人工智能、虚拟现实和增强现实在计算机科学教育中的应用.pdf

1 0 4 2 0 2 4年1期2 0 2 4年第4 6卷第1期人工智能、虚拟现实和增强现实在计算机科学教育中的应用杨海东作者简介:杨海东(1 9 8 0-),本科,中级中专教师,研究方向为计算机教育。(陇南市卫生学校 甘肃 陇南7 4 6 0 0 0)摘 要 在人工智能时代下,为促使职业计算机科学教育向着智能化、虚拟化的方向发展,文中应用人工智能、虚拟现实、增强现实等3种关键技术,完成了对人工智能教学系统的构建,并从借助海量教学资源,提高备课质量;通过人机交互,强化教学过程控制;通过智能导学,实现个性化学习;借助智能教学专家考评,提高评价科学性等4个方面入手,将人工智能教学系统科学地应用于计算机科学教育中,并分析了人工智能教学系统的应用效果。结果表明,该系统既切实增强了教学的趣味性和针对性,又持续激发了学生的创新活力,满足了现代教育的需求。关键词:人工智能;虚拟现实;增强现实;计算机科学;教育中图分类号 T P 3 9 9A p p l i c a t i o no fA r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e,V i r t u a lR e a l i t ya n dA u g m e n t e dR e a l i t y i nC o m p u t e rS c i e n c eE d u c a t i o nYAN G H a i d o n g(L o n g n a nH e a l t hS c h o o l,L o n g n a n,G a n s u7 4 6 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t I nt h ee r ao f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e,i no r d e r t op r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to fv o c a t i o n a l c o m p u t e rs c i e n c ee d u c a-t i o n i nt h ed i r e c t i o no f i n t e l l i g e n c ea n dv i r t u a l i z a t i o n,t h i sp a p e ra p p l i e st h r e ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sa r t i f i c i a l i n t e l l i-g e n c e,v i r t u a l r e a l i t y,a n da u g m e n t e dr e a l i t yt oc o m p l e t et h ec o n s t r u c t i o no fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et e a c h i n gs y s t e m.W i t ht h eh e l po fm a s s i v et e a c h i n gr e s o u r c e s,i m p r o v et h eq u a l i t yo f l e s s o np r e p a r a t i o n;t h r o u g hh u m a n-m a c h i n ei n t e r a c t i o n,s t r e n g t h e nt h e c o n t r o l o f t e a c h i n gp r o c e s s;t h r o u g h i n t e l l i g e n t g u i d a n c e,r e a l i z ep e r s o n a l i z e d l e a r n i n g;w i t h t h eh e l po f i n-t e l l i g e n t t e a c h i n ge x p e r te v a l u a t i o n,i m p r o v et h es c i e n t i f i ce v a l u a t i o na n do t h e rf o u ra s p e c t s,t h ea r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et e a c h i n gs y s t e mi ss c i e n t i f i c a l l ya p p l i e dt oc o m p u t e rs c i e n c ee d u c a t i o n,a n dt h ea p p l i c a t i o ne f f e c to fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et e a c h i n gs y s t e mi sa n a l y z e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m n o to n l ye f f e c t i v e l ye n h a n c e st h ef u na n dp e r t i n e n c eo ft e a c h i n g,b u t a l s oc o n t i n u o u s l ys t i m u l a t e s t h e i n n o v a t i o nv i t a l i t yo f s t u d e n t s,m e e t i n gt h en e e d so fm o d e r ne d u c a t i o n.K e y w o r d s A r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e,V i r t u a l r e a l i t y,A u g m e n t e dr e a l i t y,C o m p u t e rs c i e n c e,E d u c a t i o n0 引言人工智能教学系统主要应用了人工智能、虚拟现实和增强现实这3种技术,设计和实现了智能备课、人机交互、智慧导学、智能教学专家等强大功能,可以满足不同场景下的计算机科学教育需求1。在应用该系统的背景下,可以充分发挥和利用学校、教师等的教育主导性,保证计算机科学教育的质量和效率。因此,在进行计算机科学教育期间,为充分发挥和利用人工智能、虚拟现实和增强现实技术的应用优势,相关教师需充分重视人工智能教学系统的构建和应用。1 人工智能教学系统的构建1.1 关键技术1.1.1 人工智能技术人工智能技术是对人类智能、计算机信息智能等的综合应用。此外,人工智能技术还融合了计算机技术、信息技术等多种学科技术。人工智能技术主要是指借助机器,真实地模拟人类的智能2。另外,借助人工智能技术,可以有效识别人类的行为和知识,在参照人工经验相关知识的前提下,智能化地分析和推断数据,从而达到全面掌握人类活动的目的。在教育领域中,该技术更侧重于人机交互性,帮助学生借助机器与师生进行交互、对话,从而提高学习的针对性和有效性3。1.1.2 虚拟现实技术虚拟现实技术可以在参照计算机技术的前提下,综合应用计算机、视听、多媒体、人工智能等多种交互技术,借助仿真环境或事物,为人们打造身临其境的体验。该技术更侧重于虚拟场景的构建,确保所构建的虚拟场景具有较强的交互性和体验性4。在教育实践中,虚拟现实技术可以通过构建虚幻、夸张的虚拟环境,带动学生进入沉浸式、互动式的学习体验中。2 0 2 4年1期1 0 5 1.1.3 增强现实技术增强现实技术可以在参照现实世界的基础上,新增多种虚拟信息,该技术对虚拟技术内涵进行了有效的延伸,以达到模拟对象真实化的目的,确保学习者在虚拟环境中形象、直观地观察模型对象5。该技术更侧重于人类视觉功能的复原过程,无需对现实环境进行隔离,确保虚拟场景与现实场景融为一体。在教育实践中,增强现实技术主要强调对学生学习的兴趣性、自主性的激发和调用,培养学生的学习思维能力及动手实践能力6。1.2 系统模块构建人工智能教学系统主要具备4个功能。(1)智能备课功能。本文系统通过全面分析教师需求、学生学习情况等,并从课件、试题、作业、慕课等相关教学资源中,对备课模板、教学方式进行智能化匹配,从而为教师提供更加先进、有效的教学方式,大幅提高备课的质量和效率7。(2)人机交互。人机交互功能支持师生进行线上交流、讨论,让学生在自主互动和交流中学习和掌握重要知识点,提高学习效率。(3)智慧导学功能。智慧导学功能主要是指客户端可以结合学生的学习特征、学习情况,自动调整和设置学习内容的难易程度,帮助学生实现个性化学习,使得学生的整体学习过程变得更加轻松和高效。(4)智能教学专家功能。智能教学专家功能可以帮助教师全面记录和掌握学生的学习情况,然后采用智能评价的方式,科学评价学生的阶段性学习成效,并将自动生成的学情报告传输给学生本人。2 人工智能教学系统在计算机科学教育中的具体应用2.1 借助海量教学资源,提高备课质量在智慧备课模块的帮助下,教师可以向该系统导入教学计划、教学内容、教学大纲等,并借助该系统,对教师需求、学生学习情况等进行智能化分析,然后从海量教学资源中,智能匹配和筛选最佳的备课模板、教学方式,帮助教师形成先进、新颖的教学风格,从而保证备课的质量和效率。计算机科学教育除了涉及理论知识外,还涉及许多实践知识,教师可以借助该系统的比赛、练习、在线编辑等模块,采用项目实战的方式开展实战式学习。智能备课流程如图1所示。图1 智能备课流程2.2 通过人机交互,强化教学过程控制在进行计算机科学教育期间,借助该系统的人机交互功能,严格按照如图2所示的智能教学导图,可以实现对整个教学过程的全面化、智能化调整和控制。图2 智能教学导图(1)在正式上课之前,教师可以借助网络向学生发送、传输学习要求和学习内容,此时系统可以自动、全面地记录和整理学生的学习任务完成情况。在课堂上,教师借助系统的人机交互功能,可以智能化地点评学生课前的线上预习情况,并实时分析和处理课堂录音视频,全面了解和掌握学生的实际学习情况,及时发现和解决课堂教学存在的不足,促使网络教学向着人性化、智能化的方向发展。(2)引导学生进行线上互动和交流。教师可以引导学生借助系统和教师提出的学习任务进行线上沟通和讨论,并及时点评学生的讨论结果,激发学生参与互动研讨活动的兴趣和欲望,帮助其熟练掌握和应用所学知识。2.3 通过智能导学,实现个性化学习学生可以借助该系统的搜索功能、查询功能等,从系统知识库中快速查找重难点知识,并进行针对性的学习。学生可以借助客户端,结合自身的学习情况和学习特征,自动调整和控制学习内容的难易程度,使学习更加轻松、高效。另外,教师借助该系统的科学分组模块,可以将学习进度一致、兴趣爱好类似的学生划分到同一学习小组,并将不同的学习任务推送给各个小组,对各小组进行因材施教,促使学生学习更具个性化。例如,在学习J AVA语言程序设计课时,该系统可以为所有学生形象、直观地呈现出相应的学习情况报告单,该报告单全面呈现和展示了不同学生的学习情况,便于学生根据报告单,针对性地调整和改进后期学习方案,保证学生的学习效果。2.4 借助智能教学专家考评,提高评价的科学性在智能教学专家功能的帮助下,教师可以实现对学生学习情况的全面记录,并智能地评价学生的阶段性学习成效。(下转第1 1 4页)移动信息1 1 4 2 0 2 4年1期外,可以建立反馈机制,定期评估虚拟教研室应用新理论、新知识的成效,以不断改进和完善。(2)建设单位可以积极探索新技术和新方法的应用。随着技术的不断发展,虚拟现实、人工智能、大数据等在教育领域得到了广泛应用。建设单位可以与相关科研机构合作,研发适用于虚拟教学的新技术和新方法,如基于人工智能的教学辅助系统、虚拟现实实验模拟等,以提升教育教学的质量和效果。此外,建设单位还可以培养专门的技术团队,不断跟踪新技术的发展动态,及时引进和应用新技术。通过持续创新和实践,不断提升虚拟教研室的技术能力,为教育教学提供更加先进、便捷、个性化的工具和平台。共建虚拟教研室还需注重合作与共享,建设单位可以与其他相关单位建立紧密的合作关系,交流经验和成果,共同研究和解决虚拟教学中的难题。同时,可以鼓励教师和学生之间的合作与共享,搭建师生互动、交流的平台,提高教育教学的互动性和合作性。建设单位可以建立基于虚拟教研室平台的用户社区,为教师和学生提供讨论、分享、互助的机会,形成良好的共同成长氛围。4 结语虚拟教研室是教师实现专业发展的新模式,具有重要的意义。共建共享教学资源可以打破传统的教学资源壁垒,促进教师之间的合作和交流。同时,其对教师的专业发展具有重要意义,可以促进教师的专业成长和职业发展,推动教育领域的创新和发展。然而,共建共享教学资源也面临着一定的困境,需要教育部门和学校提供一定的支持、指导。参考文献1谢劲,何吉.智能+时代教研室的变革图景:虚拟教研室以清华大学电路原理课程虚拟教研室为例J.现代教育技术,2 0 2 2(5):1 0 2-1 0 9.2曾建潮,吴淑琴,张春秀.虚拟教研室:高校基层教研组织创新探索J.中国大学教学,2 0 2 0(1 1):6 4-6 9.3胡健,陈后金,张菁,等.依托虚拟教研室提升课程教学质量以北京交通大学双培计划为例J.北京教育(高教),2 0 1 8(5):5 6-5 8.(上接第1 0 5页)系统可根据最终评价结果,自动生成相应的学情报告和错题集,并将其直接发送给学生,为学生的学习提供依据和参考。此外,教师借助该系统,可以及时有效地收集和处理学生的应答信息,帮助学生查漏补缺,提高个性化辅导的效果。3 人工智能教学系统在计算机科学教育中的应用效果 将人工智能教学系统科学地应用于计算机科学教育中,可以获得以下效果。(1)增强教学的趣味性。教师在学生学习计算机应用技术时,为帮助该更好地参与计算机组装实践活动,需借助该系统进行虚拟现实教学,引导学生沉浸到虚拟化组装过程中去,感受虚拟组装带来的学习快感,从而激发学生的好奇心,保证教学的趣味性。(2)提升教学的针对性。在教学实践期间,教师可借助该系统,通过虚拟现实等方式,全面地收集和整理相关数据,便于教师整理出最终结果,有针对性地制定学习指导方案,保证教学质量和效率。此外,在进行计算机程序设计教学期间,教师可以借助语音、图像识别、虚拟现实等技术手段,在线、智能地批改学生作业,保证教学的针对性和高效性。同时,学生可以借助人机交互功能,及时解决学习中遇到的问题,保证学习效率。(3)激发学生的创新活力。本文系统的构建和应用,可有效开拓学生的思维空间,激发学生的创新活力。例如,“计算机应用”课程的教学目的是培养学生的结构化程序设计思维。而本文系统可为学生提供人机交互服务体验,引导学生应用虚拟现实、增强现实、语音识别、触摸式交互等技术,及时发现自己的不足,培养学生的编程能力和创造性思维。4 结语在人工智能、虚拟现实、增强现实等技术的推广和普及之下,计算机科学的教学理念和学习观念也在与时俱进,不断创新。在这种背景下,人工智能教学系统应运而生,其功能完善且强大,实用性较强,不仅打破了计算机科学教育的时空限制,还为师生打造了良好的教学环境,可以帮助学生更好地拓展学习服务渠道,促使学生的学习更加智能化、虚拟化和个性化。参考文献1穆琳,裴昀,李叶,等.虚拟现实和增强现实技术在 医学影像学 教学中的研究与应用进展J.中华医学教育探索杂志,2 0 2 1,2 0(9):9 4 7-9 5 0.2张永强.新工科背景下虚拟现实和增强现实技术在智慧教学中的应用研究J.湖南邮电职业技术 学院 学 报,2 0 2 3,2 2(1):8 7-9 0.3周经纬,华晨,杨希,等.虚拟现实及增强现实在整形外科中的应用J.中华整形外科杂志,2 0 2 3,3 9(6):6 7 8-6 8 4.4陈敬寅,王林,陈高.虚拟现实技术及增强现实技术应用于神经外科教学的思考J.中国高等医学教育,2 0 2 2(5):6 4-6 5.5范晨.增强现实 技 术和 虚拟 现实 技 术在 制造 业 中的 应用J.数字化用户,2 0 2 1,2 7(9):1 1 4-1 1 5.6陈雅丽,张克松.参与、同步与体验:核心素养视域下增强现实教育应用的实践路径J.软件导刊(教育技术),2 0 1 9,1 8(1 1):5 4-5 6.7武建鑫,王嘉琳.虚拟现实/增强现实技术将把沉浸式学习带向何方 沉浸式学习的前景:增强现实和虚拟现实在教育中的潜力 解析J.内蒙古师范大学学报(教育科学版),2 0 2 3,3 6(3):9 5-1 0 4.移动信息