基于ＷＥＢ的ＩＴＳ中學(xué)生模型和教學(xué)策略的設(shè)計

【摘要】本文介紹了智能導(dǎo)師系統(tǒng)（ITS）的工作模式、系統(tǒng)構(gòu)成，構(gòu)建了一種ITS的學(xué)生模型，通過該模型系統(tǒng)可以自動建立相應(yīng)的教學(xué)策略，以實現(xiàn)智能化教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】ITS（智能導(dǎo)師系統(tǒng)），學(xué)生模型，教學(xué)策略，教學(xué)策略元素

【中圖分類號】G40-57【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B【論文編號】1009—8097（2007）05—0078—04

一、前言

目前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)大多都是課程內(nèi)容加一些簡單交流工具來實現(xiàn)，是課本內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)化版本。學(xué)習(xí)者只能按照預(yù)先設(shè)定好的學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行學(xué)習(xí)，不能對學(xué)生的各種疑問進(jìn)行相應(yīng)的分析、解答；沒有發(fā)揮教師的即時指導(dǎo)、監(jiān)督和調(diào)控作用。這種模式在某種程度上限制了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的發(fā)揮，系統(tǒng)不能根據(jù)學(xué)生的特點進(jìn)行因材施教，存在很大的局限性。

隨著人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，尤其是專家系統(tǒng)出現(xiàn)后，人們嘗試將人工智能應(yīng)用于教學(xué)，于是出現(xiàn)了ITS（智能導(dǎo)師系統(tǒng)：Intelligent Tutoring System）。ITS的用戶在學(xué)習(xí)過程中，具有高度的自主性，能夠自由選擇學(xué)習(xí)路徑和自定學(xué)習(xí)步調(diào)；系統(tǒng)又能根據(jù)學(xué)習(xí)者的特點對學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)進(jìn)度等提供合適的指導(dǎo)和幫助；通過ITS構(gòu)建的學(xué)生模型自動形成個性化的學(xué)習(xí)策略，解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的弊端，是一個全新的研究領(lǐng)域，代表了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展方向和趨勢。

二、ITS系統(tǒng)構(gòu)成

2．1．ITS的工作模式

ITS系統(tǒng)能夠根據(jù)不同學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，建立學(xué)習(xí)者的不同學(xué)生模型，確定最佳教學(xué)策略，并選擇最適合學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度，其一般工作模式為：

1）建立個人信息檔案庫：學(xué)習(xí)者通過人機(jī)界面，建立個人信息檔案庫，內(nèi)容包括：個人基本信息、愛好、心理狀況、生理狀況、學(xué)習(xí)計劃以及是否首次進(jìn)入系統(tǒng)等。

2）確定教學(xué)策略：在學(xué)習(xí)某知識點或?qū)W習(xí)完某知識點后，學(xué)習(xí)者進(jìn)行相應(yīng)知識點的測試，根據(jù)測試結(jié)果，確定具體的教學(xué)策略，系統(tǒng)自動從知識庫中抽取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容展開教學(xué)。

3）學(xué)習(xí)過程：學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中，系統(tǒng)能夠適時的對學(xué)習(xí)情況予以評價，達(dá)到預(yù)期教學(xué)目的時學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)繼續(xù)進(jìn)行；否則，分析錯誤原因，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決。如此循環(huán)往復(fù)模擬教師的教學(xué)過程，達(dá)到智能教學(xué)的目的。

1)2．2．ITS的系統(tǒng)構(gòu)成

ITS系統(tǒng)由6個功能模塊組成，即知識庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、教師模型、學(xué)生模型和人機(jī)界面等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1：

1）知識庫：存放教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)經(jīng)驗、推理規(guī)則等，是推理機(jī)制工作的基礎(chǔ)，是ITS系統(tǒng)的核心。

2）數(shù)據(jù)庫：存放例題、習(xí)題、試題和答案等，同時還存放學(xué)習(xí)者的個人信息，如歷史作業(yè)、測驗和考試情況等。

3）推理機(jī)制：是控制、協(xié)調(diào)整個ITS系統(tǒng)，并根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的學(xué)生信息，應(yīng)用知識庫中的知識，按確定的推理規(guī)則進(jìn)行推理，對學(xué)生進(jìn)行正確評估，生成各種提問的一組程序。推理機(jī)是ITS系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

4）學(xué)生模型：是系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是管理學(xué)生相關(guān)信息庫和測定學(xué)生的知識水平和學(xué)習(xí)能力，是系統(tǒng)實現(xiàn)智能化教學(xué)提供依據(jù)，它包括學(xué)生信息檔案庫和學(xué)生水平信息庫。當(dāng)學(xué)生進(jìn)行新知識的學(xué)習(xí)時，要對以往的學(xué)習(xí)歷史有一正確的評估測試，根據(jù)測試結(jié)果確定學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的內(nèi)容和難易程度，以達(dá)到最佳學(xué)習(xí)匹配。

5）教師模型：即為導(dǎo)航模型，它的主要功能是模仿教師的教學(xué)過程，根據(jù)學(xué)生模型反饋的學(xué)習(xí)信息，選擇相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略，并對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行提示、講解、答疑和控制教學(xué)的全過程。

6）機(jī)界面：學(xué)生與計算機(jī)交互對話的媒介。

三、學(xué)生模型的設(shè)計

3．1．學(xué)習(xí)者信息

在CELTS-11學(xué)習(xí)者模型規(guī)范中，學(xué)習(xí)者信息被劃分為八類，即：個人信息、學(xué)業(yè)信息、管理信息、關(guān)系信息、安全信息、偏好信息、績效信息和作品集信息。

在實際應(yīng)用中，用戶建模是獲取關(guān)于用戶知識的過程，學(xué)生模型并不是學(xué)生所有特征的真實表示，根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，依賴于它的用途，對滿足系統(tǒng)需要的特征因素加以描述和表示。并且這些特征可以用二進(jìn)制值、數(shù)值量、或者一個向量來進(jìn)行描述，這些因素通常有：學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)風(fēng)格、前驅(qū)知識、學(xué)習(xí)經(jīng)歷、學(xué)習(xí)信心以及學(xué)習(xí)動機(jī)等。

3．2．知識結(jié)構(gòu)表示

任何一門課程都是由一系列的知識點構(gòu)成的，為了考察對知識點的掌握情況，都有考察學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)程度的測試題，學(xué)習(xí)者對測試題的回答情況反映了學(xué)習(xí)者對該知識點的掌握程度。

一個知識節(jié)點可以分為很多知識子節(jié)點，這些子節(jié)點與父節(jié)點的關(guān)系有AND和OR兩種情況。如果一個節(jié)點只有當(dāng)其子節(jié)點全部實現(xiàn)時，該節(jié)點所表示的目標(biāo)才能實現(xiàn)，則這些后繼節(jié)點相對于這個父節(jié)點叫“與”（AND）節(jié)點，“與”節(jié)點用一條弧線連接起來；如果表示子目標(biāo)的后繼節(jié)點只要有一個實現(xiàn)，則父節(jié)點所表示的目標(biāo)就能實現(xiàn)，則這些后繼節(jié)點相對于父節(jié)點叫作“或”（OR）節(jié)點。一個有限的AND/ OR圖稱為知識結(jié)構(gòu)圖，知識結(jié)構(gòu)圖的節(jié)點對應(yīng)于課程的各知識點。如下面的知識結(jié)構(gòu)圖：

從圖中可以得知，節(jié)點1是節(jié)點2、3的父節(jié)點，2、3節(jié)點是1節(jié)點的子節(jié)點。2、3節(jié)點與1節(jié)點是“與”關(guān)系；4、6節(jié)點與2節(jié)點是“或”關(guān)系；1節(jié)點是2、3節(jié)點的前驅(qū)知識，而節(jié)點3表示的知識點又是4、5、7、8節(jié)點的前驅(qū)知識， 4、5、7、8節(jié)點表示的知識點是3節(jié)點的后繼知識。

3．3．學(xué)習(xí)者模型

美國著名的心理學(xué)家布盧姆將教學(xué)目標(biāo)分為三個領(lǐng)域內(nèi)容：認(rèn)知領(lǐng)域，動作技能領(lǐng)域和情感領(lǐng)域。其中認(rèn)知能力的

目標(biāo)按認(rèn)知活動的復(fù)雜程度可分為六個等級：識記、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評價。在構(gòu)造學(xué)生模型中，除了解決認(rèn)知能力的數(shù)據(jù)描述外，還要對認(rèn)知能力進(jìn)行定量評估與測量。根據(jù)布盧姆分類，我們用一個六元數(shù)組來定義學(xué)生模型為：

T = (a1，a2，a3，a4，a5，a6)

該模型的六元數(shù)組分別對應(yīng)學(xué)生對該課程的識記、理解等知識層的認(rèn)知程度。首先給出六種能力的不同權(quán)值，設(shè)定a1＝“識記能力”；a2＝“理解能力”；a3＝“具體的應(yīng)用能力”；a4＝“分析應(yīng)用能力”；a5＝“綜合使用能力”；a6＝“復(fù)雜的、綜合的應(yīng)用能力”。我們在系統(tǒng)初始化的時候付給出相應(yīng)的權(quán)值，例如在《DELPHI程序設(shè)計》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中，我們初始化其權(quán)值為：

a1＝0.11，a2=0.13，a3=0.16，a4=0.19，a5=0.20，a6=0.21

由認(rèn)知能力的權(quán)值組成權(quán)值矩陣：

T = (0.11，0.13，0.16，0.19，0.20，0.21)

根據(jù)測試結(jié)果得出各能力值所構(gòu)成的矩陣，如我們得到《DELPHI程序設(shè)計》中“OOP Pascal語句、語法”知識點的測試成績矩陣為：

S = (90，80，80，90，85，90)

計算可得：

X=T*S=0.11*90+0.13*80+0.16*80+0.19*90+0.20*85+0.21*90=83.1

我們設(shè)計五級評估指標(biāo)體系，五級指標(biāo)為：

A＝90～100，B=80～89，C=70～79，D=60～69，E＝0～59

對比X值，構(gòu)建出學(xué)生模型。該知識點測試的得分識83.1，屬于B級。

四、教學(xué)策略的產(chǎn)生

教學(xué)策略就是在不同的教學(xué)條件下達(dá)到不同的教學(xué)結(jié)果所采用的不同的方式、方法、媒體等，教學(xué)策略的選用由所教授知識以及學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)決定。作為網(wǎng)上教學(xué)系統(tǒng)的ITS必須有豐富的教學(xué)策略，同時必須準(zhǔn)確地描述教學(xué)策略適用何種知識(類型、難度等) 以及適合于具有什么樣認(rèn)知結(jié)構(gòu)的學(xué)生。

4．1．教學(xué)策略模板

教學(xué)策略元素是實現(xiàn)教學(xué)過程的一些基本元素，教學(xué)策略元素包括：陳述性教學(xué)策略元素和操作性教學(xué)策略元素。陳述性教學(xué)策略元素主要是陳述教學(xué)內(nèi)容以及相應(yīng)的評價信息等；操作性教學(xué)策略元素要求學(xué)習(xí)者積極參與，根據(jù)學(xué)習(xí)者參與的情況來決定下一步教學(xué)策略元素。如學(xué)習(xí)者對某知識點的測試題目進(jìn)行了解答，系統(tǒng)可以根據(jù)其回答情況來決定學(xué)習(xí)者下一步的活動，是繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)還是重新復(fù)習(xí)該知識點等。

教學(xué)策略模板由“教學(xué)策略元素”以一定的方式組成的。教學(xué)策略模板提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)化的教學(xué)序列框架，用于對某一類知識進(jìn)行教學(xué)。這一序列構(gòu)成了一個教學(xué)策略模板，該教學(xué)策略模板可以用于對概念性知識進(jìn)行教學(xué)。所有的教學(xué)策略模板存放在“教學(xué)策略模板庫”中。如表1所示：

這樣，我們將教學(xué)策略存放在數(shù)據(jù)庫中，除了定義標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)策略模板之外，系統(tǒng)還可以擴(kuò)充自定義的教學(xué)策略模板。由于有豐富的教學(xué)策略模板，可以根據(jù)不同的知識類型以及不同認(rèn)識水平的學(xué)習(xí)者選用合理的教學(xué)策略模板，從而實現(xiàn)教學(xué)智能化。此外，系統(tǒng)還可以將教學(xué)策略模板對不同知識類型和不同認(rèn)識能力的學(xué)習(xí)效果記錄下來加以分析。

4．2．自動生成教學(xué)策略

新的教學(xué)策略依賴于學(xué)生模型，我們設(shè)計了五級評價指標(biāo)，與之相對應(yīng)就有五種選擇路徑：

①當(dāng)X＝A時，表示學(xué)習(xí)者對該知識點掌握非常好，建議系統(tǒng)講解下一個知識點，并且加快進(jìn)度；

②當(dāng)X＝B時，學(xué)習(xí)者已經(jīng)較好掌握該知識點，系統(tǒng)建議講解下一個知識點；

③當(dāng)X＝C時，表示某些知識點沒有掌握，或者學(xué)習(xí)者已經(jīng)學(xué)完但是仍想進(jìn)行測試的，系統(tǒng)提示學(xué)習(xí)者繼續(xù)做測試題；

④當(dāng)X＝D時，說明學(xué)習(xí)者沒有掌握該知識點，必需重新學(xué)習(xí)該知識點的內(nèi)容；

⑤當(dāng)X＝E時，學(xué)習(xí)者沒有學(xué)習(xí)該知識點，或者學(xué)習(xí)效果很差，建議重新學(xué)習(xí)該知識點的內(nèi)容，并提供與該知識點有關(guān)的前驅(qū)知識。

由于不同教學(xué)單元的重點、難點不同，教學(xué)策略也應(yīng)因人而異。教學(xué)規(guī)則采用產(chǎn)生式規(guī)則表示，形式為1F……AND ……THEN ……，比如在《DELPHI程序設(shè)計》課程的“OOP Pascal語句”教學(xué)單元中，總的教學(xué)目標(biāo)為：綜合運用基本語句進(jìn)行程序設(shè)計。教學(xué)規(guī)則可如下表示：

IF <語法語句水平測試> = E

THEN <系統(tǒng)進(jìn)行概念講解、示例教學(xué)>

IF <語法語句水平測試> = D

AND<基本語法語義的應(yīng)用水平值> = D

THEN <復(fù)習(xí)概念、進(jìn)行語法練習(xí)>

IF <語法語句水平測試> = C

AND<簡單程序設(shè)計水平值> = D

THEN <側(cè)重做程序設(shè)計練習(xí)>

IF <語法語句水平測試> = A

AND<簡單程序設(shè)計水平值> = A

AND<下一講內(nèi)容難易程序> = B

THEN<講解下一講內(nèi)容且加快進(jìn)度>

……

五、結(jié)束語

我們通過建立學(xué)生模型，系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的表現(xiàn)自動形成教學(xué)策略，自動形成教學(xué)過程，從而實現(xiàn)了教學(xué)的智能化。這里只是簡單的表述了一級教學(xué)策略生成的規(guī)則，沒有具體細(xì)化到認(rèn)知目標(biāo)的六級分類（即ai）的指導(dǎo)策略，也沒有具體顯示知識點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系算法。這種教學(xué)策略只能通過相應(yīng)知識點試題測試來生成新的教學(xué)策略，并且對于系統(tǒng)管理員和教師要求較高。當(dāng)然對于智能教學(xué)策略生成在更深層的人機(jī)語言交互功能上還未考慮，并且該模型有待在實踐應(yīng)用中進(jìn)一步完善。

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