Мировые системы образования быстро развиваются, в том числе российская. В школах создается цифровая образовательная среда с широкополосным интернетом, современным оборудованием и сервисами для интерактивного обучения. Но концепция применения искусственного интеллекта в образовании — это не просто технологии. ИИ должен стать помощником педагога-человека, освободив его от рутинной работы, создав пространство для творчества и общения с учениками. Тем не менее, технологии ИИ радикально изменят систему образования, что принесет пользу малоимущим семьям, детям, нуждающимся в особом подходе, и дискриминируемым группам, например девочкам в математике и компьютерных науках. Об этом — третья статья Naked Science в цикле об искусственном интеллекте.
В апреле тысяча девятьсот восемьдесят пятого года в известном издании о компьютерах… ByteВ журнале вышла статья двух профессоров Университета Карнеги—Меллона — психологов и специалистов по компьютерным наукам. Называлась она «Учитель Лиспа». В введении авторы сформулировали ключевой тезис, определивший развитие технологий в образовании на 40 лет вперед.
Обserve students learning [programming] skills, we concluded that individual instruction is far more effective than traditional classroom lectures. In a traditional setting, students listen to lectures, work through textbooks, and independently complete assignments. Individual instruction pairs students with experienced mentors who guide them through textbooks and problem-solving. A comparative analysis of LISP language learning revealed that students working with mentors mastered the same amount of material in 11 hours, which typically takes 43 hours in a traditional setting. In both cases, most time was spent not on studying materials but on directly writing LISP programs.
Где найти столько профессиональных репетиторов и где взять средства на их почасовую оплату? Задача показалась невыполнимой. Однако выход был найден — ученые разработали один из первых интерактивных компьютерных тренажеров, объединенных с экспертной системой по языку Лисп — собственно «Учитель Лиспа», написанный, как ирония судьбы, на его диалекте. Franz LISP один из трёх общепризнанных тогда языков для разработки систем искусственного интеллекта, помимо PROLOG и РЕФАЛ).
В те времена исследователи выявили главный конфликт между массовым стандартизированным образованием и адаптивным, индивидуальным для каждого ученика подходом. Первый охватывает большое количество учащихся, но оказывается малоэффективным, а второй весьма эффективен, но требует значительно больше ресурсов в виде высококвалифицированных учителей. В то же время было предложено решение проблемы нехватки педагогов для реализации последнего подхода — заменить их на отдельных классах учебными задачами «кремниевыми учителями», то есть компьютерными программами-ассистентами и диалоговыми системами с элементами искусственного интеллекта.
Человеческое, слишком человеческое
Гуманистическая педагогика основывается на постулате, что учитель в большей степени личный пример, ролевая модель и лидер для учеников, нежели транслятор знаний. soft skillsи когнитивным навыкам, или попросту — умению обучаться.
В школе и университете многие сталкивались с подобным. Таких преподавателей можно пересчитать по пальцам. Искусственный интеллект может им помочь, выполняя рутинные задачи. Это освободит время для того, что может дать только живой учитель. Будущее образования (как и медицины, искусства, производства) — в … кентавр-системахПедагог сотрудничает с несколькими технологиями искусственного интеллекта, а время учеников распределяется между работой с учителем и компьютером поровну.
Например, учёные из НИУ ВШЭ, работающие над проектом «Искусственный интеллект в образовании», называют три самых перспективных направления применения технологий искусственного интеллекта в средних и высших учебных заведениях.
– Учебно-воспитательный процесс, ориентированный на конкретного учащегося и подстраивающийся под его нужды, как часть современных цифровых образовательных систем.
– Сбор, обработка данных оценки учащихся в сфере образования, а также автоматическая оценка и создание тестов.
– педагогический дизайн образовательных продуктов.
Кроме того, к ним можно добавить еще Аналитику предсказания успеваемости студентов и психодиагностику, основанную на их «цифровом следе», или автоматизированное применение обычных методов педагогической и психологической психометрии. — стандартизированных тестов достижения, опросов и личных интервью.
Зарубежные исследователи также отмечают схожие тенденции. Рассмотрим каждое из направлений и то, как с помощью ИИ педагоги, администрация школ и вузов могут решать ключевые проблемы в образовании.
Прогнозирование с помощью анализа и психологическое исследование в образовательном учреждении.
С психодиагностикой знакомятся многие: от опросов в глянцевых журналах до серьезных тестов при поступлении на работу или перед психотерапией. Предиктивная аналитика — менее известная технология, позволяющая предсказать поведение, выбор в разных ситуациях, например, успех или неудачу в учебе или профессии.
Предиктивная аналитика использует большой объем информации и машинное обучение для выявления связей. Не замечая этого, люди создают много данных о себе – от активности в соцсетях до истории покупок.
Большинство из нас создаёт массу данных о себе, проявляя активность во множестве онлайн-сервисов.
Предсказательный анализ, применяемый в сфере образования, формируется на основе этих данных.
Если данных недостаточно, можно использовать дополнительные источники, например, интеллектуальную видеоаналитику — анализ записей с камер наблюдения для оценки эмоциональных реакций или предпочитаемого маршрута посещения торгового центра.
Одна из сложных задач — относительно точное предсказание успеваемости в школе. Эту проблему решил заведующий лабораторией вычислительных социальных наук Института образования НИУ ВШЭ Иван Смирнов. обучил модельИскусственный интеллект обучали на выборке из 130 575 постов с открытых аккаунтов 2468 школьников в социальной сети «ВКонтакте». Все ученики одновременно вели мониторинг. PISA (Programme for International Student AssessmentИ сдавались нормативированные экзамены по успеваемости.
Алгоритм с точностью почти 94 процента определил, кому принадлежит тот или иной пост: двоечнику или отличнику, исходя из частоты слов в общей выборке школьников, размера словаря, принадлежности слов или символов к определенным смысловым группам.
Эмодзи и слова из прописных букв были отрицательно связаны со школьными оценками. Использование латиницы и английских слов, а также лексем, связанных с чтением и мышлением (книга, том, опубликовано, размышлял, запомнил, думал и т. д.), оказались сильно положительно связаны с успехами в учебе.
Исследователь сделал доступными дата-сеты и модель для общественности. IQ.HSE сделали интерактивную онлайн-игруТест, в котором каждый сможет оценить свои знания по сравнению со школьниками среднего звена.
Предиктивная аналитика важна для отслеживания психологического и психофизиологического состояния учащихся. Алгоритмы и системы видеоаналитики с искусственным интеллектом могут обнаружить агрессию, оценить психическое состояние в классе и предупредить о потенциальных проблемах. Психолог сможет затем начать работу с учащимся, которому требуется помощь.
Искусственный интеллект может распознать агрессивное поведение, проанализировать психологическое состояние учащихся и заранее сообщить о тревоге.
Порой переходный возраст сопровождается депрессиями и личностными кризисами. И вновь «цифровой след» оказывается полезен: из комментариев в социальных сетях тоже можно определить… уровень агрессивности или предварительно диагностировать депрессиюВ Университете Джонса Хопкинса (Балтимор, США) создана модель машинного обучения, отличающаяся высокой точностью. выявить подростков с суицидальными мыслямиНа основании результатов опросных исследований, проведённых в учебных заведениях.
В России психологический и психофизиологический мониторинг используются также для образовательных задач. Например, компания «Росэлектроника» (часть холдинга «Ростех») создалаСистема искусственного интеллекта определяет влияние психофизиологического состояния на усвоение учебного материала. С ней учитель оперативно выявляет пробелы у учеников и корректирует их обучение.
Другая интересная разработка — сервис Neuro Angel производства компании «Лаборатория знаний»Резидент «Сколково» разрабатывает систему, которая с помощью алгоритмов ИИ анализирует физиологические данные человека и прогнозирует его работоспособность. Система может применяться для оценки трудовых коллективов и команд, занятых интеллектуальной деятельностью, а также в школах и университетах.
Автоматизированная оценка и формирование тестов.
Рядом с психодиагностикой располагается автоматизация оценки уровня усвоенных учащимися знаний и понимания учебного материала — методы вычислительной психометрии. Этот подход разрешает сразу несколько старых проблем в образовании.
Во-первыхСубъективизм при проверке работ школьников и студентов педагогами может приводить к оценкам, не отражающим реальный уровень учащихся. Использование ИИ для оценки заданий открытого типа и алгоритмов обработки естественного языка для проверки диктантов, изложений и эссе позволяет исключить из процесса проверки человека. Благодаря этому система становится более прозрачной, справедливой и обеспечивает равные возможности всем.
Автоматизация оценок освобождает учителей и преподавателей от проверки работ, давая им возможность проводить больше времени на личные консультации со студентами. Встроенный модуль аналитики в любой системе оценивания заданий позволяет педагогу выявить темы или задания, которые вызвали трудности у учеников. Это дает возможность вернуться к сложным моментам и подробно их разобрать с классом или индивидуально.
Во-вторыхСуществует проблема списывания: в интернете много сайтов-решебников с разборами заданий из учебников и ответами на вопросы. Во время дистанционных занятий ими удобно пользоваться. Поэтому педагогу приходится постоянно создавать новый образовательный контент, в первую очередь задачи и тестовые вопросы, а также проверять не столько правильность ответов, сколько логику учащихся.
Современный искусственный интеллект позволяет автоматически создавать новые задания, которым никогда прежде не сталкивались люди, но которые обладают заранее определенными психометрическими характеристиками. Благодаря этому можно оценить конкретные знания, умения и навыки. Применение алгоритмов в этом случае экономит время педагога и методистов, повышает безопасность тестовых материалов: поскольку задания генерируются непосредственно перед использованием, они не могут быть скомпрометированы, даже самим преподавателем. Всё это увеличивает продуктивность системы образования и её справедливость, что повышает доверие к ней.
Ирина Абанкина из Института образования НИУ ВШЭ полагает, что лишь благодаря разработкам искусственного интеллекта возможно перейти к индивидуализации образовательных траекторий. Без этого происходит оценивание стандартных заданий по шаблону, и это не позволяет всерьез индивидуализировать учебный процесс.
По её словам, уже существует программа, которая помогает оценивать логику решения математических задач при наличии нескольких вариантов решений. «Если невозможно индивидуализировать задание, проверять его, давать рекомендации и комментарии, то все разговоры о переходе на индивидуальные образовательные треки окажутся только разговорами», — считает эксперт.
Персонализированное адаптивное обучение будущего
Мы снова приходим к началу нашего обсуждения. Несмотря на то что разговоры о индивидуальных путях обучения велись долгое время, практическая реализация этого подхода ограничена и большей частью сосредоточена на частных образовательных ресурсах, таких как британская … Century TechСистема оценивания, разработанная Прией Лакхани, предусматривает автоматическое выставление оценок с момента начала обучения. Ученики и преподаватели получают мгновенную обратную связь, а собранные данные о процессе обучения демонстрируют сильные и слабые стороны каждого учащегося.
В совершенной системе персонализированного обучения каждое задание всегда адаптируется к конкретному ученику. Известный визионер в области искусственного интеллекта Кай-Фу Ли пишет: «Алгоритм выберет методику обучения геометрии, которая не подходит тысяче учеников, но позволит быстрее обучить одного». Для школьника, который любит баскетбол, генеративная языковая модель может сформулировать математические задачи в терминах этого вида спорта.
Чтобы система работала эффективно, ей нужна постоянная обратная связь с помощью видеоаналитики: например, отслеживание расширения зрачков ученика во время интереса или восторга, а также их сужения и признаков дремоты при скуке. Эта информация должна поступать в систему в режиме реального времени и корректировать ее действия и предлагаемые задания. Пока технологии не достигли такого уровня.
В России для построения персонализированного адаптивного обучения применяют модель скаффолдинга. scaffoldingЭта технология позволяет переосмыслить понятие «зоны ближайшего развития» ребенка, которое изначально предложено Львом Выготским в педагогической психологии. В первоначальном понимании подразумевались интеллектуальные задачи, которые ребенок не может выполнить без поддержки, но способен овладеть при взаимодействии с родителем или другим взрослым.
Когда-то «скаффолдинг» обозначали задачи, которые ребёнок выполняет лишь при взаимодействии с взрослым. Сейчас это широкое понятие педагогических приемов, воплощаемых в интерактивных системах обучения.
Современный скаффолдинг подразумевает разработку множества педагогических вмешательств, реализуемых интерактивной обучающей системой. К ним относятся имитационное моделирование процесса решения учебных задач, где учащийся вместе с виртуальным учителем проходит образцы их решения, и указание виртуальным помощником на конкретные ошибки. Разработка таких систем ведется в нашей стране при поддержке государства.
К этой категории относится виртуальный репетитор английского языка, разработанный компанией-резидентом Фонда «Сколково». SkyengСервис оценивает навыки и знания ученика, выявляя уровень его подготовленности. Особенностью разработки является возможность «понимать» английскую речь ученика и анализировать ее: произношение, точность и прочее.
Ещё один пример — «01Математика», тоже созданный… резидентомФонд «Сколково» разработал систему для обучения школьников средних и старших классов, ориентированную на подготовку к ЕГЭ. В системе доступны традиционные онлайн-лекции, обучающие видео, 3D-модели, интерактивные графики, игры и алгоритмы искусственного интеллекта. Система предложит ученику пройти вводный тест для анализа его текущего владения математикой. После этого ИИ начнет предлагать задания, с фокусом на те темы, которые даются ученику сложнее всего. Процесс обучения напоминает продвинутую компьютерную игру: система регулирует сложность заданий в зависимости от прогресса учащегося.
Благодаря такому подходу «01Математика» становится очень адаптивным личным репетитором. За несколько месяцев она поможет любому школьнику довести решение задач до автоматизма, «набивая руку». Постоянно анализируя ошибки и подстраиваясь под уровень и привычки школьника. Недавно «01Математика» прошла верификацию контента, теперь любая школа страны может получить бесплатный доступ к системе (с середины ноября) через федеральную платформу EduCont.ru.
Педагогический дизайн образовательных продуктов
В образовании применяются как традиционные, но малоиспользуемые инструменты, например, обратная связь от студентов по отдельным частям курса или интервальное обучение. Бывает мнение, что глубокое знание предмета автоматически делает человека хорошим преподавателем. Но в большинстве случаев это ошибочное убеждение. Создание увлекательного и результативного контента требует научного подхода и проектирования учебного курса.
Кибернетика указывает на то, что любая система развивается и совершенствуется только при наличии обратной связи. Ее предоставляют учащиеся. Обобщение информации и продуктивные выводы помогает сделать машинное обучение. Для сбора обратной связи создаются информационные панели (виртуальные интерфейсы с счетчиками, метриками, графиками и таблицами), а также запускаются текстовые или голосовые боты.
ИИ может непрерывно контролировать интервал обучения: отслеживать, что и когда изучили учащиеся, сопоставлять с кривой забывания или требованиями к пропедевтике курса, и предлагать повторить материал. Эта информация доступна как педагогам для улучшения дизайна курсов, так и ученикам — для самоконтроля и подготовки.
В будущем в разработке учебных материалов появятся виртуальные помощники и системы, умеющие вести диалоги на естественном языке по изучаемой теме. Это сочетание нескольких технологий ИИ, таких как создание фотореалистичных аватаров с использованием, например, методов… deepfake — Визуальное отображение облика, речи, жестов и движений настоящего педагога на виртуального ассистента и применение продвинутых текстовых моделей для ведения беседы как в письменном, так и в устном формате.
Самым интересным и эффективным является создание сложных интерактивных образовательных и исследовательских сред, применяя… AR- и VR-технологий Данный метод предполагает сознательное формирование образовательного опыта с помощью дополненной и виртуальной реальности.
Школьники активни создают собственные знания, изучая элементы учебной обстановки и управляя ими.
Важно также мотивационное воздействие. Даже сейчас использование внутри учебных приложений и платформ виртуальных, но активных и интересных «одноклассников»-ботов повышает вовлеченность учеников и побуждает их усерднее заниматься. Пока эта технология реализуется на простейшем уровне — через записанные видео, но в будущем подобные персонажи будут легко создаваться с помощью ИИ, а возможности голосовых моделей и визуализации развиваются ежедневно.