ICAI技術研究及其展望

（青海大學，西寧，810016）

ICAI技術研究及其展望

李春梅

（青海大學，西寧，810016）

本文介紹了ICAI的發展，著重展示了ICAI各模塊的技術，展望了在網絡時代的新型的ICAI的新特點。

ICAI；知識庫；學生模型；教師模型

1 ICAI的發展過程

自從 20 世紀 70 年代以來，美國、英國、加拿大和日本等都十分重視智能教學系統的研究、開發和應用。目前，智能教學系統的研究可以說仍然處于研究階段，研究工作主要在大學和科研機構進行，其成果多為一些“展示型”系統，真正走出實驗室并投入教學實踐的智能教學系統并不是很多。上世紀80年代開始，對ICAI的研究主要在人工智能技術上，并開始引入了認知科學的知識，重點研究ICAI系統中的學生模塊和教師模塊，使得智能教學系統具有更好的交互和應答的靈敏性。90 年代以后，隨著多媒體技術、人工智能理論和方法、網絡技術以及通訊技術的發展，ICAI 系統的研究集中在了協作教學模式、建構學生模型和智能超媒體 ICAI 等方面，出現了基于專家系統的 ICAI 系統、基于Web技術網絡化的 ICAI、基于各類操作系統的 ICAI 等技術領域的研究方向。隨著 SCHOLAR 系統的研制成功，世界各國紛紛展開了 ICAI 系統的研究。

2 早期的ICAI研究

ICAI的基本模塊是由知識庫、學生模型和教師模型以及人機交互的界面等幾部分構成,其基本結構如圖1。其中，知識庫是用于存放領域知識的；學生模型是用來存放學生的個人信息和學習情況及學習狀態等；教師模型主要包括教學內容的組織和教學策略的指導，測試，評價等；知識庫、學生模型、教師模型是ICAI的核心內容，本論文將從這三個方面研究ICAI的主要技術。

2.1 知識庫

ICAI的知識庫是教學內容，將章、節、小節及習題等以樹型結構組織。知識庫的設計是從起初靜態向動態的方向進行發展的。大多數的ICAI系統按照知識點將教學內容進行分解，最終建立一個由知識點組成的關系樹，在關系樹中一個子樹就對應一個教學單元；利用面向對象的繼承關系建立知識點體系，知識點基本單位一般采用框架的語義網絡形式來描述。在論文《基于本體的ICAI領域知識庫的構建》中提出用本體的方法給出了知識庫本體模型定義，構建基于本體的ICAI領域知識庫。知識點本體模型是一個四元組，知識點教學本體模型是一個五元組,知識庫模型DOKBM是一個六元組，即DOKBM::={ID，KPO，I，T，R，OP}，知識庫是知識點的集合。這種知識庫其內容隨時間變化而變化，是動態的數據庫。

隨著計算機技術的不斷發展，出現了網絡技術與ICAI的結合，超文本的多媒體知識庫成為了ICAI中采用最多的一種技術之一。

2.2 學生模型

學生模型一般采用偏差法或覆蓋法來建立，動態更新學生信息，但采用更新過程中采用的技術隨計算機網絡技術和人工智能技術的發展在不斷的變化。在論文“ICAI系統學生模型的設計”中，采用矢量法來實現學習結果的記錄。具體的方法是進行構造已經掌握的指令所組成的矢量表,在矢量表中每一元素的值均表示一個學生對該指令的掌握程度。用7個數字分別表示學生學習結果的不同程度，如數字-3表示學生沒有掌握某一指令,如數字0表示學生沒有學習某一指令。

在論文”貝葉斯網絡學生模型中存在無向環的更新”一文中，主要采用了貝葉斯網絡以及結鏈樹方法來動態更新學生模型。此文采用了改進的覆蓋式法實現教學資源信息的構建，將一門課程劃分為若干個知識項，給每個知識項附加 多 個權值( E,F,A,N)來表示某學生對一個知識項的掌握情況， 把覆蓋型貝葉斯網絡的學生模型的部分內容作為實例，經過圖形轉換算法得到一棵聯結樹以實現消息的傳遞、參數性能的評估等任務，從而完成ICAI學生模型的動態更新。在論文”神經網絡專家系統在ICAI評價模型中的應用研究”中用神經網絡的方式對學生六類認知能力進行評價，從而實現對學生模型的動態更新學生模型；在論文“基于學生模型的模糊綜合評判方法研究”中，通過分級的方式，先使用模糊方式對六類認知能力進行評價，將結果和其他因素如學歷、心情、學習環境等作為神經網絡的輸入結點，通過神經網絡再次進行評判，來實現學生模型的動態更新。

2.3 教師模型

在論文“教師模型與學生模型的構造”中，教師模型是通過用矢量表示法來構造，即，每一道題目均采用一個十元組矢量來表示，其中1表示已經掌握該題，-1表示還沒有掌握，0表示未涉及到的知識等。論文“基于Agent技術的智能計算機輔助教學系統”中，采用agent方式實現教師模型的設計，即<教師Agent＞::=

以上ICAI雖然比起CAI有了很大的改進，但是存在以下不足：

（1） 內容不豐富，不能全部代替教師。

（2） 教學方式沒有創新，缺乏吸引力。

（3） 缺乏與老師、同學的交流。

（4） 依然不能實現因材施教。

3 網絡時代的ICAI

國際上，美國，英國，日本，德國，馬西，瑞典等國家投入大量的資金啟動網絡教育計劃，基于網絡的遠程教育開始興起。成功的典型的例子，美國麻省理工大學于2002年對外公開的OCW(OPEN COUREWARE)系統實現教師課件的共享，受到了廣泛的支持和好評；2011年，麻省理工開發出M.I.T.X系統實現的無學歷無學位的遠程教育；2012年麻省理工大學和哈弗大學推出的MOOC（MASSIVE OPEN ONLINE COURSE），這第二個遠程教育系統；但本系統沒有同學、教師及同學之間的交互。我國的遠程教育也以各高校開始研究和開展，實現了通過衛星轉播各種直播課程或錄播課程，雖然可以跨空間的享受同一課堂的教授和學習，但無法實現師生之間和學生之間的相互交流，雖然，通過寶利通等設備實現交互，但效果不是很受歡迎。最近，隨著網絡技術的進一步發展，由清華大學開發的OCS(ONLINE CLASSROOM SYSSTEM)軟件作為成功的遠程教育系統的代表案例已走出實驗室，此系統具有完全實現了跨時間跨空間的網絡授課，教師將課件上傳至服務器，通過網絡授課，可以在課件上“寫寫畫畫”，如同在黑板上講課一樣，中間可以播放視頻和音頻，上課的同時，學生可以通過網絡平臺與授課老師進行提問交流，同學之間也可通過網絡進行討論和交流，但均為文字的形式進行交流，無法實現視頻和音頻的交流。

4 將來的ICAI

雖然目前ICAI中已經跟各種與時俱進的網絡技術和人工智能技術，如agent技術，貝葉斯網絡技術，人工神經網絡技術等融合在一起，但是，大部分研究依然處于實驗室階段，真正成為成熟的軟件普及的產品還遠遠不夠，而ICAI技術也還未達到真正意義上的實現因材施教。要做到真正的讓計算機代替有經驗的教師實現因材施教，還需要很長時間的努力，應具有如圖2特性。

（1） 從知識庫和考試題庫及教學策略上應按不同學生的需求實現知識的分級，做到真正的因材施教；

（2） 借助網絡技術，應該實現不同地點的學生實現跨空間的同堂授課，師生之間、同學之間進行語音交流或者視頻交流；

（3） 計算機可以代替教師，解放教師。

（4） 在線及時進行測試，及時進行評價學生的學習效率，并建議學生及時調整學習策略和學習內容；

（5） ICAI的結構不再是傳統意義上的“教師模型”“學生模型”“知識庫”了，而是賦予了新的概念，新的技術。

（6） 內容十分新穎，很受學生歡迎。

[1] 閻萍.基于本體的ICAI領域知識庫的構建,贛南師范學院學報[J],2006年第6期，99-100

Research Of ICAI Technology And Its Prospects

Li Chunmei
(Qinghaiuniversity,Qinghai,xi’ning,810016)

We introduce the development of ICAI.Focuses on we show every model of ICAI and prospect the new characteristics of network ICAI.

ICAI；student model；teacher model；knowledge base