（机械制造及其自动化专业论文）基于web的数控培训系统的智能化研究.pdf

中文摘要 智能化数控培训系统是一个涉及计算机科学、教育学、心理学、认知科学和 行为科学的复杂系统，研究露的怒由计算机系统协调教与学双方主体的主动建构 与相互协作，形成互动式的个性化学习环境。 篱能他数控培谶系统通常包括三个模块：领域知识库、教师模型和学生模型。 首先，领域知识库是智能化培训系统的基础，它直接影响着系统自适应能力和整 体性能。为了实现系统的自适应性，采用最新的龇技术作为构造领域知识库的 主要工具，提高了知识描述的扩展性、操作性、重用性。其次，教师模型是整个 培训系统实现个性化、智能化的关键。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药若干类型。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 根据知识点之闻的关系对其进行拓扑排序，生成最佳盼教学痔列；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。再次，学生模型是智能化系统的前提。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，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。 关键词：智能数控培训系统x 儿知识表示学生模型模糊评判 a b s t r a c t 1 1 1 ei n t e l l i g e n tn c t r a i n i n gs y s t e mi sac o m p l e xs y s t e mi n v o l v e dw i t hc o m p u t e r s c i e n c e ，p e d a g o g y ，p s y c h o l o g y ，c o g n i t i v es c i e n c e ，a n db e h a v i o rs c i e n c e i ta i m st o r e a l i z et h ep o s r i v ec o o p e r a t i o nb e t w e e nt e a c h e r sa n ds t u d e n t su n d e rt h ec o n t r o l i n go f c o m p u t e ra n dt of o r mt h ei n d i v i d u a l i z e di n t e r a c t i v el e a r n i n ge n v i r o n m e n t t h en ct r a i n i n gs y s t e mi n c l u d e st h r e em o d u l e s ：d o m a i nk n o w l e d g eb a s e ， t e a c h e rm o d e la n ds t u d e n tm o d e l t h es t u d yo ft h i sp a p e ri n c l u d e s ：d o m a i n k n o w l e d g eb a s ei st h eb a s eo ft h es y s t e m i th a sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h ea d a p t i v e a b i l i t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m o u rg o a l i st oe n h a n c ee x p a n d a b i l i 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 t h ea d a p t i v ea b i l i t yo ft h e s y s t e m 。t e a c h e rm o d u a li st h ek e yp o i n tt ot h es y s t e m i t sp r i m a r ym i s s i o ni s t o c h o o s et h ec o n t e n ta n dm e t h o da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fs t u d e n t s a tf i r s t , s t u d e n t sa red i v i d e di n t os o m eg r a d e sa c c o r d i n 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 , m e a n w h i l et h ec o n t e n t sa r ed i v i d e di n t os o m ec l a s s e sa c c o r d i n gt oi t sd i f 五c u l t ya n d d e g r e eo fi m p o r t a n c e s ot h ee s t a b l i s h m e n to fi n s t r u c t i o n a ls t r a t e g yi n c l u d e s ：t h e r e a r r a n g e m e n to ft h ek n o w l e d g et r e ew i l l c h o o s et h ec o n t e n t sf o rs t u d e n t s ；( 爹t h e t o p o l o g i c a ls o r ta c c o r d i n gt o t h er e l a t i o no fk n o w l e d g ep o i n t st og e n e r a t eab e s t i n s t r u c t i o n a ls e q u e n c e ；t h ee s t a b l i s h m e n to f t h ei n s t r u c t i o n a lr u l eb a s et oa d j u s tt h e s t u d e n tg r a d ea n dt h ei n t e r r e l 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 nt i m e a c c o r d i n gt ot h el e a r n i n go ft h es t u d e n t t h es t u d e n tm o d e li st h ep r e c o n d i t i o no f t h e s y s t e m t h ec o g n i t i v ea b i l i t y a n dt h el e a r n i n gs t a t eo fs t u d e n t si se v a l u a t e da n d d i g n o s e db yf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns oa st oe s t a b l i s hac o g n i t i v es t u d e n t m o d e l n ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sp a p e ri n c l u d e d ：t h em e t a k n o w l e d g ea n dd k bf o r m e d b yt h ea n a l y z i n go ft h ep r o p e r t i e sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t hk n o w l e d g ep o i n t s ，t h e b 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 da n da d j u s t e dt h r o u g ht h ec o n t r o l l i n go ft h e m e t a k n o w l e d g ea c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o no f f e r e db ys t u d e n tm o d e l ；t h el e a r n i n g a b i l i t yo f s t u d e n t si se v a l u a t e da n dd i g n o s e db yf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tn ct r a i n i n gs y s t e m ，x m l ，k n o w l e d g ee x p r e s s i o n ， s t u d e n tm o d u a l ，f u z z ye v a l u a t i o n - 1 1 - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂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。 学位论文作者签名： 阀娟 签字日期：沁眸f 湖泊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞叁堂有关保留：使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：( 虱胡 导师签名 签字日期：入矽石年r 月。形日 签字日期方母，瑚“日 天津大学硕士学位论文 基于w e b 的数控培训系统的智能化研究 1 1 研究背景 第一章绪论 自二十世纪九十年代起，以计算机、多媒体和i n t e r n 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。互联网将全世 界的学校、研究所、图书馆和其他各种信息资源联结起来，成为一个海量的资源 库，学生可以选择课程和选择同一课程的不同老师，通过上网或卫星接收来学习， 使名校名师的课堂普及化。学生也可以根据自己的特点，在方便的时间里从互联 网上自由选择适合自己的学习资源，按照自己的方式来学习。多媒体计算机和基 于i n t e m e t 的网络通讯技术为建构主义学习环境提供了认知工具。 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 教育的一个重要方面，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 di 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 di n s t r u c t i o n ，简称c a i ) u 二引。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，通过运行存入 计算机的程序来实现课堂教学、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。 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，因此教育部已将“数控技术专业 列为各院校重点发展的专业之一。但是目前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设备严重缺乏的问题，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。目前国内在这方面 第一章绪论 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。 1 2 研究现状及存在的问题 1 2 。1 教学设计理论基础 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。 ( 一) 行为主义学习理论 行为主义学习理论建立在“刺激一反应联结的基础上，认蔫反应( 行必) 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嘲。 ( 二) 认知主义学习理论 认知主义学习理论认力，人们的认识不单纯是努部刺激的产物，恧是外部 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) 相统一的冷】。 ( 三) 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褥，是困人而异的纯主 观的东西，它不可能通过教师传授得到。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。 l 。2 2 计算机辅助教学( c a t ) ( 一) c 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1 6 】。 19 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，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， 2 第一章绪论 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震到一种新的教学模式。曩前，国外已经形成了c a i 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。 ( 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，使褥教 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麴教学方式，丰富了传统教育的教学模式，弥孝 了传统教 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，软件的用户对象面向个人，尽管借助于一 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豹教学信怠传 播基本上是以单向为主，缺乏真实的交互环境，难以实现师生间的双向交互，学 习者的主动性和创造姓受到限制。 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1 7 j 。 ( 三) c a i 的问题与不足 现有的c a i 软件普遍存在着以下几点主要不足【8 】： ( 1 ) 缺乏嬲络支持 现有的绝大多数c a i 课件是运行在单机环境下的，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 i 课件一旦产生完成就再也无法对教学的悫 容进行更新和维护，因而是没有生命力的，将随着时间的发展而逐步被淘汰。 ( 2 ) 缺乏镭能性 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最适合 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 ) 映乏教师的参与 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穗的 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 始终被俸力是一种辅助教学的方式，焉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。 第一章绪论 1 2 3 智能化计算机辅助教学( i c a i ) ( 一) 智能计算机辅勘教学系统概述 智能计算机辅助教学( i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra i d e di n s t r u c t i o n ，简称i c a i ) 系 统或计算机智能导雾雾系统( i n t e l l i 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 d c o m p u t e ra i d e di n s t r u c t i o n ，以下仍简称为i c a i ) 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) 智能化计算机辅助教学系统的特点 个性耽计算机辅助教学是智能化的c a l ，它以认知主义学习理论和薪型的建 构主义学习理论为理论基础，将人工智能技术应用于c a i 。它应具有的7 个智能 特征是【1 0 j ： ( 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 ) 在理解教学内容的基础上自动解决闻题，生成解答； ( 4 ) 具有囱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询能力； ( 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力。 ( - - ) 研究现状及存在的问题 1 、抟统i c a i 遇到瓣困难 i 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， 但在舀前是不现实的l h l 。 ( 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j 常困难豹。 ( 2 ) 知识库建立与维护的困难 i c a i 是教学专家系统，其知识表示一般采用语义网络、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 i 也样，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 知识获取豹难度，综观已建立豹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。 4 第一章绪论 ( 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瑟采用文本方式，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 ll 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力多媒体信息，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 知识樘关性分成层次不同、相互关联的知识单元，学生可以通过多入口、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u o 】。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7 一个积极的学习场所，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珏翻。麟蓠，大多数豹隧络教学系统采取的都是。 这种形式。 ， 但是，目前超文本应用于c a i 仍存在着以下不足【1 l 】： ( 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，因其 信息量大、网络繁复、分支众多，焉户进入超文本詹不知囊己所处位置和怎样达 到目的，容易造成迷路。 ( 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两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，可以说是不完全囱由的，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 ) 缺乏囊适应性 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，超文本焉于教学，必须扩充结点的类型，使其能表示教学单元的难度、 阈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 蠡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 第一章绪论 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， 并能耀简单的爨标驱动规则进行操作和解释，所以语义躁络中豹信息是可计算 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傲潞瓣l ，弪】，也就是说，超文本中的信息是不可计算的。 3 、i c a i 与超文本的综合集成 要建立实臻麓i c a i 系统必须对传统i 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，必须使用学生可接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【ll 】： ( 1 ) 超文本使i c a i 的知识获取变得容易，知识库易于建立、扩充和维护。 ( 2 ) 超文本使i c a i 具有丰富的媒体保证、毒# 线性查我方式将给予学生立体 的、自由的学习环境。 ( 3 ) i c a i 可使超文本根据学生操佟程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、入机会话选择教学策略。 超文本加入i c a i 汪经能够使i c a i 达到实用化，超文本与i c a i 集成不瘦是 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 学生智施参与学习的综合集成。 1 3 本文要做的工作 针对嚣慕i c a i 系统中普遍存在兹一些问题，本文尝试以新型建构主义学习 理论为基础，将模糊数学、人工智能、x m l 、v r 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络教学系统。主要从以下几个方匾进行研究： l 、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，直接用超文 本构造i c a i 的知识库，必然会限制i c a i 的智能性。x m l 不仅具有良好的语义 和清晰豹结构两且还其有良好的扩展性。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，建立教学规则痒 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 6 第一章绪论 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， 按自己对教材领域知识的理解( 妇概念鲍难易、教学豹顺痔、概念阅鳇若干关系 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，就必须对学生的知识水平、认知状态等特征傲蹴准 确的评价，然而学生很多方面的特点都是些具有模糊性的概念，如：认知能力 的强与弱、学习兴趣的高与低等等。本文采用模糊数学中的模糊综含评判和模糊 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帮 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 、形成一个能实际应用的餐能化计算机辅助数控培训系统 重。4 本文组织结构 本文共分7 章。 第l 章介绍本文的研究背景、现状及存在的问题，并介绍本文要做的工作。 第2 章介绍智能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 章介绍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 藤季每建领域知识库。 第4 章介绍教师模型的设计，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 章介绍学生模型的建立，用多级模糊综合评判法建立认知型学生模型。 第6 章介绍系统实现，系统的体系结构、开发环境和关键技术，然后展示了 系统的主要模块。 第7 章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。 7 天津大学硕士学位论文基予髓b 的数控培训系统的智能化研究 第二章智能化计算机辅助教学系统的总体结构 2 1c e l t 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 s t a n c el e a r n i n gt e c h n o l o g ys t a n d a r d s ) 项磊，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 i n e s ee l e a r n i n gt e c h n o l o g y s t a n d a r d i z a t i o nc o m m i t t e e ) 醛孙。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 系列标准。 现代远程教育技术标准体系和ll 项试用标准( 篱介) v 1 0 版瑟习详绷描 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。该体系结构接述了高层系统的设计和这些系统的组件，覆盖了宽泛的系 统范围，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 1 所示 第1 菇 学习者，环境交蠢 第2 屡有关学习者的设计特征 _ - _ - u l - _ _ - - - - - - - _ - - - - _ _ _ _ - - - - _ _ - - - - - - - _ _ - - _ - i_ - - - - - _ - - - - - - - - - - - - 图2 - 1c e l t s 五个抽象实现层次概貌 8 第二章智能化计算机辅助教学系统的总体结构 从最高层到最低层依次为； 第一层：学习者和环境交互( 毒 标准化) ：该层从信息技术的观点强调最高 层( 更一般) 的功能。指明学习者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。 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计， 以促进学习者的有效学习。 第三层：系统构件( 标准亿的) ：接述基于构件的体系架构，包括确立以入 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( 互操作熬) 的构件和基于学习技术架构的信息技术接 口。 从开发者熊观点来看体系结构，实际上是为开发者指骥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，体现了自顶向下逐步求精的思想，每一层 对应着不同的设计阶段。直观上，上层吃下层更具有普遍牲。如：第二层中入的 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( 系统构件) 在该规范中是标准化的，它是基于构件的体系架 构，描述了髓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。 豳2 - 2c e l t s 系统构件 9 第二章智能化计算机辅助教学系统的总体结构 2 2 智能化计算机辅助教学系统的模型 根据现代远程教育技术规范( c e l t s ) 中的定义，i c a i 系统应该具有如 下功能：一是，具备某学科或领域的知识；二是，能够分析学生的特征，评价和 记录学生的学习情况，诊断学生学习过程中的错误并进行补救教学；三是，可以 选择不同的教学方法实现以学生为主体的个性化教学。因此，i c a i 教学模型的基 本组成要素应包括：领域知识库、学生模型和教师模型1 1 4 | 。 由此，我们构造i c a i 系统模型如图2 3 所示。 学 教师模型 生 教学规则库刁 教 jl 学生模型 。 人 师 1r 学生个性推理机 = 教学策略推理机 机 人 牟 j l l 接 + 1 l 机 l 一一 )学生模型库 口 一 一 l 警域知识库j 接 口 图2 - 3 智能化计算机辅助教学的系统模型 其中： ( 1 ) 领域模型：领域模型即领域知识库，它是某个领域或学科知识的知识 库结构，是i c a i 系统的基础。一个有效的i c a i 系统的关键之一是如何组织、表 达和运用知识。知识的组织和表达形式对系统的有效性起决定性的作用。 ( 2 ) 学生模型：学生模型的作用是记录学生个人信息、学习目标、当前的 知识状态( 学习进展情况和学习掌握水平) ，它反映学生的知识结构、知识水平 和学习能力，为实现系统的智能化提供依据，学生模型是i c a i 系统的前提。学 生模型可以分为静态、动态和评价与错误诊断模型。静态模型记录学生的个人信 息，包括姓名、班级、学号及学习目标等信息。动态模型记录学生在教学过程中 动态变化的信息，包括学习进展情况及知识掌握程度或水平等信息。评价与错误 诊断模型通过对学生的测试( 系统给出相应的测试题) ，可以得出对学生的评价， 通过对学生的错误诊断，可以分析学生当前存在哪些错误及其原因。i c a i 系统 1 0 第二章智能化计算机辅助教学系统的总体结构 中，学生模型的研究十分重要。 ： l 元知识 ：= 因此，领域知识库包括元知识库和教学材料库两部分，而元知识库又包括知 识点属性库帮躲识点关系库，它们构成了个性化教学系统巾的主要知识表示l l 引。 领域知识库的设计应该满足如下条件【l 州： 必须便于领域鳃识库的管理和维护； 夺要充分保证i c a i 的核心问题智能导航的需要； 令必须体现知识的本来面目，让人一目了然； 教学系统是由知识工程师和领域专家协同完成，因此必须充分保证平台鳃通 用性及开放性，选用恰当的设计平台，进行合理的设计至关重要。 3 1 1 知识点的划分 在智能化教学系统中，不论是哪一类知识，知识点是系统处理的单元，要建 立一个完整的领域知识库首先必须把该领域的知识划分成知识点，并建立知识点 之间的关系，划分方式和大小对领域知识库中知识点的应用起着决定性的作用。 定义3 王知识点( k n o w l e d g ep o i n t 筒称k p ) 是教学活动过程中传递教学信 息的基本单元，包括理论、原理、概念、定义、范例和结论等【1 6 】。 1 4 第三章领域知识库的构成与设计 定义3 2 领域知识教学过程中最基本的教学单元称为原子知识点 ( a t o m _ t i p ) 。在教学过程中，该知识点作为一个整体进行教授；原子知识点在 内容上具有不可划分性。 定义3 3 在领域知识库中，由两个或两个以上的知识点组成的知识点称为复 合知识点( c o m p o u n d _ k p ) 。组成复合知识点的知识点可以是原子知识点，也可 以是复合知识点。本文中的复合知识点主要是指单元知识点( u n i t _ k p ) 和节知 识点( s e c t i o n _ k p ) 。 为了准确合理的描述教学内容，需要对其进行必要的分解，并在此基础上知 识点相互之间的关系。一般来说，划分知识点时应注意以下几点： ( 1 ) 应遵循一般的教学规律，满足相应的教学需要，便于实现启发式教学和个 别化教学。 ( 2 ) 首先把整个教学内容分解为若干单元知识点，各单元之间既相互独立又 相互联系，这样有利于学习者对教学内容有更大的选择自主权。然后再把各个单 元知识点分解为若干个节知识点，而节知识点又可再分为一个一个的教学内容的 最小单元一原子知识点，分解时应注意保持知识点内容的完整性和一致性，这样 就形成了一个树形的层次结构。 ( 3 ) 教学知识点的划分涉及到知识点的粒度划分。表示知识的最终目的是将 它们组织成教学内容进行教学，因而将知识表示到对应教学步骤这一程度就完全 可以了，基本原则是保证知识内容的局部完整性和利于组织教学步骤。 3 1 2 知识点之间的关系 通过对知识点的分析，我们将知识点之间的关系分为两种： ( 1 ) 层次关系 层次关系包括父子关系和兄弟关系。将知识点以一定的顺序串接起来就可形 成复合知识点，则复合知识点与子知识点的关系即为父子关系。处于同一层上， 知识点之间无父子关系或明显相互关联关系，学习时可不分先后次序，它们之间 就构成兄弟关系。层次关系可以用一种称为顺序链( s e q u e n c el i n k ) 1 2 0 的链接 来表示。 ( 2 ) 支持关系 在学习某一知识点之前必须先学习相关的另一些知识点，则这两者之间就存 在一种逻辑支持关系。我们把后者称为前者的前导知识点，而前者就是后者的后 续知识点。知识点之间的这种逻辑支持关系是有向的，其方向是由支持者指向被 支持者，因此可以用一种称为支持链( s u s t a i nl i n k ) 【2 0 1 的链接来表示知识点之 间的这种逻辑支持关系。 第三章领域知识库的构成与设计 由教学过程本身可知，知识点之间这种支持程度是一个模糊概念，所以我们 将其分为5 级，即：联系不紧密、联系不太紧密、一般、联系比较紧密和联系紧 密，用一个隶属度函数i l ( x ) s i i s - 0 2 1 ，0 4 2 ，0 6 3 ，0 8 4 ，1 5 ) 来度量， t t ( x ) s u s 的值越大说明知识点之间的联系越紧密。 因此，知识点之闻的关系可表示如下： ：= i ：= | ：= l i 痰以上的分析可知，知识点之闻的关系无法用一种单纯的树形结构来表示， 因为单纯的树形结构只能表示层次关系，却很难清楚地表示知识点之间的支持关 系，而若用单纯的网状结构来表示，则会造成知识点之间的层次关系不明显，并 且会使推理算法过于复杂。因此，在这里我们采用一个总体树局部图豹知识组 织模型，如图3 1 所示。 图3 1 领域知识摩的知识组织模型 凌图可见，总体上这是一个树型的结构，两在局部，也就是在原子知识点这一 层却是一个带权的有向图，即图在树中。实线箭头表示知识点之间的层次关系， 虚线箭头表示知识点之闻的支持关系，虚线箭头之上的数字表示知识点之闻的支 持程度。例如图3 1 中，知识点l 是知识点i 的前导知识点，其支持程度为0 8 ，即 联系比较紧密。 3 1 3 知识点属性 知识点( 此处指原子知识点，下团) 耩性是知识点本身所具有的性质、作雳 以及相互关系等，包括知识点的编号、种类、难易程度、重要程度、要求掌握程 1 6 第三章领域知识库的构成与设计 度、前导知识和后续知识等。我们用一个多元组( k pi d ，k pt i t l e ，k pk e y w o r d s ， k p _ d i f f i c u l t y ，k p _ i m p o r t a n e e ，k p _ s u r e ，k p p e r i o d ，k p c o n t e n t ，k p _ n a v i g a t i o n ， k pe x e m p l e ，k p _ t e s t ，k p _ t h r e s h o l d ) 来表示知识点的属性。其中： k pt d ：表示知识点标识号，用于检索和查找，应具有唯一性。 k pt i t l e ：表示知识点的标题，一般是该知识点的名称或标题，用于概述说 明本知识点所表达的知识内容； k pk e y w o r d s ：表示本知识点的关键字集合，主要用予检索本知识点； k p ：表示知识点的难度。知识点的难度是一个模糊概念，我们将 其分为5 级d i f f ，i c 即u l 容t y 易、较容易、一般、较难和难，用隶属度蘧数表示为弘 ( x ) d i f f = - 0 2 1 ，0 4 2 ，0 6 3 ，0 。8 4 ，1 5 ，其值由领域专家确定； k p _ i m p o r t a n c e ：表示知识点的重要程度。知识点的重要程度也是个模糊概念， 我们将其分为3 级，霹不重要、一般和重要，用隶属度蘧数表示为p ( x ) i m p = 0 3 1 ， 0 6 2 ，1 3 ，其值由领域专家确定； ， k ps u r e ：表示本知识点要求掌握的程度，分为记忆、理解、应耀、分析和 综合5 种，其值由领域专家确定； k pp e r i o d ：表示本知识点所需学时，即学习本知识点所应花费的时间，其 值翻领域专家确定； k pc o n t e n t ：表示本知识点的具体内容，是指向该知识点具体内容文件的指 针，由文本、表格、豳形( 图像) 等素材组成，存放在教学材料库； k p ：表示本知识点的导航，由一个三元组 ，p r e k p ， n 组a v 成i g a ，t i o 其n 中 表示父知识点( 为节知识点( ) f a ，t h e r s k p s u c c k p ) f a t h e r s k p p r e k p 表示前导 知识点，s u c c k p 表示后继知识点。这部分内容体现了各知识点之间的支持关系， 从而形成了一个带权有向图； k p 表示该知识点的示铡，是指向有关本知识点的应用实例或演示_exemple： 文件的指针； 。 k pt e s t ：表示本知识点的测试部分，对学习本知识点詹测试学生掌握程度 的试题集和相应的评价标准与诊断方案，是指向测试学生对本知识点掌握程度的 试题文件的指针，试题也包括有题目类型，题目内容、正确答案等属性； k pt h r e s h o l d ：表示知识点的通过阚值，只有在学习本知识点以后，测试与 本知识点相关的试题的得分不小于以上各值时，才允许离开本知识点进入下一知 识点的学习。 每个知识点可根据实际情况拥有全部或部分属性，考虑到各种类型知识点的 复杂多样性，这里给出的属性不一定能完整描述所有类型的知识点。 1 7 第三章领域知识库的构成与设计 3 1 4 知识单元的属性 相关昀一组知识点的集合就是知识单元( k n o w l e d g eu n i t ) 。知识单元的属 性可以表示为一个8 元组( k u i d ，k u _ t i t l e ，k u - k e y w o r d s 等) 。其中：k u d ， k u t i t l e ，k u _ k e y w o r d s ，k u c o n t e n t ，k u _ t h r e s h o l d 与知识点属性的描述糯