（计算机应用技术专业论文）交互式cai及其应用.pdf

摘要 y 6 3 5 7 l d 交互式c a i 及其应用 摘要 随着社会的发展，全民教育计划的实施和终身教育观念的深入人心，越来越 多的人们加入到科技知识的学习中去但我国的教育资源相对贫乏，不能够满足 全民学习的需求；另一方面我国互联网近几年高速发展，特别是远程教育的发展 为人们在家学习提供了一个理想的场所。而远程教育实施的一个基本条件是要有 高质量的交互式计算机辅助教学软件( 即交互式c a i ，或i c a i ) 。 交互式c a i ( i n t e r a c t i v ec o m p u t e ra s s i s t e di d s t r u c f i o n 的简称即交互 式计算机辅助教学) 是利用计算机把文字、图形、图像、声音，动画，影像等媒 体结合起来进行教学的软件。它突破了传统媒体的“线性限制”，以交互性、随 机性、灵活性、全方位立体化的方式把信息知识形象，生动地呈现给学习者。 具有交互性强：知识密度大、表i r 觋- ) b 强，能很好地激发学习者的学习兴趣。 主要研究内容包括： 1 多媒体c h i 研究：通过分析c a i 定义及其产生的背景和多媒体技术，找出 现有c a i 的应用现状及存在的问题。 2 交互式c a i 研究：首先给出交互的定义，然后详细分析交互式c a i 的交互 形式及实现方法。 3 数据结构c a i 的开发：把交互式c a i 的理论应用到数据结构c a i 学 习课件的设计与实现当中去，制作出一个交互性强的数掘结构学习软件。 经过反复地程序设计与调试，研制出的数据结构c a i 学习课件具有以下特 点： 1 界面友好，屏幕符合学习者的学习习惯。 2 突出交互，控制灵活，自主选择学习内容和进度。 3 图、文、声、像并茂，集趣味性、娱乐性j 学二；= jj ：体。 4 大量使用超文本链接使学习者的选择快捷、方便。 5 教与学和练习的有机结合，使学习者在学习过程中可随机进行练习，加深 课堂学习内容的印象。 本文实现的数据结构c a i 学习课件可以应用到学尘的日常学习中去，为学 生们进一步掌握数据结构知识奠定了基础。 关键词：多媒体计算机辅助教学交互性 郑州大学丁学硕i ：论文 i n t e r a c t i v ec a ia n di t sa p p l i c a t i o n s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y a l lp e o p l et r a i n i n gp l a nh a sb e e n p e r f o r m e da n dt h ec o n c e p t i o no fl e a r n i n gl i f e t i m ewasd e e pi nh e a r t m o r e a n dm o r ep e o p l eb e g i nt ol e a r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b u te d u c a t j o n a l resourcesinourc o u n t r yares op o o rt h a tt h e yc a n tm e e tt h en e e d so f a 1 1p e o p l el e a r n i n g o nt h eo t h e rh a n d h i g h l yd e v e l o p e di n t e r n e ti nour c o u n t r y ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to fr e m o t ee d u c a t i o n ，p r o v i d eai d e a l p l a c ef o rours t u d y i n gi nh o m e w h i l et h ep e r f o r m a n c eq fr e m o t ee d u c a t i o n n e e d sab a s i cc o n d i t i o n i ti st h a th a v eah i g h lyq u a i t yi n t e r a c t iv e c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n i n t e r a c t i v ec o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o ni sa 。t e a c h i n gs o f t w a r e ， w h i c hc o m b i n e st e x t ，p i c t u r e 、i m a g e ，s o u n d ，c a r t o o na n dv i d e et h r o u g h c o m p u t e r i tb r e a k sd o # n “l i n e a r1 i m i t e d ”o ft r a d i t i o n a lm e d i a p r e y i d e s i n f o r m a t i o nk n o w l e d g ef o r1 e a r n e r sa c t i v e l yt h r o u g ha 1 1k i n do fw a y s ，s u c h a s i n t e r a c t i v i t y 、r a n d o m 、f l e x i b i l i t y ， l ld i r e c t i o n sa n dt h r e e d i m e n s i o n s w h i c hh a v eh i g hi n t e r a c t i v i t y 、b i gk n o w l e d g ed e n s i t y ，s t r o n g p r e s e n t a t i o na n dc a nw e l ls p u r1 e a r n e r sh o b b yf o rs t u d y i n g m a i nr e s e a r c h e dc o n t e n t si n c l u d e ： 1 t h er e s e a r c ho fm u l t i m e d i ac a i ：w ef in da p p li e ds t a t ea n dp r o b l e m s o fe x i s t i n gc a it h r o u g ha n a l y z i n gt h ed e f i n i t i o n b a c k g r o u n do f c a i a n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y 2 t h er e s e a r c ho fi n t e r a c t i v ec h l ：f ir s t ly ，w eg i v et h ed e f i n i t i o n o fi n t e r ：s e c o n d l y ，w ea n a l y z ei n t e rw a y sa n dr e a li z a t i o ni d e a s o fi n t e r a c t i v ec a ii nd e t a il 3 d a t as t r u c t u r e c a i sd e v e l o p m e n t ：w eu s et h et h e o r yo f i n t e r a c t i v ec a ii n t ot h ed e s i g n i n ga n dc o m p l e t i o no fs o f t w a r eo f c a if o rs t u d y i n g d a t as t r u c t u r e ) a n dm a k ea d a t as t r u c t u r e s t u d y i n gs o f t w a r ew it hs t r o n gi n t e r a c t i v i t y a f t e rp r o g r a m sd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n g ，t h em c a fo n ( d a t as t r u c t u r e h a st h e s ec h a r a c t e r i s t i a s ： 1 t h ef r i e n d l yi n t e r f a c ea c c o r d sw it ht h el e a r n e r sh a b i tf o r l e a r n i n g 2 g o o di n t e r a c t i v i t ym a k e si te a s yt oc o n t r o lt h es o f t w a r e y o uc a n a b s t m c t c h o o s et h el e a r n i n gc o n t e n t sa n dl e a r n i n g sr a t eo fp r o g r e s s 3 t h em a p s 。w o r d s ，s o u n da n di m g i n e so ft h em c a ib r i n gi n t e r e s t e n t e r t a i n m e n ta n dr i c hk n o w l e d g e 4 t h eh y p e r t e x t sa p p li c a t i o nm a k e sl e a r n e rc o n v e n i e n tt ol e a r n 5 t h ec o m b i n a t i o no ft e a c h i n g ，l e a r n i n ga n de x e r c i s ecand e e p e nt h e l e a r n i n ge f f e c td u r i n gl e a r n i n g t h e c a ! o f d a t as t r u c t u r e m a d ei nt h i s o fh e n a du n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y p r o j e c ti st h eb a s eo ft h ef u r t h e rs t u d yi n t h e s i scanb eu s e din c a m p u s f o rs t u d e n t s s t u d y 嘶i d a t as t r u c t u r e s u ns h i b a o ( c o l l e g eo fe l e c t r i c e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yc h e nt i e j u n k e yw o r d s ：m u l t i m e d i a ，c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ( c a i ) ，i n t e r a c t i v i t y i i i l绪论 1绪论 1 1 课题背景分析 1 1 1 交互式c a i 研究是教育现代化的需求 交互式c a i ( i n t e r a c t i v ec o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n 的简称，即交 互式计算机辅助教学) 是利用计算机把文字，图形、图像、声音、动画、影像等 媒体结合起来进行教学的软件。它突破了传统媒体的“线性限制”。以交互性、 随机性、录活性、全方位立体化的方式把信息知识形象、生动地呈现给学习 者。具有交互性强，知识密度大、表现力强，能很好地激发学习者的学习兴趣。 2 0 世纪g o 年代以来，随着多媒体技术及其i n t e r n e t 的迅猛发展，交互式c a i 在 现代教育中的应用模式得到了进一步的深化和发展。 1 ，1 2 交互式c a i 研究也是非教育领域应用需求的体现。 近年来交互式c a i 课件不仅在教育领域中得到了广泛的应用，而且在非教育 领域应用也取得了巨大的成功。如仿生学领域，科技成果推广领域等，象各种演 示系统或帮助系统在人们的同常生活中起到了重要作用，所以说c a i 的交互性和 自主性是它得以发展的重要原因，但是社会的需求也是交互式c a i 发展的本质体 现。 1 2 研究手段 1 2 i 查阅资料 大量查阅资料了解c a i 的发展历程，应用现状，应用模式以及在实践中的 使用效果情况，籍以确定交互式c a i 的表现形式和各种交互性的实现方法。 1 2 2 对已有作品进行比较分析 对以往的作品( 如数据结构c a i 课件，计算机网络c a i 课件等) 进行 分析和比较，吸取其优秀部分，针对它们交互方面的不足进行改进，形成本课题 的定位。我认为目前需要改进的不足是：人机对话的交互性；绘图如能采用三维 技术，教学更生动、形象；网上应用不够丰富等。 1 ，2 3 实际的开发实验 确定好各种交互方法后。准备开发的素材，选择a u t h o r w a r e 6 5 和t u r b oc 作为开发工具，进行实际的开发实验，以实现和验证提出的多种交互方法。 1 2 4 进行总结 开发实验完成后，请有教学经验的教师进行测评。听取意见和建议，对作品 修改。并进行总结，肯定成绩，指出不足，并针对下步的研究提出更深一层的功 能要求。 郑州丈学工学硕士论文 2多媒体0 a i 研究 2 1c a i 的定义及其产生背景 c a i ( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n 计算机辅助教学) ，是以计算机的多 项功能和特点，代替或部分代替教师面向学习者，促使学习者实现有效学习的教 学形态较之“教师一一粉笔一一学习者”传统的教学方式，这是比较新颖有趣的。 在英国又被称为c a l ( c o m p u t e ra s s i s t e dl e a r n i n g ) 或c b l ( c o m p u t e rb a s e d l e a r n i n g ) 。 为了_ 拓宽计算机的应用范围和改进现有的教学形态，1 9 5 8 年美国的i 蹦公司 首先开始了计算机在教学方面应用的研究，用一台i b m 6 5 0 计算机连接一台电传打 字机向小学生传授二进制算术，并能根据学生的具体要求进行简单的人机交互。 经过近4 0 年的努力，随着计算机科学技术的逐步提高与日臻完善，c a i 在欧美国 家和我国国内都得到了近一步的发展，现在已经广泛应用于多种应用学科。 教学系统是一种教学信息传递和处理的信息系统，c a i 则是具有一定教学功 能的教学软件。c a i 功能应该包括： ( 1 ) 学习者提供各种教学信息。 ( 2 ) 用于对学习过程进行判断，评价和学习指导。 ( 3 ) 审l 造学习动机，强化学习刺激 ( 4 ) 更新学习数据，实现对学习过程的教学策略有效地控制。 c a i 的学习过程如下图： 对于计算机提示的教学信息，学习者产生接受反应后，随之给出应答，计算 机对学习者的应答进行评价，并根据评的结果和控制策略决定随后应提示的教学 信息。这样反复循环进行，就构成了c a ! 的学习过程，其中就包括了或多或少的 人机交互。不同程度的人机交互是c a i 软件的重要特点。只有有效地设置了人机 交互，才能使计算机对学习者的学习效果有所理解和评价，并对学习过程进行控 制。 2 2 多媒体c a i 研究 c a i 又依其教学形态包括各种类型如个别指导型、练习训练型模拟与游 戏型，向题解决型、问答型等，学习者可根据学习目的选择适于自己的c a i 。 2 2 什么是多媒体技术 2 2 1 多媒体技术的产生及发展 t 9 8 4 年美国a p p l e 公司推出世界上第一台具有多媒体特性的计算机 - m a c i n t o s h 计算机。1 9 8 7 年8 月又引入了h y p e r c a r d ，使m a c i n t o s h 计算 机成为用户方便使用的，能同进处理多各信息媒体的计算机。 1 9 8 5 年c o m m o d o r e 公司推出了世界上第一个多媒体系统：a m i g a 5 0 0 。 1 9 8 6 年p h i l i p s 和s o n y 联合推出交互式紧凑光盘系统c d i ( c o m p a c td i s c i n t e r a c t i v e ) 。 1 9 9 0 年1 1 月m i c r o s o f t 公司会同多家厂商召开了多媒体开发者会议，制订 了m p c ( 多媒体计算机) l e v e l i ( 标准1 ) 。 1 9 9 2 年m i c r o s o f t 公司推出视窗操作系统w i n d o w s 3 1 ，包括了多媒体扩展技 术，多媒体应用软件，支持多媒体技术的驱动程序，动态链接库及o l e 技术。 1 9 9 3 年5 月，多媒体计算机市场协会发布了m p c 的l e v e l 2 ( 标准2 ) 。 1 9 9 3 年8 月，在美国l o sa n g e l e s 召开的首届多媒体会议，专家们讨论了包 括通讯协议( c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s ) ，压缩与编码( c o m p r e s s i o n a n d c o d i n g ) ， 通讯系统。( c o m m n i c a t i o ns y s t e m s ) ，超媒体( h y p e r m e d i a ) ，媒体同步( m e d i a s y n c h r o n i z a t i o n ) 等在内的1 7 项技术。 1 9 9 5 年，多媒体计算机市场协会又发布了m p c 的l e v e l 3 ( 标准3 ) 。 多媒体技术已经形成一股洪流，渗透和影响刭柱会的方方面面，如教育、娱 乐，旅游、通信和出版业，并逐步进入我们的家庭生活多媒体技术是计算机科 学技术、计算机通信技术、电视技术、人机界藤等一系列技术进步的必然产物， 是各个学科综合发展的结果。 2 2 2 多媒体技术的特征及相关技术 所谓的多媒体技术，实质上是将以自然形式存在的各种信息媒体数字化，然 后利用计算机进行数字加工，以一种友好贴近自然的方式提供给使用者交互使用。 各种信息媒体包括文本、图像、图形、声音以及动画、视频、计算机在其之间建 立逻辑连接，成为一个具有实时交互的系统。在多媒体技术中，集成性、交互性 和实时性为其糟髓。 从多媒体的概念中可以得出多媒体的三个显著特征： ( 1 ) 集成性 信息媒体是多无化的，而且是建立在数字化处理的基础上的，多媒体技术j 下 是将不同的信息媒体有机地组合成一个或一套的多媒体信息，基本上可以说包括 塑型查竺三堂璧主丝苎 了当今计算机领域内最新的软硬件技术。 ( 2 ) 交互性 指使用者可以主动地对媒体信息的结构进行存储、缩放、变换等操作并产生 一种全新信息的交流方式。 ( 3 ) 实时性 主要是指要支持对各种信息媒体的实时处理而不能产生停顿。 多媒体技术的核心是音频和视频的软硬件技术。除此之外，还有c 卜r 伽技术， 伴随多媒体技术发展的触摸屏技术、超文本与超媒体技术、多媒体数据管理技术、 多媒体通讯和网络技术等。多媒体的软件平台及多媒体开发编辑工具也是多媒体 技术的范畴。 。 音频处理技术：指声音的采集、量化、编码、译码、放大和播放的过程 中涉及到的软硬件技术。在音频处理技术中，又包括两种形式，第一种是对模拟 音频信号进行数据采集、量化后将波形形式的模拟信号转换为数字信号，再将编 码压缩存入，需要时解压和还原；第二种是m i d i ( m u s i c a li n s t r u m e n td i g i t a l i n t e r f a c e 乐器数字接口) 技术，是m p c 支持的另一种声音产生方式。m i d i 的 产生只是发送给声音合戒器一系列指令，指令中定义了声音的音调、音色等重要 信息，并以扩展名m i d i 的形式存盘，可随时调用，并可对其编辑。 视频处理技术；包括了图形图像视频的捕捉，模拟信号的数字化、压缩 编码、彩色坐标转换等。外界( 如录像机等) 的模拟信号通过视频卡将其进行数 字化后变成计算机可以显示和处理的数字信号。由于压缩方法多而杂，国际标准 化组织( i s o ) 制订了j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p he x p e r tg r o u p 静态图像压缩) 和 肝e g ( m o t i o np i c t u r ee x p e r tg r o u p 动态图像压缩) 。 超文本和超媒体技术：用于存储和检索非线性的数据。它用链将数据连成 网状结构，让使用者真正做到自主掌握，随心所欲。超文本技术不仅限于文本的 非线性结构，而且扩展到了声音、图像等多种媒体的超媒体。 2 3 多媒体技术与c a l 的有机结合 2 3 1 在c a i 中引入多媒体技术 c a i ，一般是指通过计算机的辅助，为达到一定的数学目的而提供的教学活动。 早期的c a i 与传统的教学形态基本相似，所不同的只是学习工具从黑板换成了电 子屏幕，在教学形态上还是未走出传统的教授方式，教与学的效率并未得到实质 性的提高。 众所周知，人们在感受客观世界的时候，我们的视觉、听觉、嗅觉等各种感 觉器官都在接受外界刺激再作出判断反应，这样可以更多更快地获得信息。多媒 体技术将文字、图表、声音、静态或动态的图像集成于一种，使传递的信息更丰 富形象，是贴近客观自然的交流环境和方式。在c a i 中引入多媒体技术，学习者 4 2 多媒体c a 研究 通过多重感官刺激，加速理解、接受和记忆知识信息的过程，并且有助于学习者 的联想和推想，可以激发学习兴趣和集中注意力。结果是会大大提高教与学的效 率。在知识爆炸的现代社会。它会使知识的获取成为一件容易、快乐、事半功倍 的事情。 除此之外，多媒体技术还包括了强大的交互技术和大容量存储管理技术，在 多媒体c a i 设计中大最采用超文本结构( 也可以叫超媒体技术) ，克服了传统教学 形态中一成不变的线性模式，有助于学习者对知识信息进行灵活选择，根据自己 的知识基础和学习能力选择一套学习进程，教与学的内容和形式完全可以做到因 人而异。 2 3 2 多媒体c a i 的基本要求 ( i ) 正确表达学科的知识内容 这是最基本的一项要求，教学的目的就是让学习者获得知识信息，所以各种 媒体信息是为传递知识，达到某一层次的教学目的而设计设置的。必须是以多媒 体为中介的知识传递体系和网络。 ( 2 ) 教学过程和教学策略 在多媒体c a i 中，多种媒体信息的设置必须能够反映出软件设计者针对某一 具体学科而设计的教学过程和教学策略。教学过程和教学策略是多种多样的软 件开发者可依具体学科和具体教学目的进行选择。 ( 3 ) 有友好的人机交互 现代多媒体c a i 的主要特征是交互性能强大。学习者能通过c a i 进行交互式 的学习，否则多媒体c a i 就没有什么意义。交互性包括下拉菜单、按钮、热字或 热对象、文本交互等。能过交互，学习者可以选择学习内容，计算机也可以对学 习者的要求和回答进行反馈和判断，使学习者的学习效果加固。 2 4c a l 和多媒体c a i 的应用现状 2 4 i 国外c a i 发展过程及应用现状 美国i b m 公司率先于1 9 5 8 年设计出第一台计算机系统，此系统利用一台 i b m 6 5 0 计算机连接一台电子打字机教授小学生二进制数学，并根据学生的要求产 生习题，同时还研制了一种编写课程程序的创作语言。斯坦福大学从1 9 6 3 年起一 直利用计算机讲授逻辑学导论，麻省理工学院也在大学本科课程中应用计算机辅 助教学。同本、加拿大、英国等国家在6 0 年代后期也逐步开展了对c a i 的研究。 1 9 7 2 年英国政府制订了一个c a i 发展计划，5 年内投资2 0 0 万英镑，研制出2 9 个c i 系统。 许多发展中国家也充分注意了c a i 的研究。由于计算机软硬件技术的发展， 使c a i 的研究已经成为一个全球性的研究领域，大大地推动了教育的发展。 郑州大学工学硕士论文 信息时代的到来，加剧了世界各国的经济竞争，经济竞争最终反映在人才竞 争上，所以c a i 成了现代化教育的热点。日本从1 9 8 5 年开始，文部省及其它部门 分别成立了教育改革委员会，信息社会中小学组，计算机教育中心，教育信息软 件研究中心等。韩国成立了“计算机教育研究中心c e r c ”。美国在计算机教育方 面，即重视计算机教育发展的理论研究，又重视相关学科的具体应用。远距离教 育在过去的几年里有所发展。在法国西南部，一个名叫金字塔( p y r a m i d e ) 的远 距离教育网从1 9 8 4 年起开始运作。可以覆盖t o u l o u s e 地区周围2 0 0 英里的范围。 2 4 2 国内c a i 的发展过程和应用基本模式 2 4 2 1 国内c l 的发展过程 c a i 在我国也不是一个新鲜名词，早从6 0 年代就开始了初步研究，现在随着 经济的发展和计算机知识的广泛普及，激发了计算机辅助教学的迅速发展，尤其 是在中小学的课程教学中和课外练习中。 c a i 在我国的发展大致上可以分为三个阶段： 。( 1 ) 第一阶段 从6 0 年代开始到7 0 年代结束，由于国内具体的政治和社会环境，从事c a i 研究的人员极少，而且是处在实验室探索时期，没有进行适当的实践和应用。 ( 2 ) 第二个阶段 8 0 年代，改革开放，经济政治复苏，社会环境的允许和教育改革的迫切要求， 使c a i 在这一时期有了较大的发展。在一些大中小学，一些有条件的学校开始自 己制作c a i 软件。这一时期的c a i 总体特点是：起点较低。水平也不够高，低水 平重复的状况比较多，造成人力，物力资源的浪费。计算机辅助教学开始引起我 国教育主管部门的重视，1 9 8 7 年，我国成立了计算机辅助教学协会。 ( 3 ) 第三阶段 9 0 年代开始，c a i 引起了广泛的兴趣，c a i 软件大量涌现，包括题库、学科 课常教学、百科知识等。水平有所提高，但真正用于课堂教学的较少，大多为课 外家庭辅导型。9 4 年。全国教育科学规划领导小组批准中央电教馆申报的“百年 树人中学教学辅导软件研究与开发”项目增引为全国教学科学重点课题，并可发 展到“九五”阶段。9 6 年，国家教委正式批准了“计算机辅助教学软件研制开发 与利用”作为“九五”国家重大攻关项目之一。目前有的部门c a i 的应用已经有 了一些成果。例如北京景山学校广泛开展了c a i ，还实现了电子阅读；天津耀华 中学已经成功研制各学科多媒体c a i ，使c a i 走向系列化、系统化。c a i 的广泛应 用，促进了教学改革，提高了教学水平和效果。 在近年来。随着计算机技术和多媒体技术的进步，c a i 的开发与应用得到了 很大程度上的普及，许多大中小学已经拥有相当数量的计算机，却形同虚设，c a i 在我国国内应用范围有限，质量也有限，课堂上学生还是与计算机辅助教学无缘。 6 2 多媒体c a 研究 据一项调查结果显示，在各种学科的c a i 中，其中数学，物理的c a i 软件所占比 例较大，其次是外文。各学科c a i 的使用状况主要集中在“从不使用”和“有时 使用”上。 在计算机辅助教学课件中，以学生操作和练习，教师演示碣种形式艘甩褥最 为广泛：其次是教学测验和评价，模拟实验或实际情况两种：游戏方式、问题解 答、发现式学习用的很少。计算机辅助教学在我国仍需进一步推广使用。现存的 c a i 问题如下： ( 1 ) c a i 课件种类少，偏重几门学科 现在市场上的c a i 软件主要集中在几门重点学科的教学上，如物理、数学、 英语、语文等。我国目前j 下在致力于社会职业教育、职业培训等，如果能够在很 多的应用学科上推行c a i ，如会计，计算机等，则会大大地推进职业教育的改革 进程，使一部分人更容易地获得知识，这与教育电视台的初衷一致，却比教育电 视台更具有灵活性。 ( 2 ) c a i 课件无与之配套的文字教材和使用手册 由于我国未完全进入数字化时代，c a i 并未得到广泛使用，大多数的教育形 念仍然采取线性文字教材由教师口述完成。学习者接受知识的意识也未完全转入 到数字化非线性的学习中来。单纯依靠软件本身有时不免让学习者陷入困境，结 果会对c a i 式的学习失去兴趣。在制作发行c a i 的同时发行配套的文字教材和使 用手册完全有必要。 ( 3 ) c a i 的质量有待提高 很多现存的c a i 不注意针对学习者的学习心理特征，趣味性差，不能够很好 地起到辅助教学的效果，违背了c a i 的初衷。我们期待针对性强，真正起到辅助 教学效果的c a i 。 2 4 2 2 国内c a i 的应用模式 ( 1 ) 资料工具模式： 提供某种教学功能或教学资料，不放映具体的教学过程，可供学习者在课外 进行资料的查阅，也可根据教学需要选择其中有关片断，配合教师讲解，在课堂 上进行使用。 ( 2 ) 堂辅助教学模式 模式图如下： 郑州犬学丁掌硕士论义 这种模式是为了解决某一学科具体的教学重点和难点而设计，反映教学的全 部过程，媒介即计算机起一个中介作用，教师的主导作用和学生的主体作用依然 遵循着传统的教学形态。 ( 3 ) 交互型系统个别化教学模式 应用模式图如下： 这种应用模式具有完整的知识结构，根据典型例题提供同步练习供学习者交 互使用，计算机对比进行学习效果评价，并有智能化教师系统功能，对学习者的 反馈进行诊断和辅导，提供丰富的帮助文作。学习者完全可以依照自己的兴趣爱 好、时间、知识程度主导地选择适于自己的学习进程。 ( 4 ) 游戏教学模式： 基于学科的知识内容，寓教于乐，通过人人喜闻乐见的游戏模式传递知识， 并引发学习者的学习兴趣。 3交互式c a i 研究 3 交互式c a i 研究 3 1 关于交互性 3 1 ，1 什么是交互性 如果说一个多媒体片段具有双向的信息传递方式，即不仅可以向用户演式信 息，同时也允许用户向片段传递一些控制信息，这样的一个多媒体片段就具有交 互性。 交互性的出现改变了人们单纯的被动接受的局面。人们现在可以通过键盘、 鼠标甚至时间间隔来控制一个多媒体片段的行为。交互性是通过在片段中设置许 多交互点来实现的，每个交互点都给了用户一个对程序或其他用户进行响应的机 会。片段会对这些响应进行记录和比较，然后根据响应结果来决定下一步运行哪 一部分。 现在的许多多媒体片段都做成了这样的一种形式：如果用户不干预片段，则 它会按照设定好的程序往下运行；如果用户向它传递了控制信息，则它又会根据 相应的控制运行相应的部分，从而能够满足每一位用户的需求。例如，用户可以 快速浏览该片段，设置播放的节奏，对一些过程进行测试，做一些测验题，玩玩 游戏，获得进一步的信息并跟踪他们自己的进度：同时，程序会记录下与用户有 关的信息：他们选择的路径、响应的时间、测验的结果等。 3 1 2 交互的重要性 传统的面对面教学过程中，老师和学生处于同一教室中，老师通过多种形式 向学生传授知识，老师和学生间可以通过问答或作业的提交和批改等方式进行交 流，特别是在课堂上，老师与学生之间和学生与学生之间的交流是实时的，这就 是面对面的交互式教学的特点。师生间或学生间的交流可以是声音、动作、文字 或其他任何形式，交流可以是面对面的，也可以是非面对面的。许多人( 包括许 多传统的面对面教育工作者) 常常提出这样的问题：使用c a i 学习方式的学生能否 与接收传统的面对面教学的学生学得一样多? c a t 学习能与传统的面对面教学方 法具有相同的效果吗? 比较两种教学方法的研究结果显示：当采用与教学任务相 适应的方法和技术并配以学生间的交流及定期的师生间的信息反馈，c a i 教学能与 传统教学方法具有相同的效果。换言之，缺乏师生间及同学问的交流、远程教学 的效果将不及面对面教学方式。因此，交互性在c a t 教学中对提高教学质量起着极 其重要的作用。 3 1 ，3 交互的组成部分 试想一下这样一个常用的交互式多媒体片段：用户启动一个程序，屏幕上列 出了一系列的标题，然后用户单击了某一个按钮选择一个标题，于是程序沿着用 9 塑型查堂三堂堡圭丝苎 户所选择的分支开始执行。 上面这个例子就包含任意一个交互都具有的基本组成部分：一种交互的方法 ( 一个按钮) 、一个响应( 一次鼠标单击) 以及一个结果( 程序的分支) 。 ( 1 ) 交互的方法 通常有许多不同的方法来允许用户进行交互。可以在程序中设置按钮让他们 单击，设置菜单让他们选择，设置文本域让他们输入文字等。例如，可以让 用户在一幅地图中单击某一个城市的标志来得到关于该城市的更详细的信息；或 者在一段文字中单击某一个词来得到它的定义；或者等待用户按下一个键来移动 屏幕上的光标；或者让他们移动一些化学仪器来做一个化学实验。 在设计交互的方法时，一定要选择最有效的交互方式。例如，对于大多数用 户来说，让他们在一幅地图上用鼠标单击选择一个城市比让他们在一个文本域中 输入该城市的名字要容易的多；而让他们在一个文本域中输入自己的名字又比让 他们在屏幕上用鼠标点击不同的字母拼出他们的名字又要快得多。 ( 2 ) 响应 响应就是用户要采取的动作。 根据不同的交互方法，用户将采取不同的响应方法。如果在程序中设置了一 个按钮就期望用户单击它；如果设置了一个文本域，则期望用户在其中输入一些 文字。但是用户并不总按我们的期望来做。假设设置了一个选择题，其中在问题 的下面用1 ，2 和3 为序号分别列出三种答案。大多数用户会在一个他们认为正确 的答案上单击鼠标，但是也会有一些人输入1 ，2 或3 ，甚至有些人不做任何动作。 通常把预测的用户所能做出的任何响应都叫做目标响应。在上面的选择题的 例子中，正确的答案，当然是目标响应，但是错误的答案也是目标响应。一个设 计得比较好的程序应该能够预测到所有不合适或不正确的响应。也就是说，必须 把所有不合适或不正确的响应也作为目标响应并对它们做出相应的处理。 ( 3 ) 结果 结果就是指当程序接收到用户的响应后所采取的动作。在a u t h o r w a r e 中，交 互的结果可以是a u t h o r w a r e 能实现的所有可能。 3 2 计算机辅助教学软件对交互功能的要求 计算机辅助教学环境下的交互功能体现的是教师、学生和教学软件三者之间 的双向交流，通过信息的交流，三者不断的对自身进行调整，营造最优化的教学 环境，在尽可能的条件下使学生的学习效率达到最大化。同时，这种交互还体现 在学生与学生之间，在网络版的计算机辅助教学环境下，使用计算机辅助教学软 件的不同的学生可能在时间和地理上存在着巨大的不同，但通过网络提供的通信 手段，可以做到有效的交流，达到协同学习的目的。计算机辅助教学中的交互功 能要达到以下的要求： 1 0 3交互式c a i 研究 ( 1 ) 交互的实时性强 这是交互性最重要的一点。在单机条件下应该能对请求立即做出响应；网络 条件下，由于双方都在线，计算机辅助教学软件也应该能做到实时交互。所以说 教学媒体能够对学生的提供的信息立即反应，不拖延的向学生送出反馈信息是计 算机辅助教学软件成功的关键。 ( 2 ) 交互的双向性 教师、学生和教学软件都是信息的发出者和接受者。计算机辅助教学软件应 该可以在学习者学习的同时对学习者的学习情况进行记录，并根据相应的评价规 则分析记录，给出结果以供学生和教师进行参考。 ( 3 ) 交互的灵活性 教师和学生可以灵活的进行交流，通过多种技术手段使交互以一种自然的方 式进行，营造良好的学习环境提高学习的效率。 ( 4 ) 交互的非线性 教学软件可以根据教师和学生的要求非顺序的呈现教学内容。教师和学生通 过对教学软件的选择，以最佳的学习顺序进行学习，充分的提高学习效率。在计 算机辅助教学软件中，学生应该是主导者，应该有充分的选择权。 ( 5 ) 交互的简单性 教学软件和学生及教师之间的交互要尽可能的做到简单明了。小步子学习是 计算机辅助教学软件开发中的一个重要概念。远程教育课程设计时要将教学内容 进行细化，明确不同的知识点之间的关系，根据具体的教学要求对知识点的复杂 程度进行控制，保证学生能充分的理解每一个知识点。 3 3 交互方式分析及实现 c a i 课件对于自主式学习有着非常重要的作用。学生在学习时随意性很大，很 容易转移、变换其学习的关注点和注意力，如果在课件中仅仅以文字和图片表达 学科的知识点，容易造成学习起来很枯燥，难以对课程长久集中注意力，同时也 没有发挥计算机多媒体、网络、虚拟现实等技术的优势。c a i 课件交互性可以通过 学生与计算机的互动体现，如许多课件开发的在线自测练习、程序功能操作、( 虚 拟) 数字设备仪器操作、虚拟实验室( 台) 等，通过学生在计算机上的选择、设 置、操作等，让其亲身体验课件交互操作所带来的乐趣和感性认识。例如在“管 理信息系统”课件中让学生通过对某个具体管理信息系统的操作，来理解其业务 管理功能的作用，学生宿舍管理系统，优化选址管理系统所示；还有如“液压与 气压传动”课程的虚拟实验台通过“气控机械手系统要求”、“气控机械手系 统设计提示”“气控机械手逻辑连线程序”进行机械手的设计，并配有机械手三 维动画演示，波形监视器交互操作演示等等，使得学生通过计算机屏幕在逼真的 波形监视器进行操作。 郑州大学工学硕士论文 c a i 课件的交互方式很多，但它的使用往往与网络联系起来，因此常用的交互 方式有：人际交互、人机交互、教学交互、( 非) 实时交互和教学评价系统的交互 等。 3 3 1 人际交互的功能及实现 学生与教师及学生与学生之间的交流在本质上是网络条件下的人际交流，重 点在于提供一个简单、实用的交流环境。这一部分交互功能的设计首先要求做到 能够进行实时性，提供一个可以在使用上类似于传统课堂教学环境下的交流环境。 当教师在线的时候，学生可以在教师的直接指导下进行学习，充分的利用教师和 学生的有效时间帮助学生进行课程的学习。这里主要的工作是要在远程教育课程 建设的时候构造个在线的实时对话程序，利用t c p 协议或u d p 协议来传送文字 或语音信息。现在网络上的聊天室程序就是一个最好的例子。在这样的一个交流 环境中，教师和学生可以自由的进行对话，就教与学的有关问题来进行探讨，学 生同时也可以和学生之间进行讨论。在系统的支持下，传统教学环境下的小组学 习、协作学习、讨论学习等等学习方式都可以得到实现。对于教学过程的控制上， 赋予教师足够的权限，灵活的与学生进行交流。 3 3 2 人机交互的功能及实现 传统的教学环境中学生主要是通过课本和教师讲授进行学习，而在计算机辅 助教学环境下，学生通过计算机教学软件进行学习。与书本相比，计算机教学软 件有着明显的优势，它可以通过多种方式向学生展示教学内容，记录学生的学习 过程，提供实时的学习效果检验并能够根据所记录的学生学习过程与检验结果进 行综合分析给出反馈。这些都是通过对计算机教学软件的设计，发挥这些优势的 作用，使之尽可能的帮助学生进行学习，因此需要认真的设计软件的交互功能。 在网络教学环境下，学生主要是通过w e b 页面来学习教学内容，因此页面本 身的设计就是非常重要的。一般说来，一个页面由多种元素构成：课程标题，功 能菜单，教学内容呈现，导航区，交互区等等。这些元素不一定要全部呈现在页 面上，因为这样做一是没有必要，二是计算机屏幕的大小有限，三是可能会干扰 学生的学习。良好交互界面设计要求做到整体风格与教学内容相适应，各部分分 配比例适中，重点突出教学内容部分。学生在通过页面进行学习的时候可以静下 心来学习，而不会受到因为界面设计问题的影响。 页面菜单的设计要体现人性化的特点，它是计算机教学软件交互特性的重要 体现。良好的菜单在给学生带来使用上的方便外，也应富有艺术情趣，减轻学生 的心理负荷和记忆负担。菜单交互是计算机教学软件交互特性的重要表现形式， 好的交互菜单要做到菜单内容简洁明了，功能表述清晰，显示的位置和方式与整 个页面相协调，整个系统的菜单设计体现整体性，一致性。一般说来，计算机软 件中的菜单根据其位置可以分为静态菜单和动态菜单，根据其显示方式可分为下 3交互式c a i 研究 拉式和弹出式，另外还有线性式、二维平面式、立体投影式、垂挂式等多种。网 络教学软件设计中，静态菜单和动态下拉式菜单有着比较多的应用。静态菜单主 要是一些学生使用最多的功能，直接呈现在页面上以方便学生使用。菜单的外形 设计需要与整个页面的风格相适应，不同的菜单在外形上可以有所不同，但在整 体风格上应保持一致。动态下拉式菜单主要表示一些系统功能和学生使用比较少 或转向另外一个大的学习模块。这种菜单的设计总的来说要做到简洁明了，排列 有序，起到较好的导航作用。 为了方便学生对整个教学内容的掌握和知识点的查找，计算机辅助教学软件 还提供内容导航和知识点检索的功能。传统的课本通过章节目录提供对整个教学 内容的导航，以方便使用者快速的查找某一具体的内容。这项功能在计算机教学 软件设计中可以通过设计内容导航来完成。细致正确的内容导航可以使学生方便 的浏览相应的教学内容。同时，由于计算机教学软件在提供教学内容时可以使用 多种表现形式：文字、图形、图片、声音、动画