毕业设计（论文）-人工智能科学与计算机技术结合辅助教学的思考(19页).doc

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1、-毕业设计（论文）-人工智能科学与计算机技术结合辅助教学的思考-第 16 页毕 业 论 文论文题目： 人工智能科学与计算机技术结合辅助教学的思考 姓 名： 学 号： 学习中心： 专 业：计算机科学与技术 指导教师： 二一四年一月毕业论文承诺书提示：根据北京语言大学网络教育学院论文写作的规定，如发现论文有抄袭、网上下载、请人代写等情况，毕业论文一律不及格。同时取消学士学位申请资格。毕业论文不及格者，可申请重写一次，并按重修缴纳费用。本人承诺：本人已经了解北京语言大学的毕业论文写作的有关规定；本人的论文是在指导教师指导下独立完成的研究成果。整篇论文除了文中已注明出处或引用的内容外，绝没有侵犯他人知

2、识产权。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。签 名：_ 日 期：_2014.2_目 录摘 要4Abstract.5第一章 人工智能科学的技术概况611人工智能的概念61.2人工智能科学的技术概况。.6第二章计算机辅助教学系统的概况821计算机辅助教学系统822计算机辅助教学的概况。82.2.1缺乏开放性。.82.2.2缺乏人机交互能力。.92.2.3缺乏教师与学生的互动。.92.2.4缺乏智能性。.9第三章人工智能对教学领域的影响.1031计算机是信息加工的装置。1032计算机辅助教学与人工智能结合的优势。10第四章智能化计算机辅助教学系统.11 41专家模

3、块。.114.2学生模块。.114.3教学模块。.114.4界面模块。.124.5智能接口模块。.12第五章人工智能技术用于计算机辅助教学的实例.13第六章 智能化计算机辅助教学系统的努力方向.146.1模拟人类记忆与思维合一。.146.2模拟人类思维过程是串行与并行共存且以并行为主.146.3模拟人类较好地解决不确定性问题。.146.4模拟人类较好地解决形象思维、顿悟思维问题。.146.5模拟人类较好地解决自学习问题。.156.6模拟人类较好地解决多种形式表达问题。.156.7与网络技术的结合，实现远程教学。.156.8智能代理（Intelligent Agent）技术的使用。.156.9提

4、高虚拟学习环境的人机交互性。.156.10开发更有效的帮助系统。.15结束语17致谢18主要参考文献19人工智能科学与计算机技术结合辅助教学的思考作者：摘要：本文从人工智能科学的概念出发，分析了人工智能科学技术和计算机辅助教学系统的概况，分析了人工智能技术对教学领域的影响，详细分析了智能化计算机辅助教学系统的特点，通过实例说明了人工智能在计算机教学中的应用，最后阐述了智能化计算机辅助教学系统的努力方向。人工智能(Artificial Intelligence, AI)是20世纪50年代中期兴起的一门新兴边缘科学，它既是计算机科学的一个分支，又是计算机科学、控制论、信息论、语言学、神经生理学、心

5、理学、数学、哲学等多种学科相互渗透而发展起来的综合性学科。人工智能又称为智能模拟，是用计算机系统模仿人类的感知、思维、推理等思维活动。它研究和应用的领域包括模式识别、自然语言理解与生成、专家系统、自动程序设计、定理证明、联想与思维的机理、数据智能检索等。随着计算机技术与教育技术的发展，人工智能在教学中的应用也逐渐深入，人工智能与计算机技术结合辅助教学的应用也越来越广。计算机辅助教学的实现需要应用人工智能技术及程序设计，一些人工智能技术的特殊应用成果均被应用于计算机辅助教学系统，以提高其智能性和实用性。关键词：人工智能科学；智能化计算机辅助教学系统Artificial Intelligence

6、Science and Computer Technology Combined with Auxiliary Teaching ThinkingAuthor: Abstract：In this paper, starting from the concept of artificial intelligence science, analyzes the science and technology of artificial intelligence and general situation of computer assisted instruction system, analysi

7、s the effect in the field of artificial intelligence technology to the teaching. It contains the characteristics of the intelligent computer assisted instruction system . The example is given to illustrate the application of artificial intelligence in the teaching of computer, finally it expounds th

8、e direction of the intelligent computer assisted instruction system.AI (Artificial Intelligence, AI) is developed in the mid - 1950 .It is a new edge science, it is a branch of computer science, and computer science, cybernetics, information theory, neurophysiology, psychology, linguistics, mathemat

9、ics, philosophy and so on the many kinds of mutual penetration and development of the subjects of integrated disciplines. Artificial intelligence is also known as the intelligent simulation, it is used to imitate the thinking activity of human perception, thinking, reasoning. Its research and applic

10、ation areas are very wide such as pattern recognition, natural language understanding and generation, expert system, automatic programming, theorem proving, association and thinking, the mechanism of data intelligent retrieval, etc. With the development of computer technology and education technolog

11、y, the application of artificial intelligence in teaching is also gradually thorough, the application of artificial intelligence and computer technology combined with auxiliary teaching is becoming more and more widely. The realization of the computer aided teaching need to apply artificial intellig

12、ence technology and program design, some special applications of artificial intelligent technology achievements have been applied to computer assisted instruction system, in order to improve its intelligence and practicability.Keywords: Artificial intelligence science; Intelligent computer aided tea

13、ching system第1章人工智能科学的技术概况1.1人工智能的概念人工智能(ArtificiaI IntelIigence或简称A1)有时也称作机器智能，是指由人工制造出来的系统所表现出来的智能。人工智能(学科)是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支。它的主要目标在于研究用机器来模仿和执行人脑的某些智能功能，并开发相关理论和技术。国际上人工智能研究作为一门科学的前沿和交叉学科，其确切的定义应该是：一个电脑系统具有人类的知识和行为，并具有如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。1.2人工智能科学的技术概况人工智能的核心是“人工”和“智

14、能” ，它包含了自然语言、机器人学和知识系统三个方面。它是开发和设计出各种计算机程序来模拟人的思维结构、求解过程和求解问题的行为。因而人工智能包括对信息和知识的处理、符号处理好问题求解等。因此说智能是具有一定处理信息的能力和演示信息能力的结合体。人工智能是通过研究人的智慧机理和思维过程，利用计算机体现和模拟人的智能行为。人工智能自其正式提出至今短短几十年内取得飞速发展，已经成为一种成熟的工具。由于人工智能的效用堪比人的智慧，在进行信息分析处理时可以采取语音识别，实现人机对话，所以其应用范围自其发展以来逐步向诸多领域扩展，如医学、建筑学、地质学、机械等，而其研究课题也不断深入，如专家系统、机器人

15、、自然语言处理系统、博弈等。人工智能具有理解经验并从中学习、辨别模糊或互相矛盾的信息、快速而成功地对新环境做出反应、在解决问题时使用推理进行有效的推导、能处理复杂的情况、应用知识控制环境等诸多能力。人工智能是一个知识信息系统，知识在人工智能中占据重要的地位，计算机的智能只有通过对知识的发现、储存、学习、推理和决策才能展现出来。人工智能主要有以下优势：首先，由于知识储存与计算机系统中，为人们知识传播和复制带来了极大的便利，计算机网络技术的发展，使知识的传播和复制突破时间和空间的限制，为人们带来无限的知识共享。其次，人工智能系统拓展了知识信息获取渠道，同时在某些任务处理的质量和速度上，人工智能展现

16、的能力惊人的能力，远非人类所能及。无论是人工智能的理论研究和工程研究都必须解决以下三个方面的问题：对数据的处理，识别过程，外界输入的信息向概念逻辑信息转译，将动态静态图像、声音、语音、文字、触觉、味觉等信息转化为形式化(大脑中的信息存储形式)的概念逻辑信息。实用机器人在第三个方面做得比较多，而识别和智能运算是很弱的，尤其是概念知识的存储形式、逻辑判断和决策这些方面更是鲜有成果，这正是人工智能要重点解决的问题。第2章计算机辅助教学系统的概况2.1 计算机辅助教学系统计算机辅助教学(CAI)即利用计算机代替教师进行教学，把教学内容编成各种“课件”，学习者可以根据自己的程度选择不同的内容进行学习，从

17、而使教学内容多样化、形象化，便于因材施教。如各种教学软件、试题库、专家系统等。CAI无论是在普通教育、高等教育还是在继续教育中都扮演着重要的角色。在国外，CAI课件已经广泛应用于学校和家庭中，并收到了很好的效果。在我国，尽管CAI的研究起步较晚，但发展很快，自上世纪80年代起，已有一批实力雄厚的高等院校把CAI的发展列为重点研究课题。2.2 计算机辅助教学的概况CAI的实现需要应用AI技术及编制复杂的程序，如自然语言理解、知识表示、推理方法等，一些AI技术的特殊应用成果，如代数说明、符号合成、医疗诊断及理论证明等均被应用于CAI系统，以提高其智能性和实用性。早期绝大多数CAI课件大都使用决策理

18、论和随机学习的模式，它极大地简化了学习过程的表达形式。例如早期的地质教学系统(SCHOCAR)等。后来，随着人工智能技术的发展，CAI系统中添加了学生的学习行为及训练策略，同时AI技术被应用于建立学习顾问模块(存放所要教课程的问题和技能)。这种方法能控制训练策略并给出适合学生的学习内容。目前为了获取对课程知识表示和控制的灵活性和模块性，有些CAI系统还用AI技术来表示训练计划和策略。例如多数程序设计语言的CAI均属此例。到目前为止，所使用的绝大多数传统的CAI都是将全部教学信息以编程方式预置于课件中，这样的CAI课件一旦制作完成，任何较大的教学改动都会给维护工作带来极大的不便。因此现有的CAI

19、系统面临许多挑战，它主要存在以下几方面的问题。2.2.1缺乏开放性。不具有开放性是目前CAI课件最大的缺点。使用者无法对课件进行任何修改，只能利用已有资源按设定的路线进行教学。其弊端在于： 固定内容的局限性使课件的适用面狭窄； 设定的运行路线使授课缺乏自主性； 授课的针对性不强； 无法利用新出现的资源在较高起点上进行二次开发。2.2.2缺乏人机交互能力。现有CAI大多以光盘作为信息的载体，将教材中的内容以多媒体的形式展现出来，教学信息是按预置的教学流程机械式地提供给学习者，学习者使用CAI课件学习是完全被动的。在课堂教学中，一般只能通过教师按预定的课件流程进行操作，无论学生还是教师都不能很好地

20、参与教与学的过程，因此人机交互没有很好地实现。2.2.3缺乏教师与学生的互动。现有CAI课件在学生自学以及进行操作使用时，如何学习都是学生自己的事。教师不能完全了解学习者的情况，学生在碰到问题时不能向教师求助， 师生之间互相封闭， 谈不上师生互动， 因此课件所起的效果大打折扣。同时由于缺乏网络支持，现有的绝大多数CAI课件都是在单机环境下运行的，它们无法利用网络的优势使知识内容快速更新，当然更无法提供便捷的学习讨论空间、随时随地的师生交流方式以及远程教学实现的条件。2.2.4缺乏智能性。现有的CAl课件系统不能对不同程度的学生进行有针对性的教育， 学生的学习是被动的， 不能由系统自动提供助学信

21、息而使学生有选择地学习。对教师而言，其教学不能积极地参与其中，不能根据系统提供的信息按照学生的认知模型为其准备最适合的学习内容，更不能给予不同方式的教学模式与方法，因此不具有智能性。第3章人工智能对教学领域的影响3.1计算机是信息加工的装置。知识是赋予语义的，从而成为具有严密结构的信息。教学时知识的传授，并在知识传授的基础上进行思维能力和素质的培养，所以，教学活动也可以说是信息的加工和计算。计算机技术与教学活动有着密切的关系，用信息加工观点来研究教学，我们可以在两个方面获得启迪：一是知识传授的认识；二是对知识结构的认识。知识具有传递性，人类具有对知识的可接受性。个人的知识得到， 主要是靠间接的

22、传授， 由于人脑具有联想机制，要把接受的新知识与原来的旧知识进行协调，于是可能出现歪曲与误解，这就需要教师进行及时的纠正。所以教学是一个交互反馈的过程。理想的教学方式应该是在教师的规划安排下， 学习者进行有引导性的实践，学生既不是被动的灌输，又不流于盲目的探索。3.2计算机辅助教学与人工智能结合的优势。现代教学理论强调按照学生认知特点和规律进行教学，还要了解学习对象本身内在的逻辑结构。根据计算机编制程序的实践和人工智能中有关知识表示的研究成果，将知识体系结构分为两大类：描述性知识结构和程序性知识结构。其中描述性知识结构表现为网络状态，它由许多关联性强的知识单元组成。该知识结构用计算机来存放描述

23、内容就方便多了，可以用图象，声音或者文字等多种元素编辑组成来描述多种关系，便于获得各种知识问的相互关系，加深对知识的理解。程序性知识结构比描述性知识结构要复杂的多，它既包括知识状态还包括了一些规律。对于这种知识的掌握要做大量的练习，从这个意义上来讲，建立计算机的练习来辅助教学是非常重要的。可见，人工智能与计算机技术结合辅助教学有着得天独厚的优势。第4章智能化计算机辅助教学系统智能化计算机辅助教学系统（ICAI)以认知学为理论基础，将人工智能技术应用于CAI，是智能化的CAI。在ICAI系统中，学生的学习可以借助于智能化计算机对大量知识进行选择、判断、处理，使学习内容更有针对性，从而提高学习效果

24、。大多数ICAI系统一般由专家模块、学生模块、教学模块、界面模块和智能接口模块组成：4.1专家模块。专家模块是一个专家系统，具有成熟的要进行传授的领域知识以及对该领域各种问题的求解能力。此专家系统具有如下功能：（1）能够根据学生模块提供的学生学习情况，通过智能系统的搜索与推理，得出智能化的教学方法与教学策略；（2）能够较科学地评估学生的学习水平；（3）能够通过分析学生以往的学习兴趣和学习习惯，预测学生的知识需求和常犯错误；（4）能够动态地将不同的学习内容、学习方法与不同的学生匹配；（5）能够利用知识库的知识，按规则生成课题所需的内容，所以可以把专家知识动态地提供给教学模块；（6）能够智能地分析

25、学生错误的原因进而有针对地提出合理的教学建议、学习建议以及改进方法。4.2学生模块。学生模块也是一个专家系统，具有记载学生学习状况的知识库。它主要具有以下功能：（1）能够对学生学习的各个环节信息进行搜集，然后根据搜集到的学生信息，通过一定的诊断方法，找出学生当前的学习特征，从而便于进行解释指导和因材施教；（2）能够建立和更新学生模型，为后续教学提供依据；（3）能够记录学生的学习情况，以便专家系统对学生学习情况进行自动评估。4.3教学模块。教学模块也是一个专家系统，它对于整个教学过程具有指导能力，这种指导不仅非常灵活而且相当细致。此模块中教学内容与教学策略分离，它的知识库中存储的是各种教学策略，

26、其功能为：（1）教学教程中，系统可随时根据教学需要选择不同的教学策略；（2）能够根据选出的教学策略，生成相应的教学内容；（3）能够将专家模块生成的教学内容和学生模块生成的学生模型做对比，找出学生所缺少的知识，然后利用知识库中的教学策略生成最合适的教学决策。4.4界面模块。界面模块能以喜闻乐见的形式为学习者提供方便的操作环境，通过它来处理学习者与系统间的信息交流。对于一个教学系统，界面的设计不但影响系统的可操作性，更重要的是输入、输出方式能极大地影响发送题目的可理解程度。界面模块的主要功能有：（1）教学模块做出教学决策后，界面模块能以一定形式将教学内容发送出去；（2）能建立学生输入信息的方式，接

27、收学生输入的信息。4.5智能接口模块。使用文字识别、语音识别、自然语言理解等技术让学生可以用自然语言与“智能导师”进行人机对话，其中实现的难点是自然语言接口。如果这个问题得到突破，会大大加宽人机通道，对ICAI系统的发展将起到极大的促进作用。在对传统教学与智能CAI各方面进行认真比较和分析的基础上，可以发现传统教学与智能CAI在理论基础、教学模式、教学信息组织等方面都有明显区别。智能CAI倡导“以人为本”，强调学习者的主体性，实现以“教”为中心向以“学”为中心的转变。教师和学校不再是知识的传授者、灌输者和控制者，而成为学生学习的引导者、帮助者和促进者，其任务除了对教学过程进行组织调控、对学生的

28、学习实施引导和帮助外，更重要的是为学生的学习提供必要的环境和条件。第5章人工智能技术用于计算机辅助教学的实例如C语言程序设计课程教学，在大量实践经验的基础上，为方便教学我们按如下设计思想制作教学辅助多媒体课件。该课件可实现从C语言程序设计课程第一章到第五章搜索技术部分的放映，其中经典推理、不确定推理、搜索技术中的经典算法均用动画实现。在整个课件中插入教师的讲解，既可以根据每节的重点、难点和当前学生的反映重复放映，又可以利用关键字检索放映相关内容的章节。这个课件实现了人工智能中的智能引擎及智能数据检索技术与计算机辅助教学的结合。其实现过程如下：根据第i节的重点、难点和学生的课堂反映分别设定参数W

29、i, Ci, Hi，其中Wi 表示教学重点的权值，Ci表示教学难点的权值，Hi 表示学生课堂反映的权值，这里i=1,2,.n，而n表示总的节数。依照上述步骤不仅可以实现智能引擎的功能，而且可以根据学生的课堂反映灵活调整教学进度，达到比较好的教学效果。该课件的智能数据检索功能可按照同样原理来实现第6章智能化计算机辅助教学系统的努力方向当前，智能计算机辅助教学系统已经成为国际上计算机辅助教学研究的主要方向。要开发好的智能计算机辅助教学系统，需考虑以下几个方面：6.1模拟人类记忆与思维合一。随着计算机技术的发展，计算机的数据处理与存储完全分离状态虽然没有变，但交换数据方式的发展也提升了处理器与存储器

30、之间的配合。智能计算机辅助教学系统模拟人类记忆与思想是非常有必要的。6.2模拟人类思维过程是串行与并行共存且以并行为主。人们不仅可以顺序地处理问题，而且可以同时应付多种不同的情况，把问题的不同侧面、不同因素密切地联系起来，进行多方位的综合性思考，但目前的计算机辅助教学系统只能进行串行式的处理。6.3模拟人类较好地解决不确定性问题。现实世界中的事物并非都是确定的两态逻辑，更多的是多态逻辑、非确定性的、模糊的，人脑可以很自然地处理这样的事物，但目前的计算机辅助教学系统的基于两态逻辑的，为了对不确定性行处理，需要从软件上弥补这一缺陷，这就增加了软件设计的复杂性及难度。6.4模拟人类较好地解决形象思维

31、、顿悟思维问题。人的思维方式除了逻辑思维外，还有形象思维、顿悟思维等，人们在处理问题时，通常是把它们结合起来进行的。但是，目前的计算机辅助教学系统只能进行符号处理，任何要在计算机辅助教学系统上进行处理的问题都必须表示为一串符号序列，并且还要给出处理这引起符号的规则。因此它所能解决的问题仅仅局限于逻辑思维所能解决的问题范畴内，这就使用现有的计算机辅助教学系统难以有创造性它只能做人们为它规定的工作。目前的计算机辅助教学系统的通过搜索在知识库中寻找可利用的知识的，而这些知识都是事先用某种表示模式进行了形式化的，当问题比较复杂时，搜索空间就变得很庞大，往往会引起组合爆炸。计算机辅助教学系统在思维能力方

32、面的局限性极大地限制了它的功能，使得它无法进行音乐、美术方面的创作，数学上不能发现新的定理。目前人工智能在自然信息理解、机器翻译、机器学习等方面遇到的困难都与它的这些局限性有关。6.5模拟人类较好地解决自学习问题。人具有感知能力，能通过感觉器官感知外部世界得到所需要的有关信息，但目前的计算机辅助教学系统却不具有这种能力，它需要人们通过输入设备把已表示出来的信息交它才能进行处理。尽管目前人们已经通过软件的方法设计了各种手写文字以及图形、物象等与计算机辅助教学系统直接交互，这就限制了计算机辅助教学系统的应用。6.6模拟人类较好地解决多种形式表达问题。人们具有多种形式的表达能力及行为能力，能对外部刺

33、激及时地作出反应，这也是目前计算机辅助教学系统做不到的。6.7与网络技术的结合，实现远程教学。随着多媒体技术和Internet 网络的飞速发展，CAI 不仅仅在智能上发展，还要向多维的网络空间发展。它们要利用网络的优势，完成在线学习、实时讨论、网上测试等多种教学任务，实现远程教学。目前，已有不少基于Internet 网的多媒体教育系统在使用。6.8智能代理（Intelligent Agent）技术的使用。人工智能（AI）技术在ICAI 中的应用，除了体现在对多媒体教学系统中引入学生模型和知识推理机制以外，还可以起到在“智能导航”浏览中，使用“智能代理”技术代替教师、学生进行指导学习和搜索学习的

34、作用。 6.9提高虚拟学习环境的人机交互性。虚拟学习环境是由多媒体技术与仿真技术以及计算机技术相结合而生成的一种交互式人工世界。它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互。在教学辅助中，使用创建的虚拟环境，在一般人所不能亲身体验的情景中，达到演示、操作的教学目的。6.10开发更有效的帮助系统。评价一个ICAI 系统智能的高低，是要看该系统能否在学生遇到困难的时候，提供合适的、有启发性的帮助。而现有的ICAI 系统并不能够很好的做到这一点。因此，开发更有效的帮助系统也是今后努力的方向。结束语新时代的教育教学手段将是以智能化CAI 为主线，是多学科、多方位发展的新技术的体现。随着人工智能

35、技术的发展，计算机辅助教学的成效将更加明显。为了实现人类智能在智能计算机辅助教学系统上的模拟、延伸、扩展，必须对其体系结构、工作方式、处理能力、接口方式等进行变革，这样造出来的计算机辅助教学系统才能称为智能计算机辅助教学系统。在当今教育改革的大环境下，应当使更多的教育工作者关注ICAI 的建设与发展，并为ICAI系统的发展起到更大的推动作用。致谢感谢老师对我的细心指导，在此，我要向老师深深地鞠上一躬。主要参考文献1 王永庆 主编人工智能原理与方法西安：交通大学出版社,1998年5月2 王万森 主编人工智能原理及其应用北京：电子工业出版社，2000年3张森等 主编多媒体CAI课件基本原理与制作技术北京：航空航天大学出版社，2005年11月4孙沛 主编计算机辅助教学内蒙古：大学出版社，2000年5王建华等 主编计算机辅助教学实用教程高等教育出版杜，2003年6罗理辉 主编 基于人工智能的计算机辅助教学科技咨询导报,2007年7孙启美 主编现代教育技术与学习模式化走向信息化北京：科学出版社，2011年8史忠植 主编高级人工智能（第3版）北京：科学出版社，2011年