一种基于人工智能的课堂教学设计

[摘           要]  人工智能与课堂教学的结合往往基于对课堂教学行为数据的采集和分析。在大数据、机器学习、知识挖掘等技术的发展下，教师可以结合各种软硬件采集的数据来使课堂更加智慧。抛开传统的利用数据的方式，基于BOPPPS教学模型和人工智能领域中知识表征方向的Answer Set Programming（ASP），提出了一种新的教学设计模型。结合ASP中的内容，提供了一系列提高课堂效率的操作。分析了该教学设计模型对学生各方面能力培养的促进作用。以全等三角形为例，并结合了一种ASP语言（SPARC语言），展示了该全新教学设计模型的应用。该方法对人工智能与传统教学的结合提供了一个新的思路，具有重要的实践探索意义。

[关    键   词]  人工智能;知识表征;BOPPPS;ASP;SPARC

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                 [文章编号]  2096-0603（2022）31-0115-03

随着计算机技术的发展，各种各样的电子媒介开始进入课堂。课堂中师生会借助各种各样的软硬件设备来辅助教学，使得课堂变得越来越智能。人工智能、大数据、机器学习、知识挖掘、知识表征、知识图谱等技术的发展对教育起着潜移默化的推动作用，使得课堂变得更加智慧。但是当谈及智慧教学的时候，人们更多想到的是利用各种软硬件设备采集师生教与学的课堂行为数据，然后利用大数据、机器学习和知识挖掘等技术来分析数据、生成报告并最终反向指导教学。人们很少利用人工智能知识表征领域中的内容和工具来进行智慧教学。本文结合BOPPPS这一高效的教学模型，并利用知识表征领域里面的Answer Set Programming（ASP）创造性地提出了一种新的课堂教学设计。

一、BOPPPS教学模型的介绍

BOPPPS教学模型是一种高效的课堂组织形式，它是由加拿大ISW创办的。该模型通过将一堂课分解为六个不同的部分来达到高效教学的目的，这六个部分分别为：导入、学习目标、前测、参与式学习、后测、总结。在导入阶段，教师获取学习者注意力、构建学习动机，建立学习内容与现实或其他内容的相关性。同时，学习者可以找出学习内容对我有什么帮助，为什么该学习内容是重要的，以及为什么我需要学习这个内容。在学习目标阶段，教师明确学习目标。教师的教学内容需要围绕学习目标来讲授。学习者会知道在他们的课程学习中将会掌握什么内容。当学习者知道了他们的学习目标之后，他们的学习将会更加有目的性。在课程结束时，这个学习目标需要能够被检测。在前测阶段，教师对学习者的知识背景和兴趣进行评估，以及确定是否需要调整学习的进度和深度。学习者可以回顾之前的知识以及评估自己的优势和不足。在参与式学习阶段，教师围绕教学目标设计一系列教学活动让学习者尽可能地参与课堂。教师围绕教学目标进行教学，学习者通过积极学习加深对学习目标的理解。在后测阶段，教师和学生一起检测学习目标是否完成以及相应的知识掌握程度。在总结阶段，教师对学习内容进行归纳、总结和展望，使整个课程得以完整。在具体的实施过程中，这六个部分无需线性地进行，可嵌入式地递归进行（特别是在参与式学习部分），如有必要省去或弱化不重要的一两个部分也是可以的。

二、Answer Set Programming以及SPARC语言的

介绍

不同于一般的编程语言（无论是面向过程的编程语言还是面向对象的编程语言），逻辑编程是一种描述性编程语言，它不需要考虑好解决问题所需的过程，只需要考虑好问题的逻辑部分。它一般由拥有真假的描述语言构成，比如Prolog。ASP是逻辑编程语言，它在人工智能的一个分支（知识表征）领域运用得非常广泛。当然它本身也足够强大，可以用来解决很多问题，比如，动态领域建模、智能体规划、智能体诊断、概率推理等。

SPARC是一种ASP语言。SPARC程序由类别定义（sorts）、谓词定义（predicates）、程序规则（rules）三个部分构成。sorts、predicates和rules是SPARC程序的关键字，它们写在各个部分的开头。SPARC程序的符号空间是一个五元组，∑=（O，F，P，V，S）。其中，O代表的是对象常量，F代表的是函数常量，P代表的是谓词常量，V代表的是变量，S代表的是类别。规则是由符号空间中的这些符号组成，当然默认包括非负整数、算数函数和数量关系。规则的数学表示为：l0 or…or li ← l（i+1），…，lm，not l（m+1），…，not ln. 其中，li为p（t1，…，tn）或┐p（t1，…，tn）。在规则表达式中原子公式由项构成（项由变量、常量和函数构成），原子公式及其否定称之为文字。其中not修饰的否定称之为默认的否定，它表示相应的原子公式并不认为是真的。原子公式以及原子公式的否定的“与”构成一条规则的规则体。规则头则由原子公式的“或”构成。由规则体和规则头构成的规则表示如果满足什么条件那么就会出现什么结果。由这样构成的一条一条规则组成了SPARC程序的逻辑。知识的推理可以通过相应查询来完成。规则的集合则表示了相应的知识库。

三、BOPPPS教学模型并结合SPARC语言的课堂教学设计

SPARC语言作为一门描述性的语言，它可以进行知识库的建模，通过相应的查询语句可以查询知识推理的结果。它有很强的表达性，并且语法简单，理解容易。教学过程中所涉及的教学目标、知识点、操作等，可以很容易使用SPARC语言中的类别、谓词和规则来表示。SPARC语言中使用一阶谓词逻辑来进行推理，但推理使用的规则需要自己写。利用这个特点，可以很容易地使用SPARC语言来检测自己对相应知识点是否能够理解。由于计算机推理是精确的推理，而人类的推理往往不那么精确。于是，我们可以很容易使用这一特性来检测和加强知识中理解得不是很好的部分。所以，可以将SPARC语言引入课堂中来提高教学效率。在课堂中，师生通过SPARC语言可以进行如下的操作：

1.教师自己编写相应的类别、谓词和规则。

2.教师让学生编写相应的类别、谓词和规则。

3.教师通过已有的SPARC程序来提问并将学生的答案和SPARC中的答案进行对比和分析。

4.教师提供有问题的SPARC程序并由学生检查、纠错或编辑，以便学生在查询某个问题时可以获得肯定的回答。

5.教师让学生提供问题的另外一种SPARC程序解决方案。

6.教师提供相应的SPARC程序，并由学生编写相应的注释。

7.教师编写或者由学生编写相应的SPARC程序来建模并给出同类问题的解决方法。

8.学生自己编写相应的SPARC程序来建模并表征所学内容和相应知识，包括相应的类别、谓词以及相应的规则，并通过该程序来解决相应的问题。

9.学生之间共同编写（可以以结对编程的方式）相应的SPARC程序来建模并表征所学内容和相应知识，包括相应的类别、谓词以及相应的规则，并通过该程序来解决相应的问题。

10.学生之间通过已有的SPARC程序来互相提问。

BOPPPS教学模型将课堂教学分成六个部分，这六个部分可以使得知识点的讲授效果得到有效的保证。基于SPARC语言的教学操作可以很好地融入BOPPPS教学模型中。在导入部分可以使用操作1、2、3、6、7;在学习目标部分可以使用操作1;在前测部分可以使用操作2、3、4、5、6、7;在参与式学习部分可以使用操作2、3、4、5、6、7、8、9、10;在后测部分可以使用操作2、3、4、5、6、7;在总结部分可以使用操作1、6、7。

对于教学，我们不仅要培养学生对知识简单记忆的能力，更重要的是在传授知识的同时提升其他更重要的能力。使用基于SPARC语言的教学操作不仅可以提高教学效率，而且可以培养学生抽象建模、问题解决、批判性思维、团队协作、创造性思维的能力。操作1、2、6、8、9可以增强学生的知识记忆（这些知识包括相应的基本概念、基本公式、基本原理等）;操作2、7、8、9可以培养学生的建模抽象能力;操作3、4、7、8、9可以培养学生的问题解决能力;操作4、9可以培养学生的批判性思维能力;操作9、10可以培养学生的团队协作能力;操作5、7可以培养学生的创造性思维能力。

四、以全等三角形知识点为例基于BOPPPS教学模型和ASP的课堂教学设计

在导入阶段，我们以平行太阳光下两座一样高的大楼影子是否一样长的问题进行课堂导入。在学习目标阶段，对于三角形全等的条件这一学习目标，我们首先和学习者确认用于表示相应类别、谓词和规则的词汇以及相应的含义，然后给出与学习目标相对应的部分，使用这些类别、谓词和规则与学习者确认相应的学习目标并进行建模。对于三角形全等的条件这一学习目标，所建立的SPARC程序模型所对应的部分就是相应的三角形全等的规则部分。在前测阶段，我们提出相应的关于三角形全等的问题。例如，如果我们想要画一个和大卫画的三角形全等的三角形，我们需要几个关于边和角的条件？一个、两个还是三个？在听到学习者的答案之后，教师对提出的问题进行分析，并按照边角条件的数量进行分类。针对每一类问题，给出一个具体的例子，让学习者亲自尝试，看看是否能够给出反例。对每个具体的例子，教师演示使用相应的SPARC语言分别进行建模，并与学习者确认相应的说法和命名规则。通过这样的方式，可以让学习者进一步增强使用SPARC语言进行问题建模的能力。同时，教师可以提供相应的SPARC程序文件“DescriptionOfTriangles”，然后让学习者通过SPARC语言针对三角形全等的可能条件进行提问并作相应回答，学习者可以比较自己的答案和程序运行的答案。在这个过程中学习者可以进一步熟悉三角形全等条件的SPARC建模程序以及要解决的问题。在参与式学习过程阶段，教师首先给出关于三角形全等条件的定理。经过上面的过程，学习者对使用SPARC语言进行领域建模已经非常熟悉了，并且对相应的说法也已经了解了。这时，教师带领学习者对三边相等（SSS）、两边及其夹角相等（SAS）、两角及其夹边相等（ASA）、两角及一角对边相等（AAS）的三角形全等的条件进行SPARC语言的建模。然后，教师可以要求学习者编辑SPARC程序文件“SSS”“SAS”“ASA”“AAS”（为了节省时间，这些文件由教师提供），以便当我们查询两个已知的三角形是否全等时，可以获得“yes”的答案。如果学习者对于三角形全等的定理理解得足够好的话，自然可以顺利地完善相应的程序文件。同时，若查询两个已知的三角形全等时，获得了“yes”的答案，说明学习者编写的程序正确，也能反过来说明学习者对三角形全等的相应定理已经完全理解了。若程序运行得不到学习者想要的答案，学习者可以进行检查并调试，直至程序输出结果正确。在这一过程中，学习者可以进一步加深对相应知识的正确理解。在后测阶段，教师首先在黑板上画出两个三角形，并给出已知条件，然后让学习者根据已知条件编辑SPARC程序文件“CongruentOfTriangles”（为了节省时间，该文件由教师提供），以便当我们查询两个已知的三角形是否全等的时候，可以获得“yes”的答案。教师可以随机点名某个学习者回答这个问题，教师通过学习者的回答判断学习者学习的效果。在总结阶段，教师可以自己或者让学习者编写相应的类别、谓词和规则或者根据相应的SPARC程序让学习者编写相应的注释来进行总结。在编写相应内容的同时，教师对本节课所讲授的内容进行回顾，加深学生对所学知识的理解。

在以上课堂教学设计过程中的学习目标阶段，我们使用了上一节中介绍的操作1和2。在前测阶段，我们使用了操作1、2、4和10。在参与式学习阶段，我们使用了操作1、2和4。在后测阶段，我们使用了操作4。在总结阶段，我们使用了操作1、2、6和7。

五、结语

BOPPPS教学模型是一个简单、高效的教学模型。知识表征领域里面的描述性语言ASP可以提供一系列教学工具，并且通过这些教学工具可以培养学生除基础知识点以外的不同学习能力。同时，在利用不同的工具对已有知识点进行描述时，可以增加对所学知识的理解。ASP语言简单高效，不需要花费太多的教学时间就能学会。在以全等三角形知识点为例的基于BOPPPS教学模型和ASP的课堂教学设计中，我们可以看到BOPPPS教学模型和ASP语言是独立分开的，ASP语言对BOPPPS教学模型来讲是各个教学部分的体现和补充，即ASP语言同样可以用于其他的教学模型中。在教学中引入基于ASP语言的教学工具无需全部使用，我们只需要根据自己的教学要求、进度有选择性地使用即可。另外，利用ASP语言除了可以在课堂中提高教学效率外，还可以用于建立针对性的教学知识库或更加生动的教学游戏。在图像和语音的帮助下，做到独立自主地学习，同时可以进一步加深对所学知识的印象，提高学习效率。

参考文献：

[1]刘清堂，何皓怡，吴林静，等.基于人工智能的课堂教学行为分析方法及其应用[J].中国电化教育，2019（9）：13-21.

[2]钟卓，唐烨伟，钟绍春，等.人工智能支持下教育知识图谱模型构建研究[J].电化教育研究，2020，41（4）：62-70.

[3]陈俊强，连阳梅，冯涛，等.大数据背景下科学课教师的教学行为评析：以两节小学科学同课异构课为例[J].现代教育技术，2016，26（5）：44-49.

[4]苏萍.一种基于机器学习的反馈教学模式[J].课程教育研究，2020（14）：254.

[5]王改花，傅钢善.数据挖掘视角下网络学习者行为特征聚类分析[J].现代远程教育研究，2018（4）：106-112.

编辑 鲁翠红