人工智能技術在計算機輔助教學中的應用研究

邵勇

【摘? 要】 隨著教育事業(yè)的發(fā)展，計算機技術被廣泛應用在教育工作中，并由此產(chǎn)生了計算機輔助教學系統(tǒng)（簡稱CAI）。計算機輔助教學實際上是教師以計算機為教學媒體，引導學生利用計算機的交互對話進行學習。但是教師以往使用的CAI系統(tǒng)在教學模式、答案方面存在很大的局限，很難滿足不同層次學生的學習需求。隨著計算機科學以及人工智能技術（簡稱AI）的發(fā)展，人工智能在教育技術中得到了運用，它進一步完善了CAI系統(tǒng)，推動了我國教育事業(yè)的發(fā)展與革新。基于此，文章簡要分析了人工智能技術，探討了其在計算機輔助教學中的應用。

【關鍵詞】 人工智能技術；計算機輔助教學；教學媒體

一、人工智能技術和計算機輔助教學系統(tǒng)（CAI）概述

（一）人工智能技術

人工智能在計算機科學中扮演著重要角色，是一門研究利用計算機模擬人類大腦功能的綜合性學科。人工智能技術能夠模擬人類的知識和行為，并學習、推理和解決相關問題。隨著科技的進步，人工智能的利用頻率越來越高，可以幫助人們更好地處理和推理問題，根據(jù)人們的需求，自動識別和處理各種信息，以便人們做出更科學、合理的選擇；人工智能技術還可以借助相應的方法，設計并解決復雜的問題。一般而言，人們研究人工智能系統(tǒng)的目的在于提高其在信息處理、符號表達和問題求解等方面的效率。

（二）計算機輔助教學系統(tǒng)的特點及不足

計算機輔助教學系統(tǒng)（CAI）是教師以計算機為教學媒體并開展教學活動，其具有較強的交互性，教學的內(nèi)容和形式十分多樣，提供的教學信息具有一定的即時性。相較于其他媒體形式，CAI可以結合學生對知識的掌握程度以及理解差異，合理編制分支式教學方案，無論是提供的材料還是教學方法，都能滿足學生的思維特征，也能基于學生的實際情況進行合理判斷。與此同時，CAI還涉及了多媒體技術，可以將圖片、文字和聲頻等融于一體，也可將同一教學信息以不同的形式呈現(xiàn)出來，這能夠調(diào)動學生的感官，提升學生的理解能力。以往，教師采用的CAI是將教學信息全部通過編程的方式預置在課件中，課件一旦經(jīng)過使用，很難進行更新與維護。特別是在CAI系統(tǒng)中，學生處于被動的學習狀態(tài)，受計算機系統(tǒng)的影響。因此隨著新技術的出現(xiàn)，原有CAI系統(tǒng)面臨著很多挑戰(zhàn)，比如適應能力有待提升、交互能力需要加強等。

二、人工智能技術和CAI的關系

通常情況下，人工智能技術可以將人類智能轉(zhuǎn)化成計算機智能，教育者可以借助CAI或開展計算機智能化教學，形式化處理知識［1］。計算機智能還能實現(xiàn)對知識的推理，也就是智能化處理知識，通常被稱為“知識工程”。CAI作為知識工程的重要組成部分，教育者將人工智能應用在CAI中，能夠更好地發(fā)揮CAI的作用，實現(xiàn)因材施教。人工智能技術輔助CAI，又稱為智能計算機輔助教學——ICAI（Intelligence Computer-Assisted lnstruction），其屬于人工智能的一個分支領域，主要包括學生模型模塊、教學決策模塊等，無論是在教學輔導、模擬還是練習等教學模式中，都得到了廣泛的應用。但是，當下的CAI系統(tǒng)，其智能化水平有待進一步提升。人工智能和CAI的關系如圖1所示。

三、人工智能技術對教學領域的影響

計算機是一種高度復雜的信息處理設備，能夠?qū)碗s的信息轉(zhuǎn)換成有序的結構，教學則是教育者將這些信息轉(zhuǎn)換成有用的知識，并以此為基礎，培養(yǎng)學生的思維能力和核心素養(yǎng)，因此教學活動在很大程度上是信息加工和計算的過程。從本質(zhì)上看，計算機技術和教學研究存在十分密切的聯(lián)系，基于信息加工的理念深入探究教學活動，可以獲得如下啟示：一方面，教學活動以知識傳授為基礎；另一方面，教學活動則以知識結構為基礎［2］。

第一，人工智能技術對知識傳授的影響。知識可以傳遞，人類對知識有著較強的接受能力。通常，人們以間接的方式獲取知識，但這種方式無法像錄音磁帶一樣進行有效的復制。在學習的過程中，學生需要運用大腦的聯(lián)想機制來協(xié)調(diào)新學到的知識和已掌握的知識，這個過程可能會產(chǎn)生一些問題，教師需要及時地發(fā)現(xiàn)并糾正學生存在的問題。由此可見，教學還是一個交互反饋系統(tǒng)。通常，最佳的教學方法是，學生在教師的合理規(guī)劃下，能夠自主探索與實踐，教師要讓學生擺脫被動的學習狀態(tài)，使之愿意有針對性、目的性地進行學習和探索。然而，該模式固然理想，但在實際教學中，學生很容易受到教師的影響，又因效率低下，以致很難實現(xiàn)因材施教。

隨著現(xiàn)代教育的發(fā)展，因材施教成為提高教學有效性的主要方法之一。當下的計算機技術已經(jīng)發(fā)展到可以智能地處理知識信息、明確相關概念并進行相應的推理，能夠發(fā)揮智能導師系統(tǒng)的作用，幫助教育者優(yōu)化、調(diào)整教學方法，對教學模式的創(chuàng)新也成為可能。智能導師系統(tǒng)包含多種模型，例如專家模塊、人機界面模塊、學生模塊和教學模塊。專家模塊是教學系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它負責傳授領域知識，并解決相關問題；人機界面模塊可以為學生提供適宜的學習環(huán)境，便于學生接受并理解知識內(nèi)容；學生模塊包含了記錄學生學習情況的數(shù)據(jù)庫，有利于教師結合學生的學習情況提供針對性的指導，可以進一步實現(xiàn)因材施教；教學模塊則有較強的指導能力，可以及時地發(fā)現(xiàn)并糾正學生出現(xiàn)的錯誤，也能為學生提供更多自由的時間讓其進行自主學習與探索，對學生的學習、發(fā)展十分有利。

第二，人工智能對知識結構的影響。目前，教學理論注重的是學生的認知規(guī)律與特點，教師應結合學生的實際情況開展教學工作，要了解學生的邏輯結構［3］。結合計算機編制程序的應用以及人工智能有關知識表示的研究成果可知，知識結構包括程序性知識結構、描述性知識結構兩種。前者的復雜程度相對較高，該結構涉及了很多知識狀態(tài)，要想掌握這類知識，僅憑教師灌輸式的方法遠遠不夠，還需要學生進行大量的練習。在練習環(huán)節(jié)，學校應配置專家，對學生進行測試、診斷，并及時地糾正學生出現(xiàn)的錯誤。某種意義上而言，進行計算機練習輔助教學十分重要；后者主要表現(xiàn)為一種網(wǎng)絡狀態(tài)，涉及了很多關聯(lián)性的知識單元。描述性知識結構可以通過計算機存放一些描述類的內(nèi)容，其順序也可以被靈活地調(diào)整，同時能夠描述多重關系，或者調(diào)動人體的多種感官，獲得不同知識的關系結構，強化學生對知識的理解。

四、CAI中人工智能技術的相關應用

人工智能技術是一門通過計算機模擬人類智能活動，從而延伸了人類智能的科學，而知識的表示與推理是人工智能技術發(fā)展的前提。一直以來，人工智能系統(tǒng)是一個復雜程度很高的層次性集成系統(tǒng)，涉及了最基本的條件反射、各種感官以及最高級的抽象邏輯思維等多個部分，而符合人類認知習慣的多媒體信息，可以形象、完整地表示知識概念，也能以最快的速度傳遞概念，能夠利用符合人們認知的方式加工、處理知識概念，促進了人們對知識概念的進一步理解［4］。教育者要想解決計算機的視覺、聽覺等問題，幫助學生理解圖像、自然語言等內(nèi)容，還要引入相應的知識，如人工智能理論及其技術。

將人工智能與CAI有機地結合，可以形成智能計算機輔助教學系統(tǒng)，即ICAI，如圖2所示。該系統(tǒng)能夠為學生提供適宜、高效的學習環(huán)境，還可以結合學生的學習情況與特點，合理地使用有針對性的教學模式與策略。在此背景下，不同學生的學習與發(fā)展需求，都能得到滿足；該系統(tǒng)還能診斷出學生的錯誤，明確其原因并及時地校正，這可以在一定程度上滿足因材施教的教學要求，發(fā)揮個性化教學的作用。

ICAI可以對學生進行因材施教，對此教師不僅需要明確教學內(nèi)容，還要了解學生的實際情況與各種教學方法，并基于此，制訂出一個有效、合理的教學模式。具體而言，教師需要先了解學生的實際水平，然后基于學情合理地選擇教學模式，再結合教學模式明確教學內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)容設定實驗與問題。教師還應結合學生的實驗完成結果合理地判斷學生對知識的掌握程度，只有反復地操作、調(diào)整，才能確保教學內(nèi)容達到教學要求、提高學生的學習質(zhì)量與效率。

本研究以C語言程序設計課程的教學課件為例，該課件內(nèi)容包含了第一章的基礎知識到最后一章的文件部分，同時集成了各種算法。例如在課件C語言的經(jīng)典算法中，選擇法、排序算法等通過動畫的形式進行呈現(xiàn)［5］。課件中插入了很多教師的講解，不僅能基于重難點知識反復播放，學生還可以通過關鍵詞檢索到內(nèi)容章節(jié)。可以認為，該課件便是由人工智能技術的智能引擎、數(shù)據(jù)智能檢索和輔助教學有機結合而成的。在制作課件時，教師基于各章節(jié)的重難點知識以及學生的課堂表現(xiàn)，設定Wi、Ci等參數(shù)，其中i為1、2……n，分別代表的是教學重點權值、教學難點權值；然后設定函數(shù)f，學生便可計算出PI=f（Wi，Ci），其中I代表的是1、2……n；再假設實現(xiàn)不同章節(jié)的多媒體文件分別編譯成的可執(zhí)行文件名是file1.exe、file2.exe……filem.exe，其中m為章節(jié)文件?？梢越Y合這一設定，得出如下規(guī)則：if（PI=1）then do file1.exe，else if（PI=2）then do file2.exe，else……這一步驟不僅發(fā)揮了智能引擎的功能，教師還可以結合學生的情況合理地調(diào)整教學進度，以取得更佳的教學效果。

五、ICAI系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

ICAI系統(tǒng)并非孤立存在的，而是伴隨諸多技術和人工智能技術在諸多領域的應用發(fā)展形成的，具體的發(fā)展趨勢如下：

第一，ICAI系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術有機結合。隨著多媒體技術、Internet網(wǎng)絡的發(fā)展，多媒體教育系統(tǒng)和Internet網(wǎng)絡逐漸地有機融合。在此背景下，CAI系統(tǒng)不再獨立發(fā)展，逐漸向多維網(wǎng)絡空間拓展。當下，很多以Internet網(wǎng)絡為基礎的多媒體教育系統(tǒng)被應用到實際教學中，教師可以利用網(wǎng)絡優(yōu)勢，實現(xiàn)學生的在線學習、與學生的實時討論，并設置網(wǎng)上測試等任務，最后將網(wǎng)絡CAI和智能CAI相融合，實現(xiàn)了取長補短、構成了全新的教育系統(tǒng)。

第二，ICAI系統(tǒng)對智能代理技術的運用。在ICAI系統(tǒng)中，人工智能技術的應用，不僅涉及了多媒體教學系統(tǒng)，還涉及了智能導航瀏覽、智能代理等多個領域，其可以幫助教師和學生進行更有效的教學、學習。智能代理技術是一種革命性的人工智能技術，可以在復雜的環(huán)境中運行，能夠根據(jù)需要進行動態(tài)的調(diào)整，以滿足不斷變化的需求，同時能夠與外部環(huán)境進行有效的交互。教育者充分發(fā)揮智能代理技術的作用，可以幫助學生快速、高效地查詢知識信息，將智能代理技術全面滲透到ICAI系統(tǒng)中，能夠大幅提高教學質(zhì)量與學生的學習效率，以及教學的交互性、自主性。

六、結語

總而言之，教育者借助計算機輔助教學系統(tǒng)開展教學活動，雖然具有一定的優(yōu)勢，但也存在一些弊端，如計算機和學生缺少有機互動，學生仍處于被動的學習狀態(tài)，教師無法全面、及時地了解學生的學習情況，不利于教學活動的高效開展。隨著人工智能技術和計算機輔助教學系統(tǒng)的融合，教學模式不斷得到優(yōu)化，學生也進一步明確了知識框架，加之結合人工智能技術能夠充分了解學生的優(yōu)勢與不足，因此教師可以因材施教，不僅提高了學生的學習能力，還改善了教學質(zhì)量。

參考文獻：

［1］ 張博奕. 人工智能技術在計算機輔助教學中的應用研究［J］. 輕紡工業(yè)與技術，2020，49（03）：177-178.

［2］ 李碧華. 人工智能技術在計算機輔助教學中的應用研究［J］. 電子制作，2018（18）：45-46.

［3］ 孫小英. 人工智能技術在計算機輔助教學中的應用研究［J］. 家長，2019（02）：24-25.

［4］ 王曦. 人工智能技術在計算機輔助教學中的應用［J］. 科技視界，2021（30）：80-81.

［5］ 謝宏，邵新海，李會芹. 人工智能技術在計算機輔助教學中的應用研究［J］. 電腦知識與技術，2017，13（17）：150-151.