基于人工智能的計算機輔助教學

黃聆之

摘 要：文章從人工智能及其研究內(nèi)容，分析了計算機輔助教學的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，闡述了智能計算機輔助教學系統(tǒng)的內(nèi)容，重點探討了基于人工智能的智能計算機輔助教學系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：人工智能；計算機輔助教學；智能計算機輔助教學系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，先進的技術(shù)在教學領域得到了廣泛的應用，并對教學過程產(chǎn)生了深刻的影響。其中，人工智能技術(shù)產(chǎn)生的影響最為深刻。它將先進的教學手段引入教學過程，在營造理想的學習環(huán)境、激發(fā)學生的學習興趣以及提高教學效率等方面起到了重要作用。

一、人工智能

1. 人工智能的定義

人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）是計算機科學、控制論、信息論、神經(jīng)生理學、語言學等多種學科相互滲透發(fā)展起來的一門綜合性的交叉學科和前沿學科。其精確定義是：一個電腦系統(tǒng)具有人類知識和行為，并具有學習、推斷、判斷來解決問題、記憶知識和了解人類自然語言的能力。

2. 人工智能的研究內(nèi)容

人工智能作為一門綜合性學科，其研究內(nèi)容涉及到許多方面，其中與教學實際關(guān)系較為密切的是以下四個方面：

（1） 問題解決。問題解決（Problem Solving）是人工智能研究初期的主要研究內(nèi)容之一，也是其他內(nèi)容的研究基礎，它主要研究計算機的知識表達和推理技術(shù)。

在教育領域中，研究問題解決的實際意義在于，把人類解決問題的基本過程賦予計算機，使其能夠按照人類的思維規(guī)律進行問題解決，幫助學生進行有效的學習。

（2）模式識別。模式識別（Pattern Recognition）是近三十年來在信息科學與計算機科學的基礎上發(fā)展起來的新興科學，后期它又受到了人工智能科學的影響，得到了新的發(fā)展。因此，常被作為人工智能學科的一個分支。

簡單地說，模式識別就是研究用電子計算機代替人來識別事物和環(huán)境的方法。所謂模式是指那些供參照模仿用的理想化的標本。因此，具體來說，模式識別的含義就是識別出給定的事物與哪一個標本相同或相似。模式識別有時可以理解為模式分類，即判別給定的事物應該屬于哪一類標本。被識別的給定事物通常是字母、符號、漢字、圖像、聲音、語言、景物，也可以是統(tǒng)計數(shù)字、圖表、教授狀態(tài)、學習狀態(tài)等，應用于教育時則稱為教育模式識別和學習模式識別。

（3）自然語言理解。對自然語言理解（Natural Language Processing，簡稱NLP）的研究能為實現(xiàn)人機自然語言直接通信提供可能，并減少軟件生產(chǎn)的負擔，從而間接地推動計算機的廣泛應用，提高自動化操作效率。因此，它已經(jīng)成為人工智能研究中最為棘手的問題。

自然語言是人機對話的最方便的語言，其發(fā)展的最終目標是把自然語言作為程序語言來使用，使計算機直接執(zhí)行自然語言，不需要中間的解釋過程。

在教育領域中，計算機對自然語言的理解有助于人機對話的實現(xiàn)，從而能夠增進計算機與學生之間的交互作用，把原有的計算機輔助教學條件下的計算機主動變?yōu)橹悄苡嬎銠C輔助教學條件下的人機交互主動。

（4）專家系統(tǒng)。所謂專家系統(tǒng)是指一個（或一組）能在某特定領域內(nèi)，以人類專家的水平去解決該領域中困難問題的計算機系統(tǒng)。其特點在于能把人類專家在解決問題過程中使用的啟發(fā)性知識、判斷性知識分成事實與規(guī)則，以適當形式存儲到計算機中，建立知識庫，并基于知識庫采用合適的產(chǎn)生式系統(tǒng)，按輸入的原始數(shù)據(jù)選擇合適的規(guī)則進行推理、演繹，作出判斷和決策，可起到專家的作用，因此稱為專家系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)是人工智能中最為重要的研究內(nèi)容，在教育領域中的應用也最為廣泛與活躍。教學專家系統(tǒng)的任務是根據(jù)學生的特點，以最合適的教案和教學方法對學生進行教學輔導。

二、計算機輔助教學

1. 計算機輔助教學的定義

計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，簡稱CAI）是在計算機輔助下進行的各種教學活動，以對話方式與學生討論教學內(nèi)容、安排教學進程、進行教學訓練的方法與技術(shù)。CAI能為學生提供一個良好的個人化學習環(huán)境。通過綜合應用多媒體、超文本、人工智能和知識庫等計算機技術(shù)，克服了傳統(tǒng)教學方式上單一、片面的缺點，有利于激發(fā)學生的學習興趣和認知主體作用的發(fā)揮。同時，它所提供外部刺激的多樣性有助于知識的獲取與保持。因此，使用CAI能有效地縮短學習時間、提高教學質(zhì)量和教學效率，實現(xiàn)最優(yōu)化的教學目標。

2. 計算機輔助教學的現(xiàn)狀

盡管計算機輔助教學要比傳統(tǒng)的教學模式先進不少，但并不是最完善的，它還存在許多不足，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1） 缺乏人機交互能力。在教學過程中，CAI課件的教學信息是按預先設置的教學流程機械式地提供，教師只能按預定的課件流程進行操作，學生的學習也是被動的，不能很好地參與教學過程。因此，人機交互能力沒有很好地體現(xiàn)出來。

（2）缺乏師生互動。學生在自學及使用現(xiàn)有的CAI課件時，大多采用的是自主學習的方式。使用這種方式時鮮有師生互動，因此課件的效果會大打折扣。同時由于缺乏網(wǎng)絡支持，現(xiàn)有的絕大多數(shù)CAI課件都是在單機環(huán)境下運行的，無法使用網(wǎng)絡來快速更新知識內(nèi)容，更無法提供便捷的學習討論空間、隨時隨地的師生交流方式以及遠程教學實現(xiàn)的條件。

（3） 缺乏智能性?，F(xiàn)有的CAI系統(tǒng)很多都沒有智能性，無法進行有針對性的教育。學生的學習是被動的，他們不能根據(jù)自身情況調(diào)整學習進度。對教師而言，教學參與度太低，他們不能按照學生的認知模型為其準備最適合的學習內(nèi)容，更不能給予不同的教學模式與方法。

（4） 缺乏廣泛性。CAI系統(tǒng)的設計都是圍繞某一知識領域，對于教學內(nèi)容、問題的設計和答案的呈現(xiàn)，都必須在原設計系統(tǒng)允許范圍內(nèi)實現(xiàn),無法根據(jù)具體教學、學習情況提出新的方案。

由此可見，傳統(tǒng)的CAI系統(tǒng)本身具有無法克服的缺點。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)將會越來越多地應用在教育領域。把人工智能技術(shù)引入CAI系統(tǒng)，使CAI系統(tǒng)能合理安排教學內(nèi)容，變化教學方法來滿足個性化教學的需要，因此就產(chǎn)生了智能計算機輔助教學系統(tǒng)。

三、智能計算機輔助教學系統(tǒng)

隨著計算機科學和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，將AI引入CAI中，使CAI系統(tǒng)可以理解教什么、教誰以及如何教，因而也就能合理安排教學內(nèi)容、改變教學方法，去滿足個別教學的需要，這就是以AI技術(shù)和認知科學理論為基礎而形成的智能計算機輔助教學系統(tǒng)(Intelligent Computer Assisted Instruction，簡稱ICAI)。它是計算機應用技術(shù)的一個新領域，代表了一種新的教學思想和教學方式。智能計算機輔助教學系統(tǒng)的出現(xiàn)，提高了教學質(zhì)量，改善了教學的效率。

1. 智能計算機輔助教學系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

ICAI系統(tǒng)主要是在知識表示、推理方法和自然語言理解等三方面應用人工智能技術(shù)。其本質(zhì)上是一個基于知識的教學專家系統(tǒng)，通常由專家模塊、學生模塊、教師模塊和智能接口模塊組成。它的組成結(jié)構(gòu)如下圖所示：

（1）專家模塊（知識庫）。專家模塊是由題域知識構(gòu)成，它包括兩方面的知識：一是教材內(nèi)容、提問信息、教材重點、難點、評價等有關(guān)課程的知識；二是有關(guān)應用這些知識來生成問題，推理解題的知識。其功能有：作為系統(tǒng)全部知識的來源，為系統(tǒng)其他模塊頻繁調(diào)用，以實時完成用戶行為響應，通過知識庫知識，生成相應的問題、任務以及解釋；通過同步問題解答，并通過預期學生行為與實際學生行為之間的比較，評價學生知識掌握程序以及學習狀態(tài)、學習方式偏好等。這個部分相當于一個根據(jù)事實進行演繹推理求出解答的專家部件。

（2）學生模塊。系統(tǒng)通過學生模塊建立對學生的了解，通過比較學生行為與專家行為，對學生進行智能模擬，包括學生的知識狀態(tài)、認知特點和個性特點等。學生模塊用來表示學生的學習歷史、當前知識水平、解題行為等方面的知識。其任務是：表示學生對所學知識的理解程度，反映學生已掌握和未掌握的部分，通過發(fā)現(xiàn)錯誤并作出錯誤根源的假設，為進一步指導提供依據(jù)。

（3）教師模塊（教學策略模塊）。在CAI 課件的交互作用中，教學策略是與教學內(nèi)容融合在一起，通過教學的分支來體現(xiàn)的。這樣做的不足是，某一教學內(nèi)容只能按某一種（或幾種）固定的教學策略來教。而在ICAI中，教學策略與教學內(nèi)容是分開的。這樣在教學過程中，系統(tǒng)可隨時根據(jù)教學的需要，選擇不同的教學策略。

教師模塊的主要任務是在一定的教學原理的指導下，選擇適當?shù)慕虒W內(nèi)容，并通過接口以適當?shù)谋磉_形式，在適當?shù)臅r刻展示給學生。該模塊的主要功能有：為學生提供學習環(huán)境；指導學生的學習活動；解釋現(xiàn)象、過程和原因；為學生提供幫助和學習材料；監(jiān)視和評價學生學習活動。

（4） 智能接口模塊。智能接口模塊的作用是處理學生與系統(tǒng)間的信息交流。模塊要完成兩項任務，一是在教學模塊作出教學決策后，智能接口模塊要以一定的形式把教學內(nèi)容發(fā)送出去；二是建立學生輸入信息的方式，接收學生輸入的信息。

2. 智能計算機輔助教學系統(tǒng)的發(fā)展方向

ICAI系統(tǒng)在發(fā)展中不是孤立、單一的，它是伴隨著多種技術(shù)以及人工智能在多種領域應用的不斷發(fā)展而發(fā)展的。其未來的發(fā)展方向表現(xiàn)為以下幾方面：

（1）與網(wǎng)絡技術(shù)的結(jié)合。隨著多媒體技術(shù)和Internet網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，多媒體教育應用與Internet網(wǎng)進一步融合，CAI 不僅僅只在智能上單一發(fā)展，它不可避免地還要向多維的網(wǎng)絡空間發(fā)展。目前，已有不少基于Internet網(wǎng)的多媒體教育系統(tǒng)在使用，它們借助網(wǎng)絡的優(yōu)勢，完成在線學習、實時討論、網(wǎng)上測試等多種教學任務。將網(wǎng)絡CAI與智能CAI有機結(jié)合，互相補充，能構(gòu)建成一個新的系統(tǒng)工程。

（2）智能代理（Intelligent Agent）技術(shù)的使用。人工智能（AI）技術(shù)在ICAI中的應用，除了體現(xiàn)在對多媒體教學系統(tǒng)中引入學生模塊和知識推理機制以外，還可以起到在“智能導航”瀏覽中，使用“智能代理”技術(shù)代替教師、學生進行指導學習和搜索學習的作用。

在CAI中，學生學習查詢有效知識可以使用代理進行搜索、導引，由于它自身具備的學習功能，能夠主動、高效地從Internet中發(fā)現(xiàn)和收集用戶所需要的信息。因此，它有助于解決使用單一關(guān)鍵字匹配查詢、搜索引擎引起的大量無關(guān)信息的涌現(xiàn)、信息檢索的精確度不高等問題。將“智能代理”技術(shù)引入到ICAI中，將使得教師和學生在教與學的過程中，提高知識選取效率、加強交互學習和自主能動性學習。

（3）遠程教學。結(jié)合網(wǎng)絡CAI、智能CAI以及多代理協(xié)作，可以實現(xiàn)真正意義上的遠程教學模式。ICAI系統(tǒng)不僅可以作為教師代理，為學生學習提供指導，也可以作為學生代理，輔助學生學習，還可以成為學生學習、交流、協(xié)作過程中多方面的代理。因此,具有多種特性優(yōu)勢的遠程教學具有廣闊的發(fā)展前景。

（4）虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）的應用。虛擬現(xiàn)實也叫人工現(xiàn)實（Artificial Reality）,是由多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)以及計算機技術(shù)相結(jié)合而生成的一種交互式人工世界。它的根本目標就是達到真實體驗和基于自然技能的人機交互。在教學輔助中，使用創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，在一般人所不能親身體驗的情景中，達到演示、操作的教學目的。目前在教學中使用的有：基于Web的火電廠的虛擬實景建構(gòu)學習、建筑設計的實景化學習、醫(yī)學內(nèi)消化道實景教學等。

四、結(jié)語

到目前為止，人工智能技術(shù)已經(jīng)逐步應用于計算機輔助教學中，與教學現(xiàn)代化有著密切的關(guān)系。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能計算機輔助教學系統(tǒng)的成效將更加明顯。新世紀的教學手段將是以智能化CAI為主線，多學科、多方位發(fā)展的新技術(shù)的體現(xiàn)。這種手段產(chǎn)生了人機交互、人機共生等全新概念，大大擴展了人類的能力，促進了教育事業(yè)的進一步發(fā)展。

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（無錫市錫山中等專業(yè)學校）