個性化計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

殷鋒社

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

目前，隨著Internet的發(fā)展，國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺不斷地涌現(xiàn)，但許多系統(tǒng)缺少必要的個性化和智能性，造成了教學(xué)質(zhì)量不高的結(jié)果。智能教學(xué)系統(tǒng) （Intelligent Tutoring System，簡稱ITS）[1]是解決以上問題，并實現(xiàn)個性化教學(xué)的有效解決方案。它是以認(rèn)知科學(xué)為理論基礎(chǔ)，綜合利用人工智能技術(shù)、教育心理學(xué)、計算機科學(xué)等多門學(xué)科的成果而形成的一種對學(xué)生實施有效教學(xué)的技術(shù)。

1 CAI和PCAI特點

1.1 CAI特點及缺陷

傳統(tǒng)的計算機輔助教學(xué)CAI[2-3]設(shè)計過程：對課程進(jìn)行目標(biāo)分析，構(gòu)成學(xué)習(xí)目標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)；然后對各目標(biāo)的學(xué)習(xí)任務(wù)展開畫面（幀）設(shè)計，每個畫面可包含課文解釋、提問、與提問相對應(yīng)的學(xué)生應(yīng)答以及反饋信息等；將這些畫面按一定的教學(xué)邏輯連接起來，形成課件（Courseware）。這種由設(shè)計者預(yù)先固定結(jié)構(gòu)而形成的課件稱為剛性面向畫面的CAI系統(tǒng)。傳統(tǒng)CAI課件的缺陷可以概括為：缺乏適應(yīng)能力、缺乏交互能力、缺乏創(chuàng)造能力和缺乏糾錯能力。

1.2 PCAI定義及特點

個性化計算機輔助教學(xué)[2-3]（PCAI）就是以認(rèn)知學(xué)為理論基礎(chǔ)，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于CAI，是智能化的CAI。它將教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)策略分開，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知模型提供的信息，通過智能系統(tǒng)的搜索與推理，動態(tài)生成適合于個別化教學(xué)的內(nèi)容與策略；通過智能診斷機制判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，分析學(xué)生產(chǎn)生錯誤的原因，同時向?qū)W生提出更改建議以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)內(nèi)容的建議；通過對全體學(xué)生出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行分布統(tǒng)計，智能診斷機制將向教師提供教學(xué)重點、方式、測試重點、題型的建議；為教師提供友好的教學(xué)內(nèi)容、測試內(nèi)容維護(hù)界面，無需改變軟件的結(jié)構(gòu)即可調(diào)整教學(xué)策略；通過對學(xué)生認(rèn)知模型、教學(xué)內(nèi)容、測試結(jié)果的智能分析，向教學(xué)督導(dǎo)人員提供對任課教師教學(xué)業(yè)績評價的參考意見。一般認(rèn)為，只要具有下列一個或幾個特征的CAI系統(tǒng)，就可以稱之為PCAI[4]系統(tǒng)：

1）能自動生成各種問題與練習(xí)；

2）根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平與學(xué)習(xí)情況選擇與調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)度；

3）在了解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上自動解決問題，生成解答；

4）具有自然語言生成與理解能力，以便實現(xiàn)比較自由的教學(xué)問答系統(tǒng)，提高人機交互的主動性；

5）對教學(xué)內(nèi)容有解釋咨詢能力；

6）能診斷學(xué)生錯誤、分析原因并采取糾正措施；

7）能評價學(xué)生的學(xué)習(xí)行為；

8）能評價教師的教學(xué)行為。

2 PCAI系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文在已有的公共基礎(chǔ)課程 《計算機應(yīng)用基礎(chǔ)》的CAI系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，著手研制和實現(xiàn)該課程的PCAI系統(tǒng)。以下將該PCAI系統(tǒng)實現(xiàn)的模塊框架、核心技術(shù)及其顯著特點等進(jìn)行描述和介紹。

2.1 模塊框架[5]

系統(tǒng)應(yīng)該具有如下功能：1）具備某學(xué)科或領(lǐng)域的知識；2）能夠分析學(xué)生的特征，評價和記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，診斷學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的錯誤并進(jìn)行補救教學(xué)；3）可以選擇不同的教學(xué)方法實現(xiàn)以學(xué)生為主體的個別化教學(xué)。因此，實現(xiàn)的PCAI系統(tǒng)模塊框架[1，7]如圖 1 所示。

圖1 PCAI系統(tǒng)實現(xiàn)的模塊框圖Fig.1 Block diagram of PCAI system implementation

各模塊功能描述如下：

1）教學(xué)資源庫 作為個性化輔助教學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，知識庫主要提供一個指導(dǎo)性的、自適應(yīng)的、開放的、可操作的框架和服務(wù)設(shè)施。為各個學(xué)科知識提供規(guī)范的知識輸入和組織，其他教學(xué)資源，如題庫、課件、素材等，均依據(jù)它來組織管理，這將使學(xué)生可以建立適用于自己的知識體系，使各類知識應(yīng)用能夠有一個好的開發(fā)和集成基礎(chǔ)。

2）學(xué)生模型 學(xué)生模型就是用于表示學(xué)生實際認(rèn)知狀況，并通過解釋學(xué)生的活動得出該學(xué)生對教學(xué)資源和技能的掌握情況。系統(tǒng)中每個學(xué)生有唯一的ID標(biāo)識，建立唯一的學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)信息和特征數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)智能功能的實現(xiàn)在于如何動態(tài)地、正確地提取學(xué)生的主題特征。

3）教師模型 該模塊可以看作個性化輔助教學(xué)系統(tǒng)中的推理機，它一般采用兩級推理相結(jié)合的方法，即基于語義網(wǎng)絡(luò)的推理和基于產(chǎn)生式規(guī)則的推理，前者用于確定教學(xué)內(nèi)容，后者用于確定教學(xué)策略。

4）智能接口模塊 該模塊實際上是系統(tǒng)與學(xué)生之間起交互作用的部件，它除了提供學(xué)生信息的輸入與注冊外，還實現(xiàn)了學(xué)生與系統(tǒng)之間的通信功能。與之相關(guān)的技術(shù)有自然語言處理、人機對話內(nèi)部處理、知識庫系統(tǒng)化維護(hù)、學(xué)生模型初始化、教師模型自適應(yīng)調(diào)整等。

2.2 核心技術(shù)——認(rèn)知型學(xué)生模型[1，8]

常見建立學(xué)生模型的2種方法為：

1）覆蓋模型（Overlay Model）表示學(xué)生知道什么、不知道什么的學(xué)生模型。它把學(xué)生的知識描述為領(lǐng)域知識模塊中專業(yè)知識的一個子集，能告訴學(xué)生什么是錯誤的以及應(yīng)該如何改正。

2）偏差模型（Buggy Model）表示學(xué)生正確的和錯誤的知識的學(xué)生模型。它不是把學(xué)生的知識看成是領(lǐng)域知識中專業(yè)知識的子集，而是把它看成是對專業(yè)知識的偏差，故它還能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致學(xué)生錯誤的原因——不正確的知識。

在PCAI系統(tǒng)模型中，學(xué)生模型的主要作用：一方面是登錄學(xué)習(xí)者的個人信息，例如學(xué)號、姓名、性別等；另一方面是準(zhǔn)確反映學(xué)生的知識水平、學(xué)習(xí)能力等，為個性化教學(xué)提供依據(jù)。PCAI是以認(rèn)知論為基礎(chǔ)的，但以上2種學(xué)生模型只能反映學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，忽略了認(rèn)知能力在學(xué)習(xí)過程中的重要作用，不能反映學(xué)習(xí)者的認(rèn)知能力怎樣以及處于什么階段，而這一點無論對學(xué)生還是對老師都是很重要的。

認(rèn)知能力是一個人用于支配自己學(xué)習(xí)、記憶和思維的能力，在很大程度上表現(xiàn)了一個人分析問題和解決問題的能力?；谡J(rèn)知理論，運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）中的反向傳播模型（BP模型），建立能反映學(xué)生學(xué)習(xí)水平和認(rèn)知能力的認(rèn)知型學(xué)生模型。在BP模型的輸入中選取布魯姆[9]所提出的認(rèn)知活動的5個級別：1）記憶能力；2）理解能力；3）應(yīng)用能力；4）分析能力；5）綜合能力。即系統(tǒng)中對學(xué)生認(rèn)知能力評價的指標(biāo)集U1，可定義為U1={記憶能力，理解能力，應(yīng)用能力，分析能力，綜合能力}，對應(yīng)元素 U1={u11，u12，u13，u14，u15}；相應(yīng)的評語集V可以定義為V={優(yōu)秀，良好，中等，及格，較差，差}，對應(yīng)元素 V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}，分別表示學(xué)生成績?yōu)?90≤v1≤100；80≤v2≤90；70≤v3≤80；60≤v4≤70；40≤v5≤60；0≤v6≤40。在學(xué)習(xí)興趣方面，評價的指標(biāo)集U2定義為U2={對本課程的學(xué)習(xí)興趣}，對應(yīng)元素U2={u21}；相應(yīng)的評語集V可定義為V={很有興趣，有興趣，比較有興趣，興趣一般，不太有興趣，沒有興趣}，對應(yīng)元素 V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}， 相應(yīng)的分值為 90≤v1≤100；80≤v2≤90；70≤v3≤80；60≤v4≤70；40≤v5≤60；0≤v6≤40。

認(rèn)知型學(xué)生模型的設(shè)計和應(yīng)用思想是：為教學(xué)內(nèi)容的各個測試單元中的概念節(jié)點賦予認(rèn)知類型和難易程度，同時預(yù)估學(xué)生認(rèn)識能力的初值。學(xué)生對某一測試單元的概念或題型進(jìn)行測試后，PCAI系統(tǒng)對學(xué)生的認(rèn)知能力進(jìn)行修正，根據(jù)難度，答對加分，答錯減分，根據(jù)BP算法得到學(xué)習(xí)者經(jīng)一次學(xué)習(xí)后5項認(rèn)知類型的修正值，再根據(jù)學(xué)生認(rèn)知能力由推理機按推理規(guī)則選取相適應(yīng)的概念點，繼續(xù)對學(xué)習(xí)者進(jìn)行教學(xué)。相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和策略推理機的實現(xiàn)過程是：根據(jù)認(rèn)知型學(xué)生模型提供的信息，采用產(chǎn)生式系統(tǒng)來智能化地推理生成不同的教學(xué)內(nèi)容和策略。其形式表現(xiàn)為：IF<學(xué)生水平表達(dá)式>THEN<生成新教學(xué)內(nèi)容和策略>。示例如下：IF（知識表示概念）=（差）THEN（復(fù)習(xí)前導(dǎo)課程，講解概念）IF（知識表示概念）>=（及格）AND（知識表示法應(yīng)用）=（差）THEN（復(fù)習(xí)概念、講解輔助知識、示例典型應(yīng)用）…整個教學(xué)內(nèi)容和策略的生成過程就是一個推理機的推理過程，它利用學(xué)生水平的表示值根據(jù)上述產(chǎn)生式系統(tǒng)中相應(yīng)的推理規(guī)則進(jìn)行推理，生成下一步的教學(xué)內(nèi)容和策略。在教學(xué)過程中，由于此過程是不斷地重復(fù)，并對學(xué)生認(rèn)知能力進(jìn)行修正，如此下去，學(xué)生每學(xué)習(xí)一次，認(rèn)知能力評價值就修改一次，最終通過BP算法逐步逼近學(xué)生認(rèn)知能力的標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3 系統(tǒng)的顯著特點

該PCAI系統(tǒng)用于教學(xué)具有如下顯著特點[10]：1）基于認(rèn)知理論進(jìn)行設(shè)計，使課件具有一定的自適應(yīng)能力；2）提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入一個主動的、高效率的學(xué)習(xí)環(huán)境；3）特別有利于個別化教育，因材施教；4）既改善了教師的教學(xué)效果，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié)束語

對傳統(tǒng)CAI進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于推理引擎的個性化教學(xué)系統(tǒng)，使系統(tǒng)自適應(yīng)能力提高，具有智能導(dǎo)向。該系統(tǒng)實現(xiàn)了教學(xué)資源共享、師生教學(xué)的互動、為學(xué)生提供了自主開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高了教學(xué)效率和效果。但隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)（由多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合而形成的一種交互世界），個性化教學(xué)是創(chuàng)新教育和現(xiàn)代教學(xué)理論發(fā)展的必然要求。

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