淺談支持情境感知的智能教學系統設計在教育中的應用

閆歡

摘要：智能教學系統設計是將人工智能技術應用到計算機網絡技術中，以教育學、心理學等為理論依據，開發出的用于指導學生自主學習、協作學習的一系列軟硬件體系，實現以學生為中心，個性化的教學模式。通過分析智能教學系統的發展、特點及在高校中應用存在的問題，探究支持情境感知的智能教學系統設計在教育中的應用。

關鍵詞：情境感知；智能教學系統；智能教學系統設計

一、引言

隨著計算機技術、網絡技術的不斷成熟，教育領域也在信息技術的推動下發生了巨大的革命。計算機最早引入到教育領域中時，只是作為教學的輔助手段，學者們將其稱為CAI。隨著技術的不斷成熟、發展，人們對技術在教育領域中的探索及要求的提高，人工智能技術和計算機技術的結合形成了“智能教學系統”（ITS）。這一教學系統融合了教育學、認知科學、計算機科學和人工智能等多門學科，實現了“計算機導師”根據每個學習者的特點制定教學計劃、選擇教學策略的功能，開發出了具有因材施教功能的教學系統。

二、智能教學系統的發展及特點

（一）智能教學系統的發展

20世紀20年代，普萊西設計的幾種自動測驗智力及知識的機器是最早將計算機應用于教學中的開端。開始只是簡單的測驗，到20世紀50年代，計算機可以根據人們輸入的線性數據庫程序，劃分成一系列知識點，學生通過對知識點的學習達到教學目標。20世紀六七十年代開始，形成了計算機輔助教學（CAI）的應用研究，在教學中出現了分支程序結構，可以實現根據學生回答問題的情況來決定問題呈現的順序，形成了最初始的因材施教教學模式。20世紀70年代以后，隨著人工智能技術的發展，出現了專家系統，使教學行為更加有效，尤其是Jaime Carbonell創造了SCHOLAR系統，促使“智能教學系統”（ITS）的發展。直到現在，智能教學系統也在不斷地完善中，學生和系統直接通過自然語言對話實現交互。基于智能教學系統的設計正在走入學校的課堂教學中，指導學生的學習，如用于指導學生算術四則運算的WEST系統、用于邏輯學、集合論和定理證明的EX-CHECK系統，輔助Basic語言教學的BIP系統等。20世紀90年代后，隨著人工智能技術的發展及智能教學模式的更新，協作型教學模式被引入到智能教學系統設計中。這種教學模式可以為多個學習者提供協作小組學習，為學習者間的交流、協作提供支持。

（二）智能教學系統的特點

智能教學系統（ITS）不同于以往的計算機輔助教學系統（CAI）的一個重要特征是增加了智能性功能。系統的設計是以認知科學為理論基礎，結合人工智能技術、教育心理學、計算機科學、網絡技術等多門學科，在教學中注重因人施教，能夠根據學習者的學習風格和知識背景為不同的學生選用不同的教學內容、教學方法、教學模式及問題的呈現方式，并可根據學習者的知識掌握程度，自動調整學習進度和學習內容，實現個別化教學。這種智能教學系統即“計算機導師”系統與傳統的教師相比，具有存儲量大、不知疲倦、準確快速等人類無法比擬的優點。

三、智能教學系統設計及在應用中存在的問題

基于智能教學系統的智能性、個別性教學功能的實現，在教學系統設計中必須充分考慮到學科知識、學生特點及教學策略。而這些都要人為地輸入進計算機中，計算機不能像人類大腦一樣自動更新。

（一）智能教學系統的設計

通過對智能教學系統因材施教需求的分析，如生成各種問題與練習、根據學生的知識結構選擇、調整學習內容及進度、自然語言與機器語言的交互、對學生的行為作出適當的響應等，在教學系統設計時必須有以下幾大模塊：專家知識結構模塊、學生模塊、教學策略選擇模塊及人機交互接口模塊。

專家知識結構模塊：專家知識模塊也有人稱之為專家領域模型，這一模塊包涵學科知識的組成，即數據庫系統中將集成該領域內的相關知識，作為指導學生學習的基礎。

學生模塊：學生模型是智能教學系統對現實中的學生的模擬，主要分為覆蓋模型、差別模型和干擾模型等。這一模塊將集合學生的知識狀態、認知特點和個性特點等。

教學策略選擇模塊：此模塊是模擬現實中的教師在教學原理的指導下，選擇教學內容、教學方法及問題的呈現，再通過接口展示給學生，并能根據學生的個性特點隨時調整教學策略。

人機交互接口模塊：是實現人機對話的端口，能夠將自然語言和機器語言實時轉換，保障學生與智能教學系統交互的正常進行。

（二）智能教學系統設計在應用中存在的問題

盡管人工智能技術引入到計算機輔助教學后，使教學系統更加智能化，能夠做到因材施教、對學生進行個性化的教學。但是智能教學系統還有許多地方須要進一步的完善，尤其是在智能性的提高上，比如對學生情境的感知上，如何由學生的表現推知學生的知識結構、認知能力、學生出錯原因的分析等。

1.智能教學系統不能自我更新、自我改進。智能教學系統的設計原理是把當前的知識和教師的教學方法、教學理念和教學策略集中到數據庫中。然而，隨著教學內容、教學理論的不斷更新，智能教學系統卻需要人為地進行程序、數據庫的更新甚至是重新設計，而不能實現自我更新、自我改進。

2.智能教學系統還無法大面積的推廣。由于智能教學系統并不適用于所有的學習領域，尤其是一些涉及到無規則變化的領域，存在應用局限，不能像人腦一樣自主思維。

3.智能教學系統無法實現情感互動。智能教學系統為學習者提供的是一種虛擬的自主學習環境，這種虛擬的學習環境無法實現教師和學習者、學習者和學習者之間的情感交互，協作學習的氛圍也難以實現，學習者的孤單感、挫敗感等不良情緒無法得到疏導。

四、基于情境感知的智能教學系統設計在教育中的應用

通過對智能教學系統應用中存在問題的探究，研究者們一直在致力于系統的完善，重視系統的情境創設。基于情境感知的智能教學系統設計也是高校應用中研究的熱點。通過情境感知為每個協作者創立全局的、一致的協作環境，實現相互之間的信息交互，使協作更透明、更高效。

支持協作學習的智能教學系統在高校中的應用，改進了之前的支持自主學習的智能教學系統。使學習過程具有群體性，為學習者和教師提供相互感知的協作學習空間，信息流動性增強，考慮到學習者的情感體驗，智能性更高，提升了教學系統的有效性。隨著自然語言和機器語言接口模塊的不斷完善，支持情境感知的智能教學系統在高校中的應用將更加智能化、個性化。

五、結束語

人工智能技術的發展及計算機技術、網絡技術的不斷進步，為人們獲取更加精確的表情數據信息及大量數據存儲、分析提供技術支持。3D 技術、虛擬現實技術、網絡通信技術、自然語言處理技術等將使支持情境感知的智能教學系統的實現更進一步。教學系統在設計上也會融入更加人性化的情感判斷，運用現代較流行的學習理論指導學習者的學習。但由于技術實現及機器自身的局限性，在實際的教學中不能忽略教師的作用，在系統設計開發中也要注意教學模式的運用，真正做到個性化的因材施教。

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編輯∕岳 鳳