（教育经济与管理专业论文）ICAI系统学生模型的设计与系统评价.pdf

中文摘要 随着现代科学技术的飞速发展，计算机信息技术被逐渐引进教育，改变了 传统的教育技术的形式，辅助课堂教学和辅助学生自学的c a i ，成为计算机技术 的重要应用领域。在教育迈向大众化、终身化的时代，基于单机环境的c a i 系 统在理论和技术层面均显示出了其局限性。随着网络技术、人工智能技术和认 知心理学的发展，基于认知学习理论的i c a i 系统成为现代教育技术中c a i 辅助 学习模式的新的发展趋势，也是教育网络化、大众化趋势的实现途径之一。 本论文首先分析了c a i 在应用中的局限性和i c a i 的发展历程、优势以及 i c a i 的研究现状及热点。从c a i 产生的理论依据入手，具体阐述了i c a i 的理 论基础一认知学习理论，并研究了认知学习理论应用于i c a i 系统的特殊问题， 同时论述了作为i c a i 理论支撑的个性化理论在系统中的应用。随后对i c a i 系 统结构进行了详尽阐述，包括知识库的组成与实现、教师模型和人机界面设计， 重点对学生模型的不同实现方法进行了分析，具体概括了i c a i 系统中学生模型 不同构建方法的缺陷和局限性。随后系统阐述了一个学生模型的实现过程，在 理论上构建了一个基于认知理论的实用学生模型。最后对i c a i 系统评价方法进 行了详细阐述，分析、概括出了对i c a i 系统进行评价所能依据的指标体系，为 开发、设计或选择i c a i 系统提供了有力依据。 关键词：i c a i 认知学习理论学生模型系统评价 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c e t e c h n o l o g yo ft o d a y , c o m p u t e ri n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e ng r a d u a l l yi n t r o d u c e d t oe d u c a t i o n ，w h i c hc h a n g e dt h et r a d i t i o n a l i n s t r u c t i o nm e t h o d s ，a s s i s t e dt h ec l a s s r o o mt e a c h i n ga n dl e a r n i n g ，a n db e c a m ea n i m p o r t a n tf i e l di na p p l i c a t i o n e d u c a t i o nh a ss t e p p e dt o w a r dm a s se d u c a t i o na n dl i f e l o n gl e a r n i n ge x p e r i e n c e t h ec a is y s t e mo n t h ei s o l a t e dc o m p u t e re n v i r o n m e n th a s g r e a t l i m i t a t i o n st h e o r e t i c a l l ya n dt e c h n i c a l l y t h en e t w o r kt e c h n o l o g y , a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ea n dc o g n i t i v ep s y c h o l o g yp u s h e dt h ec o g n i t i v el e a r n i n gt h e o r yb a s e d i c a is y s t e m ，w h i c hb e c o m e sn e wt r e n di nt h ed e v e l o p m e n to fm o d e me d u c a t i o n a l t e c h n o l o g ya n d i sac h a n n e lf o rt h ee d u c a t i o nn e t w o r k t h i s p a p e r s t a r t e df r o mt h e a n a l y s i s t ot h ec a il i m i t a t i o n sa n di c a i d e v e l o p m e n tp e r i o d s ，a d v a n t a g e s ，c u r r e n ts i t u a t i o na n df o c u s e s f r o mt h et h e o r yo f c a l ，t h ea u t h o ri l l u s t r a t e dt h ec a i f u n d a m e n t a lt h e o r y - - t h ec o g n i t i v et h e o r y , s t u d i e d t h ep a r t i c u l a rp r o b l e m sc o n c e r n i n gt h ea p p l i c a t i o no f c o g n i t i v et h e o r yt oi c a is y s t e m a n di l l u s t r a t e dt h e a p p l i c a t i o n o fm e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so fi n d i v i d u a lt ot h e s y s t e m t h e n ad e t a i l e di l l u s t r a t i o na b o u ti c a i s y s t e mw a sp r e s e n t e d ，w h i c hi n c l u d e d t h ef o r m a t i o na n dr e a l i z a t i o no fc o g n i t i v e w a r e h o u s e ，i n s t r u c t o rm o d e l sa n d p e o p l e - c o m p u t e ri n t e r f a c e t h ee m p h a s i s w a so nt h ea n a l y s i st ot h er e a l i z a t i o no f t h e s t u d e n tm o d e la n dt h es u m m a r ya b o u tt h el i m i t a t i o n so fi c a i c o n c e r n i n ge a c h r e a l i z a t i o nm e t h o d ，t h e nt h es y s t e md e m o n s t r a t e dt h ep r o c e s st h ef o r m a t i o no fa s t u d e n tm o d e la n dt h e r e f o r e ，t h e o r e t i c a l l yc o n s t r u c t e da p r a c t i c a ls t u d e n tm o d e lb a s e d o nc o g n i t i v et h e o r y f t r 曲yt h ea u t h o ri l l u s t r a t e dt h ea s s e s s m e n t st ot h ei c a i s y s t e m a n dg e n e r a l i z e dt h e p a r t i c u l a rg u i d e l i n e ，w h i c h w a sah e l p f u la s s i s t a n c et ot h e d e v e l o p m e n t , a n dd e s i g no f i c a i s y s t e m k e yw o r d s ：i c a i ，c o g n i t i v el e a r n i n gt h e o r y , s t u d e n tm o d e l ，s y s t e m a s s e s s m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：团自i 鸯 签字日期：二钟专年占月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘兰有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：1 羽本曾导师签名 签字日期：妒年多月加日签字日期 第一章绪论 第一章绪论 在众多现代教育技术的应用形式当中，应用多媒体技术的计算机辅助教学 是近几年发展最为迅速，应用最为广泛的形式之一。随着网络技术、计算机技 术、人工智能技术和认知科学的飞速发展，教育技术的应用模式也发生了新的 变化，智能化的计算机辅助教学在现代教育技术中异军突起，对传统教育手段 和教学方法都产生着深刻影响，成为现代教育技术的发展方向。 1 1 i c a l 的界定 1 定义 计算机辅助教学( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ，c a i ) ，是计算机在教 育中的一种表现形式。它是把计算机作为教学媒体来完成教学过程并对教学信 息进行处理和传递的一种现代教学系统，由教师一计算机一学生组成有机整体。 计算机辅助教学的应用主要在两个方面：辅助课堂教学和辅助个别学习，人们 常常把辅助课堂教学的演示型软件称为c a d 课件，而把适用于学生个别化学习的 软件称为c a d 学件或称系统。所以可以把c a l 分类为：辅助课堂的c a i 课件和基于 个别化学习的c a i 系统。文中所提及的c a i 指的是c a i 系统，论文所探讨的i c a i 系 统即是c a i 系统的进一步发展。 自2 0 世纪8 0 年代初期以来，世界各地的教育研究人员、计算机教育专家对 于c a i 对学生学习过程的影响进行了大量的研究。在认知主义的影响、推动下， c a d 开始逐步走向增强其对不同的学习者的适应能力，即加强其智能性的方向。 追求完善的人工智l l c a d 逐渐成为c a d 研究的热门课题。 i c a i ( i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) ，即智能计算机辅助教学系 统，它是以认知学为理论基础，将人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 技术引 入c a i 系统中，是智能化的c a i 。它通过研究人类学习思维的特征和过程、寻求 学习的认知模式，是一种基于知识的教育专家系统。它是赋予机器以人类高级 智能的系统，是智能化的c a d 。由于i c a d 的最大特点是个别指导，国外多称其为 i t s ( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y m e r n ) ，即智能教学系统。本文对i c a i 系统展开的研 究，既包括i c a i 的理论支撑，也包括i c a i 系统组成模块的技术实现，重点对学 生模型进行了探讨。 第一章绪论 2 i c a i 的特征 i c a i 系统除具有一般c a i 的特点外，它还具有自然语言能力，能识别不同 的学生模型并为其提供相应的教学环境，具有对学生错误的诊断功能，并能给 出诊断处方。它应能理解教材，合理组织教材，按照一定方式进行推理。它的 最大特点是具有一定的智能性，能对学生进行因材施教的个别指导。它改变了 传统盼教学模式，更能发挥学生的学习积极性，有助于学生智力的开发和能力 的培养，是实现教学手段现代化的新方法。为了做到这一点，计算机必须做到 三个w ，即懂得或理解教学内容、了解教育对象以及知道教学方法( 即w h a t ， w h o ，h o w ) 。因此，一般i c a i 系统应具备下列智能特征： 能自动生成各种问题与练习； 根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习内容和进度； 在了解教学内容的基础上自动解决问题、生成解答； 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，提 高人机交互的主动性； 对教学内容有解释、咨询能力 能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施： 能评价学生的学习行为； 能不断在教学中改善教学策略。 以现有的科学技术水平而言，短时期内还无法实现具备上述全部功能的 i c a i 系统。一般认为，只要具有上述一个或几个特征的c a i 就可以称之为i c a i 系统。 1 2 l c a l 与g a l 的比较 1 2 1c a l 的局限性 c a i 是从斯金纳( s k i n n e r ) 程序教学的基础上发展起来的，它明显地带有 条件反射学习理论的烙印。从1 9 5 8 年美国i b m 公司设计的第一个由i b m 6 5 0 计算机 担任的教学系统至今，c a i 的发展已近半个世纪，c a i 设计所依据的理论仍停留 在2 0 世纪5 0 年代兴起的程序教学上。虽然与传统教学手段相比，c a i 在信息的呈 现、个别化教学、即时反馈、人机对话以及学生参与教学等方面都具有一些潜 在的优越性，但随着时代的进步，c a i 的应用范围不断扩大，其局限性逐渐显现 出来。 第一章绪论 1 所依据的教学理论落后 c a i 发展至今，系统仍然是依据程序教学原理进行设计，将课程或实验的全 部教学信息以编程方式变成循序渐进、直观形象的单个程序，由计算机呈现教 学内容，教学过程是按系统规定的路径和内容展开的，静态且缺乏弹性。在每 个单元之后，通常附上一个练习，以测验学生在该单元的学习情况，测验的形 式也较为简单，大多数为多项选择题或只要求学生作简单的回答。但学生答错 后，计算机并不能诊断学生答错的原因，引导学生改错，而只要求学生重答。 部份软件也尝试通过学生在某一测验中所达到的成绩，决定是否可进入下一部 分内容的学习。但这类软件的教学方法是通过大量的练习，令学生通过操练以 达到一定的学习成果。由于c a i 软件是事先编好的固定程序，不可能具备像人类 教师一样的灵活性，对培养学生的创造性不利，限制了学生的主动性。同时c a i 软件对软件开发时事先未预料的问题，不能准确处理。所以使用了这些软件， 对传统的教学模式并没有多大的改变：教师仍然扮演着学生的指导者的角色，不 能真正体现个别化教学的精髓因材施教。著名的s c h o l a r 系统的研究者卡博 内尔( c a r b o n e l l ) 早就认为：计算机教学软件的固定序列与框面结构使得它在 知识传递及问题诊断方面，同程序式课本相比并无多大实质性区别。因此，一 般c a i 系统只不过是一种教学辅助工具，一本电子教科书。 2 系统可扩充性差 c a i 系统资料库中的内容以线性结构建立，系统一旦设计完成，便固定了教 学内容和顺序。不能进行非预期查询，难于添加新内容，限制了数据库中知识 的扩充，缩短了系统的生命周期。c a i 系统中素材资料库不是独立于系统存在， 教师不能对资料库进行组合、编辑等各种集成设计，因此缺乏对资料库的有效 管理。任何较大的教学改进都可能会导致整个软件系统的重新设计，同时导致 系统维护困难，成本急剧上升。 3 系统缺乏自适应性 c a i 系统针对单一教学对象设计，缺乏自适应性。c a i 系统不能跟踪学生的 学习特性与状态的变化，因此无法根据学生的学习能力、认知特点和当前的知 识水平提供相应的教学信息和教学方法以及个别辅导。不能通过学生的不同特 点、学习经验和进步情况对教学策略做出调整。 第一章绪论 4 人机界面缺乏人性化 人机界面是依据刺激一反映心理学进行设计的，界面千篇一律，与现实生 活中的学习过程差距较大。操作界面不符合学生的认知习惯，忽视了图、文、 声、光、色等形式对人类学习过程的影响，缺乏人性化的设计；系统中的人机 接口不能接受自然语言，无法对接近人类自然语言( 文字) 的模糊信息进行理 解和综合处理；无法接受输入设备的自然语言输入，仍停留在“键入命令”式 的操作方式。 5 不能适应网络时代的发展要求 随着互联网的迅猛发展，许多高校开始了网上教学的尝试。学生可以通过 网络取缛学习材料，也可以通过网络与老师及同学交流，为计算机辅助教学提 供了广阔天地。传统c a i 一般为单机系统，缺乏良好的交互性，无法提供良好的 远程交互平台。教师不能及时地解答学生问题和提供指导，同学问不能及时沟 通，形成一种孤立教学，从而影响了教学效果。可见c a i 已不能满足网络教学的 要求，无法适应网络时代的新发展。 可以看出，c a i 已无法适应时代发展的需要，体现个性化教学的i c a i 成为计 算机辅助教学的发展趋势。 1 2 2c a i 与i c a i 的区别 1 所遵循的学习理论不同 c a 的理论基础是行为主义学习理论和程序教学，行为主义认为学习的起因 在于个体对外部刺激的反应，与个体内部的心理过程无关，只要控制外部刺激 就能控制和预测个体行为，从而也就能控制和预测个体的学习效果。按照这种 观点，人类学习过程被解释为被动地接受外界刺激的过程，而教师的任务就是 向学生灌输知识( 提供外部刺激) ，学生的任务则是接受和消化知识。 i c a i 的理论基础是认知心理学，它强调研究个体内部的心理过程，其基本 观点是：人的认识不是由外部刺激直接给予的，而是由外部刺激和认知主体内 部心理过程相互作用的结果。学习过程则被解释为每个人根据自己的态度、需 要、兴趣、爱好并利用原有认知结构对当前的外部刺激( 如教学内容) 主动做出的、 有选择的信息加工过程。因此教师的任务不是简单地向学生灌输知识，而是要 激发学生的学习兴趣，要发展学生的认识能力。学生则不再是外部刺激的被动 “接受器”，而是主动地对外部刺激所提供信息进行选择性加工的主体。 4 第一章绪论 2 所采用的教学模式不同 传统c a i 的教学模式是建立在行为主义的学习理论基础上的，因此其模式基 本是先由计算机讲授教学内容，然后要求学生做有关内容的练习并给予适当的 反馈，以此来加深学生对知识的理解。 l c 越一般是采用杜威( d e w e y ) 的“干中学”思想作为教学过程的指导思想。 这种思想要求学生积极参与教学过程，提出和试验自己的想法，并实际观察系 统对自己行为做出的反应。在大多数i c a i 系统中教学模式都采用以学生为中心 的发现形式，并把实现这种教学模式所需的条件称作“反应式学习环境”。在此 环境中，教学中的对话基本上由学生对概念理解和学习行为所决定。显然这种 以学生为中心的、基于发现和探索的教学模式，和认知学习理论中认为学生是 主动进行选择性信息加工主体的观点是一致的。 3 教学内容的组织方法不同 c a i 对教学内容的组织一般采用目标分析法，它首先确定当前教学的总目标 和子目标、以及与这些目标有关的内容要素，然后进行画面( 帧) 设计，再将 这些画面按照一定的教学逻辑连接起来，由此而组织起整个c a i 的教学内容。 在i c a i 中，教学内容的组织不仅取决于目标分析，还取决于a i 中的知识表 示技术。i c a i 开发者选择某种知识表示方法，将要教的知识组织成某种数据结 构。 c a i 中的目标分析法是一种系统方法，用来确定为完成当前学习任务所必 需的内容要素( 即知识元素) ，而知识表示技术则用来将已确定的知识元素，组 织成便于计算机访问和便于进行知识推理的数据结构形式。 表1 - 1c a i 与i c a i 的区别 内容 c a ii c a i 遵循的学习理论行为主义程序教学理论认知理论 学生为中心的、基于发现和 采用的教学方式反应、刺激式学习环境 探索的教学模式 目标分析法+ 人工智能中的 教学内容的组织方法目标分析法 知识表示法 学生模型是因材施教的先决 学生模型的设计不考虑学生模型的建造 条件 教学组成部分单一存储与实 系统的构造与功能由四个独立模块组成 现，各框面联系固定 第一章绪论 1 2 3l c a i 系统的优点 i c a i 系统的指导思想是使基于计算机的教育过程科学化和个性化。科学化 是指系统中应该融入现代人对教育原则的认识，融入现代化教育科学研究的成 果。个性化是指系统应该更好地满足不同学生的不同需要，识别出学生当前所 处的学习状态( 知识、技能的掌握状态) ，从而决定应该以什么样的方式提供什 么样的信息给学生。因此，i c a i 系统是一个动态系统，学生不再局限于预先安 排的程序里。在i c a i 系统中，机器求解问题不是按预先确定的步骤进行，而是 在控制策略的指引下通过探索和推理来寻找问题的解答。它通过基于知识的探 索与推理，利用学生模块可以动态生成适合个别化教学的内容和策略。能够判 断学生的知识水平，诊断学生的错误，判断错误产生的原因并产生相应的校正 策略，使i c a i 始终能满足不同学生的需要，从而实现高水平的教学。因此，比 较起来。i c a i 更像一位人类教师，而不是一本教科书。 1 产生教学内容 传统c a i 多为固定的教学内容、题目、反馈等，无法适合每个不同学生的个 别需求及个别差异。i c a i 在功能上能针对不同的学生，考虑其学习程度及学习 变量等，然后由专家知识库中选取所要教学的内容，并通过教学计划单元的规 划，以特定的教学活动或方式，由人机界面将其呈现给学生。 2 双向主动教学 传统c a i 所有可能的教学及反应都是事先设计好的。整个教学过程中，学生 只能被动地参与教学活动，唯一主动的可能只有从几个选项中，按特定键选取 想看或想学的教学。i c a i 在这方面能够允许学生暂停学习的过程，让学生能问 问题、为自己所做的反应提出说明等。 3 建立学生模型 建立学生模型的目的在于了解学生目前的学习状况，包括知识层次、错误 观念、个别差异、需求等，以提供最正确的诊断信息，进行最有效的需求教 学和补救教学。 4 教学决策功能 i c a i 的教学决策建立在由系统推论所得到的有关学生学习状况、错误观念、 学习问题等方面的信息。而i c a i 软件通常以学生过去的学习历史( 如：答对或 6 第一章绪论 答错的题数及题型等) 作为决策的依据，很少单独以最近的一次反应作为依据。 5 推理功能 推论功能是所有智能型系统的核心。当i c a i 系统在分析学生的输入、诊断 错误观念及教学需求、产生教材内容时，所要做的就是根据现有学生的有关信 息进行推理。然后将推理所得的结果( 可能有好几个) ，根据其不确定因子 ( u n c e r t a i n t yf a c t o r ) 给予不同的优先级，作为最后决策的选择。 6 自我改进功能 i c a i 一个很重要的功能就是：有能力监督、评价及改进其本身的教学成效。 如果在某一情况下所做的决策效果不明显时，系统本身可以根据有关的信息修 改决策规则，以改进i c a i 教学的成效。 许多的i c a i 系统，有能力达到上述功能中的几项功能，但是很少系统能具 备所有的功能。同时可以看出，i c a i 与传统的c a i 相比，更加符合教育教学的 规律，且符合学生的认知习惯，具有明显的优越性。 1 3 i c a l 的发展历程 由于c a i 系统缺乏应变能力，不能根据学生的不同层次和实际需要及不同 学习阶段进行内容的动态调整( 即不能做到因材施教) 。到了2 0 世纪7 0 年代， 计算机教育专家为克服上述缺点开始尝试将人工智能( a i ) 技术引进c a i 系统， 当时研究的动机是要创造出与优秀教师相媲美的“智能导师”。赋予机器高级 智能，即具备了解不同学习者的学习能力、学习状况和当前知识水平，能根据 不同特点的学生选择最佳教学策略，允许人机对话采用自然语言来沟通信息的 功能。 1 9 7 0 年卡博内尔( j r c a r b o n e l l ) 为教授南美洲地理研制了s c h o l a r 系统，是对i c a i 的最早探索。该系统的知识库采用了由事实、概念和过程组成 的语义网络形式，使用了苏格拉底对话方式进行教学，通过推理机( 教师模块) 产生问题让学习者应答并对应答情况做出评价，系统中具备诊断学习者的错误 和纠正错误的功能。 自1 9 7 0 年j r c a r b o n e l l 正式提出智能型计算机辅助教学( i c a i ) 的构想以 来，许多人工智能专家、教育学者、心理学者共同投入这个领域的研究发展工 作，使i c a i 蔚然兴起，促进了整个计算机辅助教学领域的发展。c f t j 大学心理与 第一章绪论 计算机科学系教授安德森( a n d e r s o n ) 应用人类认识的“行动”( a c t ) 理论建 立智能导师的研究就是i c a i 发展的典型例子。近年来，随着计算机技术、人工 智能技术、认知心理学等学科的飞速发展，更使得i c a i 成为计算机辅助教学的 发展趋势。 1 4i c a i 的研究现状及研究热点 1 4 1i c a l 的研究现状 2 0 世纪7 0 年代初，j r c o r b o n e l l 的讲授南美地理的s c h o l a r 系统问世，开 创了智能计算机辅助教学这一崭新方向。随后，s t e v e n t s 等讲授降雨因素分析 的w h y 系统，b u r t o n 等教授算术运算的w e s t 系统，b a r r 教授b a s i c 语言的b i p 系统 等i c a i 系统先后问世。i c a i 早期研究集中在专业知识的表示方面，7 0 年代后期， a i 技术被用来构造表示学生状况的学生模型和体现教师教学方法及风格的教师 模型。进入8 0 年代，人们开始从认知心理学的角度继续深入研究i c a i 设计原理， 同时a i 技术的应用更加具体深入，以使教学系统具有更高层次的应答灵敏性和 全局观念。 进入9 0 年代，随着多媒体技术、a i 技术、通讯技术和网络技术的发展，世 界各国的计算机、教育和心理学专家纷纷致力于i c a i 系统的研究。许多国家定 期举行i c a i 会议，出版这方面的杂志和书籍。美国的许多著名学府如c m u 、 s t a n f o r d 等和以研究计算机辅助教学而闻名的b b n 公司都在加强这方面的研究： 加拿大、日本等国家也投入大量人力、物力和财力从事i c a i 的研究。出现了应 用w e b 技术实现网络化的i c a i 、基于专家系统的i c a i 、基于c 1 i e n t s e r v e r 的 i c a i 、基于各种操作系统的i c a i 等技术领域的研究。 目前国内已研制成功或正在使用的系统，大多只注重了它的可操作性和内 容的丰富，两往往忽略其科学性和与学生的适应性。我国大学独立研制并已投 入使用的较著名i c a i 系统有清华大学的“线性代数教学软件( l a c a i ) ”：广东 工业大学的计算机网络课程教学软件。各大学、科研机构的实验室中还有 一些智能化程度较高的i c a i 实验系统。我国对于i c a i 系统的研究仍处于试验阶 段，并没有形成系列产品得到广泛应用。 1 4 2 影响1 0 a i 发展的因素 尽管i c a i 的发展可追溯至2 0 世纪7 0 年代，然而与c a i 相比，i c a i 软件 第一章绪论 可谓风毛麟角。在近几年i c a i 才开始进入校园，进行实际的教学工作。影响i c a i 发展的因素有以下几点： i c a i 系统复杂，需要价格昂贵的软件及硬件支持，相对于c a i 开发困难、 成本过高。 所依据的学习理论还不够完善。 研究人数相对较少。 发展费时。1 小时的教学，教师可能需要花费2 0 小时去编写教案，做成 c a i 软件可能需要2 0 0 小时，若是以i c a i 的方式设计约需1 0 0 0 2 0 0 0 小时。 这是过去i c a i 不能普遍的主要因素，早期i c a i 软件大部分是从事人工智 能研究的学者的作品，i c a i 软件的范畴不离数学、计算机语言及其它高度结构 化知识的科学领域。然而随着今日计算机硬件、软件的功能及价格的大众化， 研究人数也大幅增加，再加上认知学习理论以及人工智能的进展，已使i c a i 逐 渐进入实用阶段。 1 4 3 研究热点 目前对i c a i 的研究主要集中在基础理论与应用理论、学生模型、错误诊断 和自然语言人机接口方面。 理论对实践起着指导作用，教育理论及各种技术理论在i c a i 系统设计过程 中的特殊应用研究，一直是致力于计算机辅助教学工作者的重要研究课题。 学生模型根据建立方法不同可分为：覆盖模型、推理模型和干扰模型，应 用认知科学的理论建立学生模型也成为人们关注的焦点。 错误诊断，目前采用的主要方法有：根据语义网络或框架的继承关系判断 错误；列出所有可能的“正确规则”和“错误规则”，在解题过程中运用匹配的 方法发现错误。这两种方法都具有一定的局限性，一些研究者提出将a i 中的“机 器学习”功能引入错误诊断的观点。 自然语言理解一直是a i 的一个重要领域，目前很多人在对自然语言的人机 接口进行研究，以期改善用户界面的实用性。它是i c a i 领域中目前和今后的重 要研究课题之一。 1 5 论文的主要内容 计算机辅助教学在信息化社会大环境下，在技术层面飞速发展，但在其应 用领域，我国许多教育工作者仍然停留在对c a i 的初级认识上。随着计算机信息 第一章绪论 技术的迅猛发展，各级各类学校盲目追求教学手段的多媒体化趋势加强，产生 了对于计算机辅助教学理论认识的误区。研究计算机辅助教学和现代教学思想 的关系，梳理i c a i 发展的理论基础及分析关键技术的实现势在必行。 本论文首先从c a 产生的理论依据入手，具体阐述了i c a i 的理论基础一 认知学习理论，并研究了认知学习理论应用于i c a i 系统的特殊问题，简要概括 了作为i c a i 理论支撑的个性化理论在系统中的体现。随后分析了i c a i 系统的 基本结构及知识库、教师模型、学生模型、人机界面等各组成部分的功能和基 本实现技术，具体概括了i c a i 系统中学生模型不同构建方法的缺陷和局限性。 在理论层面构建了一个基于认知学习理论的实用学生模型。最后对i c a i 系统评 价方法进行了详细阐述，分析、概括出了对i c a 系统进行评价所能依据的指标 体系。 l n 第二章i c a i 的理论依据研究 第二章lc a i 的理论依据研究 2 1l c a l 的理论依据源于c a i 的理论基础 i c a i 是c a i 的进一步发展，i c a i 理论的发展沿袭着c a i 理论的发展趋势， c a i 产生的理论基础即为i c a i 的理论根源。 2 1 1c a i 产生的理论依据 1 斯金纳的程序教学与c a i 斯金纳( b f s k i n n e r ) 是行为主义学派中最有影响力的心理学家之一，它 的学习理论对教育实践起了巨大作用。斯金纳根据刺激一反应一强化( 或提问 一回答一确认) 的原理，设计和制造了程序教学机器，进行程序教学。程序教 学是一种自我教学的技术，它把所有的教学任务都交给教学机器或程序教材去 完成，它是通向自动化和个体化教学的新途径。在教学理论界通常认为程序教 学的手段可分为两种：一种是程序化的教材( 包括各类程序化的印刷品) ，另一 类则是通过教学机器来呈现程序化的教学内容。由于斯金纳否定教师的主导作 用，忽视了学习过程中人的主观能动性的发挥，因此它的理论存在不足之处。 同时斯金纳发明的教学机器本身存在容量小、反应迟缓、不能记忆等缺点，不 能真正实现教学的目的。2 0 世纪7 0 、8 0 年代，由于微型计算机的出现，程序教 学的工作者们利用计算机速度快、容量大的特点来呈现程序教材，进而逐步发 展成为计算机辅助教学。由o k 莫尔在1 9 6 9 年发展出的计算机辅助教学 ( c a d ，就是建立在斯金纳式的程序教学的学习原理之上。 斯金纳的程序教学运动的发展，使行为科学和教育技术的结合进入一个更 为密切的阶段。 2 c i 产生的教育学基础 c a i 产生的教育学基础，与“现代教育”的基本观点在美国的流行有着十分 密切的关系。c a i 最初是在美国开展起来的，而现代教育的提倡者是美国著名的 教育家杜威，杜威所倡导的现代教育对于c a i 的推广起到了重要作用。杜威首 先提出“现代教育”与“传统教育”两个概念，把“传统教育”和“现代教育” 作了“保守”与“进步”的划分，区分出重教与重学、重视教师传授知识与学 生自我活动两种不同的教育思想，在教学论中形成了以书本知识为中一t l , ，以课 第二章i c a i 的理论依据研究 堂教学为主和教师起主导作用的“三中心”的“传统教育”体系，和以学生为 中心，以个人经验为主及进行活动教学的又一个“三中心”的“现代教育”体 系。 “现代教育”认为，在科学技术飞速发展的今天，发挥学生的独创性和对 知识的综合利用尤为重要；过分地强调教师的主导作用的“传统教育”，属再现 型教学，会约束和压抑学生主体作用的发挥。因此，在教学中必须以学生为中 心，尊重学生的需要，培养有个性的学生，强调学生独立自主地学习，从而形 成学生多方面的能力特别是学生主动的学习能力和学习态度。“现代教育”的这 些主张正是c a i 设计者们所提倡的理念，可以说，“现代教育”的基本教育教学 观，为c a i 的产生和发展奠定了坚实的教育教学理论基础。 3 信息论对c a i 产生的影晌 信息论是研究在通讯和控制系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，以 及如何提高各种信息传输系统的有效性和可靠性的一门通讯理论。2 0 世纪5 0 年 代，是信息论向各门学科冲击的时期，我国用信息论的基本观点来研究教育的 问题是在2 0 世纪8 0 年代中后期。 信息论对计算机辅助教学的影响产生于2 0 世纪7 0 至8 0 年代，其影响主要 通过两个基本途径：一是在教育学和心理学界，人们利用信息论的原理来研究 教育和教学问题，很多教学论专家，把教学的过程看成是信息的获取、传递、 加工、处理和输出的过程，是信息在师生之间的合理流动。这一思想与计算机 辅助教学的教学过程是一致的，为计算机辅助教学的产生奠定了思想理论基础。 二是信息论的产生及其规律和原理在计算机科学领域的应用，促进了计算机科 学的发展，使计算机迅速由数字计算机向智能化计算机方向发展。而智能化计 算机的出现则是c a i 产生的基本物质基础。 虽然信息论对c a i 的产生作用是间接的，但是却深刻而持久，它的出现从思 想和观念上为c a 奠定了基础。 4 c a l 产生的社会基础 教育领域正在经历一个革命阶段。随着信息社会的“知识爆炸”和现今“人 口爆炸”现象的出现，教育面临着如何向更多的人口灌输更大量知识的问题， 进而加剧了需要开办更多的学校和聘用更多的教师的问题。而技术或自动化是 解决所有这些问题的唯一方案，是大幅度提高教学质量与教学效率的根本保障。 计算机辅助教学是朝着教学的自动化和个体化迈进的革新性一步，是人们在教 育领域内，运用现代化技术手段来解决知识更新的一种尝试。 1 2 第二章i c a i 的理论依据研究 2 1 2i c a l 理论的发展 i c a i 系统自2 0 世纪7 0 年代在美国兴起以来，理论研究、技术开发及实际 应用等方面均取得显著进展。在从无到有的发展过程中，理论研究曾经历以下 三种不同模式。 5 0 年代的经典研究模式。建立于“刺激一反应”基础之上以程序教学和 视听教学为理论基础，从认识论角度出发，研制一种程序式计算机教学系统。 系统能循序渐进、直观生动地进行一些低层次的教学活动。c a i 即属于这一类型。 印年代的系统研究模式。这种模式主要以系统论和信息论为理论基础， 从方法论的角度来研究教育系统，把教学专家、学生和计算机看成一个完整的 系统，寻求最优化组合，从而达到最佳的教学效果。它已渐渐脱离c a i 的模式， 为向i c a i 系统过渡打下基础。 从7 0 年代开始，由于人工智能科学、认知科学和教育心理学理论研究的 飞速发展，使得i c a i 系统的基础理论研究产生了新的飞跃。主要研究人类思维 过程和特征，建立人类认知思维活动的模型，实现个别化自适应教学的目的。 i c a i 系统由c a i 发展演变而来，c a i 产生所依据的教育学理论、程序教学 理论和信息论是i c a i 理论的根源。i c a i 系统所要解决的问题是“教”与“学” 的认识思维过程、模型及特征，属认知科学的范畴。通过计算机将这一认知活 动模拟出来，使得计算机在一定程度上能完成人类教学专家的工作。i c a i 发展 的目的就是探讨在计算机教学过程中，如何运用人工智能技术使教学更为灵活 有效，其理论基础是架构在以认知心理学的方式来模拟入类的学习过程之上的。 克斯利( k e a r s l e y ) 曾用人工智能、认知心理学和教育与训练中的c a i 的 交集说明i c a i 的含义；威戈( w e n g e r ) 把智能教学系统称之为“计算与认识方 法在知识传播中的应用”。二者都强调了认知心理学对i c a i 的重要作用。无论 “刺激一反应”理论，还是系统论、信息论和人工智能科学，都只能作为应用 到i c a i 系统领域的具体技术，其理论基础是认知科学。认知科学是研究人类认 识事物的过程和特征的科学，它是在系统论、信息论、人工智能以及其它一些 学科的基础上发展起来的。 2 2 认知学习理论是i c a i 的重要理论依据 2 2 1 认知学习理论概述 第二章1 c a i 的理论依据研究 1 认知学习理论介绍 传统的计算机辅助教学主要以行为主义学习理论为理论基础。但随着心理 学、尤其是认知心理学研究的发展，人们将目光投向强调个体的内部心理过程 的认知主义学习理论。认知学习理论的产生，激起了研究者致力于用信息加工 理论及方法，从记忆的信息加工成份和阶段来研究学生学习过程的热潮。 认知主义学习理论，是认知心理学在教育学、教育心理学当中应用的产物。 在心理学上根源于德国的格式塔学说，强调整体观。在实际工作中，认知理论 则应用于教学过程设计和教学生如何学习等方面。其代表人物有格式塔、托尔 曼、皮亚杰、布鲁纳、奥苏伯尔和加涅等。认知学习理论指出，学习的实质并 非是一连串的刺激与反应，而是在头脑中形成认知结构的结果。认知结构在学 习过程中用来同化新知识的某些观点，用以从已知引申到未知，从而帮助学生 更好的学习新知识。认知理论是从内部心理过程来解释人类的行为，强调人的 认识是由外部刺激和认知主体心理过程相互作用的结果。内部心理过程包括态 度、需要、兴趣和爱好，以及认知主体的认知结构，即已有的知识与经验。根 据这一理论，把学习解释为每个人根据自己的态度、需要、兴趣和爱好并利用 过去的知识和经验对当前的学习内容做出主动的、有选择的信息加工过程。这 一理论为i c a i 系统设计提供了重要的设计原则，成为i c a i 的理论基础。 2 认知学习理论分类 认知主义学习理论包括以认知过程为主要研究对象的各种学习理论，如格 式塔学习理论、托尔曼的符号学习论、布鲁纳的认知结构学习理论、奥苏伯尔 的认知结构同化学习理论、加涅的信息加工认知学习理论、建构主义学习理论 等。根据对人的内部信息处理过程的假设不同，认知学习理论分为信息加工理 论和建构主义理论两大流派。 学习的信息加工理论 现代学习理论由于受信息加工理论的影响，越来越多的人接受了计算机模 拟的思想，把学习过程类比为计算机的信息加工过程。 学习的信息加工理论的基本观点是借助于信息科学和计算机科学提出的， 把人的认知过程与计算机对信息加工的过程结合起来研究人的学习。该理论指 出计算机的信息加工、处理过程与人的认知过程存在相似性，用计算机对信息 的处理过程来解释人脑，从而得出了人对信息加工的模式。认知学习理论认为， 外部刺激作用于学生的感官，使神经系统产生相应的活动。 根据阿特金森( j w a t k i n s o n ) 和希夫林1 9 6 8 年提出的记忆的多存储模型， 1 4 第二章i c a i 的理论依据研究 记忆分为相互联系的三个系统，即感觉记忆、短时记忆和长时记忆。感觉记忆 起感觉选择作用，将一两种感觉到的信息传递到短时记忆。短时记忆的容量、 保存信息的条目和一个条目所能保存的时间都是有限的，存储在短时记忆的信 息经多次使用之后，经过语义编码的转换，将信息从短时记忆转移到长时记忆。 在人脑中是根据信息的意义进行存储，当要求学生产生行为时，必须要搜索长 时记忆，将搜索到的信息和技能从长时记忆提取到短时记忆，与新进来的信息 相结合形成新的学习能力，或是通过反应器将信息转换成动作。 1 9 7 4 年，加涅( r m g a g n e ) 根据现代信息加工理论提出了学习过程的基本模 式，这一模式展示了学习过程中的信息流程。如下图示。 带哥 图2 1 加涅的学习模式 加涅提出，在信息加工过程中，上图中的“执行控制”和“期望”是两个 重要部分。“执行控制”即已有的经验对现在学习过程的影响，“期望”即动机 系统对学习过程的影响，整个学习过程都是在这两个结构的作用下进行的。这 一理论为计算机辅助教学的过程设计提供了重要依据。 建构主义学习理