智能问答机器人辅助的在线教学模式研究
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摘 要 在互联网技术和人工智能技术与教育领域深度融合的背景下，传统的以教师为中心的教学模式面临着一场历史性的变革。如何引导学生主动学习、积极交流，探索完善以学生为中心的新教学模式，成为目前要解决的关键问题。本文以C语言程序设计教学为例，构建智能问答机器人，并以此为契机探索在线教学的新模式，解决教学资源组织与推荐、教学过程跟踪与管理和教学效果评价与反馈等核心问题，培养学生自主学习的能力。
关键词 智能问答机器人 智慧教育 在线教学模式 自主學习能力
中图分类号：G434 文献标识码：A
0引言
以互联网、移动通信、云计算、大数据、人工智能等为代表的信息技术对教育领域产生了革命性的影响。我国教育信息化在经历了以电化教育为代表的数字化时代和以远程教育、在线教育等为代表的网络化时代，目前正朝着以智能化、泛在化、个性化、开放化和协同化为特征的智慧教育的新阶段迈进。2017年7月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》中指出“利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系.开展智能校园建设，推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用”，这标志着我国智慧教育时代的开端。2018年4月，教育部发布的《教育信息化2.0 行动计划》中提出了“以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究和示范，推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构“的要求，进一步推动了教育理念的更新、教学模式的变革、和教育体系的重构，加速了教育信息化向智慧教育的转段升级。目前，国内外对智慧教育尚未形成严格的定义，新加坡在iN2015计划中指出了智慧教育的特点，即泛在学习、交互式数字学习资源、适应不同学习风格的智能学习体验。
自然语言处理（Natural Language Processing，NLP）是人工智能领域的重要分支，是计算机理解人类语言并实现自然流畅的人机交互的桥梁。在NLP技术的支持下，智能问答机器人以其符合人类自然交互习惯且能够有效处理非精确信息交互的特点，吸引了越来越多研究者的关注，并逐渐应用于教育领域。尤其随着知识图谱（Knowledge Graph）技术的发展和对NLP技术的推动，使得问答机器人的智能水平显著提升。在知识图谱的支持下，智能问答机器人将提问者用自然语言提出的问题采用NLP技术转化为能够对知识图谱进行查询的语句，然后利用知识图谱中的结构化数据完成知识查询，再将查询出的知识作为答案反馈给提问者，从而为提问者提供准确简洁的答案。在高等教育领域，智能问答机器的应用已经涵盖工程、英语、医学、心理、教育等多个学科，充分体现个性化学习、合作学习、激励学习等以学习者为中心的学习理念。
本文以C语言程序设计教学为实例，构建教学领域知识图谱，并基于知识图谱搭建面向C语言程序设计教学的智能问答机器人。进一步以智能问答机器人为切入口，分析学生对课程知识的掌握情况，有针对性的为学生推荐适当的学习资源。于此同时，通过分析大量学生的问答日志，挖掘教学中的薄弱环节，并以之引导学习资源推荐系统的智能行为，加强对教学过程的跟踪与管理。最后将课程知识图谱、智能问答机器人与考试系统相结合，实现对教学效果的综合评价，并将信息反馈给教师以及时修整完善教学环节，形成持续改进的闭环。基于上述以智能问答机器人为核心的智慧平台，试图以C语言教学为例，探索一种新的师生协同教学模式，实现以教师为中心到以学生为中心的教学模式转变，提升学生学习的主动性，提高学习效率。
1基于智能问答机器人的在线教学模式
智能问答机器人是指使用自然语言对提问者输入的问句做出相应回答的智能系统。在提问者以自然语言的形式提出问题后，智能问答机器人通过问题分析、信息检索和答案抽取三个步骤，同样以自然语言的形式反馈给提问者一个简短、精确的答案。因此，智能问答机器人的构建需要解决以下三方面的问题：其一，如何分析问题，抽取问题的类型、主题和关键字等信息，得到提问者的询问意图。其二，如何根据问题的分析结果去缩小答案可能存在的范围，检索包含答案的数据。其三，如何从可能存在答案的信息块中抽取答案，并生成自然语言形式表达的回答。在面向智慧教育的智能问答机器人构建过程中，上述三方面的问题要结合课程的知识体系，从建立课程知识图谱出发，实现智能化的问句理解和答案生成。进一步以课程智能问答机器人为媒介，建立如图1所示的具有持续改善能力的教学体系。
在图1中，教师首先通过知识图谱管理系统构建课程知识图谱，基于课程知识图谱将课程知识体系和教学资源有机组织起来，辅助实现智能问答机器人的答案生成和学习资源推荐。学生向智能问答机器人提问，并获得智能问答机器人反馈的答案实现自主学习。通过对问答日志的分析，系统将适当的学习资源推荐给学生学习。同时根据学生学习情况抽取在线考试题目，督促学生巩固学习内容。学生通过向智能问答机器人提问，在获得答案和学习资源后进行自主学习，最后完成在线考试反馈学习情况，从而形成一个学生自学的闭环，实现学生的自主学习和学习质量提升。另一方面，通过对问答日志的分析可以从宏观和微观两个层面跟踪学生的学习情况，发现学生学习的薄弱环节。结合在线考试系统，可以实现对教学质量的客观评价，再将评价结果反馈给教师，以辅助教师发现并修正教学过程中存在的不足，给与学生有针对性的指导，从而实现教学质量的持续改进。
2基于智能问答机器人的在线教育平台
在上述围绕智能问答机器人的在线教学模式指导下，本文以C语言程序设计教学为例，构建了课程知识图谱，并开发了一套智慧教育平台，如图2所示。
该平台提供了在线学习、在线测试功能，为了提升学习趣味性设计了冲击关卡模式。其中，@机器人模块为学生提供了智能问答入口，辅助学生完成在线自主学习。面向C语言程序设计教学的智能问答机器人架构如图3所示。
智能问答机器人从学生提问开始，系统采用自然语言理解技术对所提问题进行解析，识别问题的类型以及问题核心。在系统运行过程中，机器人从课程知识图谱中抽取问题答案并通过教师确认后形成问答库。对于后续的提问，系统首先从问答库中进行问题匹配，如果命中问题，则返回问题答案给提问学生。否则，系统将问题自动推荐给适合解答的学生用户或教师用户，学生和教师均可对问题进行解答。教师对解答审核通过后存入问答库，进一步提升系统的智能化水平。
3结语
本文以C语言程序设计教学为例构建了一套智慧教育平台，并探索了一种基于智能问答机器人的在线教学模式。基于智能问答系统，学生之间可以相互提问讨论学习，从而激发学生自主学习的能力。教师可以通过参与问答及时了解学生的学习情况，掌握学生对问题的理解深度，发现难点问题，分析教学过程中的不足，从而及时调整教学内容和教学方法。借助该智能问答系统，有助于形成一种新的师生协同教学模式，实现从老师教学生学，到老师指导，学生互相学习，合作学习的转变。
基金项目：该项研究受到西安电子科技大学高等教育教学改革研究重点项目（No. B18014）资助。
参考文献
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