ICAI技術(shù)研究及其展望

（青海大學(xué)，西寧，810016）

ICAI技術(shù)研究及其展望

李春梅

（青海大學(xué)，西寧，810016）

本文介紹了ICAI的發(fā)展，著重展示了ICAI各模塊的技術(shù)，展望了在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的新型的ICAI的新特點(diǎn)。

ICAI；知識(shí)庫(kù)；學(xué)生模型；教師模型

1 ICAI的發(fā)展過(guò)程

自從 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、加拿大和日本等都十分重視智能教學(xué)系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。目前，智能教學(xué)系統(tǒng)的研究可以說(shuō)仍然處于研究階段，研究工作主要在大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行，其成果多為一些“展示型”系統(tǒng)，真正走出實(shí)驗(yàn)室并投入教學(xué)實(shí)踐的智能教學(xué)系統(tǒng)并不是很多。上世紀(jì)80年代開(kāi)始，對(duì)ICAI的研究主要在人工智能技術(shù)上，并開(kāi)始引入了認(rèn)知科學(xué)的知識(shí)，重點(diǎn)研究ICAI系統(tǒng)中的學(xué)生模塊和教師模塊，使得智能教學(xué)系統(tǒng)具有更好的交互和應(yīng)答的靈敏性。90 年代以后，隨著多媒體技術(shù)、人工智能理論和方法、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通訊技術(shù)的發(fā)展，ICAI 系統(tǒng)的研究集中在了協(xié)作教學(xué)模式、建構(gòu)學(xué)生模型和智能超媒體 ICAI 等方面，出現(xiàn)了基于專家系統(tǒng)的 ICAI 系統(tǒng)、基于Web技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的 ICAI、基于各類操作系統(tǒng)的 ICAI 等技術(shù)領(lǐng)域的研究方向。隨著 SCHOLAR 系統(tǒng)的研制成功，世界各國(guó)紛紛展開(kāi)了 ICAI 系統(tǒng)的研究。

2 早期的ICAI研究

ICAI的基本模塊是由知識(shí)庫(kù)、學(xué)生模型和教師模型以及人機(jī)交互的界面等幾部分構(gòu)成,其基本結(jié)構(gòu)如圖1。其中，知識(shí)庫(kù)是用于存放領(lǐng)域知識(shí)的；學(xué)生模型是用來(lái)存放學(xué)生的個(gè)人信息和學(xué)習(xí)情況及學(xué)習(xí)狀態(tài)等；教師模型主要包括教學(xué)內(nèi)容的組織和教學(xué)策略的指導(dǎo)，測(cè)試，評(píng)價(jià)等；知識(shí)庫(kù)、學(xué)生模型、教師模型是ICAI的核心內(nèi)容，本論文將從這三個(gè)方面研究ICAI的主要技術(shù)。

2.1 知識(shí)庫(kù)

ICAI的知識(shí)庫(kù)是教學(xué)內(nèi)容，將章、節(jié)、小節(jié)及習(xí)題等以樹(shù)型結(jié)構(gòu)組織。知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)是從起初靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的方向進(jìn)行發(fā)展的。大多數(shù)的ICAI系統(tǒng)按照知識(shí)點(diǎn)將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分解，最終建立一個(gè)由知識(shí)點(diǎn)組成的關(guān)系樹(shù)，在關(guān)系樹(shù)中一個(gè)子樹(shù)就對(duì)應(yīng)一個(gè)教學(xué)單元；利用面向?qū)ο蟮睦^承關(guān)系建立知識(shí)點(diǎn)體系，知識(shí)點(diǎn)基本單位一般采用框架的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)形式來(lái)描述。在論文《基于本體的ICAI領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建》中提出用本體的方法給出了知識(shí)庫(kù)本體模型定義，構(gòu)建基于本體的ICAI領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)。知識(shí)點(diǎn)本體模型是一個(gè)四元組，知識(shí)點(diǎn)教學(xué)本體模型是一個(gè)五元組,知識(shí)庫(kù)模型DOKBM是一個(gè)六元組，即DOKBM::={ID，KPO，I，T，R，OP}，知識(shí)庫(kù)是知識(shí)點(diǎn)的集合。這種知識(shí)庫(kù)其內(nèi)容隨時(shí)間變化而變化，是動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與ICAI的結(jié)合，超文本的多媒體知識(shí)庫(kù)成為了ICAI中采用最多的一種技術(shù)之一。

2.2 學(xué)生模型

學(xué)生模型一般采用偏差法或覆蓋法來(lái)建立，動(dòng)態(tài)更新學(xué)生信息，但采用更新過(guò)程中采用的技術(shù)隨計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展在不斷的變化。在論文“ICAI系統(tǒng)學(xué)生模型的設(shè)計(jì)”中，采用矢量法來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)結(jié)果的記錄。具體的方法是進(jìn)行構(gòu)造已經(jīng)掌握的指令所組成的矢量表,在矢量表中每一元素的值均表示一個(gè)學(xué)生對(duì)該指令的掌握程度。用7個(gè)數(shù)字分別表示學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的不同程度，如數(shù)字-3表示學(xué)生沒(méi)有掌握某一指令,如數(shù)字0表示學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)某一指令。

在論文”貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)生模型中存在無(wú)向環(huán)的更新”一文中，主要采用了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)以及結(jié)鏈樹(shù)方法來(lái)動(dòng)態(tài)更新學(xué)生模型。此文采用了改進(jìn)的覆蓋式法實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源信息的構(gòu)建，將一門課程劃分為若干個(gè)知識(shí)項(xiàng)，給每個(gè)知識(shí)項(xiàng)附加 多 個(gè)權(quán)值( E,F,A,N)來(lái)表示某學(xué)生對(duì)一個(gè)知識(shí)項(xiàng)的掌握情況， 把覆蓋型貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的學(xué)生模型的部分內(nèi)容作為實(shí)例，經(jīng)過(guò)圖形轉(zhuǎn)換算法得到一棵聯(lián)結(jié)樹(shù)以實(shí)現(xiàn)消息的傳遞、參數(shù)性能的評(píng)估等任務(wù)，從而完成ICAI學(xué)生模型的動(dòng)態(tài)更新。在論文”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)在ICAI評(píng)價(jià)模型中的應(yīng)用研究”中用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)學(xué)生六類認(rèn)知能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生模型的動(dòng)態(tài)更新學(xué)生模型；在論文“基于學(xué)生模型的模糊綜合評(píng)判方法研究”中，通過(guò)分級(jí)的方式，先使用模糊方式對(duì)六類認(rèn)知能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，將結(jié)果和其他因素如學(xué)歷、心情、學(xué)習(xí)環(huán)境等作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入結(jié)點(diǎn)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再次進(jìn)行評(píng)判，來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生模型的動(dòng)態(tài)更新。

2.3 教師模型

在論文“教師模型與學(xué)生模型的構(gòu)造”中，教師模型是通過(guò)用矢量表示法來(lái)構(gòu)造，即，每一道題目均采用一個(gè)十元組矢量來(lái)表示，其中1表示已經(jīng)掌握該題，-1表示還沒(méi)有掌握，0表示未涉及到的知識(shí)等。論文“基于Agent技術(shù)的智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)”中，采用agent方式實(shí)現(xiàn)教師模型的設(shè)計(jì)，即<教師Agent＞::=

以上ICAI雖然比起CAI有了很大的改進(jìn)，但是存在以下不足：

（1） 內(nèi)容不豐富，不能全部代替教師。

（2） 教學(xué)方式?jīng)]有創(chuàng)新，缺乏吸引力。

（3） 缺乏與老師、同學(xué)的交流。

（4） 依然不能實(shí)現(xiàn)因材施教。

3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的ICAI

國(guó)際上，美國(guó)，英國(guó)，日本，德國(guó)，馬西，瑞典等國(guó)家投入大量的資金啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)教育計(jì)劃，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教育開(kāi)始興起。成功的典型的例子，美國(guó)麻省理工大學(xué)于2002年對(duì)外公開(kāi)的OCW(OPEN COUREWARE)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)教師課件的共享，受到了廣泛的支持和好評(píng)；2011年，麻省理工開(kāi)發(fā)出M.I.T.X系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的無(wú)學(xué)歷無(wú)學(xué)位的遠(yuǎn)程教育；2012年麻省理工大學(xué)和哈弗大學(xué)推出的MOOC（MASSIVE OPEN ONLINE COURSE），這第二個(gè)遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)；但本系統(tǒng)沒(méi)有同學(xué)、教師及同學(xué)之間的交互。我國(guó)的遠(yuǎn)程教育也以各高校開(kāi)始研究和開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)播各種直播課程或錄播課程，雖然可以跨空間的享受同一課堂的教授和學(xué)習(xí)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)師生之間和學(xué)生之間的相互交流，雖然，通過(guò)寶利通等設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互，但效果不是很受歡迎。最近，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的OCS(ONLINE CLASSROOM SYSSTEM)軟件作為成功的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的代表案例已走出實(shí)驗(yàn)室，此系統(tǒng)具有完全實(shí)現(xiàn)了跨時(shí)間跨空間的網(wǎng)絡(luò)授課，教師將課件上傳至服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授課，可以在課件上“寫(xiě)寫(xiě)畫(huà)畫(huà)”，如同在黑板上講課一樣，中間可以播放視頻和音頻，上課的同時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與授課老師進(jìn)行提問(wèn)交流，同學(xué)之間也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行討論和交流，但均為文字的形式進(jìn)行交流，無(wú)法實(shí)現(xiàn)視頻和音頻的交流。

4 將來(lái)的ICAI

雖然目前ICAI中已經(jīng)跟各種與時(shí)俱進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)，如agent技術(shù)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合在一起，但是，大部分研究依然處于實(shí)驗(yàn)室階段，真正成為成熟的軟件普及的產(chǎn)品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而ICAI技術(shù)也還未達(dá)到真正意義上的實(shí)現(xiàn)因材施教。要做到真正的讓計(jì)算機(jī)代替有經(jīng)驗(yàn)的教師實(shí)現(xiàn)因材施教，還需要很長(zhǎng)時(shí)間的努力，應(yīng)具有如圖2特性。

（1） 從知識(shí)庫(kù)和考試題庫(kù)及教學(xué)策略上應(yīng)按不同學(xué)生的需求實(shí)現(xiàn)知識(shí)的分級(jí)，做到真正的因材施教；

（2） 借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)的學(xué)生實(shí)現(xiàn)跨空間的同堂授課，師生之間、同學(xué)之間進(jìn)行語(yǔ)音交流或者視頻交流；

（3） 計(jì)算機(jī)可以代替教師，解放教師。

（4） 在線及時(shí)進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并建議學(xué)生及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)內(nèi)容；

（5） ICAI的結(jié)構(gòu)不再是傳統(tǒng)意義上的“教師模型”“學(xué)生模型”“知識(shí)庫(kù)”了，而是賦予了新的概念，新的技術(shù)。

（6） 內(nèi)容十分新穎，很受學(xué)生歡迎。

[1] 閻萍.基于本體的ICAI領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建,贛南師范學(xué)院學(xué)報(bào)[J],2006年第6期，99-100

Research Of ICAI Technology And Its Prospects

Li Chunmei
(Qinghaiuniversity,Qinghai,xi’ning,810016)

We introduce the development of ICAI.Focuses on we show every model of ICAI and prospect the new characteristics of network ICAI.

ICAI；student model；teacher model；knowledge base