《教育部關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》明確指出：“2023年前要將實驗操作納入初中學(xué)業(yè)水平考試，考試成績納入高中階段學(xué)校招生錄取依據(jù);在普通高中學(xué)業(yè)水平考試中，有條件的地區(qū)可將理化生實驗操作納入省級統(tǒng)一考試”。在教育部這一文件出臺之前，多個省市已經(jīng)發(fā)文在轄區(qū)內(nèi)開展中考實驗操作考評。

　　傳統(tǒng)實驗考評方式存在著集中調(diào)配大量專業(yè)教師難度大、教師主觀評分個人差異大、學(xué)生操作過程難以復(fù)制、靠后數(shù)據(jù)整理工作量大等問題�；�于此，人工智能(AI)在中考實驗考評中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。近日，采訪了西南交通大學(xué)黃進教授，請他談一談AI在中考實驗考評及整個基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

黃進教授

　　黃進教授現(xiàn)任西南交通大學(xué)中國土地信息大數(shù)據(jù)研究院院長、西南交通大學(xué)&華為技術(shù)有限公司機器視覺聯(lián)合實驗室主任，主要研究方向為圖像處理和機器視覺、大數(shù)據(jù)挖掘和人工智能。編著《數(shù)字圖像處理原理與實現(xiàn)》教材1部，在國內(nèi)外期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，主持或參與省部級各類縱向項目10余項，主持橫向項目20余項，有發(fā)明專利及發(fā)明專利申請10余項，實現(xiàn)10余項科研成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，成果轉(zhuǎn)化經(jīng)費達1000余萬元，曾榮獲國家級教學(xué)成果獎二等獎、四川省教學(xué)成果獎一等獎、中國電子教育學(xué)會“十二•五”高等教育科學(xué)研究一等獎，獲得成都市科技局科技人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目資助等。

　　采訪者(以下簡稱“問”)：請介紹一下您的研究背景和科研經(jīng)歷。我們知道AI在各個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是什么機遇使您把AI在實驗考評中的應(yīng)用作為研究方向之一的?

　　黃進(以下簡稱“答”)：我于1996年進入大學(xué)本科學(xué)習(xí)，專業(yè)是計算機及應(yīng)用。2000年繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位，專業(yè)是計算機應(yīng)用技術(shù)，研究方向是數(shù)據(jù)挖掘，就是近幾年興起的大數(shù)據(jù)技術(shù)。2003年碩士畢業(yè)后留校任教，接著繼續(xù)攻讀博士學(xué)位，研究方向是圖像處理及計算機視覺，就是近幾年國家大力發(fā)展的AI技術(shù)。就這樣，我在不知不覺間投身到了大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)研究領(lǐng)域。

　　自黨的十八大提出實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略以來，國家高度重視科技成果的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化，我校也適時推出了職務(wù)科技成果轉(zhuǎn)化實施細則，鼓勵高校教師投身到技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化的浪潮中。在此背景下，我的工作重點也從傳統(tǒng)的純科學(xué)研究轉(zhuǎn)移到推動政府、行業(yè)、企業(yè)實際痛點難點問題解決的技術(shù)創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面，我們團隊先后把科研成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用到智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧國土、智慧文旅等領(lǐng)域，得到了政府、企業(yè)的認可，取得了一些小小的成績。

　　我進入智慧教育領(lǐng)域，把AI技術(shù)應(yīng)用于中考理化生實驗操作考評，可以說是偶然中的必然。高校本身就屬于教育系統(tǒng)，在早幾年的科學(xué)研究工作中，我們團隊已經(jīng)開展了基于機器視覺的體育考試評分技術(shù)、職業(yè)技能考試評分技術(shù)、課堂交互行為識別等研究工作，打下了堅實的理論研究基礎(chǔ)。后來，我在與廣東天智實業(yè)有限公司李美英董事長就智慧教育的產(chǎn)教融合進行交流時，對AI技術(shù)應(yīng)用于中考理化生實驗操作考評的重要意義和應(yīng)用前景產(chǎn)生了高度共鳴。

　　問：請介紹一下您的研究團隊的基本情況。

　　答：按照國家和學(xué)校職務(wù)科技成果轉(zhuǎn)化相關(guān)制度的規(guī)定，我們建立了產(chǎn)教融合的創(chuàng)新應(yīng)用研究團隊，把科學(xué)研究和工程應(yīng)用深度融合、有機協(xié)同、高效推進。

　　在科學(xué)研究方面，我們依托西南交通大學(xué)&華為技術(shù)有限公司機器視覺聯(lián)合實驗室、西南交通大學(xué)中國土地信息大數(shù)據(jù)研究院平臺，組建了由5位教授、20余位碩士博士研究生、50余位本科生構(gòu)成的科研攻關(guān)團隊，開展針對中考理化生實驗操作考評前沿算法和模型的科學(xué)研究。在不到1年的時間內(nèi)，學(xué)生們基于研究內(nèi)容參加了“互聯(lián)網(wǎng)+”、ACM程序設(shè)計大賽、SRTP、畢業(yè)設(shè)計等學(xué)科競賽和科創(chuàng)活動30余項(次)，申請發(fā)明專利5項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文近10篇，參與項目的本科學(xué)生月科研補貼至少500起，表現(xiàn)優(yōu)秀的研究生月科研補貼可達1萬元，在開展科學(xué)研究的同時，極大地促進了高校人才培養(yǎng)工作的開展。

　　在工程應(yīng)用方面，我們依托成都西交智匯大數(shù)據(jù)科技有限公司和廣東天智實業(yè)有限公司，組建了由50余位算法工程師、研發(fā)工程師、產(chǎn)品設(shè)計工程師、項目實施工程師等構(gòu)成的技術(shù)攻關(guān)團隊，開展中考理化生實驗操作考評系統(tǒng)業(yè)務(wù)梳理、產(chǎn)品研發(fā)、工程部署、售前售后支持等技術(shù)研發(fā)和工程實施工作。此外，基于華為公司自主可控的海思芯片SDC攝像機，打造基于機器視覺的智慧教育解決方案，得到了華為公司的高度認可，在2021年5月舉行的“華為中國生態(tài)大會2021”上，壓軸獲頒唯一一個“華為機器視覺開發(fā)者伙伴杰出貢獻獎”。同時，團隊還與百度公司密切合作，尋求更多自主可控技術(shù)的國產(chǎn)化應(yīng)用。

　　問：提起AI這個詞，很多人都熟悉，但對它的準確含義可能就不是很清楚了。您能簡單解釋一下AI的準確含義嗎?目前AI技術(shù)發(fā)展到了什么水平?

　　答：這個問題可以說很簡單，也可以說很復(fù)雜。AI即人工智能，不同學(xué)者有不同的定義，其基本內(nèi)涵簡單來說就是研究具有人類智能的人工系統(tǒng)的學(xué)科。具體來說，AI就是用人工系統(tǒng)來模擬人類的行為過程和思維過程的學(xué)科。行為過程包括走、跑、跳等運動行為，視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺等感官行為，喜、怒、哀、樂等情緒行為，聚會、聯(lián)歡、結(jié)伴等社群行為，等等。思維過程包括學(xué)習(xí)、總結(jié)、思考、規(guī)劃、推理等。人類行為學(xué)和人類思維學(xué)本身就是兩門學(xué)科，內(nèi)涵非常豐富，這也體現(xiàn)出AI技術(shù)的實現(xiàn)難度。

　　1956年達特茅斯會議的召開標志著AI技術(shù)的誕生，隨后這一學(xué)科經(jīng)歷了幾次高低潮的起落。2006年深度學(xué)習(xí)的提出以及相關(guān)算力設(shè)施的高速發(fā)展，讓AI再次獲得突破性進展，得到社會、政府、行業(yè)、企業(yè)的高度認可和重視，被譽為第四次工業(yè)革命的技術(shù)皇冠。AI可以應(yīng)用于千行百業(yè)，目前我們身邊能夠親歷或耳聞的應(yīng)用包括車牌識別、人臉識別、違章抓拍、無人駕駛等，但這些都停留在低層次智能和零星點應(yīng)用上，行為邏輯、思維推理等高層次智能還沒有出現(xiàn)具有較大影響力的工程應(yīng)用案例。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來說，絕大部分行業(yè)和應(yīng)用場景還沒有實現(xiàn)人工智能，但政府、社會、產(chǎn)業(yè)、行業(yè)對AI的共同認知和發(fā)展意志又推動著千行百業(yè)開始或準備開始走上AI發(fā)展之路。當(dāng)前，AI應(yīng)用是一片廣闊的藍海市場，對產(chǎn)業(yè)升級和社會發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。

　　問：請您談?wù)凙I在實驗考評中的應(yīng)用現(xiàn)狀。您在研究中遇到的主要難點在哪里?

　　答：2019年發(fā)布的《教育部關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》明確規(guī)定：“2023年前要將實驗操作納入初中學(xué)業(yè)水平考試，考試成績納入高中階段學(xué)校招生錄取依據(jù)”。這為AI應(yīng)用于中考理化生實驗操作考試提供了政策支持。隨后，全國各省區(qū)市相繼出臺關(guān)于中考理化生實驗操作考試的指導(dǎo)意見，不約而同地提到采用創(chuàng)新技術(shù)手段保障實驗操作考試高效組織、客觀評價和公平公正的重要性。

　　傳統(tǒng)實驗操作考試存在調(diào)配大量考官難、主觀評分差異大、實驗過程復(fù)現(xiàn)難、考后數(shù)據(jù)整理難等問題，AI技術(shù)是解決問題的關(guān)鍵所在。當(dāng)前，AI在實驗操作考試中的應(yīng)用還處于起步階段，全國還沒有完全采用AI進行正式考試的案例，走在創(chuàng)新應(yīng)用前沿的上海、深圳等地仍以教師評分為主，AI評分僅作為輔助手段在小范圍開展試點。究其原因，在于AI評分存在很多難點：

　　(1)評分標準不一。相同實驗的評分標準，各地市存在差異，甚至較大的差異。截至目前，我看到過全國50多個地市的理化生實驗評分標準，幾乎沒有完全相同的，有些甚至差異很大。要么評分項數(shù)量不一樣，要么評分項考點不一樣，要么考點分值不一樣，等等。如何實現(xiàn)AI算法基于不同地市、不同評分標準的通用性和可擴展性是一個難點。

　　(2)實驗數(shù)量較多。據(jù)不完全統(tǒng)計，中學(xué)物理、化學(xué)、生物實驗總共有200多個，其中比較重要的有50個左右，例如測量小燈泡的電功率、高錳酸鉀固體制取氧氣、制作番茄果肉細胞臨時裝片等。如何實現(xiàn)AI算法針對不同實驗的普適性是一個難點。

　　(3)儀器類型多樣。據(jù)不完全統(tǒng)計，中學(xué)物理、化學(xué)、生物實驗涉及的儀器有1000余種，如電流表、電壓表、滑動變阻器、試管、燒杯、漏斗、顯微鏡、放大鏡、玻片等。如何實現(xiàn)AI算法針對不同儀器類型識別的準確性是一個難點。

　　(4)儀器型號繁多。對于每一種儀器類型，不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品外觀幾乎都不會相同;即便是同一生產(chǎn)廠家，不同型號儀器的外觀絕大部分也不會相同。例如物理實驗中常用的電流表，按測量電流量分有微安表、毫安表、安培表，按工作原理分有磁電式、電磁式、電子數(shù)字式，按工作方式分有豎式、平式等。為了實現(xiàn)對儀器的充分利用，AI算法需要針對海量的儀器型號實現(xiàn)儀器讀數(shù)的精準識別，這需要建立海量樣本庫，工作量巨大，而且很難保證樣本庫的完整性。

　　(5)實驗步驟嚴謹。中學(xué)物理、化學(xué)、生物實驗的實驗步驟要求嚴謹，步驟之間大部分具有時序性和強關(guān)聯(lián)性，操作不當(dāng)輕則導(dǎo)致實驗失敗，重則可能導(dǎo)致人身傷害。例如，高錳酸鉀固體制取氧氣實驗，導(dǎo)管移出水面操作和熄滅酒精燈操作的時序性就非常重要。如何實現(xiàn)AI算法針對不同實驗步驟及其步驟時序性組合識別的完備性和準確性是一個難點。

　　(6)操作細節(jié)精準。中學(xué)物理、化學(xué)、生物實驗的操作細節(jié)要求精準，有些細節(jié)的精度要求達到毫米級。例如，使用量筒進行液體讀數(shù)時，要求液體凹液面和量筒刻度線相切;使用漏斗進行液體引流時，要求玻璃棒靠觸三層濾紙引流。如何實現(xiàn)AI算法針對相切與否、濾紙厚薄等微觀操作識別的精準性是一個難點。

　　(7)操作主觀性強。中學(xué)物理、化學(xué)、生物實驗的操作流程存在主觀性，為達到同樣的目標，不同學(xué)生可能有不同的操作方法。例如在探究電阻上的電流跟兩端電壓的關(guān)系實驗中，電流表、電壓表、定阻電阻、滑動變阻器、電池盒、開關(guān)等儀器的連接順序存在多種可能組合。如何實現(xiàn)AI算法針對不同實驗操作組合的評分準確性是一個難點。

　　問：當(dāng)所有困難都突破之后，AI技術(shù)在實驗考評中應(yīng)用的終極場景是什么樣的?

　　答：雖然AI應(yīng)用于中考理化生實驗操作考評在技術(shù)上困難重重，但我們基于20多年的技術(shù)和人才積累，已經(jīng)組織了強有力的團隊全力開展技術(shù)攻關(guān)，每個技術(shù)難點都制定了詳細的技術(shù)路線和解決方案，正在穩(wěn)步、快速和高效地實施。今年5月22日，我們在深圳某中學(xué)中考期間開展了AI評分考場實測，采用24位學(xué)生1組，其中物理、化學(xué)、生物各8位學(xué)生，學(xué)生同時考試，即考即評，AI評分與老師人工評分逐項對比，測試準確率達到95.78%。緊接著的6月7日，我們在深圳另一所中學(xué)又開展了AI評分現(xiàn)場測試，采用12位學(xué)生1組，其中物理、化學(xué)、生物各4位學(xué)生，學(xué)生同時考試，即考即評，AI評分與老師人工評分逐項對比，測試準確率達到96.33%，取得了理想的成效!我們有信心在今年年底左右實現(xiàn)重要實驗AI評分的正式考試應(yīng)用。

　　待所有技術(shù)難點攻克后，中考理化生實驗操作考試將以無人化、智能化、實時化為特點，即考試現(xiàn)場無需監(jiān)考老師(或僅需1—2位巡考老師)，考試成績智能評分，考試報告即考即出，整個考務(wù)工作將呈現(xiàn)工作人員少、工作效率高、考務(wù)成本低的智慧考務(wù)新模式。

　　問：除了實驗考評這一應(yīng)用場景，AI在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域還有哪些應(yīng)用場景?這些應(yīng)用的現(xiàn)狀和前景如何?

　　答：AI在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用場景非常多。例如，在體育教育方面，基于AI的仰臥起坐、引體向上、立定跳遠評分等智慧體育技術(shù);在課堂教學(xué)方面，基于目標檢測、運動跟蹤和行為識別的課堂教學(xué)質(zhì)量評價技術(shù);在校園管理方面，基于AI的人群聚集檢測、可疑行人跟蹤、異常行為識別等智慧校園技術(shù)等。在國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和產(chǎn)教融合戰(zhàn)略的大背景下，基礎(chǔ)教育領(lǐng)域基于AI技術(shù)的智慧應(yīng)用必定是未來發(fā)展的趨勢，擁有極其廣闊的發(fā)展前景。

　　不瞞您說，對這些應(yīng)用場景我們已經(jīng)開始了技術(shù)預(yù)研和攻關(guān)。只要國家和行業(yè)需要，我們能夠在第一時間開展算法模型的成果轉(zhuǎn)化和工程應(yīng)用，在科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化和工程應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展道路上肩負起科研工作者應(yīng)盡的責(zé)任。

　　來源：秘書處