高中物理教學論文 物理智能積件系統(tǒng)

1、物理智能積件系統(tǒng)摘 要：積件突破了課件的局限性，是新一代的教學軟件。本文詳細介紹了基于中學物理知識網(wǎng)的智能積件系統(tǒng)的設(shè)計，重點對中學物理知識網(wǎng)編輯子系統(tǒng)、積件資源編輯子系統(tǒng)、積件搜索子系統(tǒng)、積件組合子系統(tǒng)和自學導(dǎo)航子系統(tǒng)進行了設(shè)計。該系統(tǒng)可以提高物理積件資源搜索的查全率和查準率，解決學生自學時面對浩瀚積件資源的迷航問題。關(guān)鍵詞：智能積件系統(tǒng)、物理知識網(wǎng)、積件資源1系統(tǒng)設(shè)計目標物理智能積件系統(tǒng)是一個服務(wù)于廣大師生的課件制作平臺和自學導(dǎo)航平臺，利用它可以實現(xiàn)積件資源共享，教師從而可以輕松地構(gòu)建不同教材、不同教學模式、不同教學思想和不同進度的教學軟件，解決當前計算機輔助教學中教學軟件不足的難題；學生

2、在使用豐富的多媒體資源進行課前預(yù)習和課后復(fù)習，解決資源太多而導(dǎo)致迷航的問題，系統(tǒng)設(shè)計可分為以下具體目標：（1）利用中學物理知識網(wǎng)管理中學積件資源，利用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫組織多媒體資源、微教學單元和虛擬積件資源。實現(xiàn)系統(tǒng)在Internet上的積件資源完全共享。（2）簡單的課件制作平臺，本系統(tǒng)要求盡量簡單，利用鼠標進行簡單的操作即能實現(xiàn)課件開發(fā)。系統(tǒng)采用所見即所得的方式為用戶提供最大限度的使用方便。（3）合理的自學導(dǎo)航系統(tǒng)，學生學習時面對豐富的多媒體資源，不能弄清知識之間的復(fù)雜關(guān)系而常常迷航。該系統(tǒng)要求實現(xiàn)自學導(dǎo)航系統(tǒng)。2系統(tǒng)總體設(shè)計2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計如圖1所示，分為三個部分：客

3、戶端、本地鏡像服務(wù)器和遠程中心服務(wù)器。圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 遠程中心服務(wù)器為了保障系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，采用分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。中心服務(wù)器上存放系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)。本地鏡像服務(wù)器是為校園網(wǎng)絡(luò)的大量用戶設(shè)計的，為了提高系統(tǒng)訪問的速度，鏡像服務(wù)器的定期從中心服務(wù)器同步數(shù)據(jù)并對校園網(wǎng)內(nèi)的積件組合客戶端提供高質(zhì)量的服務(wù)。客戶端的用戶分四類：智能積件組合客戶端、中學物理知識網(wǎng)編輯客戶端、積件資源編輯客戶端和學生自學客戶端。各類用戶有著不同的功能和權(quán)限，積件組合客戶端訪問本地鏡像服務(wù)器的數(shù)據(jù)，但不能修改服務(wù)器數(shù)據(jù)；積件資源編輯客戶端可訪問中心服務(wù)器，并能把自己編輯的積件資源上傳到中心服務(wù)器；中學物理知識網(wǎng)編輯客戶端

4、可訪問中心服務(wù)器，并能對中學物理知識網(wǎng)進行編輯管理；學生自學客戶端只能訪問導(dǎo)航后的豐富積件資源。2.2總體結(jié)構(gòu)根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如2所示。圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上圖是基于Internet的中學物理智能積件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)可以劃分為兩大部分：積件組合部分和積件資源的管理部分，圖中的箭頭表明了數(shù)據(jù)的流動方向。積件資源的管理部分主要通過中學物理知識網(wǎng)編輯器和積件資源編輯器實現(xiàn)，經(jīng)過編輯的中學物理知識節(jié)點以及各知識之間的關(guān)聯(lián)構(gòu)成中學物理知識網(wǎng)，系統(tǒng)設(shè)計的核心在于積件資源的管理，本文結(jié)合中學物理知識的特點，對積件資源采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫存儲技術(shù)，利用中學物理知識網(wǎng)管理教學積件資源。3系統(tǒng)

5、功能設(shè)計3.1中學物理知識網(wǎng)編輯子系統(tǒng)中學物理知識網(wǎng)編輯子系統(tǒng)負責中學知識的組織。中學物理知識網(wǎng)編輯器提供了中學知識網(wǎng)絡(luò)的可視化管理界面，方便了中學知識專家的操作，可以用來編輯中學知識點及其知識點之間的關(guān)系，中學物理知識網(wǎng)編輯器功能模塊如圖3。圖3 中學物理知識網(wǎng)編輯器功能模塊圖中學物理知識網(wǎng)編輯器主要包括概念樹編輯模塊、概念節(jié)點編輯模塊和概念樹枝編輯模塊如圖3所示。它們各模塊的功能分別如下：概念樹編輯模塊功包括(1)自動生成樹，在概念網(wǎng)初始時，根據(jù)概念樹的層次、節(jié)點的要求自動生成一棵概念樹的框架。(2)增加節(jié)點，自動生成一個在概念網(wǎng)中唯一的編號和層次號。概念編號本身沒有意義，概念層次號具有一

6、定的意義，指明了概念節(jié)點在概念網(wǎng)中的層次。增加節(jié)點的時候，系統(tǒng)自動進入節(jié)點命名狀態(tài)，用戶可以即可給概念命名。(3)刪除節(jié)點，系統(tǒng)回收唯一的編號同時釋放層次號。（4）移動節(jié)點，不但包括節(jié)點的拖放、剪切、復(fù)制和粘貼等操作，還包括節(jié)點的上移和下移操作。（5）合并節(jié)點，只需要刪除被合并節(jié)點，保留合并節(jié)點就行了。概念節(jié)點編輯模塊功能：對概念節(jié)點從的屬性集、行為集、概念詞集、描述詞集和關(guān)聯(lián)詞集五部分分別描述。包括屬性集編輯、行為集編輯、概念詞集編輯、描述集編輯和關(guān)聯(lián)集編輯。概念樹枝編輯模塊功能包括（1）增加樹枝，根據(jù)要求，可以有層次地一次增加多個節(jié)點而形成概念樹枝。（2）刪除樹枝，一次刪除有層次的多個節(jié)點

7、。(3)移動樹枝，一次有層次地移動多個節(jié)點，被移動的節(jié)點間層次關(guān)系不變。利用中學物理知識網(wǎng)編輯器構(gòu)建的部分物理知識網(wǎng)絡(luò)如圖4。圖4 中學物理知識網(wǎng)絡(luò)（部分）3.2積件資源編輯子系統(tǒng)目前，網(wǎng)上的多媒體CAI軟件已經(jīng)很豐富了，但是獲取困難。通過研究發(fā)現(xiàn)，CAI軟件開發(fā)人員的大部分時間用在多媒體CAI素材的獲取與編輯上。建立一個高效的標準多媒體CAI積件資源庫，是實現(xiàn)積件資源重用、提高教學軟件開發(fā)質(zhì)量和效率的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。但是目前積件資源基本上沒有任何管理，還處在原始的文件系統(tǒng)堆積階段。實踐表明：積件資源不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，缺少一個統(tǒng)一的標準來描述和標識它的知識內(nèi)涵，機器無法理解，因而不能被用戶靈活檢索和

8、重用。為此，我們設(shè)計了一個基于中學物理知識網(wǎng)的積件資源編輯器，其框架如圖5所示。圖5 積件資源編輯器框架積件資源具有復(fù)雜、龐大、時序性和冗余等特點。復(fù)雜是指多媒體素材種類繁多，既有本地的數(shù)據(jù)資源，又有網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源；多媒體素材信息量大，如一個演示實驗的AVI視頻可達幾百兆字節(jié)；時序是指多媒體素材在時間和空間變化上的同步關(guān)系，如實驗現(xiàn)象的模擬過程應(yīng)與實驗講解的聲音保持同步；冗余是多媒體數(shù)據(jù)的一個重要特點，如一幅掃描圖像在非失真壓縮后容量可能只有原來大小的百分之一甚至更小。同時，由于中學知識具有明顯的層次性、網(wǎng)絡(luò)性、關(guān)聯(lián)性，中學知識之間是復(fù)雜的多維關(guān)系，不再是簡單的二維關(guān)系。積件資源的特點和中學知

9、識的特點決定了傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)模型在描述積件資源和中學知識時顯得明顯不足，必須采取新的更為有效的數(shù)據(jù)庫模型，我們設(shè)計采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫模型。3.3積件搜索子系統(tǒng)對積件資源的搜索，不是直接從積件資源數(shù)據(jù)庫中搜索，而是先從中學物理知識網(wǎng)絡(luò)搜索，利用物理知識概念網(wǎng)的人工智能優(yōu)勢，進行非精確的智能化搜索，以保證搜索返回的結(jié)果最大程度滿足用戶的需求。積件資源智能搜索子系統(tǒng)的框架如圖6所示。 圖6 積件資源智能搜索的框架系統(tǒng)設(shè)計的積件資源搜索有兩種策略，一方面通過提交的概念搜索中學知識的概念網(wǎng)絡(luò)，找到相應(yīng)的中學知識節(jié)點，根據(jù)概念節(jié)點上掛靠的積件資源，通過概念運算，把最優(yōu)的積件資源和次優(yōu)的積件資源提供給用戶

10、，另一方面通過對面向?qū)ο蠓e件庫的搜索，根據(jù)搜索的匹配境況，把結(jié)果返回給用戶。搜索時，如果搜索的返回的結(jié)果沒有或者太少，可以對提交的搜索概念進行概念擴展，利用擴展的概念進行搜索，從而搜索出更多的結(jié)果，這樣可能出現(xiàn)返回的結(jié)果太多，導(dǎo)致搜索的準確率降低。積件資源搜索的流程如下圖7所示。圖7 積件資源搜索的流程圖根據(jù)流程圖，積件資源搜索的算法如下：step 1初始搜索環(huán)境step 2提交搜索概念 /記為概念step 3搜索中學物理知識庫if 概念匹配，返回積件資源信息step 4擴展搜索的概念 /記為概念step 5提交擴展的概念step 6搜索中學物理知識庫if 概念匹配，返回積件資源信息step

11、7提交概念，搜索積件資源數(shù)據(jù)庫step 8 if 概念匹配，返回積件資源信息step 9 提交概念，搜索積件資源數(shù)據(jù)庫step 10 if 概念匹配，返回積件資源信息step 11 結(jié)束搜索，提示用戶3.4積件組合子系統(tǒng)積件組合平臺，它是智能化計算機輔助教學系統(tǒng)最重要的組成部分，利用此平臺教師可以靈活地“組裝”已有的知識點和微教學單元，生成具有自己風格的教學軟件。根據(jù)積件創(chuàng)作的手段和開發(fā)的工具來看，要研制智能化計算機輔助教學系統(tǒng)中的積件組合平臺，設(shè)計對原有多媒體著作工具進行二次開發(fā)，使之具有智能化計算機輔助教學系統(tǒng)的功能。積件組合平臺的是連接多媒體教學資料庫、微教學單元庫、教學策略庫、資料呈現(xiàn)

12、方式庫、虛擬積件資源庫的重要紐帶，也是教師和學生選取、加工教學資源信息，進行教學活動的操作平臺。它們之間的關(guān)系如圖8所示。圖8 積件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由教學策略庫和資料呈現(xiàn)方式庫組成的虛庫層，它的作用是：將許多好的教學思想、方法、策略、技巧積聚成庫，以供教師和學生靈活選用。其中教學策略庫從課堂教學的整體構(gòu)思上，與教學法和教學風格相聯(lián)系，匯集各種教學策略，如講授法、演示法、討論法、操練法、發(fā)現(xiàn)法等等；資料呈現(xiàn)方式庫則匯集各種素材資料的各種表達、連接、呈現(xiàn)方式，如飛入飛出、淡入淡出、變色閃爍、熱鍵超級鏈接等等。它們通過軟件包外掛的方式與積件組合平臺集成。3.5自學導(dǎo)航子系統(tǒng)系統(tǒng)提供兩種導(dǎo)航方式，利用中學物理

13、知識樹導(dǎo)航和知識網(wǎng)縮略圖導(dǎo)航。學生自學時，可以根據(jù)中學物理知識樹的層次關(guān)系根據(jù)導(dǎo)航提示學習，也可以從知識網(wǎng)絡(luò)縮略圖上找到某一知識節(jié)點，然后根據(jù)這一知識點的導(dǎo)航展開學習。4數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中學物理知識節(jié)點的基本信息表是核心表格，保存著節(jié)點的最基本的信息，如節(jié)點編號、層次編碼和概念名稱等。中學物理知識樹和概念網(wǎng)的構(gòu)建信息如圖9所示。圖9中學物理知識節(jié)點數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計與概念節(jié)點的基本信息表密切關(guān)聯(lián)的還有屬性表、行為表、概念詞集表、描述信息表以及概念關(guān)聯(lián)表。特征詞也保存在概念詞集表中，有一個二進制字端來標識是否特征詞。此外，設(shè)計了關(guān)聯(lián)函數(shù)表，存放可用的關(guān)聯(lián)函數(shù)，概念關(guān)聯(lián)表中的關(guān)聯(lián)函數(shù)都來自于關(guān)聯(lián)函數(shù)表。中

14、學物理知識節(jié)點基本信息，主要包括概念節(jié)點號、概念層次號、概念名、概念屬性、概念行為、概念詞、概念描述和概念關(guān)聯(lián)的信息。積件資源基本信息主要包括積件資源號、積件資源名稱、積件資源位置、積件資源類型、積件資源格式、積件資源大小、積件資源特征描述、與中學物理知識網(wǎng)的掛靠，其中積件資源號在資源添加時系統(tǒng)自動生成。積件資源位置包括本地資源位置和遠程虛擬資源位置，積件資源類型包括多媒體教學資源、微教學單元資源、教學策略資源、資料呈現(xiàn)方式資源,其中多媒體教學資源又分為文本資源、圖像資源、動畫資源、音頻資源、視頻資源和的組合資源。積件資源格式中常見的圖像文件格式有jpg、jpeg、bmp、pcx、eps、pc

15、t、tif、gig、wmf、png、pict、psd、emf、tiff等。常見的音頻文件格式有mid、wav、rmi、swa、pcm、mp3等。常見的視頻文件格式有avi、aif、mlv、mov、mp2、mpa、mpeg、moe、mov、mp4等。常見的動畫文件格式有g(shù)if、avi、swf、mov等。教學積件資源與中學物理知識網(wǎng)的節(jié)點掛靠，包括掛靠的概念節(jié)點數(shù)，掛靠概念節(jié)點的編號。系統(tǒng)最常用的數(shù)據(jù)表是積件資源和中學物理知識網(wǎng)節(jié)點的映射表，它包括兩部分，一部分是積件資源到中學物理知識網(wǎng)節(jié)點的映射，另一部分是中學物理知識網(wǎng)節(jié)點到積件資源的映射。5結(jié)束語該系統(tǒng)對中學物理課程的積件進行實驗，實驗結(jié)果表明：使用中學物理智能積件系統(tǒng)可以充分調(diào)動教師采用計算機輔助教學的積極性，能有效降低中學教師制作多媒體課件的難度、減小教師的工作強度和提高工作效率；同時能激發(fā)學生的自學興趣，提高學生的自學能力，能有效地防止學生在使用浩瀚資源時迷航。該系統(tǒng)具有一定的實用價值和推廣價值。參考文獻1黎加厚.從課件到積件.中國