试析智能计算机辅助教学系统的模块设计

摘 要：本文分析了智能计算机辅助教学系统的本质内涵,描述了智能计算机辅助教学系统的主要特点,讨论了基于Client/Server的智能计算机辅助教学（ICAI）的模块设计与实现技术.

关 键 词：Client/Server；CAI；ICAI；课件

一、智能计算机辅助教学系统的本质内涵

智能计算机辅助教学——ICAI（IntelligenceComputer－AssistedInstruction）属于人工智能的一个分支领域,智能计算机辅助教学系统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员实施教育的一门新的教育技术,其目的在于通过研究人类学习思维的特征和过程,寻求学习知识的模式,使学员获得个别化自适应性学习的获取知识方法,从而使学员学得更快、更有效.传统的CAI课件系统是在单机上将全部教学内容以编程的方式预置于课件中.学员学习时,教学过程是按课件规定的路径和内容展开的.由于缺乏必要的通信手段和智能特性,无法实现任课教员与学员之间的交互以及按学员的不同认知能力准备教案的因材施教教学.随着计算机网络技术的日臻成熟和人工智能在专家系统领域取得的成功,为CAI的网络化和智能化的发展提供了新的空间.

二、智能计算机辅助教学系统的主要特点

为克服CAI的不足,ICAI充分注意到教员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．能自动生成适合学习者程度的问题和练习；

2．能根据学员的不同水平与学习情况选择学习内容和调整教学进度；

3．能理解教学内容并对其具有解释咨询的能力；

4．具有自然语言的生成与理解能力,以便实现比较自由的教学问题系统,以提高课件在人机交互作用中的主动性；

5．能诊断学员错误,分析错误发生的原因并采取相应的纠正措施；

6．能不断地在教学中改善教学策略；

7．能够评价学员的学习行为.

要使ICAI课件具有上述的全部智能特征比较困难,因此,在实用的ICAI课件中,可能只具备上述特征中的几个.一般来说,问题解决能力、诊断纠错能力和自然语言的生成与理解问题是当今ICAI课件的三个重要特征.

三、智能计算机辅助教学系统的基本结构

ICAI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,它包括了系统要传授给学员的知识,代表了专家的智能活动；二是学员模型块,它指明学员知道什么和不知道什么,代表了学员的智能活动；三是教员模型模块（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员呈现教材,代表了教员的智能活动.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.

(一)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和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.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内容.

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．要考虑学员接受能力；

(二)学员模块

所谓学员模块,是指生成一种可靠的表达方式来展示学员的实际水平.其过程就是根据学员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,这种对学员的估测结果就是学员模型.

学员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.当学员完成一门课的学习时,给其出水平判定值；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,记下学员的学习历史和进步情况；模型更新是随学员学习深入而改变的,它可以用覆盖法或差错法来说明学员具有的知识与计算机系统中存储的知识的差距,进一步更新学员模型、教授内容和方法.

(三)教员模型模块

该模块亦称辅导模块.所谓教员模型,就是模拟师,使ICAI能像教员一样,按照自己对教材内容的理解（如概念的难易、教学的顺序、概念间的关系等）,根据学员的状况（包括知识水平和学习背景,如爱好,总体水平、性格、智力等）,选择出对该生最为有效的教学方法,监督和评价学员的学习行为,选择提出问题并根据学员的要求适时地为其提供帮助和选择补充知识.

ICAI的教员模块能够控制学员的学习,掌握学员的学习水平并做出适时反馈,决定下一步的教学内容和应该采取的教学方法、策略.因此,教员模块必须有完整的关于自然语言对话、教学方法、教学策略和教学题材的知识,能够决策采用什么样的方式顺序以及教学模式等.综上所述,ICAI具有“教员讲,学员听”这种填鸭式教学模式所不具有的诸多优点,使因材施教、个性化教学真正成为可能,不同程度的学员不同对待,使学员掌握了学习的主动性.总之,ICAI已成为利用计算机怎么写作于教学的有力工具.