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程序设计智能教学软件 p i c a 的集成及应用研究 摘要 目 前许多程序设计教科书和教学软件均不能给出从需求解的问题到可执行 程序的设计过程。 这给讲授和学习 程序设计均带来极大的困难。 薛锦云教授率领 软件形式化和自 动化课题组在国家8 6 3 , 9 7 3 和国家自 然科学基金等 近 1 0 项国 家 课题连续资助下， 经过长期 系统的 研究，形成了算法程序设计的p a r方法及其 支撑 环 境 4 2 。 应 用p a r 方 法， 可 以 给 出 从 需 求 解 的问 题， 到 可 执行 程 序的 具 体 设计过程。 本文的目 的是遵循p a r 方法提供的 算法程序设计模式将基于7 a t l i t e 代理平台的程序设计i c a i 实验 进行完善和扩充， 和已 经研制成功的p a r 平台进 行链接， 构成集成 化程序设计智能 教学软 件p i c a ， 并基于p i c a i 和现代教育理 念实现了 程序设计基础的 辅助教学。 在系统的研制过程中， 本文主要开展了以下工作: 1 .研究了系统重构的理论知识， 仔细分析了己 有p a r 平台的结构和功能， 并 遵 循 p a r方法提供的算 法程序设计模式将基于 j a t l 工 t e代理平台的 程序设计 i c a 工 实验系统进行完善和扩充，并 和己经 研制成功的p a r 平台 进行链接， 构 成 集成化程序设计智能教学软件p i c a i ; 2 .对p a r 方法进行了 研究与 总结， 用p a r 方法推导了多个典型算法程序， 总结 出 其中规律; 将适合用 p a r 方法开发的算法程序进行分 类， 并 运用于本 系统; 3 .研究了 现代 教育技术的相关知识， 并 在现代教育理论的指导 下将本 系统应用 于p a r 方法为核心的程序设计基础课程的 教学中。 4 .深入研究了 现代学习理论， 运用知识链接的方法将教学过程从传统的 逻辑 体 系中 分离出 来，使讲授转变为学生发现问 题、 探究问 题的意义建构过程。使 学生由 外部刺激的被动接受者和知识的 灌输对 象成为信息加工的 主体、 知 识 意义的主动 建构者。 真正的让学习者在学习过程中， 产生对学习的 兴趣与 主 动性， 满足了 其个性化的需求。 更能 体现出p i c a i 因材施教的 特点。 本研究主要进行了如下创新: 1 .首次实 现将计 算机辅助教学系统和p a r 平台集成， 使p a r 平台 应用于程序设 计课程的 教学， 起到了教学代理的 作用。 2 .尝试将教学内 容用知识链接的方式呈现给学习 者， 而不是以 往的 “ 书本搬家” ， “ 黑板搬家” 等外部灌输的 教授模式，学习者经过自 身的发现问 题、 探究问 题， 可以 变被动为主 动，成为真正的知识意义的 建构者。 3 .运用多媒体、 动画等技术设计并实现了 人性化界面 关钮字:p a r方法;教育技术;辅助教学:集成;代理平台;动画技术 程序设计智能教学软件p i c a 的 集成及应用研究 第一章 引论 1 . 1研究背景 随着各种计算机技术的发展， 计算机成为人们学习程序设计的必备工具， 使 用计算机进行人事培训以及任何一种形式的自 动支持系统都存在着巨大的需求， 为编程新手缩短其学习过程。 我们知道学习程序设计对于很多初学者而言是相当艰辛的过程。 他们受限于 本身对计算机运作原理的认知不足， 往往很难将人类直觉、 抽象的问 题解决方法 对应至计算机所能执行的程序性、 逻辑性的运算步骤。 于是很多学者专家致力于 设计学习辅助软件以帮助程序设计初学者突破学习上的困难点。 这些教学软件所 诉求的学习内容、 所具备的功能、 所使用的发展技术颇为多样化， 且均宣称可有 效地提升学习成效。 然而当前市场上， 大多数程序设计教学软件只是利用多媒体 从感官上加强学习效果， 过分强调多媒体的功能， 而且仅仅教授的是一门语言的 语法， 在教授过程中， 往往直接给出程序， 对于程序的由来讲述不清， 使得学生 使用完软件， 只是学会了语法， 仍然不会编制程序。 程序设计理论的不完善是主 要原因之一。 本课题以薛锦云教授提出的算法程序形式化开发的p a r方法为基 础，以 江西省高性能计算技术重点实验室多位老师编写的 信息技术基础教程 第六章程序设计基础为教学内容， 在原有程序设计环境的基础上构建的一个新型 程序设计智能c a i 环境p i c a i . 软件人才的医乏大大抑制了i t产业的发展，软件人才的培养成为新世纪的 一大热点。 如何将计算机用于软件人才的培养成为世界各地专家关注的焦点。 程 序设 计c a i ( c o m p u t e r a i d e d i n s t ru c tio n ) 软 件 作为 培 养软 件 人才的 一 种 全新 辅 助教学工具， 其研究正在世界各地兴起， 现在有很多研究机构和公司正在从事该 项研究。当前很多程序设计教学软件质量不高，比较注重介绍 “ 知识” ， 特别是 语言的语法和语义， 而忽略了 程序设计能力的培养， 无法给出程序设计的过程分 析， 对于程序的由 来讲述不清， 其中程序设计理论的不完警是主要原因之一12 6 1 口 算法程序设计是程序设计的关键。薛锦云教授在多项国家级课题的资助卜 根据多年从事算法程序设计的方法和实验研究成果， 创造性地提出了一种简单实 用的 算法 设 计 和 证明 的 形 式 化 方 法 - - p a r i2 11 2 8 1 。 该 方 法含 算 法设 计语 言r a d 户 ! ( r e c u r r e n c e - b a s e d a lg o r it h m d e s ig n l a n g u a g e ) 、 抽象 程序设计 语言a p l a 12 6 1 ( a b s tr a c t p r o g r a m m in g l a n g u a g e ) 语 言 和相 关 程序自 动 转 换系 统。 该 方法的 两 种关键技术是分划和递推， 可取代目 前普通使用的分治法、 动态规划法、 贪心法 等算法设计方法。 以p a r 方法为基础， 薛锦云教授提出了 一种新型程序设计i c a i ( i n t e l l i g e n t 程序设计智能教学软件p i c a 的 集成及应用研究 第一章 引论 1 . 1研究背景 随着各种计算机技术的发展， 计算机成为人们学习程序设计的必备工具， 使 用计算机进行人事培训以及任何一种形式的自 动支持系统都存在着巨大的需求， 为编程新手缩短其学习过程。 我们知道学习程序设计对于很多初学者而言是相当艰辛的过程。 他们受限于 本身对计算机运作原理的认知不足， 往往很难将人类直觉、 抽象的问 题解决方法 对应至计算机所能执行的程序性、 逻辑性的运算步骤。 于是很多学者专家致力于 设计学习辅助软件以帮助程序设计初学者突破学习上的困难点。 这些教学软件所 诉求的学习内容、 所具备的功能、 所使用的发展技术颇为多样化， 且均宣称可有 效地提升学习成效。 然而当前市场上， 大多数程序设计教学软件只是利用多媒体 从感官上加强学习效果， 过分强调多媒体的功能， 而且仅仅教授的是一门语言的 语法， 在教授过程中， 往往直接给出程序， 对于程序的由来讲述不清， 使得学生 使用完软件， 只是学会了语法， 仍然不会编制程序。 程序设计理论的不完善是主 要原因之一。 本课题以薛锦云教授提出的算法程序形式化开发的p a r方法为基 础，以 江西省高性能计算技术重点实验室多位老师编写的 信息技术基础教程 第六章程序设计基础为教学内容， 在原有程序设计环境的基础上构建的一个新型 程序设计智能c a i 环境p i c a i . 软件人才的医乏大大抑制了i t产业的发展，软件人才的培养成为新世纪的 一大热点。 如何将计算机用于软件人才的培养成为世界各地专家关注的焦点。 程 序设 计c a i ( c o m p u t e r a i d e d i n s t ru c tio n ) 软 件 作为 培 养软 件 人才的 一 种 全新 辅 助教学工具， 其研究正在世界各地兴起， 现在有很多研究机构和公司正在从事该 项研究。当前很多程序设计教学软件质量不高，比较注重介绍 “ 知识” ， 特别是 语言的语法和语义， 而忽略了 程序设计能力的培养， 无法给出程序设计的过程分 析， 对于程序的由 来讲述不清， 其中程序设计理论的不完警是主要原因之一12 6 1 口 算法程序设计是程序设计的关键。薛锦云教授在多项国家级课题的资助卜 根据多年从事算法程序设计的方法和实验研究成果， 创造性地提出了一种简单实 用的 算法 设 计 和 证明 的 形 式 化 方 法 - - p a r i2 11 2 8 1 。 该 方 法含 算 法设 计语 言r a d 户 ! ( r e c u r r e n c e - b a s e d a lg o r it h m d e s ig n l a n g u a g e ) 、 抽象 程序设计 语言a p l a 12 6 1 ( a b s tr a c t p r o g r a m m in g l a n g u a g e ) 语 言 和相 关 程序自 动 转 换系 统。 该 方法的 两 种关键技术是分划和递推， 可取代目 前普通使用的分治法、 动态规划法、 贪心法 等算法设计方法。 以p a r 方法为基础， 薛锦云教授提出了 一种新型程序设计i c a i ( i n t e l l i g e n t 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 c o m p u t e r a i d e d i n s t r u c t i o n ) 环 境 模 型 2 6 1 ， 本 文 基 于 该 模 型 和 现 代 教 育 技 术 理 念实现 信息技术基础教程第六章程序设计基础的辅助教学。 本文首先对程序设计方法学和薛锦云教授提出的统一的算法程序设计和证 明方法p a r 方法作了深入研究; 并通过现代教育技术的相关知识学习; 遵循 p a r方法提供的算法程序设计模式将基于 j a t l i t e代理平台的程序设计 i c a i 实验进行完善和扩充;和已 经研制成功的p a r平台进行链接，构成集成化程序 设计智能教学软件p i c a i ;同时对动画技术作了较深入的研究， 在教学软件中加 入动画效果，提高了学习效率。 基于以 上研究， 我们希望构建一个系统具有如下功能: 1 教学系统能够由浅入深的进行程序设计基础的教学。 2 教学系统根据学生原有的知识结构水平生成不同的教学环境口 3 1学生可以在生成的教学环境中学习程序设计方法学课程，并能够对所掌 握的知识进行测试:并根据学生做题情况，适时给出提示。 4 1能够根据学生的 测试结果，调整学习难度。 5 1能够对习题进行讲解和分析错误原因。 6 在进行教学时应用多媒体手段强化学习效果 7 1在学生学习 完算法设计语言r a d l 、 抽象程序设计语言a p l a 、 规约变换规 则， 以 及统一的 算法设计方法之后， 能够在教学系统中 编制出r a d l , a p l a 程序， 并 可自 动 复制 到r a d l - ) a p l a - ) c + + , a p l a - j a v a 转 换器， 自 动 生 成c + + , j a v a 程序，并运行出结果。除编制程序外，其它过程均可自 动完成。 程序设计智能教学软件p i c a i 是涉及程序设计方法学、 人工智能、 认知科学 和教育学的 综合性 课题。 正因为其 跨学 科性， 更增加了 开 发的 复 杂性， 要构建一 个真正具有智能的程序设计的教学软件，还需要多门学科专家共同的努力 1 . 2本文的工作和组织 本文做的主要工作: 1 .研究了系统重构的理论知识，仔细分析了己有p a r 平台的结构和功能，并遵 循 p a r方法提供的算法程序设计模式将基于 j a t l i t e代理平台的程序设计 i c a i 实验系统进行完善和扩充，并和已经研制成功的p a r 平台进行链接， 构 成集成化程序设计智能教学软件p i c a i ; 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 c o m p u t e r a i d e d i n s t r u c t i o n ) 环 境 模 型 2 6 1 ， 本 文 基 于 该 模 型 和 现 代 教 育 技 术 理 念实现 信息技术基础教程第六章程序设计基础的辅助教学。 本文首先对程序设计方法学和薛锦云教授提出的统一的算法程序设计和证 明方法p a r 方法作了深入研究; 并通过现代教育技术的相关知识学习; 遵循 p a r方法提供的算法程序设计模式将基于 j a t l i t e代理平台的程序设计 i c a i 实验进行完善和扩充;和已 经研制成功的p a r平台进行链接，构成集成化程序 设计智能教学软件p i c a i ;同时对动画技术作了较深入的研究， 在教学软件中加 入动画效果，提高了学习效率。 基于以 上研究， 我们希望构建一个系统具有如下功能: 1 教学系统能够由浅入深的进行程序设计基础的教学。 2 教学系统根据学生原有的知识结构水平生成不同的教学环境口 3 1学生可以在生成的教学环境中学习程序设计方法学课程，并能够对所掌 握的知识进行测试:并根据学生做题情况，适时给出提示。 4 1能够根据学生的 测试结果，调整学习难度。 5 1能够对习题进行讲解和分析错误原因。 6 在进行教学时应用多媒体手段强化学习效果 7 1在学生学习 完算法设计语言r a d l 、 抽象程序设计语言a p l a 、 规约变换规 则， 以 及统一的 算法设计方法之后， 能够在教学系统中 编制出r a d l , a p l a 程序， 并 可自 动 复制 到r a d l - ) a p l a - ) c + + , a p l a - j a v a 转 换器， 自 动 生 成c + + , j a v a 程序，并运行出结果。除编制程序外，其它过程均可自 动完成。 程序设计智能教学软件p i c a i 是涉及程序设计方法学、 人工智能、 认知科学 和教育学的 综合性 课题。 正因为其 跨学 科性， 更增加了 开 发的 复 杂性， 要构建一 个真正具有智能的程序设计的教学软件，还需要多门学科专家共同的努力 1 . 2本文的工作和组织 本文做的主要工作: 1 .研究了系统重构的理论知识，仔细分析了己有p a r 平台的结构和功能，并遵 循 p a r方法提供的算法程序设计模式将基于 j a t l i t e代理平台的程序设计 i c a i 实验系统进行完善和扩充，并和已经研制成功的p a r 平台进行链接， 构 成集成化程序设计智能教学软件p i c a i ; 程序设计智能教学软件p i c a 的集成及应用研究 2 .对p a r 方法进行了 研究与总结，用p a r 方法推导了多个典型算法程序，总结 出 其中 规律; 将适合用p a r 方法开发的算法程序进行分类， 并运用于本系统; 3 .研究了现代教育技术的相关知识，并在现代教育理论的指导下将本系统应用 于p a r 方法为核心的程序设计基础课程的教学中。 4 .深入研究了现代学习理论，运用知识链接的方法将教学过程从传统的逻辑体 系中分离出 来，使讲授转变为学生发现问 题、探究问题的意义建构过程。 使 学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象成为信息加工的主体、知识 意义的主动建构者。真正的让学习者在学习过程中，产生对学习的兴趣与主 动性， 满足了 其个性化的需求。 更能体现出p i c a i 因材施教的 特点; 5 .研究了 动画技术，并在教学软件中加入动画效果，提高了学习效率。 本文分六章进行阐述， 第一章主要介绍本文的研究背景及主要工作; 第二章 对 i c a i 的发展作一个概述;第三章介绍了程序设计智能教学软件p i c a 工 的基础 理论和相关学科知识，即本文构造的程序设计智能教学软件p 工 c a 工 的教学基础; 第四章介绍程序设计智能教学软件p i c a i 的集成。 第五章介绍程序设计智能教学 软件p i c a i 的应用。第六章介绍系统的运行效果。最后是总结和展望。 程序设计智能教学软件p i c a 的集成及应用研究 第二章 ! c a i 发展概述 i c a i ( i n t e l l i g e n c e c o m p u t e r a s s i s t e d i n s t r u c t i o n ) 智能计算机辅助教学， 是 七十年代发展起来的一门综合教育技术， 它以 现代教育理论为基础， 综合人工智 能科学、 心理学、 认知科学等学科的知识和方法， 通过计算机向 学生教授各种知 识和技能，以达到真正的无人化教学，个别化教学.本章对i c a i 作一个简单的 综述，对本文的程序设计i c a i 平台作一个关于i c a i 的理论铺垫。 2 . 1 i c a i 的发展 自6 0 年代初以来， 一直在开发计算机技术在教育方面的应用。 经过3 0 年的 努力，己 取得很大进展。计算机技术应用于教育，主要是指直接用于帮助教学， 具体来说就是利用计算机来模拟教师的行为， 通过学生与计算机之间的交互活动 来达到教学的目 的， 称为计算机辅助教学c a i ( c o m p u t e r a s s i s t e d i n s t r u c t i o n ) . 由 于计算机技术和计算机工业的迅速发展，给 c a i 的发展创造了良 好的条 件。近年来 c a i 发展很快，从作为一种教学的辅助工具发展到一种新的教学形 式。目 前，国内 外均开发了 一批优秀的 c a i 系统，但其中绝大部分都是将教学 过程当作知识的灌输和信息的传递过程， 注重课程内 容的教学， 而忽视知识的表 示、知识结果及如何开发教师智能活动的研究。 2 . 1 . 1从c a i 到 i c a . 的发展历史 c a i 的软件发展历史已有近4 0 年之久，时间不是很长，具有种种问 题确实 难以 避免， 客观地说目 前的c a i 软件中 存在着不少问题: 1 . 缺乏适应能力.当学生使用一个c a i 课件进行学习时， 通常只能按照既 定步骤顺序执行， 课件各页面之间的流动是固定的。一旦设计好， 就无法改 变， 且对所有学生都一视同仁. 不能根据不同学生的实际情况和学习中的不 同阶段进行动态调整，因而也就不能真正做到因材施教。虽然有的课件可预 先把学生分成几个层次进行学习或通过菜单让学生自己 选择学习内 容，但其 划分明显不细，且不能根据学生的当前水平和学习中的变化去指导学生，生 成适合于他们的题目 。 缺乏适应能力是当 前c a i 课件的普遥问 题。 2 . 缺乏交互能力。 当前不少c a 】 课件人机交互能力差， 表现在学生使用c a i 课件的学习是被动的。学生仅能输入选择答案或是填空内 容，而不能对一些 具有个性思维的问题进行解答， 特别是在课堂教学中，一般只能通过教师控 程序设计智能教学软件p i c a 的集成及应用研究 第二章 ! c a i 发展概述 i c a i ( i n t e l l i g e n c e c o m p u t e r a s s i s t e d i n s t r u c t i o n ) 智能计算机辅助教学， 是 七十年代发展起来的一门综合教育技术， 它以 现代教育理论为基础， 综合人工智 能科学、 心理学、 认知科学等学科的知识和方法， 通过计算机向 学生教授各种知 识和技能，以达到真正的无人化教学，个别化教学.本章对i c a i 作一个简单的 综述，对本文的程序设计i c a i 平台作一个关于i c a i 的理论铺垫。 2 . 1 i c a i 的发展 自6 0 年代初以来， 一直在开发计算机技术在教育方面的应用。 经过3 0 年的 努力，己 取得很大进展。计算机技术应用于教育，主要是指直接用于帮助教学， 具体来说就是利用计算机来模拟教师的行为， 通过学生与计算机之间的交互活动 来达到教学的目 的， 称为计算机辅助教学c a i ( c o m p u t e r a s s i s t e d i n s t r u c t i o n ) . 由 于计算机技术和计算机工业的迅速发展，给 c a i 的发展创造了良 好的条 件。近年来 c a i 发展很快，从作为一种教学的辅助工具发展到一种新的教学形 式。目 前，国内 外均开发了 一批优秀的 c a i 系统，但其中绝大部分都是将教学 过程当作知识的灌输和信息的传递过程， 注重课程内 容的教学， 而忽视知识的表 示、知识结果及如何开发教师智能活动的研究。 2 . 1 . 1从c a i 到 i c a . 的发展历史 c a i 的软件发展历史已有近4 0 年之久，时间不是很长，具有种种问 题确实 难以 避免， 客观地说目 前的c a i 软件中 存在着不少问题: 1 . 缺乏适应能力.当学生使用一个c a i 课件进行学习时， 通常只能按照既 定步骤顺序执行， 课件各页面之间的流动是固定的。一旦设计好， 就无法改 变， 且对所有学生都一视同仁. 不能根据不同学生的实际情况和学习中的不 同阶段进行动态调整，因而也就不能真正做到因材施教。虽然有的课件可预 先把学生分成几个层次进行学习或通过菜单让学生自己 选择学习内 容，但其 划分明显不细，且不能根据学生的当前水平和学习中的变化去指导学生，生 成适合于他们的题目 。 缺乏适应能力是当 前c a i 课件的普遥问 题。 2 . 缺乏交互能力。 当前不少c a 】 课件人机交互能力差， 表现在学生使用c a i 课件的学习是被动的。学生仅能输入选择答案或是填空内 容，而不能对一些 具有个性思维的问题进行解答， 特别是在课堂教学中，一般只能通过教师控 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 制课件流程的操作，学生简单输入答案的方式进行。人机交互本应是c a 的 优势，但目 前却显得过于简单。 3 .缺乏创造能力。当前，创造教育己被公认为是培养高素质创新人才的有 效途径。c a i 作为一种辅助教学手段也应为创造教育服务。而目前c a i 课件 无论从教学过程还是教学形式来看，都显得单调乏味，缺乏创造性。不外乎 知识介绍、操作练习、单元测验、资料查询等形式。从内容上看其实质仍是 课本搬家、教室搬家。长此以 往， 将不利于调动学生学习的积极性， 更谈不 上培养学生的创造能力了。 4 .缺乏纠错能力.由于c a i 课件自 身对其所示教学内容并不理解，因此判 定学生答案的正确与否只能通过课件编制者预先设定的标准来进行。这就造 成了课件本身不能根据学生的回答做出评价，同样，对于出错的原因以及出 错后所采取的步骤也无法给出相应的解决方案。 随 着 教育 学、 认知 心理 学 和人 工 智能 技 术的 发 展， 计 算机 辅助 教 学 ( c a 刀 的 发展方向是智能教学系统 i t s ( i n t e l l i g e n t t u t o r s y s t e m ) 或 i c a i ( i n t e lli g e n t c o m p u t e r a id e i n s t r u c ti o n ) . i c a i 的历史可上溯至 6 0 年代， 从提出 至今， 经历了 几个发展阶段。 从7 0 年代到8 2 年，是i c a ) 的早期研究， i c a i 在理论、模型设计以 及系统开发方面 都奠定了一定基础。 8 2 到8 7 年， 进一步证实了有关理论，并在系统的图形功能 和交互作用方面有较大改进， 但创新性上没有大的突破。 8 8年以 后， 尤其是进 入9 0 年代以来， 多媒体i c a i 发展很快， 同时认知理论的发展、 关于学习过程的 研究成果对i c a i 也有较大贡献， 智能教学系统在工业领域的 模拟训练方面得到 了较大发展。 2 . 1 . 2 i c a i 的理论基础 任何一种先进教学模式的产生都离不开行之有效的学习理论的指导。 当今存 在有多种学习理论， 比 较典型的有t h o m d i k e 和s h i n n e r 积极倡导的 经典的行为主 义学习 理 论 和p i a g e t 提出 的 认 知 派 学习 理 论。 行为 主 义理 论 把 个 体 行为 归 结 为 个 体适应环境的反应系统即所谓刺激反应系统， 认为学习的起因 在于个体对外 部刺激的反应， 学习与内 部心理过程无关， 只要控制外部刺激， 就能预测学习 行为 及学习效果。因此， 人类学习过程被解释为被动地接受外部刺激并强化这种刺激 的过程。 受行为主义理论影响， 在传统c a i 的研究中， 把教育内容作为一种刺激源， 利用文本、图 像、声音、 动画等方式对学生产生刺激， 基本采用教学 提问 一 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 制课件流程的操作，学生简单输入答案的方式进行。人机交互本应是c a 的 优势，但目 前却显得过于简单。 3 .缺乏创造能力。当前，创造教育己被公认为是培养高素质创新人才的有 效途径。c a i 作为一种辅助教学手段也应为创造教育服务。而目前c a i 课件 无论从教学过程还是教学形式来看，都显得单调乏味，缺乏创造性。不外乎 知识介绍、操作练习、单元测验、资料查询等形式。从内容上看其实质仍是 课本搬家、教室搬家。长此以 往， 将不利于调动学生学习的积极性， 更谈不 上培养学生的创造能力了。 4 .缺乏纠错能力.由于c a i 课件自 身对其所示教学内容并不理解，因此判 定学生答案的正确与否只能通过课件编制者预先设定的标准来进行。这就造 成了课件本身不能根据学生的回答做出评价，同样，对于出错的原因以及出 错后所采取的步骤也无法给出相应的解决方案。 随 着 教育 学、 认知 心理 学 和人 工 智能 技 术的 发 展， 计 算机 辅助 教 学 ( c a 刀 的 发展方向是智能教学系统 i t s ( i n t e l l i g e n t t u t o r s y s t e m ) 或 i c a i ( i n t e lli g e n t c o m p u t e r a id e i n s t r u c ti o n ) . i c a i 的历史可上溯至 6 0 年代， 从提出 至今， 经历了 几个发展阶段。 从7 0 年代到8 2 年，是i c a ) 的早期研究， i c a i 在理论、模型设计以 及系统开发方面 都奠定了一定基础。 8 2 到8 7 年， 进一步证实了有关理论，并在系统的图形功能 和交互作用方面有较大改进， 但创新性上没有大的突破。 8 8年以 后， 尤其是进 入9 0 年代以来， 多媒体i c a i 发展很快， 同时认知理论的发展、 关于学习过程的 研究成果对i c a i 也有较大贡献， 智能教学系统在工业领域的 模拟训练方面得到 了较大发展。 2 . 1 . 2 i c a i 的理论基础 任何一种先进教学模式的产生都离不开行之有效的学习理论的指导。 当今存 在有多种学习理论， 比 较典型的有t h o m d i k e 和s h i n n e r 积极倡导的 经典的行为主 义学习 理 论 和p i a g e t 提出 的 认 知 派 学习 理 论。 行为 主 义理 论 把 个 体 行为 归 结 为 个 体适应环境的反应系统即所谓刺激反应系统， 认为学习的起因 在于个体对外 部刺激的反应， 学习与内 部心理过程无关， 只要控制外部刺激， 就能预测学习 行为 及学习效果。因此， 人类学习过程被解释为被动地接受外部刺激并强化这种刺激 的过程。 受行为主义理论影响， 在传统c a i 的研究中， 把教育内容作为一种刺激源， 利用文本、图 像、声音、 动画等方式对学生产生刺激， 基本采用教学 提问 一 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 一回答的教学模式， 不考虑学生的心理过程， 学生只是被动地接受和消化知识. 传 统 c a i 的理论基础是行为主义学习理论。认知派学习理论认为学生的实质就是 主动形成认知结构的过程， 其基本思想是将学生放在认知主体的 地位上，人的认识 不是由 外部刺激直接给予的， 而是由 外部刺激和认知主体内 部心理过程相互作用 的结果。 根据这种观点， 学习过程本质上是一种问 题求解的过程， 即利用自 己已 有 的知识去进行思维、 推理和解决问题。基于这种理论研制的 c a i 课件不再是简 单地向 学生淄输知识， 而是首先激发学生的学习兴趣和学习动机， 然后将当前的教 学内容与学生原有的认知结构有机地联系起来， 学生不再是外部刺激的被动接受 者， 而是主 动地对外部刺激 提供的 信息进 行选择 加工的 主体。 可见 ， 认知 科学 是 1 c a i 的理论基础详见文。 2 . 1 . 3 i c a i 系统的主要形式 根据教学法的差异， 工 以工 系统主要可以 划分为如下几种形式: 1 .互主动式教学型。 即在苏格拉底谈话法引导下， 以双向会话和测试方式向 学生提问， 鼓励学生进行推理， 然后修正学生的概念. 这种类型的i c a i 较适 用于关于概念和过程性知识的学习。如s c h o l a r 和w h y系统就属于这种类 型。 2 .练教学型。即通过观察学生的表现， 提供引导， 并让学生参加一些游戏之 类的活动来学习知识和技能， 帮助学生把任务完成得更好。 这种类型的i c a i 较适合于问 题解决的教学任务。 如w e s t 系统. 3 .断教学型。 即通过辨识学生学习中的错误概念来指导学生学习， 适用于问 题解决类型的教学内 容。 这一类型的代表作首推b u g g y 系统。 4 .环境模拟教学型。 这种形式的i c a 工 系统为学生提供一个有丰富领域信息 的有限模拟环境， 要求学生运用自己学过的知识， 通过分析、综合等推理过 程， 发 现以 前所不知道的规律。 这类系统的重点不在于教， 而在于学， 让学生 积极主动地进行实验探索， 学会分析间题和解决问题的方法。一般说来， 这 几个类型并不是截然分开的。在一个典型的 i c a i系统中， 这几种类型往往 混合应用。 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 一回答的教学模式， 不考虑学生的心理过程， 学生只是被动地接受和消化知识. 传 统 c a i 的理论基础是行为主义学习理论。认知派学习理论认为学生的实质就是 主动形成认知结构的过程， 其基本思想是将学生放在认知主体的 地位上，人的认识 不是由 外部刺激直接给予的， 而是由 外部刺激和认知主体内 部心理过程相互作用 的结果。 根据这种观点， 学习过程本质上是一种问 题求解的过程， 即利用自 己已 有 的知识去进行思维、 推理和解决问题。基于这种理论研制的 c a i 课件不再是简 单地向 学生淄输知识， 而是首先激发学生的学习兴趣和学习动机， 然后将当前的教 学内容与学生原有的认知结构有机地联系起来， 学生不再是外部刺激的被动接受 者， 而是主 动地对外部刺激 提供的 信息进 行选择 加工的 主体。 可见 ， 认知 科学 是 1 c a i 的理论基础详见文。 2 . 1 . 3 i c a i 系统的主要形式 根据教学法的差异， 工 以工 系统主要可以 划分为如下几种形式: 1 .互主动式教学型。 即在苏格拉底谈话法引导下， 以双向会话和测试方式向 学生提问， 鼓励学生进行推理， 然后修正学生的概念. 这种类型的i c a i 较适 用于关于概念和过程性知识的学习。如s c h o l a r 和w h y系统就属于这种类 型。 2 .练教学型。即通过观察学生的表现， 提供引导， 并让学生参加一些游戏之 类的活动来学习知识和技能， 帮助学生把任务完成得更好。 这种类型的i c a i 较适合于问 题解决的教学任务。 如w e s t 系统. 3 .断教学型。 即通过辨识学生学习中的错误概念来指导学生学习， 适用于问 题解决类型的教学内 容。 这一类型的代表作首推b u g g y 系统。 4 .环境模拟教学型。 这种形式的i c a 工 系统为学生提供一个有丰富领域信息 的有限模拟环境， 要求学生运用自己学过的知识， 通过分析、综合等推理过 程， 发 现以 前所不知道的规律。 这类系统的重点不在于教， 而在于学， 让学生 积极主动地进行实验探索， 学会分析间题和解决问题的方法。一般说来， 这 几个类型并不是截然分开的。在一个典型的 i c a i系统中， 这几种类型往往 混合应用。 程序设计智能教学软件p i c a 的 集成及应用研究 2 . 1 . 4粗 c a i 系统特征 智能计算机辅助教学 ( i c a i )是智能化的c a i ，它以认知学为理论基础，将 人工智能技术应用于c a i 中。工 c a i 将教学内容与教学策略分开，根据学生认知 模型提供的信息， 通过智能系统的搜索与推理， 动态生成适合个别化教学的内容 与策略; 通过诊断机制判断学生的学习水平， 分析学生产生错误的原因， 同时向 学生提出更改建议和进一步学习的提议。 另一方面， 它还可通过对全体学习者的 错误分布统计向 教师提供教学重点、 教学方式等方面的建议。 一般认为具备以 下 一个或几个特征的c a i 系统可以称为i c a i 系统。 1 .可自动生成各种问题和练习; 2 根据学生的学习水平与学习 情况迭择与调整学习的内容和进度; 3 ，在了 解教学内 容的 基础上自 动解决问 皿 ， 生成解答 ; 4 . 具有自 然语曾理解与生成能力， 以实现比较自由的教学问答系统， 提高 人机交互的主动性; 5 .对教学内 容有解释咨询能力; 6 . 能诊断学习错误、分析错误原因并采取纠正 措施 ; 7 .能评价学生的学习行为 ; 8 .能评价教师的教学行为。 当 然， 达到理想完美的工 c a i 是十分困 难的， 如何使c a i 更多地具备工 c a i 的 特点是我们努力的方向。 2 . 1 . 5典型 i c a . 的系统结构 典型的i c a i 系统韵结构应有别于传统的c a i 系统，它具有学生模块、教师 模块、知识库和智 具体功能如下 能接口 等主 要部分，如图2 - 1 . 1 .学生模块:记录每个学生原有的知识水平和学习能力。其依据为学生与 系统之间的交互问 答历史， 并对每个学生的学习 进步情况进行动态调整。 2 . 教师模块:根据学生模块情况作出智能化的教学决策，评判学生的学习 效果，根据学生模型中的信息选择下一个教学策略，即决定下一步应该给 程序设计智能教学软件p i c a 的 集成及应用研究 2 . 1 . 4粗 c a i 系统特征 智能计算机辅助教学 ( i c a i )是智能化的c a i ，它以认知学为理论基础，将 人工智能技术应用于c a i 中。工 c a i 将教学内容与教学策略分开，根据学生认知 模型提供的信息， 通过智能系统的搜索与推理， 动态生成适合个别化教学的内容 与策略; 通过诊断机制判断学生的学习水平， 分析学生产生错误的原因， 同时向 学生提出更改建议和进一步学习的提议。 另一方面， 它还可通过对全体学习者的 错误分布统计向 教师提供教学重点、 教学方式等方面的建议。 一般认为具备以 下 一个或几个特征的c a i 系统可以称为i c a i 系统。 1 .可自动生成各种问题和练习; 2 根据学生的学习水平与学习 情况迭择与调整学习的内容和进度; 3 ，在了 解教学内 容的 基础上自 动解决问 皿 ， 生成解答 ; 4 . 具有自 然语曾理解与生成能力， 以实现比较自由的教学问答系统， 提高 人机交互的主动性; 5 .对教学内 容有解释咨询能力; 6 . 能诊断学习错误、分析错误原因并采取纠正 措施 ; 7 .能评价学生的学习行为 ; 8 .能评价教师的教学行为。 当 然， 达到理想完美的工 c a i 是十分困 难的， 如何使c a i 更多地具备工 c a i 的 特点是我们努力的方向。 2 . 1 . 5典型 i c a . 的系统结构 典型的i c a i 系统韵结构应有别于传统的c a i 系统，它具有学生模块、教师 模块、知识库和智 具体功能如下 能接口 等主 要部分，如图2 - 1 . 1 .学生模块:记录每个学生原有的知识水平和学习能力。其依据为学生与 系统之间的交互问 答历史， 并对每个学生的学习 进步情况进行动态调整。 2 . 教师模块:根据学生模块情况作出智能化的教学决策，评判学生的学习 效果，根据学生模型中的信息选择下一个教学策略，即决定下一步应该给 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 什么学生建议信息，是给出学生进行测试，还是建议学习新的概念点，或 是纠正学生的错误等。 3 .知识库:教授的领域知识 ( 过程性知识和事实性知识)，该模块的知识 可用于回答学生的问题，并可为诊断模块提供事实性知识。 4 ，智能接口:能够理解自 然语言，实现更普遍意义上的人机对话。详见文 4 7 1 。 学生模块 领域知识库 ( 图2 - 1 : i c a 结构) 目 前，工 c a i系统己 经成为国际上计算机辅助教学研究的主要方向，是一个 综合交叉学科。 它涉及了计算机、 教育两大学科的许多分支领域， 包括程序设计、 数据结构、 算法分析、 软件工程、 人工智能等计算机学科以 及认知心理学、 教学 设计等教育学科。 此外，随着网络技术的加入，i c a i 系统将由一个个别化的教 学系统向智能远程教学系统发展。 2 . 2 国内外 . c a i 研究概祝 2 . 2 . 1 国内外研究工作总结 i c a i 从提出至今己 经经过几个发展阶段: 1 . 7 0年代一8 0 年代初，i c a i 在理论研究、 模型设计以及系统开发方面有 了一定的基础。 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 什么学生建议信息，是给出学生进行测试，还是建议学习新的概念点，或 是纠正学生的错误等。 3 .知识库:教授的领域知识 ( 过程性知识和事实性知识)，该模块的知识 可用于回答学生的问题，并可为诊断模块提供事实性知识。 4 ，智能接口:能够理解自 然语言，实现更普遍意义上的人机对话。详见文 4 7 1 。 学生模块 领域知识库 ( 图2 - 1 : i c a 结构) 目 前，工 c a i系统己 经成为国际上计算机辅助教学研究的主要方向，是一个 综合交叉学科。 它涉及了计算机、 教育两大学科的许多分支领域， 包括程序设计、 数据结构、 算法分析、 软件工程、 人工智能等计算机学科以 及认知心理学、 教学 设计等教育学科。 此外，随着网络技术的加入，i c a i 系统将由一个个别化的教 学系统向智能远程教学系统发展。 2 . 2 国内外 . c a i 研究概祝 2 . 2 . 1 国内外研究工作总结 i c a i 从提出至今己 经经过几个发展阶段: 1 . 7 0年代一8 0 年代初，i c a i 在理论研究、 模型设计以及系统开发方面有 了一定的基础。 程序设计智能教学软件p i c a i 的集成及应用研究 什么学生建议信息，是给出学生进行测试，还是建议学习新的概念点，或 是纠正学生的错误等。 3 .知识库:教授的领域知识 ( 过程性知识和事实性知识)，该模块的知识 可用于回答学生的问题，并可为诊断模块提供事实性知识。 4 ，智能接口:能够理解自 然语言，实现更普遍意义上的人机对话。详见文 4 7 1 。 学生模块 领域知识库 ( 图2 - 1 : i c a 结构) 目 前，工 c a i系统己 经成为国际上计算机辅助教学研究的主要方向，是一个 综合交叉学科。 它涉及了计算机、 教育两大学科的许多分支领域， 包括程序设计、 数据结构、 算法分析、 软件工程、 人工智能等计算机学科以 及认知心理学、 教学 设计等教育学科。 此外，随着网络技术的加入，i c a i 系统将由一个个别化的教 学系统向智能远程教学系统发展。 2 . 2 国内外 . c a i 研究概祝 2 . 2 . 1 国内外研究工作总结 i c a i 从提出至今己 经经过几个发展阶段: 1 . 7 0年代一8 0 年代初，i c a i 在理论研究、 模型设计以及系统开发方面有 了一定的基础。 程序设计智能教学软件p i c a 的集成及应用研究 2 . 8 0 年代初一 8 0 年代末，理论得到进一步的证实，在图形功能和交互功能 方面有较大的提高。 3 . 8 0 年代末一 至今， 多媒体技术、认知学习理论和对学习过程的研究取得 较大发展，这些对 i c a i 的发展大有帮助。 i c a i 研究的主要理论基础是认知科学， 认知科学是研究人认识事物的 过程、 思维过程和特征的科学， 研究人类思维的过程和特征， 建立人类认知思维活动的 模型，实现无人化、个别化的自 适应教学目 的。现在 工 c a i 系统的构建更注重把 认知科学中的研究及相关成果运用到工 c a i 中。 国外对工 c a i 研究较多， 最活跃的是美国， 从上个世纪3 0 年代就开始c a i 的 开发。加拿大、欧洲、日 本等国家也投入了大量的人力、物力和财力从事 工 以工 的研究。研究工作主要在大学和军方进行， 美国的知名大学如s t a n f o r d , m 工 t , c m u 等都从事这方面的研究。 国内i c a i 的研究起步较晚， 研究工作也集中在少数大学和研究机构，主要 由 于计算机的 普及程度不够， 近几年发展较快， 很多科研机构都开始了工 以工 的 研究开发， 一些计算机公司也投入到教育软件的开发中来。 其中市场影响较大的 是科利华公司， 曾在1 9 9 6 年斥资六百万元购买了国内历史较长的晓军电脑的6 0 % 的股份， 在产业界引起广泛关注， 它们期望在教育软件市场利用合作优势打开新 局面， 国家教委也成立了专门的 机构推动教育软件