人工智能的教育应用之研究框架

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,人工智能,的,教育应用,之,研究框架,张剑平,浙江师范大学 教育信息技术研究所,人工智能,的,教育应用,之,研究框架,AI,教育应用的分类,智能教学系统及其发展,AI,教育及其现状,机器人教育与创新能力培养,AI,的教育应用之研究框架,人工智能教育应用的分类,人工智能的教育应用,什么是“人工智能”,人工智能,（,Artificial Intelligence:AI）,是研究运用计算机模拟和延伸人脑功能的综合性学科,是计算机科学的一个分支,也是一门交叉和边缘学科,人工智能研究处于信息技术发展的,前沿,，它的研究和应用在一定程度上反映了信息技术的发展方向。,教育信息化是教育领域全面、深入地运用IT来促进教育改革的过程，新世纪教育信息化的风起云涌呼唤AI的教育与应用。,AI的教育应用,之,类型,从应用对象看，“,计算机的教育应用,”包括（3L）,：,学习计算机,(Learn about computer),；,用计算机学习,(Learn with computer),；,从计算机学习,(Learn from computer),。,同理，“,AI,的教育应用,”包括：,学习,AI,(Learn,about AI),把,AI,作为学习对象，内容包括,AI,的基础知识、基本技能及其对社会的影响等。,用,AI,学习,(Learn with AI),学生把,AI,技术与工具作为学习工具，主要包括用,AI,来处理信息。,从,AI,学习,(Learn from AI),教师把,AI,作为一种辅助的教学工具来辅助教学、辅助测试、辅助备课、管理教学等工作。,智能教学系统及其发展,AI,在教育中的主流应用,人工智能的教育应用,智能教学系统及其特征,智能教学系统,是借助人工智能技术，让计算机扮演教师的角色实施个别化教学，向不同需求不同特征的学习者传授知识、提供指导的一种适应性学习支持系统。,就本质上看，以下系统是相同的：,ITS,，,Intelligent Tutoring System,ICAI,，,Intelligent Computer-Assisted Instruction,IIS,，,Intelligent Instruction System,AIS,，,Adaptive Instructional Systems,智能教学系统的特征：,能了解学生的学习情况,能进行有针对性的教学,可以用自然语言交互,学生模型,教师模型,智能接口,ITS系统的组成,教师模型,相当于,专家系统,的推理机,ITS,也称为,教学专家系统,ITS,的国际研讨会,届,时间,地点,论文数,7,th,August 30-Sept.3,2004,Maceio,Alagoas,Brazil,79,6,th,June 2-7,2002,Biarritz,France and,San Sebastian,Spain,98,5,th,June 19-23,2000,Montreal,Canada,67,4,th,August 16-19,1998,San Antonio,Texas,USA,65,3,rd,June 12-14,1996,Montreal,Canada,75,2,nd,June 10-12,1992,Montreal,Canada,78,1,st,1988,Montreal,Canada,ITS国际研讨会的论文主题,论文主题届别,2nd,3rd,4th,5th,6th,7th,合计（篇）,特邀论文,6,6,5,6,5,6,34,ITS结构,8,5,6,6,10,5,40,著作系统,4,2,6,3,6,8,29,学生模型,11,6,6,6,4,10,43,教学策略,8,7,5,6,5,31,协作学习,0,7,5,3,6,21,认知模型,6,5,3,3,17,教学评价,4,3,25,8,44,教学代理,5,9,10,3,27,自然语言对话和分布式学习环境,12,9,11,12,11,55,智能远程教育,3,5,8,基于Web的 ITS,1,5,2,10,18,模拟,3,6,9,其他,23,20,22,6,10,9,90,合计（篇）,78,75,65,67,98,79,462,ITS实例：,ADELE,作者：美国南加利福尼亚大学信息科学学院,功能：临床医学诊断的教学,由模拟角色、解释引擎、会话管理器三部分组成，可以利用因特网进行远程教学。,基于病例的临床诊断：,系统向学生提供某一特殊的医学条件和病例，让学生通过练习和ADELE系统适当的引导来学习临床医学知识。,ADELE,Agent for Distance Education,Light Edition,ITS实例：,ZZ智能教学系统,由中科院张景中院士主持开发的智能教育系列软件，包括初中代数、三角函数、解析几何、立体几何、初中物理、初中化学等多个软件。,基本功能:,能够进行智能解题、人机交互、自动推理和动态作图。,该软件已经通过审定并作为教育部推荐软件列入中小学教材图书目录。,ITS的发展：,智能代理,代理（Agent）,一种具有智能的实体,它具有自主性、反应性、适应性和社会性等基本特性。,教师代理,运用自身的推理机制，在了解学生实际情况的前提下，产生恰当的教学策略。,学生代理,充当学习者的学习伙伴或知心朋友，与学习者进行平等的讨论、交流。,实现智能化信息服务,可以充分发挥其主动性、智能性和协作性，为用户提供方便简单的信息搜索、处理手段，提高学习者的信息获取、处理能力。,ICAI的发展：,知识库系统,任务:存储记忆全部智能检索所需要的知识，并利用知识库的知识推导出新的知识。,基本功能：,能理解自然语言，允许用自然语言提出各种询问。,具有较强的联想能力，能根据对需求的大致描述找到有关知识。,具有推理能力，能根据存储的知识，演绎出所需的答案。,具有较强的知识获取能力，并具有自学功能。,目前的研究侧重于知识检索，即,智能数据库系统,。,目的：提高对网上信息的管理和检索能力,热点：数据仓库系统、数据挖掘,ITS的发展趋势,自组织与个性化的信息系统新的人工智能研究趋势,New AI:Toward Self-Organizing and Personalized Information Systems,克劳斯.迈因策尔（德国奥克斯堡大学跨学科信息科学研究所所长）,现代社会最能被预见到的特质就是它的不可预见性。,杜德斯达（美国密西根大学前校长）,ITS的发展趋势,现代学习理论的应用,将现代学习理论用于ITS，可以激发学生的学习兴趣和学习主动性，为学生建构知识提供有效的信息，满足学生个性化学习的需求。,智能代理技术的应用,智能代理技术是由各种技术支撑着的，许多实用的应用特性的集合，系统正是利用这些特性来扩展并达到能自动执行用户委托任务的目的。,自然语言处理技术的应用,通过自然语言人机接口更加方便地进行人机交互；实现知识点之间的层次关系和复杂的语义联系；技术实现知识的查找和利用；进行跨语种的知识学习。,虚拟现实技术的应用,虚拟现实技术是多媒体技术的最新发展，在ITS中，可以通过在虚拟环境中的亲身体验，来达到演示、操作的教学目的，也为增强学生的学习实践提供了方便、高效的途径。,人工智能教育及其发展,以我国高中新课程为例,人工智能的教育应用,学习领域,科目,必修学分,选修I学分,选修II学分,语言与文学,语文,10,国家为满足学生的兴趣、爱好和未来发展的需要，在共同必修的基础上，各科课程标准设置若干选修模块，供学生选择,。,学校根据当地社会、经济、科技、文化以及自身条件开设，供学生选择。,外语,10,数学,数学,10,人文与社会,政治,8,历史,6,地理,6,科学,物理,6,化学,6,生物,6,技术,信息技术,4,通用技术,4,艺术,艺术或,音乐、美术,6,体育与健康,体育与健康,11,综合,实践活动,研究性学习,15,社区服务,2,社会实践,6,普通高中新课程概况,多媒体技术应用,算法与程序设计,数据管理技术,网络技术应用,人工智能初步,信息技术基础,高中信息技术 新课程的构成,必修,（,2学分）:,选修,(2+X学分):,信息获取,信息加工与表达,信息资源管理,信息技术与社会,1 2 3 4 5,人工智能教育对于信息素养培育的重要作用,对多种思维方式的培养和信息素养的综合锻炼,求解结构化问题的传统,程序算法数据结构,求解非结构化、半结构化问题的人工智能,程序知识推理,体验人类专家解决复杂问题的思路，提高学生的逻辑思维能力,Jonassen认为：那些自行设计专家系统的学生将会在这种活动中受益匪浅，因为这是一个对所学知识进行深度加工的过程。,了解信息技术发展的前沿，激发对信息技术未来的追求,高中教材:,人工智能初步,第1章 初识人工智能,1.1什么是人工智能,1.2人工智能可以为我们做什么,第2章 了解人工智能语言,2.1,了解,Prolog,2.2,使用,Prolog,2.3,人工智能语言,第3章 用计算机表示知识,3.1知识及其类型,3.2知识表示入门,3.3知识表示的常用方法,第4章 用计算机推理,4.1 什么是,专家系统,4.2 专家系统如何工作,4.3 如何开发专家系统,第5章 用智能搜索解决问题,5.1 可以通过搜索求解的问题,5.2 穷举式搜索,5.3 启发式搜索与博弈,第六章 人工智能的发展与未来,6.1 人工智能的发展,6.2 人工智能的未来,张剑平主编,教育科学出版社,2004,高中人工智能教材的比较研究,机器人教育与创新能力培养,人工智能的教育应用,机器人的教育价值,作为家庭的益智玩具,作为幼教工具,与传统的幼教工具相比有较强的交互性，交互形式多样，不易产生厌烦感。,可以让孩子承担更错综复杂的探索并促成其全面发展。,作为成人的益智玩具,作为学校课外活动的载体,教育机器人课外活动的形式：,课外兴趣小组,各种机器人竞赛,作为基础教育课程的载体,机器人教学的基本目标,（供讨论）,知识与技能,了解机器人硬件结构、功能与应用等方面的基本知识；具备开展机器人活动的基本能力。,过程与方法,能够规划、拼装简易机器人、进行相应程序编写,能进行机器人的使用和维护。,态度、情感与价值观,培养对人工智能技术的兴趣；认识到智能机器人对社会进步与经济发展的作用；有应用机器人、参加机器人竞技活动的意识。,机器人教育现状3：,教育机器人产品,（据不完全统计）,产品,生产/经销企业,1,诺宝机器人,深圳市诺博特智能科技有限公司,2,能力风暴机器人,上海广茂达,3,乐高机器人,西觅亚科技,4,慧鱼机器人,慧鱼中国,5,紫光机器人,南京紫光科教仪器有限公司,6,通用机器人,北京通用依耐特技术开发有限公司,7,中鸣机器人,中鸣数码科技,8,纳英特机器人,杭州纳英特电脑电子工程有限公司,9,研究版、大学版机器人,上海英集斯自动化技术有限公司,10,教育机器人系列,北京博创兴业科技有限公司,12,教学模型两足机器人，教学模型足球机器人,中山大谷电子科技有限公司,13,未来之星教育机器人,上海积成电子系统有限公司,14,交大智能机器人,交大智通智能机器人事业部,15,英罗智能机器人（主要提供传感器等配件）,上海英罗智能机器人有限公司,16,重庆友恒机器人,重庆友恒电脑科技有限责任公司,17,利德机器人（足球比赛用）,沈阳东大利德电子有限公司,18,灭火机器人套装,博思电子数码科技有限公司,18,Myth Busters、Radio Shack,VEX,机器人教育面临的问题,教学目标的科学性不强,小学、初中、高中机器人教育的教学目标问题,教育行政部门的重视不够,目前主要由企业的积极性推动着相关活动的开展,缺乏科学规划与教学设计,机器人“教材”大多是“产品说明书”或“用户指南”,对于“智能”概念的使用过于泛化,缺少从教育视角进行的研究,相关研究涉及多个领域，课题申报的难度较