1/9基于人工智能的計算機(jī)輔助教學(xué)初探【摘要】本文概要介紹了計算機(jī)輔助教學(xué)的現(xiàn)狀，闡述了智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容，初步探討了開發(fā)智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的未來發(fā)展的方向，認(rèn)為智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)模擬人類記憶與思想，有助于較好地解決形象思維、頓悟思維問題，提高自主學(xué)習(xí)能力和表達(dá)能力?！娟P(guān)鍵詞】計算機(jī)輔助教學(xué)；人工智能；教學(xué)模型；努力方向計算機(jī)輔助教學(xué)是計算機(jī)輔助教育中的重要組成部分，是教師為了提高教學(xué)效果和效率，利用以多媒體計算機(jī)為中心的豐富的教學(xué)資源，改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)，或為學(xué)生提供一個學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生通過與計算機(jī)的交互對話，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，幫助學(xué)生更有效地學(xué)習(xí)。使用CAI系統(tǒng)，有利于認(rèn)知主體作用的發(fā)揮，它所提供的圖像、聲音、動畫等信息有利于學(xué)生知識的獲取與保持，達(dá)到提高教學(xué)效果。一、計算機(jī)輔助教學(xué)的現(xiàn)狀計算機(jī)輔助教學(xué)的實現(xiàn)需要應(yīng)用人工智能技術(shù)及程序設(shè)計，一些人工智能技術(shù)的特殊應(yīng)用成果均被應(yīng)用于計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，以提高其智能性和實用性。早期絕大2/9多數(shù)CAI課件大都使用決策理論和隨機(jī)學(xué)習(xí)的模式，極大地簡化了學(xué)習(xí)過程的表達(dá)形式。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)中添加了學(xué)生的學(xué)習(xí)行為及訓(xùn)練策略，同時人工智能技術(shù)被應(yīng)用于建立學(xué)習(xí)互動學(xué)習(xí)模塊。這種方法能控制訓(xùn)練策略并給出適合學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容。目前為了獲取對課程知識表示和控制的靈活性和模塊性，有些計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)還用人工智能技術(shù)來表示訓(xùn)練計劃和策略。現(xiàn)有的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)面臨許多挑戰(zhàn)，它主要存在以下幾方面的問題1、缺乏教與學(xué)的融合制作系統(tǒng)的教師，并不全是一線的教師，所以導(dǎo)致教與學(xué)沒有真正融合。2、缺乏開放性不具有開放性是目前CAI課件最大的缺點。使用者無法對課件進(jìn)行任何修改，只能利用已有資源按設(shè)定的路線進(jìn)行教學(xué)。3、缺乏個性化現(xiàn)有的CAI課件系統(tǒng)不能對不同程度的學(xué)生進(jìn)行有針對性的教育，學(xué)生的學(xué)習(xí)是被動的，不能由系統(tǒng)自動提供助學(xué)信息而使學(xué)生有選擇地學(xué)習(xí)。4、缺乏人機(jī)交互能力3/9現(xiàn)有CAI大多以光盤作為信息的載體，將教材中的內(nèi)容以多媒體的形式展現(xiàn)出來，教學(xué)信息是按預(yù)置的教學(xué)流程機(jī)械式地提供給學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)者CAI課件學(xué)習(xí)是完全被動的。5、缺乏教師與學(xué)生的互動現(xiàn)有CAI課件在學(xué)生自學(xué)以及進(jìn)行操作使用時，如何學(xué)習(xí)都是學(xué)生自己的事。教師不能完全了解學(xué)習(xí)者的情況，因此課件所起的效果大打折扣。6、忽視課程本身的特點各門課程在教學(xué)上有不同的要求，但現(xiàn)有課件對于這些不同要求完全不予理會。二、智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)智能計算機(jī)輔助教學(xué)具有教師進(jìn)行導(dǎo)學(xué)的特點，教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡指導(dǎo)學(xué)生，也可以將導(dǎo)學(xué)工作交給智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)來完成，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為來決定學(xué)習(xí)內(nèi)容。智能計算機(jī)輔助教學(xué)要實現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)和個性化教學(xué)，因此系統(tǒng)由知識庫、專家系統(tǒng)和學(xué)生的認(rèn)知模型等部分組成，如圖1。圖11、知識庫知識庫用于存儲所要教授的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)知識，主要4/9包括元知識、陳述性知識和過程性知識。知識庫的內(nèi)容可以隨教學(xué)系統(tǒng)所用時間的增加來逐漸積累、整理。其主要任務(wù)是根據(jù)要求檢索出有關(guān)的知識，生成問題并評價學(xué)生的解答。2、專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知情況和知識庫的內(nèi)容，做出智能化的教學(xué)決策機(jī)構(gòu)，好在學(xué)習(xí)過程中決定下一步采取哪種學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)哪方面的內(nèi)容，還能評測學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并據(jù)此提出改進(jìn)策略和意見。3、學(xué)生的認(rèn)知模型學(xué)生的認(rèn)知模型用于記錄學(xué)生的知識水平和認(rèn)知能力，始終依據(jù)學(xué)生的實際知識水平來指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，并根據(jù)其學(xué)習(xí)情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)新的教學(xué)內(nèi)容時，系統(tǒng)可以根據(jù)該學(xué)生以前的學(xué)習(xí)記錄來建議新的學(xué)習(xí)內(nèi)容提要。學(xué)生認(rèn)知模型的信息被專家系統(tǒng)作為教學(xué)決策的依據(jù)，使系統(tǒng)能正確評價學(xué)生對所學(xué)知識的理解程度，并能針對每個學(xué)生的不同特點和差異，實行與該學(xué)生相適應(yīng)的教學(xué)活動。三、開發(fā)ICAI系統(tǒng)的努力方向在新世紀(jì)全球都在ICAI的發(fā)展，智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)成為國際上計算機(jī)輔助教學(xué)研究的主要方向。要開發(fā)好的智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，要考慮以下幾個方5/9面1、模擬人類記憶與思維合一隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理與存儲完全分離狀態(tài)雖然沒有變，但交換數(shù)據(jù)方式的發(fā)展也提升了處理器與存儲器之間的配合。智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)模擬人類記憶與思想是非常有必要的。2、模擬人類思維過程是串行與并行共存且以并行為主人們不僅可以順序地處理問題，而且可以同時應(yīng)付多種不同的情況，把問題的不同側(cè)面、不同因素密切地聯(lián)系起來，進(jìn)行多方位的綜合性思考，但目前的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)只能進(jìn)行串行式的處理。3、模擬人類較好地解決不確定性問題現(xiàn)實世界中的事物并非都是確定的兩態(tài)邏輯，更多的是多態(tài)邏輯、非確定性的、模糊的，人腦可以很自然地處理這樣的事物，但目前的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的基于兩態(tài)邏輯的，為了對不確定性行處理，需要從軟件上彌補(bǔ)這一缺陷，這就增加了軟件設(shè)計的復(fù)雜性及難度。4、模擬人類較好地解決形象思維、頓悟思維問題人的思維方式除了邏輯思維外，還有形象思維、頓悟思維等，人們在處理問題時，通常是把它們結(jié)合起來進(jìn)行的。但是，目前的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)只能進(jìn)行符號處6/9理，任何要在計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)上進(jìn)行處理的問題都必須表示為一串符號序列，并且還要給出處理這引起符號的規(guī)則。因此它所能解決的問題僅僅局限于邏輯思維所能解決的問題范疇內(nèi)，這就使用現(xiàn)有的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)難以有創(chuàng)造性它只能做人們?yōu)樗?guī)定的工作。目前的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的通過搜索在知識庫中尋找可利用的知識的，而這些知識都是事先用某種表示模式進(jìn)行了形式化的，當(dāng)問題比較復(fù)雜時，搜索空間就變得很龐大，往往會引起組合爆炸。計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)在思維能力方面的局限性極大地限制了它的功能，使得它無法進(jìn)行音樂、美術(shù)方面的創(chuàng)作，數(shù)學(xué)上不能發(fā)現(xiàn)新的定理。目前人工智能在自然信息理解、機(jī)器翻譯、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面遇到的困難都與它的這些局限性有關(guān)。5、模擬人類較好地解決自學(xué)習(xí)問題人具有感知能力，能通過感覺器官感知外部世界得到所需要的有關(guān)信息，但目前的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)卻不具有這種能力，它需要人們通過輸入設(shè)備把已表示出來的信息交它才能進(jìn)行處理。盡管目前人們已經(jīng)通過軟件的方法設(shè)計了各種手寫文字以及圖形、物象等與計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)直接交互，這就限制了計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用。6、模擬人類較好地解決多種形式表達(dá)問題7/9人們具有多種形式的表達(dá)能力及行為能力，能對外部刺激及時地作出反應(yīng)，這也是目前計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)做不到的。7、與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)隨著多媒體技術(shù)和INTERNET網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，CAI不僅僅在智能上發(fā)展，還要向多維的網(wǎng)絡(luò)空間發(fā)展。它們要利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，完成在線學(xué)習(xí)、實時討論、網(wǎng)上測試等多種教學(xué)任務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。目前，已有不少基于INTERNET網(wǎng)的多媒體教育系統(tǒng)在使用。8、智能代理技術(shù)的使用人工智能技術(shù)在ICAI中的應(yīng)用，除了體現(xiàn)在對多媒體教學(xué)系統(tǒng)中引入學(xué)生模型和知識推理機(jī)制以外，還可以起到在“智能導(dǎo)航”瀏覽中，使用“智能代理”技術(shù)代替教師、學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)學(xué)習(xí)和搜索學(xué)習(xí)的作用。9、提高虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的人機(jī)交互性虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是由多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而生成的一種交互式人工世界。它的根本目標(biāo)就是達(dá)到真實體驗和基于自然技能的人機(jī)交互。在教學(xué)輔助中，使用創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，在一般人所不能親身體驗的情景中，達(dá)到演示、操作的教學(xué)目的。10、開發(fā)更有效的幫助系統(tǒng)評價一個ICAI系統(tǒng)智能的高低，是要看該系統(tǒng)能否8/9在學(xué)生遇到困難的時候，提供合適的、有啟發(fā)性的幫助。而現(xiàn)有的ICAI系統(tǒng)并不能夠很好的做到這一點。因此，開發(fā)更有效的幫助系統(tǒng)也是今后努力的方向。四、結(jié)語新世紀(jì)的教育教學(xué)手段將是以智能化CAI為主線，是多學(xué)科、多方位發(fā)展的新技術(shù)的體現(xiàn)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助教學(xué)的成效將更加明顯。為了實現(xiàn)人類智能在智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)上的模擬、延伸、擴(kuò)展，必須對其體系結(jié)構(gòu)、工作方式、處理能力、接口方式等進(jìn)行變革，這樣造出來的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)才能稱為智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)。在當(dāng)今教育改革的大環(huán)境下，應(yīng)當(dāng)使更多的教育工作者關(guān)注ICAI的建設(shè)與發(fā)展，并為ICAI系統(tǒng)的發(fā)展起到更大的推動作用?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1王永慶人工智能原理與方法M西安西安交通大學(xué)出版社,2王建華,盛琳陽,李曉東計算機(jī)輔助教學(xué)實用教程M北京高等教育出版社,3羅理輝基于人