淺談人工智能在教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

許力行

摘? 要 討論人工智能在教學(xué)需求分析、學(xué)習(xí)者特征分析、教學(xué)方案設(shè)計(jì)、建立評估體系等方面的應(yīng)用，總結(jié)人工智能在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中帶來的效益。

關(guān)鍵詞 信息技術(shù);人工智能;教學(xué)設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)科學(xué)

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）06-0027-03

Discussion about Application of Artificial Intelligence in Instruc-tional Design//XU Lixing

Abstract This paper introduces the application of artificial intelli-gence in the process of teaching design， includes analysis of teaching

needs， analysis of learners characteristics， design of teaching schemes，

and establishment of evaluation system. In the last， the paper briefly concludes benefits brought by artificial intelligence to teaching design process.

Key words information technology; artificial intelligence; instruc-tional design; computer science

1 引言

隨著科技的快速發(fā)展，信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越成熟，2012年MOOC的崛起也讓更多的人開始關(guān)注多媒體在教學(xué)方面的作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及多媒體設(shè)備的更新?lián)Q代，如今幾乎人人都能在多媒體設(shè)備上進(jìn)行學(xué)習(xí)，也讓線上教育成為被人們普遍接受的一種學(xué)習(xí)方式。近幾年來，線上教育在我國得到大范圍的推廣和普及。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得人工智能技術(shù)能應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣。隨著技術(shù)的成熟及社會需要，人工智能也被逐漸地應(yīng)用到教育領(lǐng)域。如利用人工智能的自然語言處理與XML技術(shù)結(jié)合，可以使得教學(xué)資源的智能檢索更為高效;以及利用計(jì)算機(jī)輔助評價(jià)（Computer Assisted Assessment，

簡稱CAA）輔助教學(xué)智能測評等[1]。人工智能可以利用電腦去對人的思維模式、推理及演算方法以及決策進(jìn)行模擬，讓計(jì)算機(jī)擁有近似于人類大腦的部分功能，完成一些以往只能通過人類的智慧才能完成的工作，一定程度上代替人力資源完成相關(guān)任務(wù)，為教育行業(yè)帶來極大的便捷。

2 什么是人工智能

人工智能所涉及的領(lǐng)域較為廣泛，有認(rèn)知科學(xué)、不定性論、信息論、自動化、生物學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、哲學(xué)、控制論、語言學(xué)等眾多學(xué)科，目前為止，人工智能主要研究范疇有智能搜索、感知問題、語言的學(xué)習(xí)與處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、推理、計(jì)算機(jī)視覺等。人工智能中最為成熟，同時(shí)在線上教育中應(yīng)用最為廣泛的是專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)也是近30年來人工智能領(lǐng)域發(fā)展起來的一種極具代表性的智能應(yīng)用系統(tǒng)。其主要研究方向是令計(jì)算機(jī)具有能夠模仿人類在某些領(lǐng)域的專家的能力，去解決相關(guān)領(lǐng)域一些專業(yè)性較強(qiáng)的問題。而在網(wǎng)絡(luò)教育中，專家系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、智能教學(xué)系統(tǒng)和智能化的硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)施四大模塊[2]。

3 人工智能與教學(xué)需求分析

教學(xué)需求分析是教學(xué)設(shè)計(jì)的第一步，它能夠幫助教師明確教學(xué)目標(biāo)，有利于教師基于學(xué)習(xí)者的需求開發(fā)一系列課程。教學(xué)需求分析首先要進(jìn)行需求評估和目標(biāo)分析，需求評估可以為有效教學(xué)提供基本數(shù)據(jù)，目標(biāo)分析能夠以提出問題的方式確定學(xué)習(xí)者的特性及需求。在完成需求評估和目標(biāo)分析后便可進(jìn)行績效評估，識別出教學(xué)過程中不需要處理的問題，將課程的有效程度最大化。

以往的教學(xué)需求分析往往是由專業(yè)的教學(xué)設(shè)計(jì)人員去執(zhí)行，從需求評估的規(guī)劃、數(shù)據(jù)收集和分析、總結(jié)，到目標(biāo)分析、評估比較，再到績效評估，整個(gè)過程的工作量較為龐大。特別是在做一些較為新型的課程的教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要收集大容量的數(shù)據(jù)樣本，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。隨著科技的發(fā)展，人工智能技術(shù)中專家系統(tǒng)的應(yīng)用，只要將原本收集好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，利用專家系統(tǒng)模擬教學(xué)設(shè)計(jì)專業(yè)人員的邏輯、推理、演算過程，能夠大量節(jié)省在教學(xué)需求分析過程中的時(shí)間和精力，為企業(yè)、學(xué)校等機(jī)構(gòu)節(jié)省人力物力資源。同時(shí)，人工智能系統(tǒng)能夠避免人們主觀意識對評估的影響，最大限度減少評估中由于個(gè)人情感問題帶來的誤差，增強(qiáng)教學(xué)需求分析過程中的客觀性。

4 人工智能與學(xué)習(xí)者特征分析

學(xué)習(xí)者特征分析是教學(xué)設(shè)計(jì)里較為核心的一部分，被視為對教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施的基本約束之一，也是理解教學(xué)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)[3]。以往傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)者特征分析是靠教學(xué)過程設(shè)計(jì)者或者教師本身來對學(xué)習(xí)者進(jìn)行特征分析，通過人工區(qū)分變量來分析其一般特征，然后逐步深層地對學(xué)習(xí)者進(jìn)行分析。雖然這些步驟在個(gè)體較少的情況下能夠?qū)⒐ぷ髯龅轿唬湫室约百Y源利用率非常低。在學(xué)習(xí)者數(shù)量較為龐大的情況下，則需要消耗大量的人力與物力。這種情況下利用信息技術(shù)對學(xué)習(xí)者進(jìn)行特征分析，能夠大大減少資源消耗，使資源利用最大化，提升整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)過程的效率。

如在大型企業(yè)員工培訓(xùn)階段，由于員工的教育背景、工作經(jīng)驗(yàn)都有所差異，因此，他們在培訓(xùn)期間的起點(diǎn)能力也有所不同。同時(shí)，每個(gè)人本身的學(xué)習(xí)風(fēng)格也有所不同，相同的培訓(xùn)內(nèi)容有可能會造成與某些學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)偏好相悖，導(dǎo)致培訓(xùn)效果不佳。對已經(jīng)進(jìn)入社會的成人學(xué)習(xí)者而言，他們的學(xué)習(xí)特征相比在校園的學(xué)生要更為復(fù)雜及多樣化。成人學(xué)習(xí)者往往對參與學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的動機(jī)更為強(qiáng)烈，并且在時(shí)間的安排上也更為重視，多數(shù)成人學(xué)習(xí)者對效率的重視大于對學(xué)習(xí)本身所需要消耗的經(jīng)濟(jì)需求的重視。這一系列復(fù)雜多樣的特征，利用人工智能技術(shù)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，然后利用專家系統(tǒng)將相似特征的學(xué)習(xí)者進(jìn)行分類，有利于企業(yè)針對性地設(shè)計(jì)培養(yǎng)方案。

在學(xué)習(xí)者的特征分析過程中，還有一些較為特殊的學(xué)習(xí)者，如有學(xué)習(xí)障礙的學(xué)習(xí)者，其中包括身體殘障人員（如有聽覺、視覺損傷）、語言障礙及智力障礙的學(xué)習(xí)人員以及部分在學(xué)習(xí)能力方面有缺陷的學(xué)習(xí)者。該類較為特殊的學(xué)習(xí)者在某些方面對自身學(xué)習(xí)能力的判斷欠缺準(zhǔn)確性。通過專家系統(tǒng)的輔助，利用大數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)υ擃悓W(xué)習(xí)者進(jìn)行一個(gè)較為準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)特征判斷。

5 人工智能與教學(xué)方案的設(shè)計(jì)

隨著線上教育的普及，人們在使用線上學(xué)習(xí)平臺的過程中也難免遇到各式各樣的問題。對具有不同特征的學(xué)習(xí)者應(yīng)該進(jìn)行區(qū)別教學(xué)，因此衍生出一系列在線上教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)中關(guān)于教學(xué)材料方面的問題。對學(xué)習(xí)者而言，選擇線上教育的一個(gè)主要因素就是能以較為便捷的方式，通過反復(fù)觀看課程內(nèi)容，來突破傳統(tǒng)課堂的空間、時(shí)間限制，彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂不具有反復(fù)性的不足。因此，大多數(shù)線上學(xué)習(xí)者并不愿意在學(xué)習(xí)一門課程前去做過多的知識準(zhǔn)備，而是希望已選的課程本身含有一些相關(guān)的基礎(chǔ)性內(nèi)容，以及課程外的一定程度上的擴(kuò)展。學(xué)習(xí)者的特征判斷，對于在線課程來說本身具有一定的難度。在最初，針對不同的學(xué)習(xí)者制定對應(yīng)的在線課程，主要是通過學(xué)習(xí)者的主動選擇，以及依靠一些調(diào)查問卷的形式大致對該學(xué)習(xí)者的特征進(jìn)行判斷，然后為其推薦較為適合的課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。這樣的評估形式，準(zhǔn)確性往往較低，因此容易出現(xiàn)部分學(xué)習(xí)者對在線課程學(xué)習(xí)效果不滿的現(xiàn)象。

出現(xiàn)這類問題的主要原因是教學(xué)方案或教學(xué)資源對學(xué)習(xí)者的適配性較低：一是學(xué)習(xí)者之間學(xué)習(xí)基礎(chǔ)存在差異，這也是學(xué)習(xí)過程中普遍存在的現(xiàn)象;二是學(xué)習(xí)者之間學(xué)習(xí)能力存在差異，在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)以及其他條件相同的情況下，學(xué)習(xí)能力之間的差異導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果差距較大。這兩大方面的問題在傳統(tǒng)線下課堂能夠通過學(xué)生課后主動詢問教師，或者課堂上即時(shí)提問得到解決。對于線上課堂，這方面的即時(shí)解決能力則相對較差，因此在教學(xué)方案的準(zhǔn)備上就需要進(jìn)行區(qū)分。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)及人工智能等較為先進(jìn)的技術(shù)也逐漸被引進(jìn)教育領(lǐng)域，針對為不同的個(gè)體制訂不同的學(xué)習(xí)方案的問題，通過信息技術(shù)的應(yīng)用能夠得到有效解決。

對于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同的學(xué)習(xí)者，如大學(xué)英語四級考試的相關(guān)在線課程，一些英語基礎(chǔ)較差的學(xué)生可能連基本語法知識的掌握都不到位，那么在準(zhǔn)備教學(xué)材料過程中，就應(yīng)該在此方面有所考量。對于這方面的判斷，通過人工形式一對一進(jìn)行考核工作量過大，而利用人工智能技術(shù)的專家系統(tǒng)，能夠?qū)W(xué)生的基礎(chǔ)知識進(jìn)行一個(gè)較為準(zhǔn)確的判斷，再將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫，通過智能決策系統(tǒng)進(jìn)行邏輯推理，為學(xué)生制訂最適合的教學(xué)方案。在課程的不同階段，通過人工智能技術(shù)能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行動態(tài)分析，為其下一階段的學(xué)習(xí)制訂不同的教學(xué)方案。

目前，這類技術(shù)在我國線上教育領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在學(xué)習(xí)者完成某一階段的學(xué)習(xí)后進(jìn)行智能測評，分析學(xué)習(xí)者的知識漏洞，然后針對性地為學(xué)習(xí)者推送下一套課程。這樣的動態(tài)教學(xué)方案可以有效減少學(xué)生在課程的各個(gè)階段的知識盲點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)效率。人工智能技術(shù)還能將一些較為經(jīng)典的教學(xué)方案、教學(xué)資源和教學(xué)技能進(jìn)行整理，并為學(xué)生制定具有針對性的教學(xué)輔導(dǎo)[4]。

對于學(xué)習(xí)能力不同的學(xué)習(xí)者，想要針對性地制訂較為適合其學(xué)習(xí)的教學(xué)方案，對于傳統(tǒng)課堂的教學(xué)模式來說較為困難。在傳統(tǒng)課堂上，一個(gè)班級里學(xué)習(xí)成績優(yōu)異和學(xué)習(xí)成績較差的學(xué)生，很難通過教師對教案的制定來達(dá)到相對應(yīng)的解決效果，主要是由于傳統(tǒng)課堂在時(shí)間和空間上有限制。針對這一問題，性價(jià)比最高的解決方案便是利用線上教育，通過人工智能的專家系統(tǒng)相對較為快捷地對不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)習(xí)者制訂不同的學(xué)習(xí)方案。

6 人工智能與評估體系的建立

在一個(gè)課程的結(jié)尾或者是課程中某一階段的最后部分，往往會對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果做一個(gè)測試，同時(shí)會對整個(gè)教學(xué)過程的結(jié)果進(jìn)行一個(gè)評估，以測試學(xué)習(xí)者對知識與技能的掌握和教學(xué)效果。以往這些工作同樣是由教學(xué)設(shè)計(jì)人員或者教師對學(xué)習(xí)者進(jìn)行評估，通過評估結(jié)果來了解學(xué)員實(shí)際解決問題的能力，并且從中得到學(xué)習(xí)者在相關(guān)培訓(xùn)課程中對教學(xué)效果的反饋。同樣，在學(xué)習(xí)者數(shù)目較為龐大的情況下，這一階段給評估者本身帶來巨大的工作量，并且因?yàn)闇y試體系的問題，測試結(jié)果本身也并非具有很高的代表性。同樣的一份測試題，在不同時(shí)間、不同學(xué)習(xí)階段給同一個(gè)學(xué)習(xí)者測試，得到的結(jié)果也不一樣。而對教學(xué)質(zhì)量的評估需要給出到科學(xué)、客觀、合理的評價(jià)。人工智能技術(shù)的應(yīng)用能很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)評估體系在這方面的不足[5]。

因此，要對學(xué)習(xí)者進(jìn)行相對準(zhǔn)確的評估，最好的方式是在學(xué)習(xí)過程中對學(xué)習(xí)者進(jìn)行動態(tài)評估。綜合每一次的測試結(jié)果，以科學(xué)的算法進(jìn)行演算和推理，得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的評估結(jié)果。這樣貼身的評估系統(tǒng)，以傳統(tǒng)人為的方式實(shí)現(xiàn)成本過高。而通過計(jì)算機(jī)輔助評價(jià)（CAA）系統(tǒng)的輔助，能夠讓學(xué)習(xí)者通過多媒體設(shè)備在設(shè)計(jì)好的學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行動態(tài)評估，并記錄每一次評估的數(shù)據(jù)，讓學(xué)習(xí)者能夠準(zhǔn)確得知自己對知識和技能的掌握程度。同時(shí)，教師能及時(shí)得到教學(xué)效果的反饋，對教學(xué)效果有一個(gè)較為及時(shí)與準(zhǔn)確的了解。

7 人工智能在教師教學(xué)過程與學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的應(yīng)用與展望

當(dāng)一個(gè)完整的教學(xué)設(shè)計(jì)方案完成時(shí)，其最終目的還是應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中。通過人工智能技術(shù)的輔助對教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、改善之后，在教與學(xué)過程中也適當(dāng)加入人工智能系統(tǒng)的應(yīng)用，無論是實(shí)體課堂還是在線課堂，都能夠最大限度地發(fā)揮教學(xué)設(shè)計(jì)的價(jià)值，提高課堂效率。隨著未來人工智能的進(jìn)一步發(fā)展及普及，一些較為先進(jìn)的科技項(xiàng)目，如面部表情識別、人工智能語音系統(tǒng)等，若能有機(jī)地結(jié)合到課堂中，相信對教與學(xué)都能有質(zhì)的提升。

對于教師而言，目前在線課堂教學(xué)過程中最大的問題就是無法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。在傳統(tǒng)課堂中，一名優(yōu)秀的教師能夠通過豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)狀態(tài)、精神集中程度等進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，從而對課堂教學(xué)過程進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。如今隨著信息技術(shù)的發(fā)展，即便不少在線課堂能夠?qū)崿F(xiàn)在教學(xué)過程中讓學(xué)生與教師通過彈幕、留言等形式進(jìn)行實(shí)時(shí)互動，一些課堂學(xué)員數(shù)目較少的課程甚至可以進(jìn)行雙向視頻互動，但依舊無法解決教師對課堂掌控程度不高的狀況。通過人工面部表情的智能識別，能夠運(yùn)用人工智能技術(shù)對學(xué)生在課堂中的注意力集中程度進(jìn)行判斷，有效提高在線課堂中教師對學(xué)生狀態(tài)的判斷，從而做出相對的措施以提高教學(xué)質(zhì)量。

對學(xué)生而言，在線上課堂學(xué)習(xí)過程中往往會遇到一些知識點(diǎn)中的疑惑，無法及時(shí)向教師詢問從而得到解答。尤其是學(xué)員數(shù)量較為龐大的課程，教師往往無法兼顧所有學(xué)員進(jìn)行逐一答疑。通過人工智能技術(shù)對課堂內(nèi)容進(jìn)行分析，再利用專家系統(tǒng)對學(xué)生的問題與課程內(nèi)容進(jìn)行對應(yīng)歸類，能夠方便教師在課后對此類型的問題進(jìn)行統(tǒng)一解析;一些已經(jīng)解析過的問題則可以導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，通過專家系統(tǒng)的歸類后，直接將解答內(nèi)容發(fā)送給學(xué)生，以提高大型線上課程教學(xué)中對學(xué)生遇到的問題進(jìn)行答疑的效率。

8 結(jié)語

人工智能作為目前計(jì)算機(jī)科學(xué)中一個(gè)較為火熱的研究領(lǐng)域，其研究內(nèi)容依然在不斷擴(kuò)充，所涉及的范圍也在不斷擴(kuò)大。教育領(lǐng)域作為人類社會中極為重要的一個(gè)領(lǐng)域，人工智能這樣一項(xiàng)能給人類帶來極大幫助的技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用。目前，我國教育領(lǐng)域也在不斷革新，隨著教育信息化的不斷普及，人工智能不僅在教學(xué)設(shè)計(jì)中能夠得到廣泛應(yīng)用，在教育的各個(gè)方面也能帶來巨大的幫助。相信未來人工智能的不斷開發(fā)，能夠讓教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效率有更顯著的提升，讓教育領(lǐng)域在信息化時(shí)代能夠得到跨越式發(fā)展?！?/p>

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