畢業(yè)論文人工智能技術(shù)在計算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用與實現(xiàn).doc

1 目 錄 摘 要.2 關(guān)鍵詞2 ABSTRACT2 KEY WORDS2 前言2 1 計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)及其現(xiàn)狀2 1.1 計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)3 1.2 計算機(jī)輔助教學(xué)的現(xiàn)狀.3 2 智能化計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)(ICAI).4 3 結(jié)束語7 參考文獻(xiàn)7 2 人工智能技術(shù)在計算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用與實現(xiàn)人工智能技術(shù)在計算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用與實現(xiàn) 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 計算機(jī)科學(xué)系 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 指導(dǎo)教師： 職稱：教授 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： 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) Abstract： Introduced the computer aided teaching system and the present situation, have analyzed the modern education technology and the traditional education pattern respective characteristic, has discussed the ICAI realization principle and uses ICAI to the teaching improvement program, and has carried on the detailed discussion to the intelligence computer aided teaching system, finally explained the computer technology, the artificial intelligence technology and the networking applies in the teaching process inevitability, the necessity and the validity. Key Words：Computer aided teaching system; Artificial intelligence; Expert system; Inducing equipment 前言前言 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)(Computer Aided Instruction, 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(Artificial Intelligence, 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、 3 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。 1 1 計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)及其現(xiàn)狀計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)及其現(xiàn)狀 1.11.1 計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)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，已有一批實力雄厚的高 等院校把 CAI 的發(fā)展列為重點(diǎn)研究課題。 1.21.2 計算機(jī)輔助教學(xué)的現(xiàn)狀計算機(jī)輔助教學(xué)的現(xiàn)狀 CAI 的實現(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 4 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) 實現(xiàn)的條件。 （5）缺乏教學(xué)策略 在課件的開發(fā)過程中實際上離不開教學(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)自動提供教學(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、努力實現(xiàn)的發(fā)展方向。 2 2 智能化計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)智能化計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)(ICAI)(ICAI) 智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)(Intelligent Computer Aided Instruction, 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。 5 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)并得以實現(xiàn)的“專家系統(tǒng)”。因而，在 CAI 中引入 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)容可用知識形式表示，如何解決知識的 形式化表示以及知識的訪問與調(diào)用問題，是 AI 的核心技術(shù)之一，也是將 AI 引入教育 技術(shù)領(lǐng)域中所要面臨的一個問題。知識庫是實現(xiàn)知識推理與專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可以用 知識庫作為智能 CAI 的構(gòu)建環(huán)境，在知識庫中，教學(xué)內(nèi)容等的有關(guān)知識可以用事實與 規(guī)則表示，并存儲于知識庫內(nèi)。教學(xué)與學(xué)習(xí)過程即是對知識庫中的知識進(jìn)行推理，并 最終得出所需結(jié)果的過程。由于專家系統(tǒng)主要是由知識庫與推理機(jī)組成的，因此，它 也是智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的核心技術(shù)。 1970 年美國卡博奈爾開發(fā)的 SCHOLAR 系統(tǒng)，是世界上第一個 AI 與 CAI 結(jié)合的案例。 這是一個用于南美洲地理課程的教學(xué)系統(tǒng)，SCHOLAR 系統(tǒng)以大量的信息單元和描寫事實 組成數(shù)據(jù)庫，并按照這些信息單元的含義及其相互關(guān)系構(gòu)成語義網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可以根據(jù) 這些網(wǎng)絡(luò)自動生成教學(xué)信息，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自然語言理解能力和邏輯推理能力， 學(xué)生與該教學(xué)系統(tǒng)可以進(jìn)行較為自由的交互，系統(tǒng)在一定程度上理解并回答學(xué)生的提 問。 一個智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)能克服傳統(tǒng) CAI 系統(tǒng)的很多缺陷，一般應(yīng)具備如下 特點(diǎn)： (1) 能自動生成各種問題與練習(xí)； (2) 根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平與學(xué)習(xí)情況選擇與調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)度； (3) 在了解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上自動解決問題，生成解答； (4) 具有自然語言生成與理解能力，以便實現(xiàn)比較自由的教學(xué)問答系統(tǒng)，提高人機(jī)交 互的主動性； (5) 對教學(xué)內(nèi)容有解釋咨詢能力； (6) 能診斷學(xué)生錯誤，分析原因并采取糾正措施； (7) 能評價學(xué)生的學(xué)習(xí)行為； (8) 能評價教師的教學(xué)行為。 以現(xiàn)有的科技水平，無法實現(xiàn)具有上述全部特點(diǎn)的智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)。一 般地，只要具備上述一個或幾個特點(diǎn)的 CAI 系統(tǒng)就可以稱為智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)。 大多數(shù) ICAI 系統(tǒng)一般由專家模塊、學(xué)生模塊、教學(xué)模塊、界面模塊和智能接口模塊組 成。 6 (1) 專家模塊 專家模塊是一個專家系統(tǒng)，具有成熟的要進(jìn)行傳授的領(lǐng)域知識以及對該領(lǐng)域各種 問題的求解能力。此專家系統(tǒng)具有如下功能： 1）能夠根據(jù)學(xué)生模塊提供的學(xué)生學(xué)習(xí)情況，通過智能系統(tǒng)的搜索與推理，得出智能化 的教學(xué)方法與教學(xué)策略； 2）能夠較科學(xué)地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)水平； 3）能夠通過分析學(xué)生以往的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)習(xí)慣，預(yù)測學(xué)生的知識需求和常犯錯誤； 4）能夠動態(tài)地將不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法與不同的學(xué)生匹配； 5）能夠利用知識庫的知識，按規(guī)則生成課題所需的內(nèi)容，所以可以把專家知識動態(tài)地 提供給教學(xué)模塊； 6）能夠智能地分析學(xué)生錯誤的原因進(jìn)而有針對地提出合理的教學(xué)建議、學(xué)習(xí)建議以及 改進(jìn)方法。 (2) 學(xué)生模塊 學(xué)生模塊也是一個專家系統(tǒng)，具有記載學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的知識庫。它主要具有以下 功能： 1）能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)的各個環(huán)節(jié)信息進(jìn)行搜集，然后根據(jù)搜集到的學(xué)生信息，通過一定 的診斷方法，找出學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)特征，從而便于進(jìn)行解釋指導(dǎo)和因材施教； 2）能夠建立和更新學(xué)生模型，為后續(xù)教學(xué)提供依據(jù)； 3）能夠記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以便專家系統(tǒng)對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行自動評估。 (3) 教學(xué)模塊 教學(xué)模塊也是一個專家系統(tǒng)，它對于整個教學(xué)過程具有指導(dǎo)能力，這種指導(dǎo)不僅 非常靈活而且相當(dāng)細(xì)致。此模塊中教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)策略分離，它的知識庫中存儲的是 各種教學(xué)策略，其功能為： 1) 教學(xué)教程中，系統(tǒng)可隨時根據(jù)教學(xué)需要選擇不同的教學(xué)策略； 2）能夠根據(jù)選出的教學(xué)策略，生成相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容； 3）能夠?qū)＜夷K生成的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生模塊生成的學(xué)生模型做對比，找出學(xué)生所缺 少的知識，然后利用知識庫中的教學(xué)策略生成最合適的教學(xué)決策。 (4) 界面模塊 界面模塊能以喜聞樂見的形式為學(xué)習(xí)者提供方便的操作環(huán)境，通過它來處理學(xué)習(xí) 者與系統(tǒng)間的信息交流。對于一個教學(xué)系統(tǒng)，界面的設(shè)計不但影響系統(tǒng)的可操作性， 更重要的是輸入、輸出方式能極大地影響發(fā)送題目的可理解程度。界面模塊的主要功 能有： 1）教學(xué)模塊做出教學(xué)決策后，界面模塊能以一定形式將教學(xué)內(nèi)容發(fā)送出去； 2）能建立學(xué)生輸入信息的方式，接收學(xué)生輸入的信息。 (5) 智能接口模塊 7 使用文字識別、語音識別、自然語言理解等技術(shù)讓學(xué)生可以用自然語言與“智能導(dǎo) 師”進(jìn)行人機(jī)對話，其中實現(xiàn)的難點(diǎn)是自然語言接口。如果這個問題得到突破，會大 大加寬人機(jī)通道，對 ICAI 系統(tǒng)的發(fā)展將起到極大的促進(jìn)作用。 在對傳統(tǒng)教學(xué)與智能 CAI 各方面進(jìn)行認(rèn)真比較和分析的基礎(chǔ)上，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué) 與智能 CAI 在理論基礎(chǔ)、教學(xué)模式、教學(xué)信息組織等方面都有明顯區(qū)別。智能 CAI 倡 導(dǎo)“以人為本”，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的主體性，實現(xiàn)以“教”為中心向以“學(xué)”為中心的轉(zhuǎn) 變。教師和學(xué)校不再是知識的傳授者、灌輸者和控制者，而成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者、 幫助者和促進(jìn)者，其任務(wù)除了對教學(xué)過程進(jìn)行組織調(diào)控、對學(xué)生的學(xué)習(xí)實施引導(dǎo)和幫 助外，更重要的是為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供必要的環(huán)境和條件。 3 3 結(jié)束語結(jié)束語 一個好的 ICAI 系統(tǒng)應(yīng)能貫徹教學(xué)思想、教學(xué)策略，遵循教育學(xué)、心理學(xué)的規(guī)律。 要想達(dá)到實現(xiàn)一個完美 ICAI 系統(tǒng)的目標(biāo)，在短期內(nèi)很難實現(xiàn)。目前比較成熟的 ICAI 教學(xué)系統(tǒng)是作為專家系統(tǒng)的一部分來研制的，真正為教學(xué)而設(shè)計的 ICAI 教學(xué)系統(tǒng)還不 多。因為 ICAI 系統(tǒng)畢竟是一個涉及多種學(xué)科的綜合知識系統(tǒng)。任何一個相關(guān)學(xué)科的進(jìn) 展，都會