The Design and Development of an Intelligent Tutoring System

智能教學軟件的

設計與發展

李芳樂

香港中文大學課程及教學學系

• 為什麼要應用資訊科技於教育• 現存的資訊科育模式• 資訊科技如何達到教與學的目的• 人工智能與資訊科技教學• 智能教學軟件與識知心理學• 電子家課的設計• 相關技術• 效果與期望

為什麼要應用資訊科技於教育• 適應個別差異 , 適合作個別教授 , 輔導

– 電腦輔助教學軟件– 個別學習與合作學習

• 對學生要求的轉變 : – 資訊發達 , 知識瞬息萬變 , 學生必須具備自學能力 , 解難

能力 , 終身學習的習慣 , 與別人溝通的能力 , 以應付將來的社會 .

– 現存的教育模式並不能提供這種機會• 教師角色的轉變 :

– 網上資源豐富 , 教師再不是主要的知識的主要來源 , 引致角色的改變 , 從知識提供者 (Provider) 轉為 輔助者 (Facilitator).

現存的資訊科育模式• 電腦輔助教學

– 教學工具• 包括 Word, Excel, 數學計算 , 繪圖軟件 , 資源庫 ,

地圖集等• 優點是方便 , 節省時間 , 空間 .

• 缺點是只能作輔助工具 , 須由教師指導才能使用– 模擬軟件

• 模擬真實環境 , 讓學生自由摸索 , 從中學習 .

• 例子包括 SimIsland, 一些物理 , 數學繪圖軟件 (Sketchpad).

• 優點 : 學習更為深入 ; 學生可以在安全環境下探索 .

• 缺點 : 缺乏動機的學生得益不大

• 傳統電腦輔助教學軟件– 電子書本 , 黑板 , 輔以聲光畫及練習 .– 作用是以聲光畫引起學生的學習動機 , 再以

大量的練習以提高學生的成績 .– 缺點為對學生的錯誤不能作出適當的指引 ;

不注重概念的學習 .

資訊科技如何達到教與學的目的

建構主義 識知理論

教師的輔助工具

學習並非單方向的資訊傳遞 , 而是要學生從已有知識基礎上建構新的知識

模擬性教學軟件 , 網上學習

技能習得 skill acquisition: 學習是要將描述性知識片段 declarative knowledge, 經過練習轉變為程序性知識 procedural knowledge

傳統電腦輔助教學軟件

識知理論建構主義

ICAI,ITS

智能電腦教學軟件 , 教學系統

自由探索 操練必須熟習部份

CAI電腦輔助軟件

Agent代理人

人工智能與資訊科技教學

人工智能

智能教學軟件與識知心理學

教師如何教授 教師如何輔助 , 改錯

理想中的電腦教師理想中的電腦教師

因應學生的程度 ,興趣 ,將內容以適當的節奏 ,方式傳授給學生 .

如學生學習過程中產生錯誤 ,能夠指出所犯錯誤,並協助改正 .

為何犯錯 如何改正

智能教學軟件

An

alyz

ing

What can I do for you?

知識如何學習 , 貯藏 , 提取教學能力是什麼 ?

學生犯錯的原因

Intelligent Tutoring System 智能教學軟件

識知心理學

電腦科學

科目知識

ITS

電子家課設計目標

• 電腦補習老師 : 以協助學生解決家課困難 .

• 教師助手 : 協助教師收集 ,評改及紀錄學生的家課 .

電子家課

電腦知識 人類知識

教師如何協助學生改錯的知識

學生的可能錯誤

電腦知識與人類知識互換

人機介面 : 的設計

正確的學科知識

學生功課錯誤 ,紀錄 , 統計 ,分

析如何分辨練習題目的深淺

教師輸入家課題目

電子家課的使用過程

貯入磁碟分派給學生

HomeworkElectronicHomeworkElectronicHomework

Homework

ElectronicHomework

ElectronicHomework Homework Electronic

Homework Electroni cHomework

ElectronicHomework

學生在家裏在電腦導師的指導下做功課

你剛才輸入的這一段 , 由於…

的關係 ,所以有點偏差 , 請參考… ., 下面是一個例子 :

Electronic HomeworkStudent A

Electronic HomeworkStudent B

Electronic HomeworkStudent C

Electronic HomeworkStudent D

Electronic HomeworkStudent E

Electronic HomeworkStudent F

教師用電腦檢核學生家課

學生這次的表現一般還不錯 ,但在這裏稍為差一點 ,我是不是應該在下一課加強一下 .

學生家課記錄

No. NameNo. of Qs.

correctErrors

1 Student 1 7 1

2 Student 2 4 2

3 Student 3 5 1

4 Student 4 6 2

Errors Ss made this error

log(A+B)=log A + log B 1;3

No.

1

2 log(AB)=(log A)*B 2;4

學生犯錯報告

電子家課如何協助教師• 節省評分及改卷的工作• 即時產生的學生表現記錄及錯誤記錄幫

助教師了解個別學生及整體的表現 , 從而改善教學工作 .

電子家課如何協助學生• 將練習題編排 , 由淺入深 , 引發學生的學習

動機 .• 學生個別練習時可以得到即時的診斷及回饋

• 當需要時 , 電腦可即時提供協助 .• 電腦可按學生表現而提供適當的練習• 學生稍有犯錯 , 電腦即時作出提示 . 因此學

生可以避免學到錯誤的概念 .

電子家課背後的研究• 學生錯誤分析

– 測驗 , 面談 ,整理成為 549 誤則 (Mal-rule), 例如 log(2+3)->log2+log3

– 分類歸納成為 5 原誤則 (Primary Mal-rule), 探究原誤則形成的原因

• 協助學生改錯的研究– 根據原誤則的成因 ,加上經驗教師的意見 ,形成一方法 (Conc

eptual Dissonance),– 實驗結果證明比較其他方法較優 ,

• 排序 : 實驗找出影響題目深淺的原因 , 輸入電腦系統 , 預測結果與實驗結果相若 .

解題模塊

家課評分模塊

學生錯誤模塊

專家模組題目排列模塊即時提示模塊診斷模塊

輔導模塊

人機介面

電腦導師教師助手

學生模組教導模組

傳意模組

EH

電子家課的組成部份

所用電腦語言

EHVisual Basic:Interface

Amzi Prolog:Inference

遇到的困難• 當前學習理論未能充份解釋學生犯錯的

原因及如何協助學生改錯• 需要大量人力物力 .

• 學習系統是否有效 ,受很多因素影響 , 要證明系統是否有效 , 並不容易 .

未來發展• 加入聲音 , 圖畫以提高部份學生的學習興趣 .

• 加深學習理論 , 錯誤發生的研究 , 以使改錯部份更有效率 .

• 包含更多的學科領域• 網絡教學

將來的網上教學 :

•電子導師•電子同學

系統展示

例子

771.44771.0771.4

4771.0

602.09542.0602.0

9542.0

301.02

4771.02