ICAI智能計算機輔助教育發展趨勢的研究

彭德林 黑龍江司法警官職業學院

ICAI智能計算機輔助教育發展趨勢的研究

彭德林 黑龍江司法警官職業學院

隨著人工智能技術的引入，計算機輔助教學（CAI）發展成為智能計算機輔助教學（ICAI）。ICAI不但克服了傳統CAI的弱點，而且大大地提高和改善了教學效果和教學質量。本文首先對智能計算機輔助教學系統的特性和功能進行了析和研究，并在此基礎研究探討了ICAI的發展趨勢。

計算機輔助教學；人工智能；ICAI；智能計算機輔助教學

引言

計算機輔助教學（Computer Assisted Instruction，簡稱CAI）是利用計算機模擬教師的行為，通過學生和計算機之間的交互活動來達到教學目的。自第一個CAI系統由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產業。然而，由于傳統的CAI系統難以對不同水平和能力的學生采用相應的教學策略和合適的教學方式，略顯美中不足。

隨著計算機科學和人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）技術的不斷發展和成熟，有人開始將AI引入CAI中，使CAI系統可以智能地理解教學內容、教學對象以及教學方法，因而也就能夠合理安排教學內容、改變教學方法以滿足個別教學的需要，這就是以AI技術和認知理論為基礎而形成的智能計算機輔助教學（Intelligent Computer Assisted Instruction，簡稱ICAI）系統。它是計算機應用技術的一個新領域，代表了一種新的教學思想和教學方式，提高和改善了教學質量和效率，完全彌補了傳統CAI系統的不足。

一、ICAI的功能特性

智能計算機輔助教學（intelligent computer assistedinstruction,簡稱ICAI）是以認知科學和思維科學為理論基礎，綜合人工智能技術、教育心理學等多門學科的知識對學生實施有效的教育的一門新的教育技術。它將教學內容與教學策略分開，根據學生認知模型提供的信息，通過智能系統的搜索與推理，動態生成適合于個別化教學的內容與策略；通過智能診斷機制判斷學生的學習水平，分析學生產生錯誤的原因，同時向學生提出更改建議以及進一步學習內容的建議；通過對全體學生出現的錯誤進行分布統計，智能診斷機制將向教師提供教學重點、方式、測試重點、題型的建議；為教師提供友好的教學內容、測試內容維護界面,無需改變軟件的結構即可調整教學策略；通過對學生認知模型、教學內容、測試結果的智能分析，向教學督導人員提供對任課教師教學業績評價的參考意見。可以說，一個理想、完美的ICAI系統就是一個完善、智能的“教、學、做、考”一體化教學系統。

由于ICAI系統采用了先進的設計理念，結合人工智能科學、超文本和多媒體技術，通過計算機將文本、圖像、聲音、動畫等各種媒體信息結合起來。因此，ICAI系統用于教學有如下顯著特點。

1.有利于激發學生的學習興趣和認知主體作用的發揮。提高學生的學習興趣,引導學生進入一個主動的、高效率的學習環境中。

2.特別有利于個別化教育, 因材施教。教學研究表明，個別化教學遠比集體教學有效。

3.有利于知識的獲取與保持。有助于推廣優秀教師的科學教學方法和淵博的科學知識。其復制和傳播不受時間和空間上的限制,

4.可實現對教學信息最有效的組織與管理。

5.可作為認知工具實現最理想的學習環境。

雖然ICAI的研究取得了一定的進展，但是目前比較成熟的ICAI教學系統是作為專家系統的一部分來研制的，真正為教學而設計的ICAI系統還不多。不難看出，ICAI與傳統的CAI相比，更加符合教育教學的規律、學生的認知習慣，具有明顯的優越性。

二、ICAI的發展趨勢

完善的 ICAI 系統能夠充分調動學生的主動性，并能通過分析推理，對個體學生做出適合的教學決策，實現個別化教學，達到因材施教的目的。在實際設計時，由于需要考慮的因素較多，系統比較龐大，同時也依賴于人工智能等技術的發展，因而要建立完善的 ICAI 還是比較困難的，這也正是未來計算機輔助教學的努力目標，可以預計未來的計算機輔助教學研究，將朝著集成化、協調化、超媒體網絡化和智能化于一體的方向發展。ICAI在發展中不是孤立，它是伴隨著人工智能在諸多領域的應用及多種科學技術的不斷發展而發展的，表現為以下幾方面的發展趨勢。

1.ICAI發展的網絡技術化

網絡化是當今世界ICAI系統的一大優勢和特色。“無機不聯”正是現代高等教育計算機使用情況的真實寫照。隨著多媒體技術和Internet網絡的飛速發展，多媒體教育技術與Internet的進一步融合，ICAI不僅僅只在人工智能上單一發展，它不可避免地還要向多維的網絡空間發展。目前，基于Internet網的ICAI系統正在蓬勃發展，它借助網絡的優勢，完成在線學習、實時討論、網上測試等多種教學任務。網絡化智能教學系統能使任何人在任何地點、任何時間都可以學習所需要的內容，并能為學習者建構知識提供豐富的信息，滿足學習者的個性化要求，為協同性學習創造了更大的可能，為交互性學習提供更強有力的支持，并能夠有效地實施個性化教學，從而提高教學效率。

由于有了計算機互聯網，計算機信息的共享和利用率大大提高。學生、教師和其他研究人員在教學科研中可通過網絡獲取、交流更多的信息獲得更完善的服務。通過網絡，不同地區、不同學校學生和教師可以進行教學交流或者跨地區、跨學校教學。時至今日，ICAI系統的開發離不開發展迅猛的網絡技術。

2.ICAI發展的智能代理(Intelligent Agent)化

在計算機領域，Agent指分布式系統或協作系統中能持續自主發揮作用的計算實體，它具有自主性、交互性、反應性和主動性特征。Agent技術是計算機學科在人工智能領域中發展很快的一項新技術。它是能夠自主連續地在一個可動態變化的、存在其他Agent的環境中運行的，并可以與環境進行交互的實體。Agent的概念出現于20世紀70年代的人工智能中，80年代后期開始成長起來，Agent 主要有以下幾個特征：(1)Agent可以在沒有人或其他 Agent直接干預的情況下進行，而且對自己的行為和內部狀態有某種控制能力；(2)Agent和其他Agent通過某種Agent交流語言進行交互；(3)Agent觀察其環境，并在一定時間內做出反應，以改變該環境；(4)Agent不僅能夠簡單地對環境做出反應，而且能夠通過接受某些啟示信息，體現出面向目標的行為。

在ICAI中，學生學習查詢有效知識可以使用Agent進行搜索、導引，由于它自具備的學習功能，能夠主動、高效地從Internet信息空間中發現和收集用戶所需要的信息。因此它有助于解決使用單一關鍵字匹配查詢、搜索引擎引起的大量無關信息的涌現、信息檢索的精確度不高等問題。將“智能代理”技術引入到ICAI中，將使得教師和學生在教與學的過程中，提高知識選取效率、加強交互學習和自主能動性學習。

3.ICAI發展的遠程教學化

計算機網絡、智能CAI以及多Agent協作，使ICAI系統可以實現真正意義上的遠程教學。計算機網絡技術為遠程教學的實現提供了可能，智能CAI又使得教與學是互動的、非盲目的、高效的；而Agent與ICAI相比，能在智能化方面發揮更靈活、更多樣化的作用。它的多Agent協作特性，不僅可以作為教師代理，為學生學習提供指導，也可以作為學生代理，輔助學生學習，還可以成為學生學習、交流、協作過程中多方面的代理。因此，具有多種特性優勢的遠程教學ICAI系統具有廣闊的發展前景。

4.ICAI發展的虛擬現實化

虛擬現實是由多媒體技術與仿真技術以及計算機技術相結合而生成的一種交互式人工世界。虛擬現實技術可用于ICAI系統中，利用虛擬現實技術模擬虛擬環境，學生可以與虛擬環境中各種信息進行交互，充分發揮了學生學習的主動性、創造性。使用創建的虛擬環境，在一般人所不能親身體驗的情景中，達到演示、操作的教學目的。例如，在體育課教學中，學生可以進入虛擬環境中去，親身領略NBA冠軍隊員在籃球場的表演；在物理課上，學生可以在虛擬世界內去發現萬有引力的變化，比較地球大氣層的磁場與月球磁場的強弱；在建筑設計課上，學生可以在虛擬的建筑中實景化學習等。

目前，ICAI系統已經成為國際上計算機輔助教學研究的主要方向，是一個綜合交叉學科。它涉及了計算機、教育兩大學科的許多分支領域，包括程序設計、數據，結構、算法分析、軟件工程、人工智能等計算機學科以及認知心理學、教學設計等教育學科。此外，隨著網絡技術的加入，ICAI系統將由個別化的教學系統向智能遠程教學系統發展，而虛擬現實技術的出現，則使ICAI系統更加完善。

三、結束語

網絡化與智能化是輔助教學發展的兩大趨勢，也是我國教育信息化的必然趨勢。網絡環境下智能教學系統的研究是當前和以后相當長時期內的一個重要課題。智能教學系統是一個涉及許多學科的復雜工程。在對這一課題進行研究的過程中，必將深入到對人工智能技術、教育學、認知科學等理論的基礎和應用研究。本文的研究對于推動智能教學及相關學科的不斷發展和進步具有深刻的理論和實踐指導意義。

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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學院信息技術應用系副教授。