學科教育論文-人工智能技術在計算機輔助教學中的應用與實現摘要介紹了計算機輔助教學系統及其現狀，分析了現代教育技術與傳統教育模式的各自特點，探討了ICAI的實現原理及利用ICAI對教學的改進方案，并對智能計算機輔助教學系統進行了詳細討論，最后說明了將計算機技術、人工智能技術與網絡技術應用于教學過程的必然性、必要性和有效性。關鍵詞智能計算機輔助教學系統；人工智能；專家系統；推理機1引言隨著現代科技的飛速發展，多媒體計算機在教育領域得到了廣泛應用，并對教育、教學過程產生著深刻影響。為了使教學改革能與之相適應，需要引入先進的教學手段，而使用計算機輔助教學系統(ComputerAidedInstruction,CAI)可以提供理想的教學環境，容易激發學習者的學習積極性和主動性，從而顯著提高教學效果。多媒體技術的日益發展以及與其它領先技術的結合，必然促進CAI的進一步發展。人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是20世紀50年代中期興起的一門新興邊緣科學，它既是計算機科學的一個分支，又是計算機科學、控制論、信息論、語言學、神經生理學、心理學、數學、哲學等多種學科相互滲透而發展起來的綜合性學科。人工智能又稱為智能模擬，是用計算機系統模仿人類的感知、思維、推理等思維活動。它研究和應用的領域包括模式識別、自然語言理解與生成、專家系統、自動程序設計、定理證明、聯想與思維的機理、數據智能檢索等。例如，用計算機模擬人腦的部分功能進行學習、推理、聯想和決策；模擬醫生給病人診病的醫療診斷專家系統；機械手與機器人的研究和應用等。本文針對CAI的發展前景，重點論述人工智能技術對CAI，尤其是對智能化CAI產生的重大影響，并通過一個實例說明實現的思路與設想。2計算機輔助教學系統及其現狀2.1計算機輔助教學系統計算機輔助教學(CAI)即利用計算機代替教師進行教學，把教學內容編成各種“課件”，學習者可以根據自己的程度選擇不同的內容進行學習，從而使教學內容多樣化、形象化，便于因材施教。如各種教學軟件、試題庫、專家系統等。CAI無論是在普通教育、高等教育還是在繼續教育中都扮演著重要的角色。在國外，CAI課件已經廣泛應用于學校和家庭中，并收到了很好的效果。在我國，盡管CAI的研究起步較晚，但發展很快，自上世紀80年代起，已有一批實力雄厚的高等院校把CAI的發展列為重點研究課題。2.2計算機輔助教學的現狀CAI的實現需要應用AI技術及編制復雜的程序，如自然語言理解、知識表示、推理方法等，一些AI技術的特殊應用成果，如代數說明、符號合成、醫療診斷及理論證明等均被應用于CAI系統，以提高其智能性和實用性。早期絕大多數CAI課件大都使用決策理論和隨機學習的模式，它極大地簡化了學習過程的表達形式。例如早期的地質教學系統(SCHOCAR)等。后來，隨著人工智能技術的發展，CAI系統中添加了學生的學習行為及訓練策略，同時AI技術被應用于建立學習顧問模塊(存放所要教課程的問題和技能)。這種方法能控制訓練策略并給出適合學生的學習內容。目前為了獲取對課程知識表示和控制的靈活性和模塊性，有些CAI系統還用AI技術來表示訓練計劃和策略。例如多數程序設計語言的CAI均屬此例。到目前為止，所使用的絕大多數傳統的CAI都是將全部教學信息以編程方式預置于課件中，這樣的CAI課件一旦制作完成，任何較大的教學改動都會給維護工作帶來極大的不便。因此現有的CAI系統面臨許多挑戰，它主要存在以下幾方面的問題。（1）缺乏開放性不具有開放性是目前CAI課件最大的缺點。使用者無法對課件進行任何修改，只能利用已有資源按設定的路線進行教學。其弊端在于：固定內容的局限性使課件的適用面狹窄；設定的運行路線使授課缺乏自主性；授課的針對性不強；無法利用新出現的資源在較高起點上進行二次開發。（2）缺乏人機交互能力現有CAI大多以光盤作為信息的載體，將教材中的內容以多媒體的形式展現出來，教學信息是按預置的教學流程機械式地提供給學習者，學習者使用CAI課件學習是完全被動的。在課堂教學中，一般只能通過教師按預定的課件流程進行操作，無論學生還是教師都不能很好地參與教與學的過程，因此人機交互沒有很好地實現。（3）忽視課程本身的特點各門課程在教學上有不同的要求，但現有課件對于這些不同要求完全不予理會。例如很多課程都要涉及到大量的曲線或曲面，對有些課程來說，將這些曲線或曲面給出一個簡單的展示就足夠了，而有些課程這樣的展示不能達到教學目的的要求。例如：在講授計算機圖形學中各種曲線或曲面的生成算法時，如果能在課件中直接動態地展示這些圖形的生成過程，充分發揮計算機輔助教學的優點，無疑會使計算機圖形學的教學更具有吸引力，從而大大提高教學效率。（4）缺乏教師與學生的互動現有CAI課件在學生自學以及進行操作使用時，如何學習都是學生自己的事。教師不能完全了解學習者的情況，學生在碰到問題時不能向教師求助，師生之間互相封閉，談不上師生互動，因此課件所起的效果大打折扣。同時由于缺乏網絡支持，現有的絕大多數CAI課件都是在單機環境下運行的，它們無法利用網絡的優勢使知識內容快速更新，當然更無法提供便捷的學習討論空間、隨時隨地的師生交流方式以及遠程教學實現的條件。（5）缺乏教學策略在課件的開發過程中實際上離不開教學策略的設計，但課件的制作者往往并未意識到這一點。例如：現有的絕大多數課件都是單一的展播式的，這樣的課件制作“精美”，但它不可逆、不能互動。實際上運用課件教學只是手段而不是目的，應該在教學設計理論的指導下講求課件的實效性，著眼點在于對學生學習新知識、掌握新技術、培養各種能力有幫助，而不是表面上的制作“精美”。（6）缺乏智能性現有的CAI課件系統不能對不同程度的學生進行有針對性的教育，學生的學習是被動的，不能由系統自動提供助學信息而使學生有選擇地學習。對教師而言，其教學不能積極地參與其中，不能根據系統提供的信息按照學生的認知模型為其準備最適合的學習內容，更不能給予不同方式的教學模式與方法，因此不具有智能性。綜上所述，現有的CAI存在許多問題，隨著新技術的不斷出現，這些問題將使CAI越來越不能適應新的要求。因此以智能CAI為代表的新的計算機輔助教學系統將成為教育技術上需要不斷探求、努力實現的發展方向。3智能化計算機輔助教學系統(ICAI)智能計算機輔助教學系統(IntelligentComputerAidedInstruction,ICAI)以認知學為理論基礎，將AI技術應用于CAI，是智能化的CAI。在ICAI系統中，學生的學習可以借助于智能化計算機對大量知識進行選擇、判斷、處理，使學習內容更有針對性，從而提高學習效果。教學過程是一個復雜的教與學的思維過程。它需要教師以其專門知識和經驗為依據，經過吸收、講解、推理、示例、綜合等多個步驟才能較好地完成。一個教學型專家系統的任務是根據學生的特點、弱點和基礎知識，以最適當的教學方案和教學方法對學生進行教學和輔導。因此，從AI的角度看，計算機輔助教學實際上是一個由計算機系統輔助教師進行教學及學生進行學習并得以實現的“專家系統”。因而，在CAI中引人AI思想，即使用專家系統的方法、工具，構建智能CAI(即ICAI)。這樣構建成的專家系統的主要特點是具有診斷和調試修改功能、具有良好的人機界面。在智能CAI中，教學思想、方法、學習內容