1、    智能導學系統(tǒng)人機互動的跨學科研究與設計    摘要：智能導學系統(tǒng)(its)是借助人工智能技術，讓計算機扮演專家指導者向不同特征學習者傳授知識、提供學習指導的適應性學習支持系統(tǒng)。它有著不同于傳統(tǒng)導學系統(tǒng)的基本結構與運行機制，學生模型建構與適應性指導是其兩大核心特征。學生模型建構過程是its導學過程中通過追蹤學生學習過程逐步形成特定學生知識學習模型。按照建構方式不同，常見的學生模型有四種，分別是期望與錯誤概念調(diào)整適應的學生模型、貝葉斯網(wǎng)絡的學生模型、學習追蹤的學生模型以及基于限制的學生模型，它們采用不同的學習行為指標。有效的人機互動不僅要以學生模型為

2、基礎，教學模型、課程腳本數(shù)據(jù)庫還需要儲存豐富的言語指導行為策略。its人機互動教育心理學研究，以及教育技術學、計算機科學領域的探索性設計研究進展啟示：我國要推動its發(fā)展應聯(lián)合不同領域研究者在已有基礎上進行跨學科研究與設計；多研究專家教師的言語指導行為，形成科學系統(tǒng)的互動結構、腳本與策略；重視情感對學生學習的影響，建構集認知與情感為一體的學生模型。關鍵詞：智能導學系統(tǒng)，學生模型，適應性指導，人機互動機制，跨學科研究基金項目：江蘇省社科基金一般項目“智能導學系統(tǒng)its人機言語互動的心理機制研究”(15jyb012)資助。當前各國優(yōu)秀教師數(shù)量不能滿足所有學生學習需求，為此各國都強調(diào)應大力開發(fā)支持學

3、生學習的網(wǎng)絡學習軟件：智能導學系統(tǒng)(intelligent tutoring system，簡稱its)。its是借助人工智能技術，讓計算機扮演專家指導者向不同特征學習者傳授知識、提供學習指導的適應性學習支持系統(tǒng)(ma et al., 2014)。我國教育技術與計算機科學領域研究者設計了“基于導學案教學模式的智能導學系統(tǒng)”(尚曉晶，2013)、“以知識點為中心的智能導學系統(tǒng)”(康健，2013)、“基于移動端的智能導學系統(tǒng)”(唐崇華，2016)等，但它們似乎更多帶有傳統(tǒng)導學系統(tǒng)的特點。作為一種學習軟件，its與傳統(tǒng)導學系統(tǒng)(包括cai、cal等)一樣，都是促進或支持學生學習的軟件，但它除依據(jù)行為

4、主義學習理論與認知主義學習理論外，還借鑒社會建構主義學習理論，意識到學習是通過互動、合作與協(xié)商建構、獲得知識的過程，因此its與傳統(tǒng)導學系統(tǒng)最根本區(qū)別在于它是對學生學習過程進行一對一指導的人機互動，并體現(xiàn)在基本結構與運行機制的設計上。一、its基本結構與運行機制1.基本結構傳統(tǒng)導學系統(tǒng)會收集數(shù)據(jù)、分析學生學習風格與認知偏好，會在答案錯誤時給予反饋，會在學生完成任務后給予難度更高的新任務，因此其結構由專家模型、學生模型、教學模型、診斷模型四大基本模塊構成。its著重學習過程指導，側(cè)重對學生各解題步驟的反饋、提示，因此除上述基本模塊外，言語交流智能代理(the conversational tut

5、oring agent)模型的功能日益被重視。它通過人機互動指導學生學習過程，由模擬指導者、語義分析器、課程腳本數(shù)據(jù)庫、對話管理器等子模塊構成(見圖1)。語義分析器承擔分析學生輸入信息的語法語義功能，課程腳本數(shù)據(jù)庫儲存大量結構化的言語指導腳本，對話管理器則將適宜言語指導行為腳本傳遞給模擬指導者，使模擬指導者通過人機界面對學生學習進行指導。圖1 its基本結構2.基本運行機制its通過任務設計達到傳授領域知識(如概念、規(guī)則等)目的。任務完成需經(jīng)過兩條運行環(huán)路：外部環(huán)路與內(nèi)部環(huán)路。外部環(huán)路是its根據(jù)學生特點選擇適宜任務，并對學生任務完成情況進行反饋(vanlehn，2006)。其運行過程是分配學

6、生任務、收集學生答案、針對學生答案給予相應反饋。如果學生答案正確則分配新任務，如果答案錯誤則再次讓學生嘗試。一個環(huán)路執(zhí)行一個學習任務。例如，當要求學生解二次方程式時，學生在草稿紙上算出答案并輸入到電腦中，正確則系統(tǒng)給予“恭喜”反饋，錯誤則提示并要求再做一次。總之，外部環(huán)路是反饋學習結果與分配學習任務。內(nèi)部環(huán)路是學生領域知識建構或應用的過程，是一個個“學習事件”，“事件”是學生內(nèi)在心理活動，只能通過學生在電腦界面上輸入相應“步驟”而外顯，因此它與學生外顯解題步驟一一對應。內(nèi)部環(huán)路的功能是對學生輸入步驟予以指導以促進學生學習。內(nèi)部環(huán)路運行復雜，分為步驟分析與步驟產(chǎn)生兩個階段。步驟分析是its通過語

7、義分析器、診斷模型等分析學生輸入信息；步驟產(chǎn)生則根據(jù)步驟分析結果，通過教學模型、課程腳本數(shù)據(jù)庫選擇不同方式予以指導，或正誤反饋，或提示，或提供恰當?shù)膶W科知識，或描述學生錯誤。同樣是讓學生解二次方程，學生可能第一步是從電腦界面菜單中選擇一種方法，緊接著its要求學生輸入問題解決的各步驟，或?qū)W生與模擬指導者展開對話“解決這個方程，我們可以用什么方法？”總之，內(nèi)部環(huán)路是對學生學習過程進行指導(見圖2)。圖2 its運行機制由上可知，its是對學生學習過程進行實時反饋與適應性指導過程，因此研究者一致認為its存在兩大核心特征：(1)學生認知過程的實時診斷，即學生模型建構；(2)適應性指導。its是人工

8、智能在教育教學領域中的應用，需要教育心理學、教育技術學、計算機科學等領域研究者合作參與，其人機互動研究與設計應圍繞這兩大核心特征，首先進行教師教學與學生學習的相關教育心理學研究，緊接著在教育技術學、計算機科學領域利用人工智能agent技術、自然語言處理技術、數(shù)據(jù)挖掘技術等進行its開發(fā)與設計。二、its學生模型建構研究學生模型建構過程是its導學過程中通過追蹤學生學習過程，逐步形成特定學生知識學習模型。需要心理學工作者研究與揭示學科知識表征、學生學習過程及錯誤學習、學科知識結構特點，然后教育技術學與計算機科學領域工作者據(jù)此選擇相應學生模型建構方式與行為指標進行設計。1.特定學生知識學習模型建構

9、的相關心理學研究(1)學科知識模型的心理學研究最早的學科知識模型是collins和quillian(1969年)提出的層級網(wǎng)絡模型，它是以概念為基本單位，按邏輯的上下級關系組織起來的有意義層級網(wǎng)絡系統(tǒng)(王甦等，2006)。層級網(wǎng)絡模型具有嚴格的邏輯性，并不能真實反映個體頭腦中所貯存的知識結構，例如，人們更容易認為“麻雀”是“鳥”，而不是“企鵝”。因此collins和loftus(1975年)用語義聯(lián)系代替層次結構，根據(jù)概念間聯(lián)系緊密程度與相互激活快慢難易將不同概念聯(lián)系在一起。例如，在該模型中，“麻雀”與“鳥”的聯(lián)系更緊密更強，而“企鵝”與“鳥”的聯(lián)系更疏遠更弱。激活擴散模型具有彈性，可容納更多

10、的不確定性與模糊性，更適合表征個體學科知識結構(王甦等，2006)。上述兩種知識模型都是對概念、觀念、事實等陳述性知識的表征，而物理、數(shù)學等學科更側(cè)重于規(guī)則、技能等程序性知識。基于此，anderson(1976年)提出思維適應性控制模型(act)，該模型認為規(guī)則就是一個個步驟，它在頭腦中的表征是產(chǎn)生式(“如果那么”)或產(chǎn)生式系統(tǒng)，概念、觀念等陳述性知識就貯藏在條件“如果”當中(王甦等，2006)。規(guī)則等程序性知識學習分為三階段：陳述性知識的習得、陳述性知識向程序性知識的轉(zhuǎn)化、程序性知識的自動化，個體學科知識模型存在著由陳述性知識構成的“聯(lián)想記憶模型”(ham)向“思維適應性控制模型”(act)

11、轉(zhuǎn)化。由于act模型將陳述性知識與程序性知識有機聯(lián)系在一起，且能動態(tài)追蹤個體學科知識學習過程，適用學科更廣，它已成為眾多its學生模型建構的理論依據(jù)(王甦等，2006)。(2)學生錯誤學習的心理學研究人們常將學習錯誤歸為學生粗心或態(tài)度不認真，但silver(1986年)認為學生反復出現(xiàn)的錯誤是因為他們沒有掌握正確的概念、技能，或概念與技能之間缺乏聯(lián)系性(ohlsson，2016)。gelman和meck(1983年)發(fā)現(xiàn)學生能正確復述問題解決所需的技能，能正確判斷他人問題解決步驟的正誤，但仍然會在相同數(shù)學問題解決上出現(xiàn)錯誤，因此為避免學生錯誤，應讓學生明了相關認知過程、解釋錯誤、讓學生用自己的

12、理解去完成問題(ohlsson，2016)。總之，相關心理學研究結果提出要避免錯誤首先應區(qū)分陳述性知識與程序性知識，它可以讓我們理解正確解釋與錯誤結果共存現(xiàn)象，學生正確解釋是陳述性知識而學生解題過程是程序性知識，它們都是組成學生知識結構的一部分，兩種知識學習速度不一樣會造成錯誤。相關心理學研究還指出知識錯誤導致一些錯誤行為，但這種錯誤行為不會影響整個問題解決。有研究者將錯誤行為用計算機語言編寫成一種錯誤程序。最早brown等編寫數(shù)學減法錯誤程序，sleeman編寫代數(shù)錯誤程序等，他們還設計數(shù)學錯誤程序庫，納入數(shù)學學習中常見的錯誤程序(ohlsson，2016)。通常錯誤程序在診斷模型中以明確哪

13、個錯誤程序應為學生錯誤答案負責，進而給予相應指導。如，“大數(shù)減小數(shù)”錯誤。學生做“73-26”數(shù)學運算時，通常會將大數(shù)減去小數(shù)，而不會去顧及何為減數(shù)、被減數(shù)。在錯誤程序中，學生將會被問及“是哪個數(shù)從哪個數(shù)中減去或移除”(ohlsson，2016)。(3)學生知識學習模型建構的心理學研究教學專長研究發(fā)現(xiàn)：專家教師在教學過程中更關注學生錯誤回答、正確回答等學習線索，并對它們進行正確判斷與評價，形成或充實完善特定學生知識學習模型，因此他們教學更有效(楊翠蓉等，2012)。形成特定學生知識學習模型對于教學意義重大。特定學生知識學習模型由學生已有學科知識、常用學習策略、特有學習風格、學生個性心理(如性格、氣質(zhì)、學習興趣、學習需要)等組成，其中最重要的是學生學科知識，它包括學生已掌握的知識、未掌握的知識、錯誤認識與信念、學生知識與教師知識間的差異。構建特定學生知識學習模型的過程是錨定-調(diào)整過程(anc