智能問答機器人輔助的在線教學模式研究

戚玉濤　于強　陳龍　馬曉亮

摘 要 在互聯網技術和人工智能技術與教育領域深度融合的背景下，傳統的以教師為中心的教學模式面臨著一場歷史性的變革。如何引導學生主動學習、積極交流，探索完善以學生為中心的新教學模式，成為目前要解決的關鍵問題。本文以C語言程序設計教學為例，構建智能問答機器人，并以此為契機探索在線教學的新模式，解決教學資源組織與推薦、教學過程跟蹤與管理和教學效果評價與反饋等核心問題，培養學生自主學習的能力。

關鍵詞 智能問答機器人 智慧教育 在線教學模式 自主學習能力

中圖分類號：G434文獻標識碼：A

0引言

以互聯網、移動通信、云計算、大數據、人工智能等為代表的信息技術對教育領域產生了革命性的影響。我國教育信息化在經歷了以電化教育為代表的數字化時代和以遠程教育、在線教育等為代表的網絡化時代，目前正朝著以智能化、泛在化、個性化、開放化和協同化為特征的智慧教育的新階段邁進。2017年7月，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》中指出“利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系.開展智能校園建設，推動人工智能在教學、管理、資源建設等全流程應用”，這標志著我國智慧教育時代的開端。2018年4月，教育部發布的《教育信息化2.0 行動計劃》中提出了“以人工智能、大數據、物聯網等新興技術為基礎，依托各類智能設備及網絡，積極開展智慧教育創新研究和示范，推動新技術支持下教育的模式變革和生態重構“的要求，進一步推動了教育理念的更新、教學模式的變革、和教育體系的重構，加速了教育信息化向智慧教育的轉段升級。目前，國內外對智慧教育尚未形成嚴格的定義，新加坡在iN2015計劃中指出了智慧教育的特點，即泛在學習、交互式數字學習資源、適應不同學習風格的智能學習體驗。

自然語言處理（Natural Language Processing，NLP）是人工智能領域的重要分支，是計算機理解人類語言并實現自然流暢的人機交互的橋梁。在NLP技術的支持下，智能問答機器人以其符合人類自然交互習慣且能夠有效處理非精確信息交互的特點，吸引了越來越多研究者的關注，并逐漸應用于教育領域。尤其隨著知識圖譜（Knowledge Graph）技術的發展和對NLP技術的推動，使得問答機器人的智能水平顯著提升。在知識圖譜的支持下，智能問答機器人將提問者用自然語言提出的問題采用NLP技術轉化為能夠對知識圖譜進行查詢的語句，然后利用知識圖譜中的結構化數據完成知識查詢，再將查詢出的知識作為答案反饋給提問者，從而為提問者提供準確簡潔的答案。在高等教育領域，智能問答機器的應用已經涵蓋工程、英語、醫學、心理、教育等多個學科，充分體現個性化學習、合作學習、激勵學習等以學習者為中心的學習理念。

本文以C語言程序設計教學為實例，構建教學領域知識圖譜，并基于知識圖譜搭建面向C語言程序設計教學的智能問答機器人。進一步以智能問答機器人為切入口，分析學生對課程知識的掌握情況，有針對性的為學生推薦適當的學習資源。于此同時，通過分析大量學生的問答日志，挖掘教學中的薄弱環節，并以之引導學習資源推薦系統的智能行為，加強對教學過程的跟蹤與管理。最后將課程知識圖譜、智能問答機器人與考試系統相結合，實現對教學效果的綜合評價，并將信息反饋給教師以及時修整完善教學環節，形成持續改進的閉環。基于上述以智能問答機器人為核心的智慧平臺，試圖以C語言教學為例，探索一種新的師生協同教學模式，實現以教師為中心到以學生為中心的教學模式轉變，提升學生學習的主動性，提高學習效率。

1基于智能問答機器人的在線教學模式

智能問答機器人是指使用自然語言對提問者輸入的問句做出相應回答的智能系統。在提問者以自然語言的形式提出問題后，智能問答機器人通過問題分析、信息檢索和答案抽取三個步驟，同樣以自然語言的形式反饋給提問者一個簡短、精確的答案。因此，智能問答機器人的構建需要解決以下三方面的問題：其一，如何分析問題，抽取問題的類型、主題和關鍵字等信息，得到提問者的詢問意圖。其二，如何根據問題的分析結果去縮小答案可能存在的范圍，檢索包含答案的數據。其三，如何從可能存在答案的信息塊中抽取答案，并生成自然語言形式表達的回答。在面向智慧教育的智能問答機器人構建過程中，上述三方面的問題要結合課程的知識體系，從建立課程知識圖譜出發，實現智能化的問句理解和答案生成。進一步以課程智能問答機器人為媒介，建立如圖1所示的具有持續改善能力的教學體系。

在圖1中，教師首先通過知識圖譜管理系統構建課程知識圖譜，基于課程知識圖譜將課程知識體系和教學資源有機組織起來，輔助實現智能問答機器人的答案生成和學習資源推薦。學生向智能問答機器人提問，并獲得智能問答機器人反饋的答案實現自主學習。通過對問答日志的分析，系統將適當的學習資源推薦給學生學習。同時根據學生學習情況抽取在線考試題目，督促學生鞏固學習內容。學生通過向智能問答機器人提問，在獲得答案和學習資源后進行自主學習，最后完成在線考試反饋學習情況，從而形成一個學生自學的閉環，實現學生的自主學習和學習質量提升。另一方面，通過對問答日志的分析可以從宏觀和微觀兩個層面跟蹤學生的學習情況，發現學生學習的薄弱環節。結合在線考試系統，可以實現對教學質量的客觀評價，再將評價結果反饋給教師，以輔助教師發現并修正教學過程中存在的不足，給與學生有針對性的指導，從而實現教學質量的持續改進。

2基于智能問答機器人的在線教育平臺

在上述圍繞智能問答機器人的在線教學模式指導下，本文以C語言程序設計教學為例，構建了課程知識圖譜，并開發了一套智慧教育平臺，如圖2所示。

該平臺提供了在線學習、在線測試功能，為了提升學習趣味性設計了沖擊關卡模式。其中，@機器人模塊為學生提供了智能問答入口，輔助學生完成在線自主學習。面向C語言程序設計教學的智能問答機器人架構如圖3所示。

智能問答機器人從學生提問開始，系統采用自然語言理解技術對所提問題進行解析，識別問題的類型以及問題核心。在系統運行過程中，機器人從課程知識圖譜中抽取問題答案并通過教師確認后形成問答庫。對于后續的提問，系統首先從問答庫中進行問題匹配，如果命中問題，則返回問題答案給提問學生。否則，系統將問題自動推薦給適合解答的學生用戶或教師用戶，學生和教師均可對問題進行解答。教師對解答審核通過后存入問答庫，進一步提升系統的智能化水平。

3結語

本文以C語言程序設計教學為例構建了一套智慧教育平臺，并探索了一種基于智能問答機器人的在線教學模式。基于智能問答系統，學生之間可以相互提問討論學習，從而激發學生自主學習的能力。教師可以通過參與問答及時了解學生的學習情況，掌握學生對問題的理解深度，發現難點問題，分析教學過程中的不足，從而及時調整教學內容和教學方法。借助該智能問答系統，有助于形成一種新的師生協同教學模式，實現從老師教學生學，到老師指導，學生互相學習，合作學習的轉變。

基金項目：該項研究受到西安電子科技大學高等教育教學改革研究重點項目（No. B18014）資助。

參考文獻

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