彭德林 黑龍江司法警官職業(yè)學(xué)院

ICAI智能計(jì)算機(jī)輔助教育發(fā)展趨勢(shì)的研究

彭德林 黑龍江司法警官職業(yè)學(xué)院

隨著人工智能技術(shù)的引入，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）發(fā)展成為智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（ICAI）。ICAI不但克服了傳統(tǒng)CAI的弱點(diǎn)，而且大大地提高和改善了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。本文首先對(duì)智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的特性和功能進(jìn)行了析和研究，并在此基礎(chǔ)研究探討了ICAI的發(fā)展趨勢(shì)。

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；人工智能；ICAI；智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

引言

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Assisted Instruction，簡稱CAI）是利用計(jì)算機(jī)模擬教師的行為，通過學(xué)生和計(jì)算機(jī)之間的交互活動(dòng)來達(dá)到教學(xué)目的。自第一個(gè)CAI系統(tǒng)由IBM公司研制出開始（1958年），就得到了各國的重視，逐步形成了CAI產(chǎn)業(yè)。然而，由于傳統(tǒng)的CAI系統(tǒng)難以對(duì)不同水平和能力的學(xué)生采用相應(yīng)的教學(xué)策略和合適的教學(xué)方式，略顯美中不足。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，有人開始將AI引入CAI中，使CAI系統(tǒng)可以智能地理解教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)對(duì)象以及教學(xué)方法，因而也就能夠合理安排教學(xué)內(nèi)容、改變教學(xué)方法以滿足個(gè)別教學(xué)的需要，這就是以AI技術(shù)和認(rèn)知理論為基礎(chǔ)而形成的智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Intelligent Computer Assisted Instruction，簡稱ICAI）系統(tǒng)。它是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域，代表了一種新的教學(xué)思想和教學(xué)方式，提高和改善了教學(xué)質(zhì)量和效率，完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)CAI系統(tǒng)的不足。

一、ICAI的功能特性

智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（intelligent computer assistedinstruction,簡稱ICAI）是以認(rèn)知科學(xué)和思維科學(xué)為理論基礎(chǔ)，綜合人工智能技術(shù)、教育心理學(xué)等多門學(xué)科的知識(shí)對(duì)學(xué)生實(shí)施有效的教育的一門新的教育技術(shù)。它將教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)策略分開，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知模型提供的信息，通過智能系統(tǒng)的搜索與推理，動(dòng)態(tài)生成適合于個(gè)別化教學(xué)的內(nèi)容與策略；通過智能診斷機(jī)制判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，分析學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因，同時(shí)向?qū)W生提出更改建議以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)內(nèi)容的建議；通過對(duì)全體學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，智能診斷機(jī)制將向教師提供教學(xué)重點(diǎn)、方式、測(cè)試重點(diǎn)、題型的建議；為教師提供友好的教學(xué)內(nèi)容、測(cè)試內(nèi)容維護(hù)界面,無需改變軟件的結(jié)構(gòu)即可調(diào)整教學(xué)策略；通過對(duì)學(xué)生認(rèn)知模型、教學(xué)內(nèi)容、測(cè)試結(jié)果的智能分析，向教學(xué)督導(dǎo)人員提供對(duì)任課教師教學(xué)業(yè)績?cè)u(píng)價(jià)的參考意見?？梢哉f，一個(gè)理想、完美的ICAI系統(tǒng)就是一個(gè)完善、智能的“教、學(xué)、做、考”一體化教學(xué)系統(tǒng)。

由于ICAI系統(tǒng)采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合人工智能科學(xué)、超文本和多媒體技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)將文本、圖像、聲音、動(dòng)畫等各種媒體信息結(jié)合起來。因此，ICAI系統(tǒng)用于教學(xué)有如下顯著特點(diǎn)。

1.有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和認(rèn)知主體作用的發(fā)揮。提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入一個(gè)主動(dòng)的、高效率的學(xué)習(xí)環(huán)境中。

2.特別有利于個(gè)別化教育, 因材施教。教學(xué)研究表明，個(gè)別化教學(xué)遠(yuǎn)比集體教學(xué)有效。

3.有利于知識(shí)的獲取與保持。有助于推廣優(yōu)秀教師的科學(xué)教學(xué)方法和淵博的科學(xué)知識(shí)。其復(fù)制和傳播不受時(shí)間和空間上的限制,

4.可實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)信息最有效的組織與管理。

5.可作為認(rèn)知工具實(shí)現(xiàn)最理想的學(xué)習(xí)環(huán)境。

雖然ICAI的研究取得了一定的進(jìn)展，但是目前比較成熟的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(jì)的ICAI系統(tǒng)還不多。不難看出，ICAI與傳統(tǒng)的CAI相比，更加符合教育教學(xué)的規(guī)律、學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣，具有明顯的優(yōu)越性。

二、ICAI的發(fā)展趨勢(shì)

完善的 ICAI 系統(tǒng)能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，并能通過分析推理，對(duì)個(gè)體學(xué)生做出適合的教學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)個(gè)別化教學(xué)，達(dá)到因材施教的目的。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，由于需要考慮的因素較多，系統(tǒng)比較龐大，同時(shí)也依賴于人工智能等技術(shù)的發(fā)展，因而要建立完善的 ICAI 還是比較困難的，這也正是未來計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的努力目標(biāo)，可以預(yù)計(jì)未來的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究，將朝著集成化、協(xié)調(diào)化、超媒體網(wǎng)絡(luò)化和智能化于一體的方向發(fā)展。ICAI在發(fā)展中不是孤立，它是伴隨著人工智能在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用及多種科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展的，表現(xiàn)為以下幾方面的發(fā)展趨勢(shì)。

1.ICAI發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)化

網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今世界ICAI系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)和特色?！盁o機(jī)不聯(lián)”正是現(xiàn)代高等教育計(jì)算機(jī)使用情況的真實(shí)寫照。隨著多媒體技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，多媒體教育技術(shù)與Internet的進(jìn)一步融合，ICAI不僅僅只在人工智能上單一發(fā)展，它不可避免地還要向多維的網(wǎng)絡(luò)空間發(fā)展。目前，基于Internet網(wǎng)的ICAI系統(tǒng)正在蓬勃發(fā)展，它借助網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，完成在線學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)討論、網(wǎng)上測(cè)試等多種教學(xué)任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)化智能教學(xué)系統(tǒng)能使任何人在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間都可以學(xué)習(xí)所需要的內(nèi)容，并能為學(xué)習(xí)者建構(gòu)知識(shí)提供豐富的信息，滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化要求，為協(xié)同性學(xué)習(xí)創(chuàng)造了更大的可能，為交互性學(xué)習(xí)提供更強(qiáng)有力的支持，并能夠有效地實(shí)施個(gè)性化教學(xué)，從而提高教學(xué)效率。

由于有了計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)，計(jì)算機(jī)信息的共享和利用率大大提高。學(xué)生、教師和其他研究人員在教學(xué)科研中可通過網(wǎng)絡(luò)獲取、交流更多的信息獲得更完善的服務(wù)。通過網(wǎng)絡(luò)，不同地區(qū)、不同學(xué)校學(xué)生和教師可以進(jìn)行教學(xué)交流或者跨地區(qū)、跨學(xué)校教學(xué)。時(shí)至今日，ICAI系統(tǒng)的開發(fā)離不開發(fā)展迅猛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2.ICAI發(fā)展的智能代理(Intelligent Agent)化

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，Agent指分布式系統(tǒng)或協(xié)作系統(tǒng)中能持續(xù)自主發(fā)揮作用的計(jì)算實(shí)體，它具有自主性、交互性、反應(yīng)性和主動(dòng)性特征。Agent技術(shù)是計(jì)算機(jī)學(xué)科在人工智能領(lǐng)域中發(fā)展很快的一項(xiàng)新技術(shù)。它是能夠自主連續(xù)地在一個(gè)可動(dòng)態(tài)變化的、存在其他Agent的環(huán)境中運(yùn)行的，并可以與環(huán)境進(jìn)行交互的實(shí)體。Agent的概念出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代的人工智能中，80年代后期開始成長起來，Agent 主要有以下幾個(gè)特征：(1)Agent可以在沒有人或其他 Agent直接干預(yù)的情況下進(jìn)行，而且對(duì)自己的行為和內(nèi)部狀態(tài)有某種控制能力；(2)Agent和其他Agent通過某種Agent交流語言進(jìn)行交互；(3)Agent觀察其環(huán)境，并在一定時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，以改變?cè)摥h(huán)境；(4)Agent不僅能夠簡單地對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)，而且能夠通過接受某些啟示信息，體現(xiàn)出面向目標(biāo)的行為。

在ICAI中，學(xué)生學(xué)習(xí)查詢有效知識(shí)可以使用Agent進(jìn)行搜索、導(dǎo)引，由于它自具備的學(xué)習(xí)功能，能夠主動(dòng)、高效地從Internet信息空間中發(fā)現(xiàn)和收集用戶所需要的信息。因此它有助于解決使用單一關(guān)鍵字匹配查詢、搜索引擎引起的大量無關(guān)信息的涌現(xiàn)、信息檢索的精確度不高等問題。將“智能代理”技術(shù)引入到ICAI中，將使得教師和學(xué)生在教與學(xué)的過程中，提高知識(shí)選取效率、加強(qiáng)交互學(xué)習(xí)和自主能動(dòng)性學(xué)習(xí)。

3.ICAI發(fā)展的遠(yuǎn)程教學(xué)化

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、智能CAI以及多Agent協(xié)作，使ICAI系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程教學(xué)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為遠(yuǎn)程教學(xué)的實(shí)現(xiàn)提供了可能，智能CAI又使得教與學(xué)是互動(dòng)的、非盲目的、高效的；而Agent與ICAI相比，能在智能化方面發(fā)揮更靈活、更多樣化的作用。它的多Agent協(xié)作特性，不僅可以作為教師代理，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供指導(dǎo)，也可以作為學(xué)生代理，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)，還可以成為學(xué)生學(xué)習(xí)、交流、協(xié)作過程中多方面的代理。因此，具有多種特性優(yōu)勢(shì)的遠(yuǎn)程教學(xué)ICAI系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。

4.ICAI發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)化

虛擬現(xiàn)實(shí)是由多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而生成的一種交互式人工世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可用于ICAI系統(tǒng)中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬虛擬環(huán)境，學(xué)生可以與虛擬環(huán)境中各種信息進(jìn)行交互，充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性。使用創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，在一般人所不能親身體驗(yàn)的情景中，達(dá)到演示、操作的教學(xué)目的。例如，在體育課教學(xué)中，學(xué)生可以進(jìn)入虛擬環(huán)境中去，親身領(lǐng)略NBA冠軍隊(duì)員在籃球場(chǎng)的表演；在物理課上，學(xué)生可以在虛擬世界內(nèi)去發(fā)現(xiàn)萬有引力的變化，比較地球大氣層的磁場(chǎng)與月球磁場(chǎng)的強(qiáng)弱；在建筑設(shè)計(jì)課上，學(xué)生可以在虛擬的建筑中實(shí)景化學(xué)習(xí)等。

目前，ICAI系統(tǒng)已經(jīng)成為國際上計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究的主要方向，是一個(gè)綜合交叉學(xué)科。它涉及了計(jì)算機(jī)、教育兩大學(xué)科的許多分支領(lǐng)域，包括程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)、算法分析、軟件工程、人工智能等計(jì)算機(jī)學(xué)科以及認(rèn)知心理學(xué)、教學(xué)設(shè)計(jì)等教育學(xué)科。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的加入，ICAI系統(tǒng)將由個(gè)別化的教學(xué)系統(tǒng)向智能遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，則使ICAI系統(tǒng)更加完善。

三、結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)化與智能化是輔助教學(xué)發(fā)展的兩大趨勢(shì)，也是我國教育信息化的必然趨勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下智能教學(xué)系統(tǒng)的研究是當(dāng)前和以后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)的一個(gè)重要課題。智能教學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)涉及許多學(xué)科的復(fù)雜工程。在對(duì)這一課題進(jìn)行研究的過程中，必將深入到對(duì)人工智能技術(shù)、教育學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等理論的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。本文的研究對(duì)于推動(dòng)智能教學(xué)及相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步具有深刻的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.077

彭德林，黑龍江司法警官職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)應(yīng)用系副教授。