英特尔-教育行业AI实战手册2024

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英特尔中国 教育行业 AI实战手册 趋势篇 实战篇 技术篇 目 录 Contents 助力教育智能化转型 服务教育现代化进程 45 45 46 50 50 55 55 56 58 61 61 以先进人工智能技术助力语言教学，打造更优口 语测评方法 英特尔与合作伙伴共同探索基于人工智能的智能口语 测评方法 • 基于人工智能的智能口语测评 • 面向英特尔® 架构优化的人工智能口语测评解决方案 基于英特尔优化方案的应用案例 • 一起教育科技：基于英特尔的产品与技术，打造先进人工 智能口语测评平台 借力人工智能语音识别，打造高效教学辅助能力 英特尔携手合作伙伴探索基于语音识别的智能教学辅 助能力 • 语音识别等人工智能技术在智慧教育场景中的应用 • 基于语音识别能力构建教学辅助能力 • 扩展 OpenVINO ™ 工具套件自定义层，提升语音识别推理 效率 基于英特尔优化方案的应用案例 • 思必驰：与英特尔携手打造精准、高效的语音识别应用， 加速智慧教育前行步伐 打造高效人工智能教学与实训解决方案 英特尔携手合作伙伴持续探索人工智能教学场景建设 • 人工智能教育市场现状与趋势 • 人工智能教育面临的挑战及对策 • 基于英特尔产品与技术，打造 “云 - 边 - 端” 架构人工智能 教育实训环境 基于英特尔优化方案的应用案例 • 联合伟世：“云 - 边 - 端” 协同，采用先进硬件与创新理念 打造高效人工智能教学实训平台 • 五舟科技：高性能硬件助力打造高校人工智能教学平台 优化方案设计、提升推理性能，助力智能课堂行 为分析 英特尔与合作伙伴共同探索课堂行为分析在智慧教育 场景中的应用 • 人工智能行为分析解决方案开发及挑战 • 面向教育场景的行为分析方案设计 • 针对行为分析的英特尔产品优化方案 基于英特尔优化方案的应用案例 • 阅面科技：借力人脸识别与课堂行为分析提升教学互动效果 • 百家云：基于课堂行为分析实现双师课堂教学效果评估 15 15 15 17 24 24 26 31 31 32 35 39 39 41 66 67 69 70 71 72 73 74 75 07 硬件产品 第二代英特尔® 至强® 可扩展处理器 第三代英特尔® 至强® 可扩展处理器 英特尔® 傲腾™ 持久内存100系列、200系列 英特尔® 傲腾™ 固态盘 P5800X/P5801X 英特尔® Movidius™ 视觉处理器 (VPU) 软件和框架 OpenVINO™ 工具套件 面向英特尔® 架构优化的 TensorFlow 面向英特尔® 架构优化的 PyTorch 扩展包 面向英特尔® 架构优化的 Python 主编：赵朝卿，秦莉 作者（排名不分先后，按姓氏首字母排序） 崔爽，赖美璇，陆礼明，邱亮，温炜，吴缘，夏磊，徐焰庆，颜彦，伊红卫，于超，俞巍，臧战，赵玉萍，赵桢 此外，本手册的编撰工作也得到了合作伙伴及诸多英特尔同事们给予的大力支持帮助，在此表示感谢。 趋势篇 7 趋 势 篇 英 特 尔 中 国 教 育 行 业 AI 实 战 手 册 实 战 篇 英 特 尔 中 国 教 育 行 业 AI 实 战 手 册 助力教育智能化转型 服务教育现代化进程 百年大计，教育为本。教育是民族振兴、社会进步的基石， 强国必先强教。多年来，中国以教育信息化支撑和引领教育 现代化，并将应用现代技术，加快教育信息化基础设施建设， 加强网络教学资源体系建设，以及构建适合信息时代的教与 学模式，作为推进教育创新发展以及推动人才培养模式改革 的重要举措。 为抓住新一轮科技革命带来的新机遇，加速教育现代化， “十三五” 期间，教育部结合国家 “互联网 +”、大数据、新一 代人工智能等重大战略任务安排，提出实施《教育信息化 2.0 行动计划 1》，将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量， 提出了为国际教育信息化发展提供中国智慧和中国方案的目 标，在新时代赋予了教育信息化新的使命，以真正走出一条 中国特色的教育信息化发展之路。步入 “十四五”，中国开启 了建设教育强国的新征程，利用新一代信息技术，推动信息 化时代教育创新，实施教育新基建工程，大力开发优质数字 教育资源，被确定为推动教育改革创新与建设高质量教育体 系的根本动力 2。 在国家政策引领推动、新一代信息技术不断迭代更新，以及 教育治理能力日益优化的教育发展新格局下，“信息技术与教 育教学的深度融合” 已经成为共识。随着 “三通两平台” 建设 取得巨大成就，国家数字教育公共服务体系建设日趋完善， 教育信息化基础设施建设已全面覆盖，数字化教育资源得到 极大丰富，师生网络学习空间已达 6,300 多万个 3，中小学 网络接入率达 99.7%，拥有多媒体教室的中小学校比例达 95.2%，已接受过不同程度信息技术应用能力培训的教师人 数也超过 1,000 万 4，基于网络开展教与学的大环境已经基本 形成。 在信息技术应用规模快速扩展的同时，K12 和高等教育领域 的信息化基础环境和教师信息化素养也已得到全面提升。新 冠疫情下的 “停课不停教 , 停课不停学” 大规模在线教学实践， 进一步推动了信息技术与教育教学深度融合与应用，展现了 信息技术与教学融合创新带来的强大合力，加速了中国教育 信息化进程由 1.0 迈进 2.0 新时代。 以人工智能为代表的新一代信息技术在为各行各业跨越式发展 带来广阔前景的同时，也不断融入教育领域，使得 “人工智能 + 教育” 成为教育行业创新发展的绝对热点，得到高度关注。 2017 年国务院印发的《新一代人工智能发展规划的通知》中 指出，要推动人工智能在教学、管理、资源建设等方面的全流 程应用。2018 年教育部印发的《教育信息化 2.0 行动计划》 进一步明确提出，要利用智能技术加快推动人才培养模式、教 学方法改革，探索泛在、灵活、智能的教育教学新环境建设与 应用模式。随着教育信息化 2.0 新征程步伐的加速，智能化正 在政策驱动和产学研用等教育生态共同推进下，与数字化、网 络化、泛在化同行并领跑，以数据驱动为核心的智慧教育逐渐 深入人心。 与此同时，业界对 “人工智能 + 教育” 这一教育信息化新方向 也期许热烈。有数据显示，目前整个 “人工智能 + 教育” 相关 市场规模已达数千亿 5。近年来，相关市场融资总量亦达数百 亿元，涵盖了 K12 阶段教育、职业培训、学前教育等不同的 教育细分领域 6。 1《教育信息化 2.0 行动计划》http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html 2 坚持以建设高质量教育体系为统领 谋划推动 “十四五” 时期教育发展， http://www.scio.gov.cn/xwfbh/xwbfbh/wqfbh/44687/45183/zy45187/Document/1701372/1701372.htm 3 教育信息化从 1.0 到 2.0——走具有中国特色的发展之路，https://www.ict.edu.cn/news/jrgz/xxhdt/n20200509_67683.shtml 4 中央电教馆与英特尔联合推出的《2020 教育信息化年度蓝皮书》 5 千亿级 AI+ 教育市场规模，会是下一个风口吗？ https://www.sohu.com/a/435798627_120411615 6 2020 年中国 AI+ 教育行业投融资热度不减，http://market.chinabaogao.com/wenti/03204TH52020.html 图 1-1-1 未来教育信息化正向智能化方向切换 传统教育 人力驱动 • 课堂场景 • 一对多教学 • 老师板书讲授 • 学生被动接受 • 书面练习为主 • …… • 课堂教学与远程 教学结合 • 数字课件教学 • 多媒体学习终端 • …… • 互动式教学 • 精准化教学规划 • 多对多双师课堂 • AI 教学实训； • …… 信息化教育 技术驱动 智慧教育 数据驱动 9 8 趋 势 篇 趋 势 篇 英 特 尔 中 国 教 育 行 业 AI 实 战 手 册 英 特 尔 中 国 教 育 行 业 AI 实 战 手 册 大规模的投入加快了智能技术在教育行业的创新应用，语音 识别、自然语音理解、深度学习、AR/VR 等前沿技术和相关 教育教学解决方案正在更多场景落地，包括自适应学习系统、 智能导师系统、智能测评系统、基于虚拟现实 / 增强现实的 场景式教学都正在成为现实。而这又推动了以智能技术为代 表的新一代信息技术，更全面深入地渗透到教育多环节以及 教与学模式的融合创新过程之中，为面向未来打造智能型泛 在学习环境，构建智能化、网络化、个性化、终身化的现代 化教育体系添加了新动力。 人工智能在教育行业各场景中的应 用探索与实践 目前，在教育行业各场景中，如图 1-1-2 所示，由数据驱 动，基于各类机器学习 / 深度学习方法构建，涵盖计算机视 觉（CV）、自然语言处理（NLP）以及自动语音识别（ASR） 等技术领域的人工智能应用探索和方案部署，可以分为教学 环节、练习测评和教学管理三个核心场景： • 教学环节场景：与传统教学模式相比，智慧教育引入更多人 工智能应用来提升教学环节中的互动性和精准性。一方面， 通过交互式电子白板、双师课堂、AR/VR 教学等应用，不 仅可通过增强师生间的交互来提升线上线下课堂的教学效 果，也能有效缩小区域、城乡、校际间的教育质量差距，实 图 1-1-2 人工智能在教育行业各场景的应用 图 1-1-4 多样化的英特尔硬件产品矩阵 • 全方位的软件产品助力，包括 OpenVINO™ 工具套件、 英特尔® 深度学习加速技术、英特尔® AVX-512、面向英特尔 ® 架构优化的深度学习框架等。 • 英特尔在 5G、边缘计算（MEC）平台以及 “云 - 边 - 端” 架 构上的一系列成功部署和实战经验。 统也给传统校园 IT 架构带来挑战。部署在教室等系统末端 的设备通常处理能力较弱，而全部通过远端数据中心或云端 进行处理，又容易受到网络因素的影响。为应对这些问题， 智慧教育系统的系统架构正由简单走向复杂。 挑战往往伴随着机遇。面对以上挑战，各教育行业解决方案厂 商在为各级教育机构打造新一代 “人工智能 + 教育” 系统时， 选择与英特尔携手，大胆引入更多、性能更强劲的软硬件设备 和更全面、更前沿的系统架构设计。事实上，采用一系列英 特尔先进产品与技术的解决方案已在诸多教育场景中获得了验 证，并取得了良好的应用反馈，这些产品与技术包括： • 多样化的硬件产品矩阵，包括英特尔® 至强® 可扩展处理 器、英特尔® 酷睿™ 处理器、英特尔凌动 ® 处理器、英特尔® Movidius™ Myriad ™ X 视觉处理单元等。 现教育的优质、均衡发展；另一方面，借助课堂行为分析等 应用，能够通过动态、实时的教学数据分析，帮助教师和教 学管理人员获得智能化的课堂观察和分析能力，让 “教” 与 “学” 实现精准化。 • 练习测评场景：人工智能技术的引入大大丰富了练习测评 的形式。一方面，师生可将教学练习与测评的场景延展至 课堂之外，并获得来自智能系统和教师的双重反馈；另一 方面，在 NLP、ASR 等人工智能技术的帮助下，课程评测 的内容得到大幅扩展，评测结果也能更加精准和科学，并 帮助学生依据评测结果制定和优化后续学习过程。目前， 诸如口语测评等测评类人工智能应用已在各级教育机构获 得广泛欢迎。 • 教学管理场景：数据驱动的智慧教育场景更注重数据的快 速处理、分析与反馈。得益于 5G、边缘计算等技术的成熟， 教育机构得以在校园部署更多的人工智能应用，进而能够 通过更为快捷的数据交互和处理方式来对教学过程实施灵 活的调度和管理。例如，通过智能教学辅助能力，学校管 理人员可以快速远程巡课、智能排课、获取教学大数据， 教师可以进行智能备课，以及基于知识点地图和资源库开 展教学等。 教学环节 练习测评 教学管理 • AI LAB • 课堂行为分析 • AR/VR 教学 • 双师课堂 • 互动白板 • …… • 口语测评 • 智能阅卷 • 答题机器人 • 智能批改 • …… • 智能教育辅助 • 课程编排 • 智能备课 • 学情分析 • 远程管理 • …… 图 1-1-3 “人工智能 + 教育” 转型带来诸多挑战 算力要求 设备兼容性 低 简单 简单 低 高 复杂 复杂 高 处理时延 系统架构 “人工智能 + 教育” 转型带来的挑战 与机遇 由新技术、新模式驱动的行业转型，在提升效率与优化产品或 服务质量的同时，势必也会对行业既有基础设施能力带来挑战， 在教育领域也同样如此。随着更多教育机构变道切向新的智能 化方向，其 IT 基础设施也面临着严峻挑战。如图 1-1-3 所示， 这些挑战包括： • 人工智能应用对算力的高要求：与学校已有的校园网、电子 白板、平板电脑等信息化设备相比，人工智能应用因其数据 量大、推理要求高、计算负载密集等特点，要求学校信息化 系统具有更高的算力。 • 人工智能应用如何与教学环节无缝对接：与教学环节的紧密 结合，使人工智能应用有别于传统多媒体课件等校园信息化 应用，尤其是在应用时效性上，要求能够与教师授课讲解、 学生实操练习等环节无缝对接，并给与实时反馈；反之，明 显的时延会带来使用体验的大幅下降。 • 对校园既有 IT 设备兼容性需求：与互联网、通信、软件等 始终站在新技术潮头的企业不同，教育机构的信息化建设通 常是基于实际需求而不断增补，同时校园环境的复杂性也使 其软硬件基础设备纷繁复杂，因此对新的人工智能方案与既 有系统的兼容性都颇具考验。 • 对校园既有 IT 系统架构的要求：由数据驱动的智慧教育系 11 10 趋 势 篇 趋 势 篇 英 特 尔 中 国 教 育 行 业 AI 实 战 手 册 英 特 尔 中 国 教 育 行 业 AI 实 战 手 册 • 人才培养：本手册在人才培养象限将以人工智能教学与实训 作为方向。探讨在 K12 与高等教育阶段的人工智能教学与 实训过程中，如何在既有校园环境下，通过英特尔高性能软 硬件产品与创新 “云 - 边 - 端” 架构的引入，对人工智能教 学各环节提供支撑，全面解决人工智能人才培养中的数据、 算力、算法三大需求。 • 教育教学：本手册在教育教学象限将以课堂行为分析作为 方向。探讨如何以深度学习、计算机视觉等人工智能方法， 在英特尔软硬件产品和技术的支持及优化下，对教学过程 进行实时性分析评估，全面实现师生教与学模式、情绪状 态等信息的量化统计和可视化呈现，在有效降低教师工作 负担、优化教学过程的同时，大幅提高教育机构的管理能力。 此方法也适用于对在线教学（一对一或网络课堂）的分析。 • 教学管理：本手册在教学管理象限将以智能教学辅助作为 方向。探讨如何将基于语音识别的智能辅助能力引入教育 机构的日常管理及师生的教学环节，以提高教学质量和效 在下一篇章中，本文将就以上四个教育领域场景象限内的案例，围绕人工智能技术在其中的部署情况， 共同探讨英特尔相关技术与产品在这些真实场景中的应用和优化方案。 图 1-1-5 面向 “人工智能 + 教育” 实践的四种典型场景 英特尔携手合作伙伴推动 “人工智能 + 教育” 实践 为了让人工智能技术在落地过程中更好地与教育教学融合创 新，从而在教育行业智能化转型过程中发挥其强大的驱动作 用，英特尔积极发挥性能领导者、软硬件创新引领者以及在 人工智能领域领先的全栈解决方案提供商的优势，释放多年 通过系统化的投入和生态力量，推动教育变革的经验，运用 创新技术，与众多合作伙伴一起拥抱智能化教育潮流，针对 不同的教育场景，打造多个适应普遍性需求，且经过实践部 署验证的成功案例，为学生与老师提供更加简洁高效的教育 环境，推动教育智能化变革。 如图 1-1-5 所示，这些案例围绕着教师与学生、教学过程与 效果评估这两组核心关键词展开，并由此形成人才培养、教 育教学、教学管理和考核测评等四种典型的场景象限。在本 手册中，将为每个象限选取一个专门的人工智能应用方向与 读者探讨，同时在每个方向中也选取了数个实际应用案例。 推动教育与科技深度融合是顺应智能环境下教育发展的必然选 择，其核心是充分激发信息技术的革命性影响，解决数字教育 资源开发与服务能力不强、信息化学习环境建设与应用水平不 高、教师信息技术应用能力基本具备但信息化教学创新能力尚 显不足，以及高端研究和实践人才依然短缺等问题，推动教育 观念更新、模式变革和体系重构。以上由英特尔与其众多合作 伙伴共同开展的一系列 “人工智能 + 教育” 探索和实践，就是 要以可落地的方案，帮助各级各类教育机构颠覆传统教与学模 式，打造适应智能时代的现代化教育教学体系。 率。后文将以语音识别技术在智能会议、智慧课堂等场景 中的应用为例，阐述师生如何从基于英特尔产品与技术的 各项语音识别智能应用中获益。 • 考核测评：本手册在考核测评象限将以口语测评作为方向。 探讨如何有效利用英特尔先进软硬件产品带来的高性能算力 和深度学习加速能力，用深度学习方法为教育行业构建涵盖 发音准确度、流畅度、自然度、完整度维度和多项指标的综 合测评智能系统，从而高效、快速和准确地帮助教育机构和 学生，对各类语言的口语学习成果进行智能化测评。 课堂行为分析 智能教学辅助 口语测评 AI 教学与实训 教育教学 人才培养 教学管理 考核测评 教师 学生 教学过程 效果评估 实战篇 15 14 实 战 篇 实 战 篇 英 特 尔 中 国 教 育 行 业 AI 实 战 手 册 英 特 尔 中 国 教 育 行 业 AI 实 战 手 册 英特尔携手合作伙伴持续探索 人工智能教学场景建设 人工智能教育市场现状与趋势 随着人工智能逐渐进入技术成熟度曲线（The Hype Cycle） 中的生产成熟期（Plateau of Productivity），人工智能已在 各领域得到广泛的应用，对行业的发展速度、内涵及质量产生 了深刻的影响，并成为行业实施数字化、智能化转型的基石。 与此同时，技术的飞速发展也带来了巨大的人才缺口。有统计 数据表明，目前我国人工智能人才需求缺口达 500 万人 7，在 人才需求结构上，基础层人才需求尤为迫切。 为此，无论是教育行政主管部门，还是科研院校、中小学以及 培训学校等各级各类教育机构，都把打造高质量的人工智能教 育体系做为面向未来人才培养的重要方向和目标之一。国务院 在 2017 年 7 月印发的《新一代人工智能发展规划》中也明确 指出，人工智能成为国际竞争的新焦点，要完善人工智能教育 体系，加强人才储备和梯队建设，逐步开展全民智能教育项目。 在政策激励和需求驱动下，众多教育机构积极落实行动。在 K12（即学前教育至高中