CN111681479A - 自适应情境化人工智能教学系统、方法及装置 - Google Patents

自适应情境化人工智能教学系统、方法及装置 Download PDF

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CN111681479A CN202010592273.5A CN202010592273A CN111681479A CN 111681479 A CN111681479 A CN 111681479A CN 202010592273 A CN202010592273 A CN 202010592273A CN 111681479 A CN111681479 A CN 111681479A
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程健
赵恺
刘勇
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Abstract

本发明属于电子教学领域，具体涉及了一种自适应情境化人工智能教学系统、方法及装置，旨在解决常规方式去讲解人工智能知识和应用学习效率低、知识转化困难学生积极性不高的问题。本发明包括：学员评测模块对学员进行评测，根据评测结果生成学员的学习状况档案，情境互动模块根据学习状况档案生成情境实践游戏，学习管理模块根据学员在情境互动模块中解决问题的操作时间及操作步骤生成学习报告并更新学习状况档案。本发明通过情境互动的方式增强学员的代入感和体验感，并根据学员解决问题的时间和操作步骤调整学习计划，增强了教学系统的自适应能力实现个性化教学。

Description

自适应情境化人工智能教学系统、方法及装置
技术领域
本发明属于电子教学领域，具体涉及了一种自适应情境化人工智能教学系统、方法及装置。
背景技术
目前，人工智能技术已经逐渐融入了大家的生活中，甚至变成家喻户晓的技术。从AlphaGo到波士顿动力的“大狗”机器人，人工智能一次又一次震撼大众的视野。在这样的形势下。开展人工智能教育变成了一项宜早不宜迟的事情。让学生了解感受身边的人工智能技术，认识到人工智能技术的魅力，从小养成良好的科学素养，对于他们确立正确的发展方向，更好地适应社会等，都具有非常重要的价值。
因此，在基础教育领域，我国2003年印发的《高中信息技术课程标准(实验)》和2017年印发的《高中信息技术课程标准(2017版)》中，都强调要加强人工智能教育。2017年7月，国务院正式印发《新一代人工智能发展规划》，确立了新一代人工智能发展三步走的战略目标，人工智能的发展至此上升到国家战略层面。《规划》中明确指出人工智能已成为国际竞争的新焦点，应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育。2018年4月，教育部发布关于印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知。《行动计划》提出，未来将形成“人工智能+X”的复合专业培养新模式。《行动计划》还对中小学、高校等多层次教育体系提出要求，未来将在中小学阶段引入人工智能普及教育。
而人工智能是在致力于让机器模拟、延伸和扩展人的智能的过程中所产生的理论、方法、技术及应用系统的一门多学科融合的技术科学，其涉及的学科包括数学、计算机、控制、生物、神经科学、脑科学等，因此，人工智能涉及的知识点非常繁多，有些知识点对于中小学学生来说理解起来非常困难。如果按照常规的方式去讲解人工智能知识和应用，必然会造成学习效率低、知识转化困难学生积极性不高的结果。所以，亟需一个符合中小学认知特点的自适应和情境化人工智能课程教学系统，该系统提高学生学习人工智能的积极性和效果。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即采用常规方式去讲解人工智能知识和应用，学习效率低、知识转化困难、学生积极性不高的问题，本发明提供了一种自适应情境化人工智能教学系统，所述教学系统所述系统包括学员评测模块100、情境互动模块200和学习管理模块300；
所述学员评测模块100，用于随机抽取评测题目对学员进行评测，生成评测结果，并根据所述评测结果生成学员的学习状况档案；所述学习状况档案包括学员各科成绩、加权综合成绩、各知识点掌握状况和各案例掌握状况；
所述情境互动模块200，用于根据所述学员的学习状况档案生成情境实践游戏，并记录学员在所述情境实践游戏中解决问题过程的操作时间及操作步骤；
所述学习管理模块300，用于根据学员解决问题过程的操作时间及操作步骤生成学习报告，并根据所述学习报告更新学习状况档案。
在一些优选的实施方式中，所述情境互动模块200包括案例选取单元210、游戏脚本单元220和人机交互单元230；
所述案例选取单元210，用于基于所述学员的学习状况档案选取学员需要学习的待学知识点和实践案例；
所述游戏脚本单元220，用于基于所述待学知识点和实践案例，结合人物要素、场景要素及剧情要素生成情境实践游戏；所述情境实践游戏的每一个游戏中包含多个知识点、实践案例和待解决问题；
所述人机交互单元230，用于供学员通过预设的操作解决所述情境实践游戏中的问题，并记录解决问题过程的操作时间及操作步骤；所述预设的操作包括拖拽、选择、填空和连线。
在一些优选的实施方式中，所述教学系统还包括资源库模块400；
所述资源库模块400，用于存储教学内容涉及的题库、知识点、实践案例、待解决问题、人物要素、场景要素和剧情要素；
所述题库、知识点、实践案例和待解决问题分别包括数学基础、计算机基础、编程基础和AI应用；
所述人物要素包括父亲、母亲、职员、销售、警察、农民、司机或运动员；
所述场景要素包括大自然、体育比赛、商场、家里、游乐园和学校；
在一些优选的实施方式中，所述系统包括：
学员信息模块500，用于供学员注册和变更登录状态并存储学员的个人信息和学习状况档案。
在一些优选的实施方式中，“根据所述评测结果生成学员的学习状况档案”之后还设置有情境教学模块200B；
所述情境教学模块200B，用于根据所述学员的学习状况档案选取待学知识点，通过动画讲解的方式向学员进行待学知识点教学。
在一些优选的实施方式中，所述教学系统还包括学习状况展示模块600；
所述学习状况展示模块600，用于显示学员的各科评测结果及学习状况档案。
本发明的另一方面，提出了一种自适应情境化人工智能教学方法，所述方法包括：
步骤S10，随机抽取评测题目对学员进行评测，生成评测结果，并根据所述评测结果生成学员的学习状况档案；所述学习状况档案包括学员各科成绩、加权综合成绩、各知识点掌握状况和各案例掌握状况；
步骤S20，根据所述学员的学习状况档案生成情境实践游戏，并记录学员在所述情境实践游戏中解决问题过程的操作时间及操作步骤；
步骤S30，根据学员解决问题过程的操作时间及操作步骤生成学习报告，并根据所述学习报告更新学习状况档案。
在一些优选的实施方式中，所述步骤S20包括：
步骤S21，基于所述学员的学习状况档案选取学员需要学习的待学知识点和实践案例；
步骤S22，基于所述待学知识点和实践案例，结合人物要素、场景要素及剧情要素生成情境实践游戏；所述情境实践游戏的每一个游戏中包含多个知识点、实践案例和待解决问题；
步骤S23，通过预设的操作解决所述情境实践游戏中的问题，并记录解决问题过程的操作时间及操作步骤；所述预设的操作包括拖拽、选择、填空和连线；
本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的自适应情境化人工智能教学方法。
本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的自适应情境化人工智能教学方法。
本发明的有益效果：
(1)本发明自适应情境化人工智能教学系统，配置的情境互动模块将待学知识点融入实践案例并通过情境实践游戏展现，学员在情境实践游戏中解决问题，不知不觉就能学会并掌握知识点并运用于实践案例，相较于现有技术中的进行逐个知识点的学习-做题-讲解的学习方法，本发明提高了学习效率、知识转化率和学习积极性，并且使学员能够真正运用所学知识。
(2)本发明自适应情境化人工智能教学系统，配置的学习管理模块根据学员在解决问题过程中的操作时间和操作步骤获得学员对各知识点及案例的掌握情况，并对学习状况档案进行更新以调整学习计划，满足了不同学员个性化的学习需求，提高了学员学习的积极性和学习效果。
(3)本发明自适应情境化人工智能教学系统，配置的情境教学模块将知识点融入动画，进行情境教学，增强学员的代入感和体验感，提高了学习效率、知识转化率和学员的学习兴趣。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明自适应情境化人工智能教学系统一种实施例的教学流程示意图；
图2是本发明自适应情境化人工智能教学系统第二实施例的系统框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了更清晰地对本发明自适应情境化人工智能教学系统进行说明，下面结合图1本发明自适应情境化人工智能教学系统一种实施例的教学流程示意图；对本发明方法实施例中各步骤展开详述。
本发明一种实施例的自适应情境化人工智能教学系统，包括学员评测模块100、情境互动模块200和学习管理模块300；
所述学员评测模块100，用于随机抽取评测题目对学员进行评测，生成评测结果，并根据所述评测结果生成学员的学习状况档案；所述学习状况档案包括学员各科成绩、加权综合成绩、各知识点掌握状况和各案例掌握状况；
所述情境互动模块200，用于根据所述学员的学习状况档案生成情境实践游戏，并记录学员在所述情境实践游戏中解决问题过程的操作时间及操作步骤；
所述学习管理模块300，用于根据学员解决问题过程的操作时间及操作步骤生成学习报告，并根据所述学习报告更新学习状况档案；
为了更清晰地对本发明自适应情境化人工智能教学系统进行说明，下面结合图2本发明自适应情境化人工智能教学系统第二实施例的系统框架示意图对本发明方法实施例中各步骤展开详述。
本发明第二实施例的自适应情境化人工智能教学系统，其特征在于，包括：
学员信息模块500，用于供学员注册和变更登录状态，并存储学员的个人信息和学习状况档案。
学员第一次登陆系统时，通过学员信息模块完成注册并输入学员相关信息，之后的每次登陆也通过学员信息模块更改登录状态；
所述的学员相关信息包括姓名、年龄、年级等信息。
在一些优选的实施方式中，所述系统还包括：
学员评测模块100，用于随机抽取评测题目对学员进行评测，生成评测结果，并根据所述评测结果生成学员的学习状况档案；所述学习状况档案包括学员各科成绩、加权综合成绩、各知识点掌握状况和各案例掌握状况；
学员评测模块100从资源库模块中的题库按学科分类随机抽取一定数量的题目供学生测试，测试的时间是固定的，测试结束后，将学生的每个学科成绩可视化展示，并根据每个学科成绩加权计算出学生的综合得分，针对学生的作答情况给出统计分析，并存储学生的作答的过程数据和结果数据。
学员首次登陆系统后系统会要求学员完成评测，所述评测的题目来源于资源库模块400，内容涉及的知识点为人工智能领域，包括数学基础、计算机基础以及人工智能应用相关的知识。
在一些优选的实施方式中，“根据所述评测结果生成学员的学习状况档案”之后还设置有情境教学模块200B；
所述情境教学模块200B，用于根据所述学员的学习状况档案选取待学知识点，通过动画讲解的方式向学员进行待学知识点教学。
情境教学模块200B展示的动画是将知识点及案例融入生活情境的动画。
在一些优选的实施方式中，在学员完成评测后或完成情境教学模块200B后所述系统包括：
情境互动模块200，用于根据所述学员的学习状况档案生成情境实践游戏，并记录学员在所述情境实践游戏中解决问题过程的操作时间及操作步骤；
所述情境互动模块200包括案例选取单元210、游戏脚本单元220和人机交互单元230；
所述案例选取单元210，用于基于所述学员的学习状况档案选取学员需要学习的待学知识点和实践案例；
所述游戏脚本单元220，用于基于所述待学知识点和实践案例，结合人物要素、场景要素及剧情要素生成情境实践游戏；所述情境实践游戏的每一个游戏中包含多个知识点、实践案例和待解决问题；
每个情境实践游戏中包含多个知识点、实践案例和待解决问题；每个情境实践游戏中包括的知识点可以是已掌握和未掌握的知识点的集合，以便提高实践案例的连贯性和完整性。
所述游戏脚本单元主要提供整个系统的游戏剧情脉络，包含人物的设定、场景的描述及切换、以及整个游戏流程的情节。该单元能快速让学生代入场景，并在游戏体验过程中进行知识点案例的互动实践以及知识点的教学；
设计的情境实践游戏需要满足两个维度的要求：一是涉及若干个知识库中的知识点；二是需要跟游戏实现合理融合。如游戏脚本预设场景为农场，教育知识点为流程与流程图的基本概念和初步理解，则实际与农场可以产生关联的番茄种植过程可以作为讲解的素材基础，在其中融入流程与流程图等相关知识要点。
所述人机交互单元230，用于供学员通过预设的操作解决所述情境实践游戏中的问题，并记录解决问题过程的操作时间及操作步骤；所述预设的操作包括拖拽、选择、填空和连线，此处预设的操作还包括其他人机交互可进行的操作在此不做具体限定。
操作时间和操作步骤可以反映学员对知识点及案例掌握的熟练程度，因为学习内容通常为人工智能领域，所以解决一个问题可能有多种方式，系统可根据学员采用的方式数量及简便程度生成学员对知识点和案例的掌握程度评价；
记录的操作步骤还可包括学员在解决问题中的试错步骤，通过对试错步骤进行分析也可更新学员对知识点和案例的掌握程度评价，比如学员使用了无法解决正在处理问题的操作，但却是其它相近知识点的正确步骤，则提高相近知识点的分数及掌握情况并更新学状况档案，若所述相近知识点是未学习知识点可让学员选择在本次情境实践游戏完成后是否优先学习所述相近知识点。即便答错也能加分鼓励学员积极解决问题，提高学习兴趣。
在一些优选的实施方式中，在完成情境互动模块的情境实践游戏后所述系统包括：
学习管理模块300，用于根据学员解决问题过程的操作时间及操作步骤生成学习报告，并根据所述学习报告更新学习状况档案；
在一些优选的实时方式中，所述系统还包括：
资源库模块400，用于存储教学内容涉及的题库、知识点、实践案例、待解决问题、人物要素、场景要素和剧情要素；
所述题库、知识点、实践案例和待解决问题分别包括数学基础、计算机基础、编程基础和AI应用；
所述人物要素包括父亲、母亲、职员、销售、警察、农民、司机或运动员；此处所述人物要素还包含日常容易接触到的人物、职业，在此不做具体限定；
人物需要满足目标学生易于接受和代入的原则。人物的个数可根据需要自行设定，每个人物需要预设性格和作用及知识表达功能；
所述场景要素包括大自然、体育比赛、商场、家里、游乐园和学校；此处场景要素还包括日常容易接触到的场景在此不做具体限定；
剧情要素的作用有两个：一个告诉学生发生什么事件，另一个是需要将相关知识点融入进来。在剧情的设计过程中，需要将二者综合考虑以完成。
在一些优选的实施方式中，所述系统包括：
学习状况展示模块600，用于显示学员的各科评测结果及学习状况档案。
需要说明的是，上述实施例提供的自适应情境化人工智能教学系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明的第三实施例公开了自适应情境化人工智能教学方法，所述方法包括：
步骤S10，随机抽取评测题目对学员进行评测，生成评测结果，并根据所述评测结果生成学员的学习状况档案；所述学习状况档案包括学员各科成绩、加权综合成绩、各知识点掌握状况和各案例掌握状况；
步骤S20，根据所述学员的学习状况档案生成情境实践游戏，并记录学员在所述情境实践游戏中解决问题过程的操作时间及操作步骤；
步骤S30，根据学员解决问题过程的操作时间及操作步骤生成学习报告，并根据所述学习报告更新学习状况档案。
其中，所述步骤S20包括：
步骤S21，基于所述学员的学习状况档案选取学员需要学习的待学知识点和实践案例；
步骤S22，基于所述待学知识点和实践案例，结合人物要素、场景要素及剧情要素生成情境实践游戏；所述情境实践游戏的每一个游戏中包含多个知识点、实践案例和待解决问题；
步骤S23，通过预设的操作解决所述情境实践游戏中的问题，并记录解决问题过程的操作时间及操作步骤；所述预设的操作包括拖拽、选择、填空和连线。
本发明第四实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的自适应情境化人工智能教学系统方法。
本发明第五实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的自适应情境化人工智能教学系统方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应情境化人工智能教学系统，其特征在于，所述教学系统包括学员评测模块100、情境互动模块200和学习管理模块300；
所述学员评测模块100，用于随机抽取评测题目对学员进行评测，生成评测结果，并根据所述评测结果生成学员的学习状况档案；所述学习状况档案包括学员各科成绩、加权综合成绩、各知识点掌握状况和各案例掌握状况；
所述情境互动模块200，用于根据所述学员的学习状况档案生成情境实践游戏，并记录学员在所述情境实践游戏中解决问题过程的操作时间及操作步骤；
所述学习管理模块300，用于根据学员解决问题过程的操作时间及操作步骤生成学习报告，并根据所述学习报告更新学习状况档案。
2.根据权利要求1所述的自适应情境化人工智能教学系统，其特征在于，所述情境互动模块200包括案例选取单元210、游戏脚本单元220和人机交互单元230；
所述案例选取单元210，用于基于所述学员的学习状况档案选取学员需要学习的待学知识点和实践案例；
所述游戏脚本单元220，用于基于所述待学知识点和实践案例，结合人物要素、场景要素及剧情要素生成情境实践游戏；所述情境实践游戏的每一个游戏中包含多个知识点、实践案例和待解决问题；
所述人机交互单元230，用于供学员通过预设的操作解决所述情境实践游戏中的问题，并记录解决问题过程的操作时间及操作步骤；所述预设的操作包括拖拽、选择、填空和连线。
3.根据权利要求1所述的自适应情境化人工智能教学系统，其特征在于，所述教学系统还包括资源库模块400；
所述资源库模块400，用于存储教学内容涉及的题库、知识点、实践案例、待解决问题、人物要素、场景要素和剧情要素；
所述题库、知识点、实践案例和待解决问题分别包括数学基础、计算机基础、编程基础和AI应用；
所述人物要素包括父亲、母亲、职员、销售、警察、农民、司机或运动员；
所述场景要素包括大自然、体育比赛、商场、家里、游乐园和学校。
4.根据权利要求1所述的自适应情境化人工智能教学系统，其特征在于，所述教学系统还包括学员信息模块500；
所述学员信息模块500，用于供学员注册和变更登录状态，并存储学员的个人信息和学习状况档案。
5.根据权利要求1所述的自适应情境化人工智能教学系统，其特征在于，“根据所述评测结果生成学员的学习状况档案”之后还设置有情境教学模块200B；
所述情境教学模块200B，用于根据所述学员的学习状况档案选取待学知识点，通过动画讲解的方式向学员进行待学知识点教学。
6.根据权利要求1所述的自适应情境化人工智能教学系统，其特征在于，所述教学系统还包括学习状况展示模块600；
所述学习状况展示模块600，用于显示学员的各科评测结果及学习状况档案。
7.一种自适应情境化人工智能教学方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的自适应情境化人工智能教学系统，所述方法包括：
步骤S10，随机抽取评测题目对学员进行评测，生成评测结果，并根据所述评测结果生成学员的学习状况档案；所述学习状况档案包括学员各科成绩、加权综合成绩、各知识点掌握状况和各案例掌握状况；
步骤S20，根据所述学员的学习状况档案生成情境实践游戏，并记录学员在所述情境实践游戏中解决问题过程的操作时间及操作步骤；
步骤S30，根据学员解决问题过程的操作时间及操作步骤生成学习报告，并根据所述学习报告更新学习状况档案。
8.根据权利要求7所述的自适应情境化人工智能教学方法，其特征在于，步骤S20包括：
步骤S21，基于所述学员的学习状况档案选取学员需要学习的待学知识点和实践案例；
步骤S22，基于所述待学知识点和实践案例，结合人物要素、场景要素及剧情要素生成情境实践游戏；所述情境实践游戏的每一个游戏中包含多个知识点、实践案例和待解决问题；
步骤S23，通过预设的操作解决所述情境实践游戏中的问题，并记录解决问题过程的操作时间及操作步骤；所述预设的操作包括拖拽、选择、填空和连线。
9.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求7或8所述的自适应情境化人工智能教学方法。
10.一种处理装置，包括处理器，适于执行各条程序；以及存储装置，适于存储多条程序；其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现：权利要求7或8所述的自适应情境化人工智能教学方法。
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