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基于人工智能的计算机辅助教学初探

作者：赵东晋 李曼 张文男

来源：《新西部下半月》2011年第04期

【摘 要】 本文概要介绍了计算机辅助教学的现状，阐述了智能计算机辅助教学系统的内容，初步探讨了开发智能计算机辅助教学系统的未来发展的方向，认为智能计算机辅助教学系统模拟人类记忆与思想，有助于较好地解决形象思维、顿悟思维问题，提高自主学习能力和表达能力。

【关键词】 计算机辅助教学；人工智能；教学模型；努力方向

计算机辅助教学（CAI）是计算机辅助教育中的重要组成部分，是教师为了提高教学效果和效率，利用以多媒体计算机为中心的丰富的教学资源，改进传统教学，或为学生提供一个学习环境，使学生通过与计算机的交互对话，激发学生的学习积极性和主动性，帮助学生更有效地学习。使用CAI系统，有利于认知主体作用的发挥，它所提供的图像、声音、动画等信息有利于学生知识的获取与保持，达到提高教学效果。 一、计算机辅助教学的现状

计算机辅助教学的实现需要应用人工智能技术及程序设计，一些人工智能技术的特殊应用成果均被应用于计算机辅助教学系统，以提高其智能性和实用性。早期绝大多数CAI 课件大都使用决策理论和随机学习的模式，极大地简化了学习过程的表达形式。随着人工智能技术的发展，计算机辅助教学系统中添加了学生的学习行为及训练策略，同时人工智能技术被应用于建立学习互动学习模块。这种方法能控制训练策略并给出适合学生的学习内容。目前为了获取对课程知识表示和控制的灵活性和模块性，有些计算机辅助教学系统还用人工智能技术来表示训练计划和策略。

现有的计算机辅助教学系统面临许多挑战，它主要存在以下几方面的问题： 1、缺乏教与学的融合

制作系统的教师，并不全是一线的教师，所以导致教与学没有真正融合。 2、缺乏开放性

不具有开放性是目前CAI 课件最大的缺点。使用者无法对课件进行任何修改，只能利用已有资源按设定的路线进行教学。

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3、缺乏个性化

现有的CAI 课件系统不能对不同程度的学生进行有针对性的教育，学生的学习是被动的，不能由系统自动提供助学信息而使学生有选择地学习。 4、缺乏人机交互能力

现有CAI 大多以光盘作为信息的载体，将教材中的内容以多媒体的形式展现出来，教学信息是按预置的教学流程机械式地提供给学习者，学习者CAI 课件学习是完全被动的。 5、缺乏教师与学生的互动

现有CAI 课件在学生自学以及进行操作使用时，如何学习都是学生自己的事。教师不能完全了解学习者的情况，因此课件所起的效果大打折扣。 6、忽视课程本身的特点

各门课程在教学上有不同的要求，但现有课件对于这些不同要求完全不予理会。 二、智能计算机辅助教学系统

智能计算机辅助教学具有教师进行导学的特点，教师根据学生的学习轨迹指导学生，也可以将导学工作交给智能计算机辅助教学系统来完成，系统根据学生的学习行为来决定学习内容。智能计算机辅助教学要实现启发式教学和个性化教学，因此系统由知识库、专家系统和学生的认知模型等部分组成，如图1。 图1

1、知识库

知识库用于存储所要教授的学科领域内知识，主要包括元知识、陈述性知识和过程性知识。知识库的内容可以随教学系统所用时间的增加来逐渐积累、整理。其主要任务是根据要求检索出有关的知识，生成问题并评价学生的解答。 2、专家系统

专家系统可以根据学生的认知情况和知识库的内容，做出智能化的教学决策机构，好在学习过程中决定下一步采取哪种学习方法，学习哪方面的内容，还能评测学生的学习效果，并据此提出改进策略和意见。

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3、学生的认知模型

学生的认知模型用于记录学生的知识水平和认知能力，始终依据学生的实际知识水平来指导学生学习，并根据其学习情况进行动态调整。当学生学习新的教学内容时，系统可以根据该学生以前的学习记录来建议新的学习内容提要。学生认知模型的信息被专家系统作为教学决策的依据，使系统能正确评价学生对所学知识的理解程度，并能针对每个学生的不同特点和差异，实行与该学生相适应的教学活动。 三、开发ICAI系统的努力方向

在新世纪全球都在ICAI的发展，智能计算机辅助教学系统已经成为国际上计算机辅助教学研究的主要方向。要开发好的智能计算机辅助教学系统，要考虑以下几个方面： 1、模拟人类记忆与思维合一

随着计算机技术的发展，计算机的数据处理与存储完全分离状态虽然没有变，但交换数据方式的发展也提升了处理器与存储器之间的配合。智能计算机辅助教学系统模拟人类记忆与思想是非常有必要的。

2、模拟人类思维过程是串行与并行共存且以并行为主

人们不仅可以顺序地处理问题，而且可以同时应付多种不同的情况，把问题的不同侧面、不同因素密切地联系起来，进行多方位的综合性思考，但目前的计算机辅助教学系统只能进行串行式的处理。

3、模拟人类较好地解决不确定性问题

现实世界中的事物并非都是确定的两态逻辑，更多的是多态逻辑、非确定性的、模糊的，人脑可以很自然地处理这样的事物，但目前的计算机辅助教学系统的基于两态逻辑的，为了对不确定性行处理，需要从软件上弥补这一缺陷，这就增加了软件设计的复杂性及难度。 4、模拟人类较好地解决形象思维、顿悟思维问题

人的思维方式除了逻辑思维外，还有形象思维、顿悟思维等，人们在处理问题时，通常是把它们结合起来进行的。但是，目前的计算机辅助教学系统只能进行符号处理，任何要在计算机辅助教学系统上进行处理的问题都必须表示为一串符号序列，并且还要给出处理这引起符号的规则。因此它所能解决的问题仅仅局限于逻辑思维所能解决的问题范畴内，这就使用现有的计算机辅助教学系统难以有创造性它只能做人们为它规定的工作。目前的计算机辅助教学系统的通过搜索在知识库中寻找可利用的知识的，而这些知识都是事先用某种表示模式进行了形式化的，当问题比较复杂时，搜索空间就变得很庞大，往往会引起组合爆炸。计算机辅助教学系统在思维能力方面的局限性极大地限制了它的功能，使得它无法进行音乐、美术方面的创作，