计算机辅助教学系统的发展方向

智　能　化

——计算机辅助教学系统（CAI）的发展方向

陆全华¹　余小燕²　程　涛²

（1．东南大学计算机科学与工程系；2．江苏畜牧兽医职业技术学院）

【摘要】　本文介绍了计算机辅助教学以及智能计算机辅助教学系统（ICAI），论述了智能计算机辅助教学系统（ICAI）的本质特征和理论基础，分析了智能计算机辅助教学的体系结构原理。

【关键词】　ICAI　计算机辅助教学　教学策略　知识库

【中图分类号】　G434　　　　　　　　　　　　　【文献标识码】　B

【文章编号】　1671－7201（2006）_－0017－02

一、计算机辅助教学CAI

1．CAI的含义

计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，简称CAI）是利用计算机来模拟教师的行为，通过学生与计算机之间的交互活动来达到教学目的的活动。计算机系统作为教学内容和教学策略的主要存储装置，以人机对话的活动方式按预定的教学策略向学生传播适当的教学内容，以达到预期的教学目标。

图1

2．CAI的基本学习过程

CAI的基本学习过程是：学生任选学习内容，程序把预定的教学内容在计算机上显示，学生根据显示的内容进行学习，学习完毕后计算机会提出事先准备好的问题，学生回答计算机提出的问题，然后根据回答问题情况决定下一步要做的工作。具体流程如图1所示。

二、从CAI到ICAI

1．传统CAI课件存在的不足

传统的基于行为主义和认知主义理论CAI课件的教学设计都是围绕如何“教”而展开，很少或几乎不涉及学生如何“学”的问题。按这种理论设计的CAI课件在制作及使用中存在明显的不足。

（1）缺乏智能性

传统的CAI课件由于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，因此无法实现个性化教学和因材施教。

（2）缺乏网络支持

传统的CAI课件大多是被刻录在光盘上，运行在单机环境下，在设计开发过程中没有考虑到网络在知识更新上的方便与快捷的优势，缺乏网络的支持，从而造成对教学内容进行更新和维护的困难。

（3）缺乏创造能力

传统的CAI课件大多是课本的翻版，他们将一页页冗长的稿本搬上教学屏幕，忽视教学与学习的情境设计或者情境设计的程度不够深，不能将教材上所描述的知识和原理用图形、文字、声音、动画等方式形象直观地再现或模拟出来，缺乏启迪学生思维的有效手段和措施，难以起到应有的教育作用。

2．ICAI的主要特征

ICAI（Intelligent Computer Assisted Instruction）即智能计算机辅助教学。建立在建构主义理论基础上的ICAI是综合计算机科学、人工智能技术、教育心理学等多门学科的知识对学生实施教育的一门新的教育技术，是计算机辅助教学的发展方向。

ICAI系统让计算机模拟优秀教师的智能，将教学内容与教学策略分开，根据学生的认知模型提供的信息，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，为学生提供一个直观的学习环境。可以说，一个理想、完美的ICAI系统就是一个自主、优秀的教师。ICAI系统具有以下几个特征：

（1）能自动生成各种问题与练习；

（2）根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习的内容和进度；

（3）在了解教学内容的基础上自动解决问题，生成解答（而传统教学系统的解答都是预定的）；

（4）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；

（5）对教学内容有解释咨询能力；

（6）能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施；

（7）能评价学生的学习行为；

（8）能不断在教学中改善教学策略。

就现有的科学技术水平而言，短时期内显然无法实现具备上述全部功能的ICAI系统。一般认为，只要具有上述一个或几个特征的CAI系统就可以称之为ICAI系统。

3．ICAI系统的结构及工作原理

ICAI系统通常包括领域知识库、学生模块、教师模块和教学决策模块四个部分。其工作原理如图2所示。

图2

（1）领域知识模块

领域知识模块是由所讲授的具体领域知识构成的知识库。它的作用是组织、存放和管理所授领域的一切知识。如何采用有效的方法获取知识，采用统一的结构组织存储知识，能够较为科学地划分知识点，较为完整地表示知识的内容，最合适地反映知识点之间的内在联系，这是目前研究的热点问题。

（2）学生模块

学生模块是为了反映学生的知识基础、认知结构、认知特点等方面的情况而建立起来的数学模型。学生模块是智能化教学系统实施个别化教学的核心，是学生通过学习和测试后，系统对学生的知识水平、认知能力和学习历程等信息的表征。学生模块的作用是跟踪学生的学习过程，记录学生的学习状况，准确反映学生的学习进度、知识水平及认知能力，为系统实现个别化教学提供依据。

（3）教学决策模块

一个系统要有智能仅仅拥有领域知识是不够的，还应该能够很好地利用这些知识，即应用知识进行自动推理和求解问题。自动推理是人工智能中极其重要的一部分，是人工智能的主要研究内容之一，是实现智能性的基本技术。ICAI系统的智能推理主要由教学决策模块来体现。ICAI系统在教学决策方面，力求模拟优秀教师的智能，根据学生的学习进度、学习水平、学习能力，动态调整教学策略，提供适合每个学生个体的学习内容，实现智能化学习，即达到个别化教学和因材施教。教学决策模块是ICAI系统的智能核心，是整个教学系统的推理机，它是连接学生模块和领域知识库的智能桥梁。

（4）教师模块

教师模块主要体现了ICAI系统模型的开放性、可扩充性。一方面，教师可以查看学生的学习状况，了解学生的学习进度；另一方面，教师能够修改、更新领域知识库的内容，如修改相关的知识点，添加练习题和测试题。

三、结束语

目前，ICAI系统已经成为国际上计算机辅助教学研究的主要方向。伴随着网络技术、虚拟现实（virtual reality）技术的发展和应用，ICAI系统将由个别化的教学系统向智能远程教学系统发展，各种网络虚拟教室、虚拟实验室也会随之诞生。这会大大延伸教育的空间，提高教学的效果，降低教学的成本。

参考文献：

［1］　连纯华．从建构主义计算机辅助教学CAI的特点谈未来CAI课件的发展［J］．福建教育学院学报，2004（10）

［2］　周竹荣，张小真．ICAI与超文本的综合集成［J］．北京：计算机研究与发展，1998（8）

（原载于《科技信息（学术版）》，2006年第6期）