教学过程是一个复杂的教与学的思维过程。它需要教师 以其专门知识和经验为依据，经过吸收、讲解、推理、示例、 综合等多个步骤才能较好地完成。一个教学型专家系统的任 务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教学方 案和教学方法对学生进行教学和辅导。因此，从AI的角度看， 计算机辅助教学实际上是一个由计算机系统辅助教师进行教 学及学生进行学习并得以实现的“专家系统”。因而，在CAI 中引人AI思想，即使用专家系统的方法、工具，构建智能 CAI(即ICAI)。这样构建成的专家系统的主要特点是具有诊断 和调试修改功能、具有良好的人机界面。
·108·
计算机与信息技术
教育与培训
界面模块和智能接口模块组成。 (1) 专家模块 专家模块是一个专家系统，具有成熟的要进行传授的领
域知识以及对该领域各种问题的求解能力。此专家系统具有 如下功能：
1）能够根据学生模块提供的学生学习情况，通过智能系 统的搜索与推理，得出智能化的教学方法与教学策略；
2）能够较科学地评估学生的学习水平； 3）能够通过分析学生以往的学习兴趣和学习习惯，预测 学生的知识需求和常犯错误； 4）能够动态地将不同的学习内容、学习方法与不同的学 生匹配； 5）能够利用知识库的知识，按规则生成课题所需的内容， 所以可以把专家知识动态地提供给教学模块； 6）能够智能地分析学生错误的原因进而有针对地提出合 理的教学建议、学习建议以及改进方法。 (2) 学生模块 学生模块也是一个专家系统，具有记载学生学习状况的 知识库。它主要具有以下功能： 1）能够对学生学习的各个环节信息进行搜集，然后根据 搜集到的学生信息，通过一定的诊断方法，找出学生当前的 学习特征，从而便于进行解释指导和因材施教； 2）能够建立和更新学生模型，为后续教学提供依据； 3）能够记录学生的学习情况，以便专家系统对学生学习 情况进行自动评估。 (3) 教学模块 教学模块也是一个专家系统，它对于整个教学过程具有 指导能力，这种指导不仅非常灵活而且相当细致。此模块中 教学内容与教学策略分离，它的知识库中存储的是各种教学 策略，其功能为： 1) 教学教程中，系统可随时根据教学需要选择不同的教 学策略； 2）能够根据选出的教学策略，生成相应的教学内容； 3）能够将专家模块生成的教学内容和学生模块生成的学 生模型做对比，找出学生所缺少的知识，然后利用知识库中 的教学策略生成最合适的教学决策。 (4) 界面模块 界面模块能以喜闻乐见的形式为学习者提供方便的操作 环境，通过它来处理学习者与系统间的信息交流。对于一个 教学系统，界面的设计不但影响系统的可操作性，更重要的 是输入、输出方式能极大地影响发送题目的可理解程度。界 面模块的主要功能有： 1）教学模块做出教学决策后，界面模块能以一定形式将 教学内容发送出去； 2）能建立学生输入信息的方式，接收学生输入的信息。 (5) 智能接口模块
关键词 智能计算机辅助教学系统；人工智能；专家系统；推理机
1 引言
随着现代科技的飞速发展，多媒体计算机在教育领域得 到了广泛应用，并对教育、教学过程产生着深刻影响。为了 使教学改革能与之相适应，需要引入先进的教学手段，而使 用计算机辅助教学系统(Computer Aided Instruction, CAI)可以 提供理想的教学环境，容易激发学习者的学习积极性和主动 性，从而显著提高教学效果。多媒体技术的日益发展以及与 其它领先技术的结合，必然促进CAI的进一步发展。
1970年美国卡博奈尔开发的SCHOLAR系统，是世界上第 一个AI与CAI结合的案例。这是一个用于南美洲地理课程的 教学系统，SCHOLAR系统以大量的信息单元和描写事实组成 数据库，并按照这些信息单元的含义及其相互关系构成语义 网络，系统可以根据这些网络自动生成教学信息，该系统具 有较强的自然语言理解能力和逻辑推理能力，学生与该教学 系统可以进行较为自由的交互，系统在一定程度上理解并回 答学生的提问。
3 智能化计算机辅助教学系统(ICAI)
智 能 计 算 机 辅助 教 学 系 统 (Intelligent Computer Aided Instruction, ICAI)以认知学为理论基础，将AI技术应用于CAI， 是智能化的CAI。在ICAI系统中，学生的学习可以借助于智
能化计算机对大量知识进行选择、判断、处理，使学习内容 更有针对性，从而提高学习效果。
在智能CAI中，教学思想、方法、学习内容可用知识形 式表示，如何解决知识的形式化表示以及知识的访问与调用 问题，是AI的核心技术之一，也是将AI引入教育技术领域中 所要面临的一个问题。知识库是实现知识推理与专家系统的 基础，可以用知识库作为智能CAI的构建环境，在知识库中， 教学内容等的有关知识可以用事实与规则表示，并存储于知 识库内。教学与学习过程即是对知识库中的知识进行推理， 并最终得出所需结果的过程。由于专家系统主要是由知识库 与推理机组成的，因此，它也是智能计算机辅助教学系统的 核心技术。
教育与培训
计算机与信息技术
·107·
以多媒体的形式展现出来，教学信息是按预置的教学流程机 械式地提供给学习者，学习者使用CAI课件学习是完全被动 的。在课堂教学中，一般只能通过教师按预定的课件流程进 行操作，无论学生还是教师都不能很好地参与教与学的过程， 因此人机交互没有很好地实现。
（3）忽视课程本身的特点 各门课程在教学上有不同的要求，但现有课件对于这些 不同要求完全不予理会。例如很多课程都要涉及到大量的曲 线或曲面，对有些课程来说，将这些曲线或曲面给出一个简 单的展示就足够了，而有些课程这样的展示不能达到教学目 的的要求。例如：在讲授计算机图形学中各种曲线或曲面的 生成算法时，如果能在课件中直接动态地展示这些图形的生 成过程，充分发挥计算机辅助教学的优点，无疑会使计算机 图形学的教学更具有吸引力，从而大大提高教学效率。 （4）缺乏教师与学生的互动 现有CAI课件在学生自学以及进行操作使用时，如何学 习都是学生自己的事。教师不能完全了解学习者的情况，学 生在碰到问题时不能向教师求助，师生之间互相封闭，谈不 上师生互动，因此课件所起的效果大打折扣。同时由于缺乏 网络支持，现有的绝大多数CAI课件都是在单机环境下运行 的，它们无法利用网络的优势使知识内容快速更新，当然更 无法提供便捷的学习讨论空间、随时随地的师生交流方式以 及远程教学实现的条件。 （5）缺乏教学策略 在课件的开发过程中实际上离不开教学策略的设计，但 课件的制作者往往并未意识到这一点。例如：现有的绝大多 数课件都是单一的展播式的，这样的课件制作“精美”，但 它不可逆、不能互动。实际上运用课件教学只是手段而不是 目的，应该在教学设计理论的指导下讲求课件的实效性，着 眼点在于对学生学习新知识、掌握新技术、培养各种能力有 帮助，而不是表面上的制作“精美”。 （6）缺乏智能性 现有的CAI课件系统不能对不同程度的学生进行有针对 性的教育，学生的学习是被动的，不能由系统自动提供助学 信息而使学生有选择地学习。对教师而言，其教学不能积极 地参与其中，不能根据系统提供的信息按照学生的认知模型 为其准备最适合的学习内容，更不能给予不同方式的教学模 式与方法，因此不具有智能性。 综上所述，现有的CAI存在许多问题，随着新技术的不 断出现，这些问题将使CAI越来越不能适应新的要求。因此 以智能CAI为代表的新的计算机辅助教学系统将成为教育技 术上需要不断探求、努力实现的发展方向。
在国外，CAI课件已经广泛应用于学校和家庭中，并收
到了很好的效果。在我国，尽管CAI的研究起步较晚，但发 展很快，自上世纪80年代起，已有一批实力雄厚的高等院校 把CAI的发展列为重点研究课题。 2.2 计算机辅助教学的现状
CAI的实现需要应用AI技术及编制复杂的程序，如自然 语言理解、知识表示、推理方法等，一些AI技术的特殊应用 成果，如代数说明、符号合成、医疗诊断及理论证明等均被 应用于CAI系统，以提高其智能性和实用性。
·106·
计算机与信息技术
教育与培训
人工智能技术在计算机 辅助教学中的应用与实现
金聪 刘金安
（华中师范大学计算机科学系 武汉 430079）
摘 要 介绍了计算机辅助教学系统及其现状，分析了现代教育技术与传统教育模式的各自特点，探讨了ICAI的实现
原理及利用ICAI对教学的改进方案，并对智能计算机辅助教学系统进行了详细讨论，最后说明了将计算机技术、人工智能技 术与网络技术应用于教学过程的必然性、必要性和有效性。
使用文字识别、语音识别、自然语言理解等技术让学生
可以用自然语言与“智能导师”进行人机对话，其中实现的
一个智能计算机辅助教学系统能克服传统CAI系统的很 多缺陷，一般应具备如下特点：
(1) 能自动生成各种问题与练习； (2) 根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习内 容和进度； (3) 在了解教学内容的基础上自动解决问题，生成解答； (4) 具有自然语言生成与理解能力，以便实现比较自由的 教学问答系统，提高人机交互的主动性； (5) 对教学内容有解释咨询能力； (6) 能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施； (7) 能评价学生的学习行为； (8) 能评价教师的教学行为。 以现有的科技水平，无法实现具有上述全部特点的智能 计算机辅助教学系统。一般地，只要具备上述一个或几个特 点的CAI系统就可以称为智能计算机辅助教学系统。 大多数ICAI系统一般由专家模块、学生模块、教学模块、
早期绝大多数CAI课件大都使用决策理论和随机学习的 模式，它极大地简化了学习过程的表达形式。例如早期的地 质教学系统(SCHOCAR)等。后来，随着人工智能技术的发展， CAI系统中添加了学生的学习行为及训练策略，同时AI技术 被应用于建立学习顾问模块(存放所要教课程的问题和技能)。 这种方法能控制训练策略并给出适合学生的学习内容。目前 为了获取对课程知识表示和控制的灵活性和模块性，有些 CAI系统还用AI技术来表示训练计划和策略。例如多数程序 设计语言的CAI均属此例。
人工智能(Artificial Intelligence, AI)是20世纪50年代中期 兴起的一门新兴边缘科学，它既是计算机科学的一个分支， 又是计算机科学、控制论、信息论、语言学、神经生理学、 心理学、数学、哲学等多种学科相互渗透而发展起来的综合 性学科。人工智能又称为智能模拟，是用计算机系统模仿人 类的感知、思维、推理等思维活动。它研究和应用的领域包 括模式识别、自然语言理解与生成、专家系统、自动程序设 计、定理证明、联想与思维的机理、数据智能检索等。例如， 用计算机模拟人脑的部分功能进行学习、推理、联想和决策； 模拟医生给病人诊病的医疗诊断专家系统；机械手与机器人 的研究和应用等。