（机械制造及其自动化专业论文）基于web的教育软件系统的研究与开发.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 w e b 教育软件的开发是最近几年新近兴起的一个热点。其原因在于以下诸点：人们 对改进教育方式的热切期盼，网络技术和计算技术的推动。 设计合理的w e b 教育软件为很多没有机会接受教育的人提供了方便，也改变和提高 了在学校从事教、学活动人员的工作方式和效率。 但目前，对w e b 教育软件的开发，许多开发指导思想还保留着浓厚的僵化思想、软 件的开发方式是停留在客户服务器的模式、缺乏智能化的因素。 建构主义学习理论，是目前教学理论研究领域中的比较成熟与先进的理论。面向w e b 的学习方式应该以建构主义学习理论为基础。就w e b 教学软件的开发而言，也应该以建 构主义为开发指导思想。 基于b s 的软件体系，是取代c s 结构的一种全新结构。采用该结构的软件的优势在 于：无须开发客户端软件，维护和升级方便；可跨平台操作，任何一台机器只要装有w w w 浏览器软件，均可作为客户机来访问系统：具有良好的开放性和可扩充性。因此该结构在 软件开发领域获得了飞速发展，成为应用软件研制中一种流行的体系结构。 专家系统是人工智能领域一个较为成熟的分支。通过对知识库、推理规则的合理设置， 将为w e b 教学软件引入智能因素。 j a v a 、v b 、a s p 等网络开发语言的诞生和发展，为开发基于w e b 的b s 体系结构 的教育软件提供了支持。 本文将以建构主义学习理论为指导，分析设计出合理的教学模块；采用b s 结构的软 件设计体系，提出一个可行的软件逻辑结构框架；采用较多的软件开发工具，如：j a 、，a 、 v b 、a s p 和数据库技术的支持，编程设计出各个教学模块。并讨论在网络环境下的安全 性问题。本文的研究内容是：基于b s 体系结构的w e b 教育软件系统的研究与开发。 同时，本文所涉及到的理论研究和技术实现都是以某高校远程学院应用为目的。最后， 希望本论文能对相关技术研究和应用的人员有所帮助。 关键宇： 建构主义学习理论，b s 体系结构，教学模块，a s p ，j a v a ，专家系统 东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fw e bs o f t w a r ef o rt e a c h i n gi sa r o u s e di nr e c e n ts e v e r a l y e a r s i ti s c a u s e db yt h e f o l l o w i n gr e a s o n s ：t h ef o r c eo ft h en e t w o r ka n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a n dt h e e a g e re x p e c t m i o nt od e v e l o pt h ee d u c a t i o n t h ew e bs o f t w a r ef o rt e a c h i n g ，w i t hg o o dd e s i g n ，c a np r o v i d ec o n v e n i e n c e sf o rt h o s e w h oh a v e n tt h eo p p o r t u n i t i e st or e c e i v ea n ye d u c a t i o n ，c h a n g et h em o d ef o rt h o s ew h os t i l l e n g a g e i nt h et e a c h i n gw o r ka n d i m p r o v e t h e i re f f i c i e n c y b u tt i l ln o 、v f o rt h ed e v e l o p m e n to fw e bs o f t w a r ef o rt e a c h i n g ，t h eg u i d i n gi d e ai ss t i l l r i g i d ，t h ea r c h i t e c t u r eo f t h es o f t w a r ei ss t i l li nc u s t o m s e r v e rm o d e ，t h es o f t w a r eh a sn o ta n y i n d i v i d u a lf a c t o r t h ec o n s t r u c t i v i s ms t u d y i n gt h e o r y , i sm a t u r ea n da d v a n c e di nt h et e a c h i n gr e s e a r c h i n g a r e a t h ef e a s i b l es t u d y i n gm o d es h o u l db a s eo nt h ec o n s t r u c t i v i s ms t u d y i n gt h e o r y f o rt h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，i ts h o u l da l s ob a s eo nt h ec o n s l r u c t i v i s ms t u d y i n gt h e o r y t h ea r c h i t e c t u r eo ft h es o f t w a r eb a s e do nb r o w s e r s e r v e r , i san e wm o d ef o rt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t i th a sr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a lc u s t o m s e r v e rm o d e i t sa d v a n t a g i e sa r ea st h e f o l l o w i n g ：i tn e e d n td e v e l o pa n ys o f l w a r e si nt h ec u s t o ms i d e ，c a l le a s i l yb em a i n t a i n e da n d i m p r o v e d i tc a nw o r ki ns e v e r a lp l m f o n n s a n y m a c h i n ew i t hw w wb r o w s es o f t w a r e c a n i n t e r v i e wt h e s y s t e m a st h ec u s t o mm a c h i n e i ti s o p e n ，a n d i ti sw e l l e x p a n d e d t h i s a r c h i t e c t u r ei sa d o p t e di nm a n ys o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，a n di th a sb e c o m et h ep o p u l a rm o d e t h ee x p e as y s t e mi s am a t u r eb r a n c hi nt h ea r t i f i c a l i n t e l l i g e n c ef i e l d b ys e t t i n g k n o w l e d g e b a s ea n dr e a s o n i n gr u l e s ，w ec a nb r i n gs o m ei n t e l l i g e n tf a c t o r sf o rt h es o f t w a r e t h e c o m p u t e rl a n g u a g e i nw e bc i r c u m s t a n c e ，s u c ha s ：j a 、，a ，v b ，a s pe t c ，p r o v i d es u s t a i n s f o rt h ew e bs o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h e p a p e r f o c u s e dt h ed e s i g n i n gr e a s o n a b l et e a c h i n gm o d u l e ，b a s e do nt h ec o n s t r u c t i v i s m s t u d y i n gt h e o r y t h e nt h ep a p e rw i l lg i v eal o g i ca r c h i t e c t u r ef o r t l l es o f t w a r e ，b a s e do nb s m o d e a tl a s t ，w ew i l lm a k ea l lt h et e a c h i n gm o d u l ec o m et r u e ，b yp r o g r a m m i n gw i t hm a n y s o f t w a r et o o l s ，s u c ha s ：j a v a ，v b ，a s pa n dd a t a b a s et e c h n o l o g y , a n ds oo n a tl a s t ，w ew i l l d i s c u s st h es e c u r i t yo ft h es o f t w a r es y s t e mu n d e rt h ew e b c i r c u m s t a n c e s t h em a i nr e s e a r c ha r e a f o rt h e p a p e r i s ：t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nt h es t u d y i n gs o f t w a r eb a s e do nb s a r c h i t e c t l l r e 东南大学硕十学位论文 t h e b a c k g r o u n d i nt h e p a p e r i sb a s e do nt h ed e m a n df o rt h ed i s t a n c e l e a r n i n gd e p a r t m e n t o fa u n i v e r s i t y f i n a l l y , ih o p e t h er e s e a r c hm a y p r e s e n t au s e f u lr e f e r e n c ef o ro n e sc o n c e r n e di n t h i sf i e l d k e y w o r d s ： c o n s t r u c t i v i s ms t u d y i n gt h e o r y , b ss o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，t e a c h i n gm o d u l e ，a s p , j a v a e x p e r ts y s t e m 5 8 2 3 主6 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。 签名：熟丝e t 期：逝i 。； 关于学位论文使用授权的说明 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 押。 签名：丝遮导师签名：芝堑叁g 日期：丝塑 东南大学硕十学位论文 第一章绪论 基于w e b 的学习环境是利用现有的w e b 技术，把传统的课堂教学“搬”到网卜，以 发挥它信息资源丰富和不受时空限制的优势，为广大受教育者，尤其是那些无正规时间或 集中时间进行学习的人们提供灵活、方便、丰富多彩的学习环境。因此，国内许多院校开 始设立远程教育学院、许多专业化公司提供远程培训服务等等。人们已意识并感受到了 w e b 技术给教育带来的巨大潜力。而如何开发高质量的基于w e b 课程教学软件也顺理成 章地成为广大教育工作者关注的热点课题。 传统的w e b 教育软件是通过大量的超文本信息，以w e b 页面的形式支持用户的学习 过程，具有信息量大、资源广泛的特点。但是，系统仅提供浏览页面，缺乏生动的交互与 教学情景的模拟，用户每次开始学习时常常不自主地陷入漫无目的的浏览之中。这种被动 的浏览既浪费了大量的上网时间，也取不到理想的效果。设想：能否能够再现课堂教学应 有的情景，通过在线测试、动态检查和记录用户的学习情况，适时给出学习建议，这样不 仅可以指导用户的学习进程，还可以充分利用日益发展的w e b 网络资源，获取最新的领 域知识。这是现在w e b 教学软件设计与开发中切需解决的问题。 另外，我们注意到：很多w e b 教学软件的结构模型仍采用单一的客户端朋务器式模 式，系统应用的负担较大，如果今后软件的内容需要扩充实现起来将很困难。能否改进这 种客户端服务器式模型结构，也是w e b 教育软件设计中应该高度重视的问题。 从理论上蜕，基于建构主义学习理论的指导和基于b s 体系结构的应用分别能够解决 w e b 教育软件实现的功能与模式问题。但是，怎样将其统一在w e b 教学软件设计的整个 过程中，目前公认的成功产品还不多。笔者结合开发课程教育软件的实践，针对这一面向 未来的需求进行了研究，这也就是本论文的落脚点所在。 1 1 开发w e b 教育软件的背景与意义 面对面的集体授课方法在学校常规教育中仍在经常使用。但是由于不同学校之间存在 着教学资源的差异( 包括：任课老师个人的教学思想、教学艺术、业务水平、学习资料、 课程组织等) 导致不同地区之间的学生接受的教育处于不同的层次。况且，随着社会的发 展，还有更多的人因为种种原因还不能走迸学校接受这种定时定地点的教育。如何提高所 有正在接受学校教育的学生的学习水平，以及帮助那些没有机会接受正规教育的公民，一 直是教育界梦想解决的问题。 幸运的是，随着电子计算机，尤其是多媒体技术和网络技术的发展和普及，基t - w e b 的远程教育为解决这些问题提供了充足的保证。1 9 9 8 年，我国通过的高等教育法，就 已经以立法的形式确立这项工作的地位。作为实施这项工作的保证，基于w 曲的教学软件 笫l 页 东南大学硕士学位论文 的质量好坏直接影响其效果。可以想象，随着全社会高度重视这项工作的实施，更多的高 标准的基于w e b 自q 教育软件将会不断涌现。 基于w e b f f , j 教育软件，由于是依靠并建立在计算机技术、多媒体技术和网络通信技术 的最新发展的成果之上，因此对增加知识获取的途径，发挥学生的主观能动性均有极大的 提高作用。基于w e b 的个性化教育软件的应用，不仅可以模拟传统的课程教学，而且相比 较它还具有以下几个优点： 1 计算机的交互性有利于激发学生的学习兴趣，有利于认知主体作用的发挥。 人机交互、立即反馈是计算机的显著特点，是任何其他媒体所没有的。这样种交互 方式对于教学过程具有重要意义，它能够有效地激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈的 学习欲望，从而形成学习动机。交互性是计算机所独有的，正是因为这个特点使得基于 w e b 的教学软件的应用不仅是教学的手段方法，而且成为改变传统教学模式乃至教学思 想的一个重要因素。 大家知道，在传统的教学过程中切都是由教师决定。从教学内容、教学策略、教学 方法、教学步骤甚至学生做的练习都是教师事先安排好的，学生只能被动地参与这个过程， 即处于被灌输的状态。而在基于w e b 的教学软件的应用而产生的交互式学习环境中，学 生则可以按照自己的学习基础、学习兴趣来选择自己所要学习的内容，可以选择适合自己 水平的练习，如果教学软件编得更好，连教学模式也可以选择，比如说，可以用个别化教 学模式，也可以用协商讨论的模式。使计算机象学习伙伴一样和你进行讨论交流。也就是 说，学生在这样的交互式学习环境中有了主动参与的可能，而不是一切都由教师安排好， 学生只能被动接受。按认知学习理论的观点。人的认识不是外界刺激直接给予的，而是外 界刺激与人的内部心理过程相互作用产生的，必须发挥学生的主动性、积极性，才能获得 有效的认知，这种主动参与性就为学生的主动性、积极性的发挥创造了很好的条件，即能 真正体现学生的认知主体作用。 2 乡 部多媒体信息刺激的多样性有利于知识的获取与保持。 基于w e b 的教学环境提供的外部刺激不是单一的刺激，而是多种感官的综合刺激。 这对于知识的获取和保持，都是非常重要的。实验心理学家赤瑞特拉( t r e i c h e r ) 作过两 个著名的心理实验，一个是关于人类获取信息的来源，就是人类获取信息到底主要通过哪 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，这两个 加起来就有9 4 。还有3 5 来自嗅觉，1 5 来自触觉，1 来自味觉。在基于w e b 的教 学环境下，我们既能看得见，又能听得见，还能用手操作。这样通过多种感官的刺激获取 的信息量，比单一地听老师讲课强得多，信息和知识是密切相关的，获取大量的信息就可 以掌握大量的知识。他还作了另一个实验，是关于知识保持即记忆持久性的实验。结果是 这样的：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 。这就是说，如果 既能听到又能看到，再通过讨论、交流用自己的语言表达出来，知识的保持将大大优于传 第2 页 东南大学硕士学位论文 统教学的效果。这说明基于w e b 的教学应用于教学过程不仅非常有利于知识的获取，而 且非常有利于知识的保持。 3 超文本特性便于实现教学信息的有效组织和管理，有利于实现“自我探索”和“自 我发现”式的学习。 超文本( h y p e r t e x t ) 是按照人脑的联想思维方式非线性地组织管理信息的一种先进技 术。如果所管理的信息不仅是文字，而且还包含图形、图象、声音等其它媒体信息，那就 成为一个超媒体系统，换句话说，超媒体就是多媒体加超文本。事实上目前的绝大多数多 媒体系统都是采用超文本方式对信息进行组织与管理。因此在一般情况下，也可以对超媒 体系统与多媒体系统不加区分，即把超文本看作是多媒体系统的一种特有功能。 如果按超文本方式组织一本书，就和传统的文件或印刷的书籍完全不同，这时的正文 ( 文章、段落、或一句话、一个词) 都按相互间的联系被组织成正文网。这本书无所谓第 一页和最后一页，从哪段正文开始阅读，以及接下来读什么都由读者的意愿来决定。选择 下一段f 文的依据不是顺序，也不是索引，而是正文之间的语义联系。认知心理学的研究 表明，人类思维具有联想特征。人在阅读或思考问题过程中经常由于联想从一个概念或主 题转移到另一个相关的概念或主题。所以按超文本的非线性、网状方式组织管理信息和按 传统文本的线性、顺序方式组织管理信息相比较，前者更符合人类的思维特点和阅读习惯。 超文本之所以具有上述优越性是由其结构特征决定的，超文本的基本结构由节点 ( n o d e ) 和链( 1 i n k ) 组成。节点用于存储各种信息，节点内容可以是文本、语音、图形、 图象或一段活动影象；节点大小可以是一个窗口也可以是一帧或若干帧所包含的数据，链 则用来表示各节点( 即各种信息) 之间的关联。节点和链均有多种不同的类型因而形成各 种不同的多媒体系统。 4 网络特性有利于进行不受时空限制的自由学习，且是最为理想的学习环境。 众所周知，在过去的二十年中，强调刺激一反应并把学习者看作是对外部刺激作出被 动反应即作为知识灌输对象的行为主义学习理论，已经让位给强调认知主体的内部心理过 程并把学习者看作是信息加工主体的认知学习理论。随着心理学家对人类学习过程认知规 律研究的不断深入，认知学习理论的一个重要分支一建构主义学习理论在西方逐渐流行。 由于基于w e b 的教学和网络通信技术所具有的多种特性特别适合于实现建构主义学习环 境，换句话说，基于w e b 的教学和网络通信技术可以作为建构主义学习环境下的理想认 知工具，能有效地促进学生的认知发展，所以随着基于w e b 的教学和i n t e m e t 网络的飞 速发展，建构主义学习理论正愈来愈显示出其强大的生命力，并在世界范围内日益扩大其 影响。 1 2w e b 教育软件开发的发展状况 从广义的意义说，w e b 教育软件的开发，涉及计算机科学、认知科学、教育学、心 理学和行为科学、甚至人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 等学科，其研究开发的终极目 第3 页 东南大学硕士学位论文 标是最终实现由计算机系统负担起人类教育的主要责任。这是个任重而道远的目标。 就世界范围看，纵观只有几年发展历史的w e b 教育软件的丌发，根据其特点，也可 以简单地分为三个阶段：第一阶段是通过网页给学习者提供教学材料和有关资料，以及与 其他的有关教育网连接；第二阶段是除了在网上提供学习材判外，还要求学习者通过电子 邮件、电子公告栏、网上练习和测量进行异步双向交流；目前正尝试着迈向第三阶段，即 除了第一阶段、第二阶段外，还要求通过网上交谈室、电话会议、视频会议或m u d s ( m o o s 、 系统进行同步双向交流，这个还处于探索阶段。 国内已经出现的许多w e b 教学软件都还处于这个第二阶段。 1 3 现有w e b 教育软件开发中不足 目前，我们身边也出现许多的w e b 教学软件。然而，纵观我们的教学软件自身，以及 与国外先进国家的w e b 教学软件相比较，发现都还存在以下两个显著的不足： r1 ) 软件缺乏个性化因素。与先进国家开发w e b 教学软件的过程相比较，我们几乎 是与美国、日本等发达国家站在同一起跑线上。但是，国外教育思想的发展呈现多元化、 自由化的态势，而我国则相对比较传统化、单一化、模式化，因此导致对基于w e b 的教 学软件的研究与开发我们还处于落后地位。我们的w e b 教育软件在相当大的程度上仍然 还停留在以老师为中心的模式上，教学策略单一、呆板，不能达到针对不同同学特点有针 对性的指导其学习。它将所有同学的学习方式等同化。因此，学习者不断呼唤具有个性化 因素的软件的出现，以满足不同学习者个性的需要。 因此，如何冲出传统的、单一化模式的思维方式认识网上教育发展的特征，创造性 采用先进的学习理论，是开发w e b 教育软件的首要问题。 建构主义学习理论，是近年发展较成熟的学习理论。它不仅对改善现在的课堂教学方 式有借鉴作用，而且对开发基于w e b 的教学软件也有明显的指导意义。 而专家系统的应用，也能够有效地为软件部分增强个性化的功能。 ( 2 ) 软件结构缺乏可扩展性。现有的w e b 教育软件开发模式相对封闭。我们知道， 通常一个课程教学软件应该由教学内容、教学功能模块及存储教学信息的数据库等几个部 分组成。在架构这些部分的过程中，现有课程教育软件采用的方式通常是采用c s 结构， 即通常所流的客户端服务器结构模式。 当一个教学过程仅仅使用或需要一个简单的数据源时，这种两层方案会运行得很好。 然而，随着w e b 教育软件待实现的目标在不断增长，信息内容也在动态地增多，数据库的 性能必须要提高。但是，这种两层方案的性能却不能成比例地提高。 另外一些因素，例如大量学习者通过网络访问、并发的数据库连接的最大数量等，也 将使这个结构在一个分布式的设置下不能发挥更大的效能。 而采用三层结构的b s 体系，可以有效解决这个问题。 第4 页 东南大学硕士学位论文 1 4 建构主义学习理论的形成与不断发展 1 4 1 建构主义学习理论的概念 进入二十世纪9 0 年代，随蓿知识经济的到来，对人才的教育培养提出了更高的要求， 而对学习理论的研究与应用也进入到了一个新的发展阶段。这主要表现在建构主义 ( c o n s t r u c t i v i s m ) 学习理论的应用。 建构主义学习理论突出了学习者的主体作用，它认为学习者是信息加工的主体，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。教师是意义建构的促进 者和帮助者；而不是知识的传授者和灌输者。帮助学生建构意义就是帮助学生对当前学习 内容所反映的事物的性质、规律以及该事物与其它事物之间的内在联系达到深刻的理解。 建构主义者根掘他们对学习的理解，提出了多种教学方法，例如：随机通达教学( r a n d o m a c c e s si n s t r u c t i o n ) ；抛锚式教学( a n c h o r e di n s t r u c t i o n ) ；支架式教学( s c a f f o l d i n g i n s t r u c t i o n ) 等。 1 4 2 建构主义学习理论的特征 s h a l l 曾提出建构性学习应具备的四条核心特征，它们是：积极的、建构性的、累积 性的、目标指引的。在上述研究的基础上，e r o b e n - j a ns i m o n s 又补充了建构性学习的另 二个核心特征：学习的诊断性与反思性。由此总结出建构性学习的六条主要特征。我们将 根据各派有关键构主义学习的研究，对这六条核心特征分别加以阐述。 1 积极的学习 建构主义认为，学习应该是积极的，因为当学生为了用有意义的方式学习教材而对输 入的信息进行加工时，他们必须做一定的事。在本世纪初对建构主义的思想作出重要贡献 并将其应用于人类学习与发展的杜威就认为，真正的理解是与事物怎样动作以及事情怎样 做有关的，理解在本质上是联系动作的，因此，他认为“教育基于动作”。与杜威同时 代的苏俄著名心理学家维果茨基关于“心理发展的文化历史学说”的一个重要的理论假 设，就是“人的心理过程的变化与他的实践活动过程的变化是同样的”( 维果茨基，1 9 5 6 ) ， 由此提出受文化中介的个体活动是人类心理发展的基础，是教育过程的基础，而一切教育 的艺术则应该归结为引导和调节这一活动( 维果茨基，1 9 9 1 ) 。显然，无论是杜威的“做 中学”，还是维果茨基的“活动与心理发展统一”的观点，或是在此基础上发展起来的 各种建构主义学习理论，都强调了学习者在建构性学习中的积极作用。 2 建构性的学习 学习是建构性的，因为在学习中学习者必须对新信息进行精制并将其与其它信息关联 起来，以便让学生在保持简单信息的同时，理解复杂信息。持建构主义观点的学者认为， 建构主义不是适应某些条件的一种教学策略，而是一种学习的哲学，是了解世界的方式。 第5 页 东南大学硕士学位论文 因此，人的建构性的学习方式是与真实的本质、知识的本质、人的交互作用的本质以及科 学的本质相关的。所谓真实的本质是指心智的表征具有“真实的”本体状态，即外部的世 界；知识的本质则强调知识是由个人建构的，它存在于人的头脑之中：人的交互作用的本 质是指个人在知识的建构中必须依靠意义的共享与协商，人际关系最基本的形式应该是合 作而不是权威型的命令或控制：科学的本质是在于这是伴随着人的活动的种带有一定偏 见和通过一定滤镜的意义制定活动。上述这四种本质决定了作为了解世界的方式的学习的 建构性特征。 3 累积性的学习 学习是累积性的，因为在建构主义的学习中，一切新的学习都是以决定学什么、学多 少、怎样学的方式建立在以前学习的基础上的或在某种程度上利用以前的学习。例如。在 解决问题的学习中，总要有一个原有知识的激活阶段，然后则通过同化或顺应过程重建新 知识与原有知识结构之间的联系，使认知发展从一个平衡状态进入另一个更高的发展平衡 状态。显然，在建构主义的学习中，知识的累积是必要的，但这不是知识的简单叠加或知 识的量变，而是对原有知识的深化、突破、超越或质变。 4 目标指引的学习 建构主义的学习是目标定向的，因为只有学习者清晰地意识到自己的工作目标并形成 与获得所希望的成果相应的预期时，学习才可以有是成功的。但必须注意的是建构主义学 习中的目标指引不同于由外部目标驱动的传统学习与教学。首先，学习的目标不是从外部、 由他人高定的，而是形成于学习过程的内部，由学习者自已设定的。其次，学习目标的形 成与学习过程中产生的真实任务有关。所谓真实任务是指与真实世界相关的、具有实用性 和适度复杂性的、跨学科的整合性任务。在解决这种真实任务的过程中，学习者始终面对 的是结构不良的或定义不完善的问题领域，因此，真正的学习的目标只可能产生于学生过 程的内部，产生于学习者与教师、教学内容、学习环境的相互作用之中。而且，在学习的 进程中，学习者可以从学习的需要出发，对初始目标进行分解或将其转换为其它目标。由 此可见，在建构主义的学习中，目标自身也成为可以建构和变革的一部分。显然，在建构 主义学习中，学习目标的功能如同灯塔一样起着整体的导向作用，在动态的学习过程中应 鼓励学习者确立自己的目标，通过不同的途径达到目标并评定自己在达到目标过程中获得 的进步。 5 诊断性学习与反思性学习 以诊断性与反思性作为建构主义学习的核心特征，这意味着，学习者必须从事自我监 控、自我测试、自我检查等活动，以诊断和判断他们在学习中所追求的是否是自己设置的 目标。显然，诊断与反思是建构主义学习评价的重要组成部分。这种源于建构观的评价应 该较少使用强化和行为控制工具，而较多使用学习者的自我分析和元认知工具。通过诊 断和反思进行的建构主义的评价应该是审视建构过程的一面镜子，它所面对的是动态的、 持续的、不断呈现的学习过程与学习者的进步。这一评价的目的在于更好地根据学习者的 第6 页 东南火学硕士学位论文 需要和不断变化的情况修改和提炼自己的策略，以便使学习者通过建构主义的学习，朝着 专家的方向获得持续的进步。 这些特征方法的提出，为开发w e b 教学软件提供了重要的理论依据。虽然在9 0 年代 以前建构主义学习理论就已提出并形成了它的理沦体系，但真正在教育软件的开发中得到 比较广泛的应用还是9 0 年代以后的事。多媒体和计算机网络，特别是i n t e r n e t 网络的普及， 为开发能够体现建构主义理论的学习环境提供了良好的条件。 1 5 智能技术的发展 专家系统是人工智能的一个主要应用领域，它是一个智能计算机系统。其内部含有大 量的某个领域专家水平的知识和经验，能够应用人类专家的知识和解决问题的方法来处理 该领域问题。 个专家系统主要由以下内容组成： ( 1 ) 知识库：它包括静态部分和动态部分。静态部分是指当前专家领域有关的领域 知识及进行推理要用到的事实性知识和推理规则：动态部分用于存储领域或问题初始 部分和推理过程中得到的中间数据，即被处理对象的一些当前事实。为了建立知识库， 要解决知识获取和知识表示问题，这些工作必须由知识工程师和知识领域专家通过知 识采集系统来完成。 ( 2 ) 推理机：用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻 辑方式协调地工作。推理机要能根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现 成的答案。 ( 3 ) 解释器：用于向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及输 出其它候解的原因。 1 6b s 三层体系结构 在b s 体系结构系统中，用户通过浏览器向分布在网络上的服务器发出请求，服务器 对浏览器的请求进行处理，将用户所需信息返回到浏览器。b s 结构简化了客户机的工作， 客户机上只需配置少量的客户端软件。服务器将担负更多的工作，对数据库的访问和应用 程序的执行将在服务器上完成。浏览器发出请求，而其余如数据请求、加工、结果返回以 及动态网页生成等工作全部由w e bs e r v e r 完成。 实际上b s 体系结构是把二层c s 结构的事务处理逻辑模块从客户机的任务中分离出 来，由w e b 服务器单独组成一层来负担其任务，这样客户机的压力减轻了，把负荷分配 给了w e b 服务器。这种三层体系结构如下图1 1 所示。 第7 页 东南大学硕士学位论文 b r o w s e 浏 w e b 毛 览器服务器 图1 ib s 三层体系结构 这种结构不仅把客户机从沉重的负担和不断对其提高的性能的要求中解放出来，也把 技术维护人员从繁重的维护升级工作中解脱出来。由于客户机把事务处理逻辑部分分给了 功能服务器，使客户机一下子“苗条”了许多，不再负责处理复杂计算和数据访问等关键 事务，只负责显示部分，所以维护人员不再为程序的维护工作奔波于每个客户机之间，而 把主要精力放在功能服务器上程序的更新工作。 这种三层结构在层与层之间相互独立，任何一层的改变不会影响其它层的功能。 而且对发工作而言，又可以使软件的逻辑流程更为清晰，软件的功能代码更具有复用 性，方便了对数据存贮方案的优化，适宜于分布式部署的环境工作。 1 7 本论文的主要研究内容与章节结构 本文结合对先进学习理论的挖掘，研究了w e b 教育软件设计的体系结构的模型、模 块开发的方法、组件技术的应用、数据库的特性等。具体讨论了：符合认知特性的学习模 型、软件整体架构的设计、关键模块代码实现、安全验证模块的组件技术的实现、软件的 安全性等问题。 本文将在第2 章中讨论基于b s 体系结构的w e b 教育软件的体系结构设计。这一章 节主要目的是阐述w e b 教学软件的功能需求分析与功能模块的划分，研究基于b s 体系 结构的w e b 教育设计的逻辑体系结构、技术体系结构、工作流程。 在第3 章讨论开发基于b s 体系结构的w e b 教育软件的支撑技术：需要的开发语言 如：h t m l 、j a 、，a 、v b 、a s p 等，以及软件开发平台、数据库技术、组件技术等等。 在第4 章中我们将详细讨论实现基于b s 体系结构的w e b 教育软件的开发过程。主 要讨论的内容有：开发系统的配置、功能模块的工作流程或子功能划分、不同模块的数据 库设计及实现、不同模块的程序设计。特别是对于在线测试模块应用了专家系统的方法来 实现。 在第5 章研究了软件系统的安全性。主要通过讨论操作系统、i i s 、a s p 、数据库这四 个层次来讨论基于w e b 环境下的软件的安全性问题。 在第6 章中给出一个开发中的软件演示实例。通过展示一个已经开发成功的，建立在 第8 页 东南大学硕士学位论文 建构主义学习理论基础上的w e b 教育软件，更好地印证了提出的学习理论的先进性、软 件设计思想的合理性、开发方法的可行性。 第七章，沦文结论。这一章总结了课题完成的主要工作和特色，并对w e b 教学软件 的下一步丌发作了一些探讨。 第9 页 东南大学硕士学位论文 。 _ _ 一 第二章软件系统的体系结构 我们已经理解了建构主义学习理论、专家系统、软件的三层体系结构等相关理论，我 们将在这一些理论指导下设计w e b 教学软件。结合教务处的计算机辅助设计( 本科) w e b 教学软件开发的实际需要，给出一个w e b 教学软件实现的逻辑模型，相应技术模型 的框架与软件的使用流程。 2 1w e b 教育软件的功能需求分析 为了完成基本的教学任务，并且在实现教学过程中更好地体现建构主义学习理论。我 们将w e b 教学软件横向分解为教学课件子系统与教学情景模拟子系统。如下图2 1 所示。 教学课件子系统主要在课程内容的开发上体现教学要求并且能够在一定程度上应用建构 主义学习理论。教学情景模拟子系统主要是给教学过程赋予一些特别的功能，以更好地将 建构主义学习理论体现出来。 2 1 1 教学课件系统的功能 教学课件系统的主要功能描述：组织基于h t m l 语言的超文本电子教案，用网页编 辑软件来实现。主要是将教材或讲义内容按章、节组织，并采用w e b 页面的框架结构进 行处理，并根据课程需要建立必要的超级连接，方便查询相关内容。 在组织电子教案之前，需先确认这们课程的性质与编制课程的教学大纲。对整门课程 及各教学单元进行教学目标分析，以确定所学知识的“主题”( 即与基本概念、基本原理、 基本方法或基本过程有关的知识内容) 。 建构主义学习理论认为：一定的教学情境，生动、直观的形象能够有效地激发联想， 唤醒长期记忆中有关的知识、经验或表象。因此，在电子教案的形式设计上，设计风格素 雅的整体布局、元素形式变化的页面、易于理解的导航功能、定的动画与图片在可以达 到“同化”与“顺应”效应。 2 1 2 教学情景模拟系统的功能 对教学情景的模拟，建构主义学习理论强调和重视：学生的“学”在教学过程中的地 位、教学效果反馈的作用、信息资源的辅助作用。 学生的“学”在教学过程中的地位，主要体现在教学交互功能的实现。实现良好教学 交互功能的措施有：采用e m a i l 实现师生的联系、采用在线讨论模块实现师生或同学问 的讨论、采用在线答疑模块实现师生之间答疑。 教学效果反馈的作用，主要体现在在线测试功能的。在线测试的结果因人而异，借此 可以指导每个人的下一步学习指导。 第1 0 畦 东南大学硕士学位论文 信息资源的辅助作用，主要体现在能够方便检索、连接所需的信息资源。 w e b 教学软件系统的功能树如下图2 1 所示： w e b 教学软 件系统 课程情 景模拟 系统 课件系统 在线 讨论 在线 答疑 在线 考试 。 l h 攀戮 i 管理 用户管理 i i 鬈善 三= 果 图2 1w e b 教学软件系统功能树 对图中所示的功能结构，又称为模块。 对图2 1 中模块的功能具体描述如下： 学习讨论其逻辑功能：实现师生之间、同学之间即时交流的a 它是一种在学习过程中 的人机交互功能。在线讨论一般设计成在线聊天室的形式。它使教师和学生们可以一起讨 第1 1 页 东南大学硕士学位论文 论该课程学习中出现的疑难问题。这种方式拉近了师生之间、同学之间的距离，弥补了远 程教育中师生、同学之间不便于交流的问题。 学习答疑其逻辑功能：方便学生与教师就疑难问题进行交互，属于另一种特殊的讨论 形式。其实现有两种方式：一种是使用e m a i l “一对一”式的非实时交互，如果学生有疑 难问题，可以随时点击“答疑信箱”或“教师信箱”等功能按钮。这种非实时的交互方式 使师生之间的交流朝着实时交互方向发展。第二种是应用w e b 技术建立的个电子公告 板，通过它进行“一对多”的非实时交互。这种方式没有时间限制，教师可以随时将具有 一定共性的问题或问题解答公布公告板上，让学生进行讨论或让学生们关注。学生也可以 向公告板贴出自己需要解决问题，向其他人( 包括老师) 征求解答。这样教师可以从中及 时了解学生所关心的内容和感到困难的地方，及时纠正学生暴露的错误，引导学习的方向。 学生不仅可以自己提出疑问，而且每个问题都可能有多人从多角度解答，从而可以吸取其 他同学的经验教训，避免了重复提问，对学生学习很有参考价值。 在线测试的逻辑功能：通过专家系统的开发，可以检验学生学习效果，指导学生下一 步的学习。 联机检索的其逻辑功能：学生在学习过程中经常会遇到一些名词或术语，联机检索可 帮助学生快速定位到相关内容页面或提供学生学习过程中需要的参考资料。是学习过程中 常用的一种重要的交互功能。 2 1 3 功能模块耦合度分析 从系统开发的角度来看，需求分析已经完成了部分功能设计。下节的体系设计将系统 按功能模块为单位进行“组装”。对这些被“组装”的功能模块，还需要了解它们的独立 性状况。 模块的独立性是指系统中每个模块只涉及软件系统要求的子系统，而与软件系统中其 他模块的联系尽可能的简单。 衡量模块独立性一般采用两个定性标准，即模块的内聚和耦合。 我们在上面已将情景模拟系统划分为四大主要模块：学习讨论模块，学习答疑模块， 在线测试模块、联机检索模块。模块之间仅有一些必要的联系，最好能够实现它们之间没 有过多的联系，使一个模块的存在并不依赖于其他模块的存在，这样就可以提高模块之间 的独立性。 为了实现对不同的学习对象进行控制，学习讨论模块，学习答疑模块，在线测试模块 等都进行了安全验证。为了减轻系统的服务器的负担，及为了将来的系统的安全性考虑( 主 要是防止安全验证的代码泄露) ，将这三个模块共同的安全验证业务运用组件技术进行逻 辑封装。 因此，不难发现：情景模拟系统的这四个模块之间的耦合度相对较低( 仅体现在调用 共同的安全组件) ，而内聚性较高，各个模块之间基本没有数据的传递。 第1 2 页 东南大学硕士学位论文 2 2w e b 教育软件的体系结构 2 2 1 系统的逻辑体系结构 由2l 节的对w e b 教育软件功能需求的分析，本节将给出整个软件系统的逻辑体系 结构。 根据上述分析，结合我们对技术的理解。我们提出以下模型。 下图2 2 描述了远程学习的知识结构和学习过程的总体框架，它包括课件系统、情景 模拟系统组成。情景模拟系统又由学习讨论、学习答疑、学习答疑、联机检索、在线考试 等模块组成。其中，课件系统是基础，情景模拟的活动贯穿于学习的过程中。 人机 界面 1 、 l课程内容 工 土一 上l 在 坐坐 联谋 应 线习机件 用 老 讨答检系 逻 l g ,论疑索统 辑 层 一 1 。，r 一 安全验证组件 介。 1 u 7 ，一、 、 学习信息库 ， 图2 2