石鳳貴

(馬鞍山師范高等?？茖W(xué)校 軟件工程系，安徽 馬鞍山 243041)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們由網(wǎng)上獲取相關(guān)信息的需求越來越大?，F(xiàn)有搜索引擎(如百度、Google)返回給用戶的只是相關(guān)頁面文檔，為了更好地滿足用戶方便、快捷、準(zhǔn)確地獲取信息的需求，迫切需要返回給用戶一個簡短而準(zhǔn)確的答案。自動問答(Question Answering,QA)就是在這樣的應(yīng)用需求背景下產(chǎn)生的，涉及自然語言處理、信息檢索、信息抽取、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別等多個研究領(lǐng)域。

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，高校課程的教學(xué)已不僅僅局限于傳統(tǒng)意義上的課堂教學(xué)。很多課程都基于校園網(wǎng)建立了自己的課程教學(xué)網(wǎng)站，并具有豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。這些課程在改革課程教學(xué)內(nèi)容﹑加強(qiáng)新教材建設(shè)及改革實(shí)踐教學(xué)等方面發(fā)揮著重要的作用。作為課程教學(xué)網(wǎng)站的重要組成部分，網(wǎng)上在線答疑在加強(qiáng)教師和學(xué)生交流,以及幫助學(xué)生明確問題方面具有不可或缺的重要作用。學(xué)生可以不受時(shí)空限制，隨時(shí)隨地地進(jìn)行課程學(xué)習(xí),極大地提高了學(xué)習(xí)的自主性。

2018年9月，習(xí)近平總書記在全國教育大會上發(fā)表重要講話，對加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國、辦好人民滿意的教育作出了全面部署。教育部也相繼出臺了《教育信息化2.0行動計(jì)劃》《教育部辦公廳關(guān)于開展2018年國家精品在線開放課程認(rèn)定工作的通知》《教育部辦公廳關(guān)于開展人工智能助推教師隊(duì)伍建設(shè)行動試點(diǎn)工作的通知》，來推動教育信息化的發(fā)展。

當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動了人工智能的飛速發(fā)展，使之成為研究熱點(diǎn)，其不斷革新人與機(jī)器的互動方式?？v觀科學(xué)技術(shù)發(fā)展史，每一次變革都伴隨著交互技術(shù)的革新，鼠標(biāo)和鍵盤打開了使用PC機(jī)時(shí)代的大門；觸摸屏打開了移動互聯(lián)時(shí)代的大門；語音交互、人臉識別、手勢識別等多模態(tài)智能交互技術(shù)帶人們走進(jìn)全新的人工智能(AI, Artificial Intelligence)時(shí)代。本研究討論人工智能時(shí)代高校課程教學(xué)模式及課程教學(xué)自動問答系統(tǒng)建設(shè)。

一、MOOC

技術(shù)和社會的發(fā)展推動了人才培養(yǎng)方案的變革，教育經(jīng)歷了農(nóng)耕時(shí)代的個別教育、工業(yè)時(shí)代集中批量式教育、智能時(shí)代的個性教育。教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)的介質(zhì)隨著技術(shù)的發(fā)展在不斷更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了竹簡、黑板、投影儀、投影機(jī)、PPT、MOOC，教學(xué)方式時(shí)刻緊扣時(shí)代步伐，教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)樣式多種多樣，教學(xué)效果越來越好。當(dāng)前的教學(xué)方式大多采用投影機(jī)、PPT、MOOC，這種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方式還是以教師講授為主，師生缺乏互動融合。

以互聯(lián)網(wǎng)為載體的在線教育正在逐漸革新傳統(tǒng)教育，MOOC是近年來發(fā)展起來的一種在線教育，已經(jīng)吸引了全世界數(shù)千萬用戶。MOOC與傳統(tǒng)在線教育不同，不僅把傳統(tǒng)授課搬到了互聯(lián)網(wǎng)上，還將面向科學(xué)研究的課程也在線化。MOOC正在顛覆傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，教學(xué)和學(xué)習(xí)不再受時(shí)間和空間的限制，但還是缺乏個性化和智能分析，知識概念重疊、沒有捕捉用戶需求。教育深度開發(fā)將是教育發(fā)展的趨勢，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)軌跡將實(shí)行共享，記錄成數(shù)字檔案[1]。

如何用人工智能提升基于MOOC的在線教育質(zhì)量，改善學(xué)生的在線學(xué)習(xí)效果，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)的多源采集和精準(zhǔn)分析，助力因材施教，是當(dāng)前乃至一段時(shí)間需要研究解決的問題，也是本研究的重點(diǎn)。人機(jī)交互對于在線平臺尤為重要，系統(tǒng)和用戶之間的交互、用戶和用戶之間的交互，通過問答、游戲等方式，可以促進(jìn)用戶由被動交互變?yōu)橹鲃咏换ィ瑢?shí)現(xiàn)智能化教育。

二、教育智能化

智能教育以數(shù)字化為基礎(chǔ)，利用互聯(lián)網(wǎng)、多媒體技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理等。今天的 “大學(xué)” 正在變化，打破了傳統(tǒng)的時(shí)間和空間限制，開放式大學(xué)正在形成，“大學(xué)” 正在走向智能化。人才的培養(yǎng)將更加關(guān)注創(chuàng)新思維能力、人機(jī)協(xié)同能力和終身學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，提供多樣化、個性化的學(xué)習(xí)，構(gòu)建隨時(shí)隨地人人都能學(xué)的開放式學(xué)習(xí)校園[2]。

(一)人工智能與課程教學(xué)深度融合

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的教育機(jī)器人被設(shè)計(jì)開發(fā)并投入使用，形成了專門的教育智能機(jī)器人研究領(lǐng)域。在自然語言處理、情感計(jì)算、知識追蹤等技術(shù)的推動下，北京師范大學(xué)未來教育高精尖中心人工智能實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出交互式學(xué)科教育與德育機(jī)器人系統(tǒng)，旨在為學(xué)生、教師與家長群體提供更愉快的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和更準(zhǔn)確的知識內(nèi)容。教育交互機(jī)器人將在促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展、培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和提升社會交往能力等方面發(fā)揮不容忽視的作用[1]。

人工智能已上升到國家戰(zhàn)略，已經(jīng)滲透到人們的日常生活、工作和學(xué)習(xí)。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的方式還是不能滿足個性化教學(xué)的需求。智能化教育以學(xué)習(xí)者為中心，以學(xué)習(xí)者需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)人的思維和創(chuàng)造能力。應(yīng)用人工智能技術(shù)，遵從教學(xué)規(guī)律，創(chuàng)新教學(xué)方式，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，人工智能技術(shù)與教學(xué)深度融合，實(shí)現(xiàn)個性學(xué)習(xí)、實(shí)施交互、及時(shí)問答。從而改變傳統(tǒng)教學(xué)與學(xué)習(xí)方式，實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合；改變課程設(shè)計(jì)，線上線下同步實(shí)施，自動答疑解惑。

(二)教育 “四個現(xiàn)代化”

隨著人工智能的發(fā)展，課程教學(xué)模式發(fā)生了翻天覆地的變化，學(xué)習(xí)不再受時(shí)間、空間的限制，深度開啟開放教育，教育資源進(jìn)一步共享。只要你想學(xué)習(xí)，AI就是好老師，因材施教。傳統(tǒng)教學(xué)模式被徹底打破，實(shí)現(xiàn)教育 “四個現(xiàn)代化” 即教育大眾化、教育產(chǎn)品化、教育個性化、教育持續(xù)化。

1.教育大眾化

借助互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)，教育和學(xué)習(xí)隨時(shí)隨地，學(xué)校教育不再圈在圍墻內(nèi)，優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，延伸了教育時(shí)空。人工智能具有人類學(xué)習(xí)和思考能力，可以自學(xué)習(xí)，能自動分析學(xué)習(xí)者，了解和分析學(xué)習(xí)者的心理和思想，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的因材施教，擔(dān)任學(xué)習(xí)者的私人助理。

2.教育產(chǎn)品化

在人工智能的驅(qū)動下，不再以學(xué)校為核心，教學(xué)為中心，教學(xué)內(nèi)容和流程不再由學(xué)校和教師主導(dǎo)，學(xué)生被動接受，而是學(xué)習(xí)者成為學(xué)習(xí)的主體，形成人機(jī)交互。機(jī)器承擔(dān)教師、家長、輔導(dǎo)教師角色，可以陪讀、陪練、監(jiān)督，減輕了教師和家長負(fù)擔(dān)，解決了家長對教學(xué)知識體系不熟悉的問題。不再是教師唱獨(dú)角戲，學(xué)生是配角。整合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，打破教育圍墻界線，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

3.教育個性化

“學(xué)什么”“怎么學(xué)” 由學(xué)習(xí)者決定，機(jī)器根據(jù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況、知識掌握程度及所學(xué)知識結(jié)構(gòu)自動推薦學(xué)習(xí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)私人定制。滿足不同學(xué)習(xí)者的需求，自動差異化教學(xué)和差異化學(xué)習(xí)，教育內(nèi)容和形式因人而異，實(shí)現(xiàn)真正意義上的因材施教，從而實(shí)現(xiàn)個性化教育[3]。

4.教育持續(xù)化

教育是一個漫長的過程，知識的學(xué)習(xí)一般要經(jīng)過幾個月、幾年、甚至幾十年。知識的吸收、消化是漸進(jìn)的過程，而教師的精力和時(shí)間是有限的，很多情況下學(xué)習(xí)者遇到疑問不能及時(shí)得到有效解答，對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的積極性和自信心嚴(yán)重影響。機(jī)器可以二十小時(shí)不停工作和學(xué)習(xí)，通過大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)幾秒就可以掌握一些專業(yè)知識，同時(shí)也可以獲取分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)軌跡、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)條件、學(xué)習(xí)能力等。學(xué)習(xí)者可以自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，及時(shí)答疑解惑。

(三)人機(jī)協(xié)作

十年樹木，百年樹人。人才的培養(yǎng)是一個長期的過程，不能急于求成。教育理念和模式要跟上時(shí)代的步伐，與時(shí)俱進(jìn)。當(dāng)前正處于人工智能時(shí)代，教學(xué)手段要引入人工智能技術(shù)。首先改變傳統(tǒng)教育理念，打破傳統(tǒng)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)流程，標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)培養(yǎng)出的人才沒有個性，千篇一律。教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化流程應(yīng)交給機(jī)器完成，人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)現(xiàn)深度融合，有機(jī)結(jié)合，從而培養(yǎng)出符合社會發(fā)展需要的人才[4]。教育教學(xué)是一個復(fù)雜多變的過程，知識的學(xué)習(xí)離不課程的設(shè)置，課程設(shè)置直接關(guān)乎到培養(yǎng)什么樣的人才。如果課程設(shè)置不合理、不科學(xué)，教學(xué)將是失敗的。課程開發(fā)與設(shè)置要結(jié)合人工智能技術(shù)，充分發(fā)揮機(jī)器與學(xué)生互動的機(jī)制。教學(xué)中教師是實(shí)際操作者，人工智能時(shí)代對教師也提出了新的要求和挑戰(zhàn)，不僅要掌握知識，還要掌握人工智能應(yīng)用技術(shù)。因此，要實(shí)現(xiàn)教育智能化，首先需要提升教師的人工智能應(yīng)用水平，教師需要不斷學(xué)習(xí)，接受繼續(xù)學(xué)習(xí)和繼續(xù)教育[4]。

三、課程智能交互平臺建設(shè)

以某省的精品課程網(wǎng)站為例，現(xiàn)有的精品課程網(wǎng)站大都具有 “在線答疑” 這一欄目，但教師與學(xué)生的信息交流方式僅局限于E-MAIL、留言版或論壇等。E-MAIL方式的缺點(diǎn)是不及時(shí)，而且對所有學(xué)生的所有問題都是 “有問必答”，這將極大地增加教師的解答負(fù)擔(dān)，特別是對于那些基本的具有很大共性的問題。留言版、論壇方式雖然相對前者及時(shí)性有較大改善，但因?yàn)榻處煵豢赡軙r(shí)刻在線而造成有的問題不能得到及時(shí)的解答。據(jù)申請者對某高校校園網(wǎng)上現(xiàn)有精品課程的統(tǒng)計(jì)，18門省級精品課程中，主頁中有答疑欄目且可用的有6門(占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的33.3%，2門是基于E-mail，4門是基于留言版或論壇)，有答疑欄目但不可用的有1門(占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的5.6%)，無答疑欄目的有11門(占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的61.1%)。20門校級精品課程中，主頁中有答疑欄目且可用的有3門(占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的15%，1門是基于E-mail，1門是基于論壇，1門是基于靜態(tài)課程知識庫)，有答疑欄目但不可用的有2門(占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的10%)，無答疑欄目的有15門(占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的75%)。從這些精品課程網(wǎng)站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，具有答疑功能的比例較小(省級的為33.3%，校級的為15%)，而且全部都是基于E-mail、留言版﹑論壇或靜態(tài)課程知識庫。如果能讓計(jì)算機(jī)自動地、及時(shí)地解答學(xué)生的疑問，無疑將會大大地減輕教師的答疑負(fù)擔(dān)，同時(shí)也會極大地提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效率。

(一)平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于上述對某省高校精品課程教學(xué)網(wǎng)站在線答疑功能的實(shí)際調(diào)研和分析，構(gòu)建具有智能性的基于課程知識庫的課程教學(xué)網(wǎng)站智能交互平臺，平臺基于B/S模式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

平臺允許學(xué)生以自然語言(漢語或英語等)問句的形式提出問題，并及時(shí)地將相關(guān)的答案返回給學(xué)生。如果沒有找到相關(guān)的答案，則將該問題轉(zhuǎn)發(fā)到課程教師的郵箱或提交到留言版和論壇，待解答后返回。通過開發(fā)這樣一個平臺，目的是改革高校課程網(wǎng)站，特別是精品課程網(wǎng)站的在線答疑模式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，提高課程網(wǎng)站本身的資源利用率。

(二)平臺核心功能

平臺以課程知識庫檢索為主，同時(shí)輔以E-mail﹑留言版和論壇等多種答疑手段。

1.準(zhǔn)確理解學(xué)生問題

學(xué)生可以通過自然語言(漢語或英語)來提問。形式可以是多樣的，可以是問句的形式，也可以是一般問句的形式。

2.答案以權(quán)重的高低排序

若平臺對學(xué)生問題沒有檢索到準(zhǔn)確答案，返回相似度非常高及權(quán)重高的問題的答案。

3.專家解答

對學(xué)生問題沒有檢索到答案，將返回相關(guān)問題的答案供參考，并記錄該問題等待解答。平臺除了記錄其狀態(tài)等待教師解答，同時(shí)提交到論壇，并以郵件的形式發(fā)送到相應(yīng)教師的郵箱。提交到論壇的問題在線學(xué)生(學(xué)生和教師)都可以看到，大家可以在線回答并可討論回答情況。

4.自學(xué)習(xí)

對于沒有解答的問題，若該問題得到了解答，平臺自動將該 “問答對” 加入課程知識庫庫。未解答的問題會通過三種途徑得到回答：通過論壇、郵件、教師進(jìn)入平臺直接回答。

5.師生交流與互動

通過論壇，學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師可以在線討論學(xué)習(xí)、生活，未解答的問題也可以得到及時(shí)解答，集思廣益。學(xué)生還可以給相應(yīng)教師留言，對教學(xué)提出相應(yīng)的意見或建議，從而提高教學(xué)效果，有利于教師改進(jìn)教學(xué)。

6.反饋教學(xué)效果

平臺會記錄學(xué)生所問問題并計(jì)算問題(包括學(xué)生問題和課程知識庫中問題)的訪問頻率，教師可以根據(jù)學(xué)生問題了解學(xué)生的困惑及薄弱環(huán)節(jié)，通過問題的訪問頻率可以了解學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的掌握情況，后期教學(xué)可以有針對性的補(bǔ)充和復(fù)習(xí)。

(三)關(guān)鍵技術(shù)

課程網(wǎng)上智能交互平臺的實(shí)現(xiàn)涉及對學(xué)生所提問題的分析理解，以及課程知識庫的檢索等。其中，涉及問題分析理解的關(guān)鍵技術(shù)包括：文本分詞以及關(guān)鍵詞抽取和擴(kuò)展，結(jié)合普通詞典、專業(yè)詞典及語義詞典(采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息檢索研究室提供的《同義詞詞林?jǐn)U展版》)來實(shí)現(xiàn)對學(xué)生問題的分析理解。

涉及課程知識庫檢索的關(guān)鍵技術(shù)主要是句子相似度的計(jì)算，通過對一般的關(guān)鍵詞方法和向量空間模型方法作相應(yīng)的改進(jìn)(分別引入了位置信息和概念語義信息)，并按照一定的權(quán)重組合綜合考慮關(guān)鍵詞方法和向量空間模型方法來實(shí)現(xiàn)學(xué)生問題和課程知識庫庫中問題的相似度計(jì)算。在實(shí)現(xiàn)平臺的自學(xué)習(xí)功能方面，采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。

(四)平臺體系結(jié)構(gòu)

平臺包括三個主要部分：問題理解、文檔檢索和答案抽取[5]，體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，體系結(jié)構(gòu)圖中同時(shí)體現(xiàn)了平臺的業(yè)務(wù)處理流程。

圖2 平臺體系結(jié)構(gòu)

平臺實(shí)施過程中充分利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)信息檢索工具(google和百度等搜索引擎)、開源的機(jī)器學(xué)習(xí)軟件包(SVM和CRF等學(xué)習(xí)模型)及常用的文本聚類算法和概念格建格算法。在所需基礎(chǔ)語言技術(shù)處理模塊(分詞、詞性標(biāo)注、命名實(shí)體識別、依存分析等)和相關(guān)語料資源(中文問題集等)方面，通過調(diào)用中科院計(jì)算所的分詞組件及哈工大信息檢索研究中心LTP(Language Technology Platform)平臺的相關(guān)模塊來實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)語

人工智能技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了傳統(tǒng)教育模式和觀念的改變，深度融合到課程教學(xué)網(wǎng)站中，提供智能人機(jī)交互，提升教學(xué)與學(xué)習(xí)效果。文中詳細(xì)介紹了課程網(wǎng)站智能交互平臺所涉及的相關(guān)知識及平臺的實(shí)現(xiàn)，包括課程知識庫的構(gòu)建與組織、基于分詞和關(guān)鍵詞提取等自然語言處理技術(shù)的問題分析理解、基于語義的課程知識庫檢索、課程知識庫的自學(xué)習(xí)等。學(xué)習(xí)者可以不受時(shí)空限制，隨時(shí)隨地地進(jìn)行課程學(xué)習(xí),極大地提高了學(xué)習(xí)的自主性。學(xué)習(xí)者不需要對搜索引擎返回的答案進(jìn)行篩選，平臺根據(jù)學(xué)生問題自動進(jìn)行答案提取，并且具有自學(xué)習(xí)功能。