智能問答機(jī)器人輔助的在線教學(xué)模式研究

戚玉濤　于強(qiáng)　陳龍　馬曉亮

摘 要 在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)與教育領(lǐng)域深度融合的背景下，傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式面臨著一場(chǎng)歷史性的變革。如何引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極交流，探索完善以學(xué)生為中心的新教學(xué)模式，成為目前要解決的關(guān)鍵問題。本文以C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)為例，構(gòu)建智能問答機(jī)器人，并以此為契機(jī)探索在線教學(xué)的新模式，解決教學(xué)資源組織與推薦、教學(xué)過程跟蹤與管理和教學(xué)效果評(píng)價(jià)與反饋等核心問題，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞 智能問答機(jī)器人 智慧教育 在線教學(xué)模式 自主學(xué)習(xí)能力

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

以互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的信息技術(shù)對(duì)教育領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響。我國教育信息化在經(jīng)歷了以電化教育為代表的數(shù)字化時(shí)代和以遠(yuǎn)程教育、在線教育等為代表的網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，目前正朝著以智能化、泛在化、個(gè)性化、開放化和協(xié)同化為特征的智慧教育的新階段邁進(jìn)。2017年7月，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出“利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系.開展智能校園建設(shè)，推動(dòng)人工智能在教學(xué)、管理、資源建設(shè)等全流程應(yīng)用”，這標(biāo)志著我國智慧教育時(shí)代的開端。2018年4月，教育部發(fā)布的《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》中提出了“以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，積極開展智慧教育創(chuàng)新研究和示范，推動(dòng)新技術(shù)支持下教育的模式變革和生態(tài)重構(gòu)“的要求，進(jìn)一步推動(dòng)了教育理念的更新、教學(xué)模式的變革、和教育體系的重構(gòu)，加速了教育信息化向智慧教育的轉(zhuǎn)段升級(jí)。目前，國內(nèi)外對(duì)智慧教育尚未形成嚴(yán)格的定義，新加坡在iN2015計(jì)劃中指出了智慧教育的特點(diǎn)，即泛在學(xué)習(xí)、交互式數(shù)字學(xué)習(xí)資源、適應(yīng)不同學(xué)習(xí)風(fēng)格的智能學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

自然語言處理（Natural Language Processing，NLP）是人工智能領(lǐng)域的重要分支，是計(jì)算機(jī)理解人類語言并實(shí)現(xiàn)自然流暢的人機(jī)交互的橋梁。在NLP技術(shù)的支持下，智能問答機(jī)器人以其符合人類自然交互習(xí)慣且能夠有效處理非精確信息交互的特點(diǎn)，吸引了越來越多研究者的關(guān)注，并逐漸應(yīng)用于教育領(lǐng)域。尤其隨著知識(shí)圖譜（Knowledge Graph）技術(shù)的發(fā)展和對(duì)NLP技術(shù)的推動(dòng)，使得問答機(jī)器人的智能水平顯著提升。在知識(shí)圖譜的支持下，智能問答機(jī)器人將提問者用自然語言提出的問題采用NLP技術(shù)轉(zhuǎn)化為能夠?qū)χR(shí)圖譜進(jìn)行查詢的語句，然后利用知識(shí)圖譜中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)完成知識(shí)查詢，再將查詢出的知識(shí)作為答案反饋給提問者，從而為提問者提供準(zhǔn)確簡潔的答案。在高等教育領(lǐng)域，智能問答機(jī)器的應(yīng)用已經(jīng)涵蓋工程、英語、醫(yī)學(xué)、心理、教育等多個(gè)學(xué)科，充分體現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、激勵(lì)學(xué)習(xí)等以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)理念。

本文以C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)為實(shí)例，構(gòu)建教學(xué)領(lǐng)域知識(shí)圖譜，并基于知識(shí)圖譜搭建面向C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)的智能問答機(jī)器人。進(jìn)一步以智能問答機(jī)器人為切入口，分析學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握情況，有針對(duì)性的為學(xué)生推薦適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)資源。于此同時(shí)，通過分析大量學(xué)生的問答日志，挖掘教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，并以之引導(dǎo)學(xué)習(xí)資源推薦系統(tǒng)的智能行為，加強(qiáng)對(duì)教學(xué)過程的跟蹤與管理。最后將課程知識(shí)圖譜、智能問答機(jī)器人與考試系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)效果的綜合評(píng)價(jià)，并將信息反饋給教師以及時(shí)修整完善教學(xué)環(huán)節(jié)，形成持續(xù)改進(jìn)的閉環(huán)?；谏鲜鲆灾悄軉柎饳C(jī)器人為核心的智慧平臺(tái)，試圖以C語言教學(xué)為例，探索一種新的師生協(xié)同教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)以教師為中心到以學(xué)生為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)效率。

1基于智能問答機(jī)器人的在線教學(xué)模式

智能問答機(jī)器人是指使用自然語言對(duì)提問者輸入的問句做出相應(yīng)回答的智能系統(tǒng)。在提問者以自然語言的形式提出問題后，智能問答機(jī)器人通過問題分析、信息檢索和答案抽取三個(gè)步驟，同樣以自然語言的形式反饋給提問者一個(gè)簡短、精確的答案。因此，智能問答機(jī)器人的構(gòu)建需要解決以下三方面的問題：其一，如何分析問題，抽取問題的類型、主題和關(guān)鍵字等信息，得到提問者的詢問意圖。其二，如何根據(jù)問題的分析結(jié)果去縮小答案可能存在的范圍，檢索包含答案的數(shù)據(jù)。其三，如何從可能存在答案的信息塊中抽取答案，并生成自然語言形式表達(dá)的回答。在面向智慧教育的智能問答機(jī)器人構(gòu)建過程中，上述三方面的問題要結(jié)合課程的知識(shí)體系，從建立課程知識(shí)圖譜出發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能化的問句理解和答案生成。進(jìn)一步以課程智能問答機(jī)器人為媒介，建立如圖1所示的具有持續(xù)改善能力的教學(xué)體系。

在圖1中，教師首先通過知識(shí)圖譜管理系統(tǒng)構(gòu)建課程知識(shí)圖譜，基于課程知識(shí)圖譜將課程知識(shí)體系和教學(xué)資源有機(jī)組織起來，輔助實(shí)現(xiàn)智能問答機(jī)器人的答案生成和學(xué)習(xí)資源推薦。學(xué)生向智能問答機(jī)器人提問，并獲得智能問答機(jī)器人反饋的答案實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。通過對(duì)問答日志的分析，系統(tǒng)將適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)資源推薦給學(xué)生學(xué)習(xí)。同時(shí)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況抽取在線考試題目，督促學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生通過向智能問答機(jī)器人提問，在獲得答案和學(xué)習(xí)資源后進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，最后完成在線考試反饋學(xué)習(xí)情況，從而形成一個(gè)學(xué)生自學(xué)的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)質(zhì)量提升。另一方面，通過對(duì)問答日志的分析可以從宏觀和微觀兩個(gè)層面跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)合在線考試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)，再將評(píng)價(jià)結(jié)果反饋給教師，以輔助教師發(fā)現(xiàn)并修正教學(xué)過程中存在的不足，給與學(xué)生有針對(duì)性的指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。

2基于智能問答機(jī)器人的在線教育平臺(tái)

在上述圍繞智能問答機(jī)器人的在線教學(xué)模式指導(dǎo)下，本文以C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)為例，構(gòu)建了課程知識(shí)圖譜，并開發(fā)了一套智慧教育平臺(tái)，如圖2所示。

該平臺(tái)提供了在線學(xué)習(xí)、在線測(cè)試功能，為了提升學(xué)習(xí)趣味性設(shè)計(jì)了沖擊關(guān)卡模式。其中，@機(jī)器人模塊為學(xué)生提供了智能問答入口，輔助學(xué)生完成在線自主學(xué)習(xí)。面向C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)的智能問答機(jī)器人架構(gòu)如圖3所示。

智能問答機(jī)器人從學(xué)生提問開始，系統(tǒng)采用自然語言理解技術(shù)對(duì)所提問題進(jìn)行解析，識(shí)別問題的類型以及問題核心。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，機(jī)器人從課程知識(shí)圖譜中抽取問題答案并通過教師確認(rèn)后形成問答庫。對(duì)于后續(xù)的提問，系統(tǒng)首先從問答庫中進(jìn)行問題匹配，如果命中問題，則返回問題答案給提問學(xué)生。否則，系統(tǒng)將問題自動(dòng)推薦給適合解答的學(xué)生用戶或教師用戶，學(xué)生和教師均可對(duì)問題進(jìn)行解答。教師對(duì)解答審核通過后存入問答庫，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的智能化水平。

3結(jié)語

本文以C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)為例構(gòu)建了一套智慧教育平臺(tái)，并探索了一種基于智能問答機(jī)器人的在線教學(xué)模式?；谥悄軉柎鹣到y(tǒng)，學(xué)生之間可以相互提問討論學(xué)習(xí)，從而激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。教師可以通過參與問答及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，掌握學(xué)生對(duì)問題的理解深度，發(fā)現(xiàn)難點(diǎn)問題，分析教學(xué)過程中的不足，從而及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。借助該智能問答系統(tǒng)，有助于形成一種新的師生協(xié)同教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)從老師教學(xué)生學(xué)，到老師指導(dǎo)，學(xué)生互相學(xué)習(xí)，合作學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。

基金項(xiàng)目：該項(xiàng)研究受到西安電子科技大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（No. B18014）資助。

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