基于校园网的智能计算机辅助教学系统的系统结构与实现技术

2022-09-10

1 引言

目前, 大部分高校都建立了自己的校园内联网。基于intranent的web应用模式作为一种方便、迅速的共享信息手段, 也应用到了高校的教学活动中。已经形成了一种全新的教学手段。CAI课件系统也在随着计算机网络的日臻成熟和人工智能在专家系统领域提取的成功, 朝着网络化、智能化的方向发展。

2 智能计算机辅助教学系统的评价标准

为克服CAI的不足, ICAI充分注意到人类教师在教学中的思维过程, 依靠人工智能技术的进步, 在因材施教方面取得进展。其主要特点是:

1) 能自动生成各种问题与练习;

2) 根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习的内容和进度;

3) 在了解教学内容的基础上自动解决问题, 生成解答;

4) 具有自然语言生成与理解能力, 以便实现比较自由的教学问答系统以提高人机交互的主动性;

5) 对教学内容有解释咨询能力;

6) 能诊断学生错误, 分析原因并采取纠正措施;

7) 能评价学生的学习行为;

8) 能评价教师的教学行为。

具备上述全部特征的I C A I系统是完美的, 但实现是困难的。一般认为只要具备上列一个或几个特征, 就可以称之为ICAI。

3 ICAI系统结构

I C A I系统的构成一般为三个基本模块。一是知识库模块 (亦称专家模块) , 即问题解决专家系统, 它包括了系统企图传授给学生的知识, 代表了专家的智能活动;二是学生模型块, 它指明学生知道什么和不知道什么, 代表了学生的智能活动;三是教师模型模块 (亦称辅导模块) , 主要是一些辅导策略, 它负责指明系统如何向学生呈现教材, 代表了教师的智能活动。除了这三个基本模块外, ICAI系统还包括一个自然语言的智能人机接口模块, 它是教学对话的自然语言处理系统, 即ICAI系统的用户界面。

3.1 知识库模块

由某领域的专家按选定的知识表示将领域知识。教学规则转换成计算机系统可以理解的表达形式, 建立包括领域知识和教学规则在内的知识库, 领域知识就是有关教学内容的专业知识与技能, 它既包括说明事物概念的陈述性知识, 又包括利用这概念解决问题的过程性知识, ICAI特别强调后者的训练。此外, 领域知识还包括知识形成或技能运用过程的元知识。教学规则汇集了适用在特定环境和条件下有效的教学方法。由以上领域知识和教学规则构成的知识库, 包括了教学所需要的全部事实。

ICAI中, 除了像一般的专家系统的知识库所要求的内容外 (比如知识的表达方式要易于理解、规划、存取和扩充等) , 还要特别注意以下四个方面:

(1) 必须要有明确的教学目标和教学范围。

(2) 要形成比较连贯的关系或基础体系。

(3) 要形成一个实用的思维或推理模型。

(4) 要考虑学生接受能力的限制。

3.2 学生模块

所谓学生模块, 是指生成一种可靠的表达方式来展示学生的实际水平状况。其过程就是根据学生的表现来估测他的学习要求, 他对知识与技能的掌握情况以及他的能力, 这种对学生表现的估测结果就是学生模型。

学生模型是通过智能化交互接口跟踪学习过程, 对每个课程建立独立的单元, 建立各单元水平的判定规则。当学生完成一课的学习时, 给出水平判定值;进行错误诊断时, 能够用不同的方法。在跟踪学习时给出错误的原因, 如概念性错误用扰动法, 方法性错误用过程协议分析法和解题过程网络分类分析法等。查出原因后再给出改正的提示, 同时记录下来作为学习辅导的依据;学习跟踪是学习过程的记录, 记下学生的学习历史和进步情况;模型更新是随学生学习深入而改变的, 它可以用复盖法或差错法来说明学生具有的知识与计算机系统中存储的知识的差距, 进一步更新学生模型、继续进行教授内容和方法的决策。

3.3 教师模型模块

该模块亦称辅导模块。所谓教师模型, 就是模拟人类教师, 使ICAI能像人类教师一样, 按照自己教材内容的理解 (如概念的难易、教学的顺序、概念间的关系等) , 根据学生的状况 (包括知识水平和学习背景, 如爱好, 总体水平、性格、智力等) , 选择对该生最为有效的教学方法, 监督和评价学生的学习行为, 选择提出问题并根据学生的要求适时地为其提供帮助和选择补充知识。

4 技术实现

4.1 在内联网上实现客户/服务器模式

把教学的内容和认知模型所必需的数据资料保存在服务器端。教师通过客户端, 负责实现对服务器端教学内容的更新与维护。学生在多媒体教室通过客户端与服务器相连, 实现对教学内容的学习, 学习结束后, 学生客户端软件将依据学生对知识点的掌握情况, 为其自动修改认知模型。督导人员在教务处通过客户端与服务器相连, 实现对教学过程的监督与引导。

4.2 认知模型的建立

ICAI强调根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习的内容和进度。受认知心理学与教育学发展的制约, 目前还无法准确地建立出单个人的认知模型。所以粗略地将学生的认知模型, 按其不同的认知能力分成高、中、低三类。同一内容的教案也按高、中、低三中难度组织, 分别提供给具有相应认知能力的学生使用。学生在学习完每节的教学内容后, 系统将要求他回答一定数量的相关问题, 并根据其回答问题的准确率, 确定他的新认知模型。

4.3 智能化教学过程的实现

借鉴专家系统的设计方法, 实现ICAI课件系统中的智能功能。在系统中组织了相应的规则库、事实库和推理实现机制。下面对推理实现机制做简要的介绍。规则库由册、章、节、超文本教案地址、阈值及多个前提组成, 反映对该节的学习应满足的前提条件。学习历史库由册、章、节、认知等级、已学次数组成, 反映学生对该节的认知能力。规则库的内容由教师负责修改。学生的学习历史纪录, 在库中按每个人一张表组织, 其内容在每次学习之后, 由学生客户端软件依据该生对知识点的掌握情况自动修改。推理过程由专用的推理模块, 按规则库提供的规则与学生学习历史纪录库提供的事实做出判断。我们通过学生在每节教学内容学习完成之后, 对所附习题回答的准确率, 将其认知能力划分成高、中、低三个层次, 并将这个结果保存在学生学习历史纪录库中。学生下一次使用该系统进行学习时, 该系统会按其不同的认知能力, 为他准备相应难度的教学内容。

5 结语

从以上I C A I的讨论中可看出, 完善的ICAI系统能够充分调动学生的主动性, 并能通过分析推理, 对某具体学生做出适合的教学决策。实现个别化教学, 达到因材施教的目的。在实际设计时, 由于需要考虑的因素较多, 系统比较庞大, 同时也依赖于人工智能等技术的发展, 因而要建立完善的ICAI还是比较困难的, 这也正是未来计算机辅助教学的努力目标, 可以预计未来的计算机辅助教学研究, 将朝着集超媒体网络化和智能化于一体的方向发展。

摘要：本文讨论基于校园内联网环境下的智能计算机辅助教学的实现技术, 据此采用SQL Server数据库、visual studio 2005开发平台, 建立了一个用于高校教学的ICAI课件系统。

关键词：校园网,智能计算机辅助教学,人工智能