浅析计算机辅助教学中人工智能的应用和对策

王远明

(黎明职业大学 信息与电子工程学院，福建 泉州 362000)

引言

随着高科技的发展，越来越多的多媒体被应用于各种行业，此前“阿尔法狗”击败世界围棋冠军柯洁的消息，再次引起人们对人工智能(AI)对教育影响的关注。人工智能是计算机发展带来的富有创新和挑战的一个领域。为了使教育行业更加符合社会发展的规律，人们开始把计算机引进教学领域并合理的加以运用。人工智能与教学专家系统的结合，促使人们将各种技术引入计算机辅助教学(CAI)中，这就是现在的智能计算机辅助教学(ICAI)。相较于传统的教学方式，智能型计算机辅助教学在空间上，有着更加广泛、更加宽阔的知识，在时间上有着更加深远的积淀。本文首先介绍人工智能和计算机辅助教学的概念和现状，并分析其现有问题；其次，从AI和CAI的相互联系，重点论述两者结合带来的影响和获得的成果；最后结合应用实例，深入认识ICAI具有的优势。

1 人工智能与计算机辅助教学

人工智能，简称AI，是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的一种科学，它是一种以计算机为分支，融合了数学伦理，心理，神经学等多门学科而形成的综合性学科。人工智能主要是运用计算机来模拟人类的思维、记忆、感知、推理等行为方式。从研究对象来说，主要包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统。现有的实际应用，包括指纹识别、人脸识别、视网膜识别、虹膜识别、机器视觉、专家系统、智能搜索、自动规划、定理证明、智能控制、语言和图像理解等。

计算机辅助教学，即CAI，从计算机技术逐渐被应用于教育领域, 就发展成为一种新兴的教育技术[1]。CAI利用计算机作为教学媒体工具进行教学活动，具有教学内容和形式多样化、适用性广、信息即时性强等特点。与其他教学媒体工具相比，CAI可以根据学生在教学活动中的差异和特点，得出分支型的教学程度信息，促使教师提供的教材和教学方法更适合学生的学习特点。CAI 最主要采用计算机多媒体技术，集图、文、声于一体，使同一教学内容能够以多种形式呈现在学生面前，同时快速的高速处理功能，也能够对学生的学习情况作出及时判断和分析。

2 人工智能计算机辅助教学的局限性

计算机辅助教学把人工智能应用进日常教学工作中，有以下几点局限：

2.1 缺乏人机交流

现在的人工智能是一种机械化的思维操作方式，它的存在只能说是一种仿生设计。这种计算机辅助日常教学工作在课件展示上缺乏最起码的人机交流，如在英语课堂上，老师会用计算机来播放英语歌曲或者有关某一单词的记忆法则。当前的人工智能，计算机只是在文字输入方面，通过大屏幕来展现老师所要表达的内容，并没有实际的人机交流。如果有学生提出通过这个单词可以衍生什么单词，你会想到哪些词语？计算机的回答就是没有回答。我们处在大数据时代，应该提高精准化，以数据为信息，进行更多宏观调控，加强更为科学的人机交流。

2.2 忽略课程本身

每一种课程都有它自身的特点。每一种课程的每一堂课也有不同的侧重点。如果使用千篇一律的课件而缺乏对课程本身的关注，千篇一律的教学方案将会压制课堂而无法充分调动学习气氛。身为一名老师，有一个重大的责任，就是让学生充分掌握课堂上的每一个内容。如果无法使人工智能充分发挥它本身的效果，那么将无法对日常教学提供辅助性的帮助。知识在具有传递性的同时也具有可接受性[2]，要进行专门的训练。比如通过一些技巧性的设问来加强学生对该知识的掌握。人工智能也应该具有一定的思维模式。针对一些老师无法解答的问题及时做出合理解释，充分发挥它在时间空间上的优势。重视课程本身，针对学生各方面数据进行分析，调整教学策略，优化学习的唯一性，真正做到“一对一”模式。

2.3 缺失教师与学生的互动

在现代的教学方式中有一种教学方式占主导，就是提前将班上的同学分为小组的形式，并且提前进行内容预习，然后在该节课堂上让学生依次提问，并给出合理的解释。如果有学生因为特殊原因没有及时的对文章进行预习。那么他将不会很好地掌握这门课，长此以往，将会失去预习的动力。当今的人工智能计算机在辅助日常教学工作中，主要是依靠学生自主学习；教师无法完全了解学生的疑问，学生也无法及时向教师提出自己的困惑。当前人工智能体系缺失互动环节。应该向学生与老师这两大主体方向发展，做到“全时”，跨越空间的互动教学，全面建成线上环境，全方位发展，提高效率。

2.4 普及困难

目前人工智能辅助教学体系还不够完善，资金投入需求大，要求家庭具有一定的经济实力。这对一些贫穷落后地区是不公平的，无疑会加剧文化差异，因为经济条件悬殊。假设现在一所慈善机构，打算给湖南一所山区学校捐赠，主要是以人工智能计算机辅助日常教学，但使用过程中，学校却无相关人员可以对设备进行维护。山区里的老师，也无法将这种设备的效能最大发挥出来。铁在铁匠手里可以打磨成刀具；在电焊工人手中将会制作成生活中常用的桌椅板凳等；在一些地区可以铸造成钱币。同等价值的东西在不同的人手中，会发生不同的效用。

2.5 发展不够完善

人工智能虽发展迅速，但由于它起步晚，所以辅助日常教学体系不够完全，主要倾向于单项[3]，无法根据学生的实际情况进行针对性的教学。这需要我们针对信息处理、符号处理、问题处理求解这些方面进行改善。加强人工智能的信息录入，以及信息输出和符号处理，主要是指计算机系统自身的设计框架编程等问题，求解主要是指学生与老师的互动，应当明确计算机辅助教学哪些内容。国家应该大力支持，制定相关政策进行保护；减少税收，增加技术发展的经济支持。

3 人工智能计算机辅助日常教学的改善

结合第1、2部分，我们可得出，随着人工智能、大数据、互联网等技术的迅速发展和应用，科学技术正极大地改变教育者与学习者之间的互动，甚至促进了教育形式的变革，因此如何改善人工智能计算机辅助教学的现状，显得尤为重要。

3.1 加强人机交互，提高效率

根据调查，当前人工智能技术在教育领域的应用，主要体现在语言识别、图像识别、定理证明、人机交互等方面，但是普遍存在的情况，是教师在教学活动中采用人工智能的过程十分生硬，应用效率低，缺乏实际操作。为此可以做出如下尝试：例如，可以让教师通过语言识别和语义分析技术，进行英语口语评估以及纠正、改进学生的英语发音，通过图像识别技术批改作业和试卷，通过人机交互技术在线解答学生的问题。据报道，美国佐治亚理工大学的机器人助教已能实现同学生在线沟通交流。

3.2 因材施教，个性化学习

因材施教是教学中重要的教学方法和教学原则。在教学中，教师根据学生的认知水平、学习能力和自身素质，选择适合每个学生的学习方法来进行有针对性的教学，但在应试教育大环境下，实施起来说易行难。人工智能介入后，大幅提高因材施教的可行性，可通过以下途径来实现个性化学习：(1)分析内容，构建知识地图。构建和优化学科内容模型、教学模型以及学生模型，建立知识图谱，每个知识点打上包括内容、学习时间、学习风格、内容质量、难易度、区分度等信息的标签，让用户更容易、更准确地找到适合自己的内容。(2)自适应学习，实现智能化推荐。人工智能通过计算机手段分析教学、作业、测评环节的学生数据，检测学生当前的学习水平和学习状态，匹配最合适的学习内容和路径，帮助学生提高学习效率。例如，美国著名的自适应平台Knewton，教师将自己的课程知识以Knewton的体系数字化，通过不断评估学生对知识点的掌握程度，为每个学生动态推荐合适的学习路径和内容，并抓取学生的学习数据，预估未来的学习程度，分析下一阶段应该学什么，以满足学生个性化的学习需求。

3.3 分析教学数据，优化教学资源

人工智能不仅可以节省教师的人力，提高教学效率，而且可以推动教学方法的改革。人工智能推动个性化教育，实现因材施教，已成为探索个性化教育的方向。然而，实现人工智能的关键是数据的收集和分析。教育数据来源于各种教育活动和整个教学过程。将人工智能应用于教育，首先面临的是数据采集问题。目前，教育数据有两种来源:一种来自数字教学环境，其中教与学数据是自然生成的；二是从传统的教学行为中收集教育信息并将其转化为数据。现在，随着互联网+教育的进一步发展，未来的教育数据将成为制约人工智能辅助教学发展的主要因素。

因此，作者提出以下建议:第一，利用人工智能的数据结构化技术，将当前收集的数据输入计算机进行分析。例如，学生做试卷、作业，经编译转成计算机可以处理和分析的数据。第二，保存好数据驱动个性化教学资源。利用大数据技术在教育平台上跟踪和关注教师和学生的教学、学习过程，记录教师和学生的课堂表现以及课下行为的数字化痕迹。第三是结构化优质教育资源。自适应教学产品的开发需要教学过程中的有效数据，自然状态下的教学过程数据是非结构化的，数据挖掘的维度不仅限于测试结果和作业，还包括学习路径、内容、规律、速度、偏好等深度数据。此外，不同数据点之间的关系也很复杂。系统拥有大量的学习数据，能够为学生诊断问题，最终将个性化的学习资源推送给学生。

3.4 深化和发展智能测评

随着信息技术和人工智能的发展，大数据、语言识别、字符识别、语义识别、图像识别等技术，使得规模化的自动批改和个性化反馈成为现实。首先，系统检查拼写和语法的错误，然后外教进行人工批改，对文章的思想、逻辑和表达方面提出建议。系统批改的结果不仅供教师参考，也供学生后续学习中参考。目前，智能测评系统，如我国科大讯飞、美国实时数学学习效果评测网站MathodiX，以及美国教育考试服务中心(ETS)，都已经有不错的实践用例。

4 结语

人工智能在教育领域应用是大势所趋。目前，已有的智能产品包括拍照搜题、作文批改、组卷阅卷、口语评测、作业布置、分层排课等，这些工具采用了先进的人工智能技术。虽然应用场景只停留在学习过程的辅助环节，但人工智能在计算机辅助教学中的应用将逐步深入，教学现代化与计算机辅助教学有着密切的关系。随着人工智能技术的发展，智能计算机辅助教学系统各个方面的发展都将更加显著，必将带来教学质量和效果的提高，带来学习理念和方式的改进。