人工智能之智能教学系统课件

智能教学系统综述

2002.12关于AI问题定义：研究用机器模拟和执行人脑的某些智能、相关理论和技术的计算机科学Dartmouth研究会议：1956，2个月，第一次提出研究内容：知识表示方法、一般搜索原理、问题求解技术、专家系统、机器学习、机器人规划、机器视觉、NLP、智能控制、AI程序设计基本问题：知识表示知识获取知识运用ITS基本概念ITS(IntelligentTutoringSystem)是一个综合性研究课题，是

AI的重要研究内容。ITS作为一个概念，形成于70年代。ITS通过教育、计算机、AI、认知科学、行为科学等多种学科的集成，通过对人类最优秀教师的计算机模拟，实现个别化的最佳教学过程。个别化的教学：教师根据每个学生的不同特点来组织教学内容，给学生安排相应的学习任务，并根据学生的完成情况提供适当的反馈信息；如果在教学过程中，学生没有取得预期的进展，教师要根据目前学生的学习情况，及时进行教学策略的改变智能：知识和行为的表示理解能力、解释说明能力、分析诊断能力、收集生成能力、行为评价能力、教学规划能力、组织适应能力等。要求计算机系统具备所教授领域的丰富知识，知道使用最有效的教学方式向学生传授知识，清晰了解学生的学习状况，能够及时诊断学生错误并加以更正等多种功能。

与其他学科的关系:教育、计算机、AI、认知科学、行为科学基于计算机的教育:作为一种现代化教学手段和工具，应用于教育领域开始于20世纪50年代。->教育手段/教学方法/教材形式/教学内容和结构/教学思想和教学理论变革从50年代出现的早期线性程序60年代开始出现的分支程序70年代开始出现的生成系统和

CAI和ITSAI：ITS的研究由于涉及几乎AI研究中的所有主要问题包括专家系统、NLP、机器学习、机器视觉、知识表示、知识工程、问题求解、规划问题等，从而对AI相关技术提出要求。

认知科学：研究人类认识的心理学、AI、逻辑和知识论等综合形成的交叉科学，以认知心理学、认知生理学、认知工程学等相关学科为基本内容并被认为是ITS的主要理论基础。

ITS的研究开发运用了相关学科的最新研究成果并对相关学科的学科发展提出特殊要求，并通过ITS的研究与开发及其运用反过来推动相关学科的发展。

研究背景CAI:定义：以计算机替代或帮助教师完成全部或部分教学任务，模拟教师的教学行为，向学生传授知识，训练其技能，达到激发学生的学习积极性和主动性，增强教学效果的目的。典型的CAI系统是在学生和计算机之间的一系列CAI系统控制的交互活动中展开教学活动的。计算机主要以文字、图形等方式呈现各种知识信息，学生则通过显示设备与计算机会话，用键盘、鼠标或其他设备输入信息，适时控制计算机的讲解速度。

历史：50’s:线性程序60’s:分支程序70’s:生成系统90’s:MCAI：视、听、触等多种感官获取知识信息，直观感、立体感、动态感强，大大改善教学环境，激发学生学习的积极性和主动性，显著提高了教学效率和学习效果，促进了学生各方面能力的培养

CAI的缺点与现状缺点：采用固定的软件设计，提供全篇一律的教学内容；缺乏推理机制和学生模型的支持，不能确定学生的知识水平和认知特点，不能根据学生自己的意愿和理解能力提供相应的学习材料，并进行有针对性的指导。在开展适应个性化特点的教育，贯彻因材施教的教育思想和方法上存在很大不足。现状：一些CAI系统在很大程度上仍然学生只能通过按钮进行翻页而完全被动学习的电子图书大同小异。近似概念：计算机辅助学习（ComputerAssistedLearning,CAL）计算机辅助培训（ComputerBasedTraining,CBT）计算机辅助教育(ComputerBasedEducation,CBI)、CBI(ComputerBasedInstruction,CBE(ComputerBasedEducation)ITSITS∽ICAI70年~82年:早期研究阶段：理论研究／模型设计／系统开发奠基82年～87年:GUI88年～：MITS：视、听、触等多种感官获取知识信息，直观感、立体感、动态感强，大大改善教学环境，激发学生学习的积极性和主动性，显著提高了教学效率和学习效果，促进了学生各方面能力的培养90年~：Web-basedITS研究历史

美、欧、日、加：典型ITS系统

中国：张景中院士WEST系统WEST系统是第一个计算机教练系统。教练这一术语描述一个基于计算机的学习环境，在这一环境中学生像玩游戏那样参与活动；系统通过观察学生的活动进行工作，在需要矫正时提出批评或建议。WEST系统的研究集中于诊断策略和教学策略。系统支持有指导的发现学习。系统认为学生依靠其先验知识构造自己对一个环境或任务的认识。因此错误的概念或想法在教学中起主导作用。系统主要通过差别模拟技术来发现学生错误。该技术是将学生行为与专家在同一情况下的行动进行比较；这种比较所发现的差别在某种程度上说明了学生懂什么或不懂什么。系统通过执行以下两个任务构造差别模型：同一情况下专家可能采取的行动对学生的行为进行评价；判断学生和专家在决定其各自行为时所用的知识。为了使学生的学习取得较好的效果，系统的教学法遵守以下原则：教练哲理；维护学生的游戏兴趣；增加学习的机会和对教学环境的考虑。PROUST系统PROUST系统是一个关于PASCAL程序设计的ITS。主要特点：基于意图（Intention-based）的诊断方式。Johnon和Soloway指出：学生的错误并不是来源于程序本身，而是来源于程序员所具有的意图和它们之间的联系以及意图与代码之间的联系。由于这些联系的范围非常广泛，所以只是通过扫描程序代码或计划识别技术不能有效地处理学生的错误原因，而是通过重建合理的程序设计过程，来提供一个识别和讨论错误的与问题相关的上下文环境。程序设计三个阶段：问题的描述：为程序员提供了一系列目标与子目标。目标指导解题计划的选择。解题计划最终变成代码。为了控制搜索空间，系统将程序设计知识分为三类：目标类：知识库中含有程序设计中所要涉及的目标的信息，以及实现这些目标的方法。解题计划：知识库中存储了实现目标所用的计划的信息；同时，知识库中还包含了各种目标的错误计划和正确计划的错误运行方面的信息，这为诊断模块提供了必要的信息。计划用程序语言实现；为了处理程序之间的差别，系统还存储了转换规则和错误规则。通过这些知识和基于意图的推理，PROUST系统对错误的诊断和解释能力比以往的系统都有显著的提高。基于意图的诊断方式，为诊断理论的研究提供了一个新的方向。SOPHIE系统SOPHIE:高级教学环境。该系统在许多地方与SCHOLAR系统相似，都被认为是ITS发展史上的里程碑。系统设计的目的在于向学生提供一个模拟实验室，让学生运用自己的知识，在系统的帮助下进行实验。系统允许学生和基于计算机的专家之间存在一一对应关系。系统采取了基于语义文法的自然语言处理技术，以使学生与系统方便交流。系统的自然语言理解程序能妥善处理许多语言学方面的问题，如首语重复、省略现象等。系统研究发现，单一知识表示方式往往不能满足系统的需要。因此，为了实现推理的“有效性和健壮性”，系统采用了多种知识表示方式：用数学模型表示模拟电路功能所需要的知识；用过程性方法表示专家知识；用语义网络表示电路方面的陈述性知识。为与学生对话，系统执行几种不同的逻辑与教学任务，包括回答假设性问题；假设评价；假设生成；测量冗余判断。这些任务通过推理机制加以实现。在SOPHIE-Ⅰ系统中，该推理机制依靠电路仿真的数学模型来工作。由于这种推理方式与人类推理方式不同，在一定程度上限制了系统的解释能力。MENO-TUTOR系统研究目的:理解人类教师的对话策略。~教学策略。试图从整体上对系统中的对话过程进行表示，而且这种表示是与领域无关的。只要与一定的语言生成器相结合，系统便能对该领域的教学对话进行管理。策略是用对话管理网络来表示。该网络实际上是一种扩充转换网络。网络中的节点与具体的教学行为相对应。而且这些教学行为被组织成三个策略层次：教学法层、战略层和战术层。节点间的连接表示层次间的依赖关系。通常，下层的节点是上层节点所代表的行为的细化。网络中的弧定义了在通常情况下的教学行为的焦点从当前行为转移到下一个行为；在某种意义上，网络中的弧代表了教学行为的缺省顺序。但是在某些特殊情况下，这些缺省序列并不是最恰当的。为了处理这些特殊情况，系统中采用了元规则（metarules）的形式。这些规则在其条件被满足的情况下，可以将教学行为从一个节点转移到网络中的任一个节点。研究内容WHO——学生模型WHAT——领域专家（知识库）HOW——教师模型（教学策略模块）WHERE——智能人机接口系统结构

whowhathowR&D技术多媒体技术网络通信技术VR技术AI技术建构主义学习理论NLP技术代理技术学生模型覆盖模型差别模型干扰模型基于代理的ITS结构web虚拟现实-VRMLVR技术是当代计算机的重要发展方向，也是ITS系统的重要研究内容。运用VR技术，建立非常逼真的3D图像虚拟世界交互式环境,非常有益于合作式、建构主义学习。虚拟大学/网上虚拟实验室VR专用技术硬件设备昂贵：数据手套(dataglove)、头盔显示器(head-mounteddisplay,HMD)、3D鼠标、声音发生器、图像生成器等设备具有面向对象、节点化特点的虚拟现实建模语言(VirtualRealityModelingLanguage,VRML)的产生并已经成为国际标准[1]，使得通过计算机软件手段可以直接实现网络VR环境(“virtualrealityfortheWeb”)。由于不用专用硬件设备，从而为研究与应用提供了低成本(Investment-sexy)的网络VR实现手段。VRML1.0产生于1994年10月的第二届WWW大会，可以实现单个用户的静态三维可探索环境。于1996年8月通过的功能强大的VRML2.0标准的产生以及相应浏览器的迅速支持，可以实现动态、三维、多用户、人机交互、可编程控制的在线虚拟真实环境与可视化反馈等。基于VR技术，运用VRML语言，综合网络脚本交互式编程技术，设计了一个基于VRML的情景模拟智能教学(ScenarioSimulation-BasedIntelligentTutoring)平台框架，建立了动态、交互式、三维、多用户在线合作式汉语３D可视合作式学习环境，实现基于Internet的网络情景模拟教学

。应用现状虽然ITS系统由于能够通过计算机模拟人类最优秀教师实现个别化的最佳教学模式，从而公认为是人类社会21世纪人类教育的发展方向，有关研究文献和学术水平也相对成熟，计算机价格/性能直线下降，人类社会目前将计算机用于教育主要仍然是基于计算机的教育（Computer-BasedInstruction,CBI），即CAI或CAI的部分改进。在目前，ITS系统大都处在实验室研究阶段，只有极少数系统在现实人类教育中得到运用。国内市场上真正意义上ITS系统还微乎其微，对人们的现实影响还很小。一方面是由于目前ITS的发展与人们的期望还存在较大的差距,同时也反映了ITS系统研究开发相对滞后的不良现状。网络教育发展状况不容乐观。现状原因学习的研究：人类学习机理尚不完全清楚.学习机制和认知过程的理解和解释困难投资的考虑：投资多、风险大、周期长、升级快、要求高

结合的困难：教育＋计算机网络教育发展网络教育及其特点学习内容和学习方式:E-Learning/自主学习交互式合作学习个性化学习教育社会化，学习生活化教育模式的转变远程教学（DistanceLearning）网上虚拟大学（VirtualUniversity）学习革命（LearningRevolution）终身学习(LifelongLearning)等。45所试点院校共已招收了近19万名的注册学生。绝大多数：学历教育。我国现代远程教育发展22000年，是中国远程教育大踏步前进的一年：7月:教育部《教育网站和网校暂行管理办法》:领导权.教育部批准15->31所；颁布了《关于支持若干所高等学校建设网络教育学院开展现代远程教育试点工