王家君 丁鳳華

(汕頭大學(xué)體育部，廣東 汕頭 515063)

智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)在體育教學(xué)與訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)研究

王家君 丁鳳華

(汕頭大學(xué)體育部，廣東 汕頭 515063)

隨著人工智能技術(shù)的引入，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)發(fā)展成為智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(ICAI)。ICAI不但克服了傳統(tǒng)CAI弱點(diǎn)，而且大大地提高和改善了體育教學(xué)的效果和效率。對(duì)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的特性和功能進(jìn)行分析研究，并在此基礎(chǔ)上給出一種相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)框架。

人工智能；計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；認(rèn)知型學(xué)生模型；體育教學(xué)

1 前言

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(Computer Assisted Instruction,簡稱CAI)是利用計(jì)算計(jì)模擬體育教師的行為，通過學(xué)生和計(jì)算機(jī)之間的交互活動(dòng)來達(dá)到體育教學(xué)目的。自從1959年美國IBM公司研制成功世界上的第一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)，CAI已得到了各國的重視，出現(xiàn)了許多商品，并已形成了CAI產(chǎn)業(yè)。然而，由于傳統(tǒng)CAI系統(tǒng)對(duì)教學(xué)途徑和答案的限制，難以對(duì)不同水平和能力的學(xué)生采用相應(yīng)的教學(xué)方式。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能(Artificial Intelligence，簡稱AI)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，將AI引入CAI中，使CAI系統(tǒng)可以理解教什么、教誰以及如何教，因而也就能合理安排體育教學(xué)內(nèi)容、改變體育教學(xué)方法去滿足個(gè)別體育教學(xué)的需要，這就是以AI技術(shù)和認(rèn)知科學(xué)理論為基礎(chǔ)而形成的智能計(jì)算機(jī)輔助體育教學(xué)系統(tǒng)(Intelligent Computer Instruction,簡稱ICAI)。這是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域，代表了一種新的體育教學(xué)思想和體育教學(xué)方式，大大提高和改善了體育教學(xué)質(zhì)量和效率。

2 CAI和ICAI特點(diǎn)

2.1傳統(tǒng)的CAI

CAI是對(duì)課程進(jìn)行目標(biāo)分析，構(gòu)成學(xué)習(xí)目標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)；然后對(duì)各目標(biāo)的學(xué)習(xí)任務(wù)展開畫面(幀)設(shè)計(jì)，每個(gè)畫面可包含體育項(xiàng)目技術(shù)說明和體育教學(xué)環(huán)節(jié)的解釋、提問、對(duì)應(yīng)于提問的理想的學(xué)生應(yīng)答以及反饋信息等；將體育教學(xué)的畫面按一定的體育教學(xué)邏輯連接起來，就形成了課件(Courseware)。這種由設(shè)計(jì)者預(yù)先固定結(jié)構(gòu)而形成的課件稱為CAI系統(tǒng)。由于這種課件缺乏足夠的應(yīng)變性，后來出現(xiàn)了適應(yīng)性課件設(shè)計(jì)技術(shù)，在一定程序上將體育教學(xué)內(nèi)容與體育教學(xué)邏輯分開，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，有一個(gè)體育教學(xué)決策機(jī)構(gòu)向?qū)W生提供某一畫面的學(xué)習(xí)內(nèi)容，但仍是學(xué)生完全受計(jì)算機(jī)控制的學(xué)習(xí)方法。

2.2ICAI定義及特點(diǎn)

智能計(jì)算機(jī)輔助體育教學(xué)(ICAI)就是以認(rèn)知學(xué)為理論基礎(chǔ)，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于CAI，是智能化的CAI，它將體育教學(xué)內(nèi)容與體育教學(xué)策略分開，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知模型提供的信息，通過智能系統(tǒng)的搜索與推理，動(dòng)態(tài)生成適合于個(gè)體化教學(xué)的內(nèi)容與策略；通過智能診斷機(jī)制判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，分析學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作的原因，同時(shí)向?qū)W生提出更改建議以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)內(nèi)容的建議；通過對(duì)全體學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，智能診斷機(jī)制將向體育教師提供體育教學(xué)重點(diǎn)、方式、測(cè)試重點(diǎn)、題型的建議；為體育教師提供友好的體育教學(xué)內(nèi)容、測(cè)試內(nèi)容維護(hù)界面，無需改變軟件的結(jié)構(gòu)即可調(diào)整體育教學(xué)策略；通過對(duì)學(xué)生認(rèn)知模型、教學(xué)內(nèi)容、測(cè)試結(jié)果的智能分析，向教學(xué)督導(dǎo)人員提供對(duì)任課教師教學(xué)業(yè)績?cè)u(píng)價(jià)的參考意見?？梢哉f，一個(gè)理想、完美的ICAI系統(tǒng)就是一個(gè)自主、優(yōu)秀的“體育教師”。

3 ICAI系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1模塊框架

我們實(shí)現(xiàn)的ICAI系統(tǒng)模塊框架描述如下：

1)領(lǐng)域模型。存放傳授給學(xué)生的課程專業(yè)知識(shí)，還能生成問題，提供對(duì)問題的正確解答以及求解問題的過程。領(lǐng)域模型一般包含兩方面的知識(shí)：一是有關(guān)課程的內(nèi)容；二是有關(guān)這些知識(shí)來求解問題的知識(shí)，即過程知識(shí)。知識(shí)表示方法有語義網(wǎng)絡(luò)(主要采用命題語義網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)語義網(wǎng)絡(luò))、規(guī)則等形式。

2)診斷模型。利用診斷規(guī)則來分析學(xué)生的響應(yīng)，判斷學(xué)生已經(jīng)懂得的知識(shí)或?qū)W生產(chǎn)生的錯(cuò)誤慨念，并傳遞到學(xué)生模型的當(dāng)前狀態(tài)中去。

3)學(xué)生模型。準(zhǔn)確反映學(xué)生的知識(shí)水平、學(xué)習(xí)能力等，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)個(gè)別化教學(xué)提供依據(jù)。本ICAI系統(tǒng)結(jié)合認(rèn)知理論，建立了認(rèn)知型學(xué)生模型，是整個(gè)ICAI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)。

4)教師模型。結(jié)合體育教學(xué)策略和課程結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)，為學(xué)生選擇問題供他們解答，監(jiān)督和評(píng)價(jià)他們的行為。當(dāng)學(xué)生需要時(shí)為他們選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)習(xí)材料。

3.2核心技術(shù)——認(rèn)知型學(xué)生模型

常見的建立學(xué)生模型的兩種方法：

1)覆蓋模型(Overlay Mode)：表示學(xué)生知道什么、不知道什么的學(xué)生模型。它把學(xué)生的知識(shí)描述為領(lǐng)域知識(shí)模塊中專業(yè)知識(shí)的一個(gè)子集，能告訴學(xué)生什么是錯(cuò)誤的以及應(yīng)該如何改正。

2)偏差模型(Buggy Model)：表示學(xué)生正確的和錯(cuò)誤的知識(shí)的學(xué)生模型。它不是把學(xué)生的知識(shí)看成是領(lǐng)域知識(shí)中專業(yè)知識(shí)的子集，而是把它看成是對(duì)專業(yè)知識(shí)的偏差，故它還能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致學(xué)生錯(cuò)誤的原因——不正確的知識(shí)。

在ICAI系統(tǒng)模型中，學(xué)生模型的主要作用一方面是登記學(xué)習(xí)者的個(gè)人信息，例如學(xué)號(hào)、姓名、性別等；另一方面，也是最主要的，就是準(zhǔn)確反映學(xué)生的知識(shí)水平、學(xué)習(xí)能力等，為智能化體育教學(xué)提供依據(jù)。

認(rèn)知能力是一個(gè)人用于支配自己學(xué)習(xí)、記憶和思維的能力，在很大程度上表現(xiàn)了一個(gè)人分析問題的能力?；谡J(rèn)知理論，我們運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)中的反向傳播模型(BP模型)，建立能反映學(xué)生學(xué)習(xí)水平和認(rèn)知能力的認(rèn)知型學(xué)生模型。我們?cè)贐P模型的輸入中包括選取布魯姆所提出的認(rèn)知活動(dòng)的六個(gè)級(jí)別，即識(shí)記、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評(píng)價(jià)六個(gè)方面的評(píng)判測(cè)驗(yàn)成績以及姓名、性別、年齡等個(gè)人信息和學(xué)歷、生理?xiàng)l件、學(xué)習(xí)環(huán)境等12個(gè)量作為輸入節(jié)點(diǎn)，選取學(xué)生對(duì)慨念、技能和應(yīng)用方面的掌握程度作為輸出節(jié)點(diǎn)。實(shí)際上是完成一個(gè)12維空間到三維空間的非線性映射：fbp:X→Y,X={X1，X2，X3，…X12}，Y={Y1，Y2，Y3}。其中，X1，X2，…X6分別表示認(rèn)知活動(dòng)6個(gè)級(jí)別的評(píng)判測(cè)驗(yàn)成績，X7，X8，X9，…X12分別表示姓名、性別、年齡、學(xué)歷、生理?xiàng)l件、學(xué)習(xí)環(huán)境；Y∈差(0-59)中(60-75)、良(76-85)、優(yōu)(86-100)，Y1，Y2，Y3分別表示學(xué)生對(duì)概念、技能和應(yīng)用的掌握程度。

認(rèn)知型學(xué)生模型的設(shè)計(jì)和應(yīng)用思想是為教學(xué)內(nèi)容的各個(gè)測(cè)試單元中的概念節(jié)點(diǎn)賦予認(rèn)知類型和難易程度，同時(shí)預(yù)估學(xué)生認(rèn)識(shí)能力的初值。學(xué)生對(duì)某一測(cè)試單元的概念或題型進(jìn)行測(cè)試后，ICAI系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的認(rèn)知能力進(jìn)行修正，根據(jù)難度，答對(duì)加分，答錯(cuò)減分，根據(jù)BP算法得到學(xué)習(xí)者經(jīng)一次學(xué)習(xí)后六項(xiàng)認(rèn)知類型的修正值，再跟據(jù)學(xué)生認(rèn)知能力由推理規(guī)則選取適應(yīng)的概念點(diǎn)，繼續(xù)對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行教學(xué)。

相應(yīng)的體育教學(xué)內(nèi)容和策略推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)過程是：根據(jù)認(rèn)知型學(xué)生模型提供的信息，我們采用產(chǎn)生式系統(tǒng)來智能化地推理生成不同的體育教學(xué)內(nèi)容和策略。其形式表現(xiàn)為：If<學(xué)生水平表達(dá)式>Then<生成新教學(xué)內(nèi)容和策略>。示例如下：

IF(知識(shí)的表示概念)=(差)

THEN(復(fù)習(xí)前導(dǎo)課程，講解概念)

IF(知識(shí)表示概念)> =(及格)AND(知識(shí)表示法應(yīng)用)=(差)

THEN(復(fù)習(xí)概念、講解輔助知識(shí)、示例典型應(yīng)用)

……

整個(gè)體育教學(xué)內(nèi)容和策略的生成過程就是一個(gè)推理機(jī)的推理過程，它利用學(xué)生水平的表示值(Y1，Y2，Y3)根據(jù)上述產(chǎn)生式系統(tǒng)中相應(yīng)的推理規(guī)則進(jìn)行推理，生成下一步的教學(xué)內(nèi)容和策略。在教學(xué)過程中，由于此過程是不斷的重復(fù)，并對(duì)學(xué)生認(rèn)知能力進(jìn)行修正，如此下去，學(xué)生每學(xué)習(xí)一次，認(rèn)知能力評(píng)價(jià)值就修改一次，最終通過BP算法逐步逼近學(xué)生認(rèn)知能力的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)

該ICAI系統(tǒng)用于體育教學(xué)具有如下顯著特點(diǎn)：

1)基于認(rèn)知理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，使課件具有一定的自適應(yīng)能力；

2)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入一個(gè)主動(dòng)的、高效率的學(xué)習(xí)環(huán)境；

3)特別有利于個(gè)別化教育，因材施教；

4)即改善了教師的教學(xué)效果，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

4 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的加入，ICAI系統(tǒng)將由一個(gè)個(gè)別化的教學(xué)系統(tǒng)向智能遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)(由多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合而形成的一種交互世界)，將使ICAI系統(tǒng)更加完善。

[1] 陸汝鈴.人工智能[M].北京:科學(xué)出版社,1989.

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TheResearchonImplementationoftheIntelligentComputerAssistedInstructionSysteminthePhysicalEducation’sTeachingandTraining

Wang Jiajun，Ding Fenghua

(The Physical Education Department of Shantou University, Shantou，515063,Guangdong, China)

By introducing the technology of artificial intelligence, computer assisted instruction (CAI) evolves into intelligent computer assisted instruction(ICAI). ICAI not only overcomes the weaknesses of traditional CAI, but also greatly enhances and improves effect and efficiency of the physical education’s teaching. This paper firstly conducts an analysis and research on characteristics and functions of the ICAI system, and then on which basis providing a corresponding implementation frame.

Artificial Intelligence; CAI; ICAI; cognitive student model; physical education’s teaching

2007-02-20

王家君(1962-)，男，山東人，講師，研究方向：教學(xué)與訓(xùn)練。