（教育技术学专业论文）基于知识元件的动态构图子系统的研究.pdf

基于知识元件的动态构图子系统的研究教育技术学专业研究生彭鸿指导教师冯山摘要：在教育信息化这个大背景下，计算机辅助教学扮演着重要的角色，从宏观角度看，计算机辅助教学在深化教育改革和推进素质教育的过程中都发挥着重要的作用，从微观角度看，计算机辅助教学既能辅助教师的教也能辅助学生的学。由于受到各个阶段主流技术的影响，计算机辅助教学也朝着多元化的方向发展，其中多媒体化和智能化是两个具有代表性的发展方向。随着人工智能机器证明领域内可读证明技术的成功，张景中院士在智能计算机辅助教学领域内提出了具有特色的智能教育平台的概念，与传统的计算机辅助教学相比，它更加智能化和人性化，也为我国计算机辅助教学软件的发展开辟了新的方向。本文正是以智能教育物理平台为背景，在初中物理力和机械的知识范围内，对其体系结构中的动态构图子系统进行研究，对这一核心模块的研究也是后续功能模块扩展研究的基础。本文涉及的内容围绕着发展动态、理论背景、体系结构、设计与实现等主题展开。在前两章中首先回顾了计算机辅助教学在国内外的发展历史，总结了它的现状，介绍了一些对本研究有指导意义的教学辅助软件，其次，分析了计算机辅助教学两个多元化发展产物的优缺点以及其中的主要特点和功能结构，最后，探讨了智能教育物理平台的历史背景和理论基础，剖析了其基本体系结构，并对研究中提到的关键术语作出解释。三、四章详细阐述了本系统的设计与实现，包括设计方案、技术分析以及步骤描述等，实现了力和机械知识范围内物理元件的动态构图以及对部分物理元件交互形成的特定场景进行计算和演示。最后一章对本文研究的内容作了总结，并为后续的研究制定了计划。关键词：知识元件动态构图智能教学i ir e s e a r c h e so nd y n a m i cd r a w i n gs u b - - s y s t e mb a s e do nk n o w l e d g ec o m p o n e n t se d u c a t i o n a lt e c h n o l o g ys t u d e n tp e n gh o n gt u t o rf e n gs h a ha b s t r a c t ：c o m p u t e ra i d e di n s t r u c t i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm o d e r ne d u c a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fe d u c a t i o ni n f o r m i n gp r o c e s s e s f r o mt h ep o i n to fm a c r ov i e w , c a ip l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nb o t ho ft h ep r o c e s so ft h ed e 印一g o i n gr e f o r m o fe d u c a t i o na n dt h ep r o p e l l i n go fq u a l i t y - o r i e n t e de d u c a t i o n f r o mt h ep o i n to fm i c r ov i e w , c a ic a nn o to n l yh e l pt e a c h e r st e a c h i n g ，b u ta l s oa s s i s ts t u d e n t ss t u d y i n g a st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e si nd i f f e r e n tp e r i o do ft i m e ，t h ed e v e l o p m e n t so fc a ia r ed i v e r s i t i e s ，s u c ha st h er e p r e s e n t a t i o n so fm u l t i m e d i aa n di n t e l l e c t u a l i z a t i o n b a s e do nt h eo fm e c h a n i c a lp r o v i n gt h e o r yi na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a ni n t e l l i g e n te d u c a t i o np l a t f o r md e v e l o p m e n tm o d e lo fi c a ii sp u tf o r w a r db yz h a n g i ，w h i c hi sm o r ei n t e l l i g e n ta n dh u m a n i t yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc a im o d e l an e wr e s e a r c hf i e l do fc a ii so p e n e di nt h ec a is t u d y i n gw o r l d b a s e do nt h ei n t e l l i g e n te d u c a t i o np l a t f o r mc o n c e p to fp h y s i c s1 2 j , t h ed y n a m i cd r a w i n gs y s t e mi sr e s e a r c h e da n ds o m ek n o w l e d g ee l e m e n t sa r ec a r e f u l l ys t u d i e da tt h eb a c k g r o u n d o ft h ej u n i o rh i 曲s c h o o l ，e s p e c i a l l yo nt h ef o r c ea n dm e c h a n i c a lk n o w l e d g eu n i t s t h e ya r ea l s ot h eb a s e sf o rt h ef u t u r ee x p a n d e dr e s e a r c h e s i nt h i st h e s i s ，t h es u b j e c t so ft h ec a id e v e l o p m e n t ，t h et h e o r e t i c a lb a c k g r o u n do fo u rr e s e a r c h , t h er e s e a r c h i n ga r c h i t e c t u r e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa ne x p e r i m e n t a ls u b s y s t e ma r ed i s c u s s e dc a r e f u l l y i nt h ef i r s tt w oc h a p t e r s ，t h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fc a ii sr e , e w e & t h e i rc u r r e n ts i t u a t i o ni ss u m m a r i z e d ，s o m er e l a t e dt e a c h i n ga s s i s t a n ts o f t w a r ea r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e d ，t h em a i nf e a t u r e so fm u l t i m e d i aa n dt h ef u n c t i o ns t r u c t u r eo fi n t e l l e c t u a l i z a t i o na r ea n a l y z e d a tl a s t ，t h eh i s t o r i c a lb a c k g r o u n d sa n dt h e o r e t i c a lb a s ea r ea n a l y z e d , t h ee s s e n t i a ls t r u c t u r e sa r ed i s s e c t e da n dt h ek e yt e r m sa r ee x p l a i n e da sw e l l i nt h ef o l l o w i n gt w oc h a p t e r s ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h i ss y s t e ma r ed i s c u s s e da sf o l l o w s ：t h ed e s i g np r o p o s a l ，t h et e c h n o l o g ya n a l y s i sa n dt h er e a l i z a t i o ns t e p s ，e r e ，a r ep r e s e n t e d b e s i d e s ，t h ed y n a m i cd r a w i n gs u b - s y s t e mi sr e a l i z e d ，e s p e c i a l l yo nt h es p e c i f i cs i t u a t i o nc a l c u l a t i o na n dd e m o n s t r a t i o no fp a r tp h y s i c a lc o m p o n e n t se x c h a n g ew i t h i nt h ek e no ff o r c ea n dm a c h i n e r yk n o w l e d g e i nt h el a s tc h a p t e r , t h es u m m a r i z a t i o no ft h i st h e s i si sd o n ea n dt h ef u t u r er e s e a r c h i n gp l a no ft h i ss u b j e c ti sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：k n o w l e d g ee l e m e n t ，d y n a m i cc o m p o s i t i o no fp i c t u r e ，i n t e l l i g e n ti n s t r u c t i o ni v四) l l n 范大学学位论文独创性及使用授权声明本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师墨出指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而引起的学术声誉上的损失由本人自负。本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定：学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供检索；2 ) 为教学、科研和学术交流目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在有关网络上供阅读、浏览。本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者躲锡j 乌导师繇柳签字日期：矽l o 年j 月垆日签字日期：们【0 年厂月7 , o 日第一章绪论1 1 课题研究的背景与来源1 1 1 课题研究的背景随着教育信息化的不断深入，计算机辅助教学作为教育信息化的一个重要表现也在朝着多元化的方向发展。教育信息化的技术特征包括数字化、网络化、多媒体化以及智能化，计算机辅助教学也同样如此。在技术发展上，二者可以说是相辅相成。计算机辅助教学是运用计算机技术和现代通信技术来处理、控制、传输和表现各种教学信息，向学生传授知识以及对学生进行技能训练。换言之，它主要是以计算机为教学媒体，辅助教师进行不同的教学活动。按照技术运用和信息载体的不同可以将计算机辅助教学分为多种类型，其中，基于多媒体的计算机辅助教学仍是目前计算机辅助教学的主流，因为它改变了几百年来粉笔加黑板的传统教学手段，增加了文字、图形、动画、声音等多媒体手段，使得本来枯燥乏味的教学变得生动活泼，使得本来抽象模糊的概念变得形象直观。实践证明，这种向学生传授知识的方式更具有吸引力，更能提高学生的学习兴趣，更能调动学生的主观能动性。但是，尽管基于多媒体的计算机辅助教学对传统的教学理论、形式和方法等进行了很大的补充、更新和改进，仍然存在着一些关键缺陷，比如，这类软件教学流程基本固定，针对逻辑推理性较强的学科，其教学效果实际上还不如传统的黑板书写式教学，因为后者可以根据课堂环境以及学生对知识的接受水平通过灵活的方式展开教学，这更加符合人的思维过程与接受过程的渐变特征。再如，部分教师为了片面追求媒体形式的“多”和“全”，导致屏幕渲染过度，缺乏在教学内容上作深层次的研究与处理，仅仅是对纸张教材的数字化翻译和简单整理，虽然从某种角度可以说是考虑到了教的质量，但却忽略了学生学的质量。由于没有从学科的高度动态展现知识，学生很难深入理解学习内容的本质和规律，因此这类软件也无助于学生在专业知识上的拓展与提高。随着人工智能技术越来越多的应用于计算机辅助教学，产生了智能计算机辅助教学系统，它属于智能化的计算机辅助教学，它倡导“以人为本”，强调学习者的主体性，实现了以“教为中心向以“学 为中心的转变。与传统的计算机辅助教学相比，智能化计算机辅助教学更加符合教育教学的规律，切合学生的认知习惯，具有明显的优越性。由于在对人工智能有重要应用意义的机器定理可读证明自动生成研究领域取得的成功，结合其它人工智能技术，在张景中院士的主持下，在智能计算机辅助教学领域内提出了一类区别于传统计算机辅助教学的智能教育平台软件的概念，开辟了计算机辅助教育软件领域新的发展方向。这类教育软件不仅弥补了多媒体计算机辅助教学的不足，而且更加人性化和智能化，它不仅有利于教师的教，包括备课、课堂演示、教学资源开发以及课件制作等，而且还有利于学生的学，包括预习、复习、自学以及应考，更重要的是有利于培养学生的创新能力。智能教育平台需要面向某一个学科领域，如果将其定位于物理教学则形成了智能教育物理平台，这类物理平台集课件制作、实验仿真、物理问题生成与求解等功能于一身，针对物理学这门实验性很强的基础学科，智能教育物理平台更加适应教学过程中各个环节的需要。1 1 2 课题的来源本课题来源于四川省教育厅重点项目。1 2c a i 概述、国内外发展历史与现状1 2 1c a i 概述计算机辅助教学( c o m p u t e r - a s s i s t e di n s t r u c t i o n ，简称c a i ) 是指以计算机为主要媒介，利用计算机技术以及现代通信技术对教学信息进行加工、控制、传输和呈现，以便更好地辅助教师的教和学生的学。c a i 既可以用来代替教师对课程进行教学，也可以作为常规课堂教学的辅助手段。计算机辅助教学的兴起是信息革命在教育领域中最有代表性的产物。按照实现技术和信息载体的不同可将计算机辅助教学分为：基于文本的c a i 、基于多媒体的m c a i ，基于i n t e m e t 技术的3 w c a i 、基于知识运用的i c a i 以及工具型c a i 。与传统的教学方法相比校，c a i 有其显著的优越性，比如，充分利用计算机对图形、图像、声音和动画等教学信息的处理，将抽象的概念变得具体，将2宏观和微观事物的变化变得直观形象，将危险性的或不易操作的实验变得准确逼真，同时调动了学习者多种感官的参与；c a i 有利于学生自主学习，实现个别化教学，学生可以根据自己对知识的掌握情况控制学习的进度和深度；c a i具有强大的交互功能，改进了传统的以教师为主体的单一课堂教学模式，使之变成了学生与计算机之间的双向交流，学生可以根据自己的知识水平，自由控制教学进度和参与教学活动，它可以满足每个学生的不同需要，从而大大提高了学生的学习积极性。计算机可以展示教学内容并提出问题，然后根据学生的回答反馈其对知识的掌握程度，学生再根据反馈信息作下一步决定，或继续向下学习或重复学习。1 2 2c a i 国外发展历史与现状早在2 0 世纪2 0 年代初，美国俄亥俄州州立大学心理学教授普莱西( s l p r e s s e y ) 就开始研制帮助教师改卷的机器，在1 9 2 4 年，它成功地制成了第一台教学机器，这是教学手段现代化进程中的一个转折点。5 0 年代中期，美国哈佛大学教育心理学教授，被学术界称为“教学机器之父 的斯金纳( b e s k i n n e r ) 论证了教学机器和程序教学的心理学基础，设计制作了新的教学机器，并于1 9 5 4 年和1 9 5 8 年分别发表了学习的科学和教学的艺术和教学机器，从而在美国掀起一场有理论、有实践的程序教学运动，为计算机进入教育领域奠定了基础。自从1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生后，许多专家就开始着力于计算机教育应用的探索。2 0 世纪5 0 年代末，计算机辅助教育进入研究实验阶段。1 9 5 8 年美国i b m 公司沃斯顿研究所按照斯金纳的程序教学思想设计并研制成功了第一个计算机辅助教育系统，它通过一台i b m 6 5 0 计算机连接一台电传打字机向小学生教授二进制算术，它能够呈现教学内容、自动生成习题、接收回答以及作出反馈。早期的计算机辅助教学系统是在大型机和小型机上开发的，其中在大型计算机上运行的自动程序逻辑教学系统( p r o g r a m m e dl e a r n i n ga n dt e a c h i n go p e r a t i o n ，简称p l a t o ) 和在小型机上运行的分时、交互、计算机控制的信息电视系统( t i m e s h a r e di n t e r a c t i v ec o m p u t e rc o n t r o l l e di n f o r m a t i o nt e l e v i s i o n ，简称t i c c i t ) 对教育的影响最大。1 9 5 9 年，伊利诺斯大学的工程师、物理学家、心理学家和教育学家们在d e n a l db i b e r 的领导下，开始开发p l a t o 系统，开发的内容包括一个计算机辅助教学的写作语言t u t o r ，其目的是为了简化c a i 程序的开发过程，以及一个专用的计算机终端，这属于早期计算机在教育中应用的典范，也被认为是世界上最著名的c a i 项目。经过多年的努力，最终发展成为著名的p l a t o - v系统，该系统以两台大型机为中心，连接4 0 0 0 多个终端，具有多种教学功能，遍布北美洲地区，其网络系统中存储有1 5 0 个专业近万个课时的教材，教学量大约为1 0 0 0 万人每学时。同一时期，随着人工智能的研究与发展，计算机辅助教学的研究也开始应用人工智能的方法与技术，第一个有影响的i c a i 系统是卡玻耐尔在1 9 7 0 年研制成功的s c h o l a r 系统，它用于教授南美洲地理，这也成为了计算机辅助教学日后发展的一个重要趋势。t i c c i t 是弗吉尼亚州的m i t r e 公司和德克萨斯州州立大学c a i 实验室在1 9 7 1 年开始的共同研究项目，后来杨百翰大学的计算机教育应用研究所也加入进来。该系统的研制是由国家自然科学基金投资，由邦德森( v i eb u n d e r s o n ) 主持，主要任务是开发大学低年级的数学和英语的整门课程，包括微积分前的数学，如初等算术、线性方程、排列组合等，除此之外还有英文作文，如语法、篇章结构等。这个系统以电视技术为基础，配合两台小型计算机，带有7 5 兆字节的磁盘存储器，终端为经过改装的配有键盘的彩色电视机，其主机通过同轴电缆与1 2 8 台彩色电视机终端相连接。此系统通常放置在学校的学习中心，它能够处理1 2 8 个终端。t i c c i t 系统采用了与先前的计算机辅助教学系统不同的教学策略，主要体现在学生对学习内容的控制权上，它以帮助学生成为一个独立的学习者为首要目标。直到1 9 9 5 年，t i c c i t 才逐步停止使用。除美国以外，其它一些国家也进行了计算机辅助教学的研究。1 9 6 0 年，日本东京振兴协会开发了自己的c a i 系统，大坂大学和香川大学附属中学合作开发了k a n e c o m 系统；1 9 6 8 年，加拿大开始实施计算机辅助学习工程( c a n ) 开发计划；1 9 7 2 年，英国制定了国家计算机辅助学习开发计划( n d p c a l ) ：1 9 8 7 年，泰国科技教育促进学会( t h ei n s t i t u t ef o rt h ep r o m o t i o no f t e a c h i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，简称i p s t ) 开始实施全国高中数学和科4学课程的计算机辅助软件发展计划，同时承担教师在c a i 方面的培训工作；法国、德国等也都在积极地开展适合于本国教育实际情况的c a i 发展计划。国际信息处理协会( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o nf o ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，简称i f i p ) 在1 9 7 0 、1 9 7 5 和1 9 7 7 年分别召开过三次c a i 国际会议，并于1 9 7 7 年正式明确c a i 是一门边缘交叉的新学科。7 0 年代末到8 0 年代末，计算机辅助教学得到了广泛应用。1 9 8 9 年，美国霍普金斯大学的一项调查显示，主要学科应用计算机辅助教学的比例己达到三分之一以上。这一阶段大型的计算机辅助教育系统进一步完善，同时微型计算机进入市场，并且以体积小、速度快、使用方便等优点得到迅速普及，显示出较好地教学应用价值。c a i 技术与多媒体技术相结合的研究，使得计算机辅助教学的发展有了突破性的变化。2 0 世纪9 0 年代中期至今，随着多媒体技术、网络技术、人工智能、虚拟技术等的广泛应用，并在建构主义学习理论的指导下，c a i 在内容的组织和呈现方式上表现得更加多样化，提高了c a i 的技术水平，拓展了其应用领域，从而使得c a i 的发展产生了新的飞跃。其中，具有代表性的有几何画板( t h eg e o m e t e r ss k e t c h p a d ) ，全名是几何画板一2 1 世纪的动态几何，它是由美国k e yc u r r i c u l u mp r e s s 公司制作并出版的优秀教学软件，是一个适合于教学的通用平台，既适用于平面几何、平面解析几何、代数、三角、立体几何等学科的教学，也可用于物理、化学、机电等课程的教学；还有j s l s o f i 开发的p h y s i c sl a b ，它为中学物理教师和学生提供了一个实验仿真平台，包括粒子，弹簧，绳索，磁道，电场、磁场和引力等。1 2 3c a i 国内发展历史与现状我国计算机辅助教学的研究和应用起步比较晚，但发展较快，并取得了令人瞩目的成就。1 9 7 8 年，教育部成立中央电化教育馆。1 9 7 9 年，北京师范大学、华东师范大学成立了现代教育技术研究所，并获得1 0 0 万美元的联合国援助款，主要用于在我国推广现代教育技术的应用。上世纪8 0 年代初期，由北京师范大学和上海师范大学( 现华东师范大学)等高校牵头成立了“全国计算机辅助教育学会( c b e ) n o8 0 年代中后期处于研究开发与普及推广并存的阶段，汉字处理技术的成熟促进了我国计算机辅助教学系统的发展。北京、四川等省市也相继成立了计算机辅助教育学会，些高校开设了相关课程并先后成立了c a i 研究所、c a i 中心实验室等机构，国家教委和许多高等学校多次开展了国内、国际学术和信息交流活动，旨在了解国内外发展动态，推动c a i 研究工作，对我国c a i 事业的发展起到了积极的作用。计算机辅助教育系统在这一阶段开始研制，如以华东师范大学为代表的“微机辅助b a s i c 语言教学系统 以及北京师范大学研制的“高校课程表白动编排系统 等。1 9 8 9 年起，国家教委多次组织全国性c a i 研讨班，召开专题学术会议，并于1 9 9 3 年1 1 月成立了“全国高等工业学校c a i 协作组”，1 9 9 4年5 月成立了“全国高等学校理科c a i 协作组 。“七五、“八五期间开始在全国范围内有领导、有计划、有组织地开展电子媒体教学出版物的建设，特别是“八五 期间，把计算机教学系列软件国家试题库建设作为教学手段现代化的重要环节，纳入教学研究和教材建设规划，作为国家重点项目进行研制，此后产生了大批系统性强、有实际教学能力的教学软件，其中不少在教学中得以使用，并获得普遍好评。2 0 世纪9 0 年代，许多师范类院校还相继成立了电化教育系或电教中心。“九五国家重点科技攻关项目“计算机辅助教学软件研制开发与应用”就化学类教学软件就涉及3 0 多个高等院校参加，涉及2 0 个项目专题，国家投巨资用于大中小学多媒体教学软件的开发，各学科也出现了一些较为优秀的教学软件。在国家和地方教育行政部门的大力支持下，计算机教育应用得到迅速的发展，在教育现代化过程中起到了十分积极的作用。9 0 年代中后期，国内出现了许多有特色的平台和工具软件，如方正奥思、金华科数理平台和物理、化学实验仿真系统等，特别是，在张景中院士的主持下，为满足我国基础数学教育改革的需求，成功开发了“z + z 智能教育平台，该平台提供了强大而又全面的功能，使计算机的屏幕成为了智能演算板和画板，它是教师进行数学实验、学生进行探究性学习的绝好平台。2 0 0 0 年，由张景中院士主持开发，教育部电化教育办公室监制，清华大学出版社和教育部电化教育音像出版社联合出版的国内第一套智能教育软件双全智能教育软件正式推出，该软件将人工智能与教育软件完美结合，实现了智能解题、6动态作图、人机交互、自动推理四大功能，不仅可以减轻学生的学习负担，还可以启发学生思维，辅助学生解题，另外还可以用于教师备课、课堂演示、教学资源库开发、制作课件等。此外，网络上也出现了一些针对学科绘图以及智能解题的软件，比如由童可玉老师开发的物理作图帮手，直接嵌入w o r d 使用，其内置了3 7 8 个物理矢量图形，包括力学、热学、电学、磁学、光学等基本图形，相关实验仪器与原理图，常量、符号以及2 4 8 个物理双语等内容；由崔志明老师开发的中学物理作图工具是一个专门为物理学科制作的作图工具，它能够方便的画出中学物理中常见的图形，如正弦曲线、水平面或竖直面、任意方向的箭头、放在斜面上的物体、任意方向的轻杆、任意大小和方向的单摆、任意节数的折线和曲线弹簧、任意倾角的斜面和传送带、抛物线等；由袁守华老师开发的高中物理智能解题导师是一个智能型解题的教学软件，它能有效地分析题目中的物理现象或过程，能自动分析和确定解题所涉及的知识范围，能自动帮助解题者分析有关公式的适用性特征、选择解题所用的公式，具有强大的表达式数值计算功能，对学生自选输入的题目具有相同效能，能引导和帮助学生解决高中物理的各类计算题，能对基本解题思考方法进行快捷高效地规范化训练。1 3m c a i 和i c a i1 3 1m c a i 概述多媒体一词来源于英文m u l t i m e d i a ，而m u l t i m e d i a 又可以分解为m u l t i p l e和m e d i a ，即“多 和“媒体”。现代人所说的“媒体 都是指代信息表示和传播的载体，它是以物质形态为标志，如传统教学中的黑板、粉笔等，以及随着现代科学技术的发展产生的电子媒体，如投影、幻灯、计算机等。“多”则说明不止一种，那么从这个意义上可知，多媒体则代表多种信息传播载体的组合，但由于现在都是由计算机来控制和处理多媒体信息，因此多媒体就不只是指多媒体本身，而是指控制和处理多媒体的一整套技术。多媒体技术是在2 0世纪8 0 年代中后期出现的，在9 0 年代得到了迅速的发展，并成为这个时代计算机教学的典型特征，给教育领域带来了勃勃生机。多媒体技术是一种通过计算机将文字、图形、图像、声音、视频、动画等多种媒体信息有机地、有逻辑地组合在一起，并加以控制，以表现出更加丰富的信息形式的综合性电子信息技术，它具有集成性、多样性、可控性、交互性等特点。正是多媒体技术的发展对c a i 产生了巨大的影响，形成了多媒体计算机辅助教学( m u l t i m e d i ac a i ，简称m c a i 或多媒体c a i ) ，它是将多媒体计算机作为教学工具，多元化教学信息的表现方式，为教师和学生提供一个更加良好的教学环境。在教育领域，多媒体计算机辅助教学已成为国内外现代教育的一个重要组成部分，是现代教育技术中最具活力的技术，也是教育信息化的重要手段。1 3 2m c a i 的主要特点( 1 ) 形式多样人的学习过程是通过自身的各种感官把外界信息传递到大脑，再经过分析、综合后从而获得知识与经验的过程。实验心理学家赤瑞特拉( t r e i c h e r )曾做过两个著名的心理实验，其中一个是关于人类获取信息的来源，即人类获取信息主要通过哪些途径。他通过大量的实验证实：人类获取的信息8 3 来自视觉，1 1 来自听觉，3 5 来自嗅觉，1 5 来自触觉，1 来自味觉。从中可以明显看出，通过视觉和听觉获得的信息达到总信息量的9 4 。因此，为了提供更好的学习环境，提高学习效率，就应该使学生在学习的同时使用多种感官接受外部环境的刺激。m c a i 恰好具有此优点，它通过计算机对文字、图形、图像、动画、声音等信息的处理，实现视听一体化等多种方式的形象化教学，弥补了传统单一地教学方式。它既可以替代教师进行系统讲授，把教师从机械而烦琐的重复劳动中解放出来，同时也可以作为常规教学的辅助手段，指导学生进行自学、测验等活动。( 2 ) 高度交互交互性是多媒体技术的重要特征，主要通过人工干预控制实现人机对话。赤瑞特拉的另一个实验是关于知识保持的，即记忆持久性的实验。实验证实：人们一般能记住自己阅读内容的1 0 ，自己听到内容的2 0 ，自己看到内容的3 0 ，自己听到和看到内容的5 0 ，在交流过程中自己所说内容的7 0 。从中得知，在学习过程中，如果既能看到又能听到还能交流，那么将大大增加知识记忆的持久性，提高教学效果。m c a i 就具有“人机对话”的功能，学习者可以根据个人情况选择教学内容，控制学习节奏，计算机通过学生对问题的回答及时反馈信息，包括学生对知识的掌握程度，学生再根据反馈信息作下一步决定，或继续向下学习或重复学习。这种互动有利于激发学生的学习动机，充分调动学生的兴趣和积极性。1 3 3i c a i 概述随着人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 技术引入c a i ，智能计算机辅助教学系统( i n t e l l i g e n tc a i ，简称i c a i 或智能c a i ) 便逐步发展起来。智能c a i 在人机会话方面具有一定的自然语言处理能力，即学生可以用自然语言与计算机对话。与多媒体c a i 相比，它在诊断评价、人机交互以及个别化教学等方面更具优势，提供了更加全面的功能和更加完善的教学环境。智能c a i 系统能依据教学内容提出相关问题，在人机对话的过程中了解学生的学习能力和当前的知识水平，并能根据学生对问题的回答给出反馈信息，这包括检查错误以及分析出错的原因，然后再根据学生不同的特点选择不同的教学内容和教学方法，做出最佳的教学决策，并进行有针对性的个别辅导。1 - 3 4i c a i 基本结构一般来说，智能c a i 系统由知识库、教师模块、学生模块和智能人机接口组成，如下图所示：l1知卅学生梗坎卜智能识人机j7 _库，r接懿- q 教师模块p i9 “l图1 - 1l c a i 模型知识库应该包括某个学科领域内的专业知识以及各科行之有效的教学方9法，即汇集“教什么”与“如何教 的内容。其中专业知识的教学内容需要细化，要有明确的教学目标，并制定适当的教学范围，各部分知识要形成一个体系。学生模块主要是记录每个学生的学习信息，包括学习基础、知识水平、掌握情况、学习历史以及解题情况等，这些内容主要是通过学生与系统的交互应答形成的，并可进行动态修改。学生模块向教师模块提供信息作为教学策略的依据，为有针对性的个别化教学做好准备。教师模块正是实现前面提到的根据学生不同的特点选择不同的教学内容和教学方法的关键，此模块的作用就是根据学生模块提供的学生相关情况和知识库的内容设计出最佳的教学策略，它能帮助学生找出错误、分析原因并提出建设性的意见，智能人机接口是学生与系统进行双向互动的基础，它需要具有自然语言处理能力。多媒体c a i 以图文声像并茂的形式为学生提供了多样化的外部刺激，在很大程度上激发了学生的学习积极性，取得了很好的教学效果；而智能c a i通过对人类学习思维的特征和信息过程的模拟，赋予了机器以人类的高级智能，为学习者创造了一个称职的、优秀的“计算机导师”，它能根据学生的实际需求以及不同的学习阶段进行动态调整，从而真正实现因材施教。多媒体c a i 和智能c a i 在功能上存在着很大的互补性，可以将两者有机地结合起来，以便为计算机辅助教学开辟无限的发展空间，更好地优化教学环境。1 4 研究的目的和意义本文的主要目的是以智能教育物理平台为背景，在初中物理力和机械知识范围内，对基于知识元件的动态构图子系统进行研究。下面对上述各部分作进一步说明。智能知识平台的概念有别于传统的计算机辅助教育软件，这类平台更能满足人们对知识使用的不同需求，在文【l 】中，作者将这些需求归纳为五类，包括对知识的引用、运用、传播、学习和发展，并且指出智能知识平台需要面向某一个学科领域，而且是分层次的。如果将其定位于某一学科，符合某一等级的教学大纲，它就成了针对这一学科的智能教育平台，那么服务于物理教学的1 0就属于智能教育物理平台。这类平台可以是一个软件，也可以是一个带硬件的系统，它不仅弥补了传统计算机辅助教学的不足，而且功能更加全面、智能和个性化，它既适合于教师的教，比如课件制作、教学资源库构建、教学演示、实验仿真以及组织学生课外学习活动等，也适合于学生的学，比如预习、复习、自学以及创新能力的培养，它为计算机辅助教育软件开辟了新的发展方向。在智能教育平台的设计中，为了更加方便、动态地展示某一学科某一级别的教学知识，采用可视化知识元件的表达形式是最佳的选择。知识元件是从学科领域中抽象出来的具体的对象，这些元件是构成整个系统的基本元素，因为它是以某个学科的教学知识为背景，所以知识元件具有特定的意义。知识元件是通过可视化的方式呈现的，这使得教学操作更加直观和形象。在文 2 】中作者根据上述使用知识的需求，构建了智能教育物理平台的基本功能体系结构，整个体系结构将平台分成了多个功能模块，这样有助于采用分块独立的策略进行开发。在体系结构中占据核心地位的就是动态构图子系统，这一模块是其它功能模块的基础。本文通过在力和机械知识范围内构建知识元件，实现了动态构图功能，而且知识元件交互后能通过参数传递对知识场景进行计算、给出结论，并对部分场景进行演示。整个功能相当于一个智能黑板，为教学过程中内容的讲解与问题的分析提供了方便。1 5 本文的组织本文的内容安排如下：第一章概述c a i 、m c a i 和i c a i ，并总结m c a i 的主要特点和阐述i c a i的基本结构，回顾与分析c a i 的国内外发展动态，论述本文的研究背景、目的和意义。第二章介绍智能教育物理平台的历史背景以及理论基础，剖析智能教育物理平台的体系结构，并对本文研究中涉及到的关键概念作出解释。第三章综述系统开发中涉及到的关键技术，并对系统进行详细设计，包括功能、界面、知识元件和场景等重要部分。第四章分析系统实现过程中的关键步骤，包括技术原理解析和部分步骤描述等。第五章总结本文的研究内容，并对后续的研究制定计划。1 2第二章智能教育物理平台的背景知识2 1 教育、教育技术和现代教育技术概述随着现代科学技术的迅速发展，计算机技术已经渗透到人们工作和生活的各个方面，同样在教育领域也得到了广泛的应用，并取得了巨大的成果。计算机辅助教学的出现代表着一种新兴的教育技术，被认为是为适应信息社会的需要在教育领域中进行的又一次教育革命。2 1 1 教育教育作为培养人的活动，在其发展历史上，经历了四次重大革命。第一次教育革命是专职教师的出现，大约发生在公元前3 0 世纪，正是教师的出现把教育年轻一代的责任从家族手中转移到专业教师手中，年轻一代的学习也从跟随家族在劳动和日常生活中学习转变为跟随专业教师在学校中学习。第二次教育革命是文字体系的出现，大约发生在公元前1 1 世纪，传播教育内容的方式在口耳相传的基础上增添了语言符号传播。第三次教育革命是印刷术的出现，大约发生在公元1 2 世纪，它使得信息可以被大量复制和存储，其中，书籍作为一种文字材料成为了传播知识的重要媒介，得到了普遍的使用。第四次教育革命是电子传播媒体的出现，大约发生在1 9 世纪末2 0 世纪初，在工业革命的推动下，电子技术得到迅猛发展，一些新的科技成果在教学中广泛应用，包括幻灯、投影、电视、电影、广播等，大大提高了信息传播能力和传播效率，使教育摆脱了手工业方式的束缚，走向现代化。特别是2 0 世纪9 0 年代以来，计算机技术、网络技术和现代通信技术等的迅速发展以及教育信息化建设步伐的加快，对深化教育改革具有重大的意义。2 1 2 教育技术从字面上看，教育技术就是教育中的技术，这技术包含人类在教育活动中应用的一切手段和方法。教育技术可以分为有形( 也可称为物化形态的) 技术和无形( 也可称为智能形态的) 技术两大类。有形技术指的是凝固和体现在有形物质中的科学技术，包括黑板、粉笔、模型等传统的教具以及现代的计算机、通信卫星、网络等一切可用于教育的器材、设施、设备等；无形技术指的是在教育实践中总结和概括出来的策略与方法，它是以抽象形式表现出来的，并以功能形式作用于教育实践的科学知识。有形技术是教育技术的依托，是实现教育活动的物质基础，无形技术是教育技术的内涵，是具体实践的理论基础，两者相互影响、相互作用，作为一个有机整体在教育过程中发挥着重要的作用。在日常的使用中，经常将教育技术和教育技术学这两个概念混淆在一起，很大程度上是由于英文翻译的不同而导致的，即有的将e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y翻译为教育技术学，而有的就翻译成教育技术。实际上，教育技术指的是在教学过程中运用的各种方法与技术手段的总称，而教育技术学属于教育科学领域的分支学科，其主要研究对象正是在教学中运用的教育技术。教育技术在其发展过程中有多种版本的定义，其中美国教育传播与技术协会( a s s o c i a t i o nf o re d u c a t i o n a lc o m m u n i c a t i o n sa n dt e c h n o l o g y ，简称a e c t )在1 9 9 4 年发布的有关教育技术的定义最为精辟，它在一定程度上反映了国际教育技术界的看法，也比较适应信息社会发展的需要，因此获得普遍认可。a e c t 9 4 定义为：“i n s t r u c t i o n a lt e c h n o l o g yi st h et h e o r ya n dp r a c t i c eo fd e s i g n ，d e v e l o p m e n t ，u t i l i z a t i o n ，m a n a g e m e n t ，a n de v a l u a t i o no f p r o c e s s e sa n dr e s o u r c e sf o r l e a r n i n g ” 1 7 】国内一般译为：“教育技术是关于学习过程和学习资源的设计、开发、利用、管理和评价的理论与实践。 1 7 , 1 8 填中明确指出了两个研究对象，即学习过程和学习资源，以及五个研究领域，即设计、开发、利用、管理和评价。通过这个定义还可以看出，教育技术是围绕着学习服务的，而且理论与实践同等重要。上述五个领域是相互影响、相互作用的，同处于整个大系统内，但也可以进行单独的研究。对于教育技术的研究是具有开放性的，因为随着科学技术的不断发展，教育技术也会发生相应的变化。2 1 3 现代教育技术现代教育技术与教育技术是并行的两个概念，没有本质上的区别，它同样包含有形技术和无形技术两个方面，也同样以实现教育最优化为目标。“现代”二字突出了研究与应用中的“现代化”特征，可以包括运用到的教育教学实践中的现代教育思想、理论和方法以及现代科学技术等。现代教育技术是教育现代化的标志之一。1 42 2 学习理论学习理论是教育技术中核心的理论基础，也是c a i 的理论基础，从2 0 世纪5 0 年代末至今，学习理论在其发展过程中经历了行为主义、认知主义和建构主义三次大的演变。2 2 1 行为主义学习理论2 0 世纪初，美国心理学家华生( j o h nb w a t s o n ) 创立了行为主义学习理论，这一理论在美国占据了长达半个世纪的主导地位，华生认为人类的行为都是后天通过学习而获得的，同样也可以通过学习去改变或消除，只要查明了刺激与反应的规律性关系，就可以通过相互推断达到预测并控制行为的目的。行为主义学派最负盛名的代表人物斯金纳( b u r r h u sf r e d e r i cs k i n n