人工智能技术在计算机辅助教学中的应用研究

邵勇

【摘  要】 随着教育事业的发展，计算机技术被广泛应用在教育工作中，并由此产生了计算机辅助教学系统（简称CAI）。计算机辅助教学实际上是教师以计算机为教学媒体，引导学生利用计算机的交互对话进行学习。但是教师以往使用的CAI系统在教学模式、答案方面存在很大的局限，很难满足不同层次学生的学习需求。随着计算机科学以及人工智能技术（简称AI）的发展，人工智能在教育技术中得到了运用，它进一步完善了CAI系统，推动了我国教育事业的发展与革新。基于此，文章简要分析了人工智能技术，探讨了其在计算机辅助教学中的应用。

【关键词】 人工智能技术；计算机辅助教学；教学媒体

一、人工智能技术和计算机辅助教学系统（CAI）概述

（一）人工智能技术

人工智能在计算机科学中扮演着重要角色，是一门研究利用计算机模拟人类大脑功能的综合性学科。人工智能技术能够模拟人类的知识和行为，并学习、推理和解决相关问题。随着科技的进步，人工智能的利用频率越来越高，可以帮助人们更好地处理和推理问题，根据人们的需求，自动识别和处理各种信息，以便人们做出更科学、合理的选择；人工智能技术还可以借助相应的方法，设计并解决复杂的问题。一般而言，人们研究人工智能系统的目的在于提高其在信息处理、符号表达和问题求解等方面的效率。

（二）计算机辅助教学系统的特点及不足

计算机辅助教学系统（CAI）是教师以计算机为教学媒体并开展教学活动，其具有较强的交互性，教学的内容和形式十分多样，提供的教学信息具有一定的即时性。相较于其他媒体形式，CAI可以结合学生对知识的掌握程度以及理解差异，合理编制分支式教学方案，无论是提供的材料还是教学方法，都能满足学生的思维特征，也能基于学生的实际情况进行合理判断。与此同时，CAI还涉及了多媒体技术，可以将图片、文字和声频等融于一体，也可将同一教学信息以不同的形式呈现出来，这能够调动学生的感官，提升学生的理解能力。以往，教师采用的CAI是将教学信息全部通过编程的方式预置在课件中，课件一旦经过使用，很难进行更新与维护。特别是在CAI系统中，学生处于被动的学习状态，受计算机系统的影响。因此随着新技术的出现，原有CAI系统面临着很多挑战，比如适应能力有待提升、交互能力需要加强等。

二、人工智能技术和CAI的关系

通常情况下，人工智能技术可以将人类智能转化成计算机智能，教育者可以借助CAI或开展计算机智能化教学，形式化处理知识［1］。计算机智能还能实现对知识的推理，也就是智能化处理知识，通常被称为“知识工程”。CAI作为知识工程的重要组成部分，教育者将人工智能应用在CAI中，能够更好地发挥CAI的作用，实现因材施教。人工智能技术辅助CAI，又称为智能计算机辅助教学——ICAI（Intelligence Computer-Assisted lnstruction），其属于人工智能的一个分支领域，主要包括学生模型模块、教学决策模块等，无论是在教学辅导、模拟还是练习等教学模式中，都得到了广泛的应用。但是，当下的CAI系统，其智能化水平有待进一步提升。人工智能和CAI的关系如图1所示。

三、人工智能技术对教学领域的影响

计算机是一种高度复杂的信息处理设备，能够将复杂的信息转换成有序的结构，教学则是教育者将这些信息转换成有用的知识，并以此为基础，培养学生的思维能力和核心素养，因此教学活动在很大程度上是信息加工和计算的过程。从本质上看，计算机技术和教学研究存在十分密切的联系，基于信息加工的理念深入探究教学活动，可以获得如下启示：一方面，教學活动以知识传授为基础；另一方面，教学活动则以知识结构为基础［2］。

第一，人工智能技术对知识传授的影响。知识可以传递，人类对知识有着较强的接受能力。通常，人们以间接的方式获取知识，但这种方式无法像录音磁带一样进行有效的复制。在学习的过程中，学生需要运用大脑的联想机制来协调新学到的知识和已掌握的知识，这个过程可能会产生一些问题，教师需要及时地发现并纠正学生存在的问题。由此可见，教学还是一个交互反馈系统。通常，最佳的教学方法是，学生在教师的合理规划下，能够自主探索与实践，教师要让学生摆脱被动的学习状态，使之愿意有针对性、目的性地进行学习和探索。然而，该模式固然理想，但在实际教学中，学生很容易受到教师的影响，又因效率低下，以致很难实现因材施教。

随着现代教育的发展，因材施教成为提高教学有效性的主要方法之一。当下的计算机技术已经发展到可以智能地处理知识信息、明确相关概念并进行相应的推理，能够发挥智能导师系统的作用，帮助教育者优化、调整教学方法，对教学模式的创新也成为可能。智能导师系统包含多种模型，例如专家模块、人机界面模块、学生模块和教学模块。专家模块是教学系统中不可或缺的一部分，它负责传授领域知识，并解决相关问题；人机界面模块可以为学生提供适宜的学习环境，便于学生接受并理解知识内容；学生模块包含了记录学生学习情况的数据库，有利于教师结合学生的学习情况提供针对性的指导，可以进一步实现因材施教；教学模块则有较强的指导能力，可以及时地发现并纠正学生出现的错误，也能为学生提供更多自由的时间让其进行自主学习与探索，对学生的学习、发展十分有利。

第二，人工智能对知识结构的影响。目前，教学理论注重的是学生的认知规律与特点，教师应结合学生的实际情况开展教学工作，要了解学生的逻辑结构［3］。结合计算机编制程序的应用以及人工智能有关知识表示的研究成果可知，知识结构包括程序性知识结构、描述性知识结构两种。前者的复杂程度相对较高，该结构涉及了很多知识状态，要想掌握这类知识，仅凭教师灌输式的方法远远不够，还需要学生进行大量的练习。在练习环节，学校应配置专家，对学生进行测试、诊断，并及时地纠正学生出现的错误。某种意义上而言，进行计算机练习辅助教学十分重要；后者主要表现为一种网络状态，涉及了很多关联性的知识单元。描述性知识结构可以通过计算机存放一些描述类的内容，其顺序也可以被灵活地调整，同时能够描述多重关系，或者调动人体的多种感官，获得不同知识的关系结构，强化学生对知识的理解。

四、CAI中人工智能技术的相关应用

人工智能技术是一门通过计算机模拟人类智能活动，从而延伸了人类智能的科学，而知识的表示与推理是人工智能技术发展的前提。一直以来，人工智能系统是一个复杂程度很高的层次性集成系统，涉及了最基本的条件反射、各种感官以及最高级的抽象逻辑思维等多个部分，而符合人类认知习惯的多媒体信息，可以形象、完整地表示知识概念，也能以最快的速度传递概念，能够利用符合人们认知的方式加工、处理知识概念，促进了人们对知识概念的进一步理解［4］。教育者要想解决计算机的视觉、听觉等问题，帮助学生理解图像、自然语言等内容，还要引入相应的知识，如人工智能理论及其技术。

将人工智能与CAI有机地结合，可以形成智能计算机辅助教学系统，即ICAI，如图2所示。该系统能够为学生提供适宜、高效的学习环境，还可以结合学生的学习情况与特点，合理地使用有针对性的教学模式与策略。在此背景下，不同学生的学习与发展需求，都能得到满足；该系统还能诊断出学生的错误，明确其原因并及时地校正，这可以在一定程度上满足因材施教的教学要求，发挥个性化教学的作用。

ICAI可以对学生进行因材施教，对此教师不仅需要明确教学内容，还要了解学生的实际情况与各种教学方法，并基于此，制訂出一个有效、合理的教学模式。具体而言，教师需要先了解学生的实际水平，然后基于学情合理地选择教学模式，再结合教学模式明确教学内容，根据内容设定实验与问题。教师还应结合学生的实验完成结果合理地判断学生对知识的掌握程度，只有反复地操作、调整，才能确保教学内容达到教学要求、提高学生的学习质量与效率。

本研究以C语言程序设计课程的教学课件为例，该课件内容包含了第一章的基础知识到最后一章的文件部分，同时集成了各种算法。例如在课件C语言的经典算法中，选择法、排序算法等通过动画的形式进行呈现［5］。课件中插入了很多教师的讲解，不仅能基于重难点知识反复播放，学生还可以通过关键词检索到内容章节。可以认为，该课件便是由人工智能技术的智能引擎、数据智能检索和辅助教学有机结合而成的。在制作课件时，教师基于各章节的重难点知识以及学生的课堂表现，设定Wi、Ci等参数，其中i为1、2……n，分别代表的是教学重点权值、教学难点权值；然后设定函数f，学生便可计算出PI=f（Wi，Ci），其中I代表的是1、2……n；再假设实现不同章节的多媒体文件分别编译成的可执行文件名是file1.exe、file2.exe……filem.exe，其中m为章节文件。可以结合这一设定，得出如下规则：if（PI=1）then do file1.exe，else if（PI=2）then do file2.exe，else……这一步骤不仅发挥了智能引擎的功能，教师还可以结合学生的情况合理地调整教学进度，以取得更佳的教学效果。

五、ICAI系统的发展趋势

ICAI系统并非孤立存在的，而是伴随诸多技术和人工智能技术在诸多领域的应用发展形成的，具体的发展趋势如下：

第一，ICAI系统和网络技术有机结合。随着多媒体技术、Internet网络的发展，多媒体教育系统和Internet网络逐渐地有机融合。在此背景下，CAI系统不再独立发展，逐渐向多维网络空间拓展。当下，很多以Internet网络为基础的多媒体教育系统被应用到实际教学中，教师可以利用网络优势，实现学生的在线学习、与学生的实时讨论，并设置网上测试等任务，最后将网络CAI和智能CAI相融合，实现了取长补短、构成了全新的教育系统。

第二，ICAI系统对智能代理技术的运用。在ICAI系统中，人工智能技术的应用，不仅涉及了多媒体教学系统，还涉及了智能导航浏览、智能代理等多个领域，其可以帮助教师和学生进行更有效的教学、学习。智能代理技术是一种革命性的人工智能技术，可以在复杂的环境中运行，能够根据需要进行动态的调整，以满足不断变化的需求，同时能够与外部环境进行有效的交互。教育者充分发挥智能代理技术的作用，可以帮助学生快速、高效地查询知识信息，将智能代理技术全面渗透到ICAI系统中，能够大幅提高教学质量与学生的学习效率，以及教学的交互性、自主性。

六、结语

总而言之，教育者借助计算机辅助教学系统开展教学活动，虽然具有一定的优势，但也存在一些弊端，如计算机和学生缺少有机互动，学生仍处于被动的学习状态，教师无法全面、及时地了解学生的学习情况，不利于教学活动的高效开展。随着人工智能技术和计算机辅助教学系统的融合，教学模式不断得到优化，学生也进一步明确了知识框架，加之结合人工智能技术能够充分了解学生的优势与不足，因此教师可以因材施教，不仅提高了学生的学习能力，还改善了教学质量。

参考文献：

［1］ 张博奕. 人工智能技术在计算机辅助教学中的应用研究［J］. 轻纺工业与技术，2020，49（03）：177-178.

［2］ 李碧华. 人工智能技术在计算机辅助教学中的应用研究［J］. 电子制作，2018（18）：45-46.

［3］ 孙小英. 人工智能技术在计算机辅助教学中的应用研究［J］. 家长，2019（02）：24-25.

［4］ 王曦. 人工智能技术在计算机辅助教学中的应用［J］. 科技视界，2021（30）：80-81.

［5］ 谢宏，邵新海，李会芹. 人工智能技术在计算机辅助教学中的应用研究［J］. 电脑知识与技术，2017，13（17）：150-151.