一種基于人工智能的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

[摘 " " " " " 要] "人工智能與課堂教學(xué)的結(jié)合往往基于對(duì)課堂教學(xué)行為數(shù)據(jù)的采集和分析。在大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)挖掘等技術(shù)的發(fā)展下，教師可以結(jié)合各種軟硬件采集的數(shù)據(jù)來使課堂更加智慧。拋開傳統(tǒng)的利用數(shù)據(jù)的方式，基于BOPPPS教學(xué)模型和人工智能領(lǐng)域中知識(shí)表征方向的Answer Set Programming（ASP），提出了一種新的教學(xué)設(shè)計(jì)模型。結(jié)合ASP中的內(nèi)容，提供了一系列提高課堂效率的操作。分析了該教學(xué)設(shè)計(jì)模型對(duì)學(xué)生各方面能力培養(yǎng)的促進(jìn)作用。以全等三角形為例，并結(jié)合了一種ASP語言（SPARC語言），展示了該全新教學(xué)設(shè)計(jì)模型的應(yīng)用。該方法對(duì)人工智能與傳統(tǒng)教學(xué)的結(jié)合提供了一個(gè)新的思路，具有重要的實(shí)踐探索意義。

[關(guān) " "鍵 " 詞] "人工智能;知識(shí)表征;BOPPPS;ASP;SPARC

[中圖分類號(hào)] "G642 " " " " " " " " " [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] "A " " " " " " " " [文章編號(hào)] "2096-0603（2022）31-0115-03

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的電子媒介開始進(jìn)入課堂。課堂中師生會(huì)借助各種各樣的軟硬件設(shè)備來輔助教學(xué)，使得課堂變得越來越智能。人工智能、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)挖掘、知識(shí)表征、知識(shí)圖譜等技術(shù)的發(fā)展對(duì)教育起著潛移默化的推動(dòng)作用，使得課堂變得更加智慧。但是當(dāng)談及智慧教學(xué)的時(shí)候，人們更多想到的是利用各種軟硬件設(shè)備采集師生教與學(xué)的課堂行為數(shù)據(jù)，然后利用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)挖掘等技術(shù)來分析數(shù)據(jù)、生成報(bào)告并最終反向指導(dǎo)教學(xué)。人們很少利用人工智能知識(shí)表征領(lǐng)域中的內(nèi)容和工具來進(jìn)行智慧教學(xué)。本文結(jié)合BOPPPS這一高效的教學(xué)模型，并利用知識(shí)表征領(lǐng)域里面的Answer Set Programming（ASP）創(chuàng)造性地提出了一種新的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、BOPPPS教學(xué)模型的介紹

BOPPPS教學(xué)模型是一種高效的課堂組織形式，它是由加拿大ISW創(chuàng)辦的。該模型通過將一堂課分解為六個(gè)不同的部分來達(dá)到高效教學(xué)的目的，這六個(gè)部分分別為：導(dǎo)入、學(xué)習(xí)目標(biāo)、前測、參與式學(xué)習(xí)、后測、總結(jié)。在導(dǎo)入階段，教師獲取學(xué)習(xí)者注意力、構(gòu)建學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，建立學(xué)習(xí)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)或其他內(nèi)容的相關(guān)性。同時(shí)，學(xué)習(xí)者可以找出學(xué)習(xí)內(nèi)容對(duì)我有什么幫助，為什么該學(xué)習(xí)內(nèi)容是重要的，以及為什么我需要學(xué)習(xí)這個(gè)內(nèi)容。在學(xué)習(xí)目標(biāo)階段，教師明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。教師的教學(xué)內(nèi)容需要圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)來講授。學(xué)習(xí)者會(huì)知道在他們的課程學(xué)習(xí)中將會(huì)掌握什么內(nèi)容。當(dāng)學(xué)習(xí)者知道了他們的學(xué)習(xí)目標(biāo)之后，他們的學(xué)習(xí)將會(huì)更加有目的性。在課程結(jié)束時(shí)，這個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)需要能夠被檢測。在前測階段，教師對(duì)學(xué)習(xí)者的知識(shí)背景和興趣進(jìn)行評(píng)估，以及確定是否需要調(diào)整學(xué)習(xí)的進(jìn)度和深度。學(xué)習(xí)者可以回顧之前的知識(shí)以及評(píng)估自己的優(yōu)勢和不足。在參與式學(xué)習(xí)階段，教師圍繞教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)一系列教學(xué)活動(dòng)讓學(xué)習(xí)者盡可能地參與課堂。教師圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)習(xí)者通過積極學(xué)習(xí)加深對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)的理解。在后測階段，教師和學(xué)生一起檢測學(xué)習(xí)目標(biāo)是否完成以及相應(yīng)的知識(shí)掌握程度。在總結(jié)階段，教師對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行歸納、總結(jié)和展望，使整個(gè)課程得以完整。在具體的實(shí)施過程中，這六個(gè)部分無需線性地進(jìn)行，可嵌入式地遞歸進(jìn)行（特別是在參與式學(xué)習(xí)部分），如有必要省去或弱化不重要的一兩個(gè)部分也是可以的。

二、Answer Set Programming以及SPARC語言的

介紹

不同于一般的編程語言（無論是面向過程的編程語言還是面向?qū)ο蟮木幊陶Z言），邏輯編程是一種描述性編程語言，它不需要考慮好解決問題所需的過程，只需要考慮好問題的邏輯部分。它一般由擁有真假的描述語言構(gòu)成，比如Prolog。ASP是邏輯編程語言，它在人工智能的一個(gè)分支（知識(shí)表征）領(lǐng)域運(yùn)用得非常廣泛。當(dāng)然它本身也足夠強(qiáng)大，可以用來解決很多問題，比如，動(dòng)態(tài)領(lǐng)域建模、智能體規(guī)劃、智能體診斷、概率推理等。

SPARC是一種ASP語言。SPARC程序由類別定義（sorts）、謂詞定義（predicates）、程序規(guī)則（rules）三個(gè)部分構(gòu)成。sorts、predicates和rules是SPARC程序的關(guān)鍵字，它們寫在各個(gè)部分的開頭。SPARC程序的符號(hào)空間是一個(gè)五元組，∑=（O，F(xiàn)，P，V，S）。其中，O代表的是對(duì)象常量，F(xiàn)代表的是函數(shù)常量，P代表的是謂詞常量，V代表的是變量，S代表的是類別。規(guī)則是由符號(hào)空間中的這些符號(hào)組成，當(dāng)然默認(rèn)包括非負(fù)整數(shù)、算數(shù)函數(shù)和數(shù)量關(guān)系。規(guī)則的數(shù)學(xué)表示為：l0 or…or li ← l（i+1），…，lm，not l（m+1），…，not ln. 其中，li為p（t1，…，tn）或┐p（t1，…，tn）。在規(guī)則表達(dá)式中原子公式由項(xiàng)構(gòu)成（項(xiàng)由變量、常量和函數(shù)構(gòu)成），原子公式及其否定稱之為文字。其中not修飾的否定稱之為默認(rèn)的否定，它表示相應(yīng)的原子公式并不認(rèn)為是真的。原子公式以及原子公式的否定的“與”構(gòu)成一條規(guī)則的規(guī)則體。規(guī)則頭則由原子公式的“或”構(gòu)成。由規(guī)則體和規(guī)則頭構(gòu)成的規(guī)則表示如果滿足什么條件那么就會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果。由這樣構(gòu)成的一條一條規(guī)則組成了SPARC程序的邏輯。知識(shí)的推理可以通過相應(yīng)查詢來完成。規(guī)則的集合則表示了相應(yīng)的知識(shí)庫。

三、BOPPPS教學(xué)模型并結(jié)合SPARC語言的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

SPARC語言作為一門描述性的語言，它可以進(jìn)行知識(shí)庫的建模，通過相應(yīng)的查詢語句可以查詢知識(shí)推理的結(jié)果。它有很強(qiáng)的表達(dá)性，并且語法簡單，理解容易。教學(xué)過程中所涉及的教學(xué)目標(biāo)、知識(shí)點(diǎn)、操作等，可以很容易使用SPARC語言中的類別、謂詞和規(guī)則來表示。SPARC語言中使用一階謂詞邏輯來進(jìn)行推理，但推理使用的規(guī)則需要自己寫。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以很容易地使用SPARC語言來檢測自己對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)是否能夠理解。由于計(jì)算機(jī)推理是精確的推理，而人類的推理往往不那么精確。于是，我們可以很容易使用這一特性來檢測和加強(qiáng)知識(shí)中理解得不是很好的部分。所以，可以將SPARC語言引入課堂中來提高教學(xué)效率。在課堂中，師生通過SPARC語言可以進(jìn)行如下的操作：

1.教師自己編寫相應(yīng)的類別、謂詞和規(guī)則。

2.教師讓學(xué)生編寫相應(yīng)的類別、謂詞和規(guī)則。

3.教師通過已有的SPARC程序來提問并將學(xué)生的答案和SPARC中的答案進(jìn)行對(duì)比和分析。

4.教師提供有問題的SPARC程序并由學(xué)生檢查、糾錯(cuò)或編輯，以便學(xué)生在查詢某個(gè)問題時(shí)可以獲得肯定的回答。

5.教師讓學(xué)生提供問題的另外一種SPARC程序解決方案。

6.教師提供相應(yīng)的SPARC程序，并由學(xué)生編寫相應(yīng)的注釋。

7.教師編寫或者由學(xué)生編寫相應(yīng)的SPARC程序來建模并給出同類問題的解決方法。

8.學(xué)生自己編寫相應(yīng)的SPARC程序來建模并表征所學(xué)內(nèi)容和相應(yīng)知識(shí)，包括相應(yīng)的類別、謂詞以及相應(yīng)的規(guī)則，并通過該程序來解決相應(yīng)的問題。

9.學(xué)生之間共同編寫（可以以結(jié)對(duì)編程的方式）相應(yīng)的SPARC程序來建模并表征所學(xué)內(nèi)容和相應(yīng)知識(shí)，包括相應(yīng)的類別、謂詞以及相應(yīng)的規(guī)則，并通過該程序來解決相應(yīng)的問題。

10.學(xué)生之間通過已有的SPARC程序來互相提問。

BOPPPS教學(xué)模型將課堂教學(xué)分成六個(gè)部分，這六個(gè)部分可以使得知識(shí)點(diǎn)的講授效果得到有效的保證?；赟PARC語言的教學(xué)操作可以很好地融入BOPPPS教學(xué)模型中。在導(dǎo)入部分可以使用操作1、2、3、6、7;在學(xué)習(xí)目標(biāo)部分可以使用操作1;在前測部分可以使用操作2、3、4、5、6、7;在參與式學(xué)習(xí)部分可以使用操作2、3、4、5、6、7、8、9、10;在后測部分可以使用操作2、3、4、5、6、7;在總結(jié)部分可以使用操作1、6、7。

對(duì)于教學(xué)，我們不僅要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)簡單記憶的能力，更重要的是在傳授知識(shí)的同時(shí)提升其他更重要的能力。使用基于SPARC語言的教學(xué)操作不僅可以提高教學(xué)效率，而且可以培養(yǎng)學(xué)生抽象建模、問題解決、批判性思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)造性思維的能力。操作1、2、6、8、9可以增強(qiáng)學(xué)生的知識(shí)記憶（這些知識(shí)包括相應(yīng)的基本概念、基本公式、基本原理等）;操作2、7、8、9可以培養(yǎng)學(xué)生的建模抽象能力;操作3、4、7、8、9可以培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力;操作4、9可以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力;操作9、10可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力;操作5、7可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

四、以全等三角形知識(shí)點(diǎn)為例基于BOPPPS教學(xué)模型和ASP的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

在導(dǎo)入階段，我們以平行太陽光下兩座一樣高的大樓影子是否一樣長的問題進(jìn)行課堂導(dǎo)入。在學(xué)習(xí)目標(biāo)階段，對(duì)于三角形全等的條件這一學(xué)習(xí)目標(biāo)，我們首先和學(xué)習(xí)者確認(rèn)用于表示相應(yīng)類別、謂詞和規(guī)則的詞匯以及相應(yīng)的含義，然后給出與學(xué)習(xí)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的部分，使用這些類別、謂詞和規(guī)則與學(xué)習(xí)者確認(rèn)相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)并進(jìn)行建模。對(duì)于三角形全等的條件這一學(xué)習(xí)目標(biāo)，所建立的SPARC程序模型所對(duì)應(yīng)的部分就是相應(yīng)的三角形全等的規(guī)則部分。在前測階段，我們提出相應(yīng)的關(guān)于三角形全等的問題。例如，如果我們想要畫一個(gè)和大衛(wèi)畫的三角形全等的三角形，我們需要幾個(gè)關(guān)于邊和角的條件？一個(gè)、兩個(gè)還是三個(gè)？在聽到學(xué)習(xí)者的答案之后，教師對(duì)提出的問題進(jìn)行分析，并按照邊角條件的數(shù)量進(jìn)行分類。針對(duì)每一類問題，給出一個(gè)具體的例子，讓學(xué)習(xí)者親自嘗試，看看是否能夠給出反例。對(duì)每個(gè)具體的例子，教師演示使用相應(yīng)的SPARC語言分別進(jìn)行建模，并與學(xué)習(xí)者確認(rèn)相應(yīng)的說法和命名規(guī)則。通過這樣的方式，可以讓學(xué)習(xí)者進(jìn)一步增強(qiáng)使用SPARC語言進(jìn)行問題建模的能力。同時(shí)，教師可以提供相應(yīng)的SPARC程序文件“DescriptionOfTriangles”，然后讓學(xué)習(xí)者通過SPARC語言針對(duì)三角形全等的可能條件進(jìn)行提問并作相應(yīng)回答，學(xué)習(xí)者可以比較自己的答案和程序運(yùn)行的答案。在這個(gè)過程中學(xué)習(xí)者可以進(jìn)一步熟悉三角形全等條件的SPARC建模程序以及要解決的問題。在參與式學(xué)習(xí)過程階段，教師首先給出關(guān)于三角形全等條件的定理。經(jīng)過上面的過程，學(xué)習(xí)者對(duì)使用SPARC語言進(jìn)行領(lǐng)域建模已經(jīng)非常熟悉了，并且對(duì)相應(yīng)的說法也已經(jīng)了解了。這時(shí)，教師帶領(lǐng)學(xué)習(xí)者對(duì)三邊相等（SSS）、兩邊及其夾角相等（SAS）、兩角及其夾邊相等（ASA）、兩角及一角對(duì)邊相等（AAS）的三角形全等的條件進(jìn)行SPARC語言的建模。然后，教師可以要求學(xué)習(xí)者編輯SPARC程序文件“SSS”“SAS”“ASA”“AAS”（為了節(jié)省時(shí)間，這些文件由教師提供），以便當(dāng)我們查詢兩個(gè)已知的三角形是否全等時(shí)，可以獲得“yes”的答案。如果學(xué)習(xí)者對(duì)于三角形全等的定理理解得足夠好的話，自然可以順利地完善相應(yīng)的程序文件。同時(shí)，若查詢兩個(gè)已知的三角形全等時(shí)，獲得了“yes”的答案，說明學(xué)習(xí)者編寫的程序正確，也能反過來說明學(xué)習(xí)者對(duì)三角形全等的相應(yīng)定理已經(jīng)完全理解了。若程序運(yùn)行得不到學(xué)習(xí)者想要的答案，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行檢查并調(diào)試，直至程序輸出結(jié)果正確。在這一過程中，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)一步加深對(duì)相應(yīng)知識(shí)的正確理解。在后測階段，教師首先在黑板上畫出兩個(gè)三角形，并給出已知條件，然后讓學(xué)習(xí)者根據(jù)已知條件編輯SPARC程序文件“CongruentOfTriangles”（為了節(jié)省時(shí)間，該文件由教師提供），以便當(dāng)我們查詢兩個(gè)已知的三角形是否全等的時(shí)候，可以獲得“yes”的答案。教師可以隨機(jī)點(diǎn)名某個(gè)學(xué)習(xí)者回答這個(gè)問題，教師通過學(xué)習(xí)者的回答判斷學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的效果。在總結(jié)階段，教師可以自己或者讓學(xué)習(xí)者編寫相應(yīng)的類別、謂詞和規(guī)則或者根據(jù)相應(yīng)的SPARC程序讓學(xué)習(xí)者編寫相應(yīng)的注釋來進(jìn)行總結(jié)。在編寫相應(yīng)內(nèi)容的同時(shí)，教師對(duì)本節(jié)課所講授的內(nèi)容進(jìn)行回顧，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。

在以上課堂教學(xué)設(shè)計(jì)過程中的學(xué)習(xí)目標(biāo)階段，我們使用了上一節(jié)中介紹的操作1和2。在前測階段，我們使用了操作1、2、4和10。在參與式學(xué)習(xí)階段，我們使用了操作1、2和4。在后測階段，我們使用了操作4。在總結(jié)階段，我們使用了操作1、2、6和7。

五、結(jié)語

BOPPPS教學(xué)模型是一個(gè)簡單、高效的教學(xué)模型。知識(shí)表征領(lǐng)域里面的描述性語言ASP可以提供一系列教學(xué)工具，并且通過這些教學(xué)工具可以培養(yǎng)學(xué)生除基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)以外的不同學(xué)習(xí)能力。同時(shí)，在利用不同的工具對(duì)已有知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行描述時(shí)，可以增加對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。ASP語言簡單高效，不需要花費(fèi)太多的教學(xué)時(shí)間就能學(xué)會(huì)。在以全等三角形知識(shí)點(diǎn)為例的基于BOPPPS教學(xué)模型和ASP的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們可以看到BOPPPS教學(xué)模型和ASP語言是獨(dú)立分開的，ASP語言對(duì)BOPPPS教學(xué)模型來講是各個(gè)教學(xué)部分的體現(xiàn)和補(bǔ)充，即ASP語言同樣可以用于其他的教學(xué)模型中。在教學(xué)中引入基于ASP語言的教學(xué)工具無需全部使用，我們只需要根據(jù)自己的教學(xué)要求、進(jìn)度有選擇性地使用即可。另外，利用ASP語言除了可以在課堂中提高教學(xué)效率外，還可以用于建立針對(duì)性的教學(xué)知識(shí)庫或更加生動(dòng)的教學(xué)游戲。在圖像和語音的幫助下，做到獨(dú)立自主地學(xué)習(xí)，同時(shí)可以進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象，提高學(xué)習(xí)效率。

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編輯 魯翠紅