教育中人工智能(AIED)文献的系统回顾:为未来研究指明方向

文摘   2025-01-18 00:07   马来西亚  
尽管人工智能在教育(AIED)领域的应用日益增多,但与之相关的担忧也不少。这促使研究人员开展(系统性的)综述,旨在综合AIED 研究的结果,为未来研究指明方向。然而,这些 AIED 综述在关注点、相关者、教育水平和地区等方面存在多样性。这使得理解 AIED 的整体格局变得具有挑战性。


2024 年 12 月 9 号发表于影响因子 6.7 分SSCI 期刊 Smart Learning Environment 的论文《教育中人工智能文献的系统回顾:未来研究议程的路线图》,对现有 AIED 研究进行回顾,研究遵循PRISMA指南,通过Web of Science、Scopus等数据库检索相关文献综述,并根据纳入和排除标准筛选出143篇符合条件的研究进行系统回顾。研究基于技术增强学习模型构建编码方案,以回答研究问题,并通过定期会议解决编码过程中的分歧。
抛开纯粹研究方法探索类问题不谈,本研究主要关注以下问题:
  • 当前 AIED 文献综述的趋势有哪些特点?
  • AIED 研究涵盖了哪些主题领域?
  • AIED 研究中的教育目标是什么?
  • 现有文献综述中突出了 AIED 的优势和挑战有哪些?
文章清晰地回答了上述问题,并为未来AIED(人工智能在教育中)的研究议程提供了全面而深入的路线图
一、当前 AIED 文献综述的趋势有哪些特点?
首先,总结一下当前的趋势:
  • 出版年份:自2018年起稳步增长,2024年达到高峰。
  • 地理分布:中国、美国和西班牙是主要的贡献者。
  • 出版物来源:《Computers and Education》和《IEEE Access》等期刊是主要的出版平台
时间趋势:AIED文献综述自2012年第一篇综述发表以来,数量逐渐增加。2018年开始显著增长,这与AI技术的显著进步及其在教育系统中的重要性提升有关。2020年全球疫情爆发后,AI在支持在线学习和评估中的应用大幅增加。到了2024年,随着AI系统能力的成熟,AIED的研究和应用达到了新的高度,相关研究数量也大幅上升

地理分布中国在AIED研究方面处于领先地位,共开展了28项研究,涵盖了从幼儿教育到高等教育的各个阶段。美国和西班牙也积极开展相关研究,但侧重点各有不同。然而,一些地区如非洲和阿拉伯地区的研究相对较少,显示出不同地区在AI教育应用上的差异和技术准备程度的不同。
出版场所:相关研究发表在56个同行评审期刊上,其中《Computers and Education》以23篇文章位居榜首,主要关注K-12教育中的AI实践。《IEEE Access》也发表了10篇文章,侧重于高等教育中AI的专门应用。这表明AIED研究涉及多学科领域,需要不同领域的专业知识。
二、AIED研究涵盖了哪些主题领域?
查看主题领域,大多数综述(56%)没有具体说明特定的学科领域,而是广泛地探讨了AI如何革新教育。然而,具体领域包括:
  • 科学科目:16%,涉及自然学科、数学和统计学。
  • 健康与福利教育:12%,涵盖医学教育、健康信息学等。
  • 艺术与人文学科:7%,例如音乐教育和语言学习。
  • 其他:社会科学、商业和法律等领域的研究较少。
    主题领域:56%的综述研究未具体指定学科,而是将教育作为一个整体背景来探讨AI如何革新教育或研究师生对AI在教育中应用的看法。16%的研究集中在科学科目上,如自然科学、数学和统计学,因为这些领域的问题解决步骤明确,适合应用AI工具。12%的研究关注健康和福利教育,AI在医学教育、健康信息学等领域有广泛应用。7%的研究聚焦于艺术和人文学科的AI应用,如音乐教育中的自动反馈系统。此外,语言教育、社会科学、商业管理等领域也有一定的研究,但相对较少。


    技术选择:机器学习是AIED中使用最广泛的技术,占比23.8%,深度学习也有一定应用。此外,大型语言模型(LLMs)和生成式AI的使用也在迅速增加,占比19.5%。智能辅导系统(ITS)也较为常见,占比12.85%。聊天机器人、增强/虚拟现实(AR/VR)、自适应系统、推荐系统等技术也在AIED中有所应用。

    这表明,在AIED研究中在科学和健康领域较为集中,而艺术、人文和社会科学等领域的研究则相对较少;同时,在人工智能教育研究中,由于机器学习作为底层原理的地位,在更多论文中被提及,而大语言模型、智能教学系统(ITS)和聊天机器人紧随其后
    三、AIED研究中的教育目标是什么?
    综述确定了几个关键的教育目标:

    • 教学和学习支持:这是AIED的主要目标,占比56.5%。AI可用于提供教学法或教学支持,如自动化手动任务、通过聊天机器人和AI导师回答常见问题、支持学生自主学习等,以提高学习效率和效果
    • 教学和学习评估:占比14.3%,包括对学生进行形成性或总结性评估。AI能够提供个性化反馈和建议,丰富和转变教育环境中的评估和支持系统。
    • 自适应教学和学习:占比12.5%,旨在根据学生个体差异实现共同的教学目标。AI可以通过个性化学习平台,根据学生的学习策略、任务能力、反馈时间和偏好等进行适应性调整,提供及时和针对性的干预。
    • 学生预测、教师和学生建模/画像、监测学生:这些目标的研究相对较少,但也是AIED的重要组成部分,如通过分析数据预测学生的学习成果、为教师和学生创建画像以提供个性化支持、实时监测学生的行为和学术表现等。
    这表明当前AIED研究主要集中在如何通过各种支持和评估手段提升教学与学习的质量
    四、现有文献综述中突出了AIED的优势和挑战有哪些?
    该研究突显了在教育中应用人工智能的几大优势:

    提供个性化学习:AI能够根据学生的需求提供定制化的内容、节奏和方法,通过自适应系统和学习分析为学生建模,提供合适的 学习路径,给予实时个性化支持。
    提高教学和学习质量:AI有助于提升教师和学生的技能、知识、批判性思维和创造力,同时考虑学生的独特特质、需求、目标和现有技能,提供适应性和个性化的学习体验,从而改善整体学习体验和质量。
    改善评估和支持系统:AI可以为用户提供个性化反馈和建议,丰富和转变教育环境中的评估和支持系统,提供定制化活动和材料,自动化日常任务。
    提升学习表现:AI作为教育工具,能增进学生对学习过程和学科的理解,提高学习成果和表现,增强认知参与度和动机,改善教育利益相关者之间的互动,提升批判性思维和创造力。
    同时 AIED 的应用也面临以下挑战 :


    伦理和安全问题:数据隐私是主要关注点,需确保教育利益相关者的个人信息安全。此外,还需保障包容性和平等性,以及AI系统的高质量和可靠性,避免算法偏见对结果产生不良影响。
    AI技术限制:AI缺乏人性和个性化,无法完全替代教师的角色。其在教育中的应用存在局限性,如无法总是做出正确的预测、决策或行动,需要教师的干预和监督。
    设计和应用难题:AI系统的开发和应用面临困难,缺乏关于开发适应性和个性化教育AI干预措施的适当方法和策略的研究,限制了AI在教育中的广泛应用
    教师和学生面临的挑战:教师缺乏AI培训,难以设计、使用和整合AI到课堂中,还需改变教学方法。学生则面临AI数字素养不足的问题,除了跟上学业要求,还需熟悉不同的AI工具。
    综上所述,尽管AIED带来了显著的优势,如个性化学习和提升教学质量,但也存在数据隐私、包容性、技术限制和教师培训等挑战。
    五、未来研究的路线
    本文为未来AIED(人工智能在教育中)的研究议程提供了全面而深入的路线图,以下是具体介绍:

    (一)关注AIED的长期影响与效果评估

    • 长期学习成果研究:目前大多数研究集中在短期效果上,如在特定领域(语言和学术写作)的短期知识提升。未来研究应关注AI对广泛技能和能力(如批判性思维、创造力、问题解决等)的长期影响,以确定AI是否能真正促进学生的深度学习和全面发展
    • 避免短期效果误导:研究者和实践者需谨慎对待短期收益,不将其与真正的长期收益混淆。应开展更多严谨的研究,以确保不夸大或误解AI在教育中的实际效果,避免因过度炒作而对AI的潜力产生误解

    (二)拓展AIED的应用领域与教育层次

    • 加强基础教育阶段研究:目前AIED研究多聚焦于高等教育,而对童年、小学和中学教育以及教师培训、特殊教育等领域的关注不足。未来应加大对这些领域的研究投入,探讨AI如何影响儿童的认知发展、学习行为和技能,以及如何为教师提供有效的AI培训,以促进教育的公平性和包容性。
    • 特殊教育与个性化学习:特殊教育学生的需求多样且复杂,未来研究需深入探索如何利用AI为这些学生提供更具个性化的支持,考虑不同残疾类型的特点和标准,借助通用学习设计(UDL)等理念提高AI教育系统的可访问性,以满足特殊教育学生的独特需求

    (三)提升AIED的技术与应用水平

    • 解决技术挑战:针对AI技术在教育应用中面临的成本、使用限制、缺乏人性、个性化不足等问题,开展深入研究。例如,探索如何降低成本以提高AI在教育中的普及率,如何克服技术限制以充分发挥AI的潜力,以及如何增强AI的人性化和个性化,使其更好地适应教育场景和学生需求
    • 优化AI系统设计:研究如何改进AI系统的开发和应用,提高系统的易用性和有效性。包括开发更合适的AI应用方法和策略,解决系统开发和应用中的困难,如克服“黑箱”问题,使教育工作者能够更好地理解和利用AI系统,从而提高其在教育中的应用效果

    (四)加强AIED的伦理与安全考量

    • 数据隐私与伦理政策:随着AI在教育中的广泛应用,数据隐私问题日益突出。未来研究需进一步探讨如何保护教育利益相关者的个人信息,制定相应的伦理政策、标准和指南,确保AI系统的开发和使用符合伦理要求,保障教育的公平性和安全性。
    • 算法偏见与文化多样性:AI模型的训练数据往往存在偏差,导致模型输出也带有偏见。未来应加大研究力度,评估AI推荐、建议和输出中的偏见,并探索缓解这些偏见的方法,特别是针对非代表性训练数据引起的偏见。同时,创建考虑不同文化、社会经济和人口背景的个性化AI推荐框架,以促进AI的公平性和包容性。

    (五)促进AIED的教育融合与协同发展

    • AI素养培养:当前关于AI素养的讨论较少,尤其是批判性AI素养。未来研究应优先考虑如何在教育课程和专业培训项目中整合批判性AI素养,使所有利益相关者和广大社会能够深入理解、评估和质疑AI系统和工具,特别是其安全性、偏见和决策过程。通过这种方式,促进开发优先考虑教育公平、公正和包容性的AI解决方案。
    • 人机协作与互动:随着学生与AI的互动日益频繁,研究人机协作和互动的动态变得至关重要。未来研究需探索教育环境中人机协作的模式、演变及其对学生社会认知发展的影响,包括学生管理与AI协作的调节机制,以及对认知、情感和社会技能的长期影响。此外,还应研究如何优化人机团队合作,确保最大化AI整合的好处,同时有效缓解潜在的冲突和负面影响。
    • 学习设计与教育技术变革:AI的发展可能对学习设计和教育技术产生深远影响,许多现有工具将融入AI元素,一些工具可能变得过时,而另一些则会发生巨大变化。因此,未来研究应关注AI对学习设计的影响,采用合适的 设计考虑和方法,并制定相应的政策,以确保教育技术的发展能够满足教育需求并促进教育创新

    本文是我读过的最好的 AI 教育类综述研究,而且具有极强的时效性和实证性,望各位教育者认真学习,找到自己研究和实践的方向,余不一一。


    原文参考:Mustafa, M.Y., Tlili, A., Lampropoulos, G. et al. A systematic review of literature reviews on artificial intelligence in education (AIED): a roadmap to a future research agenda. Smart Learn. Environ. 11, 59 (2024). https://doi.org/10.1186/s40561-024-00350-5

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