（计算机应用技术专业论文）《数控加工编程及操作》教学系统的个性化研究.pdf

摘要 以计算机、多媒体和l n l e m e i 为标志的信息技术的发展正在对教育领域产生着越来越大 的影响，计算机辅助教学( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t n l c t i o n ，简称c a i ) 系统有着非常广阔的 应用前景。早期的c a i 系统充分发挥了教师的主导作用，但却忽视了学生主体地位的体现。 目前的各种基于w e b 的网络教学系统则片面强调学生是学习主体，忽视了教师的主导作用。 这两种做法都将对教学效果产生不良影响。正确的教育思想应当是既要充分发挥教师的主导 作用，又要突出学生在学习过程中的主体地位。个性化的计算机辅助教学系统体现了这种思 想，强调教与学双方主体的主动建构与相互协作，形成互动式个性化学习环境。 个性化计算机辅助教学系统通常包括三个模块：领域知识库、教师模型和学生模型。本 文就从这三个方面进行了研究：1 、领域知识库是个性化教学系统的基础，它直接影响着系 统自适应能力和整个教学系统的性能。目前流行的基于h t m l 知识表达模式存在诸多不足， 为了弥补这些不足采用了最新的w e b 技术- x m l 技术，作为构造领域知识库的主要工具， 目的在于提高知识描述的扩展性、操作性、重用性，从而为实现系统的自适应能力打下良好 的基础。2 、教师模型是整个教学系统实现个性化、智能化的关键。它的主要任务就是为学 生量身制定相应的教学内容和教学方法。首先根据学生的认知能力和兴趣将其分为若干个等 级，根据教学内容的难度和重要程度将其分为若干类型。在此基础上，教学策略的制定分为 三个方面：一是对知识树进行裁剪，为学生选择学习内容；二是根据知识点之问的关系对其 进行拓扑排序，生成最佳的教学序列：三是建立教学规则库，根据学生的学习情况对其等级 进行动态调整并相应调整学习内容和教学方法。3 、学生模型是个性化教学系统的前提。采 用模糊数学中的模糊综合评判的方法对学生的认知能力和学习情况做出评价和诊断，由此建 立认知型学生模型。 通过分析知识点的属性及其关系形成元知识，从而形成领域知识库；根据学生模型提 供的信息，通过对领域知识库中的元知识的控制，为学生设计和调整相应的教学序列：用模 糊综合评判的方法评价学生的学习能力等是本文的主要特点。 数控技术是教育部确定的高职教育中重点发展的专业之一。在此背景下，以数控加 工编程及操作为蓝本，形成了一个个性化计算机辅助教学系统n c i c a i ，并在实际应用中 取得了良好的效果。 本文所做的研究工作已经作为国家自然科学基金项目( 5 0 4 7 5 1 1 7 ) 的一个子课题，得到 了该项目的资助。 关键词：计算机辅助教学系统个性化领域知识库教师模型学生模型模糊评价 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm ej n f o m l a t j o nt e c j 】n o j o g yw h j c hj n c j u d e sc o m p u t e r ，用uj l j m e d j aa n d i m e m e th a sm o r ea n dm o r ei n n u e n c e 。nt h ed o m a i no fe d u c a t i o n c o m 口u t e ra i d e di n s t m c t i o n ( c a i ) s y s t e m sh a v eav e r yw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h ee a r l i e rc a is y s t e m sg a v ef u l lp l a yt ot h e j e a d j n ge 1 1 色c l so ft e a c h e r sb mi g n o r e dl h op r j n c j p a js t a m so fs l u d e n l sa 】js o r t so ft h ew e b _ b a s e d n e t w o r kl e a c h i n gs y s t e m so f t h ep r e s e n te m p l l a s i z eu n l l a t e r a l l yt 1 1 ep n c i p a ls i a t u so fs t u d e n t sb u t i g r l o r et h el e a d i n ge f 诧c t s0 ft e a c h e r s b o t ho ft h e mw i l lh a v ea d v e r s ee f e c t so nt e a c h i n 卫t h e c o r r e c tf e a c l t i n gi d e ai sg v i n gf u l lp i a yt on o io n i yh 1 el e a d i n ge f 惫c 招o f 暗虻h e r sb u ta l s ot h e p r i n c i p a is t a t u so fs t u d e n t si n d i v i d u a l i z e dc o m p u t e ra i d e di n s t n l c t i o n ( i c a i ) s y s t e m si st h e e m b o d i m e n to ft h i si d e aa n de m p h a s i z e st h ea g g r e s s i v ec o n s t r u c t i o na n dt h ec o o p e r a t i o no ft h e m a i nb o d yo f t e a c h i n ga n di e a m i n ga n df o r r n st h e n d i v i d u a “z e di n t e r a c t i v ei e a m i n ge n v i r o n m e n t i c a is y s t e m s a l w 8 y s i n c l u d et l 】r e em o d u l e s ：d o m a i nk n o w l e d g e b a s e ( d k b ) ，t e a c h e r m o d e la 1 1 ds t u d e n tm o d e l t h es t u d yo f t h i sp 印e ri n c l u d e s ：l ：d o m a i nk n o w l e d g eb a s ei st h eb a s e o fl h ei c a is y s t e m s 1 th a sd i r e c l - m n u e n c eo nt h ea d a p t i v ea b i l i t y 姐dt h ep e r f b r m a n c eo f t h e s y s t e m t h el a t e s tx m lt e c h n i q u ei sa d a p t e da st h em a i nt 0 0 1s oa st oc o n s 仃u c tt h ed k b ，o u r t a 唱e ti st oe n h a n c ee x p a n d a b l j t y ，o p e r a b i l i t ya n dr e u s a b i l i t ya b o u tk n o w l e d g ed e s c r i p t i o na n d 血e a d a p t i v ea b i l i t yo ft h es y s t e m2 t e a c h e rm o d e li st h ek e yo fl c a i s y s t e m s i t sp r i m a r ym i s s i o ni s t oc h o o s et h ec o n t e ma n dm e t h o dm a t st a u 曲ta c c o r d i n gf ot h ec h a r a c 把ro fs t u d e n l s a t n r s t ，s t u d e m sa r ed i v i d e di n t os o m 。g r a d e sa c c o r d i “gt ot h e i rc o g n i t i v ea b i l i t ya n di n t e r e s t ，a 1 1 d c o m e n t st h a ta r et a u g h ta r ed i v i d e di n t os o m ec i a s s e sa c c o r d i n gt oi t s d i f ：n c u l t ya n dd e g r e eo f i m p o n a n c e ，s ol h ee s f a b 】i s h m e mo fi n s t r u c “。n a ls t r a 把g yi n c j u d e s ：t h ec u 廿i n go ft 1 1 ek n o w l e d g e t r e e t oc 1 1 0 0 s et h ec o m e n t st h a ta r et a u 曲t ：n l et o p 0 1 0 9 i c a ls o a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o no f k n o w l e d g ep o i n t st og e n e r a t eab e s ti n s t r u c t i o n a ls e q u e n c e ；m ee s t a b l i s h m e mo f t h ei n s 仃u c t i o n a l 九i i eb a s et oa d j u s tt h es m d e n cg r a d ea n dt h ei n t e r r e i a t e dc o n t e n t sa n dm e t h o d st h a ta r et a u g h ti n n m ea c c o r d i o gt ot h e l e a m i n go ft h es t u d e n t _ 3 s t l l d e n tm o d e ii s t h ep r e c o n d i t i o no fi c a i s y s t e m s t h ec o g n i t i v ea b i l i t ya n dt h e1 e a m i n gs l a t eo f s t u d e n t si se v a l u a t c da n dd i g n 0 8 e d b yf u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a i u a t i o ns oa st oe s t a b i f s hac o g n i t i v es t u d e n tm o d e i t h ec h a r a c t e r i s t i co f t l l i sp a p e ri st h a tt h em e t a k n o w l e d g ea n dd k ba r ef o r m e db ya n a l y z i n g t h 。p r 。p e r t i e sa n dt h e i rr e l a t i o n sh i p so f k n o w l e d g ep o i n t s ，ab e s ti n s t r u c t i o n a ls e q u e n c ei sd e s i g n e d a n da d j u s t e db yc o n t r 0 1 1 i n gt h em e t a k n o w i e d g ea c c o r d i n gt om ei n f o r m a t i o no f r e r e db ys m d e n t m o d e 】，t h el e a r n j n ga b j j j t ) ro fs t u d e n t s i se v a l u a t e d 锄d d j g n o s e db yf u z z yc o m p f e h e n s i v e e v a l u a t i o n n u m e r i c a lc o m r o lt e c h n 0 1 0 9 yi so n eo fm a j o rs p e c i a l t yw h i c hi sp r e s c r i b e db ym i n i s t r yo f e d u c a t i o no f a d v a n c e dv o c a t j o n a le d u c a c i o n i ni h i sb a c k g r o u n d ，ai c a is y s t e mn a m e l yn c i c a fi s f o m e du s i n g 埘”e ，把甜c o n n | o fm k 拍f h 加gp m g m 7 ”枷g 口”d ( p p m f f d na st h ec h i e fs o u r c ea n d b e t t e re f r e c ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a sb e e na c q u i r e d t h es t u d yo f t h i sp a p e ri ss u s i a i n e db yn s f c ( 5 0 4 7 5i i7 ) a sas u b p r q e c t k e y w o r d sc o m p u t c ra i d e dl n s t r u c t j o ns ”t e m i n d i v i d u a t i o nd o m a i nk n o w i e d g eb a s e t e a c h e rm o d e ls i u d e n tm o d e l f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i 。n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：交! ；娩日期：2 q 堕生q 璺旦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生虢韧蜴燧名：勉日靴逝生蛆 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 自二十世纪九十年代起，以计算机、多媒体和i n t e m e t 为标志的信息技术革命，正以惊 人的速度改变着人们的工作、学习、生产和生活方式。信息技术的发展在教育领域也进行着 深刻变革，给现代教育提供了一个新的舞台，给人们提供了更广阔的学习空间和环境，使教 育技术、教育体制与教学模式产生了新的重大飞跃。因此，如何将信息技术更有效地与多种 教学模式相结合，在教学中充分发挥计算机和网络的优势，既能发挥教师的指导作用又能充 分体现学生学习主体作用，更好地适应信息时代的发展，已成为人们所关心的课题。同时， 也是当前强化素质教育的需要，深化教育改革和发展的需要，加强教育现代化建设的需要。 计算机辅助教育( c o m p u t e r b a s e de d u c a t i o n ，简称c b e ) 是信息技术应用于教育的一个 重要方而，它是指以计算机为主要媒介所进行的教育活动，即使用计算机帮助教师进行教学， 帮助学生进行学习，帮助教师管理和组织教学活动等。通常，计算机辅助教育又分为计算机 管理教学( c o m p u t e rm a n a g e dl n s t r u c t i o n ，简称c m i ) 和计算机辅助教学( c o m p u t e ra i d e d i n s t r u c t i o n ，简称c a i ) 【o oj 。c m i 是指用计算机管理和指导教学过程。c a i 是指利用计算机 为媒介，通过存入计算机程序运行来实现课堂教学、辅助答疑、试验仿真以及测验考试等教 学活动的综合技术，是目前国内外教育技术领域中最重要、最活跃的组成部分，也是本文研 究的重点。 1 9 9 9 年以来，随着高等教育大众化步伐的加快，高等职业教育呈现出快速发展的形势， 党和国家高度重视高等职业教育的改革和发展，高等技术应用型人才及其培养的重要性也正 在被越来越多的人所认同。目前，高等职业技术教育在学校数、招生数和毕业生数等方面均 占据高等教育的半壁江山，成为高等教育的重要组成部分。数控技术是近几年新兴的一个行 业，它是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是关系到国家战略地位和体现国 家综合国力水平的重要标志。我国正在逐步变成“世界制造中心”，开始广泛使用先进的数 控技术，在劳动力市场上出现了数控技术应用型人才的严重短缺，因此教育部己将“数控技 术”专业列为高职院校重点发展的四个专业之一。但是目前高职院校在数控技术的教育与培 训方面普遍存在着师资数量不足、素质不高及数控实训发备严重缺乏的问题，严重制约着现 代数控技术人才培养水平的提高。采用计算机网络技术与多媒体技术相结合的现代化教学手 段能在一定程度上弥补上述不足，但是由于高职院校的生源是多渠道的，学生素质参差不齐， 差别很大，而传统的计算机辅助教学系统采用的是统一的教学方法和教学内容，无视这种差 别，因此也就无法取得理想的教学效果。若能在传统的计算机辅助教学系统中引入个性化概 念，使得系统能根据学生的认知能力、兴趣等特点进行教学，则必然会使教学效果得到大幅 度的改善，同时也能大大缓解国家对数控技术应用型人才不断增长的数量和质量上的要求与 高职院校教学资源相对不足的矛盾。目前国内在这方面还没有成熟的个性化教学系统投入使 用，本文的目的就是想为此做一些有益的尝试和研究。 本文所做的研究已经作为国家自然科学基金项目( 项目编号：5 0 4 7 5 1 1 7 项目名称：基 于动态监控建模和物理仿真的制造系统智能控制理论与模式) 的一个子课题，得到了该项目 的资助。 1 2 研究现状及存在的问题 i 2 1 教学设计理论基础 东南大学硕士学位论文 计算机辅助教学的发展离不开教育理论的指导。与计算机辅助教学相关的教学设计理论 有行为主义学习理论、认知主义学习理论、建构主义学习与教学理论。 ( 1 ) 行为主义学习理论 行为主义学习理论建立在“刺激一反应一联结”的基础上，认为反应( 行为) 是刺激的 函数，并通过正、负强化建立起反应( 行为) 与刺激间的固定关系。其本质是强调外部刺激， 突出教师的主导作用，但它却将学习体视为黑盒，完全排除了学习体的主观能动性【4 】。 ( 2 ) 认知主义学习理论 认知主义学习理论认为，人们的认识不单纯是外部刺激的产物，而是外部刺激与内部 心理过程相互作用的结果；而内部心理过程是指认知主体的兴趣、爱好、态度、需要以及主 体原有的认知结构。因此，认知主义的认识论是强调主观( 内部心理过程) 与客观( 外部刺 激) 相统一的“。 ( 3 ) 建构主义学习理论 以乔纳森为主要代表人物的西方建构主义学习理论认为，知识是学习者在一定的情境 即社会文化背景下，借助其他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必要的学习资料，依 赖个人经验通过建构意义的方式而获得是因人而异的纯主观的东西，它不可能通过教师传 授得到，所要建构的意义是指：事物的性质、规律以及事物之间的内在联系。因此建构主义 学习理论强调以学生为中心，认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环 境中的四大要素或四大属性。 早期的c a i 是基于传统教学模式由“程序教学”发展而来，其理论基础就是行为主义学 习理论，这是一种“以教师为中心”的教育思想，整个学习过程完全由计算机程序所控制， 充分发挥了教师的主导作用，但同时却忽视了学生主体地位的体现。目前的各种基于w 曲的 网络教学设计思想和策略则是建立在西方建构主义学习理论模型上，相对于早期的c a l 教学 模式而言，从一个极端走向了另一个极端，它片面强调学生是学习主体，应自主学习，因此 通过资料堆砌将一切推给学生，而无视教师的主导作用。这种论点及做法是违反认知科学规 律的，陷入了主观唯心主义的泥坑，对教学质量的保证将带来负面效应。我们认为正确的教 育思想应当是把这两种做法结合起来，既不是“以教师为中心”，也不是“以学生为中心”， 而是既要充分发挥教师的主导作用，又要凸显学生在学习过程中的主体地位，即要“主导一 主体相结合”。我们应该倡导的不是乔纳森鼓吹的那种建立在主观主义认识论和片面的以学 生为中心的教育思想基础上的极端建构主义，而是建立在“主客观统一”认识论和“主导一 主体相结合”教育思想基础上的新型建构主义。新一代的计算机辅助教学系统应该基于这种 新型建构主义学习理论模型，强调教与学双方主体的主动建构与相互协作，形成互动式个性 化学习环境，双方主体各自发挥其主观能动性与创造性，完整演绎现代教学与学习理论n 5 】。 1 2 2 计算机辅助教学( c a j ) ( 一) e a i 的起源与发展 计算机辅助教学( c a i ) 是把教育学、心理学和计算机技术融为一体的一项具有开拓性的 课题，它利用计算机来模拟教师的行为，通过学生和计算机之间的交互活动来达到教学的目 的【6 j 。 1 9 5 9 年美国m m 公司研制成功世界上第一个计算机辅助教学系统，从而宣告人类进入 了计算机教育应用时代。此后，计算机技术和计算机工业的迅速发展，给c a i 系统的发展 创造了良好的条件。近年来，c a i 的发展非常迅速，它从作为一种教学的辅助工具发展到一 种新的教学模式。目前，国外已经形成了c a j 产业，我国许多高校也都将c a i 的发展列为 重点研究课题。 2 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以后，由于计算机网络技术和多媒体技术的发展，国内外c a i 的研究和应 用有了更加突出的进展，无论在人们对计算机辅助教学的认识、观念方面，还是c a i 理论研 究和技术手段上都出现了较多的新动向弄f | 新发展。这些新发展对c a i 的应用模式产生了积极 的影响。基于i n t e r n e t 的多媒体教学应用己成为c a i 中一个明显的发展趋势，这是种全新的 教育形式，许多地方都将这种教育形式称为“虚拟学校”( v i r t u a ls c h 0 0 1 ) 。它使得教师与学 生之间尽管可能相隔几千里，相互之间通过i n t e m e t 仍然像在学校里一样进行f a c e t of a c e 的交 流。这种教育形式无疑是未来最重要的教学模式之一，而c a i 正是这种教育形式的核心。 ( 二) c a i 的结构特点 c a i 作为一种先进的教学手段，正逐步渗透到各类学校的各个学科，使得教学模式、内 容和形式、课堂教学结构，以至教育思想和观念都发生了重大变化。它提供了一种灵活多样 的教学方式，丰富了传统教育的教学模式，弥补r 传统教学模式的不足，受到了教育界的普 遍欢迎。 传统的c a i 基于行为主义教学理论，所采用的教学模式是提供了一个“反应一刺激”式 的教学环境，在结构上基本是封闭的，主要由教学内容、教学策略管理逻辑及用户界面几个 部分封装而成，较件的用户对象面向个人，尽管借助于些多媒体教学网络，实现了教学信 息的广播，但在这种教学环境下的教学信息传播基本上是以单向为主，缺乏真实的交互环境， 难以实现师生问的取向交互，学习者的主动性和创造性受到限制。 目前，通常将c a i 课件分为操练和练习、指导、模拟、游戏、咨询、问题求解和发现学 习等七种基本模式i l “。 ( 三) c a i 的问题与不足 现有的c a l 软件普遍存在着以下儿点主要不足【8 1 = ( 1 ) 缺乏网络支持 现有的绝大多数c a l 课件是被刻录在光盘上，运行在单机环境下的。它们无法利用网 络在知识更新上的方便与快捷的优势。这样的c a t 课件一旦产生完成就再也无法对教学的 内容进行更新和维护，冈而是没有生命力的，将随着时间的发展而逐步被淘汰。 ( 2 ) 缺乏智能性 缺乏智能性的c a i 课件系统，因为无法按照学生的认知模型为其准备是适合的学习内 容，也就无法达到教育学所要求的个别化教学和启发式教学。 ( 3 ) 缺乏教师的参与 现有的c a i 课件系统在售出后，如何操作、如何进行学习都是学生自己的事。教师完 全不了解学生的情况，学生在碰到问题时，也不能向教师求助，师生之间根本没有交流。这 使得软件的适应性很差。 ( 4 ) 缺乏督导人员的监督 现有的c a l 始终被作为是一种辅助教学的方式，而不是一种独立的教学手段，在很大 程度上是因为缺乏必要的监督与制约机制。没有监督与制约的教学体制，当然不会得到教育 部门和社会的认可。 1 2 3 个性化计算机辅助教学( i c a i ) ( ) 个性化计算机辅助教学系统概述 传统的c a i 缺乏对用户学习的指导性，没有充分体现出教师的主导地位以及在学习过 程中的指导作用；也不会根据学习者已有知识自动调整学习策略，学生在教学过程中不能发 挥主体作用。 而智能计算机辅助教学( i n t e 】垤e n tc o m p u t e ra i d e di n s t r u c t j o n ，简称i c a i ) 系统或计 东南大学硕十学位论文 算机智能导师系统( i n t e l l l g e n tt u t o rs y s t e m ，简称i t s ) 都是模仿人类教学专家的经验方法来 辅助教学工作的计算机系统【9 】，它们的主要特点都是可以进行个性化教学，实现因材施教， 所以可统称为个性化计算机辅助教学( i n d i v i d u a l i z e dc o m p u t e ra i d e d1 n s t r u c t i o n ，以下仍简 称为j c a t ) 系统。不难看出，i c a i 与传统的c a i 相比，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。 ( 二) 个性化计算机辅助教学系统的特点 个性化计算机辅助教学是智能化的c a i ，它以认知主义学习理论和新型的建构主义学习 理论为理论基础，将人工智能技术应_ l f j 于c a l 。它应具有的7 个智能特征是”1 ： ( 1 ) 能自动生成各种问题与练习。 ( 2 ) 根据学生的学习水平与学习情况选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题，生成解答。 ( 4 ) 具有自然语言生成与理解能力，以便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徇能力。 ( 6 ) 能诊断学生错误，分析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。 具有上述全部特征的i c a r 是完美的，但以现有的科学技术水平而言，短时期内显然无 法全部实现。一般认为，只要具有上述一个或儿个特征的c a l 系统就可以称之为i c a i 系统。 ( 三) 研究现状及存在的问题 l 、传统i c a i 遇到的困难 l c a i 的研究已经成为计算机辅助教学研究的主要方向，已经有一些系统付诸应用，但 i c a i 的问题在于试图研制一个“自主”的计算机教师，这是人类的理想，但在目前是不现 实的。 ( 1 ) i c a i 智能实现的困难 前面所叙述的i c a i 应具有的7 个智能特征要全部实现是非常困难的。 ( 2 ) 知识库建立与维护的困难 i c a i 是教学专家系统，其知识表示般采用语义网络、产生式、框架等，知识的获取 是专家系统的瓶颈，是a i 的难题，对i c a j 也一样，i c a i 的知识库相当庞杂，教师的经验 知识难以形式化描述，学生模型难以具体量化，更增加了知识获取的难度，综观已建立的 i c a i 系统，其知识库的建立、维护、扩充和重用均存在很大困难与不足。 ( 3 ) 学习方式比较单调 大多数i c a i 的交互方式为便于系统控制而采用文本方式，表现力不够，界面比较单调， 因此不易激发学生的学习积极性。 2 、超文本应用于c a i 的优点和存在的问题 所谓超文本是一种由节点( n o d e ) 和关系链( r e l a t i o n a l l i n k ) 构成的信息网络，节点表 示概念，链模拟人脑思维的自由联想( f r e ea s s o c i a t i o n ) 的思维方式，将超文本结点表示的 文本信息扩充为多媒体信息，超文本就发展成为超媒体，人们仍习惯称之为超文本，超文本 提供了对媒体信息组织的方法，使教学素材可按知识相关性分成层次不同、相互关联的知识 单元，学生可咀通过多入口、多分支进行自由访问，因而特别适合于启发式教学和探索式学 习【l 。同时超文本节点存放的信息种类繁多，包括声音，文字、音乐、图形、图像、视频、 动画等等，具有丰富的表现力。超文本与c a i 的结合为学生提供了一个积极的学习场所， 4 第一章绪论 学生可以按照自己的理解程度和兴趣自由选择学习内容和学习顺序，并且通过多种媒体表现 手段加深对抽象概念的理解 i “。目前，大多数的网络教学系统采取的都是这种形式。 但是，目日目超文本应用于c a i 仍存在着以下不足j ： ( 1 ) 迷路问题 非线性查找在小型超文本中可以迅速获取信息，但在庞大的超文本中，冈其信息量大、 网络繁复、分支众多，用户进入超文本后不知自己所处位置和怎样达到目的，容易造成谜路。 ( 2 ) 缺乏系统控制 前面说过，目前基于超文本的网络教学系统是建立在诬方建构主义学习理论模型上的， 它强调学生的学习是完全自由的无视教师的主导地位。但实际上，教学过程是有组织、有 控制的，可以说是不完全自由的，学生的学习同时具有主动性和被动性，因此超文本的完全 自由在教学中是不合适的。 ( 3 ) 缺乏自适应性 超文本不具备个别化教学的机制，提供给学生的都是同一个复杂的网络，它不能根据 不同的学生，动态地裁剪，重组教学材料。 ( 4 ) 结点类型不足 虽然超文本的结点能表达丰富的媒体信息，但还不足以满足计算机辅助教学的要求， 超文本用于教学，必须扩充结点的类型，使其能表示教学单元的难度、闺值和各种程序导引 等教学控制信息。 ( 5 ) 超文本中的信息是不可计算的 虽然超文本与语义网络都是由结点和链组成的网络，但它们存在本质的区别，即：组织 处理信息方式不同，语义网络将信息结构化，使其具有语义联系，并能用简单的目标驱动规 则进行操作和解释，所以语义网络中的信息是可计算的，超文本中并不把信息结构化，而只 是把它们当成数据来看待，所以，超文本中的信息只能用非常复杂的规则加以解释，而这些 规则不是超文本所具有的，对超文本的所有解释只能由人做出【”m 】，也就是说，超文本中的 信息是不可计算的。 3 、i c a l 与超文本的综合集成 要建立实用的1 c a i 系统必须对传统t c a i 进行改造，实用的i c a i 系统必须考虑学生的 参与，必须使用学生可按受的表示方式来描述知识。人们已经开始研究利用i c a i 与超文本 的互补性，在i c a i 中加入超文本以改进i c a i 的学习环境。 i c a i 与超文本具有下列互补性j ： ( 1 ) 超文本使l c a i 的知识获取变得容易，知识库易于建扩充和维护。 ( 2 ) 超文本使i c a i 具有丰富的媒体保证、非线性查找方式将给予学生立体的、自由的 学习环境。 ( 3 ) l c a i 可使超文本根据学生操作和知识水平反馈信息动态裁剪和组织信息。 ( 4 ) i c a i 的智能推理和指导可根据学生模型、人机会话选择教学策略。 超文本加入i c a i 已经能够使i c a i 达到实用化，超文本与i c a i 集成不应是简单的扬长 避短的集成。而应是不强调“自主性”，将学生因素考虑在内，调动学生智能参与学习的综 合集成。 1 3 本文要做的工作 针对目前i c a i 系统中普遍存在的一些问题，本文尝试以新型建构主义学习理论为基础， 将模糊数学、人上智能、x m l 等理论和技术应用到i c a i 中，形成一个具有一定智能性的网 东南大学硕士学位论文 络教学系统。主要从以下儿个方面进行研究： 1 、利用x m l 技术组织领域知识库 i c a i 与超文本具有互补性，在i c a i 中加入超文本可改进i c a i 的学习环境。但超文本 的结点类型不足并且超文本中的信息是不可计算的，所以，直接崩超文本构造i c a i 的知识 库，必然会限制i c a i 的智能。x m l 不仅具有良好的语义和清晰的结构而且还具有良好的扩 展性。用x m l 技术表示知识点属性及其相互关系，不仅能表达丰富的媒体信息和教学控制 信息，而且其中的信息是可以被操作和被解释的，也就是说是可计算的。 2 、制定教学策略的推理算法，建立教学规则库 教学策略是整个i c a i 系统实现个性化、智能化的关键。它可以理解为从教学目标出发， 根据学生情况，设计和调整系统的教学序列。它要求模拟教师行为，按白己对教材领域知识 的理解( 如概念的难易、教学的顺序、概念问的若干关系等) ，根据学生的状况，选择对其 最为合适的教学内容和最为有效的教学方法来进行教学活动，并监督和评价学生的学习行 为，适时地为其提供帮助和建议。本文在学生模型中设立学生等级( s t u d e n t g r a d e ) ，根据 学生等级并结合教学规则来为学生选择和组织学习内容。教学规则以产生式规则的形式存放 在教学规则库里。 3 、利用模糊评价和模糊推理的方法建立认知型学生模型 要建立认知型学生模型，就必须刑学生的知识水平、认知状态等特征傲u j 准确的评价， 然而学生的很多方面的特点都是一些具有模糊性的概念，如：认知能力的强与弱、学习态度 的好与差、学习兴趣的高与低等等。本文采用模糊数学中的模糊综合评判和模糊推理的方法 对学生的认知能力、学习状态和对相关知识点的学习情况做出评价和诊断，由此建立学生模 型，并根据学生的学习进展进行动态调整。 4 、形成一个能实际应_ h j 的个性化计算机辅助教学系统 以漯河职业技术学院余英良副教授编写、高等教育出版社出版的高职教材数控加工编 程及操作为蓝本，形成一个个性化的教学系统n c i c a j ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1i n d i v i d u a i i z e d c o m p u t e ra i d e di n s t r u c t i o n ) 。 1 4 本文组织 本文共分7 章。 第l 章绪论介绍本文的研究背景、研究现状及存在的问题，并介绍本文要做的工作。 第2 章个性化计算机辅助教学系统的总体结构结合c e l t s 构建i c a i 系统模型，并分析 系统运行时信息的传递及系统流程。 第3 章领域知识库的构成与设计利用x m l 表示教学内容的元知识，从而构建领域知识 库。 第4 章教师模弛的设计根据学生的认知能力和兴趣，结合领域知识库中的元知识，为 学生制定教学序列，并在学习过程中动态调整。 第5 章学生模型的建立用多级模糊综合评判的方法建立认知型学生模型。 第6 章系统实现与实验介绍系统的体系结构、开发环境和关键技术，然后介绍系统的 实验情况，并对实验结果进行分析。 第7 章总结与展望对本文的工作进行了总结，分析了系统的不足之处，并对进一步改 进作了一些探讨。 第二章个性化汁算机辅助教学系统的总体结构 第二章个性化计算机辅助教学系统的总体结构 2 1c e u l s 简介 教育部科技司于2 0 0 0 年启动了现代远程教育标准研究项目，简称d l t s ( d i 毗a n c e l e a r n i n gt e c h n o l o g ys t a i l d a r d s ) 项目，同时成立了现代远程教育标准化委员会，后来为了适 应我国教育信息化的长远发展，于2 0 0 1 年1 2 月更名为教育部教育信息化技术标准委员会 c e l t s c ( c h l n e s ee l e a m j n gt e c l l l l o l o g ys t a n d a r d i z a t i o nc o m m i 舵e ) 。相应地，原发布之 远程教育技术标准( d l t s ) 将更名为网络教育技术标准，简称c e l t s ( c h j n e 5 ee l e a m j 艘 t e c h n o l o g ys l a n d a r d i z a i i o n ) 系列标准。c e l t s 委员会除了保障该项目的研究与运作外， 还担负起在中国推广c e u 、s 的各项标准的重任，同时为现代远程教育的广大用户提供咨询 与服务。 现代远程教育技术标准体系和1 1 项试用标准( 简介) v l0 版详细描述了信息技 术支持下的学习、教育、培训系统的高层次体系结构一体系结构与参考模型。该体系结构描 述了高层系统的设计和这些系统的组件，覆盖了宽泛的系统范丽，如教育信息化技术、网络 教育技术、教育与培训技术、计算机化训练技术、计算机辅助教学、智能辅导与元数据等， 具有教学、内容、文化和平台的独立性。 体系结构包括五个基本层，如图2 一l 所示。 第1 层 学习者，环境交互 第2 层 有关学习者的设计特征 - - - - _ _ _ _ - _ _ - _ - - - - _ - _ _ - 图2 一lc e l t s 五个抽象一实现层次概貌 从最高层到最低层依次为： 第一层：学习者和环境交互( 非标准化) ：该层从信息技术的观点强稠最高层( 更一般) 的功能。指明学习翥通过与环境的交互对知识和信息的掌握、迁移、交换、陈述、发现等。 即学习者经过一段学习体验后具有新的或不同的知识。 东南大学硕士学位论文 第二层：有关学习者的设计特征( 非标准化) ：涉及对学习技术系统的设汁，以促进学 习者的有效学习。 第三层：系统构件( 标准化的) ：描述基于构件的体系架构，包括确立以人为中心的普 遍特征。 第四层：实现的观点和优先权( 非标准化) ：通过参照系统构件层次子集，从不同的视 角描述学习技术系统。 第五层：可操作的构件和互操作的能力编码、a p i s 和协议( 非标准化) ：描述一 般的“即插即用”( 互操作的) 的构件和基丁学习技术架构的信息技术接口。 从开发者的观点来看体系结构，实际上是为开发者指明了系统开发设计的框架，指明了 系统设计的优先等级，即设计顺序可以按照重要程度排序。从一定程度上来说，它是学习系 统的开发步骤，体现了自顶向r 逐步求精的思想，每一层对应着不同的设计阶段。直观上， 上层比下层更具有普遍性。如：第二层中人的特征会对系统设计产生深远的影响，特殊的多 媒体格式( 第五层) 具有小范围可交换性的特点。 其中，第三层( 系统构什) 在该规范中是标准化的，它是基于构件的体系架构，描述了 网络教育技术系统的种类( 从实现技术的观点) 。具体到我们的计算机辅助教学系统，它描 述了系统由哪些组成部分。如图2 - 2 所示。 图2 2c e l t s 系统构件 c e l t s 系统构件包括： 学习实体( l e ) 、从学习者实体到评估的行为数据流( b ) 、评价过程( e ) 、从评价到指导的 评估数据流( a ) 、在评价和学习者记录之间的绩效数据流( p ) 、学习者记录数据存储 ) 、从学 习者记录到指导者的绩效和偏好数据流( p 1 ) 、从指导者到学习者记录的绩效和偏好数据流 ( p 2 ) 、在学习者实体和指导者之间的学习偏好( l p ) 、指导过程( c ) 、从指导到学习资源的查询 控制流( q ) 、学习资源数据存储( l r ) 、从学习资源到指导的分类信息数据流( q i ) 、从指导到发 送的定位数据流( l 1 ) 、发送过程( d ) 、从发送到学习资源的定位控制流( l 2 ) 、从学习资源到发 送的学习内容数据流( l c ) 、从发送到评价的交互情景数据流( i c ) 、从发送到学习者实体的多 媒体数据流( m ) 。 构件的操作有f 列形式：( 1 ) 学习风格、策略和方法等作为学习偏好在学习者和其他的 利益关系者之间协商和沟通；( 2 ) 学习者在多媒体交互的情景中被观察和评价；( 3 ) 评价产 生评估或绩效信息；( 4 ) 绩效信息存储在学习者的历史数据库中；( 5 ) 指导者评审学习者的 评估、偏好、历史绩效及未来学习目标等信息；( 6 ) 为了合适的学习内容指导者通过查询和 第二章个性化计算机辅助教学系统的总体结构 分类信息搜寻学习资源；( 7 ) 指导者从可用的分类信息里精选定位器并把定位器传送给发送 过程，如：课程计划：( 8 ) 传送过程基于定位器从学习资源中精选的学习l ：l = i 容并将学习内容 通过交互的多媒体方式传递给学习者。 2 2 个性化计算