1、智能教學(xué)系統(tǒng)綜述智能教學(xué)系統(tǒng)綜述 周曉軍周曉軍 博士博士北京語言大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院北京語言大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2002.122002.12 ITS(Intelligent Tutoring System)是一個(gè)綜合性研究課題，是 AI的重要研究內(nèi)容。ITS作為一個(gè)概念，形成于70年代。 ITS通過教育、計(jì)算機(jī)、AI、認(rèn)知科學(xué)、行為科學(xué)等多種學(xué)科的集成，通過對人類最優(yōu)秀教師的計(jì)算機(jī)模擬，實(shí)現(xiàn)的最佳教學(xué)過程。：教師根據(jù)每個(gè)學(xué)生的不同特點(diǎn)來組織教學(xué)內(nèi)容，給學(xué)生安排相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，并根據(jù)學(xué)生的完成情況提供適當(dāng)?shù)姆答佇畔?；如果在教學(xué)過程中，學(xué)生沒有取得預(yù)期的進(jìn)展，教師要根據(jù)目前學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)進(jìn)行教學(xué)策略

2、的改變 知識和行為的表示理解能力、解釋說明能力、分析診斷能力、收集生成能力、行為評價(jià)能力、教學(xué)規(guī)劃能力、組織適應(yīng)能力等。要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具備所教授領(lǐng)域的豐富知識，知道使用最有效的教學(xué)方式向?qū)W生傳授知識，清晰了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，能夠及時(shí)診斷學(xué)生錯(cuò)誤并加以更正等多種功能。 基于計(jì)算機(jī)的教育基于計(jì)算機(jī)的教育:作為一種現(xiàn)代化教學(xué)手段和工具，應(yīng)用于教育領(lǐng)域開始于作為一種現(xiàn)代化教學(xué)手段和工具，應(yīng)用于教育領(lǐng)域開始于20世紀(jì)世紀(jì)50年代。年代。-教育手段教育手段/教學(xué)方法教學(xué)方法/教材形式教材形式/教學(xué)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)/教學(xué)思想和教學(xué)理論變革教學(xué)思想和教學(xué)理論變革 l從從50年代出現(xiàn)的早期線性程序年代出

3、現(xiàn)的早期線性程序l60年代開始出現(xiàn)的分支程序年代開始出現(xiàn)的分支程序l70年代開始出現(xiàn)的生成系統(tǒng)和年代開始出現(xiàn)的生成系統(tǒng)和 CAI和和ITS AI：ITS的研究由于涉及幾乎的研究由于涉及幾乎AI研究中的所有主要問題包括專家系統(tǒng)、研究中的所有主要問題包括專家系統(tǒng)、NLP、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺、知識表示、知識工程、問題求解、規(guī)劃問題等，從而對機(jī)器視覺、知識表示、知識工程、問題求解、規(guī)劃問題等，從而對AI相關(guān)技術(shù)提出要求。相關(guān)技術(shù)提出要求。 認(rèn)知科學(xué)：認(rèn)知科學(xué)：研究人類認(rèn)識的心理學(xué)、研究人類認(rèn)識的心理學(xué)、AI、邏輯和知識論等綜合形成的交叉科學(xué)，以認(rèn)知、邏輯和知識論等綜合形成的交叉科學(xué)，以認(rèn)知心

4、理學(xué)、認(rèn)知生理學(xué)、認(rèn)知工程學(xué)等相關(guān)學(xué)科為基本內(nèi)容并被認(rèn)為是心理學(xué)、認(rèn)知生理學(xué)、認(rèn)知工程學(xué)等相關(guān)學(xué)科為基本內(nèi)容并被認(rèn)為是ITS的主要理論基礎(chǔ)。的主要理論基礎(chǔ)。ITS的研究開發(fā)運(yùn)用了相關(guān)學(xué)科的最新研究成果并對相關(guān)學(xué)科的學(xué)科發(fā)展提出的研究開發(fā)運(yùn)用了相關(guān)學(xué)科的最新研究成果并對相關(guān)學(xué)科的學(xué)科發(fā)展提出特殊要求，并通過特殊要求，并通過ITS的研究與開發(fā)及其運(yùn)用反過來推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。的研究與開發(fā)及其運(yùn)用反過來推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。 SCHOLAR SCHOLAR系統(tǒng)129是一個(gè)關(guān)于南美洲地理的教學(xué)系統(tǒng), 是第一個(gè)有代表性的ITS。系統(tǒng)的知識表示采用語義網(wǎng)絡(luò)方法。學(xué)科中的具體的對象或概念被表示成為語義網(wǎng)絡(luò)中節(jié)

5、點(diǎn)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)是由節(jié)點(diǎn)名和一組性質(zhì)組成；這些性質(zhì)是一些屬性-值對；屬性可以是其它單元，也可以是幾種特殊屬性之一。 SCHOLAR系統(tǒng)研究的一個(gè)重要部分是教學(xué)中的對話，系統(tǒng)可以回答學(xué)生提出的未預(yù)測到的問題。系統(tǒng)中的自然語言處理基于狀態(tài)文法系統(tǒng)，并且主要由語義網(wǎng)絡(luò)中的地理知識指導(dǎo)對學(xué)生響應(yīng)的語義解釋。 適應(yīng)語義網(wǎng)絡(luò)所存儲的信息的不完備性，SCHOLAR系統(tǒng)中的推理策略被設(shè)計(jì)為通過相交搜索、共同的超級坐標(biāo)、開集合與閉集合等方法來完成對問題的推理。推理方式與語義網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，可以應(yīng)用于其它不同的領(lǐng)域。同時(shí)因?yàn)橥评矸绞脚c人類的推理方式非常相似，因而十分自然。 WEST系統(tǒng)是第一個(gè)計(jì)算機(jī)教練系統(tǒng)。教練這一術(shù)語描

6、述一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)環(huán)境，在這一環(huán)境中學(xué)生像玩游戲那樣參與活動(dòng)；系統(tǒng)通過觀察學(xué)生的活動(dòng)進(jìn)行工作，在需要矯正時(shí)提出批評或建議。WEST系統(tǒng)的研究集中于診斷策略和教學(xué)策略。系統(tǒng)支持有指導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)。系統(tǒng)認(rèn)為學(xué)生依靠其先驗(yàn)知識構(gòu)造自己對一個(gè)環(huán)境或任務(wù)的認(rèn)識。因此錯(cuò)誤的概念或想法在教學(xué)中起主導(dǎo)作用。系統(tǒng)主要通過差別模擬技術(shù)來發(fā)現(xiàn)學(xué)生錯(cuò)誤。該技術(shù)是將學(xué)生行為與專家在同一情況下的行動(dòng)進(jìn)行比較；這種比較所發(fā)現(xiàn)的差別在某種程度上說明了學(xué)生懂什么或不懂什么。系統(tǒng)通過執(zhí)行以下兩個(gè)任務(wù)構(gòu)造差別模型：l同一情況下專家可能采取的行動(dòng)對學(xué)生的行為進(jìn)行評價(jià)；l判斷學(xué)生和專家在決定其各自行為時(shí)所用的知識。 為了使學(xué)生的學(xué)習(xí)

7、取得較好的效果，系統(tǒng)的教學(xué)法遵守以下原則：教練哲理；維護(hù)學(xué)生的游戲興趣；增加學(xué)習(xí)的機(jī)會和對教學(xué)環(huán)境的考慮。該系統(tǒng)在許多地方與SCHOLAR系統(tǒng)相似，都被認(rèn)為是ITS發(fā)展史上的里程碑。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于向?qū)W生提供一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生運(yùn)用自己的知識，在系統(tǒng)的幫助下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)允許學(xué)生和基于計(jì)算機(jī)的專家之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)采取了基于語義文法的自然語言處理技術(shù)，以使學(xué)生與系統(tǒng)方便交流。系統(tǒng)的自然語言理解程序能妥善處理許多語言學(xué)方面的問題，如首語重復(fù)、省略現(xiàn)象等。系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，單一知識表示方式往往不能滿足系統(tǒng)的需要。因此，為了實(shí)現(xiàn)推理的“有效性和健壯性”，系統(tǒng)采用了為與學(xué)生對話，系統(tǒng)執(zhí)行幾種不

8、同的邏輯與教學(xué)任務(wù)，包括回答。這些任務(wù)通過推理機(jī)制加以實(shí)現(xiàn)。在SOPHIE-系統(tǒng)中，該推理機(jī)制依靠電路仿真的數(shù)學(xué)模型來工作。由于這種推理方式與人類推理方式不同，在一定程度上限制了系統(tǒng)的解釋能力。WHO 學(xué)生模型學(xué)生模型WHAT 領(lǐng)域?qū)＜遥ㄖR庫）領(lǐng)域?qū)＜遥ㄖR庫）HOW 教師模型（教學(xué)策略模塊）教師模型（教學(xué)策略模塊）WHERE 智能人機(jī)接口智能人機(jī)接口：多媒體技術(shù)多媒體技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)VR技術(shù)技術(shù)AI技術(shù)技術(shù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論NLP技術(shù)技術(shù)代理技術(shù)代理技術(shù)覆蓋模型覆蓋模型差別模型差別模型干擾模型干擾模型智能代理（智能代理（Intelligent Agent）多代理系

9、統(tǒng)（多代理系統(tǒng)（Multi-Agent System） 。3個(gè)層次：一、以計(jì)算機(jī)多媒體為核心的教育技術(shù)在學(xué)校的普及與運(yùn)用；二、組織學(xué)校上網(wǎng)，充分利用網(wǎng)上資源；三、遠(yuǎn)程教育，提供廣泛的學(xué)習(xí)資源，不斷滿足社會終身教育的需求。：ITS98 教育學(xué)習(xí)代理/模擬培訓(xùn)/知識模型/3D環(huán)境/動(dòng)機(jī)診斷/教育工具/合作學(xué)習(xí)/反饋/知識結(jié)構(gòu)、表示教學(xué)策略學(xué)生建模Web-based ITSITS2000 網(wǎng)絡(luò)的培訓(xùn)/教學(xué)策略/學(xué)生建模/學(xué)習(xí)環(huán)境/教學(xué)設(shè)計(jì)/智能多媒體與超媒體/智能遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)/教育評價(jià)/分布式學(xué)習(xí)環(huán)境/合作系統(tǒng)/認(rèn)知方法/編著工具/基于代理系統(tǒng)/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ITS2002 學(xué)習(xí)的研究：人類學(xué)習(xí)機(jī)理尚不完全清

10、楚.學(xué)習(xí)機(jī)制和認(rèn)知過程的理解和解釋困難 投資的考慮：投資多、風(fēng)險(xiǎn)大、周期長、升級快、要求高 ：教育計(jì)算機(jī) 1994年底，年底，“中國教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)（中國教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)（CERNET）示范工程）示范工程”由清華大學(xué)等由清華大學(xué)等10所所高校共同建成。高校共同建成。-國內(nèi)第一個(gè)采用國內(nèi)第一個(gè)采用TCP/IP協(xié)議的公共計(jì)算機(jī)網(wǎng)。協(xié)議的公共計(jì)算機(jī)網(wǎng)。 1996年年清華大學(xué)清華大學(xué)王大中校長率先提出發(fā)展遠(yuǎn)程教育；王大中校長率先提出發(fā)展遠(yuǎn)程教育； 1997年年湖南大學(xué)湖南大學(xué)第一個(gè)與湖南電信合作，建起了網(wǎng)上大學(xué)。清華大學(xué)則在第一個(gè)與湖南電信合作，建起了網(wǎng)上大學(xué)。清華大學(xué)則在1998年推出年推出了網(wǎng)

11、上研究生進(jìn)修課程。了網(wǎng)上研究生進(jìn)修課程。 1998年年9月，教育部正式批準(zhǔn)月，教育部正式批準(zhǔn)第一批第一批4 4所試點(diǎn)院校所試點(diǎn)院校: :清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、浙江大學(xué)、湖南大學(xué)為國家現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育。湖南大學(xué)為國家現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育。 1999年教育部制定了年教育部制定了關(guān)于發(fā)展我國現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的意見關(guān)于發(fā)展我國現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的意見: :現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的指導(dǎo)方針、現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的指導(dǎo)方針、目標(biāo)和任務(wù)。目標(biāo)和任務(wù)。16字指導(dǎo)方針：字指導(dǎo)方針： 統(tǒng)籌規(guī)劃、需求推動(dòng)、擴(kuò)大開放、提高質(zhì)量統(tǒng)籌規(guī)劃、需求推動(dòng)、擴(kuò)大開放、提高質(zhì)量 1999年年8月，北京大學(xué)、中央廣播電視大學(xué)相繼試點(diǎn)。月

12、，北京大學(xué)、中央廣播電視大學(xué)相繼試點(diǎn)。 1999年年9月，月，“CERNET高速主干網(wǎng)項(xiàng)目高速主干網(wǎng)項(xiàng)目”立項(xiàng)，目標(biāo)是在立項(xiàng)，目標(biāo)是在2000年年12月底之前完成月底之前完成CERNET高速主干網(wǎng)的建設(shè)。高速主干網(wǎng)的建設(shè)。 2000年，是中國遠(yuǎn)程教育大踏步前進(jìn)的一年：年，是中國遠(yuǎn)程教育大踏步前進(jìn)的一年：l7月月: :教育部教育部教育網(wǎng)站和網(wǎng)校暫行管理辦法教育網(wǎng)站和網(wǎng)校暫行管理辦法: :領(lǐng)導(dǎo)權(quán)領(lǐng)導(dǎo)權(quán). .l教育部批準(zhǔn)教育部批準(zhǔn)15-31所；頒布了所；頒布了關(guān)于支持若干所高等學(xué)校建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院開展現(xiàn)代遠(yuǎn)程教關(guān)于支持若干所高等學(xué)校建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院開展現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育試點(diǎn)工作的幾點(diǎn)意見育試點(diǎn)工作的幾點(diǎn)意見，31所試點(diǎn)院校具有很大的自主權(quán)：可以自己制定招生標(biāo)準(zhǔn)并決定所試點(diǎn)院校具有很大的自主權(quán)：可以自己制定招生標(biāo)準(zhǔn)并決定招生數(shù)量，可以開設(shè)專業(yè)目錄之外的專業(yè)，有權(quán)發(fā)放國家承認(rèn)的學(xué)歷文憑。招生數(shù)量，可以開設(shè)專業(yè)目錄之外的專業(yè)，有權(quán)發(fā)放國家承認(rèn)的學(xué)歷文憑。l7月月31日，日，31所試點(diǎn)高校在北京成立了所試點(diǎn)高校在北京成立了“高等學(xué)?，F(xiàn)代遠(yuǎn)程教育協(xié)作組高等學(xué)校現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育協(xié)