學(xué)科教育論文-人工智能技術(shù)在計算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn).doc

學(xué)科教育論文-人工智能技術(shù)在計算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)摘要介紹了計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)及其現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)代教育技術(shù)與傳統(tǒng)教育模式的各自特點(diǎn)，探討了ICAI的實(shí)現(xiàn)原理及利用ICAI對教學(xué)的改進(jìn)方案，并對智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)討論，最后說明了將計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程的必然性、必要性和有效性。關(guān)鍵詞智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)；人工智能；專家系統(tǒng)；推理機(jī)1引言隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，多媒體計算機(jī)在教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并對教育、教學(xué)過程產(chǎn)生著深刻影響。為了使教學(xué)改革能與之相適應(yīng)，需要引入先進(jìn)的教學(xué)手段，而使用計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)(ComputerAidedInstruction,CAI)可以提供理想的教學(xué)環(huán)境，容易激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性和主動性，從而顯著提高教學(xué)效果。多媒體技術(shù)的日益發(fā)展以及與其它領(lǐng)先技術(shù)的結(jié)合，必然促進(jìn)CAI的進(jìn)一步發(fā)展。人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是20世紀(jì)50年代中期興起的一門新興邊緣科學(xué)，它既是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，又是計算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、語言學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、哲學(xué)等多種學(xué)科相互滲透而發(fā)展起來的綜合性學(xué)科。人工智能又稱為智能模擬，是用計算機(jī)系統(tǒng)模仿人類的感知、思維、推理等思維活動。它研究和應(yīng)用的領(lǐng)域包括模式識別、自然語言理解與生成、專家系統(tǒng)、自動程序設(shè)計、定理證明、聯(lián)想與思維的機(jī)理、數(shù)據(jù)智能檢索等。例如，用計算機(jī)模擬人腦的部分功能進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和決策；模擬醫(yī)生給病人診病的醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)；機(jī)械手與機(jī)器人的研究和應(yīng)用等。本文針對CAI的發(fā)展前景，重點(diǎn)論述人工智能技術(shù)對CAI，尤其是對智能化CAI產(chǎn)生的重大影響，并通過一個實(shí)例說明實(shí)現(xiàn)的思路與設(shè)想。2計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)及其現(xiàn)狀2.1計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)計算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)即利用計算機(jī)代替教師進(jìn)行教學(xué)，把教學(xué)內(nèi)容編成各種“課件”，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的程度選擇不同的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而使教學(xué)內(nèi)容多樣化、形象化，便于因材施教。如各種教學(xué)軟件、試題庫、專家系統(tǒng)等。CAI無論是在普通教育、高等教育還是在繼續(xù)教育中都扮演著重要的角色。在國外，CAI課件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于學(xué)校和家庭中，并收到了很好的效果。在我國，盡管CAI的研究起步較晚，但發(fā)展很快，自上世紀(jì)80年代起，已有一批實(shí)力雄厚的高等院校把CAI的發(fā)展列為重點(diǎn)研究課題。2.2計算機(jī)輔助教學(xué)的現(xiàn)狀CAI的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用AI技術(shù)及編制復(fù)雜的程序，如自然語言理解、知識表示、推理方法等，一些AI技術(shù)的特殊應(yīng)用成果，如代數(shù)說明、符號合成、醫(yī)療診斷及理論證明等均被應(yīng)用于CAI系統(tǒng)，以提高其智能性和實(shí)用性。早期絕大多數(shù)CAI課件大都使用決策理論和隨機(jī)學(xué)習(xí)的模式，它極大地簡化了學(xué)習(xí)過程的表達(dá)形式。例如早期的地質(zhì)教學(xué)系統(tǒng)(SCHOCAR)等。后來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，CAI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AI技術(shù)被應(yīng)用于建立學(xué)習(xí)顧問模塊(存放所要教課程的問題和技能)。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CAI系統(tǒng)還用AI技術(shù)來表示訓(xùn)練計劃和策略。例如多數(shù)程序設(shè)計語言的CAI均屬此例。到目前為止，所使用的絕大多數(shù)傳統(tǒng)的CAI都是將全部教學(xué)信息以編程方式預(yù)置于課件中，這樣的CAI課件一旦制作完成，任何較大的教學(xué)改動都會給維護(hù)工作帶來極大的不便。因此現(xiàn)有的CAI系統(tǒng)面臨許多挑戰(zhàn)，它主要存在以下幾方面的問題。（1）缺乏開放性不具有開放性是目前CAI課件最大的缺點(diǎn)。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)。其弊端在于：固定內(nèi)容的局限性使課件的適用面狹窄；設(shè)定的運(yùn)行路線使授課缺乏自主性；授課的針對性不強(qiáng)；無法利用新出現(xiàn)的資源在較高起點(diǎn)上進(jìn)行二次開發(fā)。（2）缺乏人機(jī)交互能力現(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)者使用CAI課件學(xué)習(xí)是完全被動的。在課堂教學(xué)中，一般只能通過教師按預(yù)定的課件流程進(jìn)行操作，無論學(xué)生還是教師都不能很好地參與教與學(xué)的過程，因此人機(jī)交互沒有很好地實(shí)現(xiàn)。（3）忽視課程本身的特點(diǎn)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。例如很多課程都要涉及到大量的曲線或曲面，對有些課程來說，將這些曲線或曲面給出一個簡單的展示就足夠了，而有些課程這樣的展示不能達(dá)到教學(xué)目的的要求。例如：在講授計算機(jī)圖形學(xué)中各種曲線或曲面的生成算法時，如果能在課件中直接動態(tài)地展示這些圖形的生成過程，充分發(fā)揮計算機(jī)輔助教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，無疑會使計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)更具有吸引力，從而大大提高教學(xué)效率。（4）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，學(xué)生在碰到問題時不能向教師求助，師生之間互相封閉，談不上師生互動，因此課件所起的效果大打折扣。同時由于缺乏網(wǎng)絡(luò)支持，現(xiàn)有的絕大多數(shù)CAI課件都是在單機(jī)環(huán)境下運(yùn)行的，它們無法利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢使知識內(nèi)容快速更新，當(dāng)然更無法提供便捷的學(xué)習(xí)討論空間、隨時隨地的師生交流方式以及遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)現(xiàn)的條件。（5）缺乏教學(xué)策略在課件的開發(fā)過程中實(shí)際上離不開教學(xué)策略的設(shè)計，但課件的制作者往往并未意識到這一點(diǎn)。例如：現(xiàn)有的絕大多數(shù)課件都是單一的展播式的，這樣的課件制作“精美”，但它不可逆、不能互動。實(shí)際上運(yùn)用課件教學(xué)只是手段而不是目的，應(yīng)該在教學(xué)設(shè)計理論的指導(dǎo)下講求課件的實(shí)效性，著眼點(diǎn)在于對學(xué)生學(xué)習(xí)新知識、掌握新技術(shù)、培養(yǎng)各種能力有幫助，而不是表面上的制作“精美”。（6）缺乏智能性現(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)。對教師而言，其教學(xué)不能積極地參與其中，不能根據(jù)系統(tǒng)提供的信息按照學(xué)生的認(rèn)知模型為其準(zhǔn)備最適合的學(xué)習(xí)內(nèi)容，更不能給予不同方式的教學(xué)模式與方法，因此不具有智能性。綜上所述，現(xiàn)有的CAI存在許多問題，隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，這些問題將使CAI越來越不能適應(yīng)新的要求。因此以智能CAI為代表的新的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)將成為教育技術(shù)上需要不斷探求、努力實(shí)現(xiàn)的發(fā)展方向。3智能化計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)(ICAI)智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)(IntelligentComputerAidedInstruction,ICAI)以認(rèn)知學(xué)為理論基礎(chǔ)，將AI技術(shù)應(yīng)用于CAI，是智能化的CAI。在ICAI系統(tǒng)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)可以借助于智能化計算機(jī)對大量知識進(jìn)行選擇、判斷、處理，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更有針對性，從而提高學(xué)習(xí)效果。教學(xué)過程是一個復(fù)雜的教與學(xué)的思維過程。它需要教師以其專門知識和經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，經(jīng)過吸收、講解、推理、示例、綜合等多個步驟才能較好地完成。一個教學(xué)型專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)、弱點(diǎn)和基礎(chǔ)知識，以最適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方案和教學(xué)方法對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和輔導(dǎo)。因此，從AI的角度看，計算機(jī)輔助教學(xué)實(shí)際上是一個由計算機(jī)系統(tǒng)輔助教師進(jìn)行教學(xué)及學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)并得以實(shí)現(xiàn)的“專家系統(tǒng)”。因而，在CAI中引人AI思想，即使用專家系統(tǒng)的方法、工具，構(gòu)建智能CAI(即ICAI)。這樣構(gòu)建成的專家系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有診斷和調(diào)試修改功能、具有良好的人機(jī)界面。在智能CAI中，教學(xué)思想、方法、學(xué)習(xí)內(nèi)容