自适应学习–人工智能时代的教育革命

国内*本系统介绍人工智能教育（EAI）与自适应学习（Adaptive Learning）的书籍。
用浅显生动的语言讲述*前沿的理念——人工智能与自适应学习将如何改变教育。
书中近20个案例和超过100个图表进行具体讲解，方便阅读和理解。

 

本书以浅显生动的语言讲述*前沿的理念——人工智能与自适应学习将如何改变教育。当下人工智能正悄悄影响着社会生活与教育体系的各个层面，对全世界的学习与教育活动，都将产生极为深远的影响。因为人工智能，因为自适应学习，自孔子以来人类两千年历史上*次，我们可以有机会真正实现“因材施教”的伟大教育理念，跨越过去难以克服的重重阻碍，让教育真正实现“个性化”，积极改善教学的成效，“复制”*卓越的教师，让优秀教师不再是“稀缺资源”。学校可以更有效地进行教育改革，政府部门也能用更低的成本实现教育公平。在这一刻，我们能够清晰地看到： 一次全新的教育革命正在展开！
本书可作为高等院校教育学、教育技术、计算机专业高年级本科生、研究生的教材，也可作为广大教育科技工作者和教育管理者的参考用书。

目录
第1章来临1
1.1人工智能时代来临，教育为何焦虑1
1.1.1人工智能是泡沫，还是未来1
1.1.2人类如何应对被AI抢走工作的窘境与焦虑4
1.1.3未来教师会失业吗9
1.1.4现代教育能承担起重任吗11
1.2教育人工智能14
1.2.1人工智能时代教育的目标14
1.2.2人工智能给教育带来什么16
1.2.3为何自适应学习能够革命性地改进教育人工智能19
1.3自适应学习23
1.3.1自适应学习的前世今生23
1.3.2自适应学习的定义24
1.3.3自适应学习的主要特征26
1.3.4自适应学习的一个案例27
第2章发展30
2.1自适应学习的发展30
2.1.1自适应学习的国际发展： 巨头纷纷抢滩自适应学习30〖1〗自适应学习——人工智能时代的教育革命〖1〗目录2.1.2自适应学习在中国的发展： 与主流教育体制的矛盾35
2.1.3自适应学习产品一览表42
2.2自适应学习的领导者45
2.2.1全球知名的自适应学习引擎： Knewton45
2.2.2教育出版领域的自适应学习创新： McGrawHill Education51
2.3自适应学习的教学55
2.3.1自适应学习的课程模式55
2.3.2自适应学习的教学法58
2.3.3自适应学习的课程设计63
2.3.4自适应学习与学校变革64
2.3.5自适应学习与教师转变66
2.4自适应学习的应用69
2.4.1自适应学习在高等教育中的应用70
2.4.2自适应学习在K12教育中的应用71
2.4.3自适应学习应用普遍面临的问题75
2.4.4如何根据教学需要选择一款有价值的自适应学习系统76
第3章研究80
3.1自适应学习的深度辨析80
3.1.1自适应学习和大数据、人工智能、认知计算的关系83
3.1.2自适应学习与个性化学习、深度学习的区别87
3.1.3自适应学习系统与计算机辅助教学、智能教学系统的辨析90
3.2自适应学习的理论研究91
3.2.1心理学92
3.2.2认知科学103
3.3自适应学习的研究方向106
3.3.1面向知识的自适应内容108
3.3.2面向学生的自适应序列111
3.3.3面向教师的自适应测评119
3.4拨开迷雾看自适应学习的内部系统构成123
3.4.1自适应学习是怎样实现的123
3.4.2自适应学习是如何运行的127
3.5自适应学习的两大核心： 系统模型和自适应引擎129
3.5.1自适应学习系统参考模型130
3.5.2以学习者模型及建模方法为例132
3.5.3自适应学习引擎分析137
3.5.4自适应引擎工作流程141
3.5.5自适应推荐引擎的一个样例143
3.6自适应学习的两大基础技术： 算法与数据144
3.6.1自适应学习的算法145
3.6.2自适应学习需要什么样的数据147
第4章未来150
4.1自适应学习的发展方向151
4.1.1自适应学习未来发展的可能151
4.1.2未来的自适应学习系统154
4.1.3实现自适应学习的一些新技术154
4.2人工智能时代，未来教育什么样157
4.2.1人工智能＋教育，人类的“芯”老师157
4.2.2未来什么样的教师更受欢迎159
4.2.3人工智能时代，学生要学会什么160
4.2.4人工智能时代的未来教室163
4.2.5人工智能时代，必须关注学校教育三大变革165
4.3人工智能时代，教育还有什么可能169
4.3.1人工智能在教育领域的可能应用169
4.3.2有了脑机接口技术，学生再也不能开小差了172
4.3.3给你的大脑植入芯片，不用学习了，你肯吗174
4.3.4探索教育人工智能的未来177
结束语技术的本质： 我们为什么会警惕、抗拒和恐惧技术改变我们的教育179
参考文献186
后记191

前言
未来已来：人工智能时代的教育革命
互联网、信息技术发展这么多年后，来到了一个临界点，这就是人工智能时代的来临。
人工智能时代带来新一轮工作革命。在律师行业，这个按小时付费的高薪职业，情况发生了变化： 专业法律文件由机器人批量处理，成本仅是律师工作成本的1%。在医院里，越来越多的专业医疗方案由机器给出，有的医生的岗位被取代。
如果说工业革命让农民进城变成工人，信息革命让更多人坐进办公室成白领，那么在人工智能时代，AI技术将会取代一切标准化、重复性的工作。
工作革命必然引发教育革命。
应对工作革命，必先启动教育革命。
工业革命时期，相对落后的德国率先提出初等教育和高等教育改革，较其他国家提前数十年普及了初等教育，使其迅速在工业革命中成为领先的国家。
改革开放前，5亿以上的中国人接受了小学教育，让此后30年的中国能接受全球化工业转移的浪潮冲击。
人类社会的每一次重大转型，都得益于对教育的重视和普及。
只有那些了解即将到来的变革的学校与社会，才能在未来多年中得以繁荣发展。
不应畏惧将来，因为未来的教学范围更广泛，教育更全面且更富启发性。
学校应当永远是启蒙、培育学习者的地方——眼下只有少部分学校做到了这一点，而这场教育变革将使得全部学校都成为这样的圣地。
人工智能时代，需要重建教育。如何重建？
未来，我们需要更多地了解人类自己，越了解我们自己就越知道怎样做教育。〖1〗自适应学习——人工智能时代的教育革命〖1〗前言未来已来： 人工智能时代的教育革命这并不是正确的废话，这是方向。
我们对我们用来学习的器官——大脑的了解只比空白多一点！
我们是怎样学习的？
知识怎样获取的？
大脑怎样认知的？
知识怎样加工的？
知识怎样内化的？
学习怎样检验是科学合理的？
这一切一定要有度量，没有度量，就无所了解。
自适应学习或人工智能在教育中的作用正是： 了解每个人是如何学习的。
这意味着教育领域有发生颠覆性变革的可能性。
它不会完全取代教师，但确实向那些只是照本宣科讲课的教师提出一个问题： 如果互联网已经可以根据每个学生的特点提供特定的教学，学生为什么要听你讲？自适应学习意味着教师的职业围墙正在被打破，依据个人需要因材施教已经成为时代的必然，传统意义上的教师职能将会发生颠覆性变化。
自适应学习与人工智能将是因教师人力资源消费过高而逐渐陷入困境的传统教育模式的颠覆者与取代者，是印刷术发明以来教育领域学习的革新，是未来教育来临之前发出的曙光。
教育正在经历一场彻底的变革，颠覆传统教育思维的新技术、新价值、新方法，成功迈向新学习时代。这是一场人人受益的教育革命，一场不可回避的世界教育重大趋势与改革浪潮。
未来已来，我们需要理解与拥抱。

本书作者以浅显生动的语言讲述前沿的理念——人工智能将如何转变教育。当下人工智能正悄悄影响着教育体系的各个层面，对全世界的学习与教育活动，必将产生极为深远的影响。Knewton、培生、IBM Watson等教育案例告诉我们，蓬勃发展的教育领域如何应用人工智能，教育不仅是“一人讲万人听”。因为人工智能，因为自适应学习，自孔子以来人类两千年历史上次，我们可以有机会真正实现“因材施教”的伟大教育理念，跨越过去难以克服的重重阻碍，让教育真正实现“个性化”，积极改善教学的成效，“复制”卓越的教师，让优秀教师不再是“稀缺资源”。教师的工作不会被人工智能完全取代，但会变得更高效、更复杂。学校可以更有效地进行教育改革，政府部门也能用更低的成本实现教育公平。在这一刻，我们能够清晰地看到： 一次全新的教育革命正在展开！
全书共分六部分：
前言部分，展望未来，介绍全书内容。未来已来，人工智能时代呼唤教育革命。
第1章来临，着重介绍人工智能来临以及何为自适应学习。人工智能时代来临并非幻觉，并由此带来工作焦虑，引发教育革命，教育人工智能可为教育带来什么，以及何为自适应学习。
第2章发展，介绍自适应学习国内外发展状况与应用案例。本章介绍自适应学习在国内外的发展状况，列出国内外自适应学习产品，并详细介绍自适应学习的领导者Knewton、McGrawHill等企业机构。分析自适应学习在教学中应用的教学法、课程模式和课程设计，介绍自适应学习在K12和高等教育中的应用。
第3章研究，着重讨论自适应学习是什么，以及自适应学习系统开发的算法与模型。深度辨析自适应学习与人工智能、个性化学习等概念的关系，介绍自适应学习的心理学、认知科学方面的学科理论，详细介绍自适应学习的自适应内容、自适应评测、自适应序列三大研究方向，细致剖析自适应学习内部系统构成，分析自适应学习的两大核心——系统模型与自适应引擎，以及两大基础技术——算法与数据。
第4章未来，介绍自适应学习和人工智能的未来发展方向。本章介绍自适应学习未来发展的可能和实现自适应学习的一些新技术，描绘人工智能时代的教育是什么样，以及教育人工智能的未来发展可能。
后记部分，剖析教育技术的本质，直面问题： 我们为什么会警惕、抗拒和恐惧技术改变我们的教育？技术乃是人类存在的方式，技术早已成就我们的教育，而不是因为技术间隔我们与自然。        
全书提供了大量应用实例，以及自适应学习系统开发的算法与模型。
本书可作为高等院校教育学、教育技术、计算机专业高年级本科生、研究生的教材，也可作为对自适应学习较为熟悉的开发人员、广大教育科技工作者和教育管理者、教育信息化工作者、教师、教育专家的参考用书。

李韧
2018年9月

第3章研究
3.1自适应学习的深度辨析
众多教育机构和研究计划制造出一系列重叠的名词概念，包括“自适性学习”“个性化学习”“区别式学习”，定义如此杂多，很难在交流层面达成共识。对于“自适应学习”概念的讨论，形成一种闹哄哄的局面。
那么，自适应学习到底是什么呢？
事实上，“自适应学习”这一概念早由美国学者彼得·布鲁希洛夫斯基(Peter Brusilovsky)提出，他认为，自适应学习系统是收集学生在学习过程中与系统交互的数据，创建学习者模型，克服以往教育中体现的“无显著差异”问题。Brusilovsky P，Karagiannidis C，Sampson D. Layered Evaluation of Adaptive Learning Systems [J]. International Journal of Continuing Engineering Education and Life Long Learning，2004，14（4）：  402421.美国*教育信息化办公室(U.S. Department of Education，Office of Educational Technology)提出，“可以根据学习者在课程过程中反馈回来的信息，动态地转变内容及内容呈现方式、学习策略等”。Oxman S， W，Innovation D V X. White Paper： Adaptive Learning Systems[EB/OL].[20151020]. http://www.integratededsolutions.com/wpcontent/uploads/2015/10/DVxAdaptiveLearningWhitePaperFebruary20141.pdf.这些定义强调自适应学习系统自适应的实现是通过实时交互数据的收集，并且根据这些数据解析后提供个性化的服务，自适应是基于数据收集和解析的。
对于自适应学习平台的定义，国内与国外有一定差异。例如，国内学者徐鹏和王以宁对自适应学习的定义： “针对个体学习过程中的差异而提供适合个体特征的学习支持的学习系统。”徐鹏，王以宁.国内自适应学习系统的研究现状与反思[J].现代远距离教育，2011，（1）： 25~27.黄伯平、赵蔚和余延冬等则从“连通性、内容、文化”三个层面阐述自适应的定义。
〖1〗自适应学习——人工智能时代的教育革命〖1〗第3章研究自适应学习平台是一种通过解析收集到的学生实时交互数据引导学生学习的学习系统，可在特定的时刻为特定的学生提供特定的知识。
可以看出，国内的定义相对来说较简洁，强调自适应学习系统能为学生提供个性化学习服务，而其实现途径是通过对学习者学习行为记录、学习风格、认知水平等基于学习者自身背景因素相关数据的综合分析，就此提供相应的个性化服务。
但总体来说，二者都强调计算机系统通过一系列学习分析技术帮助学习者实现个性化学习。自适应学习系统通过技术手段检测学生目前的学习水平和状态，并且就此不断地调节学生的学习过程和学习路径。这里涉及数据科学、教育统计学、学习科学、机器学习等领域的技术。
因而，根据这些定义，任何一个自适应学习系统都至少有以下三个基本的组成部分。
是知识领域模型。首先将学习内容按设计好的知识图谱放到系统里，系统并不知道学生要学习什么，因此须告诉系统学习的内容。
第二是学习者模型。软件系统记录学生的基本状况、学习目标、学习风格、知识状态、学习经历等各种个人信息，并且通过实时不间断地测评，不断调整学生在每个知识点的水平。如果无法建立有效的学习者模型，就不能依据学习者的特征实现学习的适应性。
第三是教学模型。软件系统依据学生在每个知识点的能力水平，匹配并且找出适合学生下一步学习的内容。
其中，复杂的是学习者模型，也是实现个性化学习的关键。由于每个学生都不一样，学生各种特征在学习过程中会不断发生变化，并对学习效果产生影响，所以要实时检测每个学生在每个知识点的能力水平，这是一个非常复杂的过程。
自适应学习绝不是几个算法与公式“套上”题目测试那么简单，而是人工智能在教学中的应用，其关键之一是知识的吸收、维护、分析和应用。因此，学习者与知识之间的这个交互很难做，背后是海量的学习行为信息。
这也是自适应学习和适应性测评一个根本性的区别。
早在20世纪80年代的一些测评系统，如美国的G21托福机考系统，其实都具有一定的自适应功能，但这些测评系统只能依据知识领域模型给出一种对所有学生水平统一不变的定位测评。譬如，托福机考系统就是定位学生在语法、词汇方面是处于550、650的水平，还是处于720的水平。
自适应学习则不同，它通过测评不断地调整对学习者的定位，并根据做完的每一个题目或每一组题目对应的水平不断地为学生匹配适合学习的知识。这其实相当于无数自适应测评的组合，是一个动态测评与调整的过程。传统的自适应测试与人工智能的自适应学习的对比见表3.1。表3.1传统的自适应测试与人工智能的自适应学习的对比
传统的自适应测试（基于预定规则）人工智能的自适应学习（基于机器学习）介绍运用一系列“如果A，那么B”的规则，程序的复杂度会因采用规则的数量、深度和广度而不同，也会受可选择内容的数量影响应用高级数学公式及机器学习的方法分析一般学生成功掌握每一门课程内容知识点的概率，并和每个学生在该知识点的能力水平进行对比分析，从而实时为该学生选择合适的学习内容优势以内容为导向，系统的功能有规律可循，更易于理解充分利用计算机的数据分析能力，为每个学生提供越来越精确的自适应辅导。随着管理大量数据的云计算技术的进步，此类系统的计算能力以及相应的适应能力也随之越来越强不足适应学生的能力水平和需求相对受限，学生可能的学习路径是预先确定的，选择范围也相对有限技术上比较复杂，技术门槛和开发成本高，课程的开发一般需要由内容专家和教学设计专家一起协作完成其实，若规则能够预先设定，则其必定是有限的，可是各个学习者的学习状态与能力水平却是无穷的。
例如,一元一次方程与一元二次方程，学习者学完一元二次方程之后没有学会，对于a学习者，你能够让他跳回一元一次方程，那b学习者呢，你是让他跳回一元一次方程，还是求根，那c学习者呢，他或许连以前基本的方程的移位都没有学会。因此，更高级的系统是要充分利用计算机的运算能力，通过算法实现动态为学习者匹配下一步该学什么。
这就像以前我们听说的IBM的深蓝可以打败国际象棋大师，却不是说深蓝比国际象棋大师更聪明，只是深蓝充分地利用了计算机超强的计算能力强行计算出所有可能，依据每一步下的棋，计算下一步棋该怎么走。
因而，一些教育科技专家主张，自适应学习的发展应分为3个阶段。
自适应测试： 以IRT模型动态调整题目，能够准确反映被测试者统一的水平，但无法深入到知识点的层面，不能对个体学生的学习起到指导作用。
自适应测量： 使用更细致的标签和复杂的算法，找到学生在知识和能力上的薄弱点，但不能做到真正的“解决问题”。
自适应学习： 发现问题后，能够依据学习者模型，通过精确的知识推送解决个性化学习的问题。
也可以依据自适应学习系统对学习内容和学习水平的细分进行分类，大体分为粗放式和精细式。
粗放式自适应学习系统其实就是设置一些节点，如学生去上传统培训班的时候，培训机构给学生进行学前测评，到底是上七年级A班，还是B班，或者应该回到六年级去上培训。
若做得更精细，能够在每个单元、每个知识点给学生测评，学生若学会了，就能够进入下一步学习；若没有学会，就继续学习。
若我们把这个节点做得更细，规则做得更复杂，譬如学生不仅能够往前跳，而且还能够往回跳，这样，系统能够做得越来越精细，也越来越复杂。
3.1.1自适应学习和大数据、人工智能、认知计算的关系
谈到自适应学习时，常常提到大数据和人工智能，它们二者同样要作数据分析，人们有时把它们混为一谈。该怎么区分人工智能与大数据？它们二者与自适应学习究竟是什么关系呢？