ICAI技术研究及其展望

（青海大学，西宁，810016）

ICAI技术研究及其展望

李春梅

（青海大学，西宁，810016）

本文介绍了ICAI的发展，着重展示了ICAI各模块的技术，展望了在网络时代的新型的ICAI的新特点。

ICAI；知识库；学生模型；教师模型

1 ICAI的发展过程

自从 20 世纪 70 年代以来，美国、英国、加拿大和日本等都十分重视智能教学系统的研究、开发和应用。目前，智能教学系统的研究可以说仍然处于研究阶段，研究工作主要在大学和科研机构进行，其成果多为一些“展示型”系统，真正走出实验室并投入教学实践的智能教学系统并不是很多。上世纪80年代开始，对ICAI的研究主要在人工智能技术上，并开始引入了认知科学的知识，重点研究ICAI系统中的学生模块和教师模块，使得智能教学系统具有更好的交互和应答的灵敏性。90 年代以后，随着多媒体技术、人工智能理论和方法、网络技术以及通讯技术的发展，ICAI 系统的研究集中在了协作教学模式、建构学生模型和智能超媒体 ICAI 等方面，出现了基于专家系统的 ICAI 系统、基于Web技术网络化的 ICAI、基于各类操作系统的 ICAI 等技术领域的研究方向。随着 SCHOLAR 系统的研制成功，世界各国纷纷展开了 ICAI 系统的研究。

2 早期的ICAI研究

ICAI的基本模块是由知识库、学生模型和教师模型以及人机交互的界面等几部分构成,其基本结构如图1。其中，知识库是用于存放领域知识的；学生模型是用来存放学生的个人信息和学习情况及学习状态等；教师模型主要包括教学内容的组织和教学策略的指导，测试，评价等；知识库、学生模型、教师模型是ICAI的核心内容，本论文将从这三个方面研究ICAI的主要技术。

2.1 知识库

ICAI的知识库是教学内容，将章、节、小节及习题等以树型结构组织。知识库的设计是从起初静态向动态的方向进行发展的。大多数的ICAI系统按照知识点将教学内容进行分解，最终建立一个由知识点组成的关系树，在关系树中一个子树就对应一个教学单元；利用面向对象的继承关系建立知识点体系，知识点基本单位一般采用框架的语义网络形式来描述。在论文《基于本体的ICAI领域知识库的构建》中提出用本体的方法给出了知识库本体模型定义，构建基于本体的ICAI领域知识库。知识点本体模型是一个四元组，知识点教学本体模型是一个五元组,知识库模型DOKBM是一个六元组，即DOKBM::={ID，KPO，I，T，R，OP}，知识库是知识点的集合。这种知识库其内容随时间变化而变化，是动态的数据库。

随着计算机技术的不断发展，出现了网络技术与ICAI的结合，超文本的多媒体知识库成为了ICAI中采用最多的一种技术之一。

2.2 学生模型

学生模型一般采用偏差法或覆盖法来建立，动态更新学生信息，但采用更新过程中采用的技术随计算机网络技术和人工智能技术的发展在不断的变化。在论文“ICAI系统学生模型的设计”中，采用矢量法来实现学习结果的记录。具体的方法是进行构造已经掌握的指令所组成的矢量表,在矢量表中每一元素的值均表示一个学生对该指令的掌握程度。用7个数字分别表示学生学习结果的不同程度，如数字-3表示学生没有掌握某一指令,如数字0表示学生没有学习某一指令。

在论文”贝叶斯网络学生模型中存在无向环的更新”一文中，主要采用了贝叶斯网络以及结链树方法来动态更新学生模型。此文采用了改进的覆盖式法实现教学资源信息的构建，将一门课程划分为若干个知识项，给每个知识项附加 多 个权值( E,F,A,N)来表示某学生对一个知识项的掌握情况， 把覆盖型贝叶斯网络的学生模型的部分内容作为实例，经过图形转换算法得到一棵联结树以实现消息的传递、参数性能的评估等任务，从而完成ICAI学生模型的动态更新。在论文”神经网络专家系统在ICAI评价模型中的应用研究”中用神经网络的方式对学生六类认知能力进行评价，从而实现对学生模型的动态更新学生模型；在论文“基于学生模型的模糊综合评判方法研究”中，通过分级的方式，先使用模糊方式对六类认知能力进行评价，将结果和其他因素如学历、心情、学习环境等作为神经网络的输入结点，通过神经网络再次进行评判，来实现学生模型的动态更新。

2.3 教师模型

在论文“教师模型与学生模型的构造”中，教师模型是通过用矢量表示法来构造，即，每一道题目均采用一个十元组矢量来表示，其中1表示已经掌握该题，-1表示还没有掌握，0表示未涉及到的知识等。论文“基于Agent技术的智能计算机辅助教学系统”中，采用agent方式实现教师模型的设计，即<教师Agent＞::=

以上ICAI虽然比起CAI有了很大的改进，但是存在以下不足：

（1） 内容不丰富，不能全部代替教师。

（2） 教学方式没有创新，缺乏吸引力。

（3） 缺乏与老师、同学的交流。

（4） 依然不能实现因材施教。

3 网络时代的ICAI

国际上，美国，英国，日本，德国，马西，瑞典等国家投入大量的资金启动网络教育计划，基于网络的远程教育开始兴起。成功的典型的例子，美国麻省理工大学于2002年对外公开的OCW(OPEN COUREWARE)系统实现教师课件的共享，受到了广泛的支持和好评；2011年，麻省理工开发出M.I.T.X系统实现的无学历无学位的远程教育；2012年麻省理工大学和哈弗大学推出的MOOC（MASSIVE OPEN ONLINE COURSE），这第二个远程教育系统；但本系统没有同学、教师及同学之间的交互。我国的远程教育也以各高校开始研究和开展，实现了通过卫星转播各种直播课程或录播课程，虽然可以跨空间的享受同一课堂的教授和学习，但无法实现师生之间和学生之间的相互交流，虽然，通过宝利通等设备实现交互，但效果不是很受欢迎。最近，随着网络技术的进一步发展，由清华大学开发的OCS(ONLINE CLASSROOM SYSSTEM)软件作为成功的远程教育系统的代表案例已走出实验室，此系统具有完全实现了跨时间跨空间的网络授课，教师将课件上传至服务器，通过网络授课，可以在课件上“写写画画”，如同在黑板上讲课一样，中间可以播放视频和音频，上课的同时，学生可以通过网络平台与授课老师进行提问交流，同学之间也可通过网络进行讨论和交流，但均为文字的形式进行交流，无法实现视频和音频的交流。

4 将来的ICAI

虽然目前ICAI中已经跟各种与时俱进的网络技术和人工智能技术，如agent技术，贝叶斯网络技术，人工神经网络技术等融合在一起，但是，大部分研究依然处于实验室阶段，真正成为成熟的软件普及的产品还远远不够，而ICAI技术也还未达到真正意义上的实现因材施教。要做到真正的让计算机代替有经验的教师实现因材施教，还需要很长时间的努力，应具有如图2特性。

（1） 从知识库和考试题库及教学策略上应按不同学生的需求实现知识的分级，做到真正的因材施教；

（2） 借助网络技术，应该实现不同地点的学生实现跨空间的同堂授课，师生之间、同学之间进行语音交流或者视频交流；

（3） 计算机可以代替教师，解放教师。

（4） 在线及时进行测试，及时进行评价学生的学习效率，并建议学生及时调整学习策略和学习内容；

（5） ICAI的结构不再是传统意义上的“教师模型”“学生模型”“知识库”了，而是赋予了新的概念，新的技术。

（6） 内容十分新颖，很受学生欢迎。

[1] 阎萍.基于本体的ICAI领域知识库的构建,赣南师范学院学报[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