淺析計算機(jī)輔助教學(xué)中人工智能的應(yīng)用和對策

王遠(yuǎn)明

(黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

引言

隨著高科技的發(fā)展，越來越多的多媒體被應(yīng)用于各種行業(yè)，此前“阿爾法狗”擊敗世界圍棋冠軍柯潔的消息，再次引起人們對人工智能(AI)對教育影響的關(guān)注。人工智能是計算機(jī)發(fā)展帶來的富有創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的一個領(lǐng)域。為了使教育行業(yè)更加符合社會發(fā)展的規(guī)律，人們開始把計算機(jī)引進(jìn)教學(xué)領(lǐng)域并合理的加以運用。人工智能與教學(xué)專家系統(tǒng)的結(jié)合，促使人們將各種技術(shù)引入計算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)中，這就是現(xiàn)在的智能計算機(jī)輔助教學(xué)(ICAI)。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，智能型計算機(jī)輔助教學(xué)在空間上，有著更加廣泛、更加寬闊的知識，在時間上有著更加深遠(yuǎn)的積淀。本文首先介紹人工智能和計算機(jī)輔助教學(xué)的概念和現(xiàn)狀，并分析其現(xiàn)有問題；其次，從AI和CAI的相互聯(lián)系，重點論述兩者結(jié)合帶來的影響和獲得的成果；最后結(jié)合應(yīng)用實例，深入認(rèn)識ICAI具有的優(yōu)勢。

1 人工智能與計算機(jī)輔助教學(xué)

人工智能，簡稱AI，是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的一種科學(xué)，它是一種以計算機(jī)為分支，融合了數(shù)學(xué)倫理，心理，神經(jīng)學(xué)等多門學(xué)科而形成的綜合性學(xué)科。人工智能主要是運用計算機(jī)來模擬人類的思維、記憶、感知、推理等行為方式。從研究對象來說，主要包括機(jī)器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)。現(xiàn)有的實際應(yīng)用，包括指紋識別、人臉識別、視網(wǎng)膜識別、虹膜識別、機(jī)器視覺、專家系統(tǒng)、智能搜索、自動規(guī)劃、定理證明、智能控制、語言和圖像理解等。

計算機(jī)輔助教學(xué)，即CAI，從計算機(jī)技術(shù)逐漸被應(yīng)用于教育領(lǐng)域, 就發(fā)展成為一種新興的教育技術(shù)[1]。CAI利用計算機(jī)作為教學(xué)媒體工具進(jìn)行教學(xué)活動，具有教學(xué)內(nèi)容和形式多樣化、適用性廣、信息即時性強(qiáng)等特點。與其他教學(xué)媒體工具相比，CAI可以根據(jù)學(xué)生在教學(xué)活動中的差異和特點，得出分支型的教學(xué)程度信息，促使教師提供的教材和教學(xué)方法更適合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點。CAI 最主要采用計算機(jī)多媒體技術(shù)，集圖、文、聲于一體，使同一教學(xué)內(nèi)容能夠以多種形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，同時快速的高速處理功能，也能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)情況作出及時判斷和分析。

2 人工智能計算機(jī)輔助教學(xué)的局限性

計算機(jī)輔助教學(xué)把人工智能應(yīng)用進(jìn)日常教學(xué)工作中，有以下幾點局限：

2.1 缺乏人機(jī)交流

現(xiàn)在的人工智能是一種機(jī)械化的思維操作方式，它的存在只能說是一種仿生設(shè)計。這種計算機(jī)輔助日常教學(xué)工作在課件展示上缺乏最起碼的人機(jī)交流，如在英語課堂上，老師會用計算機(jī)來播放英語歌曲或者有關(guān)某一單詞的記憶法則。當(dāng)前的人工智能，計算機(jī)只是在文字輸入方面，通過大屏幕來展現(xiàn)老師所要表達(dá)的內(nèi)容，并沒有實際的人機(jī)交流。如果有學(xué)生提出通過這個單詞可以衍生什么單詞，你會想到哪些詞語？計算機(jī)的回答就是沒有回答。我們處在大數(shù)據(jù)時代，應(yīng)該提高精準(zhǔn)化，以數(shù)據(jù)為信息，進(jìn)行更多宏觀調(diào)控，加強(qiáng)更為科學(xué)的人機(jī)交流。

2.2 忽略課程本身

每一種課程都有它自身的特點。每一種課程的每一堂課也有不同的側(cè)重點。如果使用千篇一律的課件而缺乏對課程本身的關(guān)注，千篇一律的教學(xué)方案將會壓制課堂而無法充分調(diào)動學(xué)習(xí)氣氛。身為一名老師，有一個重大的責(zé)任，就是讓學(xué)生充分掌握課堂上的每一個內(nèi)容。如果無法使人工智能充分發(fā)揮它本身的效果，那么將無法對日常教學(xué)提供輔助性的幫助。知識在具有傳遞性的同時也具有可接受性[2]，要進(jìn)行專門的訓(xùn)練。比如通過一些技巧性的設(shè)問來加強(qiáng)學(xué)生對該知識的掌握。人工智能也應(yīng)該具有一定的思維模式。針對一些老師無法解答的問題及時做出合理解釋，充分發(fā)揮它在時間空間上的優(yōu)勢。重視課程本身，針對學(xué)生各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，調(diào)整教學(xué)策略，優(yōu)化學(xué)習(xí)的唯一性，真正做到“一對一”模式。

2.3 缺失教師與學(xué)生的互動

在現(xiàn)代的教學(xué)方式中有一種教學(xué)方式占主導(dǎo)，就是提前將班上的同學(xué)分為小組的形式，并且提前進(jìn)行內(nèi)容預(yù)習(xí)，然后在該節(jié)課堂上讓學(xué)生依次提問，并給出合理的解釋。如果有學(xué)生因為特殊原因沒有及時的對文章進(jìn)行預(yù)習(xí)。那么他將不會很好地掌握這門課，長此以往，將會失去預(yù)習(xí)的動力。當(dāng)今的人工智能計算機(jī)在輔助日常教學(xué)工作中，主要是依靠學(xué)生自主學(xué)習(xí)；教師無法完全了解學(xué)生的疑問，學(xué)生也無法及時向教師提出自己的困惑。當(dāng)前人工智能體系缺失互動環(huán)節(jié)。應(yīng)該向?qū)W生與老師這兩大主體方向發(fā)展，做到“全時”，跨越空間的互動教學(xué)，全面建成線上環(huán)境，全方位發(fā)展，提高效率。

2.4 普及困難

目前人工智能輔助教學(xué)體系還不夠完善，資金投入需求大，要求家庭具有一定的經(jīng)濟(jì)實力。這對一些貧窮落后地區(qū)是不公平的，無疑會加劇文化差異，因為經(jīng)濟(jì)條件懸殊。假設(shè)現(xiàn)在一所慈善機(jī)構(gòu)，打算給湖南一所山區(qū)學(xué)校捐贈，主要是以人工智能計算機(jī)輔助日常教學(xué)，但使用過程中，學(xué)校卻無相關(guān)人員可以對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。山區(qū)里的老師，也無法將這種設(shè)備的效能最大發(fā)揮出來。鐵在鐵匠手里可以打磨成刀具；在電焊工人手中將會制作成生活中常用的桌椅板凳等；在一些地區(qū)可以鑄造成錢幣。同等價值的東西在不同的人手中，會發(fā)生不同的效用。

2.5 發(fā)展不夠完善

人工智能雖發(fā)展迅速，但由于它起步晚，所以輔助日常教學(xué)體系不夠完全，主要傾向于單項[3]，無法根據(jù)學(xué)生的實際情況進(jìn)行針對性的教學(xué)。這需要我們針對信息處理、符號處理、問題處理求解這些方面進(jìn)行改善。加強(qiáng)人工智能的信息錄入，以及信息輸出和符號處理，主要是指計算機(jī)系統(tǒng)自身的設(shè)計框架編程等問題，求解主要是指學(xué)生與老師的互動，應(yīng)當(dāng)明確計算機(jī)輔助教學(xué)哪些內(nèi)容。國家應(yīng)該大力支持，制定相關(guān)政策進(jìn)行保護(hù)；減少稅收，增加技術(shù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)支持。

3 人工智能計算機(jī)輔助日常教學(xué)的改善

結(jié)合第1、2部分，我們可得出，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，科學(xué)技術(shù)正極大地改變教育者與學(xué)習(xí)者之間的互動，甚至促進(jìn)了教育形式的變革，因此如何改善人工智能計算機(jī)輔助教學(xué)的現(xiàn)狀，顯得尤為重要。

3.1 加強(qiáng)人機(jī)交互，提高效率

根據(jù)調(diào)查，當(dāng)前人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在語言識別、圖像識別、定理證明、人機(jī)交互等方面，但是普遍存在的情況，是教師在教學(xué)活動中采用人工智能的過程十分生硬，應(yīng)用效率低，缺乏實際操作。為此可以做出如下嘗試：例如，可以讓教師通過語言識別和語義分析技術(shù)，進(jìn)行英語口語評估以及糾正、改進(jìn)學(xué)生的英語發(fā)音，通過圖像識別技術(shù)批改作業(yè)和試卷，通過人機(jī)交互技術(shù)在線解答學(xué)生的問題。據(jù)報道，美國佐治亞理工大學(xué)的機(jī)器人助教已能實現(xiàn)同學(xué)生在線溝通交流。

3.2 因材施教，個性化學(xué)習(xí)

因材施教是教學(xué)中重要的教學(xué)方法和教學(xué)原則。在教學(xué)中，教師根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)能力和自身素質(zhì)，選擇適合每個學(xué)生的學(xué)習(xí)方法來進(jìn)行有針對性的教學(xué)，但在應(yīng)試教育大環(huán)境下，實施起來說易行難。人工智能介入后，大幅提高因材施教的可行性，可通過以下途徑來實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)：(1)分析內(nèi)容，構(gòu)建知識地圖。構(gòu)建和優(yōu)化學(xué)科內(nèi)容模型、教學(xué)模型以及學(xué)生模型，建立知識圖譜，每個知識點打上包括內(nèi)容、學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)風(fēng)格、內(nèi)容質(zhì)量、難易度、區(qū)分度等信息的標(biāo)簽，讓用戶更容易、更準(zhǔn)確地找到適合自己的內(nèi)容。(2)自適應(yīng)學(xué)習(xí)，實現(xiàn)智能化推薦。人工智能通過計算機(jī)手段分析教學(xué)、作業(yè)、測評環(huán)節(jié)的學(xué)生數(shù)據(jù)，檢測學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)水平和學(xué)習(xí)狀態(tài)，匹配最合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容和路徑，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率。例如，美國著名的自適應(yīng)平臺Knewton，教師將自己的課程知識以Knewton的體系數(shù)字化，通過不斷評估學(xué)生對知識點的掌握程度，為每個學(xué)生動態(tài)推薦合適的學(xué)習(xí)路徑和內(nèi)容，并抓取學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，預(yù)估未來的學(xué)習(xí)程度，分析下一階段應(yīng)該學(xué)什么，以滿足學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求。

3.3 分析教學(xué)數(shù)據(jù)，優(yōu)化教學(xué)資源

人工智能不僅可以節(jié)省教師的人力，提高教學(xué)效率，而且可以推動教學(xué)方法的改革。人工智能推動個性化教育，實現(xiàn)因材施教，已成為探索個性化教育的方向。然而，實現(xiàn)人工智能的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的收集和分析。教育數(shù)據(jù)來源于各種教育活動和整個教學(xué)過程。將人工智能應(yīng)用于教育，首先面臨的是數(shù)據(jù)采集問題。目前，教育數(shù)據(jù)有兩種來源:一種來自數(shù)字教學(xué)環(huán)境，其中教與學(xué)數(shù)據(jù)是自然生成的；二是從傳統(tǒng)的教學(xué)行為中收集教育信息并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，隨著互聯(lián)網(wǎng)+教育的進(jìn)一步發(fā)展，未來的教育數(shù)據(jù)將成為制約人工智能輔助教學(xué)發(fā)展的主要因素。

因此，作者提出以下建議:第一，利用人工智能的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化技術(shù)，將當(dāng)前收集的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)進(jìn)行分析。例如，學(xué)生做試卷、作業(yè)，經(jīng)編譯轉(zhuǎn)成計算機(jī)可以處理和分析的數(shù)據(jù)。第二，保存好數(shù)據(jù)驅(qū)動個性化教學(xué)資源。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)在教育平臺上跟蹤和關(guān)注教師和學(xué)生的教學(xué)、學(xué)習(xí)過程，記錄教師和學(xué)生的課堂表現(xiàn)以及課下行為的數(shù)字化痕跡。第三是結(jié)構(gòu)化優(yōu)質(zhì)教育資源。自適應(yīng)教學(xué)產(chǎn)品的開發(fā)需要教學(xué)過程中的有效數(shù)據(jù)，自然狀態(tài)下的教學(xué)過程數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的，數(shù)據(jù)挖掘的維度不僅限于測試結(jié)果和作業(yè)，還包括學(xué)習(xí)路徑、內(nèi)容、規(guī)律、速度、偏好等深度數(shù)據(jù)。此外，不同數(shù)據(jù)點之間的關(guān)系也很復(fù)雜。系統(tǒng)擁有大量的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，能夠為學(xué)生診斷問題，最終將個性化的學(xué)習(xí)資源推送給學(xué)生。

3.4 深化和發(fā)展智能測評

隨著信息技術(shù)和人工智能的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、語言識別、字符識別、語義識別、圖像識別等技術(shù)，使得規(guī)?；淖詣优暮蛡€性化反饋成為現(xiàn)實。首先，系統(tǒng)檢查拼寫和語法的錯誤，然后外教進(jìn)行人工批改，對文章的思想、邏輯和表達(dá)方面提出建議。系統(tǒng)批改的結(jié)果不僅供教師參考，也供學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)中參考。目前，智能測評系統(tǒng)，如我國科大訊飛、美國實時數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)效果評測網(wǎng)站MathodiX，以及美國教育考試服務(wù)中心(ETS)，都已經(jīng)有不錯的實踐用例。

4 結(jié)語

人工智能在教育領(lǐng)域應(yīng)用是大勢所趨。目前，已有的智能產(chǎn)品包括拍照搜題、作文批改、組卷閱卷、口語評測、作業(yè)布置、分層排課等，這些工具采用了先進(jìn)的人工智能技術(shù)。雖然應(yīng)用場景只停留在學(xué)習(xí)過程的輔助環(huán)節(jié)，但人工智能在計算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用將逐步深入，教學(xué)現(xiàn)代化與計算機(jī)輔助教學(xué)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(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)各個方面的發(fā)展都將更加顯著，必將帶來教學(xué)質(zhì)量和效果的提高，帶來學(xué)習(xí)理念和方式的改進(jìn)。