《智能教学系统》PPT课件.ppt

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1、 智能教学系统智能教学系统（Intelligent Tutoring System)赵建华赵建华华南师范大学教育信息技术学院华南师范大学教育信息技术学院Email:1探讨智能教学系统的目的探讨智能教学系统的目的 我国计算机辅助教学开发领域的现状我国计算机辅助教学开发领域的现状我国计算机辅助教学开发领域的现状我国计算机辅助教学开发领域的现状 电子教科书（书本搬家）电子教科书（书本搬家）电子教科书（书本搬家）电子教科书（书本搬家）知识的呈现、选择等缺乏灵活性知识的呈现、选择等缺乏灵活性知识的呈现、选择等缺乏灵活性知识的呈现、选择等缺乏灵活性 领域发展的要求领域发展的要求领域发展的要求领域发展的要求

2、 缺乏研究的连续性缺乏研究的连续性缺乏研究的连续性缺乏研究的连续性 缺乏跟踪、对比研究缺乏跟踪、对比研究缺乏跟踪、对比研究缺乏跟踪、对比研究 教学发展的需要教学发展的需要教学发展的需要教学发展的需要 提供适应性、灵活性的教学环境提供适应性、灵活性的教学环境提供适应性、灵活性的教学环境提供适应性、灵活性的教学环境 有利于学生个体、群体的发展有利于学生个体、群体的发展有利于学生个体、群体的发展有利于学生个体、群体的发展 有利于实现教学的智能化有利于实现教学的智能化有利于实现教学的智能化有利于实现教学的智能化2内容提要内容提要什么是智能教学系统什么是智能教学系统专家模块专家模块学生模型学生模型课程与

3、教学模块课程与教学模块智能教学系统发展的现状智能教学系统发展的现状智能教学系统发展的发展趋势智能教学系统发展的发展趋势3什么是智能教学系统什么是智能教学系统计算机辅助教学计算机辅助教学计算机辅助教学计算机辅助教学(Computer Assisted(Computer Assisted Instruction,CAI)Instruction,CAI)计算机辅助教学发源于斯金纳的（计算机辅助教学发源于斯金纳的（计算机辅助教学发源于斯金纳的（计算机辅助教学发源于斯金纳的（SkinnerianSkinnerian）“刺激刺激刺激刺激-反应反应反应反应”心理学。心理学。心理学。心理学。“学生的反应可以用

4、来判定教学传播过程的有效性，学生的反应可以用来判定教学传播过程的有效性，学生的反应可以用来判定教学传播过程的有效性，学生的反应可以用来判定教学传播过程的有效性，同时也可以采用恰当的矫正学生的学习行为同时也可以采用恰当的矫正学生的学习行为同时也可以采用恰当的矫正学生的学习行为同时也可以采用恰当的矫正学生的学习行为”（Crowder,1959Crowder,1959）。）。）。）。教师事先构造了程序中的所有分支。教师事先构造了程序中的所有分支。教师事先构造了程序中的所有分支。教师事先构造了程序中的所有分支。4计算机辅助教学的模式图计算机辅助教学的模式图开始开始开始开始课课课课 程程程程问题的呈现问

5、题的呈现问题的呈现问题的呈现解决方案的解决方案的解决方案的解决方案的比较比较比较比较学生的学生的学生的学生的答案答案答案答案计算机的计算机的计算机的计算机的答案答案答案答案反馈的反馈的反馈的反馈的展示展示展示展示如果正确如果正确如果正确如果正确如果错误如果错误如果错误如果错误反反反反 馈馈馈馈5智能计算机辅助教学（智能计算机辅助教学（智能计算机辅助教学（智能计算机辅助教学（ICAIICAI）从线性从线性从线性从线性CAICAI到复杂的、分支性到复杂的、分支性到复杂的、分支性到复杂的、分支性CAICAI，从基本的，从基本的，从基本的，从基本的ICAIICAI到到到到具有自治（具有自治（具有自治（

6、具有自治（AutonomousAutonomous）功能的）功能的）功能的）功能的ICAIICAI，它们是一，它们是一，它们是一，它们是一脉相承的（脉相承的（脉相承的（脉相承的（Wenger,1987Wenger,1987）。）。）。）。人工智能是应用计算机模型来研究人类智力能力人工智能是应用计算机模型来研究人类智力能力人工智能是应用计算机模型来研究人类智力能力人工智能是应用计算机模型来研究人类智力能力”（Charniak&McDermott,1985Charniak&McDermott,1985）ICAIICAI和和和和ITSITS是两个可以互换的名称，二者的细微区别是两个可以互换的名称，二

7、者的细微区别是两个可以互换的名称，二者的细微区别是两个可以互换的名称，二者的细微区别在于：在于：在于：在于：ITSITS是是是是ICAIICAI的特例。的特例。的特例。的特例。ITSITS的基本组件：的基本组件：的基本组件：的基本组件：专门知识（专家模型）专门知识（专家模型）专门知识（专家模型）专门知识（专家模型）学生的知识（学生模型）学生的知识（学生模型）学生的知识（学生模型）学生的知识（学生模型）教学策略知识（导师）。教学策略知识（导师）。教学策略知识（导师）。教学策略知识（导师）。6ITS模式图模式图开始开始开始开始课课课课 程程程程呈现问题呈现问题呈现问题呈现问题方案的比较方案的比较方

8、案的比较方案的比较学生的学生的学生的学生的解决方案解决方案解决方案解决方案更新学更新学更新学更新学习标记习标记习标记习标记导师导师领域专家领域专家领域专家领域专家领域专家领域专家学生模型学生模型更新学生更新学生更新学生更新学生技能模型技能模型技能模型技能模型呈现反馈呈现反馈呈现反馈呈现反馈生成问题生成问题生成问题生成问题偏差库偏差库偏差库偏差库计算机的计算机的计算机的计算机的解决方案解决方案解决方案解决方案学生顾问学生顾问学生顾问学生顾问7专家模块专家模块提供同领域知识知识相联系的接口。领域知识镶提供同领域知识知识相联系的接口。领域知识镶提供同领域知识知识相联系的接口。领域知识镶提供同领域知识

9、知识相联系的接口。领域知识镶嵌在系统中，代表专家知识及其问题解决的特点。嵌在系统中，代表专家知识及其问题解决的特点。嵌在系统中，代表专家知识及其问题解决的特点。嵌在系统中，代表专家知识及其问题解决的特点。简单的专家系统（简单的专家系统（简单的专家系统（简单的专家系统（Expert System)Expert System)使用者使用者使用者使用者用户接口用户接口用户接口用户接口推理引擎推理引擎推理引擎推理引擎知识库知识库知识库知识库8包含三个基本组件：包含三个基本组件：包含三个基本组件：包含三个基本组件：用户接口：满足用户和系统之间交互的需要用户接口：满足用户和系统之间交互的需要用户接口：满足

10、用户和系统之间交互的需要用户接口：满足用户和系统之间交互的需要 推理机制：提供对知识库的解释，其结果用于对问推理机制：提供对知识库的解释，其结果用于对问推理机制：提供对知识库的解释，其结果用于对问推理机制：提供对知识库的解释，其结果用于对问题的展示。题的展示。题的展示。题的展示。知识库：是专家系统的核心组件，包含许多针对某知识库：是专家系统的核心组件，包含许多针对某知识库：是专家系统的核心组件，包含许多针对某知识库：是专家系统的核心组件，包含许多针对某些应用问题的解决方案。些应用问题的解决方案。些应用问题的解决方案。些应用问题的解决方案。知识展示的策略：知识展示的策略：知识展示的策略：知识展示

11、的策略：IF-thenIF-then规则：称之为产生式规则，其模式为规则：称之为产生式规则，其模式为规则：称之为产生式规则，其模式为规则：称之为产生式规则，其模式为If If 条件条件条件条件 then then 结论结论结论结论 If-thenIf-then伴随一定的不确定性伴随一定的不确定性伴随一定的不确定性伴随一定的不确定性产生式规则伴随一定的不确定性。产生式规则伴随一定的不确定性。产生式规则伴随一定的不确定性。产生式规则伴随一定的不确定性。9例如：例如：例如：例如：如果打开开关，电灯有如果打开开关，电灯有如果打开开关，电灯有如果打开开关，电灯有80%80%亮的可能。亮的可能。亮的可能。

12、亮的可能。语义网络表示（语义网络表示（语义网络表示（语义网络表示（semantic network representation)semantic network representation)方法：一系列的节点通过有标记的线段（或弧线）连接起来，用以表方法：一系列的节点通过有标记的线段（或弧线）连接起来，用以表方法：一系列的节点通过有标记的线段（或弧线）连接起来，用以表方法：一系列的节点通过有标记的线段（或弧线）连接起来，用以表示两节点间的联系。示两节点间的联系。示两节点间的联系。示两节点间的联系。支持继承（支持继承（支持继承（支持继承（InheritanceInheritance）关系）关

13、系）关系）关系 基于框架表示（基于框架表示（基于框架表示（基于框架表示（Frame-based representationFrame-based representation）框架包含属性和数值的大小两部分，可以看作是语义网络的延伸。框架包含属性和数值的大小两部分，可以看作是语义网络的延伸。框架包含属性和数值的大小两部分，可以看作是语义网络的延伸。框架包含属性和数值的大小两部分，可以看作是语义网络的延伸。例如：例如：例如：例如：Frame Mini City Frame Mini City Instance ofInstance of Car CarAttribute:Number of d

14、oors twoAttribute:Number of doors twoAttribute:number of seats fourAttribute:number of seats fourAttribute:color whiteAttribute:color whiteAttribute:engine size 1000ccAttribute:engine size 1000cc 框架表示比语义网络表示更加简单，并且可以合并于产生式规则中。框架表示比语义网络表示更加简单，并且可以合并于产生式规则中。框架表示比语义网络表示更加简单，并且可以合并于产生式规则中。框架表示比语义网络表示更加简

15、单，并且可以合并于产生式规则中。10学生模型学生模型什么是学生模型什么是学生模型什么是学生模型什么是学生模型 在在在在ITSITS中，表示学生当前知识状态的模块叫学生模型。中，表示学生当前知识状态的模块叫学生模型。中，表示学生当前知识状态的模块叫学生模型。中，表示学生当前知识状态的模块叫学生模型。对学生模型进行推理的模块叫诊断。学生模型是一个对学生模型进行推理的模块叫诊断。学生模型是一个对学生模型进行推理的模块叫诊断。学生模型是一个对学生模型进行推理的模块叫诊断。学生模型是一个数据结构，诊断则是对学生模型操纵过程。数据结构，诊断则是对学生模型操纵过程。数据结构，诊断则是对学生模型操纵过程。数据

16、结构，诊断则是对学生模型操纵过程。判断学生当前对学科领域的理解状态。描述当前学生判断学生当前对学科领域的理解状态。描述当前学生判断学生当前对学科领域的理解状态。描述当前学生判断学生当前对学科领域的理解状态。描述当前学生的知识状态的数据被储存在学生模型中。的知识状态的数据被储存在学生模型中。的知识状态的数据被储存在学生模型中。的知识状态的数据被储存在学生模型中。学生模型的建构学生模型的建构学生模型的建构学生模型的建构 误解：学生有，专家没有。误解：学生有，专家没有。误解：学生有，专家没有。误解：学生有，专家没有。缺失：可以被专家处理，但学生不能。缺失：可以被专家处理，但学生不能。缺失：可以被专家

17、处理，但学生不能。缺失：可以被专家处理，但学生不能。11学生模型的种类学生模型的种类学生模型的种类学生模型的种类 覆盖模型（覆盖模型（覆盖模型（覆盖模型（Overlay ModelOverlay Model）：）：）：）：适用于必备教学材料展示的场合适用于必备教学材料展示的场合适用于必备教学材料展示的场合适用于必备教学材料展示的场合 学生知识看作是专家知识的子集，导师的目标是扩大这一子集。学生知识看作是专家知识的子集，导师的目标是扩大这一子集。学生知识看作是专家知识的子集，导师的目标是扩大这一子集。学生知识看作是专家知识的子集，导师的目标是扩大这一子集。12 缺陷缺陷缺陷缺陷 学生不能学习专家

18、不知道的知识学生不能学习专家不知道的知识学生不能学习专家不知道的知识学生不能学习专家不知道的知识 忽视了学生理解知识的误解或偏差忽视了学生理解知识的误解或偏差忽视了学生理解知识的误解或偏差忽视了学生理解知识的误解或偏差 微分模型（微分模型（微分模型（微分模型（Differential ModelDifferential Model）微分模型是覆盖模型的扩展，知识被区分为学生探索或没有探微分模型是覆盖模型的扩展，知识被区分为学生探索或没有探微分模型是覆盖模型的扩展，知识被区分为学生探索或没有探微分模型是覆盖模型的扩展，知识被区分为学生探索或没有探索过两部分。索过两部分。索过两部分。索过两部分。1

19、3 缺陷：缺陷：缺陷：缺陷：微分模型将领域知识区分为向学生展示和没有展示两部分。微分模型将领域知识区分为向学生展示和没有展示两部分。微分模型将领域知识区分为向学生展示和没有展示两部分。微分模型将领域知识区分为向学生展示和没有展示两部分。微分模型涉及了学生的误解或偏差。微分模型涉及了学生的误解或偏差。微分模型涉及了学生的误解或偏差。微分模型涉及了学生的误解或偏差。偏差模型（偏差模型（偏差模型（偏差模型（Perturbation or Buggy ModelPerturbation or Buggy Model）考虑了学生对知识的处理没有包含在专家领域知识中的部分考虑了学生对知识的处理没有包含在专

20、家领域知识中的部分考虑了学生对知识的处理没有包含在专家领域知识中的部分考虑了学生对知识的处理没有包含在专家领域知识中的部分14 采用附加的偏差库，拓展了专家知识。产生偏差库的过程可以采用附加的偏差库，拓展了专家知识。产生偏差库的过程可以采用附加的偏差库，拓展了专家知识。产生偏差库的过程可以采用附加的偏差库，拓展了专家知识。产生偏差库的过程可以采用列举法或产生法。采用列举法或产生法。采用列举法或产生法。采用列举法或产生法。列举的方法是通过分析问题范围和学生产生的错误，将学生所列举的方法是通过分析问题范围和学生产生的错误，将学生所列举的方法是通过分析问题范围和学生产生的错误，将学生所列举的方法是通

21、过分析问题范围和学生产生的错误，将学生所有产生偏差的可能都列举出来。有产生偏差的可能都列举出来。有产生偏差的可能都列举出来。有产生偏差的可能都列举出来。产生式方法是尝试利用认知理论产生偏差。产生式方法是尝试利用认知理论产生偏差。产生式方法是尝试利用认知理论产生偏差。产生式方法是尝试利用认知理论产生偏差。学生诊断学生诊断学生诊断学生诊断 是促进学生模型演化的过程。通过分析学生和系统之是促进学生模型演化的过程。通过分析学生和系统之是促进学生模型演化的过程。通过分析学生和系统之是促进学生模型演化的过程。通过分析学生和系统之间的交互，可以促进学生模型的演化。通常通过检查间的交互，可以促进学生模型的演化

22、。通常通过检查间的交互，可以促进学生模型的演化。通常通过检查间的交互，可以促进学生模型的演化。通常通过检查学生对问题的回答情况和分析问题解决步骤来完成。学生对问题的回答情况和分析问题解决步骤来完成。学生对问题的回答情况和分析问题解决步骤来完成。学生对问题的回答情况和分析问题解决步骤来完成。还包括请求帮助、超文本系统的浏览方式等。还包括请求帮助、超文本系统的浏览方式等。还包括请求帮助、超文本系统的浏览方式等。还包括请求帮助、超文本系统的浏览方式等。15 诊断的技巧诊断的技巧诊断的技巧诊断的技巧 跟踪模型（跟踪模型（跟踪模型（跟踪模型（Model TracingModel Tracing）：分析问

23、题解决的过程，并且）：分析问题解决的过程，并且）：分析问题解决的过程，并且）：分析问题解决的过程，并且包含跟踪学生活动的问题解决模型。包含跟踪学生活动的问题解决模型。包含跟踪学生活动的问题解决模型。包含跟踪学生活动的问题解决模型。-List Tutor-List Tutor（Anderson,Reiser,1985Anderson,Reiser,1985）主题跟踪（主题跟踪（主题跟踪（主题跟踪（Issue TracingIssue Tracing）：跟踪模型的一种。通过问题）：跟踪模型的一种。通过问题）：跟踪模型的一种。通过问题）：跟踪模型的一种。通过问题解决过程的分析，判断哪一种技巧或主题被

24、使用过。学生模型解决过程的分析，判断哪一种技巧或主题被使用过。学生模型解决过程的分析，判断哪一种技巧或主题被使用过。学生模型解决过程的分析，判断哪一种技巧或主题被使用过。学生模型中个体技巧计数器被更新以标记被使用过。中个体技巧计数器被更新以标记被使用过。中个体技巧计数器被更新以标记被使用过。中个体技巧计数器被更新以标记被使用过。-West-West（Burton&Brown,1982Burton&Brown,1982）专家系统（专家系统（专家系统（专家系统（Expert SystemExpert System）：用于分析学生的答案或结论，）：用于分析学生的答案或结论，）：用于分析学生的答案或结

25、论，）：用于分析学生的答案或结论，专家系统的结论通常包含在学生模型中。为所有的情境提供诊专家系统的结论通常包含在学生模型中。为所有的情境提供诊专家系统的结论通常包含在学生模型中。为所有的情境提供诊专家系统的结论通常包含在学生模型中。为所有的情境提供诊断规则。断规则。断规则。断规则。-Guidon-Guidon（Clancey,1983Clancey,1983）16诊断技巧诊断技巧诊断技巧诊断技巧 路径发现（路径发现（路径发现（路径发现（Path FindingPath Finding）条件推理（条件推理（条件推理（条件推理（Condition InductionCondition Induct

26、ion）计划辩识（计划辩识（计划辩识（计划辩识（Plan RecognitionPlan Recognition）决策树（决策树（决策树（决策树（Decision TreeDecision Tree）产生和测试（产生和测试（产生和测试（产生和测试（Generate and TestGenerate and Test）交互诊断（交互诊断（交互诊断（交互诊断（Interactive DiagnosisInteractive Diagnosis）17课程与教学模块课程与教学模块 又称专门知识模块，是有关教学知识的专业知识与技能，又称专门知识模块，是有关教学知识的专业知识与技能，又称专门知识模块，是有

27、关教学知识的专业知识与技能，又称专门知识模块，是有关教学知识的专业知识与技能，它既有说明事物概念的陈述性知识，也包括利用这些概念它既有说明事物概念的陈述性知识，也包括利用这些概念它既有说明事物概念的陈述性知识，也包括利用这些概念它既有说明事物概念的陈述性知识，也包括利用这些概念性知识解决问题的过程性知识。性知识解决问题的过程性知识。性知识解决问题的过程性知识。性知识解决问题的过程性知识。元知识：体现知识形成或技能运用过程的知识。元知识：体现知识形成或技能运用过程的知识。元知识：体现知识形成或技能运用过程的知识。元知识：体现知识形成或技能运用过程的知识。知识库：专门知识和元知识构成知识库。知识库

28、：专门知识和元知识构成知识库。知识库：专门知识和元知识构成知识库。知识库：专门知识和元知识构成知识库。课程：对向学生展示的材料进行选择和排序。课程：对向学生展示的材料进行选择和排序。课程：对向学生展示的材料进行选择和排序。课程：对向学生展示的材料进行选择和排序。教学：向学生展示材料的活动。教学：向学生展示材料的活动。教学：向学生展示材料的活动。教学：向学生展示材料的活动。18知识库的特点：知识库的特点：必须要有明确的教学目标和范围必须要有明确的教学目标和范围必须要有明确的教学目标和范围必须要有明确的教学目标和范围要形成前后比较连贯的关系或基础知识体系要形成前后比较连贯的关系或基础知识体系要形成

29、前后比较连贯的关系或基础知识体系要形成前后比较连贯的关系或基础知识体系形成一个实用的思维或推理模型形成一个实用的思维或推理模型形成一个实用的思维或推理模型形成一个实用的思维或推理模型考虑学生接受能力的限制考虑学生接受能力的限制考虑学生接受能力的限制考虑学生接受能力的限制展示知识的方法展示知识的方法对话（对话（对话（对话（dialoguedialogue）教学模型：使用教学实例或指导教学实践教学模型：使用教学实例或指导教学实践教学模型：使用教学实例或指导教学实践教学模型：使用教学实例或指导教学实践19智能教学系统发展的现状智能教学系统发展的现状与与与与ITSITS开开开开发发相关的重要主相关的重

30、要主相关的重要主相关的重要主题题7070年代年代年代年代8080年代年代年代年代9090年代年代年代年代问题产问题产生生生生跟踪模型跟踪模型跟踪模型跟踪模型学学学学习习者控制者控制者控制者控制简单简单学生模型学生模型学生模型学生模型基于个案的推理基于个案的推理基于个案的推理基于个案的推理情境学情境学情境学情境学习习与信息与信息与信息与信息处处理理理理知知知知识识表示表示表示表示探索世界探索世界探索世界探索世界虚虚虚虚拟现实拟现实苏苏格拉底式的格拉底式的格拉底式的格拉底式的辅导辅导心智模型的心智模型的心智模型的心智模型的进进展展展展技能与策略性知技能与策略性知技能与策略性知技能与策略性知识识模模

31、模模拟拟反反反反应应性学性学性学性学习环习环境境境境自然自然自然自然语语言理解言理解言理解言理解偏差偏差偏差偏差库库著作系著作系著作系著作系统统专专家系家系家系家系统统和和和和导师导师覆盖模型覆盖模型覆盖模型覆盖模型/遗传图遗传图表表表表20八十年代八十年代ITS的发展主要集中于对模式和环的发展主要集中于对模式和环境的标准化。境的标准化。九十年代对有关问题，如学习者控制、学九十年代对有关问题，如学习者控制、学习者同习者同ITS的交互、学习情境、虚拟现实的交互、学习情境、虚拟现实（VR）的应用等进行了深入探讨。）的应用等进行了深入探讨。21智能教学系统发展的发展趋势智能教学系统发展的发展趋势IT

32、SITS中沉浸式学习环境将得到进一步发展中沉浸式学习环境将得到进一步发展中沉浸式学习环境将得到进一步发展中沉浸式学习环境将得到进一步发展传统的传统的传统的传统的ITSITS将消失，特定的认知工具将消失，特定的认知工具将消失，特定的认知工具将消失，特定的认知工具（Cognitive ToolsCognitive Tools）将占主导地位。）将占主导地位。）将占主导地位。）将占主导地位。远程学习（远程学习（远程学习（远程学习（Distance LearningDistance Learning）个别化学习将渐出，协作学习将渐入个别化学习将渐出，协作学习将渐入个别化学习将渐出，协作学习将渐入个别化学习将渐出，协作学习将渐入ITSITS模式将进一步发展，并将具有真正的智能化模式将进一步发展，并将具有真正的智能化模式将进一步发展，并将具有真正的智能化模式将进一步发展，并将具有真正的智能化22