學科教育論文-人工智能技術在計算機輔助教學中的應用與實現(xiàn).doc

學科教育論文-人工智能技術在計算機輔助教學中的應用與實現(xiàn)摘要介紹了計算機輔助教學系統(tǒng)及其現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)代教育技術與傳統(tǒng)教育模式的各自特點，探討了ICAI的實現(xiàn)原理及利用ICAI對教學的改進方案，并對智能計算機輔助教學系統(tǒng)進行了詳細討論，最后說明了將計算機技術、人工智能技術與網(wǎng)絡技術應用于教學過程的必然性、必要性和有效性。關鍵詞智能計算機輔助教學系統(tǒng)；人工智能；專家系統(tǒng)；推理機1引言隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，多媒體計算機在教育領域得到了廣泛應用，并對教育、教學過程產(chǎn)生著深刻影響。為了使教學改革能與之相適應，需要引入先進的教學手段，而使用計算機輔助教學系統(tǒng)(ComputerAidedInstruction,CAI)可以提供理想的教學環(huán)境，容易激發(fā)學習者的學習積極性和主動性，從而顯著提高教學效果。多媒體技術的日益發(fā)展以及與其它領先技術的結合，必然促進CAI的進一步發(fā)展。人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是20世紀50年代中期興起的一門新興邊緣科學，它既是計算機科學的一個分支，又是計算機科學、控制論、信息論、語言學、神經(jīng)生理學、心理學、數(shù)學、哲學等多種學科相互滲透而發(fā)展起來的綜合性學科。人工智能又稱為智能模擬，是用計算機系統(tǒng)模仿人類的感知、思維、推理等思維活動。它研究和應用的領域包括模式識別、自然語言理解與生成、專家系統(tǒng)、自動程序設計、定理證明、聯(lián)想與思維的機理、數(shù)據(jù)智能檢索等。例如，用計算機模擬人腦的部分功能進行學習、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)；機械手與機器人的研究和應用等。本文針對CAI的發(fā)展前景，重點論述人工智能技術對CAI，尤其是對智能化CAI產(chǎn)生的重大影響，并通過一個實例說明實現(xiàn)的思路與設想。2計算機輔助教學系統(tǒng)及其現(xiàn)狀2.1計算機輔助教學系統(tǒng)計算機輔助教學(CAI)即利用計算機代替教師進行教學，把教學內容編成各種“課件”，學習者可以根據(jù)自己的程度選擇不同的內容進行學習，從而使教學內容多樣化、形象化，便于因材施教。如各種教學軟件、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)廣泛應用于學校和家庭中，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80年代起，已有一批實力雄厚的高等院校把CAI的發(fā)展列為重點研究課題。2.2計算機輔助教學的現(xiàn)狀CAI的實現(xiàn)需要應用AI技術及編制復雜的程序，如自然語言理解、知識表示、推理方法等，一些AI技術的特殊應用成果，如代數(shù)說明、符號合成、醫(yī)療診斷及理論證明等均被應用于CAI系統(tǒng)，以提高其智能性和實用性。早期絕大多數(shù)CAI課件大都使用決策理論和隨機學習的模式，它極大地簡化了學習過程的表達形式。例如早期的地質教學系統(tǒng)(SCHOCAR)等。后來，隨著人工智能技術的發(fā)展，CAI系統(tǒng)中添加了學生的學習行為及訓練策略，同時AI技術被應用于建立學習顧問模塊(存放所要教課程的問題和技能)。這種方法能控制訓練策略并給出適合學生的學習內容。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技術來表示訓練計劃和策略。例如多數(shù)程序設計語言的CAI均屬此例。到目前為止，所使用的絕大多數(shù)傳統(tǒng)的CAI都是將全部教學信息以編程方式預置于課件中，這樣的CAI課件一旦制作完成，任何較大的教學改動都會給維護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。使用者無法對課件進行任何修改，只能利用已有資源按設定的路線進行教學。其弊端在于：固定內容的局限性使課件的適用面狹窄；設定的運行路線使授課缺乏自主性；授課的針對性不強；無法利用新出現(xiàn)的資源在較高起點上進行二次開發(fā)。（2）缺乏人機交互能力現(xiàn)有CAI大多以光盤作為信息的載體，將教材中的內容以多媒體的形式展現(xiàn)出來，教學信息是按預置的教學流程機械式地提供給學習者，學習者使用CAI課件學習是完全被動的。在課堂教學中，一般只能通過教師按預定的課件流程進行操作，無論學生還是教師都不能很好地參與教與學的過程，因此人機交互沒有很好地實現(xiàn)。（3）忽視課程本身的特點各門課程在教學上有不同的要求，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到教學目的的要求。例如：在講授計算機圖形學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)揮計算機輔助教學的優(yōu)點，無疑會使計算機圖形學的教學更具有吸引力，從而大大提高教學效率。（4）缺乏教師與學生的互動現(xiàn)有CAI課件在學生自學以及進行操作使用時，如何學習都是學生自己的事。教師不能完全了解學習者的情況，學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)絡支持，現(xiàn)有的絕大多數(shù)CAI課件都是在單機環(huán)境下運行的，它們無法利用網(wǎng)絡的優(yōu)勢使知識內容快速更新，當然更無法提供便捷的學習討論空間、隨時隨地的師生交流方式以及遠程教學實現(xiàn)的條件。（5）缺乏教學策略在課件的開發(fā)過程中實際上離不開教學策略的設計，但課件的制作者往往并未意識到這一點。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。實際上運用課件教學只是手段而不是目的，應該在教學設計理論的指導下講求課件的實效性，著眼點在于對學生學習新知識、掌握新技術、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生進行有針對性的教育，學生的學習是被動的，不能由系統(tǒng)自動提供助學信息而使學生有選擇地學習。對教師而言，其教學不能積極地參與其中，不能根據(jù)系統(tǒng)提供的信息按照學生的認知模型為其準備最適合的學習內容，更不能給予不同方式的教學模式與方法，因此不具有智能性。綜上所述，現(xiàn)有的CAI存在許多問題，隨著新技術的不斷出現(xiàn)，這些問題將使CAI越來越不能適應新的要求。因此以智能CAI為代表的新的計算機輔助教學系統(tǒng)將成為教育技術上需要不斷探求、努力實現(xiàn)的發(fā)展方向。3智能化計算機輔助教學系統(tǒng)(ICAI)智能計算機輔助教學系統(tǒng)(IntelligentComputerAidedInstruction,ICAI)以認知學為理論基礎，將AI技術應用于CAI，是智能化的CAI。在ICAI系統(tǒng)中，學生的學習可以借助于智能化計算機對大量知識進行選擇、判斷、處理，使學習內容更有針對性，從而提高學習效果。教學過程是一個復雜的教與學的思維過程。它需要教師以其專門知識和經(jīng)驗為依據(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。一個教學型專家系統(tǒng)的任務是根據(jù)學生的特點、弱點和基礎知識，以最適當?shù)慕虒W方案和教學方法對學生進行教學和輔導。因此，從AI的角度看，計算機輔助教學實際上是一個由計算機系統(tǒng)輔助教師進行教學及學生進行學習并得以實現(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，構建智能CAI(即ICAI)。這樣構建成的專家系統(tǒng)的主要特點是具有診斷和調試修改功能、具有良好的人機界面。在智能CAI中，教學思想、方法、學習內容