
2.4.1 定義
2.4.2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成
2.4.3 產(chǎn)生式表示法的特點(diǎn)
2.4.4 Cyc: 一個典型的產(chǎn)生式系統(tǒng)
2.5 邏輯編程語言Prolog簡介
2.5.1 初中數(shù)學(xué)幾何圖形關(guān)系
2.5.2 英語詞匯和語法系統(tǒng)
2.6 語義網(wǎng)絡(luò)表示法
2.6.1 基本語義關(guān)系
2.6.2 語義網(wǎng)絡(luò)表示法的特點(diǎn)
2.6.3 英語語義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)WordNet
2.6.4 漢語語義網(wǎng)絡(luò)HowNet和OpenHowNet
2.6.5 其他典型語義網(wǎng)絡(luò)
2.7 腳本表示法
2.8 大語言模型中的知識工程問題
2.9 知識工程在教育技術(shù)上的應(yīng)用
第3章 數(shù)據(jù)挖掘
3.1 概念、功能和常用軟件
3.1.1 概念
3.1.2 功能
3.1.3 常用軟件
3.2 常用數(shù)據(jù)挖掘算法
3.2.1 回歸分析
3.2.2 決策樹
3.2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
3.2.4 遺傳算法
3.2.5 貝葉斯算法
3.2.6 鄰近算法
3.2.7 支持向量機(jī)算法
3.3 EXCEL簡介
3.4 SPSS簡介
3.5 WEKA
3.5.1 簡介
3.5.2 Preprocess(數(shù)據(jù)預(yù)處理)
3.5.3 Classify(分類或回歸)
3.5.4 Cluster(聚類)
3.5.5 Associate(規(guī)則關(guān)聯(lián))
3.6 在線學(xué)習(xí)活動指數(shù)OLAI
3.7 教育數(shù)據(jù)挖掘案例
3.7.1 教育數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵶C研究
3.7.2 教育數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述研究
第4章 自然語言處理
4.1 研究意義和方法
4.1.1 研究意義
4.1.2 研究方法
4.1.3 研究層次
4.2 語音識別
4.2.1 語音到文字轉(zhuǎn)換
4.2.2 聲紋識別
4.3 語音合成
4.4 語音識別和合成軟件
4.5 詞法分析
4.5.1 西方語言詞法分析
4.5.2 漢語分詞系統(tǒng)
4.6 語法分析系統(tǒng)
4.7 人機(jī)對話系統(tǒng)
4.7.1 基于關(guān)鍵詞匹配技術(shù)的人機(jī)對話系統(tǒng)
4.7.2 人機(jī)對話比賽
4.8 大語言模型
4.8.1 理論基礎(chǔ)
4.8.2 美國微軟投資的OpenAI的大語言模型GPT系列
4.8.3 對ChatGPT的評測綜述
4.8.4 訊飛星火認(rèn)知大模型(SparkDesk)
4.8.5 我國在文本生成領(lǐng)域的其他進(jìn)展
4.8.6 大語言模型給我國教育帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)
4.8.7 我國教育應(yīng)對大語言模型的策略
4.8.8 小結(jié)
4.9 計算機(jī)輔助語言教學(xué)
第5章 模式識別
5.1 視覺識別
5.1.1 光電轉(zhuǎn)換器件
5.1.2 圖像識別系統(tǒng)
5.1.3 常用視覺識別系統(tǒng)
5.1.4 視覺識別系統(tǒng)教育應(yīng)用
5.2 情感識別
5.2.1 情感分類
5.2.2 情感識別方法
5.2.3 教育應(yīng)用
第6章 機(jī)器人
6.1 各類機(jī)器人
6.1.1 掃地機(jī)為代表的輪式機(jī)器人
6.2.2 其他類型的機(jī)器人
6.2 機(jī)器人世界杯比賽
6.3 機(jī)器人教育應(yīng)用
第7章 藝術(shù)創(chuàng)作
7.1 智能繪畫系統(tǒng)
7.2 智能音樂生成系統(tǒng)
7.3 文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)
7.4 人工智能技術(shù)用于藝術(shù)教育
第8章 自動程序設(shè)計
8.1 大語言模型的自動程序設(shè)計功能
8.2 大語言模型的程序修改功能
8.3 自動程序設(shè)計與編程教學(xué)
第9章 智能教學(xué)系統(tǒng)
9.1 定義
9.2 發(fā)展歷史
9.3 構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)
9.4 應(yīng)用和效果
9.4.1 關(guān)于智能教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)證研究
9.4.2 關(guān)于智能教學(xué)系統(tǒng)的元分析研究
9.5 智能教學(xué)系統(tǒng)研究的現(xiàn)實(shí)意義
第10章 學(xué)習(xí)風(fēng)格與個性化教學(xué)
10.1 基本概念
10.2 常用的學(xué)習(xí)風(fēng)格量表
10.2.1 曼勒特克斯(Memletics)學(xué)習(xí)風(fēng)格量表
10.2.2 費(fèi)爾德西爾弗曼(Felder-Silverman)學(xué)習(xí)風(fēng)格量表
10.2.3 場依存型場獨(dú)立型學(xué)習(xí)風(fēng)格量表
10.2.4 適應(yīng)型革新型學(xué)習(xí)風(fēng)格量表
10.3 綜合型學(xué)習(xí)風(fēng)格量表
10.4 基于學(xué)習(xí)風(fēng)格的個性化學(xué)習(xí)
第11章 智能英語教學(xué)系統(tǒng)“希賽可”
11.1 系統(tǒng)設(shè)計緣起
11.2 指導(dǎo)理論
11.3 希賽可中的英語語法體系
11.3.1 句子
11.3.2 從句
11.3.3 短語
11.3.4 單詞
11.4 希賽可系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)機(jī)理
11.4.1 瀏覽器/服務(wù)器接口
11.4.2 英語解析器
11.4.3 NLML解析器
11.4.4 自然語言數(shù)據(jù)庫(Natural Language Database,NLDB)
11.4.5 常識性知識
11.4.6 文本蕰含機(jī)理(Generation of Textual Entailment,GTE)
11.4.7 交流性反應(yīng)機(jī)理(Communicational Response,CR)
11.4.8 多通道用戶界面和可以選擇的聊天模式
11.4.9 適應(yīng)于用戶偏好和話題的自由聊天
11.4.10 在給定場景中的引導(dǎo)性對話
11.4.11 無限定答案的填空練習(xí)的自動評分
11.4.12 機(jī)器人的對話演示(“二人轉(zhuǎn)”)
11.4.13 聽力訓(xùn)練
11.4.14 積分機(jī)制
11.4.15 小結(jié)
11.5 智能英語教學(xué)系統(tǒng)希賽可
11.5.1 多角色對話(包括“多人轉(zhuǎn)”與人機(jī)對話兩種形式)
11.5.2 詞匯練習(xí)
11.5.3 聽力練習(xí)
11.5.4 語法練習(xí)
11.5.5 閱讀理解
11.5.6 英語閱讀
11.5.7 個性化的學(xué)習(xí)者檔案
11.5.8 協(xié)作式學(xué)習(xí)
11.5.9 教師的課程管理功能
11.5.10 客戶端從微機(jī)擴(kuò)展到平板電腦、智能手機(jī)等移動終端
11.6 系統(tǒng)應(yīng)用和評估
11.6.1 中學(xué)應(yīng)用和評估
11.6.2 北京郵電大學(xué)的應(yīng)用和評估
11.6.3 北京理工大學(xué)珠海分校的應(yīng)用和評估
第12章 數(shù)學(xué)智能評測和教學(xué)系統(tǒng)MIATS V2.0
12.1 智能技術(shù)支持個性化評測和輔導(dǎo)的理論基礎(chǔ)
12.2 數(shù)學(xué)智能評測和輔導(dǎo)系統(tǒng)MIATS V2.0
12.3 借助MIATS V2.0進(jìn)行勾股定理相關(guān)知識的智能評測和輔導(dǎo)
12.4 初步的教學(xué)應(yīng)用和效果評估
12.4.1 第一次實(shí)驗(yàn): 初中
12.4.2 第二次實(shí)驗(yàn): 高中
第13章 人工智能教育和創(chuàng)造性思維培養(yǎng)
13.1 創(chuàng)造性思維和計算思維評估方法
13.1.1 創(chuàng)造性思維評估方法
13.1.2 計算思維評估方法
13.2 智能編程教育結(jié)果分析
13.2.1 學(xué)生情況
13.2.2 編程能力測試成績分析
13.3.3 智能編程教育對創(chuàng)造力和計算思維的影響效果
第14章 課堂錄像師生行為分析
14.1 課堂視頻師生行為分析編碼方案
14.2 SACVAS系統(tǒng)介紹
14.3 使用SACVAS系統(tǒng)分析優(yōu)課案例
14.3.1 一節(jié)英語課程的分析結(jié)果
14.3.2 英語學(xué)科言語分類統(tǒng)計
14.3.3 全部課程的分析結(jié)果
14.3.4 北京市優(yōu)課視頻分析總結(jié)
參考文獻(xiàn)