應(yīng)用人工智能進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)的系統(tǒng)探討

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摘要:為了有效解決任課教師和學(xué)生之間的線上教學(xué)的互相交流問題，在校園良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，有必要建設(shè)一個(gè)便利高效的遠(yuǎn)程互動(dòng)平臺(tái)。本文基于人工智能，結(jié)合Agent的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，提出了一種遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，能夠?yàn)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)功能，還實(shí)現(xiàn)了智能化教學(xué)的在線互動(dòng)。本文主要闡述系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)，并對(duì)功能模塊展開分析。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)更適用于現(xiàn)階段的教學(xué)。

關(guān)鍵詞:人工智能；遠(yuǎn)程教學(xué)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；智能教學(xué)；網(wǎng)絡(luò)教育

1引言

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程和終身學(xué)習(xí)體系的建立，遠(yuǎn)程教育正步入快速發(fā)展的新階段。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)代教育領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅為學(xué)生提供了大量的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和豐富的學(xué)習(xí)資源，還為遠(yuǎn)程教學(xué)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。由于當(dāng)前遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)無法針對(duì)不同層次的學(xué)生實(shí)施個(gè)性化教學(xué)，因此如何運(yùn)用高新技術(shù)來提升現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)水平就擺在教育工作者面前。為能夠有效提高遠(yuǎn)程教學(xué)的同步效率，本文以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，闡述系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)，并對(duì)功能模塊展開了分析。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景，證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)可為遠(yuǎn)程教學(xué)質(zhì)量的提升提供相應(yīng)的參考[1]

2需求分析

2.1功能需求

遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)反面主要包含教師、學(xué)生以及管理員三個(gè)部分。管理員能夠?qū)處煛W(xué)生、班級(jí)和課程等方面進(jìn)行管理；教師可以對(duì)視頻、課件、作業(yè)布置等教學(xué)資源和學(xué)生的申請(qǐng)進(jìn)行操作。而學(xué)生只能夠進(jìn)行選擇課件和選課情況、學(xué)習(xí)資料下載以及留言等操作。

2.2系統(tǒng)性能需求

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)、超大存儲(chǔ)空間以及安全控制等性能。2.3遠(yuǎn)程教學(xué)在遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，Agent可以有效提高系統(tǒng)的智能型，從而幫助該系統(tǒng)組成問題答疑、作業(yè)發(fā)布以及考試交互等功能，通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享。而計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(ComputerAidedInstruction，CAI)則可以通過對(duì)學(xué)生自身的情況和相應(yīng)的因素分析學(xué)生的特征，然后為其安排合理的教學(xué)內(nèi)容和方法，以滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，從而促進(jìn)教學(xué)效率和質(zhì)量的提升[2]。

3總體功能設(shè)計(jì)

3.1Agent技術(shù)和設(shè)計(jì)原則

Agent技術(shù)又被稱為智能代理技術(shù)。作為一種人工智能技術(shù)，它可以通過從外部環(huán)境中以主動(dòng)的方式來獲取相關(guān)知識(shí)。然后，在自我不斷的訓(xùn)練和改變下，進(jìn)一步提高自身的能力。因此，本文基于人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，不僅可以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行檢測(cè)，還能夠通過人工智能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的訓(xùn)練。因此，基于該技術(shù)的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，既可以給用戶提供個(gè)性化的教學(xué)方式，還促進(jìn)了遠(yuǎn)程教學(xué)質(zhì)量的提升。但在遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要充分滿足學(xué)校、學(xué)生對(duì)該系統(tǒng)的需求，并能夠做到及時(shí)更新。同時(shí)，在功能方面需要具備多樣化的功能。如在該教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，還需要將學(xué)生的考試成績(jī)以及各方面的教學(xué)信息等統(tǒng)一錄入電子檔案中，并利用該系統(tǒng)對(duì)信息存儲(chǔ)進(jìn)行安全保存[3]。

3.2系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

利用B/S三層架構(gòu)模式和模塊化技術(shù)等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多功能模塊的構(gòu)建和協(xié)同工作。該系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)可以劃分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層及表現(xiàn)層等，如圖1所示。通過三層架構(gòu)模式，有效促進(jìn)了該系統(tǒng)的拓展性，還可以實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的工作。同時(shí)，遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)了web瀏覽器能夠直接面向用戶。中間層則包含了該系統(tǒng)的多個(gè)智能模塊，如學(xué)習(xí)模塊、教師模塊等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫層實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)校相關(guān)教學(xué)資源的管理與服務(wù)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫層還實(shí)現(xiàn)了對(duì)教學(xué)資源、數(shù)據(jù)庫資源等具體資源的存儲(chǔ)任務(wù)。業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生Agent、教師Agent及教學(xué)管理等Agent的管理，并通過相應(yīng)的瀏覽器實(shí)時(shí)顯示用戶界面。

3.3系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的地方在于針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)以及提出相應(yīng)的建議，從而實(shí)現(xiàn)智能化教學(xué)和學(xué)習(xí)[4]。系統(tǒng)主要包括學(xué)生學(xué)習(xí)模塊、教師教學(xué)模塊、評(píng)估模塊以及人機(jī)交互模塊、知識(shí)庫模塊等多個(gè)模塊，如圖2所示。同時(shí)，該系統(tǒng)的組件均是在知識(shí)庫的支撐下才能夠?qū)崿F(xiàn)的。

3.3.1學(xué)生學(xué)習(xí)模塊設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)，主要可以對(duì)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)能力和技能水平進(jìn)行精準(zhǔn)的反饋，然后為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供個(gè)性化教學(xué)。模塊由多個(gè)代理以及教學(xué)協(xié)調(diào)代理等共同組成，因此不同的教學(xué)代理自身具備了獨(dú)立解決問題所需要的相關(guān)知識(shí)和能力。可以將其看成一個(gè)人工智能個(gè)體。它可實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)材料的呈現(xiàn)、幫助解決問題，從而為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供相應(yīng)的意見。同時(shí)，利用協(xié)作機(jī)制，可以有效實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享。在教學(xué)過程中，利用協(xié)調(diào)代理還可以結(jié)合教學(xué)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)大綱以及教學(xué)策略進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[5]。

3.3.2教師教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)學(xué)校教學(xué)課程結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)，可以為學(xué)生所選擇的問題提供正確的答案，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的學(xué)生行為進(jìn)行監(jiān)督。同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)個(gè)人交互方式的學(xué)習(xí)，并結(jié)合學(xué)習(xí)要求為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供對(duì)應(yīng)的教學(xué)方法。因此，整個(gè)教學(xué)的過程中，任課教師可以通過利用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)學(xué)生的反饋信息進(jìn)行收集，以此來促進(jìn)教學(xué)策略庫的完善。系統(tǒng)能夠通過借助智能化的推理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行智能化的指導(dǎo)。最后，能夠結(jié)合教師教學(xué)模型數(shù)據(jù)，利用評(píng)估模塊實(shí)現(xiàn)為教師教學(xué)行為的評(píng)估提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)作為支撐，能更好更客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生。

3.3.3評(píng)估模塊設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)可以結(jié)合對(duì)應(yīng)的評(píng)估機(jī)制，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)以及教師的教學(xué)等進(jìn)行判斷，并將最后的結(jié)果傳遞到相應(yīng)的模塊中。同時(shí)，可以以人工智能推理的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、態(tài)度、效果等多個(gè)方面進(jìn)行全面的綜合評(píng)估，以及教師在教學(xué)過程中學(xué)生反應(yīng)的問題進(jìn)行綜合評(píng)估。

3.3.4知識(shí)庫模塊設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)可以將其劃分教學(xué)知識(shí)和教學(xué)策略知識(shí)等兩個(gè)部分。教學(xué)知識(shí)的構(gòu)架由總體線性和局部非線性等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。它可以結(jié)合課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，以超文件的文件形式實(shí)現(xiàn)存放，可以供學(xué)生學(xué)習(xí)和查詢。而非線性結(jié)構(gòu)可以將其看作結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容中的章、節(jié)中的知識(shí)點(diǎn)來劃分相應(yīng)的層次。章為線性，而從節(jié)開始則為非線性。因此，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以通過對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的選擇，形成教學(xué)策略知識(shí)并將其在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存放[6]。

3.3.5人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)了學(xué)生、教師以及系統(tǒng)等多方面之間的溝通交流。作為媒介，它還能夠?yàn)閷W(xué)生提供熟知的表達(dá)知識(shí)。同時(shí)，結(jié)合學(xué)生自身所具備的學(xué)習(xí)能力和歷史學(xué)習(xí)記錄，為學(xué)生選擇沒有學(xué)過或者教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，從而有針對(duì)性地為學(xué)生制定合理的學(xué)習(xí)方案。

4軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為SQLServer2000型號(hào)服務(wù)器，并使用Internet5.1作為信息服務(wù)器。結(jié)合web瀏覽器，在不受硬件條件的約束下，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的跨平臺(tái)使用，從而為學(xué)習(xí)在網(wǎng)絡(luò)中的學(xué)習(xí)提供各方面有效支撐，還為教師的教學(xué)提供支持和幫助。具體地，該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以劃分為遠(yuǎn)程教學(xué)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程教學(xué)通信協(xié)議、AI智能課堂以及智能教學(xué)評(píng)價(jià)等。

4.1遠(yuǎn)程教學(xué)數(shù)據(jù)采集

該部分的設(shè)計(jì)在于系統(tǒng)為遠(yuǎn)程教學(xué)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)流。該系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)，因此通過Web形式來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的工作交互、文檔流轉(zhuǎn)，結(jié)合Web得出對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程教學(xué)html語言。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程教學(xué)數(shù)據(jù)的收集。并且，在對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)數(shù)據(jù)的收集過程中，還可以通過利用采集端來確定遠(yuǎn)程教學(xué)的數(shù)據(jù)，不用安裝任何軟件，也不需要進(jìn)行任何相關(guān)配置，同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集工作[7]。

4.2遠(yuǎn)程教學(xué)通信協(xié)議

想要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)離不開遠(yuǎn)程高級(jí)通信協(xié)議。只有這樣才能夠?yàn)閷W(xué)生或教師提供相應(yīng)的服務(wù)。而能夠支持遠(yuǎn)程教學(xué)的通信，還需要能夠允許該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建一個(gè)基于遠(yuǎn)程移動(dòng)端以及通信設(shè)備兩者支架的邏輯連接。這樣，就以利用web數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)數(shù)據(jù)的傳輸以及智能調(diào)頻。最后，通過通信協(xié)議，還可以將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送到前端顯示界面，從而有效保證遠(yuǎn)程教學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4.3AI智能課堂

該設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)的學(xué)習(xí)視頻。它可以將優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，結(jié)合系統(tǒng)制定合理的教學(xué)步驟和專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，錄制成為所需的視頻切片。同時(shí)，結(jié)合不同的教學(xué)過程和情境，如問題的正誤回答等情況，為學(xué)生們提供不同的視頻學(xué)習(xí)內(nèi)容。此外，切片處理后的教學(xué)視頻資源，由于時(shí)間間隔短，可以減少視頻播放前加載時(shí)間，利用web服務(wù)器進(jìn)行直播和點(diǎn)播，還能夠在多種教學(xué)情境中重復(fù)利用。其原因主要是基于人工智能，因此才能夠?qū)崿F(xiàn)視頻資源的自適應(yīng)性展現(xiàn)。

4.4智能教學(xué)評(píng)價(jià)

智能教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)，主要是結(jié)合課堂視頻中的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行問答抽取、錯(cuò)題糾錯(cuò)等。基于語音特征，從而對(duì)學(xué)生的問題回答實(shí)現(xiàn)層級(jí)劃分，從而量化學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)。最后通過自動(dòng)化形成對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)報(bào)告，以客觀的方式體現(xiàn)出學(xué)生的學(xué)習(xí)變化和成長(zhǎng)。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，想要充分實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的個(gè)性化教學(xué)，不僅要保障學(xué)生能夠自主性的學(xué)習(xí)，還要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的引導(dǎo)。通過對(duì)其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的調(diào)整和優(yōu)化，從而可以幫助不同層次的學(xué)生獲取符合自身水平的教學(xué)策略，因材施教。而基于人工智能的遠(yuǎn)程教學(xué)模式，既可以從一定程度上激發(fā)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)感官思維，促進(jìn)其學(xué)習(xí)積極性的提升，還可以利用模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)，提高該系統(tǒng)的安全性。

5實(shí)施效果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于人工智能技術(shù)提出的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的可行性，本文結(jié)合相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

5.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)以一些學(xué)校中學(xué)生與任課教師為對(duì)象，通過利用遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)。為有效保證該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，將遠(yuǎn)程教學(xué)同步率作為實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。同時(shí)，還通過新舊系統(tǒng)的對(duì)比分析，來驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。首先，該系統(tǒng)利用MODBUS軟件采集遠(yuǎn)程教學(xué)同步率，并通過傳統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)，對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)同步率進(jìn)行采集。然后，基于人工智能的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析并記錄相應(yīng)的結(jié)果。

5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先，在大數(shù)據(jù)的支持下，本文通過對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)和人工智能的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)之間的教學(xué)效果以及同步率進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比分析。結(jié)果顯示，基于人工智能的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。例如，將該校學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行劃分，在500分的基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行比較，具體結(jié)果如表1所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)，相同學(xué)生人數(shù)的不同系統(tǒng)教學(xué)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的學(xué)生成績(jī)低于本文遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的成績(jī)；傳統(tǒng)系統(tǒng)不同人數(shù)（300-600）的情況下最高分為400分；基于人工智能遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)不同人數(shù)（300-600）情況下最高分為490；隨著學(xué)生人數(shù)的增加，傳統(tǒng)系統(tǒng)教學(xué)情況下學(xué)生的分?jǐn)?shù)在逐漸降低，由此對(duì)這兩種系統(tǒng)的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基于人工智能的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，更加可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。同時(shí)，通過實(shí)現(xiàn)對(duì)比剛開始這兩種系統(tǒng)均會(huì)受延遲的影響，使得其教學(xué)效率和質(zhì)量無法得到提高。但在人工智能技術(shù)的應(yīng)用下，有效解決了遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的延遲問題。綜上所述，經(jīng)試驗(yàn)證明基于人工智能設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)具有可行性[8]。

6結(jié)束語

綜上所述，遠(yuǎn)程教學(xué)優(yōu)勢(shì)越來越受人們的重視。為了進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)功能進(jìn)行完善，本文利用人工智能技術(shù)有效解決了遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性與并發(fā)性。而且，該系統(tǒng)還具有相應(yīng)的人工智能學(xué)習(xí)能力，更加有利于輔助學(xué)生的學(xué)習(xí)。因此，基于人工智能的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。

作者：張惠娟 單位：廈門工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院