雙主型ICAI系統(tǒng)的學(xué)生模型設(shè)計

侯冬青

(咸陽師范學(xué)院 教育科學(xué)學(xué)院, 陜西 咸陽 712000)

0 引 言

我國目前正在進(jìn)行的教育改革十分重視對學(xué)生的素質(zhì)教育, 素質(zhì)教育的目標(biāo)是使全體學(xué)生形成較合理的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu), 能力培養(yǎng)是素質(zhì)教育的重點。計算機(jī)輔助教學(xué)(CAI： Computer Assisted Instruction)技術(shù)的誕生, 將素質(zhì)能力的培養(yǎng)推上了一個新臺階。隨著CAI技術(shù)的不斷發(fā)展, 如今已經(jīng)嘗試將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 人工智能技術(shù)引入到CAI的設(shè)計中, 形成智能計算機(jī)輔助教學(xué)(ICAI： Intelligent Computer Assisted Instruction)。ICAI是具有因材施教和個別指導(dǎo)特征的智能教學(xué)系統(tǒng), 能提高教學(xué)系統(tǒng)的科學(xué)性、 靈活性和個別化程度, 在因材施教方面比CAI更進(jìn)一步, 是CAI發(fā)展的新方向。我國目前對ICAI的研究尚處于起步階段, 近幾年關(guān)于ICAI的報道研究多為綜述性文章, 對ICAI系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)研究報道較少。

筆者對ICAI的設(shè)計一方面著眼技術(shù)實現(xiàn)的可行性； 另一方面指出ICAI的理論基礎(chǔ)、 教學(xué)模式、 學(xué)生模型和教學(xué)策略等與教學(xué)實踐密切相關(guān), 以期在以后ICAI的研發(fā)中更加重視對ICAI教學(xué)過程的研究。使ICAI早日走出實驗室, 在實際教學(xué)中發(fā)揮其高效性和智能性, 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機(jī), 以獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

1 ICAI的概念闡釋

ICAI系統(tǒng)利用學(xué)生模型、 知識庫和教師模型等模塊, 幫助教師實現(xiàn)因材施教和進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)。它是以認(rèn)知心理學(xué)理論為基礎(chǔ), 將人工智能技術(shù)應(yīng)用于CAI系統(tǒng)中, 以存儲某一領(lǐng)域知識和對應(yīng)的教學(xué)策略的計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)為媒介, 對學(xué)生進(jìn)行個別學(xué)習(xí)指導(dǎo), 并根據(jù)每個學(xué)生對于知識掌握和理解的程度, 自動選擇教學(xué)策略、 調(diào)整教學(xué)速度, 能與學(xué)習(xí)者進(jìn)行自然語言交互的教學(xué)軟件。

2 雙主型的ICAI系統(tǒng)的主體設(shè)計

將該系統(tǒng)設(shè)計為基于網(wǎng)絡(luò)的雙主型ICAI系統(tǒng), 學(xué)生模型和教師模型是ICIA系統(tǒng)兩個最關(guān)鍵的模塊(見圖1)。因此, 將該系統(tǒng)稱為雙主模型系統(tǒng), 其目的是為了體現(xiàn)學(xué)生為主體、 教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式。

2.1 ICAI系統(tǒng)的主體模塊設(shè)計

圖1 雙主型ICAI系統(tǒng)的主體模塊設(shè)計

系統(tǒng)主體模塊包括學(xué)生模型庫、 教師模型庫、 領(lǐng)域知識庫和診斷模塊, 以及模擬環(huán)境和生動有效的交互界面。在服務(wù)器(Server)端, 存放學(xué)生模型庫、 教師模型庫、 領(lǐng)域知識庫、 習(xí)題庫、 試題庫、 教學(xué)規(guī)則庫和教學(xué)策略庫等[1]。

2.2 ICAI系統(tǒng)的內(nèi)核模塊功能

學(xué)生模型可記錄學(xué)生的基本信息、 學(xué)習(xí)者各自的學(xué)習(xí)風(fēng)格特點、 學(xué)習(xí)進(jìn)程以及對領(lǐng)域知識的理解程度和認(rèn)知水平。將以上4部分信息綜合成一個完整的學(xué)生模型, 傳遞給教師模型。

教師模塊功能是根據(jù)學(xué)生模型的信息評價學(xué)生的學(xué)習(xí)程度和學(xué)習(xí)方式, 為學(xué)習(xí)者選擇下一個教學(xué)內(nèi)容, 并給出學(xué)習(xí)建議(對學(xué)生進(jìn)行測試或建議其學(xué)習(xí)新的知識點)。

知識庫是其他功能模塊的根據(jù)地, 是系統(tǒng)智能性的基礎(chǔ)。知識庫的作用是用來存放和管理系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)庫, 這些數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不但可包括事實性的知識還可包括規(guī)則性的知識。在該系統(tǒng)知識庫中包含以下內(nèi)容： 學(xué)生模型庫、 測試題庫、 領(lǐng)域知識庫和教學(xué)策略庫等[2]。

診斷模塊的功能包括： 確認(rèn)學(xué)習(xí)者身份和基本信息； 診斷學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)程和知識點掌握程度； 測量學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格和認(rèn)知水平。將這些診斷信息一并寫入學(xué)生模型。

3 全面的認(rèn)知學(xué)生模型設(shè)計

3.1 學(xué)生模型的定義

ICAI系統(tǒng)面對的是眾多個性不同的學(xué)習(xí)者, 要真正做到因材施教的個別化教學(xué), 系統(tǒng)必須了解當(dāng)前的學(xué)習(xí)對象。

把能表征學(xué)習(xí)對象的各種認(rèn)知特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為學(xué)生模型。學(xué)生模型是依據(jù)學(xué)生和系統(tǒng)之間的交互作用以及學(xué)習(xí)、 測試的結(jié)果而形成的, 可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況動態(tài)地修改。學(xué)生模型力求準(zhǔn)確反映學(xué)生當(dāng)前的知識水平和認(rèn)知能力。它是用一種系統(tǒng)化的方法記錄、 評價和診斷學(xué)生知道什么、 能做什么以及想知道什么, 為教師確定教學(xué)內(nèi)容、 選擇合適的教學(xué)策略提供依據(jù)。

3.2 學(xué)生模型在ICAI系統(tǒng)中的作用

該系統(tǒng)中學(xué)生模型的作用： 1) 記錄學(xué)習(xí)者的基本信息, 包括： 學(xué)號、 姓名、 性別, 學(xué)習(xí)次數(shù)和學(xué)習(xí)時間等; 2) 記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史和學(xué)習(xí)績效水平, 如初始學(xué)習(xí)水平、 學(xué)習(xí)能力以及知識點掌握程度等, 為下一步選擇教學(xué)內(nèi)容和策略提供依據(jù)[3]; 3) 記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格及臨時的學(xué)習(xí)要求, 為選擇合適的教學(xué)方法和策略提供依據(jù), 使教學(xué)盡可能地適合學(xué)習(xí)者的需要。

系統(tǒng)力求構(gòu)建一個全面的認(rèn)知學(xué)生模型, 既要反映知識的掌握水平, 又能反映學(xué)生的認(rèn)知能力, 還要反映學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格。

3.3 全面的認(rèn)知學(xué)生模型設(shè)計

該學(xué)生模型按照其功能可分為3個模塊, 分別用來記錄學(xué)生的基本信息、 認(rèn)知能力和知識點掌握狀況(績效信息)以及學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)習(xí)偏好(見圖2)。

學(xué)生模型是依靠學(xué)生和系統(tǒng)之間的交互作用和測試應(yīng)答歷史而形成, 可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行動態(tài)修改[4]。學(xué)生模型中學(xué)生學(xué)習(xí)歷史具有繼承性, 即學(xué)生在最初進(jìn)入系統(tǒng)時和初次學(xué)習(xí)新知識時, 要對其以往的學(xué)習(xí)歷史有一個評估和診斷, 根據(jù)診斷結(jié)果確定學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的內(nèi)容和難易程度, 使新知識內(nèi)容適合學(xué)生的接受能力, 這種過程稱為學(xué)生學(xué)習(xí)歷史繼承[5]。

3.4 學(xué)生模型的工作流程

學(xué)生模型的工作流程如圖3所示。

圖2 認(rèn)知學(xué)生模型

圖3 學(xué)生模型的工作流程

4 學(xué)生模型庫中各信息表的設(shè)計

4.1 學(xué)生的基本信息表

信息表用于記錄學(xué)生的個人基本信息。這些信息與學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)績效的度量和記錄沒有直接關(guān)系, 主要是與管理有關(guān)的個人信息。其內(nèi)容如表1所示。

表1 學(xué)生基本信息表

表1記錄己經(jīng)注冊的合法學(xué)生, 學(xué)生登錄時, 系統(tǒng)會要求學(xué)生輸入自己的賬號和密碼, 以確認(rèn)合法身份。如果輸入賬號和密碼在表中, 則系統(tǒng)認(rèn)為是合法用戶, 可在該系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)； 如果學(xué)生輸入的賬號和密碼不在表中, 則系統(tǒng)認(rèn)為是非法用戶。若想使用該系統(tǒng), 則要求學(xué)生填寫個人的基本信息, 然后將基本信息寫入該數(shù)據(jù)表, 同時, 生成一個屬于該用戶的學(xué)生個人學(xué)習(xí)檔案表。此時, 該學(xué)生即成為系統(tǒng)的合法用戶, 即可以注冊時的賬號和密碼進(jìn)入系統(tǒng), 進(jìn)行系統(tǒng)提供的各種可行操作。

4.2 學(xué)生個人學(xué)習(xí)檔案表

學(xué)生個人學(xué)習(xí)檔案表用于記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、 知識點掌握程度等(見表2), 為下一步選擇學(xué)習(xí)起點提供依據(jù)。

表2 學(xué)生個人學(xué)習(xí)檔案表

學(xué)生學(xué)習(xí)完一個知識點后, 首先通過相應(yīng)的練習(xí)鞏固所學(xué)的知識, 然后進(jìn)行測試。每個知識點的測試題目類型一般有單選題、 判斷題、 填空題和問答題4部分[6]。把測試得到的知識點的分值與通過閾值進(jìn)行比較, 以判斷學(xué)生是否通過該知識點的學(xué)習(xí)。若測試得分值大于通過閾值, 則該知識點的“是否通過”字段為“T”, 表明該知識點已被掌握, 記錄到“PERSONAL”表中。之后可以學(xué)習(xí)與該知識點相關(guān)聯(lián)的下一個知識點或下次登錄后直接從下一個知識點開始學(xué)習(xí)。

4.3 學(xué)生認(rèn)知水平表

記錄學(xué)生的認(rèn)知水平。根據(jù)著名教育心理學(xué)家布魯姆(Bloom)的學(xué)習(xí)目標(biāo)理論, 學(xué)習(xí)目標(biāo)應(yīng)該包括認(rèn)知能力、 動作技能和情感。其中認(rèn)知能力的目標(biāo)根據(jù)智力活動的復(fù)雜程度分為6個等級： 識記、 理解、 應(yīng)用、 分析、 綜合和評價(見表3)。

其中識記和理解屬于較簡單的低級認(rèn)知能力, 應(yīng)用、 分析、 綜合和評價屬于比較復(fù)雜的高級認(rèn)知能力。

表3 學(xué)生認(rèn)知水平表

4.4 學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格表

學(xué)習(xí)過程是個十分復(fù)雜的過程, 既涉及認(rèn)知因素, 也涉及情感因素。建立包括心理因素在內(nèi)的學(xué)生模型, 以便記錄不同學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格, 依據(jù)學(xué)生各自的學(xué)習(xí)風(fēng)格和要求選擇最適合的教學(xué)策略。

筆者采用所羅門的學(xué)習(xí)風(fēng)格分類及測量方法獲得學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格。所羅門(Barbara A Solo Man)從信息的加工、 感知、 輸入和理解4個方面將學(xué)習(xí)風(fēng)格分為4個組對8種類型： 1) 活躍型與沉思型; 2) 感悟型與直覺型; 3) 視覺型與言語型; 4) 序列型與綜合型(見表4)。

表4 學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格表

5 學(xué)生模型中的診斷模塊設(shè)計

學(xué)生模型各信息表數(shù)據(jù)由學(xué)生模型中的特殊機(jī)構(gòu)----診斷模塊實現(xiàn)。

5.1 診斷方法

1) 對學(xué)習(xí)者基本信息的診斷采用數(shù)據(jù)庫查詢、 輸入和修改的方法; 2) 對知識點和認(rèn)知水平的診斷采用測試題并對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和評價, 形成學(xué)生模型中的知識水平和認(rèn)知水平模型； 3) 對學(xué)生風(fēng)格的診斷采用問卷方式, 對學(xué)習(xí)風(fēng)格測試問卷進(jìn)行統(tǒng)計并歸納形成學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格模型。

5.2 學(xué)生基本信息表數(shù)據(jù)的獲取

基本信息診斷的工作流程如圖4所示。學(xué)習(xí)者進(jìn)入系統(tǒng)后在登錄界面輸入自己的用戶名和密碼, 診斷模塊會立刻在學(xué)生基本信息庫中查找該用戶名, 并判斷該用戶是否是系統(tǒng)合法注冊用戶。如果該用戶是系統(tǒng)用戶, 則診斷模塊需要更改學(xué)生模型庫中的動態(tài)信息, 包括： 該學(xué)生的登錄次數(shù)、 本次登錄時間、 學(xué)習(xí)的總時間、 本次選擇的學(xué)習(xí)難度、 以及通常選擇的學(xué)習(xí)方式等信息。

如果診斷模塊在學(xué)生基本信息庫中查找不到該用戶, 系統(tǒng)需要提示學(xué)習(xí)者注冊該學(xué)習(xí)系統(tǒng),如果不選擇注冊, 則該學(xué)習(xí)者將退出登錄界面。如果該學(xué)習(xí)者選擇注冊該系統(tǒng), 則診斷模塊會鏈接并打開學(xué)生基本信息庫, 學(xué)生在注冊界面中輸入自己的基本信息, 這些信息將被寫入該學(xué)生的基本信息表中, 并作為靜態(tài)信息存儲到學(xué)生模型中。診斷模塊便可得到學(xué)生基本信息表中的數(shù)據(jù)。

圖4 基本信息診斷流程

5.3 學(xué)生學(xué)習(xí)檔案表數(shù)據(jù)的獲取

學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史有一定的繼承性。對學(xué)生學(xué)習(xí)歷史的診斷主要包括： 記錄學(xué)習(xí)次數(shù)、 總學(xué)習(xí)時間、 曾經(jīng)學(xué)習(xí)的知識點、 做過的測試題數(shù)量、 測試正確率及知識點是否通過等。

本節(jié)重點是對知識點的掌握程度進(jìn)行診斷, 以便了解學(xué)習(xí)者對所學(xué)習(xí)的知識點的掌握狀況。其目的是幫助學(xué)習(xí)者明確自己下一步的學(xué)習(xí)步驟和內(nèi)容, 同時記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況并及時修改學(xué)生模型, 以便教師模型為學(xué)生進(jìn)行個別指導(dǎo)和選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。

系統(tǒng)為每道測試題設(shè)置了測試認(rèn)知能力的權(quán)重系數(shù), 因為認(rèn)知能力的測試也要用到該測試題庫中的測試題。

該測試題庫中有4種類型的測試題: 填空題、 單項選擇題、 判斷題和計算題[7]。

每道測試題對應(yīng)一個標(biāo)準(zhǔn)答案、 一組關(guān)鍵字和若干個典型錯誤答案。教師需要指定該題要考查的知識點, 同時, 附加對每個正確答案和錯誤答案的分析, 說明解題思路和出現(xiàn)各種錯誤的原因。

表5 測試題庫的字段設(shè)計

(續(xù)表5)

字段名字段類型字段說明字段名字段類型字段說明錯誤答案1文本第1個可能的錯誤答案認(rèn)知能力文本標(biāo)明該測試題所考察的認(rèn)知能力錯誤答案2文本第2個可能的錯誤答案Image File文本該試題所涉及的圖像文件

5.4 學(xué)生認(rèn)知水平表數(shù)據(jù)的獲取

為全面真實地評估學(xué)生的認(rèn)知能力水平, 在做評估之前首先要給出各項認(rèn)知能力的系數(shù)。以下是教育心理學(xué)專家給出的各認(rèn)知項目的權(quán)重系數(shù)

識記=0.140 0, 理解=0.112 5, 應(yīng)用=0.162 5, 分析=0.180 0, 綜合=0.275, 評價=0.130 0。

其次還要給出認(rèn)知能力的評價等級標(biāo)準(zhǔn):

優(yōu)(1), 良(0.8, 1), 中(0.6, 0.8), 及格(0.6), 差(0, 0.6)。

認(rèn)知水平測試流程如圖5所示。

圖5 認(rèn)知水平測試流程

題庫中的每道題目都帶有測試識記、 理解、 應(yīng)用、 分析、 綜合和評價這6項認(rèn)知能力中的一項或能力的權(quán)值信息(在題庫建立時, 每道題在錄入過程中, 已經(jīng)定義該題所要測試的認(rèn)知能力及其分值)[8]。學(xué)生測試時, 若答對本題, 則所對應(yīng)的某一項或幾項認(rèn)知能力值為1; 若答錯本題, 則為-1； 不回答本題, 則為0。學(xué)生做完知識點測試題目后, 可得到一個認(rèn)知水平測試記錄表。

可用每種認(rèn)知能力的測試題的正確率表示該認(rèn)知能力的高低, 此處以識記能力的計算為例

認(rèn)識能力綜合評價=∑(各認(rèn)知能力×各認(rèn)知能力的權(quán)值)

這種根據(jù)各項認(rèn)知能力的值, 用相應(yīng)的數(shù)據(jù)構(gòu)建認(rèn)知學(xué)生模型, 這種方法稱為評估法。

表6是根據(jù)某個學(xué)生某次測驗成績的認(rèn)知數(shù)據(jù)記錄表。

表6 某學(xué)生測驗成績的認(rèn)知層次數(shù)據(jù)記錄

總體認(rèn)知能力水平=0.667×0.140 0+1×0.112 5+0.8×0.162 5+0.5×0.18+0.5×0.275+1×0.13=0.693 4。由表6可知, 總體認(rèn)知能力水平等級為中。

5.5 學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格表數(shù)據(jù)的獲取

該系統(tǒng)的診斷模塊中有專門調(diào)查學(xué)習(xí)風(fēng)格的問卷和調(diào)查表, 系統(tǒng)會提示學(xué)習(xí)者填寫個人學(xué)習(xí)風(fēng)格調(diào)查問卷。學(xué)生填寫完學(xué)習(xí)風(fēng)格調(diào)查測試問卷后, 系統(tǒng)會依據(jù)科學(xué)的統(tǒng)計方法得到每個學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格表[9]。如果學(xué)生沒有填寫或不愿填寫學(xué)習(xí)風(fēng)格調(diào)查測試問卷, 系統(tǒng)會為其選擇默認(rèn)的適合大多數(shù)學(xué)生的最佳學(xué)習(xí)策略。

在該系統(tǒng)中選擇所羅門的學(xué)習(xí)風(fēng)格測量表測量學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格, 該測量表可操作性強(qiáng), 學(xué)習(xí)者可進(jìn)行自我測定。利用所羅門測量表檢測不同學(xué)習(xí)風(fēng)格的分布情況, 國際上有多項研究與此測量表得出十分接近的結(jié)果。

5.6 動態(tài)修改學(xué)生模型

診斷模塊用來不斷地更新學(xué)生模型, 其中基本信息表和學(xué)習(xí)風(fēng)格表在第1次注冊后和學(xué)習(xí)風(fēng)格測量后, 變化不會太大, 不需要時刻修改[10]。而其中學(xué)生個人學(xué)習(xí)檔案表和認(rèn)知水平表是變化的, 尤其學(xué)習(xí)檔案表是隨學(xué)習(xí)的進(jìn)行時刻變化的。診斷模塊會在每次測試結(jié)束后將知識點的測試結(jié)果和對認(rèn)知水平的測試結(jié)果寫入學(xué)生模型的相應(yīng)部分。

6 結(jié) 語

筆者在學(xué)生模型的構(gòu)建中, 摒棄了以往在構(gòu)建學(xué)生模型時只注重績效考核而忽略學(xué)習(xí)中各種認(rèn)知因素影響的建模方式, 構(gòu)建了包括各種認(rèn)知因素和績效考核的認(rèn)知學(xué)生模型。

ICAI系統(tǒng)是個智能的復(fù)雜系統(tǒng), 其內(nèi)部由多個相互關(guān)聯(lián)的子模塊構(gòu)成, 由于篇幅的限制, 筆者著重闡述了學(xué)生模型的設(shè)計。在后續(xù)的研究中將繼續(xù)設(shè)計教師模型和領(lǐng)域知識庫。主體模塊的設(shè)計離一個真實可用的ICAI系統(tǒng)還有很長的距離, 后續(xù)要做的工作是系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)。ICAI是CAI較好的發(fā)展方向, 目前還沒有成熟可用的ICAI系統(tǒng), 在ICAI開發(fā)研制的過程中還有很長的路要走。

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