人工智能在计算机辅助教学中的应用研究解读

1、人工智能在计算机辅助教学中的应用研究学院专业研究方向学生姓名学号任课教师姓名任课教师职称2013年 06月 19日人工智能在计算机辅助教学中的应用研究【摘要】随着计算机技术与信息技术的发展，人工智能在教育技术中的应用也逐渐深入，成为计算机教学发展的一大趋势。本文从人工智能和计算机辅助教学两者的概念出发，介绍了人工智能的概念、人工智能的科学范畴和研究内容以及人工智能的特征。介绍了计算机辅助教学的概念、现状及其中所存在的一些问题。阐述了人工智能与计算机辅助教学系统的关系及其 人工智能在计算机辅助教学中的应用，最后概述了智能计算机系统，并探讨了智能计算机辅助教学系统未来的发展方向。【关键词】人工智能

2、计算机辅助教学智能计算机辅助教学系统专家系统.引言在计算机科学的众多领域中，人工智能(Artificial Intelligence, AI)是富有挑战性和创造性的一个领域。随着人工智能的诞生和发展，人们开始把计算机用于教学领域。同时， 自七十年代以来，有教学能力的专家系统得到研制。人工智能技术与专家系统的成就，促使人们把问题求解、知识表示这些技术引入计算机辅助教学(CAI).这便是智能型计算机辅助教学(ICAI)。近几十年来.随着人工智能技术的日渐成熟，它的一些研究成果被陆续应用到教学 领域，推进了教育发展改革和教学现代化进程。人工智能在教学系统的重要性也已形成共识。本文从人工智能和计算机辅

3、助教学两者的概念出发，介绍了人工智能的概念、 人工智能的科学范畴和研究内容以及人工智能的特征。介绍了计算机辅助教学的概念、现状及其中所存在的一些问题。阐述了人工智能与计算机辅助教学系统的关系及其人工智能在计算机辅助教学 中的应用，最后概述了智能计算机系统，并探讨了智能计算机辅助教学系统未来的发展方向。.人工智能人工智能的定义人工智能(Artficial 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

4、，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。人工智能是一门极富挑战性的科学，从事这项工作的人必须懂得计算机知识，心理学和哲学。人工智能是包括十分广泛的科学，它由不同的领域组成，如机器学习，计算机视觉等等，总的说来，人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能 完成的复杂工作。但不同的时代、不同的人对这种“复杂工作”

5、的理解是不同的。例如繁重 的科学和工程计算本来是要人脑来承担的，现在计算机不但能完成这种计算，而且能够比人脑做得更快、更准确，因之当代人已不再把这种计算看作是“需要人类智能才能完成的复杂任务”，可见复杂工作的定义是随着时代的发展和技术的进步而变化的，人工智能这门科学的具体目标也自然随着时代的变化而发展。它一方面不断获得新的进展，一方面又转向更有意义、更加困难的目标。目前能够用来研究人工智能的主要物质手段以及能够实现人工智能 技术的机器就是计算机，人工智能的发展历史是和计算机科学与技术的发展史联系在一起 的。除了计算机科学以外，人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心 理学、数理

6、逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科。人工智能学科研究的主要内容包括：知 识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算 机视觉、智能机器人、自动程序设计等方面。人工智能的科学范畴和研究内容人工智能科学范畴现在，人工智能已构成信息技术领域的一个重要的学科。该学科研究如何使机器具有智能或者说如何利用计算机实现智能的理论、方法和技术，所以，人工智能既属于计算机科学技术的一个前沿领域， 也属于信息处理和自动化技术的一个前沿领域。但由于其研究内容涉及到“智能”，因此，人工智能不仅局限于计算机、信息和自动化等学科，还涉及到智能学 科、认知科学、语言学、逻辑学、教育科学、系

7、统教学、数理科学等众多学科领域。人工智 能是一门综合性的交叉学科和边缘学科。人工智能研究内容人工智能的研究内容可以归纳为：搜索与求解、学习与发现、知识与推理、发明与创造、感知与交流、记忆与联想、系统与建设、应用于工程等八个方面。从研究对象来说，人工智 能涉及三个相对独立的域，即：(1)研究会读和说的计算机程序，也就是通常称为“自然语言处理”(Natural Language Processing)领域；(2)研制灵敏的机器，通过设计出具有视觉和 听觉程序化的机器人，在活动时能识别不断改变的环境；(3)开发用符号识别来模拟人类专家行为的程序，即专家系统。但是，从研究的性质来说，人工智能一般可分为

8、理论研究和工 程研究两个方面。理论研究主要是对有关开发和理解人和机器智能方面理论进行研究和探 索.而工程研究则主要是设计和开发研究人工智能的工具和像专家系统这样的产品。但是， 这并不是说，它们彼此是独立的；相反，它们是彼此依赖和不可分割的。随着人工智能理论和技术逐步被采用，并具体地开发出产品。理论和工程研究之间的界限将会缩小，直至消失。人工智能的技术特征(1)具有搜索功能。采用一定搜索策略可以快速地找到答案。(2)知识表示能力。可以表示一些不精确的、模糊的知识(适合表示多媒体数据)。(3) 一定的推理功能。可以从给定的实事、前题中找出答案、发现知识。(4)抽象功能。抽象用以区分重要与非重要的特

9、征，借助抽象可将处理问题中的重要 特征和变式与大量非重要特征和变式区分开来，使处理变得更有效、更灵活。对用户来说 往往只需要叙述“是什么问题”，“要做什么”，而把“怎么做”留给智能程序来完成。(5)语音识别功能及模糊信息处理能力。有处理不精确和模糊信息的能力。3.计算机辅助教学计算机辅助教学定义计算机辅助教学(Computer Aided Instruction简称CAI)是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术。利用多 媒体计算机的功能与特点，利用计算机辅助教师完成各个教学环节，并通过与计算机之间的交互活动，激发学生的学习积极性

10、和主动性，帮助学生更有效地学习。使用 CAI系统，有利 于认知主体作用的发挥， 它所提供的图象、声音、动画等信息有利于学生知识的获取与保持。达到提高教学效果的目的。计算机辅助教学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C

11、AI的发展列为重点研究课题。计算机辅助教学现状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

12、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。计算机辅助教学存在的问题(1)计算机辅助教学系统的闭塞性不具有开放性是目前以及理论证明等均被应用于计 算机辅助教学系统，以提高其智能性和实用性。其弊端在于固定内容的局限性使课件的适用面狭窄，而且设定的运行路线使授课缺乏自主性；授课的针对性不强； 无法利用新出现的资源在较高起点上进行二次开发。(2)智能性的欠缺现有的计算机智能辅助课件系统不能对不同何曾度的学生进行有针 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。(3)人机交互能力较弱现有计算机智能辅助大多以光盘作为信息的载体，将

13、材料中的 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者，学习者使用计算机智能辅助课件学习是完全被动的。(4)教师与学生的瓦动在教学中的缺乏现有计算机智能辅助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。教师不能全完了解学习者的情况，学生在蹦到问题时不能向教师求教，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。(5)课程特点没有突出各门课程在教学上有不同的要求，但现有课件对于这若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了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

14、的要 求。(6)教学计划的欠缺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，这样的可见制作“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”。综上所述，现有的计算机智能辅助存在许多问题，随着新技术的不断出现，这些问题将使计算机智能辅助越来越不能适应新的要求。因此以智能计算机智能辅助为代表的心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。智能计

15、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

16、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

17、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

18、)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

19、）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）学生模块也是一个专家

20、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

21、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”

22、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。4.1人工智能与计算机辅助教学的关系智

23、能包括人类智能和计算机智能 （即机器智能），使用人工智能可以将人类智能转化为计 算机智能；使用计算机辅助教学或计算机智能化教学可以将计算机智能转化为人类智能。使用人类智能可以对于知识进行知识表示，即知识处理的形式化；使用计算机智能可以对于知识进行知识推理（检索或证明），即知识处理的自动化和智能化这统称为知识工程。计算机辅 助教学既是知识工程的重要内容，人工智能在计算机辅助教学中又有重要的应用。CBE/CAI的重要方向是它们的智能化。智能化是信息技术发展的最重要的方向之一。把人工智能技术应用于计算机教育之中， 才能使CAI（计算机辅助教学）真正做到因材施教。人工智能辅助教学系统具有“教学决策”

24、模块、“学生模型”模块和“自然语言接口”，并在辅导、模拟、练习等多种教学形式中得到应用，充分发挥了 CAI的交互特性，加强其软件智能化的研究.其方向是多媒体技术，使 所有的媒体融于一体，实现更高学习效率的研究以及有关软件制作的研究，可使它具有能与人类优秀教师相媲美的功能。目前CAI系统还很少具有智能，构造真正的智能教学系统有待专家们的研究。关于人工智能与计算机辅助教学的关系，可以使用如下关系图1表示：-人类智能|t I知词智能计算机辅助教学 人工智能一知识工程一计算机科学技术等 t I 机器智能图1人工智能与计算机辅助教学的关系智能计算机辅助教学（ICAI）系统教学过程是一个复杂的教与学的思维

25、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。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系统。从人工智能的角度看。智能计算机辅助教学系统以认知学为理论基础，将人工智能技术应用于 CAI ,是智能化的CAI ,是一个教学型专家系统，它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。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，是人工智能的核心技术之一。也是将 AI引入教育技术 领域中所要面临的一个

26、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知识进行推理，并最终得出所需结果的过程。ICAI系统的一般包括以下几个模块：（1）知识库知识库是关于教学内容的模块。解决“教什么”的问题。知识库中的教学内容有待于教学与控制模块和学生模块进行选取、调用。知识库可以做到教学资源共享。知识库内知识可以进行更新。（2）学生模块用于记录学生的学习情况。对学生学习的各个环节信息进行搜集， 以便系统对学生的学 习情况进行自动评估， 提出具有针对性的学习建议和个别化的辅导。 学

27、生模块描述学生对教 学内容理解、掌握的程度，系统可以根据学生模块的具体情况调整教学策略并提供适当的反馈。(3)用户接口模块这是系统与用户交流的界面。整个系统依靠用户接口模块把教学内容呈现给用户、接受用户输入的信息、并向用户提供反馈。大多数的教学系统使用图形用户界面或者自然语言交 流界面，或者两者兼备。(4)教学与控制模块这是教学过程与整个系统的控制模块，涉及到“如何教”的问题。它具有领域知识、教 学策略和人机对话等方面的知识。根据学生模型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，能够较科学地评估学生的学习水平，还可以通过分析学生以往的学习兴趣和学习习惯，预测

28、学生的知识需求和常犯错误，动态地将不同的学习内容、学习方法与不同的学生匹配. 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。人工智能技术在ICAI中的应用人工智能理论和技术应用于 CAI ,形成的智能计算机辅助教学系统(ICAI)是智能的CAI。它必将为学生提供一个新型的学习环境，它将教学内容与教学策略分开，根据学生认知模型提供的信息，通过智能系统的搜索与推理。动态生成适合于个别化教学的内容与策略；通过智能诊断机制判断学生的学习水平，分析学生产生错误的原因，同时向学生提出更改建议以及进一步学习内容的建议；通过对全体学生出现的错误进行分布统计，智能诊断机制将向教

29、师提供教学重点、方式、测试重点、题型的建议；为教师提供友好的教学内容、测试内容维 护界面，无需改变软件的结构即可调整教学策略；通过对学生认知模型、教学内容、测试结果的智能分析。向教学督导人员提供对任课教师教学业绩评价的参考意见。ICAI系统的主要组成部分是：有关问题解答的知识和技能.传授给学生的课程内容和如何教授学生的教学 策略。一个典型的ICAI系统主要是由知识模块、学生模型模块、教学模块、人机接口构成 的。如下图2所示：图2智能计算机辅助教学系藐人机篆口敦拿模块ICAI的未来发展方向随着计算机技术以及人工智能技术的发展，其发展方向表现为以下几方面。(1)与网络技术的结合，实现远程教学：随着

30、多媒体技术和Intemet网络的飞速发展，CAI不仅仅在智能上发展，还要向多维的 网络空间发展。它们要利用网络的优势，完成在线学习、实时讨论、网上测试等多种教学任 务，实现远程教学。目前，已有不少基于 Intemet网的多媒体教育系统在使用。(2)智能代理(Intelligent Agent)技术的使用：人工智能(AI)技术在ICAI中的应用，除了体现在对多媒体教学系统中引入学生模型和 知识推理机制以外，还可以起到在“智能导航”浏览中，使用“智能代理”技术代替教师、 学生进行指导学习和搜索学习的作用。(3)提高虚拟学习环境的人机交互性：虚拟学习环境是由多媒体技术与仿真技术以及计算机技术相结合而

31、生成的一种交互式 人工世界。它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互。在教学辅助中，使用创建的虚拟环境，在一般人所不能亲身体验的情景中，达到演示、操作的教学目的。(4)开发更有效的帮助系统：评价一个ICAI系统智能的高低.是要看该系统能否在学生遇到困难的时候提供合适的、 有启发性的帮助，而现有的 ICAI系统并不能够很好的做到这一点，因此，开发更有效的帮 助系统也是今后努力的方向。人工智能虽然在现在社会发展领域取得了一定的成就，然而它的发展也并不是一帆风 顺的，也曾因计算机计算能力的限制无法模仿人脑的思考以及与实际需求的差距过远而走入 低谷，但是随着硬件和软件的发展，计算机的运算能

32、力在以指数级增长，同时网络技术蓬勃兴起，确保计算机已经具备了足够的条件来运行一些要求更高的软件，而且现在的具备了更多的现实应用的基础。90年代以来，人工智能研究又出现了新的高潮。今后，基础研究的比例应该适当提高，同时人工智能研究一定要与应用需求相结合。科学研究讲创新，而创新必须接受应用和市场的检验。因此，我们不仅要善于找到解决问题的答案，更重要的是要发现最迫切需要解决的问题和最迫切需要满足的市场需求。6.结束语计算机辅助教学及计算机管理教学，以优化教育、教学过程为目的，被誉为教育史上 的第四次革命，是现代教育技术的重要内容和手段，是当前教育革命的突破口。计算机辅助教学既是计算机应用的重要领域，也是进行知识教学、知识处理和知识转化的重要技术。计算机辅助教学，既是知识工程的重要内容，也是计算机技术和信息技术的产物。计算机辅助教学正处于知识经济、知识工程、知识创新、科教兴国、科学技术与教育相结合的交叉点。 随着人工智能技术的发展， 计算机辅助教学的成效将