基于人工智能的規(guī)模化與個(gè)性化相結(jié)合教學(xué)環(huán)境構(gòu)建

陳丹琪　李英梅　龐國(guó)莉　段麗

［摘 要］人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用是時(shí)代進(jìn)步的產(chǎn)物，它引領(lǐng)傳統(tǒng)教育模式發(fā)生了巨大變革。文章依托雨課堂教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)，從教與學(xué)兩個(gè)視角探索了精準(zhǔn)教學(xué)的新模式。通過(guò)梳理軟件工程課程知識(shí)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)習(xí)題，運(yùn)用決策樹(shù)及FP?Growth算法，能夠在規(guī)模化教學(xué)中為教師實(shí)時(shí)提供精準(zhǔn)教學(xué)決策，又能夠在個(gè)性化教學(xué)中讓學(xué)生獲取有針對(duì)性的習(xí)題。個(gè)性化教學(xué)的融入彌補(bǔ)了規(guī)?；虒W(xué)的不足，使學(xué)生在多樣化教學(xué)環(huán)境中增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性，成績(jī)有了明顯的提升。

［關(guān)鍵詞］人工智能；規(guī)?；?；個(gè)性化；精準(zhǔn)；教學(xué)環(huán)節(jié)；軟件工程

［中圖分類(lèi)號(hào)］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2024）04-0084-04

2019年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》，其中提出要“利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；逃c個(gè)性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合”。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以通過(guò)推動(dòng)智能技術(shù)深度融入教育教學(xué)全過(guò)程，加強(qiáng)對(duì)信息化時(shí)代學(xué)習(xí)者認(rèn)知和學(xué)習(xí)行為規(guī)律的研究，推廣應(yīng)用智能學(xué)習(xí)空間和智能教育助理，促進(jìn)育人方式、教學(xué)模式改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)公平而有質(zhì)量的教育[1]。

一、人工智能輔助教學(xué)的必要性

將人工智能技術(shù)融入教育教學(xué)，能夠使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的自主控制和教師對(duì)學(xué)生的個(gè)性化指導(dǎo)真正成為可能。代表性的研究有：徐歡云等人梳理了國(guó)際教育人工智能的研究現(xiàn)狀與發(fā)展脈絡(luò)，建議應(yīng)立足多樣化視角挖掘小而精的研究主題，開(kāi)展我國(guó)教育人工智能本土化發(fā)展創(chuàng)新研究[2]；張奕等人通過(guò)應(yīng)用智能識(shí)別設(shè)備，采集各種教學(xué)中的交互行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)布更加精確的學(xué)情報(bào)告，以提升教學(xué)效果[3]；劉旭等人探討了將人工智能引入神經(jīng)病學(xué)教學(xué)，以推動(dòng)教學(xué)模式改變、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)[4]。

軟件工程課程是一門(mén)聯(lián)系基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐的橋梁性課程，也是計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心課程。為了更好地解決軟件工程課程內(nèi)容龐雜抽象、教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家紛紛應(yīng)用人工智能技術(shù)輔助軟件工程課程授課，例如曾明星等人在軟件工程實(shí)訓(xùn)中，應(yīng)用以人工智能技術(shù)構(gòu)建的“游泳池”實(shí)訓(xùn)空間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)、智能管理、工程實(shí)踐、技術(shù)體驗(yàn)等功能，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果[5]。人工智能技術(shù)的介入為軟件工程課程建設(shè)和教學(xué)改革開(kāi)辟了一條全新道路。

二、軟件工程課程精準(zhǔn)教學(xué)環(huán)節(jié)的構(gòu)建

2016年以來(lái)，課程組在軟件工程教學(xué)中使用了由清華大學(xué)和學(xué)堂在線共同推出的雨課堂平臺(tái)進(jìn)行授課，該平臺(tái)的應(yīng)用不僅可以有效監(jiān)管課堂，還可以通過(guò)多樣化教學(xué)手段的實(shí)施，積累反映學(xué)生各方面表現(xiàn)的豐富數(shù)據(jù)。依據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并運(yùn)用人工智能技術(shù)，課程組構(gòu)建了一個(gè)能夠精準(zhǔn)確定教學(xué)目標(biāo)、精準(zhǔn)實(shí)施教學(xué)過(guò)程、精準(zhǔn)進(jìn)行教學(xué)干預(yù)的規(guī)?；c個(gè)性化相結(jié)合教學(xué)環(huán)境，包括課前、課中、課后三個(gè)精準(zhǔn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

（一）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與獲取

為了在抓取雨課堂數(shù)據(jù)時(shí)可以處理得到更加有效的細(xì)分類(lèi)別支撐數(shù)據(jù)，課程組重構(gòu)了軟件工程教學(xué)內(nèi)容中各知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性，著重對(duì)各學(xué)時(shí)的討論問(wèn)題、自主練習(xí)題及作業(yè)題進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)、認(rèn)知過(guò)程維度、難易程度的標(biāo)注，并將教學(xué)過(guò)程劃分為預(yù)習(xí)、課堂、實(shí)驗(yàn)和考試四個(gè)教學(xué)情境，分別設(shè)定各個(gè)情境中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。這樣就可獲取錯(cuò)題知識(shí)點(diǎn)編號(hào)、錯(cuò)題類(lèi)型、習(xí)題得分、認(rèn)知目標(biāo)水平、做題時(shí)長(zhǎng)、錯(cuò)題量、正確率等動(dòng)態(tài)教育數(shù)據(jù)，從而幫助教師實(shí)施精準(zhǔn)教學(xué)干預(yù)。

（二）建立規(guī)?；谡n的精準(zhǔn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

依托雨課堂的軟件工程規(guī)模化理論授課流程包括：課前為學(xué)生推送多種形式的預(yù)習(xí)內(nèi)容及自測(cè)練習(xí)，按照預(yù)習(xí)情境中設(shè)置的評(píng)價(jià)指標(biāo)獲取預(yù)習(xí)學(xué)情分析數(shù)據(jù)，用以將課程目標(biāo)分解、重構(gòu)，設(shè)定出每學(xué)時(shí)精準(zhǔn)的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)目標(biāo)，并設(shè)計(jì)出從不同側(cè)面反映教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度的習(xí)題；課中按照教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行講授，可讓學(xué)生分組進(jìn)行討論，實(shí)施協(xié)作式學(xué)習(xí)，將存疑的問(wèn)題以雨課堂特有的彈幕或“不懂”方式進(jìn)行反饋，教師再根據(jù)學(xué)生提出的問(wèn)題深入講解并有針對(duì)性地推送相關(guān)習(xí)題。雨課堂實(shí)時(shí)抽取課堂教學(xué)數(shù)據(jù)，運(yùn)用決策樹(shù)算法，為教師提供精準(zhǔn)的教學(xué)決策，以便教師選用面向不同授課群體、不同學(xué)習(xí)水平的學(xué)生所適宜采用的教學(xué)方法。之前筆者的相關(guān)研究已對(duì)這種規(guī)?；谡n中精準(zhǔn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程做了詳細(xì)描述[6]。

（三）建立精準(zhǔn)個(gè)性化教學(xué)環(huán)節(jié)

軟件工程是理論與實(shí)踐并重的一門(mén)課程。在理論講授之后的課后環(huán)節(jié)，教師根據(jù)雨課堂教學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)布基礎(chǔ)的共性作業(yè)及個(gè)性化的鞏固練習(xí)習(xí)題，并在實(shí)踐課堂的教學(xué)環(huán)節(jié)中，針對(duì)學(xué)生不足之處進(jìn)一步布置個(gè)性化強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，面對(duì)面進(jìn)行精準(zhǔn)教學(xué)干預(yù)，以提高學(xué)生的軟件工程綜合應(yīng)用能力。學(xué)生也可以根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，明確自身的認(rèn)知缺陷，及時(shí)查缺補(bǔ)漏，有效提升學(xué)業(yè)成績(jī)。

1.挖掘錯(cuò)題規(guī)律，獲取個(gè)性化習(xí)題

根據(jù)軟件工程課程的授課計(jì)劃及教學(xué)大綱，標(biāo)注各章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，并與習(xí)題資源進(jìn)行綁定，建立習(xí)題與知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)機(jī)制。課程知識(shí)點(diǎn)用章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)三級(jí)信息表示，各級(jí)信息均保存編號(hào)及名稱(chēng)數(shù)據(jù)。其中每一章下設(shè)置有多節(jié)，每一節(jié)下又可以有多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。習(xí)題資源被劃分為與知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)習(xí)題和記錄兩部分。教師按照各知識(shí)點(diǎn)分別設(shè)置不同題型的多項(xiàng)習(xí)題，可以在課堂練習(xí)、課后作業(yè)、單元測(cè)驗(yàn)、錯(cuò)題庫(kù)中靈活使用，并將學(xué)生完成習(xí)題的具體情況數(shù)據(jù)保存在答題記錄的數(shù)據(jù)表中，如做題時(shí)長(zhǎng)、正確率、實(shí)踐類(lèi)習(xí)題錯(cuò)誤率、練習(xí)次數(shù)等。

將教學(xué)過(guò)程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，按照上述模式保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，應(yīng)用FP?Growth算法對(duì)學(xué)生的錯(cuò)題知識(shí)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘抽取出錯(cuò)題規(guī)律，從而生成關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)的錯(cuò)題信息結(jié)構(gòu)。

運(yùn)用FP?Growth算法的基本思想，通過(guò)收集學(xué)生所有的錯(cuò)題作為基礎(chǔ)項(xiàng)集 [I=]{[a1， a2，…， am]}，并將其保存在錯(cuò)題數(shù)據(jù)庫(kù) [DB=]〈[T1 ，T2 ，…， Tn]〉中，這里的[Ti， i∈{1，2，…， n]} 是I中元素組成的集合。頻繁項(xiàng)集A也是I中元素組成的集合，但要求A的支持度大于最小支持度閾值，這樣的A被稱(chēng)為頻繁項(xiàng)集。接下來(lái)要從頻繁項(xiàng)集中提取所有高置信度的規(guī)則作為錯(cuò)題關(guān)聯(lián)規(guī)律。

例如，設(shè)某一階段教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的錯(cuò)題基礎(chǔ)項(xiàng)集為I，表示為[I=]{[a1， a2， a3， a4， a5， a6， a7， a8， a9，]

[a10， a11， a12， a13， a14， a15， a16]}，錯(cuò)題數(shù)據(jù)庫(kù)如表1所示。第一次掃描錯(cuò)題數(shù)據(jù)庫(kù)，收集每個(gè)項(xiàng)目的支持計(jì)數(shù)，并以支持度不小于20%作為閾值，則產(chǎn)生如表2所示的按照其支持度降序排列的頻繁1項(xiàng)集head表。同時(shí)修改錯(cuò)題數(shù)據(jù)庫(kù)的每一條記錄，只保留支持度不小于2的項(xiàng)并排序，得出如表3所示的已轉(zhuǎn)換排序頻繁項(xiàng)。

第二次掃描錯(cuò)題數(shù)據(jù)庫(kù)，利用有序頻繁1項(xiàng)集的head表建立FP樹(shù)。操作時(shí)讀取已調(diào)整排序的頻繁項(xiàng)集，從根節(jié)點(diǎn)出發(fā)，將每個(gè)項(xiàng)集中的各元素按順序添加到FP樹(shù)中，同時(shí)記錄元素出現(xiàn)的次數(shù)。例如，第一位學(xué)生的錯(cuò)題事務(wù)插入FP樹(shù)后，順序出現(xiàn)了由{a1：1，a3：1，a5：1，a2：1，a6：1}形成的一條路徑。把排在前面的元素作為祖先節(jié)點(diǎn)，排在最后面的元素作為葉節(jié)點(diǎn)。當(dāng)添加其他項(xiàng)集時(shí)，如果有相同的祖先節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)，可把出現(xiàn)次數(shù)累計(jì)加1，而出現(xiàn)不同的元素時(shí)，則建立新節(jié)點(diǎn)并標(biāo)記計(jì)數(shù)。直到將表3中10條數(shù)據(jù)依次插入，就生成了完整的FP樹(shù)。

后續(xù)要從FP樹(shù)中挖掘最大頻繁項(xiàng)集。自最底層的a6節(jié)點(diǎn)向上尋找此節(jié)點(diǎn)的條件模式基，由于此FP樹(shù)中只有一個(gè)a6節(jié)點(diǎn)，因此就只有唯一一條路徑，對(duì)應(yīng){a1：8，a3：8，a5：6，a2：2，a6：2}。然后將a6的所有祖先節(jié)點(diǎn)改為與a6相同的計(jì)數(shù)，即FP子樹(shù)變?yōu)閧a1：2，a3：2，a5：2，a2：2，a6：2}。最終的a6的條件模式基形如{a1：2，a3：2，a5：2，a2：2}。由此易得a6的頻繁2項(xiàng)集為{a1：2，a6：2}，{a3：2，a6：2}，{a5：2，a6：2}，{a2：2，a6：2}。遞歸合并2項(xiàng)集，得到頻繁3項(xiàng)集為{a1：2，a3：2，a6：2}，{a1：2，a5：2，a6：2}，……這里省略了一些其他的頻繁3項(xiàng)集。一直遞歸下去，a6對(duì)應(yīng)的最大的頻繁項(xiàng)集為頻繁5項(xiàng)集{a1：2，a3：2，a5：2，a2：2，a6：2}。同理，a4對(duì)應(yīng)的最大的頻繁項(xiàng)集為頻繁3項(xiàng)集{a1：2，a3：2，a4：2}，a2的最大頻繁項(xiàng)集為頻繁4項(xiàng)集{a1：2，a3：2，a5：2，a2：2}，a7的最大頻繁項(xiàng)集為頻繁4項(xiàng)集{a1：5，a3：5，a5：4，a7：4}，a5的最大頻繁項(xiàng)集為頻繁3項(xiàng)集{a1：6，a3：6，a5：6}，a3的最大頻繁項(xiàng)集為頻繁2項(xiàng)集{a1：8，a3：8}，a1的條件模式基為空，不必再挖掘。

通過(guò)對(duì)各個(gè)頻繁項(xiàng)集的支持度和置信度進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果，與教師設(shè)定的對(duì)應(yīng)閾值進(jìn)行比較，如果大于則提取作為關(guān)聯(lián)規(guī)則，否則拋棄。由于在習(xí)題與知識(shí)點(diǎn)間建立了關(guān)聯(lián)機(jī)制，因此可以依據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則中的知識(shí)點(diǎn)屬性，快速?gòu)恼n程知識(shí)結(jié)構(gòu)中定位知識(shí)點(diǎn)所在的章節(jié)，再由這些知識(shí)點(diǎn)的從屬關(guān)系，構(gòu)建起錯(cuò)題信息結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中主要記錄了錯(cuò)題對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)編號(hào)及名稱(chēng)，尤其存儲(chǔ)了導(dǎo)致學(xué)生未能掌握該知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)支撐知識(shí)點(diǎn)編號(hào)，并可在錯(cuò)題標(biāo)識(shí)層中獲取錯(cuò)題知識(shí)點(diǎn)所屬章節(jié)。

在獲取的雨課堂教學(xué)數(shù)據(jù)中，經(jīng)由錯(cuò)題信息結(jié)構(gòu)，可以分析得到學(xué)生個(gè)性化的知識(shí)欠缺路徑，進(jìn)而向?qū)W生發(fā)布個(gè)性化的作業(yè)。這些作業(yè)題既包括當(dāng)前授課內(nèi)容中學(xué)生未熟練掌握的部分，也會(huì)添加一到兩道前期學(xué)過(guò)的關(guān)聯(lián)知識(shí)習(xí)題。此種形式的作業(yè)不僅可以精準(zhǔn)地促進(jìn)學(xué)生對(duì)缺陷知識(shí)點(diǎn)的練習(xí)，還可以避免學(xué)生間抄襲作業(yè)的情況發(fā)生。教師還能在接下來(lái)的實(shí)踐課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，布置個(gè)性化強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作進(jìn)一步加深對(duì)掌握不牢靠的理論知識(shí)點(diǎn)的理解。這一階段由于有教師在旁一對(duì)一針對(duì)性的指導(dǎo)，因此可以更有效地解決個(gè)性化問(wèn)題，幫助學(xué)生盡快補(bǔ)齊理論短板并提升解決實(shí)際問(wèn)題的工程實(shí)踐能力。

2.依據(jù)錯(cuò)題規(guī)律，生成個(gè)性化錯(cuò)題庫(kù)

積累教學(xué)過(guò)程中的學(xué)生錯(cuò)題數(shù)據(jù)，一方面方便學(xué)生就自己出錯(cuò)的題目進(jìn)行練習(xí)，加深對(duì)錯(cuò)題的理解；另一方面通過(guò)挖掘大量錯(cuò)題數(shù)據(jù)構(gòu)建錯(cuò)題信息結(jié)構(gòu)，能夠準(zhǔn)確定位知識(shí)紕漏，為學(xué)生提供合理化的習(xí)題配置，生成個(gè)性化精準(zhǔn)定制習(xí)題庫(kù)。應(yīng)用錯(cuò)題庫(kù)時(shí)，習(xí)題內(nèi)容能夠根據(jù)學(xué)生某階段的練習(xí)情況自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整。教師根據(jù)題目的重要程度和難度設(shè)定練習(xí)次數(shù) n，學(xué)生做對(duì)一次 n 值減 1，做錯(cuò)一次 n 值加 2。當(dāng) n=0 時(shí)，該題從錯(cuò)題庫(kù)中移出。這種錯(cuò)題動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制更符合學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。

三、教學(xué)效果分析與總結(jié)

分析開(kāi)設(shè)軟件工程課程的兩個(gè)不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生期末考試成績(jī)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)施了規(guī)?；c個(gè)性化相結(jié)合的精準(zhǔn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)建方案的教學(xué)輪次，相較使用傳統(tǒng)授課方法的教學(xué)輪次，學(xué)生期末平均成績(jī)從68分提高到了72分。隨著基礎(chǔ)教學(xué)數(shù)據(jù)的不斷積累，錯(cuò)題信息結(jié)構(gòu)模型不斷完善，個(gè)性化教學(xué)的力度進(jìn)一步加強(qiáng)，反映學(xué)生實(shí)踐能力的應(yīng)用題和設(shè)計(jì)題得分率在精準(zhǔn)教學(xué)環(huán)境中也有10%的攀升。

可見(jiàn)，規(guī)?；c個(gè)性化精準(zhǔn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建過(guò)程，是基于人工智能技術(shù)改革軟件工程課程教學(xué)模式的一種卓有成效的嘗試。應(yīng)用人工智能輔助教學(xué)，精準(zhǔn)施教，能夠取得更好的教學(xué)效果。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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[2］ 徐歡云，胡小勇. 借鑒、融合與創(chuàng)新：教育人工智能發(fā)展的多維路向：基于AIED（2011-2018）的啟示[J]. 開(kāi)放教育研究， 2019，25（6）：31-45.

[3］ 張奕. 基于教學(xué)精準(zhǔn)交互行為分析的人工智能精準(zhǔn)教學(xué)研究[J]. 成人教育， 2019， 39（9）：83-88.

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［責(zé)任編輯：林志恒］