課件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

課件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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傳統(tǒng)的CAI課件系統(tǒng)是在單機(jī)上將全部教學(xué)內(nèi)容，以編程的方式預(yù)置于課件中。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)，教學(xué)過程是按課件規(guī)定的路徑和內(nèi)容展開的。由于缺乏必要的通信手段和智能特性，無法實(shí)現(xiàn)任課教師與學(xué)生之間的交互，和按學(xué)生的不同認(rèn)知能力準(zhǔn)備教案的因材施教教學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日臻成熟，人工智能在專家系統(tǒng)領(lǐng)域取得的成功，它們?yōu)镃AI的發(fā)展提供了新的空間。我們認(rèn)為CAI的發(fā)展方向在于網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

2ICAI的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)具有如下的一些特征[1]：

①能自動(dòng)生成各種問題與練習(xí)；

②根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平與學(xué)習(xí)情況選擇與調(diào)整學(xué)習(xí)的內(nèi)容和進(jìn)度；

③在了解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上自動(dòng)解決問題，生成解答；

④具有自然語言生成與理解能力，以便實(shí)現(xiàn)比較自由的教學(xué)問答系統(tǒng)以提高人機(jī)交互的主動(dòng)性；

⑤對(duì)教學(xué)內(nèi)容有解釋咨詢能力；

⑥能診斷學(xué)生錯(cuò)誤，分析原因并采取糾正措施；

⑦能評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為；

⑧能評(píng)價(jià)教師的教學(xué)行為[2]。

具備上述全部特征的ICAI系統(tǒng)是完美的，但實(shí)現(xiàn)是困難的。一般認(rèn)為只要具備上列一個(gè)或幾個(gè)特征，就可以稱之為ICAI。

3實(shí)現(xiàn)技術(shù)

/Server的實(shí)現(xiàn)

將用于教學(xué)的內(nèi)容、刻畫學(xué)生的認(rèn)知模型所必需的數(shù)據(jù)資料保存在Server端。教師在教研室通過Client，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)Server端教學(xué)內(nèi)容的更新與維護(hù)。學(xué)生在多媒體教室通過Client與Server相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生客戶端軟件將依據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，為其自動(dòng)修改認(rèn)知模型。督導(dǎo)人員在教務(wù)處通過Client與Server相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)過程的監(jiān)督與引導(dǎo)。

認(rèn)知模型的建立

ICAI強(qiáng)調(diào)要按學(xué)生不同的認(rèn)知模型，為其準(zhǔn)備不同的教學(xué)內(nèi)容，用以實(shí)現(xiàn)個(gè)別化教學(xué)與啟發(fā)式教學(xué)。受認(rèn)知心理學(xué)與教育學(xué)發(fā)展的制約，目前還無法準(zhǔn)確地建立出單個(gè)人的認(rèn)知模型。

我們粗略地將學(xué)生的認(rèn)知模型，按其不同的認(rèn)知能力分成高、中、低三類。同一內(nèi)容的教案也按高、中、低三中難度組織，分別提供給具有相應(yīng)認(rèn)知能力的同學(xué)學(xué)習(xí)使用。學(xué)生在學(xué)習(xí)完每節(jié)的教學(xué)內(nèi)容后，系統(tǒng)將要求他回答一定數(shù)量的相關(guān)問題，并根據(jù)其回答問題的準(zhǔn)確率，確定他的新認(rèn)知模型。

智能化教學(xué)過程的實(shí)現(xiàn)

我們借鑒專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)ICAI課件系統(tǒng)中的智能功能。在該系統(tǒng)中組織了相應(yīng)的規(guī)則庫、事實(shí)庫和推理實(shí)現(xiàn)機(jī)制，如圖1所示。下面對(duì)推理實(shí)現(xiàn)機(jī)制做簡要的介紹。規(guī)則庫由冊(cè)、章、節(jié)、超文本教案地址、閥值及多個(gè)前提組成，反映對(duì)該節(jié)的學(xué)習(xí)應(yīng)滿足的前提條件。學(xué)習(xí)歷史庫由冊(cè)、章、節(jié)、認(rèn)知等級(jí)、已學(xué)次數(shù)組成，反映學(xué)生對(duì)該節(jié)的認(rèn)知能力。規(guī)則庫的內(nèi)容由教師負(fù)責(zé)修改。學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄，在庫中按每個(gè)人一張表組織，其內(nèi)容在每次學(xué)習(xí)之后，由學(xué)生客戶端軟件依據(jù)該生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況自動(dòng)修改。推理過程由專用的推理模塊，按規(guī)則庫提供的規(guī)則與學(xué)生學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄庫提供的事實(shí)做出判斷。我們通過學(xué)生在每節(jié)教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)完成之后，對(duì)所附習(xí)題回答的準(zhǔn)確率，將其認(rèn)知能力劃分成高、中、低三個(gè)層次，并將這個(gè)結(jié)果保存在學(xué)生學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄庫中。學(xué)生下一次使用該系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)按其不同的認(rèn)知能力，為他準(zhǔn)備相應(yīng)難度的教學(xué)內(nèi)容。不難看出，這種對(duì)認(rèn)知能力的衡量是動(dòng)態(tài)的。若學(xué)生不想按系統(tǒng)默認(rèn)的進(jìn)度學(xué)，則要求學(xué)生自行選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。若所選內(nèi)容已經(jīng)學(xué)過，則根據(jù)其當(dāng)時(shí)所獲得的等級(jí)為他準(zhǔn)備學(xué)習(xí)內(nèi)容；否則將視規(guī)則庫及學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄中的內(nèi)容，判斷其是否可學(xué)而定。例如：規(guī)則庫中限定在學(xué)習(xí)第一章第一節(jié)之前不能學(xué)習(xí)第一章第二節(jié)，某生試圖越過第一章第一節(jié)學(xué)習(xí)第一章第二節(jié)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出警告。為了使學(xué)生能在系統(tǒng)的控制下學(xué)習(xí)，無論是高、中、低難度的教案均是一節(jié)一個(gè)超文本文件，其中不含有鏈。

閥值的給定

當(dāng)學(xué)生完成對(duì)某一節(jié)的內(nèi)容學(xué)習(xí)之后，回答系統(tǒng)提問所得的分?jǐn)?shù)小于該節(jié)所具有的閥值時(shí)，系統(tǒng)并不會(huì)將該節(jié)標(biāo)志為已學(xué)。所以該生下次登錄時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)制他對(duì)該節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行重新學(xué)習(xí)。通常，那些在本學(xué)科中具有特殊重要地位的章節(jié)具有較高的閥值。下面給出評(píng)價(jià)某一節(jié)在本門課中的重要程度的方法：

Important=IN+OUT

Important——第N節(jié)知識(shí)在本課程中的地位；IN——本課程中，其余節(jié)知識(shí)中對(duì)第N節(jié)的知識(shí)有影響的個(gè)數(shù)之和；OUT——本課程中，第N節(jié)知識(shí)影響其余節(jié)知識(shí)的個(gè)數(shù)之和。當(dāng)對(duì)本課程中所有的Important計(jì)算完成后，即可據(jù)此給出某一節(jié)的閥值。閥值Valve以百份數(shù)形勢(shì)表示，小于1且與Important成正比。

設(shè)Right表示某生在學(xué)習(xí)完第N節(jié)的知識(shí)后，回答系統(tǒng)所提問題的準(zhǔn)確率。變量Ruler=1-Valve。給定認(rèn)知模型的修改規(guī)則如下：

IfRightIfValve≤RightIfValve+Ruler*≤RightIfValve+Ruler*≤RightThen認(rèn)知能力定為“高”

系統(tǒng)的安全技術(shù)

由于ICAI會(huì)針對(duì)用戶不同的認(rèn)知模型準(zhǔn)備不同的教學(xué)內(nèi)容，所以為確保對(duì)用戶認(rèn)知模型刻畫的準(zhǔn)確程度，要求學(xué)生在使用學(xué)生客戶端軟件時(shí)，需用自己的姓名和口令向系統(tǒng)登記。當(dāng)驗(yàn)正該生是系統(tǒng)的合法用戶后，將到學(xué)生資料庫中讀取相應(yīng)的資料，送給ICAI的分析模塊用以構(gòu)建該生的認(rèn)知模型，作為教學(xué)的依據(jù)。如不是系統(tǒng)的合法用戶，將要求學(xué)生進(jìn)行簡單的注冊(cè)，如實(shí)填寫部分信息后成為系統(tǒng)的合法用戶，并在學(xué)生資料庫中為其分配一個(gè)缺省值，作為他第一次使用該系統(tǒng)時(shí)構(gòu)建認(rèn)知模型的依據(jù)。

用戶初次登錄時(shí)，口令即為用戶名，登錄成功后系統(tǒng)立即要求對(duì)當(dāng)前缺省口令進(jìn)行修改。以后，用戶能對(duì)自己的口令做任意的修改。

教學(xué)評(píng)價(jià)

我們用下述方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生個(gè)人學(xué)習(xí)水平的評(píng)價(jià)。n：該系統(tǒng)用戶的總?cè)藬?shù)；Xi：第i個(gè)學(xué)生的考試成績。

定義：由定義知，S是學(xué)生整體成績的標(biāo)準(zhǔn)差。Zi反映了第i個(gè)學(xué)生的成績與平均成績的差是標(biāo)準(zhǔn)差的幾倍。用Zi來衡量考試成績不會(huì)受考卷難度值的影響，比Xi更有說服力。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)分是一種參考零點(diǎn)位置固定、單位長度一樣的統(tǒng)計(jì)量。不同次測(cè)驗(yàn)的原始分?jǐn)?shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)分后，就可以做互相比較。如某生兩次測(cè)驗(yàn)的成績?cè)挤謹(jǐn)?shù)分別為：80、90，標(biāo)準(zhǔn)分分別為、2。不能由第二次考試的原始分比第一次高而斷定該生的學(xué)習(xí)進(jìn)步了，正確的斷言是：因?yàn)榈诙慰荚嚨臉?biāo)準(zhǔn)分比第一次低，所以該生學(xué)習(xí)成績退步了。經(jīng)驗(yàn)表明，標(biāo)準(zhǔn)分的數(shù)值一般在-3~+3間。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)值為正時(shí)，表示其學(xué)習(xí)水平在團(tuán)體水平值上；反之，則表明學(xué)習(xí)水平在團(tuán)體之下。

4一個(gè)試驗(yàn)性系統(tǒng)

我們根據(jù)上述思想建立了一個(gè)基于Client/Server模式，用于高等數(shù)學(xué)教學(xué)的ICAI試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的Server端采用組織管理“學(xué)生庫”和“知識(shí)庫與規(guī)則庫”。用于教學(xué)的教案被組織成超文本形勢(shì)，由服務(wù)器上運(yùn)行的WindowsNTServer的IIS管理。Client端采用中文企業(yè)版作為開發(fā)平臺(tái)。

它的主要特點(diǎn)是具有智能性，技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)清晰、交互能力強(qiáng)、界面友好、操作方便、擴(kuò)充性強(qiáng)等。提供給學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容采用先進(jìn)的超媒體組織結(jié)構(gòu)，利用WWW上處理圖、文、聲、像等多媒體數(shù)據(jù)的能力和優(yōu)勢(shì)，并配有鼠標(biāo)選中區(qū)域高亮、背景聲效等多