智能教學(xué)系統(tǒng)：需求分析、功能設(shè)計與技術(shù)架構(gòu)

摘 要 深入分析智能教學(xué)系統(tǒng)的概念內(nèi)涵及核心需求，在此基礎(chǔ)上闡述智能教學(xué)系統(tǒng)的功能設(shè)計與技術(shù)路線，旨在為當(dāng)前智慧教育背景下的教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及教學(xué)環(huán)境構(gòu)建提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞 智能教學(xué)系統(tǒng)；智慧教育；教學(xué)需求

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）06-0033-03

1 智能教學(xué)系統(tǒng)概念解讀

狹義的智能教學(xué)系統(tǒng)即ITS（Intelligent Tutoring System），是指借助人工智能技術(shù)，在沒有教師指導(dǎo)的情況下幫助學(xué)習(xí)者獲取知識和技能，主要指軟件系統(tǒng)。而若將其置于智慧教育的大背景下來看，智能教學(xué)系統(tǒng)是隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是指基于云計算、無線網(wǎng)絡(luò)和傳感技術(shù)等，有機整合軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備，由互動軟件與智能化的傳感設(shè)備、教學(xué)設(shè)備、終端設(shè)備、錄播設(shè)備、中控設(shè)備等硬件設(shè)備構(gòu)成的軟硬件一體化的智能教學(xué)環(huán)境。其典型代表是近年來廣受關(guān)注的智慧教室。

筆者結(jié)合在佛山市禪城區(qū)智慧校園項目中的研究實踐，認(rèn)為智能教學(xué)系統(tǒng)（環(huán)境）是一種“自適應(yīng)”的學(xué)習(xí)環(huán)境，其核心是以新一代信息技術(shù)為手段，捕獲、記錄、分析學(xué)習(xí)者風(fēng)格（包括學(xué)習(xí)者的能力、興趣、水平、認(rèn)知特點），并以學(xué)習(xí)風(fēng)格為依據(jù)，推送差異化的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使每位學(xué)習(xí)者均能在各自的起點水平上獲得知識、能力、情感的完善與發(fā)展。在學(xué)習(xí)方式上是以人（教師、學(xué)生）為主體，通過人與環(huán)境（設(shè)備環(huán)境、技術(shù)環(huán)境、資源環(huán)境）高效互動，促進(jìn)知識建構(gòu)，獲得能力發(fā)展。

2 智能教學(xué)系統(tǒng)的核心需求

即時、便捷的教學(xué)資源獲取及課堂生成性資源的捕獲和存儲 為破解課堂教學(xué)封閉的現(xiàn)狀，應(yīng)將教學(xué)系統(tǒng)資源平臺統(tǒng)籌考慮，無縫對接。教師在講課過程中可根據(jù)實際需求，在不打斷原有思路的情況下直接進(jìn)入資源平臺，及時獲取海量的優(yōu)質(zhì)教育資源，實時拓展教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。另一方面，教學(xué)系統(tǒng)與資源平臺的無縫整合，可將學(xué)生的筆記、作業(yè)、練習(xí)的作答，教師的反思、課件修改等在教學(xué)過程中產(chǎn)生的生成性信息實時存入資源庫系統(tǒng)，為學(xué)生課外的復(fù)習(xí)、鞏固、答疑，教師的觀摩、反思提供資源支持，為其專業(yè)成長提供有效路徑。

教學(xué)狀態(tài)信息的收集、統(tǒng)計與分析，輔助教學(xué)決策 教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)信息進(jìn)行及時的收集、統(tǒng)計與分析，輔助教師進(jìn)行教學(xué)決策，實時調(diào)整擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。同時，系統(tǒng)應(yīng)基于教學(xué)反饋信息的分析，診斷學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，提供智能化的篩選與分組功能，輔助教師進(jìn)行分層教學(xué)、個性化教學(xué)，便于開展基于小組的多種自主學(xué)習(xí)模式。

為高效互動的課堂教學(xué)提供技術(shù)支持 互動是任何教學(xué)系統(tǒng)都應(yīng)關(guān)注的重要因素。智能教學(xué)系統(tǒng)中的互動以教學(xué)主體為中心，通過新一代信息技術(shù)實現(xiàn)人與設(shè)備、資源、環(huán)境的多維度互動。智能教學(xué)系統(tǒng)可通過圖像識別、語音輸入、多點觸摸等技術(shù)實現(xiàn)人與終端的自然互動；通過傳感技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)環(huán)境（燈光、溫度等物理環(huán)境）的自適應(yīng)；通過一體化的系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)便捷、實時的資源獲??；通過實時的信息捕獲和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)教學(xué)狀態(tài)信息的動態(tài)跟蹤、捕獲、分析、反饋；通過富媒體的內(nèi)容呈現(xiàn)方式，營造情境化的教學(xué)環(huán)境，增強師生互動的體驗感。

為開展以學(xué)生為主體的教學(xué)提供有效支持 首先，智能教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)與資源平臺無縫整合，便于學(xué)生及時獲取海量優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源，圍繞優(yōu)質(zhì)資源開展自主學(xué)習(xí)；其次，系統(tǒng)應(yīng)提供學(xué)習(xí)診斷功能，并根據(jù)診斷結(jié)果施行智能化的分組，為開展以小組為單位的研究性學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)提供有效支持；最后，系統(tǒng)應(yīng)提供高效便捷的互動交流、協(xié)作分享的工具，為學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)提供工具支持。

智能化的課堂實況錄播 為支持教師的教學(xué)觀摩和學(xué)生的課外自主學(xué)習(xí)，可部署智能教學(xué)系統(tǒng)，通過智能化的識別與跟蹤拍攝技術(shù)，在不影響正常教學(xué)的情況下，將課堂教學(xué)實況完整記錄、實時存儲、發(fā)布，并可進(jìn)行同步直播。

有效拓展教學(xué)時空 為克服當(dāng)前課堂教學(xué)的時空局限，智能教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)嵌入電子作業(yè)系統(tǒng)、輔導(dǎo)答疑系統(tǒng)，并與資源平臺無縫整合。充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和學(xué)生移動終端，隨時隨地進(jìn)入資源系統(tǒng)點播教學(xué)視頻，下載學(xué)習(xí)資源，開展自主學(xué)習(xí)。同時可通過輔導(dǎo)答疑系統(tǒng)尋求問題解答，通過電子作業(yè)系統(tǒng)查閱、下載、提交。

3 智能教學(xué)系統(tǒng)的功能設(shè)計

智能教學(xué)系統(tǒng)旨在利用先進(jìn)的信息技術(shù)服務(wù)課堂教學(xué)，拓展教學(xué)時間和空間，提升教師的教學(xué)效能，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。綜合以上分析，并結(jié)合智慧教室的構(gòu)建實踐，從系統(tǒng)應(yīng)滿足的核心功能這一角度，認(rèn)為智能教學(xué)系統(tǒng)的功能設(shè)計應(yīng)包含學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)、資源獲取、高效互動、學(xué)習(xí)信息收集與分析、實時錄播、智能控制、課堂延展等功能模塊。具體包括智能備課系統(tǒng)、互動課堂系統(tǒng)、答疑評價系統(tǒng)、電子作業(yè)系統(tǒng)和綜合評價系統(tǒng)等五個緊密關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，其功能框架如圖1所示。

智能備課系統(tǒng)基于強大的教育資源平臺，提供了教學(xué)流程定義、備課資源智能匯聚、輕松編輯素材、快速制作教案、自動生成教學(xué)網(wǎng)站的智能備課功能，可將教師從繁雜的資源搜索、加工中解放出來，而將精力集中于教學(xué)流程設(shè)計和教學(xué)策略制定。

互動課堂系統(tǒng)為教師開展互動教學(xué)提供了智能化、一體化解決方案，包括教師端的交互式電子白板、短焦投影、實物展臺，學(xué)生端的電子書包及實現(xiàn)互聯(lián)、互操作的講課軟件和無線網(wǎng)絡(luò)?？稍谡n時部署自動錄播系統(tǒng)，實現(xiàn)授課實況智能錄播。利用智能講課系統(tǒng)，教師可以按備課的教學(xué)流程在電子白板上演播素材、任意調(diào)整播放窗口、任意書寫，既像寫黑板一樣輕松自如，又能隨時保存，并可借助虛擬教具進(jìn)行高效教學(xué)。同時，通過講課軟件可實現(xiàn)學(xué)生端和教師端的內(nèi)容同步。教師也可根據(jù)學(xué)生的具體情況將不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容有針對性地發(fā)送至學(xué)生終端，實現(xiàn)個性化教學(xué)。系統(tǒng)還提供了學(xué)生學(xué)習(xí)分析功能，可對學(xué)生的作業(yè)、課堂練習(xí)的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并且將分析結(jié)果在電子白板進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，教師可據(jù)此實時掌握教學(xué)情況，調(diào)整教學(xué)策略。

答疑評價系統(tǒng)整合了功能強大的QQ和微信平臺，構(gòu)建了師生、生生間的信息交流通道，學(xué)生可隨時隨地通過移動終端開展學(xué)習(xí)交流，獲取疑難解答。

電子作業(yè)系面向教師提供了作業(yè)布置、批改和統(tǒng)計分析功能，面向?qū)W生提供了作業(yè)提醒、查看、作答及個人作業(yè)的記錄與統(tǒng)計分析功能。此外，教師既可利用系統(tǒng)中海量優(yōu)質(zhì)的試題資源自動生成作業(yè)，也可自主編輯發(fā)布。

綜合評價系統(tǒng)全面收集學(xué)生的課堂練習(xí)、課程作業(yè)、考試成績以及學(xué)生的考勤、獎懲、業(yè)績等信息，并制定科學(xué)的評價指標(biāo)體系，全面診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，為教師教學(xué)決策提供重要依據(jù)，為家長全面了解孩子的情況提供有效渠道。

4 智能教學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

智能教學(xué)系統(tǒng)采用與學(xué)校其他信息化系統(tǒng)一體化的層次設(shè)計模式，包括網(wǎng)絡(luò)層、硬件層和軟件層三個層次。各類用戶可通過單點登錄系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作。同時，智能教學(xué)系統(tǒng)基于SOA的架構(gòu)體系，實現(xiàn)與資源平臺及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無縫對接；提供獨立接口，與第三方平臺兼容、對接，整合第三方服務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)擴(kuò)展。智能教學(xué)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層提供了智能教學(xué)系統(tǒng)各類軟硬件設(shè)備間互聯(lián)、互通、互動、互操作的基礎(chǔ)條件。教師端通過有線網(wǎng)絡(luò)與資源平臺、其他子系統(tǒng)及外部網(wǎng)絡(luò)相連，通過WiFi與電子書包互聯(lián)，電子書包間可通過WiFi實現(xiàn)互聯(lián)。傳感網(wǎng)實現(xiàn)了對課室內(nèi)的溫度、濕度、照度等環(huán)境數(shù)據(jù)的感知、捕獲、傳輸與分析，實現(xiàn)教室環(huán)境的智能控制。

硬件層 硬件層包括提供學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)、傳達(dá)，教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)、教學(xué)互動功能的教師終端、電子書包、電子白板、實物展臺等設(shè)備；提供智能跟蹤、自動錄制、一鍵存儲、同步直播的智能錄播系統(tǒng)；提供各類設(shè)備整合、集中控制的智能講臺。

軟件層 軟件層面向最終用戶，提供教育教學(xué)的各類應(yīng)用和服務(wù)，包括面向課前的備課系統(tǒng)，面向課中的講課系統(tǒng)、電子作業(yè)系統(tǒng)，以及面向課后的輔導(dǎo)答疑、綜合評價系統(tǒng)三部分。

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