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1、人工智能在教育中的应用广西师范大学教育技术学系 李红波 内容提要人工智能概述1人工智能在教育中应用的类型2人工智能在教育中的具体应用3人工智能知识普及机器人教育教学设计自动化技术智能教学系统及其发展人工智能概述v人工智能概念 智能一般认为，智能是指个体对客观事物进行合理分析、判 断及有目的地行动和有效地处理周围环境事宜的综合能力。 其包括感知能力、思维能力、行为能力。一点通：当我们的感觉器官感受到外界的信息刺激之后 ，能够通过大脑进行记忆、联想、分析、判断等一系列思维 活动，其结果就是做出一种决策，最后再通过我们的具体行 动，把这一决策体现出来。因此人类智能的基本原理可以表 示为：感觉 分析
2、判断 决策 行动 人工智能（AI）是一门研究如何使人工装置(如计算机、智能机器人等) 去模仿、延伸、拓展人类智能的学科。它是在电子学、计算 机、自动控制论、信息论、系统论、生理学、心理学、仿生 学、语言学、哲学等多种学科的发展基础上诞生的。人工智能的基本原理可以简要地概括如下：外界信息 传感系统 主控系统 运动动力系统信息转换分析、下达命令v人工智能研究的范围 专家系统这类系统能向用户提供指定学科领域中专家们的结论，其 发展关键在于如何表示和运用这些学科的人类专家们所拥 有的知识。专家系统是人工智能领城的一个重要分支，它 的研究能对人工智能的应用产生巨大的影响。 自然语言处理研究用电子计算机模
3、拟人的语言交际过程，使计算机能理 解和运用人类社会的自然语言如汉语、英语等，实现人机 之间的自然语言通信，以代替人的部分脑力劳动，包括查 询资料、解答问题、摘录文献、汇编资料以及一切有关自 然语言信息的加工处理。 定理证明定理证明的问题在理论上已解决，但由于计算机空间和时 间的限制，一般的证明方法效率太低，往往达不到预期的 效果。这就需要根据人的知识和人所具有的灵活性来提高 效率，这在某种程度上已经实现。 机器人学机器人的研制是人工智能的一个重要领域，主要解决规划 动作序列。目前已有许多机器人投入应用，主要用于深海 、高温、有毒等恶劣的工作环境。 自动程序设计 自动程序设计就是要解决由计算机来
4、编写程序，人们只需 告诉计算机想要做什么，并最终由计算机设计产生。此外人工智能的研究领域还有还有感知问题、组合调 度问题、从数据库中进行智能检索的问题、对策论问题等 等。 人工智能在教育中的应用类型v学习人工智能(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。 v用人工智能(AI)学习学生把AI技术与工具作为学习工具，主要包括用AI来处理信息。 v从人工智能(AI)学习教师把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。人工智能在教育中的具体应用v人工智能基本知识普及2003年，教育部颁布的高中信息技术课程标准中，将人工 智能列
5、为选修课程。 开设“人工智能模块初步”设置的意义首先,高中课程改革强调要适应时代发展需要，人工智能技术是当前信 息技术应用发展的热点之一，将其纳入课程体系能体现时代性特征。其次,现实世界的问题可以按照结构化程度划分成三个层次:结构化问题 ,是能用形式化(或称公式化)方法描述和求解的一类问题;非结构化问题 难以用确定的形式来描述,主要根据经验来求解;半结构化问题则介于上 述两者之间。将人工智能课程引入到我国现行的教育中,可以让学生在了解人工智能基本语言特征、理解智能化问题求解的基本策略过程中, 体验、认识人工智能技术的同时获得对非结构化、半结构化问题解决过 程的了解,从而使学生了解计算机解决问题
6、方法的多样性,培养学生的多 种思维方式,更好的解决现实问题。 总体目标定位 了解信息技术发展的前沿 体验若干典型人工智能技术的应用 感受人工智能对学习和生活的影响 激发对信息技术未来的追求 内容标准 基本概念能描述人工智能的概念与基本特点 知识极其表达列举人工智能的主要应用领域，掌握知识的概念、知识表达的基本方法 推理与专家系统演示或使用简单的产生式专家系统软件，知道专家系统正向、反向推理的基本原理，学会使用一个简易的专家系统外壳 人工智能语言与问题求解学会使用一种人工智能语言求解简单问题，了解状态空间的概念与方法， 了解用盲目搜索技术进行搜索，知道启发式搜索v机器人教育在“人工智能初步”被列
7、为普通高中信息技术课程标准 中 的选修模块的同时，针对人工智能重要应用领域的机器人问 题,普通高中技术课程标准中明确指出将“简易机器人制作” 列 为选修模块。 教育机器人机器人是一种能够通过程序控制,自主完成某类任务的机器，教育机器 人则是指应用于教育领域的机器人，它一般具有以下特点： 教学适用性，符合教学的相关需求 具有良好的性能价格比，教学用户群决定其价格不能太高 具有一定的开放性和可扩展性,可根据需要增减模块,便于自主创新 具有友好的人机交互界面 机器人教育机器人教育是指学习、利用机器人,优化教育效果及师生 劳动方式的理论与实践。主要五种基本类型： 机器人学科教学(Robot-Subje
8、ct Instruction,简称RSI) 机器人辅助教学( Robot Assisted Instruction,简称RAI) 机器人管理教学(Robot Managed Instruction,简称RMI) 机器人代理(师生)事务(Robot-Represented Routine,简称RRR) 机器人主持教学( Robot - Directed Instruction,简称RDI) 机器人教育类型一：机器人学科教学机器人学科教学,是指把机器人学看成是一门科学和一种现代社会 成员应该掌握的文化，以专门课程或学科渗透(整合)的方式,使所有学 生都掌握关于机器人学的基本知识与基本技能。 机器人
9、学科教学的目标 知识方面:了解机器人软件工程、硬件结构、功能与应用等方面的 基本知识。 能力方面:能进行机器人程序设计与编写,能拼装多种具有实用功能 的机器人,能进行机器人及智能家电的使用维护,能自主开发软件机 器人。 情感方面:培养对人工智能技术的兴趣,真正认识到智能机器人对社 会进步与经济发展的作用,积极参加机器人编程比赛、机器人足球 赛、机器人百科知识赛等各种课外活动。 机器人学科教学教学内容 机器人概况：包括机器人概念、机器人原理、机器人历史 、机器人与人、机器人与社会等内容。 机器人编程：包括学会使用Java、Visual C+/C、Basic、 QBasic、MSWLOGO、PRO
10、LOG等编程语言及编程平台的使用, 学会数据库程序的编写,能面向问题、面向代理进行编程设 计,能开发出实用机器人程序。 机器人硬件：了解机器人的硬件结构体系,重点了解其机械 结构、驱动系统、控制系统、感觉系统、通讯系统的原理 与结构,学会机器人的模块化组装、控制与维护方法。 机器人应用：了解机器人的功能、应用领域、应用方法与 效能,了解机器人以及其他智能电器的操作、使用与维护方法。能在各种机器人知识与能力竞赛中,创造性地综合运用 所学知识。 机器人学科教学的方法机器人学科教学的方法很多,各种基本教学方法与综合性教学方法几乎都可用于机器人学科教学。某一方法的具体选用中,应考虑教学目标 的要求、教
11、材内容的难度、教学对象的学习基础与教学条件的差异。 其中,机器人基本理论知识讲授法;机器人编程实验法、任务驱动法;机器人哲学讨论法;机器人应用参观法、演示法;机器人设计与制作竞赛指导法，自主探索法等。 机器人学科教学现状教育机器人作为教学内容进入中小学，无论在国内还是在国外都处于起步阶段。从各地的情况看来，较多的学校只是以课外活动、各种 兴趣班、培训班的形式开展机器人教学。通常的做法是由学校购买若 干套机器人器材，由信息技术课程教师或综合实践课程教师进行指 导， 组织学生进行机器人组装、编程的实践活动，然后参加一些相 关的机器人竞赛。目前，只有极少数的地区和学校将机器人教学纳 入了正规课堂教学
12、。2000年，北京市景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入 到信息技术课程中，在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001年，上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课 程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年，哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学， 在哈尔滨师范附小、 60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”课程，用 必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。2003 年4月，普通高中技术课程（实验） 标准，首次在“通用 技 术”科目中设立了“简易机器人制作”模块。与此同时，新的高中课 程标 准在“信息技术”科目中也设立了“人工智能初步”选修模
13、，迈出了 我国 高中阶段开展人工智能教育的第一步，这也意味着我国的人工智能教 育在大众化、普及化层面上跃上了一个新的台阶。 机器人学科教学面临的问题 机器人教学目标尚欠科学 缺乏科学规划与教学设计 教育机器人产品缺少规范 教育行政部门不够重视， 缺少从教育视角进研究 机器人教育类型二：机器人辅助教学(RAI)机器人辅助教学是指师生以机器人为主要教学媒体和工具所进行的教 与学活动。具有智能性、自动化、人性化、自学习性、可控性、可移 动性。 机器人辅助教学的作用 社会学的角度机器人可以扮演型扮演教师、学习伙伴、助手等多个角色并承担相应的任 务,发挥相应的作用。 传播学的角度机器人辅助教学能使教学信
14、息传播产生质的升华，包括极大扩充传者的知 识面、降低受者的学习负担、信息编码数字化、信息译码自动化、信道多 样化、反馈调控智能化、自动分析与排除干扰作用、 教育心理学的角度激发兴趣、促进感知、加深理解、巩固记忆、综合应用。 机器人辅助教学的过程机器人辅助教学的基本过程可分为三个阶段:准备阶段、实施阶段、总结阶段。教师、学生、机器人在这三个阶段都有着各自的任 务和职能。(见图) 机器人辅助教学的主要模式 机器人模拟教学模式利用机器人模拟自然科学或社会科学的某些规律,产生各种与现 实世界相类似的现象,供学生观察,帮助学生认识(发现)和理解这 些规律与现象的本质。其具体应用类型有:演示模拟、操作模拟
15、、 过程模拟等。该模式在有关人体结构、功能与行为的学科教育中 有较广泛的应用。例如,英国布里斯托尔医疗模拟中心的医生利用 机器人模拟“病人”,进行了诊断治疗操作的辅助教学。该模拟型 机 器“病人”体内充满电子元件与管路,能模拟脉搏、心跳、呼吸、 血 液循环、排尿等人体现象,可进行药物注射,并对其他治疗作出反 应。机器人个别辅导模式 微型机器人个别辅导：微型机器人以其重量轻、体积小、携带 方便等优势,使学习者可以随时随地穿戴或携带它,在任何时候 都可以得到学习帮助。 家庭机器人个别辅导：在婴幼儿教育、中小学生课外教育以及 成人自学教育中,家庭机器人可以担负起“家庭教师”的职责。 软件机器人个别辅
16、导：软件机器人存在于电脑及网络中,可对每 个学习者的学习情况进行跟踪记录与分析,实施个别化的学习咨 询与指导。 机器人辅助训练模式机器人辅助训练模式在各级各类教育中都有适用领域。例如,体育运 动、舞蹈、绘画、唱歌等动作技巧的训练示范与指导中可采用机器 人,机器设备使用技能、医疗手术技能的训练中也可采用机器人机器人游戏教学模式机器人游戏教学可以创设一种富有趣味性和竞争性的教学 环境,激发学生的学习动机,使学生在富有教育意义而且教 学目标明确的游戏活动中学习知识、掌握技能、培养良好 的心理素质。机器人游戏教学中应注意:一是游戏内容必须 与教学内容有关,游戏主题思想必须积极、健康。二是游戏规则中应包含所要达到的教学目标。三是可以让机器人 扮演竞争者及裁判者角色。四是要提出明确的竞争目
