王家君 丁鳳華

(汕頭大學體育部，廣東 汕頭 515063)

智能計算機輔助教學系統(tǒng)在體育教學與訓練的實現(xiàn)研究

王家君 丁鳳華

(汕頭大學體育部，廣東 汕頭 515063)

隨著人工智能技術(shù)的引入，計算機輔助教學(CAI)發(fā)展成為智能計算機輔助教學(ICAI)。ICAI不但克服了傳統(tǒng)CAI弱點，而且大大地提高和改善了體育教學的效果和效率。對計算機輔助教學系統(tǒng)的特性和功能進行分析研究，并在此基礎(chǔ)上給出一種相應(yīng)的實現(xiàn)框架。

人工智能；計算機輔助教學；智能計算機輔助教學；認知型學生模型；體育教學

1 前言

計算機輔助教學(Computer Assisted Instruction,簡稱CAI)是利用計算計模擬體育教師的行為，通過學生和計算機之間的交互活動來達到體育教學目的。自從1959年美國IBM公司研制成功世界上的第一個計算機輔助教學系統(tǒng)，CAI已得到了各國的重視，出現(xiàn)了許多商品，并已形成了CAI產(chǎn)業(yè)。然而，由于傳統(tǒng)CAI系統(tǒng)對教學途徑和答案的限制，難以對不同水平和能力的學生采用相應(yīng)的教學方式。

隨著計算機科學和人工智能(Artificial Intelligence，簡稱AI)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，將AI引入CAI中，使CAI系統(tǒng)可以理解教什么、教誰以及如何教，因而也就能合理安排體育教學內(nèi)容、改變體育教學方法去滿足個別體育教學的需要，這就是以AI技術(shù)和認知科學理論為基礎(chǔ)而形成的智能計算機輔助體育教學系統(tǒng)(Intelligent Computer Instruction,簡稱ICAI)。這是計算機應(yīng)用技術(shù)的一個新領(lǐng)域，代表了一種新的體育教學思想和體育教學方式，大大提高和改善了體育教學質(zhì)量和效率。

2 CAI和ICAI特點

2.1傳統(tǒng)的CAI

CAI是對課程進行目標分析，構(gòu)成學習目標的層次結(jié)構(gòu)；然后對各目標的學習任務(wù)展開畫面(幀)設(shè)計，每個畫面可包含體育項目技術(shù)說明和體育教學環(huán)節(jié)的解釋、提問、對應(yīng)于提問的理想的學生應(yīng)答以及反饋信息等；將體育教學的畫面按一定的體育教學邏輯連接起來，就形成了課件(Courseware)。這種由設(shè)計者預先固定結(jié)構(gòu)而形成的課件稱為CAI系統(tǒng)。由于這種課件缺乏足夠的應(yīng)變性，后來出現(xiàn)了適應(yīng)性課件設(shè)計技術(shù)，在一定程序上將體育教學內(nèi)容與體育教學邏輯分開，根據(jù)學生的學習情況，有一個體育教學決策機構(gòu)向?qū)W生提供某一畫面的學習內(nèi)容，但仍是學生完全受計算機控制的學習方法。

2.2ICAI定義及特點

智能計算機輔助體育教學(ICAI)就是以認知學為理論基礎(chǔ)，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于CAI，是智能化的CAI，它將體育教學內(nèi)容與體育教學策略分開，根據(jù)學生認知模型提供的信息，通過智能系統(tǒng)的搜索與推理，動態(tài)生成適合于個體化教學的內(nèi)容與策略；通過智能診斷機制判斷學生的學習水平，分析學生產(chǎn)生錯誤動作的原因，同時向?qū)W生提出更改建議以及進一步學習內(nèi)容的建議；通過對全體學生出現(xiàn)的錯誤進行分布統(tǒng)計，智能診斷機制將向體育教師提供體育教學重點、方式、測試重點、題型的建議；為體育教師提供友好的體育教學內(nèi)容、測試內(nèi)容維護界面，無需改變軟件的結(jié)構(gòu)即可調(diào)整體育教學策略；通過對學生認知模型、教學內(nèi)容、測試結(jié)果的智能分析，向教學督導人員提供對任課教師教學業(yè)績評價的參考意見?？梢哉f，一個理想、完美的ICAI系統(tǒng)就是一個自主、優(yōu)秀的“體育教師”。

3 ICAI系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1模塊框架

我們實現(xiàn)的ICAI系統(tǒng)模塊框架描述如下：

1)領(lǐng)域模型。存放傳授給學生的課程專業(yè)知識，還能生成問題，提供對問題的正確解答以及求解問題的過程。領(lǐng)域模型一般包含兩方面的知識：一是有關(guān)課程的內(nèi)容；二是有關(guān)這些知識來求解問題的知識，即過程知識。知識表示方法有語義網(wǎng)絡(luò)(主要采用命題語義網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)語義網(wǎng)絡(luò))、規(guī)則等形式。

2)診斷模型。利用診斷規(guī)則來分析學生的響應(yīng)，判斷學生已經(jīng)懂得的知識或?qū)W生產(chǎn)生的錯誤慨念，并傳遞到學生模型的當前狀態(tài)中去。

3)學生模型。準確反映學生的知識水平、學習能力等，為系統(tǒng)實現(xiàn)個別化教學提供依據(jù)。本ICAI系統(tǒng)結(jié)合認知理論，建立了認知型學生模型，是整個ICAI系統(tǒng)實現(xiàn)的核心技術(shù)。

4)教師模型。結(jié)合體育教學策略和課程結(jié)構(gòu)方面的知識，為學生選擇問題供他們解答，監(jiān)督和評價他們的行為。當學生需要時為他們選擇適當?shù)难a習材料。

3.2核心技術(shù)——認知型學生模型

常見的建立學生模型的兩種方法：

1)覆蓋模型(Overlay Mode)：表示學生知道什么、不知道什么的學生模型。它把學生的知識描述為領(lǐng)域知識模塊中專業(yè)知識的一個子集，能告訴學生什么是錯誤的以及應(yīng)該如何改正。

2)偏差模型(Buggy Model)：表示學生正確的和錯誤的知識的學生模型。它不是把學生的知識看成是領(lǐng)域知識中專業(yè)知識的子集，而是把它看成是對專業(yè)知識的偏差，故它還能發(fā)現(xiàn)導致學生錯誤的原因——不正確的知識。

在ICAI系統(tǒng)模型中，學生模型的主要作用一方面是登記學習者的個人信息，例如學號、姓名、性別等；另一方面，也是最主要的，就是準確反映學生的知識水平、學習能力等，為智能化體育教學提供依據(jù)。

認知能力是一個人用于支配自己學習、記憶和思維的能力，在很大程度上表現(xiàn)了一個人分析問題的能力?；谡J知理論，我們運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)中的反向傳播模型(BP模型)，建立能反映學生學習水平和認知能力的認知型學生模型。我們在BP模型的輸入中包括選取布魯姆所提出的認知活動的六個級別，即識記、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評價六個方面的評判測驗成績以及姓名、性別、年齡等個人信息和學歷、生理條件、學習環(huán)境等12個量作為輸入節(jié)點，選取學生對慨念、技能和應(yīng)用方面的掌握程度作為輸出節(jié)點。實際上是完成一個12維空間到三維空間的非線性映射：fbp:X→Y,X={X1，X2，X3，…X12}，Y={Y1，Y2，Y3}。其中，X1，X2，…X6分別表示認知活動6個級別的評判測驗成績，X7，X8，X9，…X12分別表示姓名、性別、年齡、學歷、生理條件、學習環(huán)境；Y∈差(0-59)中(60-75)、良(76-85)、優(yōu)(86-100)，Y1，Y2，Y3分別表示學生對概念、技能和應(yīng)用的掌握程度。

認知型學生模型的設(shè)計和應(yīng)用思想是為教學內(nèi)容的各個測試單元中的概念節(jié)點賦予認知類型和難易程度，同時預估學生認識能力的初值。學生對某一測試單元的概念或題型進行測試后，ICAI系統(tǒng)對學生的認知能力進行修正，根據(jù)難度，答對加分，答錯減分，根據(jù)BP算法得到學習者經(jīng)一次學習后六項認知類型的修正值，再跟據(jù)學生認知能力由推理規(guī)則選取適應(yīng)的概念點，繼續(xù)對學習者進行教學。

相應(yīng)的體育教學內(nèi)容和策略推理機的實現(xiàn)過程是：根據(jù)認知型學生模型提供的信息，我們采用產(chǎn)生式系統(tǒng)來智能化地推理生成不同的體育教學內(nèi)容和策略。其形式表現(xiàn)為：If<學生水平表達式>Then<生成新教學內(nèi)容和策略>。示例如下：

IF(知識的表示概念)=(差)

THEN(復習前導課程，講解概念)

IF(知識表示概念)> =(及格)AND(知識表示法應(yīng)用)=(差)

THEN(復習概念、講解輔助知識、示例典型應(yīng)用)

……

整個體育教學內(nèi)容和策略的生成過程就是一個推理機的推理過程，它利用學生水平的表示值(Y1，Y2，Y3)根據(jù)上述產(chǎn)生式系統(tǒng)中相應(yīng)的推理規(guī)則進行推理，生成下一步的教學內(nèi)容和策略。在教學過程中，由于此過程是不斷的重復，并對學生認知能力進行修正，如此下去，學生每學習一次，認知能力評價值就修改一次，最終通過BP算法逐步逼近學生認知能力的標準值。

3.3系統(tǒng)的顯著特點

該ICAI系統(tǒng)用于體育教學具有如下顯著特點：

1)基于認知理論進行設(shè)計，使課件具有一定的自適應(yīng)能力；

2)提高了學生的學習興趣，引導學生進入一個主動的、高效率的學習環(huán)境；

3)特別有利于個別化教育，因材施教；

4)即改善了教師的教學效果，又提高了學生的學習效率。

4 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的加入，ICAI系統(tǒng)將由一個個別化的教學系統(tǒng)向智能遠程教學系統(tǒng)發(fā)展。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)(由多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合而形成的一種交互世界)，將使ICAI系統(tǒng)更加完善。

[1] 陸汝鈴.人工智能[M].北京:科學出版社,1989.

[2] 石純一.人工智能原理[M].北京:清華大學出版社，1995.

[3] 李建國,張小真.計算機輔助教學[M].重慶:重慶大學出版社,1993.

[4] 魏寧.CAI當前課件的缺陷及未來CAI的發(fā)展方向[EB/OL].http：//kerc.bnu.edu.cn/elr/wenxian/wx007.htm,2001-10-12.

[5] 彭軍.普通高?！杜徘颉稢AI課件的設(shè)計與制作[J].體育科學,2002，(5).

[6] 李林凱,劉玉林.籃球基本技術(shù)多媒體CAI課件的研制和應(yīng)用的實驗研究[J].體育科學,2002，(5).

TheResearchonImplementationoftheIntelligentComputerAssistedInstructionSysteminthePhysicalEducation’sTeachingandTraining

Wang Jiajun，Ding Fenghua

(The Physical Education Department of Shantou University, Shantou，515063,Guangdong, China)

By introducing the technology of artificial intelligence, computer assisted instruction (CAI) evolves into intelligent computer assisted instruction(ICAI). ICAI not only overcomes the weaknesses of traditional CAI, but also greatly enhances and improves effect and efficiency of the physical education’s teaching. This paper firstly conducts an analysis and research on characteristics and functions of the ICAI system, and then on which basis providing a corresponding implementation frame.

Artificial Intelligence; CAI; ICAI; cognitive student model; physical education’s teaching

2007-02-20

王家君(1962-)，男，山東人，講師，研究方向：教學與訓練。