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人工智能技术在计算机辅助教学中的应用与实现

　　摘要 介绍了计算机辅助教学系统及其现状，分析了现代教育技术与传统教育模式的各自特点，探讨了ICAI的实现原理及利用ICAI对教学的改进方案，并对智能计算机辅助教学系统进行了详细讨论，最后说明了将计算机技术、人工智能技术与网络技术应用于教学过程的必然性、必要性和有效性。　关键词 智能计算机辅助教学系统；人工智能；专家系统；推理机1 引言 随着现代科技的飞速发展，多媒体计算机在教育领域得到了广泛应用，并对教育、教学过程产生着深刻影响。为了使教学改革能与之相适应，需要引入先进的教学手段，而使用计算机辅助教学系统(Computer Aided Instruction, CAI)可以提供理想的教学环境，容易激发学习者的学习积极性和主动性，从而显着提高教学效果。多媒体技术的日益发展以及与其它领先技术的结合，必然促进CAI的进一步发展。 人工智能(Artificial Intelligence, AI)是20世纪50年代中期兴起的一门新兴边缘科学，它既是计算机科学的一个分支，又是计算机科学、控制论、信息论、语言学、神经生理学、心理学、数学、哲学等多种学科相互渗透而发展起来的综合性学科。人工智能又称为智能模拟，是用计算机系统模仿人类的感知、思维、推理等思维活动。它研究和应用的领域包括模式识别、自然语言理解与生成、专家系统、自动程序设计、定理证明、联想与思维的机理、数据智能检索等。例如，用计算机模拟人脑的部分功能进行学习、推理、联想和决策；模拟医生给病人诊病的医疗诊断专家系统；机械手与机器人的研究和应用等。 本文针对CAI的发展前景，重点论述人工智能技术对CAI，尤其是对智能化CAI产生的重大影响，并通过一个实例说明实现的思路与设想。2 计算机辅助教学系统及其现状 计算机辅助教学系统 计算机辅助教学(CAI)即利用计算机代替教师进行教学，把教学内容编成各种“课件”，学习者可以根据自己的程度选择不同的内容进行学习，从而使教学内容多样化、形象化，便于因材施教。如各种教学软件、试题库、专家系统等。CAI无论是在普通教育、高等教育还是在继续教育中都扮演着重要的角色。 在国外，CAI课件已经广泛应用于学校和家庭中，并收到了很好的效果。在我国，尽管CAI的研究起步较晚，但发展很快，自上世纪80年代起，已有一批实力雄厚的高等院校把CAI的发展列为重点研究课题。 计算机辅助教学的现状 CAI的实现需要应用AI技术及编制复杂的程序，如自然语言理解、知识表示、推理方法等，一些AI技术的特殊应用成果，如代数说明、符号合成、医疗诊断及理论证明等均被应用于CAI系统，以提高其智能性和实用性。 早期绝大多数CAI课件大都使用决策理论和随机学习的模式，它极大地简化了学习过程的表达形式。例如早期的地质教学系统(SCHOCAR)等。后来，随着人工智能技术的发展，CAI系统中添加了学生的学习行为及训练策略，同时AI技术被应用于建立学习顾问模块(存放所要教课程的问题和技能)。这种方法能控制训练策略并给出适合学生的学习内容。目前为了获取对课程知识表示和控制的灵活性和模块性，有些CAI系统还用AI技术来表示训练计划和策略。例如多数程序设计语言的CAI均属此例。 到目前为止，所使用的绝大多数传统的CAI都是将全部教学信息以编程方式预置于课件中，这样的CAI课件一旦制作完成，任何较大的教学改动都会给维护工作带来极大的不便。因此现有的CAI系统面临许多挑战，它主要存在以下几方面的问题。 缺乏开放性 不具有开放性是目前CAI课件最大的缺点。使用者无法对课件进行任何修改，只能利用已有资源按设定的路线进行教学。其弊端在于：① 固定内容的局限性使课件的适用面狭窄；② 设定的运行路线使授课缺乏自主性；③ 授课的针对性不强；④ 无法利用新出现的资源在较高起点上进行二次开发。 缺乏人机交互能力 现有CAI大多以光盘作为信息的载体，将教材中的内容以多媒体的形式展现出来，教学信息是按预置的教学流程机械式地提供给学习者，学习者使用CAI课件学习是完全被动的。在课堂教学中，一般只能通过教师按预定的课件流程进行操作，无论学生还是教师都不能很好地参与教与学的过程，因此人机交互没有很好地实现。 忽视课程本身的特点 各门课程在教学上有不同的要求，但现有课件对于这些不同要求完全不予理会。例如很多课程都要涉及到大量的曲线或曲面，对有些课程来说，将这些曲线或曲面给出一个简单的展示就足够了，而有些课程这样的展示不能达到教学目的的要求。例如：在讲授计算机图形学中各种曲线或曲面的生成算法时，如果能在课件中直接动态地展示这些图形的生成过程，充分发挥计算机辅助教学的优点，无疑会使计算机图形学的教学更具有吸引力，从而大大提高教学效率。 缺乏教师与学生的互动 现有CAI课件在学生自学以及进行操作使用时，如何学习都是学生自己的事。教师不能完全了解学习者的情况，学生在碰到问题时不能向教师求助，师生之间互相封闭，谈不上师生互动，因此课件所起的效果大打折扣。同时由于缺乏网络支持，现有的绝大多数CAI课件都是在单机环境下运行的，它们无法利用网络的优势使知识内容快速更新，当然更无法提供便捷的学习讨论空间、随时随地的师生交流方式以及远程教学实现的条件。缺乏教学策略 在课件的开发过程中实际上离不开教学策略的设计，但课件的制作者往往并未意识到这一点。例如：现有的绝大多数课件都是单一的展播式的，这样的课件制作“精美”，但它不可逆、不能互动。实际上运用课件教学只是手段而不是目的，应该在教学设计理论的指导下讲求课件的实效性，着眼点在于对学生学习新知识、掌握新技术、培养各种能力有帮助，而不是表面上的制作“精美”。缺乏智能性 现有的CAI课件系统不能对不同程度的学生进行有针对性的教育，学生的学习是被动的，不能由系统自动提供助学信息而使学生有选择地学习。对教师而言，其教学不能积极地参与其中，不能根据系统提供的信息按照学生的认知模型为其准备最适合的学习内容，更不能给予不同方式的教学模式与方法，因此不具有智能性。综上所述，现有的CAI存在许多问题，随着新技术的不断出现，这些问题将使CAI越来越不能适应新的要求。因此以智能CAI为代表的新的计算机辅助教学系统将成为教育技术上需要不断探求、努力实现的发展方向。3 智能化计算机辅助教学系统(ICAI)智能计算机辅助教学系统(Intelligent Computer Aided Instruction, ICAI)以认知学为理论基础，将AI技术应用于CAI，是智能化的CAI。在ICAI系统中，学生的学习可以借助于智能化计算机对大量知识进行选择、判断、处理，使学习内容更有针对性，从而提高学习效果。教学过程是一个复杂的教与学的思维过程。它需要教师以其专门知识和经验为依据，经过吸收、讲解、推理、示例、综合等多个步骤才能较好地完成。一个教学型专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教学方案和教学方法对学生进行教学和辅导。因此，从AI的角度看，计算机辅助教学实际上是一个由计算机系统辅助教师进行教学及学生进行学习并得以实现的“专家系统”。因而，在CAI中引人AI思想，即使用专家系统的方法、工具，构建智能CAI(即ICAI)。这样构建成的专家系统的主要特点是具有诊断和调试修改功能、具有良好的人机界面。在智能CAI中，教学思想、方法、学习内容可用知识形式表示，如何解决知识的形式化表示以及知识的访问与调用问题，是AI的核心技术之一，也是将AI引入教育技术领域中所要面临的一个问题。知识库是实现知识推理与专家系统的基础，可以用知识库作为智能CAI的构建环境，在知识库中，教学内容等的有关知识可以用事实与规则表示，并存储于知识库内。教学与学习过程即是对知识库中的知识进行推理，并最终得出所需结果的过程。由于专家系统主要是由知识库与推理机组成的，因此，它也是智能计算机辅助教学系统的核心技术。 1970年美国卡博奈尔开发的SCHOLAR系统，是世界上第一个AI与CAI结合的案例。这是一个用于南美洲地理课程的教学系统，SCHOLAR系统以大量的信息单元和描写事实组成数据库，并按照这些信息单元的含义及其相互关系
　　构成语义网络，系统可以根据这些网络自动生成教学信息，该系统具有较强的自然语言理解能力和逻辑推理能力，学生与该教学系统可以进行较为自由的交互，系统在一定程度上理解并回答学生的提问。 一个智能计算机辅助教学系统能克服传统CAI系统的很多缺陷，一般应具备如下特点：(1) 能自动生成各种问题与练习；(2) 根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习内容和进度；(3) 在了解教学内容的基础上自动解决问题，生成解答；(4) 具有自然语言生成与理解能力，以便实现比较自由的教学问答系统，提高人机交互的主动性；(5) 对教学内容有解释咨询能力；(6) 能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施；(7) 能评价学生的学习行为；(8) 能评价教师的教学行为。 以现有的科技水平，无法实现具有上述全部特点的智能计算机辅助教学系统。一般地，只要具备上述一个或几个特点的CAI系统就可以称为智能计算机辅助教学系统。大多数ICAI系统一般由专家模块、学生模块、教学模块、界面模块和智能接口模块组成。(1) 专家模块 专家模块是一个专家系统，具有成熟的要进行传授的领域知识以及对该领域各种问题的求解能力。此专家系统具有如下功能：1）能够根据学生模块提供的学生学习情况，通过智能系统的搜索与推理，得出智能化的教学方法与教学策略；2）能够较科学地评估学生的学习水平；3）能够通过分析学生以往的学习兴趣和学习习惯，预测学生的知识需求和常犯错误；4）能够动态地将不同的学习内容、学习方法与不同的学生匹配；5）能够利用知识库的知识，按规则生成课题所需的内容，所以可以把专家知识动态地提供给教学模块；6）能够智能地分析学生错误的原因进而有针对地提出合理的教学建议、学习建议以及改进方法。 (2) 学生模块 学生模块也是一个专家系统，具有记载学生学习状况的知识库。它主要具有以下功能：1）能够对学生学习的各个环节信息进行搜集，然后根据搜集到的学生信息，通过一定的诊断方法，找出学生当前的学习特征，从而便于进行解释指导和因材施教；2）能够建立和更新学生模型，为后续教学提供依据；3）能够记录学生的学习情况，以便专家系统对学生学习情况进行自动评估。 (3) 教学模块 教学模块也是一个专家系统，它对于整个教学过程具有指导能力，这种指导不仅非常灵活而且相当细致。此模块中教学内容与教学策略分离，它的知识库中存储的是各种教学策略，其功能为：1) 教学教程中，系统可随时根据教学需要选择不同的教学策略；2）能够根据选出的教学策略，生成相应的教学内容；3）能够将专家模块生成的教学内容和学生模块生成的学生模型做对比，找出学生所缺少的知识，然后利用知识库中的教学策略生成最合适的教学决策。 (4) 界面模块 界面模块能以喜闻乐见的形式为学习者提供方便的操作环境，通过它来处理学习者与系统间的信息交流。对于一个教学系统，界面的设计不但影响系统的可操作性，更重要的是输入、输出方式能极大地影响发送题目的可理解程度。界面模块的主要功能有：1）教学模块做出教学决策后，界面模块能以一定形式将教学内容发送出去；2）能建立学生输入信息的方式，接收学生输入的信息。 (5) 智能接口模块 使用文字识别、语音识别、自然语言理解等技术让学生可以用自然语言与“智能导师”进行人机对话，其中实现的难点是自然语言接口。如果这个问题得到突破，会大大加宽人机通道，对ICAI系统的发展将起到极大的促进作用。在对传统教学与智能CAI各方面进行认真比较和分析的基础上，可以发现传统教学与智能CAI在理论基础、教学模式、教学信息组织等方面都有明显区别。智能CAI倡导“以人为本”，强调学习者的主体性，实现以“教”为中心向以“学”为中心的转变。教师和学校不再是知识的传授者、灌输者和控制者，而成为学生学习的引导者、帮助者和促进者，其任务除了对教学过程进行组织调控、对学生的学习实施引导和帮助外，更重要的是为学生的学习提供必要的环境和条件。4 人工智能技术用于计算机辅助教学的实例 作者曾从事《人工智能原理》课程教学多年，在大量实践经验的基础上，为方便教学我们按如下设计思想制作教学辅助多媒体课件。该课件可实现从《人工智能原理》课程第一章绪论部分到第五章搜索技术部分的放映，其中经典推理、不确定推理、搜索技术中的经典算法均用动画实现。在整个课件中插入教师的讲解，既可以根据每节的重点、难点和当前学生的反映重复放映，又可以利用关键字检索放映相关内容的章节。这个课件实现了人工智能中的智能引擎及智能数据检索技术与计算机辅助教学的结合。其实现过程根据第i节的重点、难点和学生的课堂反映分别设定参数Wi, Ci, Hi，其中Wi 表示教学重点的权值，Cj 表示教学难点的权值，Hi 表示学生课堂反映的权值，这里i=1,2,…,.n，而n表示总的节数。 另记这三个参数的线性组合为：　其中， 是预先给定的控制参数。又假设实现不同章节的多媒体文件分别编译成的可执行文件名分别为file_，file_，… ，file_n.exe，根据设定可得如下的产生式规则：if (0Pi≤1) then do file_else if (1 Pi≤2) then do file_else … 依照上述步骤不仅可以实现智能引擎的功能，而且可以根据学生的课堂反映灵活调整教学进度，达到比较好的教学效果。该课件的智能数据检索功能可按照同样原理来实现。5 结束语 一个好的ICAI系统应能贯彻教学思想、教学策略，遵循教育学、心理学的规律。要想达到实现一个完美ICAI系统的目标，在短期内很难实现。目前比较成熟的ICAI教学系统是作为专家系统的一部分来研制的，真正为教学而设计的ICAI教学系统还不多。因为ICAI系统毕竟是一个涉及多种学科的综合知识系统。任何一个相关学科的进展，都会影响到ICAI的发展进程。但也正因为它的多学科特性，才使得它更具有吸引力、更具有发展前途。 国内的ICAI虽然刚起步不久，但广阔的教育市场与应用前景以及时代发展的强烈需求，一定会大力推动ICAI的快速发展。我们相信，随着计算机技术、AI技术和教育学的深人发展和日趋成熟，人们对ICAI的认识和理解也会逐渐加深，越来越多的人们会从越来越多的视角审视ICAI，并从事ICAI的研究，从而促使智能计算机辅助教学的健康发展。最终，ICAI一定会在现代教育领域中得到广泛应用。参考文献[1]张森等．多媒体CAI课件基本原理与制作技术．北京：北京航空航天大学出版社，2000王万森．人工智能原理及其应用．北京：电子工业出版社，2000陆汝钤．人工智能(上，下册)．北京：科学出版社，1996孙沛．计算机辅助教学．呼和浩特：内蒙古大学出版社，2000王建华等．计算机辅助教学实用教程．高等教育出版杜，2003