智能教學系統：起源、發展與未來

梅鑫華 吳偉

南京師范大學教師教育學院 南京 210046

科學與技術的發展，使得智能化成為現實。而智能化工具作為人類智能的延伸，使得各領域的智能化成為其發展的必然趨勢。將智能化引入教育領域，形成智能教學系統（Intelligent Tutoring System，簡稱 ITS）。由計算機系統模擬專家的思維過程，效仿教師的策略選擇和方案實施，幫助和引導學生學習，實現個性化和適應性教學。

1 什么是智能教學系統

1.1 智能教學系統的概念

智能教學系統（ITS）是一種借助于人工智能技術，讓計算機扮演教師的角色實施個別化教學，向不同需求、不同特征的學習者傳授知識，提供指導的適應性學習支持系統（Adaptive Learning System）[1]。這是目前國內學者普遍接受的觀點。而國外有學者認為，所有智能教學系統有一個共同的目標：提供支持學習的教師服務[2]。

1）智能的本質：適應性。主要表現為能判斷不同認知水平、知識水平的學生，并靈活提供相適應的教學材料，實施相對應的教學策略。

2）ITS的需求價值：提供服務。即面對不同學生的需求，能提供相適應的教師服務。

1.2 智能教學系統的學科基礎

人類認識的深入、技術的發展，使得許多新興學科相繼形成并蓬勃發展。智能教學系統正是在認知科學、智能技術的不斷深入與發展下而形成的，其學科基礎主要包括兩個方面。

1）“智能”相關學科：計算機軟件、計算機應用技術、信息學、人工智能。

2）“教學”相關學科：教育學、心理學、行為科學、認知科學。其中，認知科學是智能教學系統的理論基礎，因為ITS所要解決的問題是“教”與“學”的認識思維過程、模型及特征，追其根源，屬認知科學的范疇[3]。

2 智能教學系統從何時來

2.1 源端追溯

機器應用于教學的源端可以追溯到20世紀20年代，普萊西設計了幾種自動測驗智力及知識的機器。學生首次按壓正確按鈕，則進入下一項目；若按錯，則繼續原項目至按出正確選項為止。普萊西指出，這類機器不僅能夠測驗與記分，還能教學[4]83。

2.2 形成標志

從普萊西設計的自動教學機器，歷經一些研究者設計的教學機器，至20世紀六七十年代，智能計算機輔助教學(ICAI)已經有所發展。1970年，由Jaime Carbonell創造的SCHOLAR系統被認為是第一個ITS，而術語“智能教學系統”則是由Sleeman和Brown于1982年提出，標志其正式形成[2]2。

3 智能教學系統如何發展

3.1 體系結構的發展

智能教學系統的研究從結構中心向去“結構中心”發展。

1）結構中心。Hartley和Sleeman（1973）年提出智能教學系統 “三模型”結構：領域模型、學生模型、教學模型。其領域模型主要包括領域的觀念、規則、問題解決策略。該模型需要評估學生成績、檢測錯誤、提供專家知識等。學生模型是ITS核心部分，主要包括豐富的學生認知、情感知識，以及學習進程中的發展知識。Self（1988）認為，學生模型需要完成糾錯、完善、指導、診斷、預測、評估的功能。教學模型主要接受領域模型和學生模型的輸入，作出教學策略的選擇，并實施教學[2]4-5。

在三模型的基礎上，Woolf等人提出增加人機接口模型，即四模型結構；Joseph beck等人提出將領域模型與專家知識獨立，即五模型結構[5]。無論是四模型還是五模型結構，其基礎都是三模型。雖然在隨后的30多年里，智能教學系統研究一直沒有形成公認的體系結構，但Hartley和Sleeman所提出的三模型結構一直是智能教學系統研究的基礎與核心[6]。

表1 近三屆ITS國際會議論文集論文主題分類情況

表2 其他基于約束模型的ITS

2）去“結構中心”。智能教學系統的多學科基礎，決定了其向去“結構中心”的發展。研究者對認知科學、教育學等不同程度的認識與強調，會設計出不同的ITS體系結構，然而沒有一種體系結構能單獨支持所有的教學策略（Nwana，1990）。人工智能教育（AIED）雜志的特刊主題、人工智能教育及智能教學系統會議的論文類別主題，都表明議題廣泛化，體系結構不再是關注的焦點（Woolf等，2008）。

智能教學系統的體系結構向“去中心”發展，在一定程度上受后現代主義思潮的影響。后現代主義（postmodernism）始于20世紀后半葉，強調差異性、多元性、偶然性及“去中心”的觀點。

3.2 ITS國際會議論文主題的發展

ITS會議是國際一流的關于技術系統支持與促進人類學習的會議之一，每兩年舉行一次。最近第11屆ITS會議于2012年6月在希臘哈尼亞舉行，會議具體主題是：技術與人的協作適應學習。有研究對前8屆會議論文分析指出，ITS國際會議都十分關注自然語言對話、分布式環境、學生模型、教與學的評價、教學策略、著作系統等方面的研究[5]。結合上述研究，本文對最近3屆ITS國際會議論文進行分析，其論文數量及主題分布情況如表1所示。

從表1可以看出，最近3屆國際ITS會議仍有關注自然語言對話、教學策略、學生模型等方面的研究，也加強了對智能游戲、情感等方面的關注。通過對國際ITS的會議論文主題發展的分析，論文主題廣泛化。11屆ITS會議，技術與人的協作適應學習效果成了關注的焦點。此外，未來的智能教學系統將以數據挖掘、智能代理、增強現實等技術來構建。

3.3 典型智能教學系統的發展

智能教學系統從20世紀六七十年代發展至今已有四五十年，留下了一系列典型的智能教學系統，如地理學的SCHOLAR系統、電子學的SOPHIE系統等。結合以往相關典型ITS的研究，對典型系統的發展及近些年來涉及的智能教學系統進行整理與分析。

1）基于約束模型的典型智能教學系統發展[7]。基于約束模型（CBM）由Stellan Ohlsson于1992年提出。至1995年，SQL-Tutor是第一個基于約束模型的智能教學系統，用于計算機學科的SQL語言輔導。此后，發展出許多其他基于約束模型的ITS，如表2所示。

典型智能教學系統發展過程中，基于約束模型（CBM）已經從一個理論設想發展為成熟、可靠、有效的方法。未來基于約束模型的智能教學系統將支持多種教學策略、合作、動機、元認知技能等。

2）近10年相關研究涉及的智能教學系統。通過對近10年ITS論文的收集，將研究論文涉及的部分ITS系統分析整理如表3所示。

由表3可知，文化學習、元認知學習、情感判斷等將是現在及未來一段時期內ITS的發展趨勢。此外，3D技術、虛擬現實技術、網絡通信技術、自然語言處理技術等一些增強感官體驗與通信交流的技術也將進一步應用于ITS。

表3 近10年相關研究涉及的智能教學系統

4 智能教學系統向何處走

智能教學系統是一門跨學科的研究。“跨學科”帶來了豐富的理論支撐——各學科理論技術的發展促進ITS的發展；同時也帶來了挑戰——如何整合各學科的發展，使智能教學系統最優化？未來智能教學系統的發展趨向主要表現在下面幾個方面。

4.1 學習理論從“本質上”把握ITS的發展方向

ITS的功用是服務于學習者，實現最佳教學。因此，學習理論是從本質上改變ITS的發展方向。現代較流行的學習理論主要有建構主義學習理論和人本主義學習理論。建構主義學習理論強調主動建構、社會互動、情境真實。人本主義學習理論強調情感在學習過程中的作用，認為學生的學習是情感與認知相結合的精神活動。ITS應用現代學習理論，可以預見主動性、互動性、情境性及情感性是其未來的發展趨向。但是，行為主義及認知主義學習理論在知識的接受效果上比現代學習理論明顯。因此，ITS的架構與設計依然需要應用傳統的行為主義及認知主義學習理論，而現代學習理論是其發展的補充。

4.2 計算機科學與技術從“現實上”實現ITS的發展

無論哪種體系結構的ITS，都依賴于計算機科學與技術才能得以實現。技術將從現實上實現ITS的發展。ITS情境真實性，需要有計算機虛擬現實技術來實現。由計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供一種極為真實的交互式人工環境。未來ITS的發展將應用這種技術，以增強智能教學系統的感官性、真實性、交互性、趣味性。ITS與人之間交互的“無縫”性，可由自然語言處理技術來實現。由計算機理解和接受人類用自然語言的輸入指令，完成自然語言到計算機語言的翻譯。應用最先進的自然語言處理技術是未來發展的趨向。

4.3 多學科的有機整合從“優化上”促進ITS的發展

若學習理論的要求無法在技術上實現，或技術的發展無相應的學習理論，那么ITS并不會有實質上的發展。只有各學科的有機整合，才能使ITS發展最優化。

1）文化與技術整合。文化差異也是技術人員必須考慮的因素，因為在全球化世界中，不同文化背景的人正在使用同一ITS。因此，設計與研究“文化自適應ITS”也是未來的發展趨勢。

2）學科教育研究者與工程人員合作。學科教育研究者具有教育理論優勢，而工程人員具有技術優勢。兩者合作互補，能更好地設計與開發ITS。我國未來ITS的發展，應當是具有不同優勢的研究所相互合作。此外，一些教育軟硬件研發公司也具備技術優勢，師范院校研究所與這些公司的合作也應當是我國ITS的一種走向。

[1]智勇.分布式學習環境中的智能授導系統研究[D].南京：南京師范大學,2004.

[2]Nkambou R, Bourdeau J, Mizoguchi R. Advances in Intelligent Tutoring Systems[M].Berlin： Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2010.

[3]宋云嫻,白鵬.智能教學系統設計與實現[M].北京：電子工業出版社,1995.

[4]普萊西,斯金納.程序教學和教學機器[M].劉范,等,譯.北京：人民教育出版社,1979.

[5]陳天云,張劍平.智能教學系統（ITS）的研究現狀及其在中國的發展[J].中國電化教育,2007(2)：95-99.

[6]陳仕品,張劍平.智能教學系統的研究熱點與發展趨勢[J].電化教育研究,2007(10)：41-46.

[7]Mitrovic A. Fifteen years of constraint-based tutors： what we have achieved and where we are going[J].User Modeling and User-Adapted Interaction,2012,22(1-2)：39-72.