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摘要:討論人工智能在教學(xué)需求分析、學(xué)習(xí)者特征分析、教學(xué)方案設(shè)計(jì)、建立評(píng)估體系等方面的應(yīng)用，總結(jié)人工智能在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中帶來的效

關(guān)鍵詞:信息技術(shù)；人工智能；教學(xué)設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)科學(xué)

1引言

隨著科技的快速發(fā)展，信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越成熟，2012年MOOC的崛起也讓更多的人開始關(guān)注多媒體在教學(xué)方面的作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及多媒體設(shè)備的更新?lián)Q代，如今幾乎人人都能在多媒體設(shè)備上進(jìn)行學(xué)習(xí)，也讓線上教育成為被人們普遍接受的一種學(xué)習(xí)方式。近幾年來，線上教育在我國(guó)得到大范圍的推廣和普及。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得人工智能技術(shù)能應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣。隨著技術(shù)的成熟及社會(huì)需要，人工智能也被逐漸地應(yīng)用到教育領(lǐng)域。如利用人工智能的自然語言處理與XML技術(shù)結(jié)合，可以使得教學(xué)資源的智能檢索更為高效；以及利用計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)（ComputerAssistedAssessment，簡(jiǎn)稱CAA）輔助教學(xué)智能測(cè)評(píng)等[1]。人工智能可以利用電腦去對(duì)人的思維模式、推理及演算方法以及決策進(jìn)行模擬，讓計(jì)算機(jī)擁有近似于人類大腦的部分功能，完成一些以往只能通過人類的智慧才能完成的工作，一定程度上代替人力資源完成相關(guān)任務(wù)，為教育行業(yè)帶來極大的便捷。

2什么是人工智能

人工智能所涉及的領(lǐng)域較為廣泛，有認(rèn)知科學(xué)、不定性論、信息論、自動(dòng)化、生物學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、哲學(xué)、控制論、語言學(xué)等眾多學(xué)科，目前為止，人工智能主要研究范疇有智能搜索、感知問題、語言的學(xué)習(xí)與處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、推理、計(jì)算機(jī)視覺等。人工智能中最為成熟，同時(shí)在線上教育中應(yīng)用最為廣泛的是專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)也是近30年來人工智能領(lǐng)域發(fā)展起來的一種極具代表性的智能應(yīng)用系統(tǒng)。其主要研究方向是令計(jì)算機(jī)具有能夠模仿人類在某些領(lǐng)域的專家的能力，去解決相關(guān)領(lǐng)域一些專業(yè)性較強(qiáng)的問題。而在網(wǎng)絡(luò)教育中，專家系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、智能教學(xué)系統(tǒng)和智能化的硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)施四大模塊[2]。

3人工智能與教學(xué)需求分析

教學(xué)需求分析是教學(xué)設(shè)計(jì)的第一步，它能夠幫助教師明確教學(xué)目標(biāo)，有利于教師基于學(xué)習(xí)者的需求開發(fā)一系列課程。教學(xué)需求分析首先要進(jìn)行需求評(píng)估和目標(biāo)分析，需求評(píng)估可以為有效教學(xué)提供基本數(shù)據(jù)，目標(biāo)分析能夠以提出問題的方式確定學(xué)習(xí)者的特性及需求。在完成需求評(píng)估和目標(biāo)分析后便可進(jìn)行績(jī)效評(píng)估，識(shí)別出教學(xué)過程中不需要處理的問題，將課程的有效程度最大化。以往的教學(xué)需求分析往往是由專業(yè)的教學(xué)設(shè)計(jì)人員去執(zhí)行，從需求評(píng)估的規(guī)劃、數(shù)據(jù)收集和分析、總結(jié)，到目標(biāo)分析、評(píng)估比較，再到績(jī)效評(píng)估，整個(gè)過程的工作量較為龐大。特別是在做一些較為新型的課程的教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要收集大容量的數(shù)據(jù)樣本，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。隨著科技的發(fā)展，人工智能技術(shù)中專家系統(tǒng)的應(yīng)用，只要將原本收集好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用專家系統(tǒng)模擬教學(xué)設(shè)計(jì)專業(yè)人員的邏輯、推理、演算過程，能夠大量節(jié)省在教學(xué)需求分析過程中的時(shí)間和精力，為企業(yè)、學(xué)校等機(jī)構(gòu)節(jié)省人力物力資源。同時(shí)，人工智能系統(tǒng)能夠避免人們主觀意識(shí)對(duì)評(píng)估的影響，最大限度減少評(píng)估中由于個(gè)人情感問題帶來的誤差，增強(qiáng)教學(xué)需求分析過程中的客觀性。

4人工智能與學(xué)習(xí)者特征分析

學(xué)習(xí)者特征分析是教學(xué)設(shè)計(jì)里較為核心的一部分，被視為對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施的基本約束之一，也是理解教學(xué)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)[3]。以往傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)者特征分析是靠教學(xué)過程設(shè)計(jì)者或者教師本身來對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行特征分析，通過人工區(qū)分變量來分析其一般特征，然后逐步深層地對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行分析。雖然這些步驟在個(gè)體較少的情況下能夠?qū)⒐ぷ髯龅轿?，但其效率以及資源利用率非常低。在學(xué)習(xí)者數(shù)量較為龐大的情況下，則需要消耗大量的人力與物力。這種情況下利用信息技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行特征分析，能夠大大減少資源消耗，使資源利用最大化，提升整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)過程的效率。如在大型企業(yè)員工培訓(xùn)階段，由于員工的教育背景、工作經(jīng)驗(yàn)都有所差異，因此，他們?cè)谂嘤?xùn)期間的起點(diǎn)能力也有所不同。同時(shí)，每個(gè)人本身的學(xué)習(xí)風(fēng)格也有所不同，相同的培訓(xùn)內(nèi)容有可能會(huì)造成與某些學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)偏好相悖，導(dǎo)致培訓(xùn)效果不佳。對(duì)已經(jīng)進(jìn)入社會(huì)的成人學(xué)習(xí)者而言，他們的學(xué)習(xí)特征相比在校園的學(xué)生要更為復(fù)雜及多樣化。成人學(xué)習(xí)者往往對(duì)參與學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的動(dòng)機(jī)更為強(qiáng)烈，并且在時(shí)間的安排上也更為重視，多數(shù)成人學(xué)習(xí)者對(duì)效率的重視大于對(duì)學(xué)習(xí)本身所需要消耗的經(jīng)濟(jì)需求的重視。這一系列復(fù)雜多樣的特征，利用人工智能技術(shù)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后利用專家系統(tǒng)將相似特征的學(xué)習(xí)者進(jìn)行分類，有利于企業(yè)針對(duì)性地設(shè)計(jì)培養(yǎng)方案。在學(xué)習(xí)者的特征分析過程中，還有一些較為特殊的學(xué)習(xí)者，如有學(xué)習(xí)障礙的學(xué)習(xí)者，其中包括身體殘障人員（如有聽覺、視覺損傷）、語言障礙及智力障礙的學(xué)習(xí)人員以及部分在學(xué)習(xí)能力方面有缺陷的學(xué)習(xí)者。該類較為特殊的學(xué)習(xí)者在某些方面對(duì)自身學(xué)習(xí)能力的判斷欠缺準(zhǔn)確性。通過專家系統(tǒng)的輔助，利用大數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)υ擃悓W(xué)習(xí)者進(jìn)行一個(gè)較為準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)特征判斷。

5人工智能與教學(xué)方案的設(shè)計(jì)

隨著線上教育的普及，人們?cè)谑褂镁€上學(xué)習(xí)平臺(tái)的過程中也難免遇到各式各樣的問題。對(duì)具有不同特征的學(xué)習(xí)者應(yīng)該進(jìn)行區(qū)別教學(xué)，因此衍生出一系列在線上教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)中關(guān)于教學(xué)材料方面的問題。對(duì)學(xué)習(xí)者而言，選擇線上教育的一個(gè)主要因素就是能以較為便捷的方式，通過反復(fù)觀看課程內(nèi)容，來突破傳統(tǒng)課堂的空間、時(shí)間限制，彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂不具有反復(fù)性的不足。因此，大多數(shù)線上學(xué)習(xí)者并不愿意在學(xué)習(xí)一門課程前去做過多的知識(shí)準(zhǔn)備，而是希望已選的課程本身含有一些相關(guān)的基礎(chǔ)性內(nèi)容，以及課程外的一定程度上的擴(kuò)展。學(xué)習(xí)者的特征判斷，對(duì)于在線課程來說本身具有一定的難度。在最初，針對(duì)不同的學(xué)習(xí)者制定對(duì)應(yīng)的在線課程，主要是通過學(xué)習(xí)者的主動(dòng)選擇，以及依靠一些調(diào)查問卷的形式大致對(duì)該學(xué)習(xí)者的特征進(jìn)行判斷，然后為其推薦較為適合的課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。這樣的評(píng)估形式，準(zhǔn)確性往往較低，因此容易出現(xiàn)部分學(xué)習(xí)者對(duì)在線課程學(xué)習(xí)效果不滿的現(xiàn)象。出現(xiàn)這類問題的主要原因是教學(xué)方案或教學(xué)資源對(duì)學(xué)習(xí)者的適配性較低：一是學(xué)習(xí)者之間學(xué)習(xí)基礎(chǔ)存在差異，這也是學(xué)習(xí)過程中普遍存在的現(xiàn)象；二是學(xué)習(xí)者之間學(xué)習(xí)能力存在差異，在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)以及其他條件相同的情況下，學(xué)習(xí)能力之間的差異導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果差距較大。這兩大方面的問題在傳統(tǒng)線下課堂能夠通過學(xué)生課后主動(dòng)詢問教師，或者課堂上即時(shí)提問得到解決。對(duì)于線上課堂，這方面的即時(shí)解決能力則相對(duì)較差，因此在教學(xué)方案的準(zhǔn)備上就需要進(jìn)行區(qū)分。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)及人工智能等較為先進(jìn)的技術(shù)也逐漸被引進(jìn)教育領(lǐng)域，針對(duì)為不同的個(gè)體制訂不同的學(xué)習(xí)方案的問題，通過信息技術(shù)的應(yīng)用能夠得到有效解決。對(duì)于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同的學(xué)習(xí)者，如大學(xué)英語四級(jí)考試的相關(guān)在線課程，一些英語基礎(chǔ)較差的學(xué)生可能連基本語法知識(shí)的掌握都不到位，那么在準(zhǔn)備教學(xué)材料過程中，就應(yīng)該在此方面有所考量。對(duì)于這方面的判斷，通過人工形式一對(duì)一進(jìn)行考核工作量過大，而利用人工智能技術(shù)的專家系統(tǒng)，能夠?qū)W(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行一個(gè)較為準(zhǔn)確的判斷，再將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，通過智能決策系統(tǒng)進(jìn)行邏輯推理，為學(xué)生制訂最適合的教學(xué)方案。在課程的不同階段，通過人工智能技術(shù)能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，為其下一階段的學(xué)習(xí)制訂不同的教學(xué)方案。目前，這類技術(shù)在我國(guó)線上教育領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在學(xué)習(xí)者完成某一階段的學(xué)習(xí)后進(jìn)行智能測(cè)評(píng)，分析學(xué)習(xí)者的知識(shí)漏洞，然后針對(duì)性地為學(xué)習(xí)者推送下一套課程。這樣的動(dòng)態(tài)教學(xué)方案可以有效減少學(xué)生在課程的各個(gè)階段的知識(shí)盲點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)效率。人工智能技術(shù)還能將一些較為經(jīng)典的教學(xué)方案、教學(xué)資源和教學(xué)技能進(jìn)行整理，并為學(xué)生制定具有針對(duì)性的教學(xué)輔導(dǎo)[4]。對(duì)于學(xué)習(xí)能力不同的學(xué)習(xí)者，想要針對(duì)性地制訂較為適合其學(xué)習(xí)的教學(xué)方案，對(duì)于傳統(tǒng)課堂的教學(xué)模式來說較為困難。在傳統(tǒng)課堂上，一個(gè)班級(jí)里學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)異和學(xué)習(xí)成績(jī)較差的學(xué)生，很難通過教師對(duì)教案的制定來達(dá)到相對(duì)應(yīng)的解決效果，主要是由于傳統(tǒng)課堂在時(shí)間和空間上有限制。針對(duì)這一問題，性價(jià)比最高的解決方案便是利用線上教育，通過人工智能的專家系統(tǒng)相對(duì)較為快捷地對(duì)不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)習(xí)者制訂不同的學(xué)習(xí)方案。

6人工智能與評(píng)估體系的建立

在一個(gè)課程的結(jié)尾或者是課程中某一階段的最后部分，往往會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果做一個(gè)測(cè)試，同時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)教學(xué)過程的結(jié)果進(jìn)行一個(gè)評(píng)估，以測(cè)試學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)與技能的掌握和教學(xué)效果。以往這些工作同樣是由教學(xué)設(shè)計(jì)人員或者教師對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行評(píng)估，通過評(píng)估結(jié)果來了解學(xué)員實(shí)際解決問題的能力，并且從中得到學(xué)習(xí)者在相關(guān)培訓(xùn)課程中對(duì)教學(xué)效果的反饋。同樣，在學(xué)習(xí)者數(shù)目較為龐大的情況下，這一階段給評(píng)估者本身帶來巨大的工作量，并且因?yàn)闇y(cè)試體系的問題，測(cè)試結(jié)果本身也并非具有很高的代表性。同樣的一份測(cè)試題，在不同時(shí)間、不同學(xué)習(xí)階段給同一個(gè)學(xué)習(xí)者測(cè)試，得到的結(jié)果也不一樣。而對(duì)教學(xué)質(zhì)量的評(píng)估需要給出到科學(xué)、客觀、合理的評(píng)價(jià)。人工智能技術(shù)的應(yīng)用能很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)評(píng)估體系在這方面的不足[5]。因此，要對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)估，最好的方式是在學(xué)習(xí)過程中對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。綜合每一次的測(cè)試結(jié)果，以科學(xué)的算法進(jìn)行演算和推理，得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果。這樣貼身的評(píng)估系統(tǒng)，以傳統(tǒng)人為的方式實(shí)現(xiàn)成本過高。而通過計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)（CAA）系統(tǒng)的輔助，能夠讓學(xué)習(xí)者通過多媒體設(shè)備在設(shè)計(jì)好的學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，并記錄每一次評(píng)估的數(shù)據(jù)，讓學(xué)習(xí)者能夠準(zhǔn)確得知自己對(duì)知識(shí)和技能的掌握程度。同時(shí)，教師能及時(shí)得到教學(xué)效果的反饋，對(duì)教學(xué)效果有一個(gè)較為及時(shí)與準(zhǔn)確的了解。

7人工智能在教師教學(xué)過程與學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的應(yīng)用與展望

當(dāng)一個(gè)完整的教學(xué)設(shè)計(jì)方案完成時(shí)，其最終目的還是應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中。通過人工智能技術(shù)的輔助對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、改善之后，在教與學(xué)過程中也適當(dāng)加入人工智能系統(tǒng)的應(yīng)用，無論是實(shí)體課堂還是在線課堂，都能夠最大限度地發(fā)揮教學(xué)設(shè)計(jì)的價(jià)值，提高課堂效率。隨著未來人工智能的進(jìn)一步發(fā)展及普及，一些較為先進(jìn)的科技項(xiàng)目，如面部表情識(shí)別、人工智能語音系統(tǒng)等，若能有機(jī)地結(jié)合到課堂中，相信對(duì)教與學(xué)都能有質(zhì)的提升。對(duì)于教師而言，目前在線課堂教學(xué)過程中最大的問題就是無法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。在傳統(tǒng)課堂中，一名優(yōu)秀的教師能夠通過豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)狀態(tài)、精神集中程度等進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，從而對(duì)課堂教學(xué)過程進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。如今隨著信息技術(shù)的發(fā)展，即便不少在線課堂能夠?qū)崿F(xiàn)在教學(xué)過程中讓學(xué)生與教師通過彈幕、留言等形式進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，一些課堂學(xué)員數(shù)目較少的課程甚至可以進(jìn)行雙向視頻互動(dòng)，但依舊無法解決教師對(duì)課堂掌控程度不高的狀況。通過人工面部表情的智能識(shí)別，能夠運(yùn)用人工智能技術(shù)對(duì)學(xué)生在課堂中的注意力集中程度進(jìn)行判斷，有效提高在線課堂中教師對(duì)學(xué)生狀態(tài)的判斷，從而做出相對(duì)的措施以提高教學(xué)質(zhì)量。對(duì)學(xué)生而言，在線上課堂學(xué)習(xí)過程中往往會(huì)遇到一些知識(shí)點(diǎn)中的疑惑，無法及時(shí)向教師詢問從而得到解答。尤其是學(xué)員數(shù)量較為龐大的課程，教師往往無法兼顧所有學(xué)員進(jìn)行逐一答疑。通過人工智能技術(shù)對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行分析，再利用專家系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的問題與課程內(nèi)容進(jìn)行對(duì)應(yīng)歸類，能夠方便教師在課后對(duì)此類型的問題進(jìn)行統(tǒng)一解析；一些已經(jīng)解析過的問題則可以導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過專家系統(tǒng)的歸類后，直接將解答內(nèi)容發(fā)送給學(xué)生，以提高大型線上課程教學(xué)中對(duì)學(xué)生遇到的問題進(jìn)行答疑的效率。

8結(jié)語

人工智能作為目前計(jì)算機(jī)科學(xué)中一個(gè)較為火熱的研究領(lǐng)域，其研究?jī)?nèi)容依然在不斷擴(kuò)充，所涉及的范圍也在不斷擴(kuò)大。教育領(lǐng)域作為人類社會(huì)中極為重要的一個(gè)領(lǐng)域，人工智能這樣一項(xiàng)能給人類帶來極大幫助的技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)教育領(lǐng)域也在不斷革新，隨著教育信息化的不斷普及，人工智能不僅在教學(xué)設(shè)計(jì)中能夠得到廣泛應(yīng)用，在教育的各個(gè)方面也能帶來巨大的幫助。相信未來人工智能的不斷開發(fā)，能夠讓教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效率有更顯著的提升，讓教育領(lǐng)域在信息化時(shí)代能夠得到跨越式發(fā)展。

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作者：許力行 單位：廣州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育軟件學(xué)院研究生