劉淇，中國科學技術(shù)大學計算機學院副教授、博士生導師， CCF大數(shù)據(jù)專家委員會委員，CAAI機器學習專委會委員、中科院青促會優(yōu)秀會員。主要研究數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)、機器學習方法及其應用。

教育的發(fā)展歷程

從古至今，時代的變革往往會伴隨著教育發(fā)展的重大變化。當下時代，隨著人類社會信息化進程的不斷深入，教育教學方式從依賴于黑板和紙筆的經(jīng)驗模仿教學范式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎爿o助教學范式。通過綜合應用計算機、互聯(lián)網(wǎng)等各種新興技術(shù)，計算輔助教學使得教學內(nèi)容與教學媒介更加豐富。例如，多媒體課件早已大范圍普及我國的課堂教育，各類網(wǎng)絡(luò)教育、遠程教育也極大地方便了人們學習的過程。然而，在計算輔助教學范式下的中國教育，尤其是基礎(chǔ)教育仍然存在諸多痛點，優(yōu)質(zhì)教師依然匱乏、教育資源越來越不均衡、學生學習壓力較大卻效率低下等問題依然是當前教育發(fā)展的重要問題，亟需借助更先進的思想和技術(shù)進行解決。

近年來，信息技術(shù)革命與經(jīng)濟社會發(fā)展的交融，帶來了數(shù)據(jù)爆炸式增長。海量數(shù)據(jù)的收集和積累，在諸如金融、電子商務(wù)、軍事、醫(yī)療、交通、氣象、教育等行業(yè)領(lǐng)域均發(fā)揮了重要的作用，使得大數(shù)據(jù)從“概念”走向“價值”?，F(xiàn)如今，基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的智能化服務(wù)系統(tǒng)極大地便利了人們的日常生活，分析大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為科研的核心任務(wù)，解讀大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為決策的基本依據(jù)，應用大數(shù)據(jù)成為民生的重要助力。

特別是在教育行業(yè)領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)為教育信息化、智能化注入了新的活力。其中，教育大數(shù)據(jù)是指整個教育活動過程中所產(chǎn)生的以及根據(jù)教育需要所采集到的，一切用于教育發(fā)展并可創(chuàng)造巨大潛在價值的數(shù)據(jù)集合。事實上，我國有非常好的教育大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，據(jù)《2016年全國教育事業(yè)發(fā)展公報》顯示，我國有超過51萬所學校而且絕大部分都實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)接入，擁有大于2.6億的學生，在線教育用戶超過1.4億，數(shù)字化校園系統(tǒng)、在線學習平臺以及智能教輔系統(tǒng)層出不窮，產(chǎn)生了大量的教育數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，教育發(fā)展正在迎來新的變革，2017年發(fā)布的《中國基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)發(fā)展藍皮書》認為，教育在大數(shù)據(jù)技術(shù)與理念的沖擊下正在發(fā)生一場“靜悄悄的革命”。即，從計算輔助教學范式走向數(shù)據(jù)驅(qū)動教學范式。

相比較而言，數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學范式具有“高效率”、“有智慧”、“產(chǎn)業(yè)化”等優(yōu)點：1）利用教育大數(shù)據(jù)，可以模擬優(yōu)質(zhì)老師做出決策，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)師資的快速、規(guī)?；皬椭啤薄＠么髷?shù)據(jù)技術(shù)進行資源收集存儲、協(xié)同管理、開放獲取，可以自動、高效地對教育資源進行整合；2）通過對學生的性格、綜合能力、知識狀態(tài)等特征進行診斷量化，實現(xiàn)深度、全面的學生精準畫像，進而提供千人千面的個性化、自適應智能教育，真正實現(xiàn)“因材施教”；3）有效協(xié)調(diào)教育各類資源，實現(xiàn)智能教育智能服應用的實際落地，為教育產(chǎn)業(yè)化的商業(yè)模式提供了可能，使得教育發(fā)展形成了良性閉環(huán)。與此同時，我國各級政府和部門也十分重視，把大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧教育作為國家信息化戰(zhàn)略的重要組成部分。國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中強調(diào)：要加快智能教育建設(shè)，利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學方法改革，構(gòu)建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系。在此背景下，教育正在漸漸從線下走向線上，從人工走向智能。

大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧教育

大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧教育已經(jīng)初步運用在教育領(lǐng)域的多個方面。對于教學者而言，可以幫助調(diào)整教學方案、打造精準教學；對于學習者來說，可以幫助制定個性化學習計劃、選擇學習路徑；同時，智慧教育也可以運用到教學媒介與產(chǎn)品中，如教育機器人、智能教育平臺等?？梢哉f，教育大數(shù)據(jù)分析研究已經(jīng)滲透至教育領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，發(fā)揮著重要的作用。參考學者們的已有分類，從教、學、考、評、管這五個方面簡要介紹智慧教育的研究進展情況。

在“教”方面，主要研究如何提升教學方式與質(zhì)量，從而更有效的給學生教學，包括基于深度學習技術(shù)的智能搜題、基于深度增強學習的智能解題、基于腦科學的智能輔助學習系統(tǒng)以及針對不同教學情境和教學對象的個性化教學設(shè)計方案生成等。在“學”方面，主要針對于如何深度理解和掌握學生的行為以及給學生推薦個性化的學習內(nèi)容，例如在MOOC上研究學生的學習行為預測、基于深度學習的行為軌跡模式挖掘以及個性化學習內(nèi)容、學習路徑推薦等。在“考”方面，試題作為衡量學生學習水平、檢驗學生學習成果的工具，包含有大量的可挖掘信息，目前，主要研究關(guān)注于試題知識點的自動標注、試題的難度預測以及試題的自動生成、智能組卷，智能批改等。對于老師和學生更好的理解試題、使用試題非常有幫助。在“評”方面，智能評測是重要的研究方向。其中，知識與能力結(jié)構(gòu)的智能化表征與學生靜態(tài)、動態(tài)的認知診斷，生成個性化的認知診斷報告，可以幫助學生更好的認知自己的學習情況。同時，研究對教師的多維知識界定，衡量教師專業(yè)能力的評估，形成精準的教研評價也是目前的研究熱點。在“管”方面，基于教育大數(shù)據(jù)可以生成各種管理平臺，輔助學校以及機構(gòu)完成各方面的管理，例如電子科技大學開發(fā)了校園大數(shù)據(jù)分析決策平臺，中國科學技術(shù)大學也通過行為預測來挖掘貧困生，形成了“隱形補助”體系。

近年來，我們團隊針對智慧教育諸多場景中都涉及的學生認知水平“不可見”、教育資源“不可比”、教育推薦結(jié)果“難評價”等關(guān)鍵科學問題，著重從學生認知水平建模、教育資源深度表征與分析、以及個性化學習推薦等方面開展了技術(shù)攻關(guān)，取得了一系列研究成果（研究框架如圖1所示），代表性論文發(fā)表在人工智能、數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的重要國際會議和期刊，如IJCAI2015、AAAI 2017、AAAI 2018、KDD 2018、KDD 2019和ACM TIST。例如，提出了結(jié)合注意力機制的教育資源深度表征框架，它不僅利用深度表征思想實現(xiàn)了異構(gòu)資源各部分內(nèi)容（如文本、圖像）的統(tǒng)一建模，而且設(shè)計了注意力機制自動學習信息資源的內(nèi)部序列關(guān)系（如文本的語義關(guān)系）并識別出與所預測的屬性最為相關(guān)的內(nèi)容，在試題資源“難易度”屬性自動標注任務(wù)中，通過與教育專家的人工標注進行比較，深度表征框架不僅提高將近25%的標注精度，而且還能為試題找到關(guān)鍵語句，提升標注結(jié)果的可解釋性。

 總結(jié)與展望

從工業(yè)化時代的模仿經(jīng)驗教學范式到信息化時代的計算輔助教學范式再到數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學范式，教育不斷發(fā)生著變革，逐漸從線下走向線上、從人工走向智能、從千人一面的“照本宣科”走向千人千面的“因材施教”。無論是在日常教學還是各類考試等，大數(shù)據(jù)分析驅(qū)動的智慧教育都取得了很多令人驚嘆的研究和應用成果。然而我們?nèi)匀灰吹?，在智慧教育的發(fā)展過程中，仍然面臨諸多需要解決的問題，例如：（1）現(xiàn)階段教育大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究多集中于單學科（如數(shù)學等結(jié)構(gòu)化學科和英語、語文等語言學科）以及單學段（如初高中學段）。在其它學科（如物理、化學）上的數(shù)據(jù)理解困難。同時在其它學段（如幼兒）的數(shù)據(jù)收集困難，因此，將教育大數(shù)據(jù)分析技術(shù)推廣到全學科、全學段，服務(wù)更廣泛的老師與學生仍有待于基礎(chǔ)條件、理論方法等的突破；（2）在智慧教育的應用中，一個核心的問題是如何增強智能服務(wù)的可解釋性。例如，對于學生而言，試題答錯了，學生更想知道為什么答錯，以及如何學習能夠掌握相應的知識。同時，對于老師而言，很想了解自己的教學方式有哪些地方需要改善，以及如何改善。目前，基于大數(shù)據(jù)的智慧教育研究在可解釋性的方面還涉及較少，需要我們更進一步的研究；（3）數(shù)學、物理等學科均對邏輯能力要求很高，要使教育服務(wù)更具有智慧，必需從數(shù)據(jù)中抽取教育知識、進行融合與關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)類人智能的知識理解與邏輯推理，即實現(xiàn)從數(shù)據(jù)驅(qū)動到知識驅(qū)動的跨越。這就涉及如何從多源異構(gòu)數(shù)據(jù)中提煉教育知識、如何構(gòu)建知識庫并實現(xiàn)邏輯推理、如何基于知識庫與推理完成決策等一系列關(guān)鍵問題。

總之，在大數(shù)據(jù)和人工智能的浪潮下，智慧教育正在不斷發(fā)展，不斷快速變革，教育領(lǐng)域涉及的各種問題正在漸漸被解決。在教育變革的風口下，需要我們有發(fā)展的眼光、過硬的技術(shù)、交叉創(chuàng)新的思維以及堅定的決心，才能砥礪奮進，不斷前行。