（计算机软件与理论专业论文）基于internet的icai系统研究与设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 i n t e r n e t 网络的发展开创了现代远程教育的新纪元，远程教学中的课程 设计、教学方法及适应性教学观念由此产生了深刻的变革。w w w 系统和数据 库是网络化信息服务的基础。把数据库同w w w 服务器相结合这种一体化的信 息系统，将成为下一代i n t e r n e t 开发的新领域。基于此，本文就是研究如何 实现基于i n t e r n e t 的且带有一定智能性的计算机辅助教学过程的。 本文从i c a i 的组成部分以及各部分的具体设计入手，构建了基于 i n t e r n e t 的i c a i 系统。i c a i 包括知识库、教学策略和学生模型三部分。该 系统将课程划分为多个知识点，用知识图来表示各个知识点间的关系，并用 超文本页面来讲解每一个知识点；根据知识点的特点，采用不同的教学方法， 对学生进行测试，并根据测试成绩对教学方法进行调整；利用学生的初始登 录信息和对知识点的学习情况，构建学生模型，更好的体现因材旌教。系统 在b s 方式下，设计该i c a i 系统，充分利用s q ls e v q r 关系数据库管理系统 的优势，实现对数据的完整性、安全性进行严格控制，以保证整个网络内部 数据库信息的完整和一致；对v i s u a lc 十+ 的数据库访问技术( m f co d b c 、d a o 、 o l ed b 和a d o ) 、h t m l 技术、a s p 技术等进行了深入的研究与应用；重点解决 了教学策略算法的设计、测试策略算法的设计和诊断策略算法的设计。 本文的突出特点是：系统通过数据库来存放知识点的内容和教学法规则， 做到知识和策略相分离，使其不局限于一门课程，其有较大的灵活性。 关键词：c a i ；i c a i ：知识库；i n t e r n e t ；远程教学 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o r l dw i d ew e b ( w w w ) ，m o r ea n dm o r e c o m p u t e r sh a v eb e e nc o n n e c t e dw i t hi n t e r n e t ，w h i c hi sw i t h o u tt h el i m i t a t i o no f a p p l i c a t i o nh o w t oe x p l o r et h er e s o u r c eo fi n t e r n e t ，a n dh o wt or e a l i z et e a c h i n g c o u r s eo nt h en e t w o r kh a v eb e c o m eaf o c u so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h e a r e a t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g yh a sc r e a t e d an e we r ao f l o n g - d i s t a n c ee d u c a t i o n i t st e a c h i n gc o u r s ep l a n i n g ，t e a c h i n gm e t h o d o l o g ya n d t e a c h i n gv i e wh a v eb e e nd e e p l yr e f o r m e d w w w ss y s t e ma n di t sd a t a b a s ei st h e b a s e 协r e a l i z ei c a lo nh a t e r n e t i nt h i sp a p e r , s t a r t i n gw i t he v e r yp a r to fi c a ia n di t ss p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n m e t h o d ，a r li c a is y s t e m b a s e d o ni n t e m e ti sc r e a t e da n di t sp r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o n s t r u c t u r ei sa l s op r o v i d e d o u ri c a is y s t e mc o m p r i s c s k n o w l e d g e b a s e ，t e a c h i n gs t r a t e g ya n ds t u d e n tm o d e l h e r e ，ac o u r s ei sd i v i d e d i n t o s e p a r a t ek n o w l e d g ep o i n t s ，o fw h i c h ，t h e i n t e r r e l a t i o ni s e x p r e s s e d i n k n o w l e d g eg r a p h sa n dt h ec o n t e n t si nh y p e r t e x ts t y l e f u r t h e r m o r e ，t h et e a c h i n g m e t h o d sv a r ya c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fk n o w l e d g ep o i n t sa n di sa d j u s t e d a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t sa f t e rt h es t u d e n t sh a v et a k e ns o m et e s t t h es a m e i m p o r t a n c e ，s t u d e n tm o d e l sa r ec r e a t e di n a c c o r d a n c ew i t hs t u d e n t s o r i g i n a l l o g i ni n f o r m a t i o na n dt h e i rs t u d yp r o g r e s s h e n c e ，t h ei m p r o v e ds y s t e m i s p r o m i s e dt od ob e t t e rt ot e a c ht h es t u d e n t si na c c o r d a n c ew i t ht h e i ra p t i t u d e o u r i c a is y s t e mi sb a s e d0 1 3 b sm o d e ，a n dt e a c h i n gm e t h o d ，k n o w l e d g ep o i n t s & t h e i ri n t e r r e l a t i o na r es t o r e di nd a t a b a s e s ，w h i c hp r o v i d e sal o ts c a l a b i l i t ya n d f l e x i b i l i t y k e yw o r d s ：c a i ，i c a i ，k n o w l e d g e b a s e ，i n t e r n e t ，l o n g d i s t a n c et e a c h i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 兹叶袢 日期：7 柝弓月眵日 1 1 课题的提出 第1 章引言 1 1 。1 时代的发展要求改革教育 目前，我国的教育改革正在纵深发展，由应试教育向素质教育转变已被 确定为我国教育改革的重要方向，全面提高学生素质，发展学生的个性和创 造力日趋重要，甚至是关系到整个国家和民族发展的重要问题。这就要求教 育软件应该为素质教育，特别是创造力的培养服务。对素质教育的新要求是 “快乐”和“高效”的学习。信息时代是完全不同于工业时代的一个崭新的 时代，而我们目前的教育系统仍然是工业时代的产物，已经不能很好的适应 时代的要求。根据信息时代所表现的一些特征，教育必须进行相应的调整， 对素质教育的认识进一步深化，以下两个方面显得尤为重要： 1 知识量的激增和知识更新速度的加快，要求全面提高教育效率，重点 培养学生的学习能力和信息处理能力。因此，“高效”就成为信息时代对素质 教育的主观要求。 2 由于“信息爆炸”，单纯通过增加教育内容的做法使学生的负担愈来 愈重。因此，为了不使人成为信息的奴役，而成为信息的主人，进一步确立 学习者的主题地位，使学生“乐学”已经成为未来的教育必须要解决的问题。 显而易见，“快乐”是人们对信息时代教育的主观要求。 1 1 2 建构主义成为教育软件新的理论依据 现代科学心理学的发展与计算机辅助教育( c b e ) 的发展一直相互促进， 密不可分。著名心理学家斯金纳对于形物主义和程序教学方面的开创性贡献， 奠定了行为主义心理学在教育软件设计中主导地位。后来随着认知理论，计 算机和人工智能的共同发展，使认知学习理论在教育软件的设计中得到了一 些应用。然而，随着心理学对人类学习研究的不断深入，近年来，认知学习 理论的一个重要分支建构主义学习理论迅速发展。显然，教育软件面对 技术和心理科学的新进展方面，我们已经大大的落后了，建构主义已经成为 1 教育改革和革新教学的重要理论基础，也应该是教育软件开发的重要理论基 础。 1 1 ，3 信息技术正在成为必不可少的学习和教育工具 计算机在教育中的作用经历了两个大的阶段，即计算机作为数据处理和 文字处理的工具，用于存储试题和档案；计算机作为教授和学习的辅助工具 解决教学中的问题。近几年来，随着多媒体和网络的发展，以计算机为核心 的教育信息技术正在成为现代技术的主流，发展计算机教育成为当今教育改 革的重要内容，计算机在教育中的作用正在进入一个全新的阶段，即“以计 算机为基础的教育和学习”。1 9 9 8 年，中国青年报社会调查中心的“北京 市学生家教软件市场调查”表明，高达7 2 4 的学生和家长赞同“家教软件 将成为学生课外学习的主要工具”。目前，信息技术应用于教育已经被教育主 管部门确定为教育改革的突破口。其中最为迫切的是要在教育和学习上采用 全新的教学手段，这对教育软件的数量和质量都提出了新的要求。 1 1 4 传统的教育思想面临挑战 6 0 年代开始发展起来的教育软件基本上是以“教”为中心，主要是辅导 教授。而很少考虑学生“如何学”的问题，主要表现在：把计算机作为存储 工具：把计算机作为教师的辅助手段，用来帮助教授；把计算机作为教学工 具，代替教师的教授、辅导。这种以“教”为中心的教育思想和教育软件仍 然是目前的主流，但这种思想已受到越来越严峻的挑战。一方面，大量理论 和实践的探索向人们提出了必须重新考虑学习者的地位；另一方面，高新技 术的发展和建构主义思想的传播使以“学”为中心的思想有了更充分的技术 和理论支持，开发以“学”为中心的教育软件势在必行 1 。 1 2 目前相关领域的状况 1 9 9 5 年，美国微软公司董事长比尔盖茨在他的著作未来之路里写 道：“信息高速公路最大的益处将来自于它的教育正规教育和非难规教育 中的技术应用。”正如比尔盖茨所言，随着网络信息时代的到来和网络技术 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的飞速发展，一种新兴的教育方式现代远程教育c a i 正悄然兴起。所谓 现代远程教育c a i ，就是通过计算机、多媒体与远程通讯技术相结合的形式 实现的一种跨地区、跨学校的全新的教育体制与教学模式，它利用技术方式 来替代教师和学生面对面的沟通和交流，通过声音、视频、数据流和系统平 台等完成教学活动。技术手段的大量使用使远程教育比传统教育呈现了更多 新的特点和发展趋势。 现代远程教育作为一种新兴的产物，与传统的教育相比有很大的优越性。 它打破了地域和时间的限制，使学员可以根据个人情况充分利用远程教学的 各种学习资源，比如各种课件、各种自测考试、网上提交作业以及在线答疑 等；同样，也使教师完成各种教学任务和教学管理任务时不受严格的地域、 时间的限制，提高了效率。现代远程教育对社会的影响正如一个著名的新经 济英雄美国人钱伯斯所说，“网络教育在未来三年内对社会生活发生的影响， 将像电予商务对商业世界的影响一样巨大。” 1 2 1 国内外远程教育研究现状及发展趋势 以互联网为依托的现代远程教育如今已呈现出不可阻挡的发展趋势。 2 0 0 0 年，世界上已有1 0 0 多个国家开展了现代远程教育，全世界8 5 的大学 在网上拥有自己的网站，其中的1 4 推出了网络教育课程。由于网络风暴首 先席卷欧美，他们的网络教育自然走在了世界前列，己具有不小的规模。 美国己有6 0 的高校开展了以互联网为主要手段的远程教育，远程教育 开展的学历、学位数己达到4 9 万个，基本上覆盖了美国高等学校的所有学 科和专业，通过网络学习的人数正以每年3 倍的速度增长。德国也有将近 1 0 0 0 0 所学校上网，其中的1 4 开设了网络教育课程。英国政府甚至把普及 网络化教育作为保证英国人才培养紧跟世界潮流的战略性举措。韩国的教育 网站目前己达到2 0 0 多个，而且仍在以每天一至两个的速度增加。 远程教育在我国经历了函授教育、广播电视教育及以信息和网络技术为 基础的现代远程教育三个阶段。现代远程教育市场潜力很大，前景广阔，每 年以1 5 0 的速度快速增长。我国现代远程教育开展较早的高等院校有综合 类大学、医科大学、函授学院及广播电视大学。1 9 9 8 年，我国批准了清华大 学、湖南大学、北京邮电大学等几所高校开展了现代远程教育试点工作，截 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 至目前已有3 1 所高校开展了现代远程教育项目。以北京地区重点高校网上大 学招生数为例，8 5 的网上大学的招生数额超出了实际在校生的数量：中国 人民大学2 0 0 2 年网上招生超过1 万人；北京大学2 0 0 2 年参加远程教育的学 生有3 0 0 0 多人，录取率达到6 0 一7 0 。据统计，到2 0 0 2 年底全国接受现 代远程教育的学生已达8 万人左右 2 。 由于我国的高校步入现代远程教育领域的时间较西方发达国家要晚 些，故而在开设的课程种类、课程内容质量以及实时交互性等方面都还有很 大差距。大多数高校的远程教育网站服务站点仅仅推出了w w w 方式的课件教 学服务。这些课件一部分是多媒体形式的，剩下一部分甚至只是文本加图片 方式的，仅有个别的教育网站加入了答疑、管理、考试、作业以及实时文字 和语音交流模块。因此，面对机遇与挑战，我们应该坚持学习发达国家开展 远程教育的先进经验，不断调整我国远程教育的体系，规范远程教育的运作， 加快远程教育的发展进程。 1 2 2 国内外i c a i 研究现状及发展趋势 i c a i 的研究是从7 0 年代开始的，1 9 7 0 年，美国b b n 公司首先成功的研 制了一个i c a 系统s c h o l a r ，用来教授南美地理，其特点是允许学生用自然 语言提出询问或回答问题，甚至允许提出离题的问题。s c h o l a r 能理解学生 的提问并能准确的回答；该系统组织了不同水平的教材，适应不同的学生水 平。1 9 7 5 年b r o w n 和b u r t o n 等研制了s o p h i e 系统用于训练学生的电子实验 技能。7 0 年代后期，开始研究比较完善的i c a i 的实用系统，如美国s t a n f o r d 大学w j c l a u c e y 在1 9 7 8 年研制的g u i d o n 系统，a s t e v e n s 和a c o l 1ir l s 研制的1 v i y 系统等，可以说，i c a i 的研究结出了丰硕的成果“1 。 今天，在一些发达国家，如美国、日本、加拿大、英国、法国、澳大利 亚等，c a i 已经普遍的存在于学校和家庭中，正起着越来越巨大的作用。我 国开展计算机辅助教学工作起步较晚，但近几年发展很快，已经取得了一大 批成果。2 0 世纪8 0 年代初，我国只有少数科研、教学人员着手开展这项工 作；到了8 0 年代后期，许多c a i 课题列入国家重点科技攻关项目，许多科研 机关、企业、学校开发了大量的教学软件；进入9 0 年代，许多基于网络、多 媒体环境下的c a i 系统研制课题在各高校开始进行，c a i 软件取得了突飞猛 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 进的发展。我们相信，随着信息高速公路的逐步实施，我们将真正的实现现 代远程教育。 1 3 论文的主要研究内容、成果及特色 1 3 1 论文主要研究内容 从现代c a i 教学系统来看，功能比较单一，知识比较死板，缺乏合理的 交流与动态管理，在构建网络i c a i 系统的过程中，主要研究内容： _ 网络c a i 教学系统与智能c a i 教学系统的设计 _ 网络课件的设计与开发方法 - 基于i n t e r n e t 的c a i 教学系统的建立 _ 开放教学模型的建立 _ 智能c a i 和网络c m 的接口 _ 构建基于i n t e r n e t 的网络i c a i 系统 1 3 2 论文取得的成果 网络i c a i 教学系统的研究主要开展人工智能与c a i 的结合研究，充分利 用网络技术和网络资源，实现网络与c a i 的有机结合，从而建立了网络智能 c a l 教学系统。主要研究成果包括： - 较深入地研究分析了网络c a i ，i c a i 的基本模型，网络c a i 与智能 c a i 的接口模型。 一研制开发了一套较为完整的网络智能c a i 教学软件。 - 建立了基于计算机网络的开放教学模式，能充分调动学生的学习积 极性和自主性，实现教学资源的优化配置，有效地提高教学质量。 1 3 3 论文的特色和创新 - 对教学内容进行了体系划分，并建立了一系列的教学知识库，将数 据库技术引入到c a i 系统中，形成动态的教学系统。 _ 将智能c a i 与网络c a i 有机地进行了结合，使c a i 系统具有更强的 哈尔滨上程大学硕士学位论文 灵活性。 本论文是以网络i c a i 教学系统开发项目为基础，在c a t 教学系统的开发 中提出一些新的观念和方法，将网络c a i 和智能c a i 有机地结合起来，并基 于i n t e r n e t 方式进行了系统开发，在通过开发网络i c a i 教学系统，建立教 学知识库，并针对开发过程中所遇到的实际问题，进行了深入系统的探讨。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章智能计算机辅助教学系统 计算机辅助教学( c o m p u t e ra i d e di n s t r u c t i o n ，简称c a i ) 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，但在没有智能支持的情况一f ，c a i 尽管可能具有很好的教学材料模型， 可它并不能理解它所教的学生、教材和教学方法，实际上是盲目地传授知识 给学生，如果某个学生不能接受提供的教学内容，系统并不能为这个学生改 变另外的教学策略。然而，对于复杂的课程，较好的教学目标能最佳的组织 教学材料来满足各种学生的要求，但在传统的c a i 系统中是很难实现这一目 标的。 随着计算机科学和人工智能( 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 ) 的 不断发展和成熟，将a i 技术引入到c a i 中，使c a i 系统可以理解教什么、谁 教以及如何教，因而也就能合理安排教学内容，变化教学方法去满足个别教 学的需要。以a i 技术与认知科学理论为基础而形成的智能c a i ( i n t e 1 i g e n t c m ，简称i c a i ) ，是计算机应用技术的一个领域，代表了一种新的教学思想 和教学方式，其目的是改革教学方法，提高教学质量。 2 1c a l 简介 2 1 1c a i 的由来及其特点 计算机辅助教学是指以计算机为媒介，通过学生计算机之间的交互 活动达到教学目的的一种手段。c a i 可以用于代替教师进行整门课程的教学， 或作为常规课堂教学的补充手段。 c a i 的研究与应用开始于1 9 5 8 年，迄今已有4 0 多年的历史。最早开展 试验的是美国的i b m 公司，该公司的沃斯顿研究中心于1 9 5 8 年开发了第一个 命令语言并设计出用于公立学校的计算机辅助教学程序。一开始，这种程序 被用于答疑练习、个别指导、模拟教学、测验、评价等方面，以后逐渐用于 系统的学科教学，这就是最初的计算机辅助教学。 当时的计算机辅助教学受斯金纳程序教学论的极大影响，反映了行为主 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 义的教学观，即力图通过不断矫正学生的错误以期达到学习目标，然后根据 目标设置几个学习路径，学生可以自主地选择学习路径，但必须通过最初一 级的测试方能进入下一阶段的学习，最终达到同一个目标。这种c a i 虽然在 一定程度上体现了个别化教学，但因为学习目标一致，只是让学生在不同的 时间或者通过规定好的不同路径达到同一目标，并没有真诈从不同学生个体 的认知特点出发，只不过是斯金纳的程序教学论的计算机化，即把程序教学 的一套通过计算机媒体呈现给学生。这种c m 的结构在很大程度上是线性的， 程序是基本固定的，虽有简单的反馈但交互作用极其简单。 到了8 0 年代末，计算机的普及推动了c a i 的发展。据有关调查结果表明， 美国8 0 年代后期，实际上所有学校都有一些计算机辅助教学，但至今，除少 数例外，学校中计算机辅助教学的形式几乎成了电子翻页机。那个年代的美 国，人工智能在工业界和大学引起了人们强烈兴趣和高度热情。人工智能原 理及技术应用于教育，被称之为智能计算机辅助教学( i c a i ) ，但最终并没有 取得成功，其主要原因是没有跳出传统的直观教学观和技术操作的指导思想。 计算机辅助教学并非像人们想象的那样给教育领域带来一场革命，它仅仅被 人们用来学习简单的计算机操作和繁琐的程序语言，或者把书本上的内容搬 上屏幕w 。 由于传统c a i 的结构是线性的，程序设计又是固定的不可编辑的，且缺 乏分析功能，因此既束缚了学生学习的自主性，又束缚了学生在学习过程中 体现出来的思维方式。它对学生的学习及促进学生思维能力的发展贡献不大， 且也不具备适应学生的学习方式、个性特点的能力。传统c a i 的交互作用比 较简单，线性的反馈矫f 程序无法深入学生认知的“黑暗”之中，影响 了学生认知结构的发展。造成这些弊病的原因固然有计算机技术的因素，但 更主要的原因在于技术之外，即行为主义学习理论和传统的教育观n ，。 2 1 2 网络教学 随着人们获取信息手段的逐渐增多，需要的信息量不断增加，传统的教 学模式已很难满足人们的需要( 传统的教学模式是指在课堂中通过面对面的 方式获取知识与信息，它受时间、地点与人员等多方面限制) 。远程教学只是 作为对传统教学模式的一种补充而出现的。 8 远程教学的起源可追溯到1 8 4 0 年英国所实旅的函授教学，到了1 8 7 0 年 大学推广教育也在英国萌芽，而大学采用远程教学来实施推广则开始于1 8 9 0 年，由美国芝加哥大学、宾州州立大学等校首创，这三者发展至今都有超过 一百年的历史。远程教学最早出现时，主要是指电视大学、函授、电话教学 等模式。这些教学模式虽然解决了传统面授教学模式地点必须集中的问题， 但还存在者很多缺点：首先，学生还只是被动学习，而且教学时间要相对集 中、固定，学生不能自由选择；第二，学习交互性差，教师不知道学生对自 己的讲解理解程度如何，无法根据每个学生的具体情况制定不同的教学计划； 第三，对学生学习的考核不方便，只能靠邮件的方式或把学员集中到一个地 方进行考核。 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，计算机技术已经在教学领域中得 到越来越广泛的应用，成为当代教育现代化的一个重要标志。网络教学是随 着计算机网络技术的发展而兴起的一种先进的现代远程教学方式。由于网络 远程教学从根本上克服了传统远程教学方式对教学双方在时间、空间和即时 交互方面的局限性，被誉为“学习超市”，成为现代远程教学( 特别是在职成 人教育) 的重要手段，同时网络教学也将会成为i n t e r n e t 最有前景的应用之 网络教学利用因特网的双向交互通讯，完成授课、辅导、作业、讨论、 提问、答疑、模拟考试等教学过程。在网络世界中，这一过程不受地域和任 何时间限制，包括学习时间的选择和每次学习时间的长短。并且，学员也可 根据自身的具体学习情况对教学科目及其章节、难重点进行“自选”式的学 习。教师也可根据不同学院具体情况进行个性化的“定制”式教学和辅导。 与传统的远程教学相比，它具有如下特点：1 ) 极大地提高了远程教学地速度， 学生可以通过网络在极短的时间内获得所需的信息，如教材、参考资料等； 学生和教师可以快速地相互交流信息，并且是双向交流；2 ) 无时间和空间的 限制，教师和学生可以在自己合适的时间里进行访问，不必同时联机；教师 和学生可以在家里、工作单位或其它任何可上网的地方进行学习和辅导活动； 3 ) 可以提供多种教学手段，教师对学生可进行同步或异步的教学辅导；学生 之间可以通过网络进行交流和讨论，可以促进学生之间的协同学习，可提供 多种学习方法以适应不同学生的学习要求。4 ) 在计算机远程教学过程中，计 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算机可以自动记录网上学生的学习情况，教师可对学生的学习情况进行归纳、 总结，以便进一步改进教学方法和教学内容。 我们可以简单地说，网络教学方式具有“任何人，可在任意地与教师和 同学进行交流”的功能。由于数据库方式和双向通信技术的使用，网络教学 的学习者在学习内容选择、时间自主、提问答疑等方面更加灵活、自由，学 习者的学习由传统的被动式学习变成主动式学习。另外，先进的计算机网络 和多媒体技术以多样化形式传输教学内容，具有容量大、更新快、模拟生动 等独有特征。所以，网络教学过程甚至比面授教学更方便、更随意、更快捷、 更及时，从根本上解决了在职成人的工作时间紧张( 不便脱产) 、学习时间随 意( 难以按确定时间上课) 等问题。事实上，网络教学已引发了一场远程教 学的“革命”。可以认为，网络教学将迅速成为无可替代的、居于主流的远程 教学服务技术，甚至将会深入到传统的在校教育的模式中，成为人类从事教 育活动的不可或缺的主要教学方式一“”一，。 2 1 3c a i 的多媒体化 伴随着网络的发展，多媒体技术这些年也取得了飞速的发展。现在，无 论教师还是学生都希望课件可以包括多媒体的成分。概括地说，多媒体技术 对教育地冲击主要表现在： 1 多媒体教育形式符合人们的认知规律 直观是帮助学生接受知识的第一要素，因此，教学方式带来的直观性和 真实性扩充了教学手段。多媒体教学可以从多角度的不同形式描述某一事务， 充分调动学生的多种感官，激发和协调左右大脑同时工作，使学生得到一个 综合的立体印象，帮助学生进一步深化，让其对教学内容得以准确概括、形 成概念、完成记忆。 2 补充课堂内容 通过多媒体的模拟功能，可以克服课堂环境的局限。多媒体教学方式既 可模拟现象，又可模拟过程，方便了老师的教学。 3 帮助学生灵活运用知识 对实验性强的学科而言，可以让学生先在计算机上模拟，然后再真实地 作实验，这样既减少了由于学生不熟练而导致的实验器材不必要的损坏，也 1 n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 使学生节省了实验时间。 4 因材施教 多媒体教学方式可以使得教师为不同的学生设计不同教学计划，从而达 到因材施教的目的。 近些年来，我国开发了一些c a 软件，或多或少使用了多媒体技术，但 存在以下的问题： 1 多数c a i 软件的设计者没完全跳出传统的束缚，把c a i 软件仅仅看作 是纸面书的翻版； 2 缺乏教学模型的指导和设计； 3 把多媒体教学秀成了多媒体信息的随意堆积和混合，结果，使用多媒 体反而弄乱了学生的学习环境，使得学生由于同时需交互的媒体过多，造成 了相互干扰，造成了人机间通信的混乱，学生变得不知所措； 4 缺乏一个好的多媒体c a i 软件开发平台。 因此一个好的多媒体技术为教育的发展开辟了新的天地，将多媒体应用 于c a i 系统势在必行。 2 。1 4c a i 的协同化 教育经验告诉我们，教育需要一个必要的教学环节。竞争性环境有助于 学习和获取知识。面对面课堂教学有着一种无可比拟的吸引力，很大原因是 由于它提供了一个符合学生认知规律的学习环境。 协同工作由大多数企业、事业单位的组织结构和工作人员的行为特点所 决定的。系统教学也是学生的认知规律所决定。目前为止计算机辅助教育系 统走过了从教师和若干学生面对面的群体教育到个体化教育的路，从而产生 了各种各样的课件。但是，值得注意的是，教育的群体化环境效应是不能忽 视的，个体化教育无法完全代替群体教育。 计算机支持的协同教学是指分布在不同物理地点的教师和学生在计算机 的支持下通过共享环境进行协作以实现教学活动的过程。协同的本质是指多 个用户起完成某一项任务而进行的合作。而教学活动本身就是一个协同的 过程，教师需要了解学生知识掌握的情况，从而及时调整自己的教学方法和 教学内容；而学生需要和老师配合，才能学习掌握各类知识和基本技能，从 i f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而完成教学计划，达到教学目的。由此可以看出协同教学也是c a i 的重要研 究课题之一 1 0 。 2 1 5 多媒体化、协同化和智能化是c a l 的必然趋势 正如上文所提到的一样，多媒体技术为创造逼真的情境与学习环境提供 了最有效的支持；而网络技术，特别是i n t e r n e t 的发展为协商、辩论、会话 等教学形式的应用提供了最理想的条件；人工智能技术为课件系统能否实现 启发式、因材施教和加强个别指导的教学原则提供了可能。所以，多媒体化、 网络化、智能化和协同化必然是c a i 发展的趋势。 2 2c a l 到lc a i 的发展历史 5 0 年代后期，由于信息科学和计算机技术的发展，导致工业发达国家开 始向信息社会过渡，为此对教育思想、内容和手段都提出了新的要求，着手 进行了计算机辅助教育( c o m p u t e rb a s e de d u c a t i o n ，简称c b e ) 的研究，其 应用有两个方面：一是计算机管理教学( c o m p u t e rm a n a g e di n s t r u c t i o n ， 简称c m i ) ，用来帮助教师控制和管理教学环境，例如组织教材、安排教学活 动、命题评分和评价教学效果等，二是c a i ，西欧一些国家亦称c a l ( c o m p u t e r a s s i s t e dl e a r n i n g ) 用来帮助学生学习，改进教学方法。 最早开始c a i 研究的是美国i b m 公司，于1 9 5 8 年设计了一个向小学生教 二进制技术的c a i 系统。此后，斯坦福大学开发了i m s s s ，伊里诺伊大学开 发了p l a t o ( p r o g r a m m i n gl e a r n i n ga n dt e a c h i n go p e r a t i o n ) ，6 0 年代末， c a i 走出了实验室，在工业发达国家普遍受到了重视和发展，推动了c a i 系 统的实用化和商品化，7 0 年代，国际信息处理协会( i f t p ) 在1 9 7 0 ，1 9 7 5 和1 9 7 7 年召开了三次c a i 国际会议，并在1 9 7 7 年的会议上，正式明确c a i 是一门边缘交叉的新学科。 早期c a i 的设计过程，对课程进行目标分析，构成学习目标的层次结构， 然后对各目标的学习任务展开画面设计，每个画面可包含课文解释、提问、 对应于提问的理想的学生应答以及反馈信息等，将这些画面按一定的教学逻 辑连接起来，就形成课件( c o u r s e w a r e ) 。这种把设计者预先固定结构而形成 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的课件称为刚性面向画面的c a i 系统( f r a m e - o r i e n t e dc m ) 。由于这种课件 缺乏足够的应变性，后来出现了适应性课件设计技术，在一定程序上将教学 内容与教学逻辑分开，根据学生的学习情况，由一个教学决策结构决定向学 生提供某一画面的学习内容，但仍是学生完全受计算机控制的学习方法。 到了7 0 年代，c a i 的研究者们发现，在传统的c a i 系统中，计算机作为 知识的传播者，既不懂所教的知识，又不了解所教的学生，无法起到因材簏 教的作用。如何创造称职的“计算机教师”呢? 需要解决的问题是：系统应 能表示课程的知识和知识结构；系统能了解每个学生的学习能力、风格及当 前知识水平；允许学生用近似自然语言方式与计算机会话；能最佳地决定在 什么时候以什么方式向学生呈现什么信息和提问以及什么样的反馈。因此， a i 的知识表示、推理方法、自然语言理解等技术对传统c a i 系统进行智能改 造是实现上述目标的正确途径。1 9 7 0 年，第一个比较有影响的i c a i 系统是 教授南美洲地理的s c h o l a r 系统，开创了i c a i 研究的先例。此后，又有许多 不同i c a i 系统面世。 i c a i 的早期研究集中在专业知识的表示方面，7 0 年代后期，a i 技术被 用来构造表示学生状况的学生模型和体现教师教学方法及风格的教师模型。 8 0 年代以来，i c a i 系统的研究集中在使用a i 技术确切的表示学生和教师模 型上，以使教学系统具有更高层次的应答敏感和全局观念。目前，i c a i 系统 所取得的进展确实是令人鼓舞的。1 9 8 9 年5 月在美国召开的第二届国家c a i 会议上，提交大会交流的4 8 篇论文中，有1 4 篇介绍了i c a i 系统。由此可见， 如果说c a i 是计算机在教育方面应用的主流，那么i c a i 则是c a i 发展的必然 趋势n u 。 2 3j c aj 的理论基础 自从1 9 5 9 年美国i b m 公司研制成功世界上第一个计算机辅助教学系统以 来，计算机辅助教学的理论基础经历了行为主义学习理论( 6 0 年代初至7 0 年代末) 、认知主义学习理论( 7 0 年代末至8 0 年代末) 、建构主义学习与教 学理论( 9 0 年代初至今) 三次大的演变。建构主义学习理论是认知主义学习 理论的最新发展，它强调以学生为中心，不仅要求学生由外部刺激的被动接 哈尔滨工程大学硕士学位论文 受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者；而 且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动意义建构的帮助者、 促进者“。 建构主义学习理论基本内容包含“学习的含义”及“学习的方法”两方 面。学习是获取知识的过程。对于“学习的含义”，建构主义认为知识不是通 过教师传授得到，而是学习者在一定情境即社会文化背景下，借助其他人( 教 师和同学) 的帮助，利用必要的学习资料( 文字、图像、实物、c m 、网络等) ， 通过意义建构方式主动建构事物的性质、规律以及事物间的内在联系。在关 于“学习的方法”方面，建构主义既强调学习者的认知主体作用，又不忽视 教师的指导作用，认为教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传 授者与灌输者，学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不是外部 刺激的被动接受者和被灌输的对象，因而提倡在教师指导下以学习者为中心 的学习 1 3 。教学模式是指在一定的教育思想、教学理论和学习理论指导下 的、在某种环境中展开的教学活动过程的稳定结构形式。按照建构主义学习 理论，学习环境包含情境、协作、会话和意义建构等四大要素。因此建构主 义的教学模式应是：以学生为中心，发挥教师的组织、指导、帮助和促进作 用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性 和首创精神，最终有效地实现对所学知识的意义建构，即在教师指导下以学 生为中心的教学模式，它是与传统的以教师为中心的教学模式不同的。 换一个角度，智能教学系统可以看成是以人工智能科学、认知科学和思 维科学为理论基础来研究人类的学习、思维过程和特征。它注重已有知识及 专家经验的系统推理和教学策略，有助于学生智力开发和能力培养，对改进 教学质量有着深刻的影响n “。 2 4 i c a i 的本质特征 i c a i 将教学内容与教学策略分开，根据学生的认知模型提供的信息，通 过智能系统的搜索与推理，动态生成适合于个别化教学的内容与策略；通过 智能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、以及进一步所需学习内容的建议；通过对全体学生出现的错 哈尔滨工程人学硕士学位论文 误分布统计，智能诊断机制将向教师提供教学重点、测试重点、题型等建议； 为教师提供友好的教学内容、钡i 试内容、维护接口，无需改变软件的结构即 可调整教学策略；通过对学生认知模型、教学内容、测试结果的智能分析， 向教学监督人员提供对认可教师教学业绩评价的参考意见。可以说，一个理 想、完美的i c a i 系统就是一个自主、优秀的“教师”。因此i c a i 应该具有下 列智能特征： 一能自动生成各种问题与练习； 一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； _ 在理解教学内容的基础上自动解决问题，生成解答( 而传统教学系 统的解答都是预定的) ； _ 具有自然语言生成理解能力，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； _ 对教学内容有解释咨询能力； 一能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措旌； 能评价学生的学习行为； _ 能不断在教学中改善教学策略。 以现有的科学技术水平而言，短时间内显然无法实现具备上述全部功能 的i c a i 系统。一般认为，只要具有上述一个或几个特征的c a i 系统就可以称 之为i c a i 系统。问题求解能力、诊断纠错能力和自然语言理解生成与理解能 力是i c a i 的三个重要特征n “。 i c a i 的发展与认知科学、人工智能科学的发展密不可分，但i c a i 从理 论基础到应用技术都有其独特之处。i c a i 的最大优势，就是可以应用人工智 能的理论与技术、现在的教育技术、心理学理论等。从某种程度上说，i c a i 是在特定的教学环境下模拟人类教学专家的思维过程，思维过程是局部而非 全局的，要想实现真正的人类智能，使计算机具有人类的思维过程，不仅仅 依赖硬件的发展，还依赖认知科学、人工智能科学的发展。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 25ic a l 的体系结构原理和系统形式 2 5 1ic a l 的功能 i c a i 是以认知科学为理论基础，综合人工智能技术、计算机技术、教育 心理学等多门学科对学生实施有效教育的一门新的教育技术。 教学专家之所以成为某一领域的教学方面的专家，其关键在于他们掌握 了该领域的大量专门知识，并能有效地利用这些知识去解决问题，如果在将 教学法的有关知识存入计算机后，计算机也能成为像人类教学专家+ 样的“专 家”。i c a i 的功能就在于此。 2 5 2 i c a i 的体系结构原理 i c a i 系统通常包括学生模型模块、教师模块、通信模块和专家模块。i ( ：a 【 研究的主要内容是如何修改和组合人工智能技术( 如知识表示、控制和知识 获取等) ，并将其用来组织i c a i 系统的四大模块： 1 学生模型模块( 或称认知处理过程) 用于表示在特定领域学习的有关因素，例如学生的学习动机，当前学生 的知识水平等。学生模块提供的信息是教师模块做出的教学决策的依据。学 生模型的建立方法常见有：覆盖型和偏差型。覆盖型模块把学生的知识看作 是专家知识的一部分即子集，只能告诉学生什么是错误以及应如何纠正，教 学的目的就是使得学生知识趋向于专家；偏差型模块假定学生的错误概念是 专家知识的偏差，不仅能指出学生的错误，还能发现导致错误的原因。 2 教师模块( 又称教学策略模块) 根据学生模型所反映的情况采取有效的行动指导学习情况。包含修正错 误、选择例子、模拟。主要功能是选择最佳教学策略，评价学生行为和对学 生进行有针对性的个别指导等，即解决如何教的问题。常用的教学策略有： 纠错法、指导法、示教法和苏格拉底法( 系统向学生提问，鼓励学生推理， 然后纠正错误的方法) 等。在教学中，教师为何和如何改变教学策略是个 需要进一步探讨的问题。 3 通信模块( 即智能人机接口) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 包括对话和利用良好的人机界面设计组织所要教的知识，使学生和计算 机之间的信息交流能够畅通无阻。 4 专家模块 专家模块是特定应用领域内的知识所构成的知识库及相应的推理机制。 该模块中包含的知识既包括这个领域内说明事物概念的陈述性知识如论题、 概念、定义等，又包括利用这些概念解决问题的过程性知识( 运用领域知识 去解决问题的知识) 。该模块的功能是作为系统全部知识的来源，为其他模块 频繁调用，以实时完成用户行为的响应，通过知识库生成问题、提供问题的 j 下确答案、组织教材和生成解决问题的途径等。专家模块是解决教什么的问 题，其中包含的知识是i c a i 的重要组成部分，它的表示又是所有a i 和i c a i 必须首要解决的问题之一。 c a i 知识库中常见的知识表示方法有语义网络、 规则、过程和框架等。 i c a i 的基本原理可用下图来简单表示： 图2 1i c a i 的原理结构图