淺談支持情境感知的智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計在教育中的應(yīng)用

閆歡

摘要：智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計是將人工智能技術(shù)應(yīng)用到計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以教育學(xué)、心理學(xué)等為理論依據(jù)，開發(fā)出的用于指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)的一系列軟硬件體系，實現(xiàn)以學(xué)生為中心，個性化的教學(xué)模式。通過分析智能教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展、特點及在高校中應(yīng)用存在的問題，探究支持情境感知的智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計在教育中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：情境感知；智能教學(xué)系統(tǒng)；智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

一、引言

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟，教育領(lǐng)域也在信息技術(shù)的推動下發(fā)生了巨大的革命。計算機最早引入到教育領(lǐng)域中時，只是作為教學(xué)的輔助手段，學(xué)者們將其稱為CAI。隨著技術(shù)的不斷成熟、發(fā)展，人們對技術(shù)在教育領(lǐng)域中的探索及要求的提高，人工智能技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)合形成了“智能教學(xué)系統(tǒng)”（ITS）。這一教學(xué)系統(tǒng)融合了教育學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、計算機科學(xué)和人工智能等多門學(xué)科，實現(xiàn)了“計算機導(dǎo)師”根據(jù)每個學(xué)習(xí)者的特點制定教學(xué)計劃、選擇教學(xué)策略的功能，開發(fā)出了具有因材施教功能的教學(xué)系統(tǒng)。

二、智能教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展及特點

（一）智能教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展

20世紀(jì)20年代，普萊西設(shè)計的幾種自動測驗智力及知識的機器是最早將計算機應(yīng)用于教學(xué)中的開端。開始只是簡單的測驗，到20世紀(jì)50年代，計算機可以根據(jù)人們輸入的線性數(shù)據(jù)庫程序，劃分成一系列知識點，學(xué)生通過對知識點的學(xué)習(xí)達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。20世紀(jì)六七十年代開始，形成了計算機輔助教學(xué)（CAI）的應(yīng)用研究，在教學(xué)中出現(xiàn)了分支程序結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)根據(jù)學(xué)生回答問題的情況來決定問題呈現(xiàn)的順序，形成了最初始的因材施教教學(xué)模式。20世紀(jì)70年代以后，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了專家系統(tǒng)，使教學(xué)行為更加有效，尤其是Jaime Carbonell創(chuàng)造了SCHOLAR系統(tǒng)，促使“智能教學(xué)系統(tǒng)”（ITS）的發(fā)展。直到現(xiàn)在，智能教學(xué)系統(tǒng)也在不斷地完善中，學(xué)生和系統(tǒng)直接通過自然語言對話實現(xiàn)交互。基于智能教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計正在走入學(xué)校的課堂教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，如用于指導(dǎo)學(xué)生算術(shù)四則運算的WEST系統(tǒng)、用于邏輯學(xué)、集合論和定理證明的EX-CHECK系統(tǒng)，輔助Basic語言教學(xué)的BIP系統(tǒng)等。20世紀(jì)90年代后，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展及智能教學(xué)模式的更新，協(xié)作型教學(xué)模式被引入到智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中。這種教學(xué)模式可以為多個學(xué)習(xí)者提供協(xié)作小組學(xué)習(xí)，為學(xué)習(xí)者間的交流、協(xié)作提供支持。

（二）智能教學(xué)系統(tǒng)的特點

智能教學(xué)系統(tǒng)（ITS）不同于以往的計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)（CAI）的一個重要特征是增加了智能性功能。系統(tǒng)的設(shè)計是以認(rèn)知科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合人工智能技術(shù)、教育心理學(xué)、計算機科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門學(xué)科，在教學(xué)中注重因人施教，能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格和知識背景為不同的學(xué)生選用不同的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式及問題的呈現(xiàn)方式，并可根據(jù)學(xué)習(xí)者的知識掌握程度，自動調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)內(nèi)容，實現(xiàn)個別化教學(xué)。這種智能教學(xué)系統(tǒng)即“計算機導(dǎo)師”系統(tǒng)與傳統(tǒng)的教師相比，具有存儲量大、不知疲倦、準(zhǔn)確快速等人類無法比擬的優(yōu)點。

三、智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及在應(yīng)用中存在的問題

基于智能教學(xué)系統(tǒng)的智能性、個別性教學(xué)功能的實現(xiàn)，在教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中必須充分考慮到學(xué)科知識、學(xué)生特點及教學(xué)策略。而這些都要人為地輸入進(jìn)計算機中，計算機不能像人類大腦一樣自動更新。

（一）智能教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

通過對智能教學(xué)系統(tǒng)因材施教需求的分析，如生成各種問題與練習(xí)、根據(jù)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)選擇、調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容及進(jìn)度、自然語言與機器語言的交互、對學(xué)生的行為作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)等，在教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時必須有以下幾大模塊：專家知識結(jié)構(gòu)模塊、學(xué)生模塊、教學(xué)策略選擇模塊及人機交互接口模塊。

專家知識結(jié)構(gòu)模塊：專家知識模塊也有人稱之為專家領(lǐng)域模型，這一模塊包涵學(xué)科知識的組成，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中將集成該領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)知識，作為指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

學(xué)生模塊：學(xué)生模型是智能教學(xué)系統(tǒng)對現(xiàn)實中的學(xué)生的模擬，主要分為覆蓋模型、差別模型和干擾模型等。這一模塊將集合學(xué)生的知識狀態(tài)、認(rèn)知特點和個性特點等。

教學(xué)策略選擇模塊：此模塊是模擬現(xiàn)實中的教師在教學(xué)原理的指導(dǎo)下，選擇教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及問題的呈現(xiàn)，再通過接口展示給學(xué)生，并能根據(jù)學(xué)生的個性特點隨時調(diào)整教學(xué)策略。

人機交互接口模塊：是實現(xiàn)人機對話的端口，能夠?qū)⒆匀徽Z言和機器語言實時轉(zhuǎn)換，保障學(xué)生與智能教學(xué)系統(tǒng)交互的正常進(jìn)行。

（二）智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計在應(yīng)用中存在的問題

盡管人工智能技術(shù)引入到計算機輔助教學(xué)后，使教學(xué)系統(tǒng)更加智能化，能夠做到因材施教、對學(xué)生進(jìn)行個性化的教學(xué)。但是智能教學(xué)系統(tǒng)還有許多地方須要進(jìn)一步的完善，尤其是在智能性的提高上，比如對學(xué)生情境的感知上，如何由學(xué)生的表現(xiàn)推知學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)知能力、學(xué)生出錯原因的分析等。

1.智能教學(xué)系統(tǒng)不能自我更新、自我改進(jìn)。智能教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原理是把當(dāng)前的知識和教師的教學(xué)方法、教學(xué)理念和教學(xué)策略集中到數(shù)據(jù)庫中。然而，隨著教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理論的不斷更新，智能教學(xué)系統(tǒng)卻需要人為地進(jìn)行程序、數(shù)據(jù)庫的更新甚至是重新設(shè)計，而不能實現(xiàn)自我更新、自我改進(jìn)。

2.智能教學(xué)系統(tǒng)還無法大面積的推廣。由于智能教學(xué)系統(tǒng)并不適用于所有的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，尤其是一些涉及到無規(guī)則變化的領(lǐng)域，存在應(yīng)用局限，不能像人腦一樣自主思維。

3.智能教學(xué)系統(tǒng)無法實現(xiàn)情感互動。智能教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供的是一種虛擬的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，這種虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境無法實現(xiàn)教師和學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)者之間的情感交互，協(xié)作學(xué)習(xí)的氛圍也難以實現(xiàn)，學(xué)習(xí)者的孤單感、挫敗感等不良情緒無法得到疏導(dǎo)。

四、基于情境感知的智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計在教育中的應(yīng)用

通過對智能教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用中存在問題的探究，研究者們一直在致力于系統(tǒng)的完善，重視系統(tǒng)的情境創(chuàng)設(shè)?；谇榫掣兄闹悄芙虒W(xué)系統(tǒng)設(shè)計也是高校應(yīng)用中研究的熱點。通過情境感知為每個協(xié)作者創(chuàng)立全局的、一致的協(xié)作環(huán)境，實現(xiàn)相互之間的信息交互，使協(xié)作更透明、更高效。

支持協(xié)作學(xué)習(xí)的智能教學(xué)系統(tǒng)在高校中的應(yīng)用，改進(jìn)了之前的支持自主學(xué)習(xí)的智能教學(xué)系統(tǒng)。使學(xué)習(xí)過程具有群體性，為學(xué)習(xí)者和教師提供相互感知的協(xié)作學(xué)習(xí)空間，信息流動性增強，考慮到學(xué)習(xí)者的情感體驗，智能性更高，提升了教學(xué)系統(tǒng)的有效性。隨著自然語言和機器語言接口模塊的不斷完善，支持情境感知的智能教學(xué)系統(tǒng)在高校中的應(yīng)用將更加智能化、個性化。

五、結(jié)束語

人工智能技術(shù)的發(fā)展及計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為人們獲取更加精確的表情數(shù)據(jù)信息及大量數(shù)據(jù)存儲、分析提供技術(shù)支持。3D 技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自然語言處理技術(shù)等將使支持情境感知的智能教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)更進(jìn)一步。教學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計上也會融入更加人性化的情感判斷，運用現(xiàn)代較流行的學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)。但由于技術(shù)實現(xiàn)及機器自身的局限性，在實際的教學(xué)中不能忽略教師的作用，在系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中也要注意教學(xué)模式的運用，真正做到個性化的因材施教。

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編輯∕岳 鳳