国内人工智能在教育教学的应用汇总
国内人工智能在教育教学的应用汇总深度学习或是人脸识别技术在国内教育领域已有一些实践和应用，尤其是17、18年，可以看到线上教育机构以及一些基于教室监控的人工智能辅助系统逐渐成熟。本文对这些应用进行梳理，简析原理并探讨其优劣和是否真正有价值。
首先明确人工智能在教育领域的应用集中在情绪识别和专注度评价两点上。
文章目录国内人工智能在教育教学的应用汇总@[toc]海风教育AI系统好望角（线上）杭州中学“智慧课堂行为管理系统”（线下）汉王教育公司“CCS课堂呵护系统”（线下）[^3]海风教育AI系统好望角（线上）具体情况：
国内线上教育机构已有多家推出辅助的人工智能系统来优化教育教学的效果，基本上都是和第三方机构合作并非自主研发的，且目前看来不少都还是纸上谈兵的状况，就算应用也非常简单粗暴，参考价值低。
2018年4月，海风推出“好望角”AI系统，宣布上线情绪识别功能，借助人脸识别技术，能够基于人脸表情来分析学生情绪，基于眼球焦点分析学生注意力情况，并将分析结果即时反馈给老师。据郑文丞介绍，海风教育将情绪识别和眼球识别技术应用到教学过程中，是国内K12在线教育领域首个落地AI应用成果。1
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,探讨：
好望角据说是国内首个落地的线上AI应用成果，据我了解，其他机构的AI系统确实都没有看到真正在客户端的落地应用，只能借助新闻了解一二。
好望角的这个系统做了两件事，情绪识别和眼球识别，都是人脸识别的范畴。其中情绪应该是分为以下8类：正面情绪“高兴”；负面情绪“厌恶、悲伤、疑惑、轻蔑、愤怒”；中性情绪“专注、惊讶”。
效果可以从图片中看出可以提醒教师学生的听课状态，调整教学节奏，做得还是不错的，整个在教育学应用的逻辑基本是合情合理自圆其说的。
线上平台的一大优势就是视频图像清晰，通常是一对一教学，不论是教师还是学生都是一人一个画面，人脸始终位于画面大幅面的区域，人脸识别的分析效果显然会比较准确。另外只要平台大，数据量总是足够的。
除了海风的好望角，推出人工智能系统辅助教学的线上平台还有：
掌门1对1与人工智能企业商谈科技战略合作（2018年）借助摄像头系统捕捉学生上课时的喜怒哀乐，结合面部表情识别系统，生成属于每个学生的学习情绪报告，辅助老师随时掌握课程动态、提醒老师及时调整上课节奏和气氛等。项目未见落地。
好未来（学而思）与FaceThink合作AILab除高兴、生气、惊讶、害怕、厌恶等常见的情绪指标外，FaceThink（德麟科技2016年初成立）针对教育场景下最重要的“专注度”进行了建模，力图让机器识别的结果逼近有丰富经验的教师。根据测试，FaceThink在一对一和双师课堂两个场景下的识别率分别为94%和91%，随着数据量的增加，识别率还有继续进步的空间。
典型的情绪识别和专注度评价两个系统，AILab介绍链接见此，项目未见落地。
VIPKID深度融合人脸技术（2017年）在教学过程中VIPKID通过人脸识别、情绪识别等技术抓取用户上课数据（如孩子在学习过程中的瞳孔和表情变化等），对师生的表情进行分析，计算分析用户的视线关注情况。
这个也是落地了的，看上去比较成熟。
杭州中学“智慧课堂行为管理系统”（线下）具体情况：
2018年5月，杭州第十一中学试行“智慧课堂行为管理系统”，通过教室内安装组合摄像头，捕捉学生在课堂上的表情和动作，经大数据分析计算出课堂上学生的专注度，从而促进教学改进。
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,,使用该系统，后台会预先录入课堂应到学生名单，现场摄像头通过对教室内学生“刷脸”匹配，从而完成考勤。此外，该系统会对学生阅读、书写、听讲、起立、举手和趴桌子6种行为，以及高兴、反感、难过、害怕、惊讶、愤怒和中性7种表情，以30秒一次进行扫描，从而实现时时统计。“我们会对学生的6种行为赋予不同的分值，通过这个系统，我们可以看到哪些同学在专注听课，哪些同学在开小差，再结合他们高兴、伤心、愤怒、反感等面部表情，可以分析出学生在课堂上的学习状态。
我们会设置一个最低赋分值，如果某学生课堂分低于该值则代表其不专注。在每节课第20分钟的时，系统会向设置在讲台上的显示屏推送提醒，内容只有老师可见。2
探讨：
这个系统明确做了两件事，行为识别和表情识别，其中表情识别和之前的好望角的分类略有区别，最大的差别在于这里没有“专注”这一分类，专注与否是结合了动作和表情进行判断的，我认为这种判断专注的方式更为科学合理，毕竟专注并不是一个表情就能决定的，当然，越专注越好吗？当然不是，这个他们都没有考虑，还要另说。
通过图片展示的应用结果，可以看到识别表情的结果是以次数来统计判断的，这个是否合理，还是只是一个令人反感的没有实际意义的冰冷数字，还待讨论。
关于隐私问题的解释：系统只会采集学生的表情、行为状态信息，而非课堂的实时录像。
还有一种质疑是说这个系统起到了监视作用，学生可能会应对这个系统而做出动作假装在阅读之类，干扰结果。
汉王教育公司“CCS课堂呵护系统”（线下）3具体情况：
2018年1月开始，CCS课堂呵护系统（汉王教育公司开发）v3.0版本已经上线发布，并在浙江、江苏、河南、内蒙古等地教育部门确立战略合作意向。
探讨：
这个系统没有公布具体识别方法的细节，就从公布的图片来探讨了，图片的信息量还是很大的。
首先是一个人脸识别考勤，再者是一个“专注”和“非专注”的两分类问题，其次还有“回答问题”、“书写”、“瞌睡”的动作识别。
总体来说在辅助教学上用的是行为识别而非人脸识别，从结果来看，比较关键的是一个专注时长的判断，这个数据最多只能用作参考，用此来判断学生是否好好学习了还是不太靠谱，对教学辅助的意义较小。
好望角介绍：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1598580283935115452&wfr=spider&for=pc↩︎
智慧课堂行为管理系统：http://www.sohu.com/a/232188256_198170↩︎
CCS课堂呵护系统：http://www.hanwangjiaoyu.com/classCare↩︎
人工智能技术给教育行业带来哪些主要影响?
现如今，人工智能技术对社会各个领域日益产生深远的影响，教育领域也不例外。在这一领域，人工智能技术的进步为教学和学习带来了新的可能性和挑战，甚至有可能从根本上改变教育治理和教育机构的内部架构。人工智能技术虽然会对教育行业产生影响，但绝对不会像线上电商颠覆传统零售那样剧烈。从目前情况来看，人工智能技术对教育的影响主要体现在以下几个方面：
人工智能技术可实现“个性化”教学人工智能技术影响教育的关键方法之一，是为学生提供个性化学习。通过自适应学习程序、游戏和软件等系统响应学生的需求，全过程搜集学生的学习数据，通过分析这些数据，最后向学生推荐个性化的学习方案。尤其是基于人工智能的自适应学习系统，帮助学校和老师提供个性化的教学，同时帮助学生提高学习效率,激发学习兴趣。
以中国“科大讯飞”为例，目前主要通过三个步骤打造以学生为中心的课堂，实现个性化学习：首先对每一个学科，构建学科知识图谱;然后通过学科的知识图谱分析每一位学生的学习情况，让每一位学生的学习情况可视化;最后给相应学生推荐个性化的学习资源。人工智能赋能之下，学校实现了个性化教与学，课堂得到有效延伸;通过师生的共同努力，在教学质量上实现突破。
人工智能技术可重复学生没有掌握的内容，并且帮助学生按照自己的节奏学习，比如美国“可汗学院”可根据每个人的学习状况自主设计学习进程。这种定制教育可帮助不同学习水平的学生在一个教室中一起学习，教师可在需要时促进学习并提供帮助和支持。该学院下一个目标是，在未来的几年内制作出从幼儿园到高中的所有课程，以及部分大学课程，如计算机科学和电子工程等。每个人学习的处境和内容不同，所以我们不仅要因材施教，而且要因时、因地施教。而基于人工智能技术建立促进个性发展的教育体系，是未来教育发展的基本趋势。
人工智能技术可为学习提供指导智能辅导系统能够理解学生喜欢的学习方式;它们还能够衡量学生已有的知识量，所有这些数据和分析都用于提供专门为该学生创建说明和支持。试验和错误是学习的关键部分，但对于许多学生来说，错误的答案会给他们挫败感，有些学生不喜欢在同龄人或老师等权威人士面前犯错，而人工智能技术可为学生提供在相对无判断的环境中进行试验和学习的方法，人工智能“导师”还可提供改进的解决方案。人工智能技术将促进教育决策的科学化和资源配置的精准化，加快形成现代化的教育公共服务体系。目前在学校的实际运用中，人工智能技术所收集的数据可为现代教育治理提供决策辅助。人工智能助手可扮演老师、辅导员、同学等虚拟人物，它们可从不同的视角，提出问题，并提供指导。
人工智能技术不仅能让学生定制课程与学习进度，还能及时为学生提供反馈;当发现学生向系统提交错误的家庭作业答案时，系统会向教师发出警报，并为学生提供正确答案的提示。这种类型的系统有助于填补课程中可能出现的空白，并有助于确保所有学生都能掌握知识，让学生立即得到反馈，帮助他们理解概念的内涵和外延。现在一些基于人工智能技术的辅导课程已经存在，这可帮助学生完成基础数学、写作和其他科目的基础知识。利用智能化的教学系统，人工智能技术也可持续的为学生提供支持和辅导，帮助他们克服困难，更快的完成学习计划及目标。
人工智能技术可改变学习方式使用人工智能系统，学生可随时在世界任何地方学习，学生根据自己的需要安排学习时间。通过人工智能技术，学校可创建全球化的教室，学生所处的位置将不再重要。学生如果由于某种原因无法参加课程，则通过访问链接，点击该链接，加入现场教室。人工智能技术还可将全世界的学习者联系在一起，超越教室的墙壁，与其他学生、教师、作家、科学家等互动，以加强他们的学习效果。人工智能技术可促进合作学习，通过比较学生的学习者模型，而后建议处于相似认知水平或具有互补技能的参与者互相帮助，并通过分组来支持协作学习。教育最大的挑战之一是每个人的学习方式不同，人工智能系统可为每个学习者提供个性化的学习方式，使每个学生能够以最适合自己的方式学习。
英国数学家和教育理论家阿弗烈·怀特海先生在《教育的目的》一书中指出：“学生是有血有肉的人，教育的目的是为了激发和引导他们的自我发展之路。”对学生而言，人工智能技术可为学生提供一对一的辅导，真正实现了因材施教;也可打破时空的壁垒，加强学习者的交流与互动。对教师而言，“师生的交往活动是教学过程中的本质属性。”人工智能技术可减轻其重复性工作，使其有更多的时间与学生交流，培养他们的各种技能，帮助他们日后更好地融入社会。基于对学生的洞察力，人工智能技术会自动创建一条个性化的学习路径，以确保学生能够以尽可能好的方式学习并取得成功。
仅从以上三个方面可见，人工智能技术给教育带来较为显著的正面影响。然而，该技术在给教育带来有利因素的同时，也会存在相应的挑战。在人工智能技术渗透进入传统教育领域带来优势的同时，也会引发一些问题;例如人工智能技术的出现可能会导致学生被动接受已经安排好的知识，而丢失主动分析、思考的能力;也有人担心人工智能技术为教师做了太多，教师的教学水平可能会因为人工智能技术的出现而有所下降。因此，要充分认识人工智能技术的优势和它可能存在的问题，做到趋利避害，真正使人工智能技术发挥育人的作用。正如中国教育家周仪荣先生所言：科技是一把双刃剑，在它给人们带来美好的同时也带来一些麻烦;因此要合理利用科技，发挥它有利的一面，限制它不利的一面，是提高教学质量的有效途径之一。
人工智能在教育领域的应用及产业展望
“不许补课,不许考试,不许公布分数,不许按成绩分班!”——南京、无锡的突击式“素质教育”减负,让学霸和学渣的矛盾再一次摆上台面。在提倡“以学生为中心”的教育模式下,AI能否发力教育领域,产新君带你一探究竟。
什么是人工智能+教育?
人工智能+教育指依托大数据工具,通过人工智能技术精准计算学生的知识水平、学科倾向、思维类型、情感偏好、能力潜质等,并结合习得规律和教育规律,合理配置教学内容,科学实施因材施教,促进学生个性化全面发展和核心素养全面提升。人工智能精准助力教育,能够促进行业由以老师为中心的教学模式向以学生为中心的学习模式转变,真正实现“千人千面”的个性化、定制化和幸福化教育。
图1.人工智能促进教学模式的转变
图片来源:华夏幸福产业研究院
人工智能+教育最大的优势在于助力行业降本增效,促进教育公平化,对学生、老师及机构三方均大有裨益:
对学生而言,可以拥有一套个性化学习方案,及时、精准了解薄弱知识点,有针对性的弥补加强,并获得系统提供的标准化服务,避免差别对待。
对老师而言,现阶段能够利用智能化工具,减少作业批改、错题统计等重复性劳动,减轻负担;随着技术产品的不断演进成熟,可助力教师从当前灌输模式向“帮助者、指引者”的角色转变。
对机构而言,能够利用整体数据,掌控全局,精准发力,推进教育资源均衡与教育公平;同时改善资源投入成本结构,提高边际效益,实现社会公平。
教育智能化的夙愿由来已久,但受制于技术、经济及管理等原因,不同地方、不同学校的发展水平不够均衡,应用渗透的总体规模不及预期。随着近年AI火热发展,AI+教育将尚未成熟的教育信息化推向更高的发展阶段。
图2.人工智能+教育发展历程
图片来源:华夏幸福产业研究院
完整的教育流程可分为教/学—练习—考/测—辅助管理四个环节。这些环节都存在人工智能技术应用的天地,如图3所示。其中,针对教/学环节的策略类产品自/智适应教育是整个教育流程中最核心、最复杂的一环,该类产品可直接面对广大学生,市场潜力巨大。而其他工具类产品因不需要对学习内容和规律进行深度挖掘,复杂度较低,技术难度相对较小,产品种类较多,商业化成熟度较高。
图3.人工智能技术赋能教育各环节
图片来源:华夏幸福产业研究院
从产业链角度看,人工智能+教育可分为上游的内容研发和数据采集,中游的产品推广,下游的用户。其中,上游产品开发环节由于需综合新兴的人工智能技术以及教育学、心理学、行为学等多个学科,因此难度高、耗时长,吸金能力也强,前期投入巨大。整体而言,产业链头重脚轻,分工有待细化。
图4.人工智能+教育产业链
图片来源:华夏幸福产业研究院
典型应用场景
经过近几年的跨越式发展,人工智能技术在教育行业的很多领域都有了示范应用,取得了良好的效果,引起了社会的广泛关注,其中四个典型的应用场景包括个性化学习、学情管理、快乐作业和早教。
图5.人工智能+教育四大场景
图片来源:华夏幸福产业研究院
场景一:个性化学习
个性化学习主要用于自学场景,指系统通过知识图谱和自适应推荐引擎,在大数据的基础上构建学习模型并输出学习建议,使每个使用者拥有自己独特的学习路径,支持按图索骥式学习,提高学习效率。个性化学习能够助力教育由“千篇一律”到“千人千面”的转变,真正实现“因材施教”。
图6. 个性化学习原理及流程
资料来源:艾瑞咨询
个性化学习可覆盖各个学习阶段,包括早幼教、小学、初中、高中、大学、成人教育领域等,并应用于多个学科,如K12教育、语言学习、分级阅读及职业培训等。入局企业中的佼佼者包括流利说、乂学教育、科大讯飞、考拉阅读等。
场景二:学情管理
学情管理主要用于上课场景,指在课堂上通过摄像头等传感设备获得学生状态数据,并结合人工智能的人脸检测、情绪识别、语义理解、姿态识别等技术进行分析,及时反馈学生的学习状态,如精力是否集中、是否疲困、是否走神等,使老师能了解到每一位学生的课堂参与度,并及时调整授课方式。从学生和家长的接受程度来看,此场景的合理使用尚存在不少争议。
图7.学情管理场景工作模式
图片来源:华夏幸福产业研究院
比较典型的案例是好未来集团的魔镜系统,该系统可以根据教室上课的音视频消息,通过人工智能技术建立标准化、公平化的多维度课堂质量评价体系,课程结束后会生成教师课堂质量分析报告,帮助老师复盘课堂,提升教学质量。
场景三:快乐作业
快乐作业主要针对做作业场景,在该场景中学生可通过拍照搜题类产品将遇到的问题拍照并上传至云端寻找解答方案,该产品还可智能推荐相关习题,帮助学生举一反三,并提供付费教师答疑服务(如提供一对一或小班教学服务),以及其他服务如社群讨论等。该场景下的相关产品不仅能识别机打题目,对于手写题目的识别正确率也越来越准,并对其他可转化的知识付费模式进行了充分挖掘,产品发展相对成熟。
图8.快乐作业场景下的业务模式
资料来源:阿凡题,华夏幸福产业研究院整理
此场景中玩家众多,包括作业帮、学霸君、学吧、阿凡题、小猿搜题等,主要是针对小学、初中和高中的学生,产品内容大同小异,同质化严重,竞争激烈。未来该类产品需要配合个性化学习方案及付费教师讲解等领域,打造多元化产品矩阵,设计更高更宽的产品壁垒。
场景四:早教天地
目前的早教主要是通过教育机器人实现的。教育机器人目前在幼儿园和家庭中使用较多,主要实现陪伴娱乐、辅助学习、生活助手等儿童教育和生活看护陪伴功能。
图9.教育机器人主要应用技术及陪护方式
资料来源:寒武纪小武机器人、火火兔,华夏幸福产业研究院整理
目前专门研发教育机器人的公司也不少,大多数是为各个行业提供机器人解决方案。主要公司包括科大讯飞、寒武纪、康力优蓝、优必选、小米等。
问题与挑战
虽然目前人工智能赋能教育产业取得了长足进步,受到更多资本青睐,有更多企业涌入这个赛道,但人工智能+教育在深度融合过程中仍面临诸多挑战:
业务复杂度高。与金融、医疗等领域不同,教育过程本身是十分复杂的,需要深入结合行为学、心理学等多个复杂学科,而每个学生的学习速度、理解能力等都不同,人工智能需要解决“千人千面”的问题,在教育领域面临很大的挑战。目前产品同质化严重,核心要素和解决方案雷同,没有独树一帜的新颖性。
应用模式和市场认知不足。现阶段中国教育仍以传统的线下教学模式为主,由于学生自控力有限,部分老师、家长认为相关产品(如拍照搜题等)会干扰现有的培养模式,或者不利于学生个性化培养,造成滥用。
数据积累稀缺。虽然教育行业已经积累了一定的用户数据,测试和练习的单点学生行为数据丰富,但是有效的结构化、连续性数据稀缺。只有拿到了课前预习、课中互动、课后练习测验等教与学环节的数据,才能提供精准服务。
技术人才短缺。教育自动化需要深入理解知识点之间的内在关系和逻辑,并转变为行之有效的学习产品。然而目前兼具人工智能技术和教育行业知识的人才屈指可数。
发展建议
面对人工智能与教育产业深度融合的种种问题,产新君建议:
打造教育大数据开放平台。目前教育行业有效的数据奇缺,各平台间无法实现信息共享。建议国家教育行政主管部门统一规划协调,统筹整合资源,以教育大数据的挖掘结果为依据,使智慧教育的发展方向兼具先进性和科学性。应坚持让教育数据“流”动起来,通过实时开放共享的数据平台促进全行业开展研究,促进AI+教育早日结出硕果。
促进教师的赋能。现阶段的人工智能+教育产品更多地是一种辅助、替代部分教育工作的手段和工具,还不足以改变整个系统。当前,对学生心理、学习习惯、教学方式等理解最为深刻的还是教师群体,因此需要加强教师在人工智能+教育产业中的能动作用,促进该群体的积极配合,做出更合理更有效的产品。
创新机制体制促进行业快速发展。人工智能与教育融合存在的问题主要是数据、技术、人才等,这些都要通过科研、金融、教育、财税、监管体制机制等创新来解决。由于涉及学生、教师、家长、学校、企业等庞大群体,既要确保信息安全,更要积极推进技术应用,切莫“因噎废食”。
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