智能時代高校課程教學智能交互平臺建設方法

石鳳貴

(馬鞍山師范高等?？茖W校 軟件工程系，安徽 馬鞍山 243041)

隨著互聯網技術的迅猛發展，人們由網上獲取相關信息的需求越來越大。現有搜索引擎(如百度、Google)返回給用戶的只是相關頁面文檔，為了更好地滿足用戶方便、快捷、準確地獲取信息的需求，迫切需要返回給用戶一個簡短而準確的答案。自動問答(Question Answering,QA)就是在這樣的應用需求背景下產生的，涉及自然語言處理、信息檢索、信息抽取、機器學習、模式識別等多個研究領域。

隨著網絡和信息技術的飛速發展，高校課程的教學已不僅僅局限于傳統意義上的課堂教學。很多課程都基于校園網建立了自己的課程教學網站，并具有豐富的網絡教學資源。這些課程在改革課程教學內容﹑加強新教材建設及改革實踐教學等方面發揮著重要的作用。作為課程教學網站的重要組成部分，網上在線答疑在加強教師和學生交流,以及幫助學生明確問題方面具有不可或缺的重要作用。學生可以不受時空限制，隨時隨地地進行課程學習,極大地提高了學習的自主性。

2018年9月，習近平總書記在全國教育大會上發表重要講話，對加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育作出了全面部署。教育部也相繼出臺了《教育信息化2.0行動計劃》《教育部辦公廳關于開展2018年國家精品在線開放課程認定工作的通知》《教育部辦公廳關于開展人工智能助推教師隊伍建設行動試點工作的通知》，來推動教育信息化的發展。

當今社會科學技術的進步推動了人工智能的飛速發展，使之成為研究熱點，其不斷革新人與機器的互動方式?？v觀科學技術發展史，每一次變革都伴隨著交互技術的革新，鼠標和鍵盤打開了使用PC機時代的大門；觸摸屏打開了移動互聯時代的大門；語音交互、人臉識別、手勢識別等多模態智能交互技術帶人們走進全新的人工智能(AI, Artificial Intelligence)時代。本研究討論人工智能時代高校課程教學模式及課程教學自動問答系統建設。

一、MOOC

技術和社會的發展推動了人才培養方案的變革，教育經歷了農耕時代的個別教育、工業時代集中批量式教育、智能時代的個性教育。教學內容呈現的介質隨著技術的發展在不斷更新換代，先后經歷了竹簡、黑板、投影儀、投影機、PPT、MOOC，教學方式時刻緊扣時代步伐，教學內容的呈現樣式多種多樣，教學效果越來越好。當前的教學方式大多采用投影機、PPT、MOOC，這種計算機輔助教學方式還是以教師講授為主，師生缺乏互動融合。

以互聯網為載體的在線教育正在逐漸革新傳統教育，MOOC是近年來發展起來的一種在線教育，已經吸引了全世界數千萬用戶。MOOC與傳統在線教育不同，不僅把傳統授課搬到了互聯網上，還將面向科學研究的課程也在線化。MOOC正在顛覆傳統的課堂教學，教學和學習不再受時間和空間的限制，但還是缺乏個性化和智能分析，知識概念重疊、沒有捕捉用戶需求。教育深度開發將是教育發展的趨勢，學習者的學習路徑和學習軌跡將實行共享，記錄成數字檔案[1]。

如何用人工智能提升基于MOOC的在線教育質量，改善學生的在線學習效果，實現學習者數據的多源采集和精準分析，助力因材施教，是當前乃至一段時間需要研究解決的問題，也是本研究的重點。人機交互對于在線平臺尤為重要，系統和用戶之間的交互、用戶和用戶之間的交互，通過問答、游戲等方式，可以促進用戶由被動交互變為主動交互，實現智能化教育。

二、教育智能化

智能教育以數字化為基礎，利用互聯網、多媒體技術、機器學習、自然語言處理等。今天的 “大學” 正在變化，打破了傳統的時間和空間限制，開放式大學正在形成，“大學” 正在走向智能化。人才的培養將更加關注創新思維能力、人機協同能力和終身學習能力的培養，提供多樣化、個性化的學習，構建隨時隨地人人都能學的開放式學習校園[2]。

(一)人工智能與課程教學深度融合

隨著人工智能技術的發展，越來越多的教育機器人被設計開發并投入使用，形成了專門的教育智能機器人研究領域。在自然語言處理、情感計算、知識追蹤等技術的推動下，北京師范大學未來教育高精尖中心人工智能實驗室團隊設計出交互式學科教育與德育機器人系統，旨在為學生、教師與家長群體提供更愉快的學習體驗和更準確的知識內容。教育交互機器人將在促進學生認知發展、培養創造性思維和提升社會交往能力等方面發揮不容忽視的作用[1]。

人工智能已上升到國家戰略，已經滲透到人們的日常生活、工作和學習。計算機輔助教學的方式還是不能滿足個性化教學的需求。智能化教育以學習者為中心，以學習者需求為導向，培養人的思維和創造能力。應用人工智能技術，遵從教學規律，創新教學方式，優化人才培養方案，人工智能技術與教學深度融合，實現個性學習、實施交互、及時問答。從而改變傳統教學與學習方式，實現人機結合；改變課程設計，線上線下同步實施，自動答疑解惑。

(二)教育 “四個現代化”

隨著人工智能的發展，課程教學模式發生了翻天覆地的變化，學習不再受時間、空間的限制，深度開啟開放教育，教育資源進一步共享。只要你想學習，AI就是好老師，因材施教。傳統教學模式被徹底打破，實現教育 “四個現代化” 即教育大眾化、教育產品化、教育個性化、教育持續化。

1.教育大眾化

借助互聯網、移動互聯網、大數據，教育和學習隨時隨地，學校教育不再圈在圍墻內，優質教學資源共享，延伸了教育時空。人工智能具有人類學習和思考能力，可以自學習，能自動分析學習者，了解和分析學習者的心理和思想，從而實現真正意義上的因材施教，擔任學習者的私人助理。

2.教育產品化

在人工智能的驅動下，不再以學校為核心，教學為中心，教學內容和流程不再由學校和教師主導，學生被動接受，而是學習者成為學習的主體，形成人機交互。機器承擔教師、家長、輔導教師角色，可以陪讀、陪練、監督，減輕了教師和家長負擔，解決了家長對教學知識體系不熟悉的問題。不再是教師唱獨角戲，學生是配角。整合優質教學資源，實現優質教學資源共享，打破教育圍墻界線，實現產品化。

3.教育個性化

“學什么”“怎么學” 由學習者決定，機器根據學習者學習情況、知識掌握程度及所學知識結構自動推薦學習內容，實現私人定制。滿足不同學習者的需求，自動差異化教學和差異化學習，教育內容和形式因人而異，實現真正意義上的因材施教，從而實現個性化教育[3]。

4.教育持續化

教育是一個漫長的過程，知識的學習一般要經過幾個月、幾年、甚至幾十年。知識的吸收、消化是漸進的過程，而教師的精力和時間是有限的，很多情況下學習者遇到疑問不能及時得到有效解答，對學習者學習的積極性和自信心嚴重影響。機器可以二十小時不停工作和學習，通過大數據和深度學習幾秒就可以掌握一些專業知識，同時也可以獲取分析學習者的學習軌跡、學習基礎條件、學習能力等。學習者可以自主選擇學習內容，隨時隨地學習，及時答疑解惑。

(三)人機協作

十年樹木，百年樹人。人才的培養是一個長期的過程，不能急于求成。教育理念和模式要跟上時代的步伐，與時俱進。當前正處于人工智能時代，教學手段要引入人工智能技術。首先改變傳統教育理念，打破傳統教學標準流程，標準化教學培養出的人才沒有個性，千篇一律。教學標準化流程應交給機器完成，人工智能技術與傳統課程教學實現深度融合，有機結合，從而培養出符合社會發展需要的人才[4]。教育教學是一個復雜多變的過程，知識的學習離不課程的設置，課程設置直接關乎到培養什么樣的人才。如果課程設置不合理、不科學，教學將是失敗的。課程開發與設置要結合人工智能技術，充分發揮機器與學生互動的機制。教學中教師是實際操作者，人工智能時代對教師也提出了新的要求和挑戰，不僅要掌握知識，還要掌握人工智能應用技術。因此，要實現教育智能化，首先需要提升教師的人工智能應用水平，教師需要不斷學習，接受繼續學習和繼續教育[4]。

三、課程智能交互平臺建設

以某省的精品課程網站為例，現有的精品課程網站大都具有 “在線答疑” 這一欄目，但教師與學生的信息交流方式僅局限于E-MAIL、留言版或論壇等。E-MAIL方式的缺點是不及時，而且對所有學生的所有問題都是 “有問必答”，這將極大地增加教師的解答負擔，特別是對于那些基本的具有很大共性的問題。留言版、論壇方式雖然相對前者及時性有較大改善，但因為教師不可能時刻在線而造成有的問題不能得到及時的解答。據申請者對某高校校園網上現有精品課程的統計，18門省級精品課程中，主頁中有答疑欄目且可用的有6門(占統計總數的33.3%，2門是基于E-mail，4門是基于留言版或論壇)，有答疑欄目但不可用的有1門(占統計總數的5.6%)，無答疑欄目的有11門(占統計總數的61.1%)。20門校級精品課程中，主頁中有答疑欄目且可用的有3門(占統計總數的15%，1門是基于E-mail，1門是基于論壇，1門是基于靜態課程知識庫)，有答疑欄目但不可用的有2門(占統計總數的10%)，無答疑欄目的有15門(占統計總數的75%)。從這些精品課程網站的統計結果來看，具有答疑功能的比例較小(省級的為33.3%，校級的為15%)，而且全部都是基于E-mail、留言版﹑論壇或靜態課程知識庫。如果能讓計算機自動地、及時地解答學生的疑問，無疑將會大大地減輕教師的答疑負擔，同時也會極大地提高學生自主學習的質量和效率。

(一)平臺網絡結構

基于上述對某省高校精品課程教學網站在線答疑功能的實際調研和分析，構建具有智能性的基于課程知識庫的課程教學網站智能交互平臺，平臺基于B/S模式，網絡結構如圖1所示。

圖1 平臺網絡結構

平臺允許學生以自然語言(漢語或英語等)問句的形式提出問題，并及時地將相關的答案返回給學生。如果沒有找到相關的答案，則將該問題轉發到課程教師的郵箱或提交到留言版和論壇，待解答后返回。通過開發這樣一個平臺，目的是改革高校課程網站，特別是精品課程網站的在線答疑模式，充分調動學生學習的自主性，提高課程網站本身的資源利用率。

(二)平臺核心功能

平臺以課程知識庫檢索為主，同時輔以E-mail﹑留言版和論壇等多種答疑手段。

1.準確理解學生問題

學生可以通過自然語言(漢語或英語)來提問。形式可以是多樣的，可以是問句的形式，也可以是一般問句的形式。

2.答案以權重的高低排序

若平臺對學生問題沒有檢索到準確答案，返回相似度非常高及權重高的問題的答案。

3.專家解答

對學生問題沒有檢索到答案，將返回相關問題的答案供參考，并記錄該問題等待解答。平臺除了記錄其狀態等待教師解答，同時提交到論壇，并以郵件的形式發送到相應教師的郵箱。提交到論壇的問題在線學生(學生和教師)都可以看到，大家可以在線回答并可討論回答情況。

4.自學習

對于沒有解答的問題，若該問題得到了解答，平臺自動將該 “問答對” 加入課程知識庫庫。未解答的問題會通過三種途徑得到回答：通過論壇、郵件、教師進入平臺直接回答。

5.師生交流與互動

通過論壇，學生與學生、學生與教師可以在線討論學習、生活，未解答的問題也可以得到及時解答，集思廣益。學生還可以給相應教師留言，對教學提出相應的意見或建議，從而提高教學效果，有利于教師改進教學。

6.反饋教學效果

平臺會記錄學生所問問題并計算問題(包括學生問題和課程知識庫中問題)的訪問頻率，教師可以根據學生問題了解學生的困惑及薄弱環節，通過問題的訪問頻率可以了解學生對相關知識點的掌握情況，后期教學可以有針對性的補充和復習。

(三)關鍵技術

課程網上智能交互平臺的實現涉及對學生所提問題的分析理解，以及課程知識庫的檢索等。其中，涉及問題分析理解的關鍵技術包括：文本分詞以及關鍵詞抽取和擴展，結合普通詞典、專業詞典及語義詞典(采用哈爾濱工業大學信息檢索研究室提供的《同義詞詞林擴展版》)來實現對學生問題的分析理解。

涉及課程知識庫檢索的關鍵技術主要是句子相似度的計算，通過對一般的關鍵詞方法和向量空間模型方法作相應的改進(分別引入了位置信息和概念語義信息)，并按照一定的權重組合綜合考慮關鍵詞方法和向量空間模型方法來實現學生問題和課程知識庫庫中問題的相似度計算。在實現平臺的自學習功能方面，采用機器學習的方法。

(四)平臺體系結構

平臺包括三個主要部分：問題理解、文檔檢索和答案抽取[5]，體系結構如圖2所示，體系結構圖中同時體現了平臺的業務處理流程。

圖2 平臺體系結構

平臺實施過程中充分利用現有的互聯網信息檢索工具(google和百度等搜索引擎)、開源的機器學習軟件包(SVM和CRF等學習模型)及常用的文本聚類算法和概念格建格算法。在所需基礎語言技術處理模塊(分詞、詞性標注、命名實體識別、依存分析等)和相關語料資源(中文問題集等)方面，通過調用中科院計算所的分詞組件及哈工大信息檢索研究中心LTP(Language Technology Platform)平臺的相關模塊來實現。

四、結語

人工智能技術的發展，促進了傳統教育模式和觀念的改變，深度融合到課程教學網站中，提供智能人機交互，提升教學與學習效果。文中詳細介紹了課程網站智能交互平臺所涉及的相關知識及平臺的實現，包括課程知識庫的構建與組織、基于分詞和關鍵詞提取等自然語言處理技術的問題分析理解、基于語義的課程知識庫檢索、課程知識庫的自學習等。學習者可以不受時空限制，隨時隨地地進行課程學習,極大地提高了學習的自主性。學習者不需要對搜索引擎返回的答案進行篩選，平臺根據學生問題自動進行答案提取，并且具有自學習功能。