人工智能和教育

1人工智能和教育第1页2内容提要1人工智能与教育关系—

历史回顾和哲学思索

1.1教育

1.2自然智能

1.3人工智能和人工智能科学

1.4人工智能和教育关系2人工智能研究领域和最新进展3人工智能在教育中应用:一些经典案例介绍和分析4关于计算机和人工智能作用一些经典讨论

4.1计算机能够取代教师吗？

4.2计算机会让学生变得愚蠢或者聪明吗？5CSIEC—一个智能型网络英语聊天机器人研制和在英语学习中应用实践

5.1理论和实践价值

5.2理论基础和系统结构

5.3应用领域第2页31人工智能与教育关系—

历史回顾和哲学思索1．1教育 教育作为一个名词，是指一个由人和物所组成动态系统或者指这个动态系统改变过程。在这个系统中，必须有一个人是受教育者。所谓受教育者是指他（她）(自然)智能在这个动态系统中得到提升人。换句话说，教育是一个受教育者智能得到提升动态系统或者指受教育者在这个动态系统中智能得到提升过程。这个动态系统必须包含受教育者，也能够包含教育者。教育者是指帮助受教育者提升智能人。第3页4

普通教学系统包含：教育者受教育者教学媒体教学内容或者材料教学方法与理论教学系统工作效率能够用这么一个公式来表示：教育效率

=该系统中全部受教育者智能提升程度总和/ （该系统所花费教育者人力资源总和+

该系统所花费自然资源总和+

该系统所花费时间）假如我们强调或者研究受教育者，这个过程就是学（Study,Learning）。假如我们强调教育者，这个过程就是教(Teaching,Instruction)。

第4页51.2自然智能人类自然智能就是人类含有智力和行为能力。别生物（动物和植物）也有自己一定程度自然智能，比如蚂蚁群体合作能力。依据[张仰森P.5],人类自然智能包含感知能力、记忆能力、思维能力、行为能力和语言能力几个方面。第5页61.3人工智能和人工智能科学传统意义上，人工智能就是用人工方法在机器（包含计算机）上实现智能；或者说就是人们使用机器模拟人类和其它生物智能,包含感知能力、记忆能力、思维能力、行为能力、语言能力。因为人工智能是在机器上实现，所以又称为机器智能。广义上讲，智能了解为处理问题能力，人工指任何人工形成，能够到达处理问题目标方法。所以说人工智能并不简单意味着对人类问题处理方法模拟，而是指能够用来改进问题处理任何合理方法。第6页71.4人工智能和教育关系从上面对人工智能科学和教育这两个概念分析能够看出来，人工智能就是研究让计算机接收教育、提升智能科学技术。AI研究结果又反过来应用到我们日常生活各个方面，并能够改进我们生活。比如，应用到教育过程中，促进教育工作效率（降低教师数量和工作时间、甚至直接提升受教育者智能）。还能够产生新教学模式。如网上学习共同体，合作学习等。人工智能以及人工智能科学从1956年诞生起，其研究和应用领域就与教育紧密相关。第7页8人工智能和教育区分人类教育是渐进，连续改变，逐步完善；（当前）人工智能是突变，一次赋予。教育结果是不可复制，即同一个教学系统中不可能产生两个完全相同受教育者；人工智能结果是能够复制，能够重复出现。教育是社会性，（当前）人工智能主要是面向单个机器。第8页92人工智能研究领域和最新进展人工智能要模拟人类和其它生物智能,包含感知能力、记忆能力、思维能力、行为能力、语言能力。当然这些能力是亲密相关，不可截然分开。不过对于某首先尤其关注，产生了人工智能主要一些研究领域。比如，对感知能力和行为能力模仿促进了机器人技术发展；对记忆和思维能力模仿促进了知识工程、人工神经网络、机器学习技术发展；对语言能力研究和模仿促进了自然语言处理技术发展；等等。 半个世纪以来，人工智能各个领域都实现了很大突破，即使离人们期待还相差很远。比如，著名数学家和计算机科学奠基人图灵在1950年COMPUTINGMACHINERYANDINTELLIGENCE曾经斗胆预言，到20世纪末计算机就会经过图灵测试。但实际上呢？我们能够看一下1994年开始年度LOEBNER竞赛对话结果，就知道现在人工智能技术、尤其是自然语言处理技术突破多么有限了。

第9页10研究领域知识工程：怎样从现实世界获取知识、怎样将已经有知识在计算机中合理表示、怎样利用这些知识进行推理机器学习：怎样使用计算机来模拟人类学习活动自然语言处理：了解（听懂、看懂）和产生自然语言教授系统：模拟人类教授求解问题思维过程，处理某一领域各种问题。机器人技术：模仿人类/动物感知和行为能力人工神经网络：用硬件（如电路）和算法来模拟大脑神经系统结构和功效。问题求解：问题表示空间、搜索策略、规约策略。经典是下棋程序。AGENT技术：分布式人工智能，模仿人在社会环境中行为：反应性、自治性、社交能力、自发行为。第10页11最新进展国际象棋人机大战：

1997DEEPBLUEvsKasparov=3.5:2.5/deepblue/SONY机器人:打太极拳、跳舞、家用/SonyInfo/QRIO/动画和游戏制作：中科院“天鹅”系统全过程计算机辅助动画制作手写体识别：汉王系统

/语音识别和合成：IBM和MICROSOFT系统网络搜索技术和社会性软件：GOOGLE、BLOG等第11页123人工智能在教育中应用:一些经典案例介绍和分析人工智能原理和技术从诞生起就应用于教育，其产品通常称作智能指导系统ITS或者智能计算机辅助教学ICAI。 ICAI系统能够采取各种形式。从根本上讲，它是在确保学生和程序灵活性方式下，应用人工智能原理和技术，组织安排教学系统各种成份。它并不是依据预先输入问题、预先想到解答、预先指定分支等进行工作，而是依据学生学习时积累知识而工作。它普通工作准则和标准，是依赖本身知识结构和近期活动事件，如学生回答历史统计。许多ICAI系统都含有这么主要特点，即能够实现与学生自然语言对话。第12页13案例SCHOLAR:1970南美洲地理学习WHY：1977学习降雨原因和复杂地球物理学过程SOPHIE：1975反应性学习环境BUGGY：1979解释了学生错误原因GUIDON：1980教授医学诊疗方法EXCHECK：1982证实检验系统MAIS：1984适应性教学系统，围绕学习、记忆和认知PHONEPASS：1996英语听力和口语自动测试系统CSIEC：

英语对话系统第13页14学生模型（个性化学习）个性化学习中个性（如学习习惯和特征）识别，能够经过人工神经网络或者机器学习方法来实现。比如：Jia-JiunnLo,Pai-ChuanShu.Identificationoflearningstylesonlinebyobservinglearner’sbrowsingbehaviorthroughaneuralnetwork.BritishJournalofEducationalTechnology,Vol.36No.1,P.43-55.上文中引用论文也提供了相同案例。如Castellanoet.,Mullier1999.1.GeoffreyI.Webb,MichaelJ.PazzaniandDanielBillsus.MachineLearningforUserModeling，UserModelingandUser-AdaptedInteraction，Volume11,Issue1-2，.P.19–29。VictoriaTsiriga,MariaVirvou.AFrameworkfortheInitializationofStudentModelsinWeb-basedIntelligentTutoringSystems.UserModelingandUser-AdaptedInteraction,Volume14Issue4.August.P.289–316.第14页154关于计算机和人工智能作用一些经典讨论4.1计算机能够取代教师吗？教师功效包含知识表示知识传授布置作业和学习成绩检验释疑解惑激发兴趣因材施教假如计算机想取代教师功效，则必须具备自然语言了解和生成能力和个性化教学能力第15页16

4.2计算机会让学生变得愚蠢或者聪明吗？流行看法：计算机在教学中使用会促进学生成绩提升和智能增加？反对意见：学校和家庭中计算机使用含有负面影响。德国10月份以来媒体和教育界正在热烈地讨论IFO（慕尼黑经济研究所）一个研究汇报：学校中计算机使用含有负面影响。IFO年10月4日汇报摘要：慕尼黑经济研究所研究人员对国际PISA数据大量分析表明，家用计算机普及和学校中计算机广泛使用，不但不会带来PISA中能够测试出来好学生表现，反而和较差成绩相关。（背景：2000和PISA测试中德国学生表现均不佳）。这份汇报一出炉，就引发了媒体和教育界广泛关注。著名南德意志报、镜报等纷纷发表文章，指责计算机使得学生愚笨了。IFO教育教授LudgerWößmannandThomasFuchs分析指出：假如计算机用于教育目标，则会提升学生成绩；假如被用来玩游戏，则产生负面影响。计算机优点和应用应该充分表达在个性化教育上。仅仅有计算机硬件是不够，更需要是他们在教学上（尤其是个性化教学）有效利用。这些恰恰是人工智能研究领域。媒体教育教授GabiReinmann强调：计算机与学科教学整合主要性。第16页175CSIEC—一个智能型网络英语聊天机器人在英语学习中应用5.1理论和实践价值如[穆肃]所述，在现实外语教学过程中，依靠传统教学方法，教师不可能确保在课堂上与众多学生进行个别、长时间、高频率语言应用练习，所以我们有必要借用当代信息技术来处理这一问题，网络智能聊天技术就是已经采取一个方法。建构主义一句名言就是：“做中学，学中做”。所以语境对于英语学习至关主要。第17页18作者应用国外一个经典聊天系统为用户提供英语模拟语境，在做了两个月试验，结果及简单分析见文章。应用结果不令人满意,原因是仅仅使用了简单模式匹配方法，相当于儿童语言学习阶段。不过用户对该系统热烈反应却激发了作者深入开发一个新英语聊天系统强烈愿望。第18页19人类自然语言了解三个层次和对应计算机模拟系统：教育角度思索第一个层次是不假思索直接反应。学前儿童从家庭和社会语言习得可能就是经过这种方式。很多计算机程序模拟这个层次自然语言了解。一个最早和最经典系统是20世纪60年代Weizenbaum

ELIZA。当前一个应用很广系统是ALICEBOT，即[穆肃]中AICHATBOT。第二个层次是语言语法和语义分析。一个人从小学到中学、大学语文课程学习就是这个层次语言了解和处理能力.在这个层次一个较早经典计算机程序是20世纪70年代Winograd

"SHRDLU".第三个层次是社会环境下人与人语言交流。这种语言交流依赖于双方对话人个性、文化教育背景和话语环境等原因。并不是全部成年人能够成功地驾御这种交流，所以这个层次计算机系统并不多见。第19页205.2理论基础和系统框架理论基础:Chomsky语法体系Frege句子分解和组合原理Wittgenstein(语言)分析哲学Habermas交往行为理论框架组成成份:NLML,NLOMJ,NLDB,WorldModel,CR。测试语言：英语。完整英语语法和词汇应用技术：面向对象程序设计，关系型数据库，C/S模型，语音合成技术第20页215.3 CSIEC在英语学习应用领域语法检验

假如在输入语句中有任何错误拼写或者语法错误，系统都会检测出来，提醒用户检验并修改。当然出于对学习者考虑，这些错误最好由用户自己发觉并修改。句子分析器

系统能够分析任意英语表示式并给出语法解释。聊天搭档

这个系统交流性反应功效能够给英语学习者提供一个聊天语境。这种实时交流语境对于语言学习至关主要。面对着这个虚拟聊天机器人，学习者可能会愈加自信。更主要是，用户能够在任何时间、任何地点与这个聊天搭档就任何话题进行聊天。这种功效不是普通常人能够做到。听力训练

系统语音合成功效能够给用户提供一个锻炼听力和提升了解能力机会。第21页22参考文件：JiyouJia,Mensch-Computer-KommunikationmitnatuerlicherSpracheinComputerstuetztenLehr-undLernsystemen:ProblemeundLoesungen.CuvillierVerlagGoettingen,Germany.Nov.2004.ISBN3-86537-273-2.JiyouJia,TheStudyoftheApplicationofaWeb-BasedChatbotSystemontheTeachingofForeignLanguages.ProceedingsofSITE04,Atlanta,USA.P.1201-1207.JiyouJia,CSIEC(ComputerSimulatorinEducationalCommunication):AVirtualContext-AdaptiveChattingPartnerforForeignLanguageLearners(inEnglish).InProceedingsofICALT04(InternationalConferenceonAdvancedLearningTechnologybyIEEEComputerSociety,Joensuu,Finland)IEEEPress,USA.Sept.200