智能教学系统支持英语学习的案例研究

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为了解决英语学习中的阅读能力和词汇问题袁有的学者 提出英语学习的最好方法是野短时间尧高频率冶袁也就是每天 学习几分钟比一个月一次学习数小时效果显著遥 将上述提出 的学习方法与移动学习整合袁本案例基于模糊项目反应理论 渊Fuzzy Item Response Theory袁简称为 FIRT冤袁提出了个性化智 能移动教学系统 (Personalized Intelligent Mobile-learning Sys鄄 tem袁 简称为 PIMS冤遥 网络蜘蛛根据模糊项目反应理论袁从相 关英语新闻网站检索英语新闻文章提供给 PIMS袁同时袁能自 动发现并抽取学习者不认识或不熟悉的词汇袁通过加强词汇 的学习袁促进学生英语阅读能力的提升遥 实验结果表明袁PIMS 系统有益于提升学生的英语新闻阅读能力袁 扩大英语词汇 量袁学生的学习兴趣明显提高遥
ITS 是一个复杂的软件系统袁对其组成结构的理解袁不同 研究者持有不同的观点遥 有三模块说 渊Hartley & Sleeman et al.冤袁即认为 ITS 由学生模型渊Student Model冤尧专家模型渊Expert Model冤 或 领 域 知 识 库 渊Expert Model or Domain Knowledge
容尧动态调整学习策略尧关注智能教学系统的教学应用及其效果等优点袁同时提出 PIMS 智能教学系统进一步研
究的建议遥
[关键词]智能教学系统曰移动学习曰英语学习曰案例研究
wenku.baidu.com
[中图分类号]G434
[文献标识码]A
[文章编号] 1672要0008渊2012冤03要0066要07
一、引言 智能教学系统( Intelligent Tutoring System, ITS)是在计算 机辅助教学的基础上逐步发展起来的袁是一门涉及人工智能 (Artificial Intelligence袁简称 AI)尧计算机科学尧认知科学尧教育 学尧心理学和行为科学的综合性课题[1]袁也是教育技术学的重 要研究领域遥 其研究的终极目的是由计算机担负起人类教育 的主要责任袁在一定程度上代替人类教师实现最佳教学[2]遥 自 20 世纪 70 年代以来袁许多国家和地区如美国尧英国尧日本和 加拿大等都投入了大量的经费袁十分重视智能教学系统的研 究尧开发袁智能教学系统已应用在数学尧物理尧工程尧化学以及 军事训练等领域遥 与国外发达国家相比袁国内对智能教学系 统的研究起步稍晚袁理论研究仍以借鉴国外成果为主袁真正 走出实验室并投入教学实践的智能教学系统并不多[3]遥 因此袁 本文在阐述智能教学系统及其组成架构的基础上袁结合台湾 PIMS 移动智能教学系统支持英语学习的个案袁 介绍系统框 架及其在教学中的应用袁在分析案例优点的同时袁提出了研 究建议袁希望能对智能教学系统的教育应用起到借鉴作用遥
图 1 ITS 的基本结构
学生模型院用于记录学生的相关信息袁反映系统对学生 知识状态尧认知特点和个性特点的了解程度袁是导师制定教 学策略的依据遥 学生模型通常包括三种类型: 覆盖模型 渊Overlay Model冤尧 微 分 模 型 渊Differential Model冤 和 摄 动 模 型 渊Perturbation Model冤 遥 [10] 学生模型的研究主要包括错误诊断尧 学习过程跟踪尧开放的学习者模型尧动机和情感建模等遥 学生 模型是智能教学系统的核心组件袁是实施个性化和适应性教 学的基础遥
图 2 PIMS 的系统结构
渊二冤PIMS 的系统结构与设计[15] PIMS 系统包括三个组成部分袁 即远程课件服务系统尧 客户移动学习系统尧 数据同步代理袁 如图 2 所示袁 PIMS 系 统结构图详细描述了每个部分的结构遥 客户移动学习系统 由四个智能代理和四个数据库组成袁 系统基于模糊项目反 应理论袁 向不同的学习者推荐不同难度的英文新闻袁 以分 别提高他们的阅读能力和词汇量遥 远程课件服务系统由三
教师模型(教学策略)院根据一定的教学原理, 以学生已有 的知识状态尧认知特点和个性特点为基础袁组织适当的教学 内容袁采用适当的表达形式袁选择适当的呈现时机袁给予学生 个性化的指导遥 该模块运行的关键在于如何选择合适的教学 策略袁即解决如何教的问题遥
专家模型(领域知识库)院表示教学领域的相关知识以及作 为专家能够基于教学领域知识解决有关问题的问题求解知 识遥专家模型主要完成两个功能院一是 ITS 中知识的来源袁系统 使用专家模块的知识对学生的行为作出适当的响应袁 生成相 应的问题尧 任务以及解释曰 二是衡量学生知识掌握情况的标 准袁为了完成该功能袁领域专家必须采用与学生相似的方式生 成问题的解答袁才能进行系统行为与学生行为之间的比较[11]遥
System) [7]遥 不同时期的研究者对于智能的理解各不相同遥 有学者提
出对于智能教学系统中智能的具体要求为院自动生成各种问 题与练习曰根据学生的水平和学习情况袁选择尧调整学习内容 及进度曰 在理解教学内容的基础上自动解决问题生成解答曰 具有自然语言的生成与理解能力袁以便实现比较自由的教学 问答系统以提高人机交互主动性曰对教学内容有解释咨询能 力曰能诊断学生的错误袁分析原因并采取纠正措施曰能评价学 生的学习行为曰在教学中不断改善教学策略遥 上述的八点进 一步可归纳为三个野W冶袁即懂得教学内容 (what)尧了解教学对 象 (whom)尧知道如何教 ( how) [8]遥 ITS 最直接和最主要的智能 特征是能对学生进行因材施教的个别化指导袁ITS 的智能集 中体现在对学生的评价和诊断能力尧 教学规划能力尧 自然语 言理解能力遥 强调系统的智能性有利于提高教学系统的有效 性尧促进人类认知的研究尧推动未来教育模式的改进遥
二、智能教学系统及其组成结构 智能教学系统产生的历史可以追溯到上世纪 60 年代的 程序教学( Programmed Instruction, PI) , 随后出现了基于计算 机的训练 (Computer Based Training, CBT) 和计算机辅助教学 (Computer Assisted Instruction, CAI) [4]遥 智能教学系统的基本 框架最初由 Hartleyt 和 Sleeman 提出, 基本观点认为 ITS 必 须处理三类知识院 第一类是领域知识, 即专家模型(Expert Model) 曰第二类是学习者知识袁即学生模型(Student Model)曰 第三类是教学策略的知识袁即导师模型(Tutor Model) [5]遥 这是
近年来袁随着网络社区的迅速发展袁越来越多的用户借 助无线网络袁 利用掌上电脑或手机浏览网页或检索网络信 息遥 同样地袁教育技术的发展趋向也日益便携化尧移动化尧个 性化遥 这些趋势导致了学习方式的变革袁从传统的课堂教学 走向数字化学习尧移动学习和泛在学习遥 在这些新颖的学习 方式中袁移动学习已被视为一种灵活有效的学习方式袁能够 突破时空的限制袁方便学习者在任何时间尧地点袁利用空闲时 间展开学习活动遥
在英语作为非母语的国家袁英语已经成为最重要的第二 语言遥 如何利用计算机辅助学习的方式或以计算机为学习工 具促进英语学习水平的提高已成为热点话题袁也是影响国家 整体竞争力的重要因素遥 近年来袁国外已有学习者成功地提 出利用移动学习支持课堂外的英语学习活动袁比如 TenseITS 即是专为中国人学习英语而设计的移动智能教学系统[13]曰手 机辅助语言学习系统[14]等等遥 任何语言都包括听尧说尧读尧写四 大技能袁然而阅读能力和词汇知识是两个重要的影响英语成 绩的因素遥 换言之袁阅读能够丰富词汇袁掌握词汇又能促进阅 读理解遥 在下文中袁为了表述方便袁英语作为母语的国家袁用 L1 表示袁英语作为第二语言的国家袁用 L2 表示遥
* 基金项目院本文获浙江大学社会科学培育项目渊2012-2013冤野虚实融合的协作环境及其学习活动研究冶渊2050205-12冤的资助遥
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Database冤以及导师模型渊Tutor Model冤三部分组成曰四模块说袁 即在三模块说的基础上加了一个人机接口模块曰五模块说袁即 在四模块说的基础上将专家模型与领域知识库独立出来遥 国 内学者对 ITS 的组结构比较赞同四模块说袁 即认为一个典型 的 ITS 系统主要有四个组成部分院专家模型(领域知识)尧学生模 型尧教师模型(教学策略)和智能人机接口[9]遥 如图 1 所示遥
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学术视点
个智能代理和一个数据库组成袁 网络蜘蛛能自动从因特网 收集英语新闻袁 提供给远程课件尧 用户档案数据库袁 系统 还能根据英语新闻难度测量预案对英语新闻进行难度参数 的评估遥 为了实现离线学习袁 数据同步代理负责保持客户 端和服务端数据的一致性遥
1.远程课件服务系统 图 2 的右边部分揭示了远程课件服务系统的结构袁包括 英语新闻网络蜘蛛尧英语新闻难度评估代理尧课件管理代理尧 远程课件和用户档案数据库遥 目前袁台湾许多网站免费提供 大量英语新闻袁并有相应的中文翻译袁比如 FTV 和 CTV 英语 网站袁中文翻译有助于中文读者渊L2冤对英文新闻的阅读和理 解遥 为了给远程课件和用户档案数据库构建丰富的英语课 件袁网络蜘蛛能自动从因特网收集英语新闻并提取英语新闻 中的元数据曰英语新闻难度评估代理能根据台湾全民英检网 的词汇等级水平袁在对阅读难易计算公式 [16]改进的基础上袁 自动测量英语新闻的难度参数袁基于模糊项目反应理论的难 度参数的测量有利于向不同的学习者推荐合适的英语新闻曰 最后袁课件管理代理提供了友好的课件管理界面袁方便教师 从远程课件和用户档案数据库创建新的课程单元袁 下载尧修 改或删除课件遥 2.客户移动学习系统 图 2 的中间部分展现了客户移动学习系统的结构袁包括 学习界面尧个性化词汇推荐尧个性化课件推荐尧反馈等四个智 能代理和用户档案尧词汇尧本地课件尧用户帐号等四个数据 库遥 学习界面代理为已注册帐号的学生提供了灵活的学习界 面袁实现了与反馈代理尧个性化词汇推荐代理尧个性化课件推 荐代理的交互遥 学习界面代理能展现个性化课件推荐代理推 荐的英语新闻袁收集学习者的学习反应尧学习新词汇尧检测学 生对新词汇的掌握曰反馈代理负责收集学习者的精确反馈信 息袁包括英语新闻的难度水平和学习者的理解程度袁并且保 存到用户档案数据库曰个性化课件推荐代理从本地课件数据 库中推荐个性化的课件给不同的学习者袁 根据学习者的反 馈袁评估学习者的学习能力曰最后袁为了促进词汇学习袁根据 个性化词汇学习系统[17]对学习者词汇能力的评估以及词汇的 难易参数袁个性化词汇推荐代理从学习者所学的英语新闻中 提取对学习者来说不熟悉的词汇遥 个性化词汇学习系统能运 用项目反应理论和学习记忆规律袁 激发学生的学习兴趣袁提 高学生的学习成绩遥 该系统也成功地运用在利用掌上电脑 (PDA)进行个性化英语词汇学习的活动中遥
学术视点
智能教学系统支持英语学习的案例研究 *
李红美 1,2 徐振华 2
渊1.浙江大学 教育技术研究所袁浙江杭州 310028曰 2.南通大学 教育科学学院袁江苏南通 226007冤
[摘 要]在阐述智能教学系统及其组成架构的基础上, 结合 PIMS 移动智能教学系统支持英语学习的个案袁介
绍了 PIMS 系统框架及其在教学中的应用袁认为案例具有重视学生初始学习能力的评估尧动态生成适应性学习内
智能接口院 作为系统与用户的交互界面, 是为其它各个 模块提供智能化的多媒体知识输入尧 用户信息和行为获取尧 知识输出的途径遥 智能接口包括自然语言处理技术的应用尧 人机对话处理尧对领域知识库维护的接口尧教学策略的修改 接口以及学生模型的初始化处理等[12]遥
三、移动智能教学系统的应用案例 PIMS 渊Personalized Intelligent Mobile-learning System) 即 移动智能教学系统袁系统保留了 e-learning 的优点袁能为英语 学习提供有效而灵活的学习环境袁 充分发挥移动学习的优 势袁扩展学生的英语词汇量袁提高学生的英语阅读能力遥 渊一冤系统概述
ITS 研究的最初框架袁在之后的 30 年里袁也成为指导 ITS 设 计与开发的经典理论遥 虽然 ITS 的发展已有 30 多年袁但关于 什么是 ITS袁目前国内外尚无统一的定义遥 结合自己的研究实 践袁不同的学者提出了不同的看法袁观点分歧主要集中在对 ITS 中野I冶袁即智能的理解不同[6]遥 目前袁国内学者普遍接受的 观点是院ITS 是一种借助人工智能技术, 让计算机扮演教师的 角色实施个别化教学袁向不同需求尧不同特征的学习者传授 知识袁 提供指导的适应性学习支持系统 (Adaptive Learning
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