五节 人工智能与教育


§4.5.1 人工智能概述§

 

人工智能(Artificial Intelligence,简称AI)是一门研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科。换言之,它研究如何用计算机模仿人脑所从事的推理、证明、识别、理解、设计、学习、思考、规划以及问题求解等思维活动,来解决需要人类专家才能处理的复杂问题[3]。例如,咨询、诊断、预测、规划等决策性问题。人工智能也是一门涉及数学、计算机科学、控制论、信息学、心理学、哲学等学科的交叉和边缘学科。与一般的信息处理技术相比,人工智能技术在求解策略和处理手段上都有其独特的风格。 

人工智能的研究始于1956年。几十年来,人们从问题求解、逻辑推理与定理证明、自然语言理解、博弈、自动程序设计、专家系统、学习以及机器人学等多个角度展开了研究,已经建立了一些具有不同智能程度的计算机系统。例如,能够求解微分方程、设计分析集成电路、合成人类自然语言,而具备语音识别、手写体识别的多模式接口、疾病诊断专家系统等则更与人们的工作、生活密切相关。 

人工智能的研究与应用曾因计算机计算能力的限制无法模仿人脑的思考,导致与实际需求的差距过远而一度走入低谷。随着计算机速度的提高、存储容量的扩大、价格的降低以及网络技术的发展,计算机已经具备了足够的条件来运行一些高要求的人工智能软件。20世纪90年代以来,人工智能研究与应用又出现了新的高潮。目前,人工智能的研究热点是智能接口、数据挖掘、Agents及多Agents系统。 

智能接口技术研究如何使人们能够方便自然地与计算机进行交流。它在较大程度上依赖于知识表示方法的研究与应用。目前,智能接口技术在文字与语音的识别、语音合成、图像识别、机器翻译以及自然语言理解等方面已经取得了显著成果,上述技术已经开始实用化。 

数据挖掘就是从大量有噪声的、不完全的、模糊的实际应用数据中提取隐含在其中,但又是潜在有用的信息和知识的过程。事实上,数据库、人工智能和数理统计是数据挖掘和知识发现的技术支柱。主要研究内容包括发现算法、数据仓库、可视化技术、知识表示方法、半结构化和非结构化数据中的知识发现、网上数据挖掘等。 

Agents
(通常译作代理主体)是具有信念、愿望、意图、能力、选择等心智状态的实体,比对象有更高的智能程度,且有较大的自主性。Agents试图自治地、独立地完成任务,而且可以和环境进行交互,与其他Agents通信。多Agents系统主要研究在逻辑上或物理上分离的多个Agents之间进行协调智能行为,最终实现问题求解,主要应用在对现实世界和社会的模拟、智能机械等领域。


 

§4.5.2 人工智能的教育应用§

 

一、人工智能在教育中的典型应用 

随着人工智能技术的发展和教育信息化的深入,人工智能技术在教育领域的应用正日益受到人们的重视,这里仅介绍人工智能技术在教育中较为典型的几项应用。 

1
.智能计算机辅助教学 

智能计算机辅助教学(Intelligent Computer Assisted Instruction,简称ICAI)是以认知科学和思维科学为理论基础,综合人工智能技术、教育心理学等多门学科的知识对学生实施有效教育的一门新的教育技术。 

ICAI
系统主要由图523所示的三个基本模块组成: 

1)知识库。它包含学科知识(教学内容)和教学知识(教学策略)两部分内容; 

2学生模型模块。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; 

3教师模型模块。它提供教学策略,负责指导系统如何向学生呈现教材,代表了教师的智能活动。 

此外,ICAI系统通常还包括一个具有自然语言处理功能的智能人机接口(即人机界面)。

在上图中,教师模型的作用相当于现实教学中的教师,它可以根据知识库中的内容和学生模型推断出每个学生的学习能力、认知特点和当前知识水平,根据学生的不同特点选择最适当的教学内容与教学策略,并可对学生进行有针对性的个别指导,从而做到因才施教。具有自然语言接口则可以实现人机自然语言方式的对话,使ICAI系统能够与人类教师相媲美。 

在传统的计算机辅助教学(CAI)中,教学信息是按预置的教学流程提供给学生的。换言之,无论学生的起点如何,面对的都将是完全一致的教学过程,这显然不利于学生主观能动性的发挥。而ICAI系统则将教学内容与教学策略分开,通过智能系统的搜索与推理,动态生成适合于个别化教学的内容与策略;通过智能诊断机制判断学生的学习水平,分析学生产生错误的原因,并向学生提出学习建议;通过对学生资料库中全体学生出现错误分布的统计,智能诊断机制向教师提供教学重点与方式、测试重点与方式,以及题型的建议;为教师提供友好的教学内容、测试内容维护界面,无需改变软件的结构即可调整教学策略;通过对学生模型、教学内容、测试结果的智能分析,向教学督导人员提供对任课教师教学业绩评价的参考意见。 

ICAI
的最早探索是Carbonell1970年研制的SCHOLAR系统。这是一个教授南美洲地理的系统,它的知识库采用由事实、概念和过程组成的语义网络形式,使用苏格拉底对话方式进行教学,通过推理机制产生对学生底提问并对学生的应答作出评价,系统设法诊断出学生的错误概念,引导学生自己纠正错误。事实上,SCHOLAR系统的推理机制是与语义网络的内容无关的,因此只要替换相关的知识就可适用于其他的学科领域。 

ADELE(Agent for Distance Education
Light Edition)是一个用于临床医学诊断的一个典型ICAI系统,由美国南加利福尼亚大学信息科学学院研制。ADELE由模拟角色、解释引擎、会话管理器三部分组成,可以利用因特网进行远程教学。在基于病例的临床诊断应用中,ADELE系统向学生提供某一特殊的医学条件和病例,让学生通过练习和ADELE系统适当的引导来学习临床医学知识。

2.
专家系统 

所谓专家系统(Expert Systems),就是在一个特定领域内,以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机软件系统。专家系统将某一领域的专家知识、经验加以总结,形成规则,存入计算机中建立知识库,并采用合适的控制策略,按输入的原始数据进行推理、演绎,从而作出判断和决策。一般来说,一个高性能的专家系统应具有以下特征: 

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启发性:不仅能使用逻辑性知识,也能使用启发性知识。 

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透明性:能向用户解释它的推理过程,回答用户的一些问题 

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灵活性:知识库的知识便于修改、补充和精练。 

专家系统通常由六个部分组成,它们分别是: 

1 知识库(Knowledge Base):用于存放从领域专家那儿获得的、关于某个领域的专门知识。在这里,产生式规则(If…Then…)是一种常用的知识表示方式。知识库通常以文件形式存储于计算机中的外部介质上,专家系统运行时被调入内存。 

2 推理机(Inference Engine):能够依据知识库中的知识和一定的策略进行推理,即能够根据知识和事实推导出结论。推理机和知识库构成了一个专家系统的基本框架。 

3 综合数据库:也称动态数据库、工作存储器、黑板等。综合数据库用于存放推理所需的初始事实、推理结果和控制信息等。需要说明的是,该数据库只在系统运行期间才产生、变化和撤销,因而是一个动态的库,它与传统意义上的数据库有本质的差异。 

4 解释模块:负责向用户解释专家系统的行为和结果。在推理过程中,它可向用户解释系统的行为,回答用户诸如“Why”之类的问题,推理结束后,它可向用户解释结果是怎样得来的,回答诸如“How”之类的问题。解释模块是实现系统透明性的主要部件。 

5 知识获取模块:负责管理知识库中的知识(例如知识的添加、修改与删除),维护知识库的一致性和完整性。 

6 人机界面:为了方便用户的使用,大多数专家系统采用图像、图标、自然语言等用户熟悉的信息表示手段。 

目前,在因特网上有一些示范性的小型、实用专家系统可供用户在线使用。例如,专家系统网站 http://www.expertise2go.com/shop/desktop.htm /中的“PC机配置顾问(Desktop PC Product Advisor专家系统,可以通过人-机对话方式,根据用户的实际需求来制定出合理的PC机硬、软件配置方案。人们也可以通过该专家系统来感受人类专家解决问题的思路与过程,增加对人工智能知识学习的兴趣。 

此外,人们还研制出了称之为专家系统外壳(Expert System Shell)的专家系统开发工具,它们便于学习和使用,能够帮助用户方便地生成新的专家系统,从而大大缩短了系统开发时间并极大程度地推动专家系统在教育领域内的应用。 

由于专家系统中都包含有知识库和推理机两个基本模块,推理机事实上起着ICAI系统中教师模型模块的作用,因此只需在一般专家系统中再加入一个学生模型模块,就构成了智能计算机辅助教学(ICAI)系统的基本结构。 

3.
自然语言处理 

自然语言处理研究使用计算机理解和生成自然语言的理论和技术。研究自然语言理解的目的是提高人机交换信息的能力,使人更容易以自然的方式与计算机进行沟通。 

目前,自然语言处理的研究主要集中在手写文字识别、书面语句的理解、机器翻译、口语的理解等方面。例如,在机器翻译方面,看世界http://www.readworld.com/tran/index.html)和鲁能信息港网译中心http://www.luneng.com/translate/livetrans.htm)就是两个不错的在线翻译网站。该网站提供有在线方式的英-汉、汉-英文本翻译、网站即时英-汉翻译、邮件翻译等功能,它十分适宜于人们进行机器翻译的学习与体验。 

4.
人工神经网络 

人工神经网络是基于模仿生物大脑的结构而构成的一种信息处理系统。人工神经网络具有以下基本特点: 

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学习能力:可以通过训练抽象出训练样本的主要特征,从而表现出强大的自适应能力。学习能力是神经网络智能程度的重要体现, 

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分布性:在神经网络中,信息分散在各个神经元的连接上。神经网络的信息分布特性使其具有强大的容错和记忆联想能力。 

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并行性:各个神经元在处理信息时是独立进行的,这种并行处理使得信息处理的速度大大加快。 

从实现智能的基本思路上看,人工神经网络与专家系统的最大区别在于:专家系统属于人类智能的功能模拟,而人工神经网络则偏重对人脑结构的模拟。 

5
.智能代理 

在基于因特网的现代远程教学中,智能代理(Agent)已经受到人们的高度重视,并已逐渐成为在教学领域实现智能化的一种重要技术。智能代理在教学中的应用包括: 

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作为教师代理。智能代理系统作为教师代理,可以运用自身的推理机制,在了解学生实际情况的前提下,产生恰当的教学策略,以便实施因材施教,有的放失地指导学生。例如在图711中,浮在主窗口上的那位大夫就是ADELE系统的代理,即ICAI系统中的教师代理。 

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作为学生代理。智能代理系统作为学生代理,可以充当学习者的学习伙伴或知心朋友,与学习者进行平等的讨论、交流,从而克服网络教育环境中学习者之间交流不足的缺点,提高网络教学的效率。 

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实现智能化信息服务。智能代理技术应用于信息服务领域,可以充分发挥其主动性、智能性和协作性等特征,为用户提供方便、简单的信息搜索和处理手段,提高学习者的信息获取与处理能力。例如,将智能代理技术应用于网络信息搜索,就能够在信息交互过程中进行学习,获得用户的兴趣、爱好和思维方式等信息,从而系统可以主动、定期地为用户查找信息,并根据用户搜索信息的变化,自动调整知识库中的通用字和关键字,使之能够有效地适应专门领域的信息搜索工作。 

二、人工智能教育应用的研究动向 

中国计算机辅助教育(CBE)学会2002年学术年会的主题是人工智能与教育,下面列出该次会议的研究领域,它在一定程度上反映了人工智能教育应用的当前研究动向。 

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 人工智能(含神经网络、模糊理论等)的发展现状 

2、 人工智能在教育领域的研究与进展 

3、 认知理论及其在教育领域的应用 

4、 人工智能在现代远程教学中的应用 

5、 数据挖掘、知识获取在CBE中的应用 

6、 搜索引擎、自然语言理解在CBE中的应用 

7、 智能型教学软件的理论、技术与开发 

8、 智能型教学软件的范例 

9、 智能教学软件的开发环境与工具 

10、 智能答疑与智能考试系统 

11、 智能教学系统的评价理论与指标体系 

12、 AgentCBE领域的研究与实践 

13、 计算机支持的协同工作系统在教学中的应用 

14、 人工智能与教育领域中的其他研究与实践


 

§本章小结§

 

从计算机应用的功能上来看,计算机辅助教育(CBE)包括:计算机辅助教学(CAI)、计算机管理教学(CMI)等两个方面。从计算机应用的对象来看,CBE又可以分成:学习计算机、用计算机学习、从计算机学习等三个方面。 

多媒体技术是指把文字、声音、图像、视频等多种媒体的信息通过计算机进行交互式综合处理的技术。多媒体技术的主要特点体现在它的集成性、交互性和多样性。 

从不同角度可以对计算机辅助教学的模式作不同的分类。从认识论、价值观两个维度来考察,可以将计算机辅助教学的模式分成四类:()客观主义?个体主义(教师为中心?个别化);()建构主义?个体主义(学生为中心?个别化);()建构主义?集体主义(学生为中心?集体化);()客观主义?集体主义(教师为中心?集体化)。信息资源管理系统和网络通信系统是各类模式的共同基础。 

多媒体课件的开发通常包括环境分析、教学设计、脚本设计、软件编写等阶段。一个完整的课件,除了在程序中包含联机帮助功能以外,还应当提供相关的文档。 

多媒体素材是指多媒体课件中所用到的各种听觉和视觉材料。多媒体素材的采集、编辑与集成是多媒体课件制作中的重要技术。 

智能计算机辅助教学(ICAI)是以认知科学和思维科学为理论基础,综合人工智能技术、教育心理学等多门学科的知识对学生实施有效教育的一门新的教育技术。 

ICAI
系统主要由知识库、学生模型模块、教师模型模块等三个基本模块组成。