（课程与教学论专业论文）基于web和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计.pdf

摘要 随着w e b 技术的不断发展和成熟，基于w e b 的智能教学系统的 研究越来越受到重视，数据挖掘、人工智能等技术在i t s 中的应用也 越来越广泛，越来越深入。对基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统 的研究，必将有力地推进智能教学以及相关学科的不断发展和进步， 具有深刻的理论和实践意义。 。 本课题是在对智能教学系统的发展现状和前景进行详细研究的 基础上提出的。本文通过对建构主义教学理论及其对i t s 的指导作用 等内容的研究，对系统的各个组成模块设计思想进行完善并进行一定 的实例设计工作，力求设计出一种智能性、科学性更高的i t s 模型， 具体体现在以下几个方面： 第一，深入探讨智能教学系统研究现状以及存在的问题等，并对 智能教学系统的相关教学理论及其指导下的教学模式等进行研究，从 教育学的角度努力完善系统模型的指导思想，从而更好地提高系统的 科学性和智能性。 第二，重点阐述智能教学系统中领域知识库的设计与实现，从知 识点的划分、表示以及知识点网络结构的组织等方面着手，以数据 结构课程为例来进行详细的知识点及知识库框架设计。 第三，对认知型学生模型的构建进行了研究与设计。在认知心理 学和数据挖掘等理论和技术基础上力求设计出更为精确的学生模型， 并且详细设计出在数据库中学生模型的数据表结构以及数据获取方 t 法。此外还对数据挖掘技术的相关理论进行研究，着重将w e b 日志 挖掘技术应用到学生模型中。 第四，对智能教学系统的教师模型模块进行研究设计，着重研究 教学策略推理机的设计及过程实现，并将w e b 日志挖掘技术应用到 教师模型中来，努力提高系统推理的准确性和智能性。 关键词：智能教学系统；领域知识库；学生模型；数据挖掘；教师 模型 n a l o n g w i t ht h ei n c e s s a n td e v e l o p m e n ta n dm a t u r eo fw e b t e c h n o l o g y ， m o r ea n dm o r ei m p o r t a n c ew e r ea t t a c h e dt ot h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n t t u t o r i n gs y s t e mb a s e do nw e b t h ea p p l i c a t i o no fd a t am i n i n g a n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ei ni t s ( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ) i sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ew i d e s p r e a da n df u r t h e r t h er e s e a r c h0 1 1i n t e l l i g e n t t u t o r i n gs y s t e mb a s e do nw e ba n dd a t am i n i n gw i l lp o w e r f u l l yp r o m o t e t h ei n t e l l i g e n t t e a c h i n g a sw e l la st h ec o r r e l a t i o nd i s c i p l i n e , h a v i n g p r o f o u n dt h e o r ya n dp r a c t i c es i g n i f i c a n c e t h i st o p i cw a sp r o p o s e df r o md e t a i lr e s e a r c ho nt h ep r e s e n ts i t u a t i o n a n dt h ep r o s p e c to fi n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m t h i sp a p e rr e s e a r c h e do n c o n s t r u c t i o np r i n c i p l et e a c h i n gt h e o r ya n dt h ei n s t r u c t i v ef u n c t i o nf o ri t s ， c o n s u m m a t e dt h ed e s i g n i n gi d e ao fa l lt h es y s t e m sc o m p o s i t i o nm o d u l e a n dd e s i g n e dc e r t a i ne x a m p l e s ，m a d ee v e r ye f f o r t 1 0d e s i g na nm o r e i n t e l l i g e n ta n ds c i e n t i f i ci n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m m o d e f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e da n dp e n e t r a t e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n d t h ee x i s t i n g q u e s t i o n so ft h ei t s ，a sw e l l a sr e s e a r c h e do f fr e l a t e d t e a c h i n gt h e o r ya n dt h et e a c h i n gm o d eg u i d e db yi t ，f o rt h ep u r p o s eo f d i l i g e n t l yc o n s u m m a t i n gt h eg u i d i n gi d e o l o g yo ft h es y s t e mm o d e lf r o m t h e p e d a g o g i c a la n g l e ，t h u s e n h a n c e dt h es c i e n t i f i cn a t u r ea n dt h e i n t e l l i g e n c eo ft h es y s t e m s e c o n d l y ，t h i sp a p e rf o c u s e do ni l l u s t r a t i n g t h ed e s i g n i n ga n d i i i r e a l i z a t i o no ft h ed o m a m k n o w l e d g ed a t a b a s ei ni t s ，l a u n c h i n go nt h e d i v i s i o na n d e x p r e s s i o n o ft h e k n o w l e d g ep o i n t a sw e l la st h e o r g a n i z a t i o no ft h ek n o w l e d g ep o i n tn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，d e s i g n e dt h e d e t a i l e dk n o w l e d g e p o i n t sa n dt h ek n o w l e d g ed a t a b a s ef r a m et h r o u g ht h e e x a m p l eo f t h e ”c o n s t r u c t i o no fd a t a ”c u r r i 印l u m t h i r d l y , t h i sp a p e rd i ds o m er e s e a r c ha n dd e s i g no nt h ec o n s t r u c t i o n o ft h ec o g n i t i v es t u d e n tm o d e l t r y i n gt od e s i g nam o r ep r e c i s es t u d e n t m o d e lb a s e do nt h et h e o r yo fc o g n i t i v ep s y c h o l o g ya n dd a t am i n i n g ，a s w e l la sd e t a i l e dd e s i g no nt h ed a t at a b l es t r u c t u r ea n dt h em e t h o do f g a i n i n gd a t ai nd a t a b a s e ，c h a n g i n ga b s t r a c ti n t oc o n c r e t e i na d d i t i o n ，t h i s p a p e ra l s or e s e a r c h e do nt h er e l a t e dt h e o r yo fd a t am i n i n gt e c h n o l o g ya n d p u te m p h a s i so nh o w t oa p p l yw e b m i n m gt e c h n o l o g yt os t u d e n tm o d e l f i n a l l y ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ec o n c r e t em o d u l eo ft e a c h e rm o d e li n i t s ，c o n c e n t r a t e do nt h es t u d yo ft h et e a c h i n gs t r a t e g yi n f e r e n c ee n g i n e s d e s i g na n dt h ep r o c e s so fr e a l i z a t i o n ，a n dc f e a t w e l ya p p l i e dt h ed a t a m i n i n gt e c h n o l o g yt oc o n s u m m a t et h et e a c h e rm o d e la n df i n a l l yt o c o n s u m m a t et h ei t s k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ；d o m a i nk n o w l e d g ed a t a b a s e ； s t u d e n tm o d e l ；d a t am i n i n g ；t e a c h e rm o d e l 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 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。 j 学位论文作者签名：怼略妒如啼7 年椤月日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阆。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密毗 作槲：知翰，稚鬻譬裂日 导师签聋：主t 1 匕事日期：d 7 年占月日 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 第一章绪论 随着教育信息化进程的日益推进，多媒体计算机越来越受到人们 的关注和重视，越来越普遍地应用到日常教学中，以多媒体形式开发 的多媒体教学软件，也得到了越来越广泛的应用。基于网络的智能教 学系统更是为新时代的教育学习提供了新的思路和方法，网络应用于 教育领域，使教育信息的传播方式发生了改变，从而促进了教育理念、 教育模式、教学方法等的发展与变化：同时也打破了时空的限制，给 人们提供了大量便捷的学习机会、丰富的教学环境和教学资源，使学 习活动更加自主化、个性化和智能化n 。 1 1 课题的研究背景和意义 我国目前的教育改革十分重视对学生的素质教育，素质教育的目 标是使学生形成比较合理的知识结构和能力结构，能力培养是素质教 育的重点。从建构主义学习理论的角度来讲，能力素质的形成一方面 是学生自主学习的过程，是主动意义建构的结果；而另一方面也需要 教师为学生创设情境、创造条件、启发引导，充分发掘学习者的个人 特征，使得教学过程尽可能地适合每个学生，真正做到因材施教。 人工智能技术与计算机辅助教学相结合形成的新兴的研究领域 智能教学，无疑为因材施教的教育目标提供了良好的实现途径， 因此对于智能教学系统的研究也日益提上了日程，现有的智能教学系 统的缺陷与不足，迫切需要改进与完善。 主要表现在以下几个方面： 1 硕士学位论文 ( 1 ) 智能性较差。对不同基础不同要求的学生和不同课程采用 相同的教学策略，不能根据学生的认知水平和自主学习情况自动调整 教学策略。 ( 2 ) 缺乏网络支持。现有的绝大多数智能教学系统是在单机环 境下运行，无法利用网络在知识更新上方便快捷的优势来实现对于教 学内容的更新与维护，缺乏生命力啪。 ( 3 ) 缺乏对教学对象( 学习者) 的有效分析。建立的学生模型 不够科学准确，忽视学生现有的知识水平、认知能力与情感等因素对 学习的影响，不能很好地达到因材施教的目的。 ( 4 ) 缺乏对学生自主学习过程、学习进度、学习效果的有效监 控和合理评价。 ( 5 ) 资源浪费。站点上积累了大量有用的教学信息，如用户的 注册信息、学习进度、访问日志、考试信息与交流信息等等，都没有 被很好地利用起来，造成了极大的资源浪费b 3 。 随着w e b 技术的不断发展和成熟，基于w e b 的智能教学系统的 研究越来越受到重视。在w e b 上构建智能教学系统，这种方式利用 网络实现了分布式教学，可以同时接受多用户的并发访问，资源利用 率大大提高，又不受时间和空间的限制，为学习者建构知识提供丰富 的信息，更能满足学习者的个性化要求，也为合作学习创造了更大的 可能性，可以在最大程度上满足因材旌教的需要。 基于w e b 的智能教学系统( w e b b a s e di n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m 、 综合了传统的i t s 系统的优势，同时又结合了w e b 的特点，客户端 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 结构简单，适用范围广，人机交互界面简洁明了。系统具有智能性， 结合学生的特点进行教学，可以通过多种多样的交流工具进行有效的 交互和即时的通信反馈，能够智能地引导学生学习，提供了丰富的信 息来源和良好的导航结构，可以进行有效的信息过滤等等。实践证明， 基于w e b 的智能教学系统是i t s 系统的发展方向。 总之，网络化与智能化是辅助教学系统发展的两大趋势，也是我 国教育信息化的必然趋势，对于网络环境下智能教学系统的研究应是 当前和以后相当长时期的一个重要课题。本课题以建构主义学习理论 为基础，以网络技术、人工智能技术、数据挖掘技术等为技术背景， 必将有力地推进智能教学以及相关学科的不断发展和进步，具有深刻 的理论和实践意义“1 。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 计算机作为一种现代化教学手段和工具，应用于教育领域始于 2 0 世纪5 0 年代，当时计算机辅助教学以线性程序( l i n e a rp r o g r a m s ) 为特征，程序通过提供顺序化步骤引导学生逐渐接近学习目标。到 6 0 年代，引入了分支程序( b r a n c h i n gp r o g r a m s ) 的概念，学生能够 在一定程度上决定学习路径，从而能在有限范围和程度上进行自主选 择学习内容，为个性化教学提供了可能。 到了7 0 年代，计算机用于教育的进展则是实现了教学材料的自 动生成，习惯上称为生成系统，即由计算机生成闯题及其解答，并对 学生的回答进行有限的评价。由此，智能教学系统( i n t e l l i g e n tt u t o r i n g s y s t e m ，i t s ) 作为一个新概念形成了。一般认为第一个i t s 是1 9 7 0 3 硕士学位论文 年j r c a r b o n e l l 所领导开发的s c h o l a r 系统。近几年来，由于 i n t e r n e t 的飞速发展，给i t s 的发展带来了新的生机，基于网络的i t s 成为研究的热点。目前许多国家正在进行i t s 系统的深层次研究，主 要基于建立更好的学生模型、教师教学策略建模、合作交互式学习、 对学生学习日志的挖掘以及社会和情感智能在i t s 中的应用等，旨在 进一步提高系统的智能性和实用性，更好地发挥i t s 系统的“优秀教 师”这一特性嘲。 国外对i t s 的研究较多，其中最为活跃的是美国，此外，欧洲、 日本、加拿大等也纷纷投入了大量人力、物力、财力从事i t s 的研究。 研究工作主要在大学和军方进行，美国一些知名的大学如s t a n f o r d 、 m 1 1 、m e m p h i s 、c a r n e g i em e l l o n 、j o h n sh o p k i n s 、c a l i f o r n i a 等都在 进行这方面的研究工作，开发出了一些智能相对较高的应用i t s 软 件，建立了内容丰富的智能化教育网站。美国国家科学基金会( n s f ) 资助总数达0 2 2 5 亿美元基金，以进行人类学习和创造学习的智能教 学系统的研究。m e m p h i s 大学开发研究了1 5 年的t u t o r 系统，通过 对舢、认知科学和复杂系统的研究，能够进行不同学科的教学，能 够对学生的问题做出适当的反应，可以由计算机进行暗示和提示阻3 。 近年来，基于网络的i t s 己成为研究的热点，典型的如p e t e r b r u s i l o v s k y ，e l m a rs c h w a r z ，g e r h a r dw e b e r 开发的e l m a r t 系统。 同时，目前许多国家正在进行i t s 系统学习、对学生学习目志的挖掘， 以及社会和情感智能在i t s 系统中的应用等的研究盯1 。 我国对于i t s 的研究起步较晚，早期的研究工作主要集中在一些 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 大学和研究机构断续进行，且多为研究和演示用的系统，大都处在实 验室研究阶段，经过严格测评的系统很少，只有极少数系统在现实人 类教育中得到运用。 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 研究工作；到了8 0 年代后期，许多计算机辅助教学研究的课题开始 列入了国家重点科技攻关项目，许多科研机关、企业、学校着力开发 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 计算机辅助教学系统研制课题在各高校开始进行，i t s 的研究也取得 了突飞猛进的发展。 近年来，关于i t s 的研究则变得异常活跃，有很多大学和科研机 构开始进行r r s 的研究开发工作，一些计算机公司也加入到智能教学 软件的开发中来，一个又一个大i t s 成品不断投入到日常教学使用中 来。比较典型的有中科院院士张景中先生与广州大学软件所联合研制 开发的z + z 智能教育平台，它是一个面向中学数学学科的知识平台。 该平台以人工智能、知识工程等技术为基础，具有强大的自动推理和 自动解题功能，支持知识查询与计算机辅助解题等。此外比较著名的 i t s 还有清华大学的“计算机线性代数教学软件”、广东工业大 学的计算机网络课程教学系统等。此外，一些大学、科研机构的 实验室中也一些i t s 的智能化程度很高，比如首都师范大学王陆教授 等所开发的“首师大虚拟学习社区智能网络教学支撑平台”，它将工 作流技术、计算机协同工作技术、数据挖掘技术和智能代理技术综合 运用于智能教学系统，实现自动推理，主动推送个性化学习信息、具 硕士学位论文 有教学决策支持和多种教学工作流等。 但i t s 毕竟是一个涉及多学科的复杂知识系统，我们对它的定义 又是如此的高，所以在i t s 的研究、发展过程中未能解决的问题堆积 如山。比如：在认知心理学方面，由于对学生的认知过程还不太清楚， 因此不能建立完善的学生模型；在教育学方面，无法从众多的教学策 略中选出一个最佳的，所以无法建立完善的教师模型；在计算机科学 方面，由于i t s 系统的核心技术是知识库加推理机，因此人工智能在 发展道路上的挫折也无不体现在i t s 的发展进程中。但我们有理由相 信，随着计算机科学、认知心理学、教育学的发展，i t s 的研究也将 不断向前迈进，开创良好的局面嘲。 1 3 本课题的主要研究工作及创新点 作为一名信息技术教育方向的研究生，本人尝试着研究i t s 这样 一个课题，突出对教学理论、学习理论和系统设计理论的研究，使得 i t s 真正人性化，真正体现“以学生为主体，教师为主导”的双主教 学模式。一方面，本人借鉴计算机应用领域专家们在设计实现方面的 优秀成果，另一方面在i t s 的理论基础、教学模式、领域知识库、学 生模型、教师模型等与教学过程密切相关的环节上下功夫，力争能阐 明i t s 所依据的教育心理学理论基础，并在这些理论的指导下研究 i t s 该如何进行有效教学，力争建立完善的领域知识库框架，力争建 立更精确的学生模型和教师模型，从而提高系统的科学性和智能性。 具体来说，本文的主要研究工作及创新点体现在以下几个方面： ( 1 ) 首先深入探讨了智能教学系统研究现状以及存在的问题等， 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 并对智能教学系统的相关教学理论及其指导下的教学模式等进行深 入研究，旨在从教育学的角度来完善系统模型的指导思想。 ( 2 ) 重点研究智能教学系统中领域知识库的设计与实现。从知 识点的划分、表示以及知识点网络结构的组织等方面着手，以具体的 数据结构课程为例来进行详细的知识点及知识库框架表示设计， 真正做到变抽象为具体，让人一目了然。 ( 3 ) 对i t s 中的学生模型进行研究与设计。在认知心理学和数 据挖掘等理论和技术基础上力求设计出更为精确的学生模型，并且设 计出数据库中学生模型的数据表结构以及表中数据获取方法，有一定 的创新意义，使得学生模型的框架更加清晰明朗。此外还对数据挖掘 技术的相关理论进行研究，着重研究如何将w e b 日志挖掘的聚类和 分类技术应用到学生模型中，通过对学生进行分类以更好地提供针对 性的教学服务。 ( 4 ) 最后对智能教学系统的教师模型模块进行研究设计。着重 研究教学策略推理机的设计及过程实现，并将w e b 日志挖掘技术中 的关联规则和序列模式等应用到教师模型中，努力提高系统推理的智 能性和准确性。 1 4 本文的章节安排 本文共分为六章，各章主要内容大致如下： 第一章绪论，阐明了本文选题的背景和研究意义，并对与题目 相关领域的国内外研究现状进行综述，最后说明了论文的研究内容， 即本人的主要工作，和论文的章节安排。 7 硕士学位论文 第二章从i t s 的本质特征出发，深入研究了i t s 的系统结构、 工作原理以及教学模式等内容，并且对建构主义学习理论进行了深入 的研究，着重探讨其对i t s 的指导作用，力求在教育学理论的角度上 来完善i t s 模型设计的指导思想。 第三章研究i t s 中领域知识库的设计与实现。首先从领域知识 库的概念及结构出发，对知识点的划分、表示以及知识点网络结构的 组织等内容进行了深入的研究，再以具体的数据结构课程为依托 进行了详细的知识点及知识库框架表示实例设计。 第四章对i t s 中学生模型进行研究与设计。在认知心理学和数 据挖掘等理论和技术基础上力求设计出更为精确的学生模型，对学生 模型库中的学生信息进行具体的数据结构设计，并且对数据挖掘技术 及其在学生模型中的应用进行深入研究。 第五章在对教师模型的功能和工作流程等进行研究的基础上， 对智能教学系统的教师模型模块进行研究设计，着重研究教学策略推 理机的设计及过程实现，并将w e b 日志挖掘技术中的关联规则和序 列模式等应用到教师模型中。 。 第六章总结与展望，对论文的工作和成果进行总结，并为相关 课题研究的迸一步深入做出展望。 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 第二章智能教学系统概述 智能教学系统( i n t c l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ，简称i t s ) 是指具有 某一领域知识和相应教学方法，能对学生进行个别化教学，根据学生 对知识理解掌握的程度，自动调节教学方法及教学速度，在一定程度 上模拟人类教师进行教学活动的软件系统。它能够以学生为中心，充 分调动学生的积极性，模拟专家的思维过程形成开放的交互式系统， 改变传统的教学模式，担负教育和教学的任务，在一定程度上能代替 教师实现最佳教学，有助于学生智力的发展和能力的培养国”1 。 2 1 智能教学系统的本质特征 智能教学系统是综合人工智能技术、教育心理学、计算机科学、 多媒体技术等多门学科而形成的- - 1 7 对学生实施有效教育的技术，是 涉及人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 、计算机科学、认知科学、 思维科学、教育学、心理学和行为科学的综合性课题，是计算机辅助 教育发展的新阶段。 智能教学系统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、测试内容、维护接口，可以方便地调整教学策略。可以说，一 o 硕士学位论文 个理想、完美的智能教学系统就是一个自主、优秀的“教师”。 智能教学系统的意义在于减轻人类教师工作量，提高教学质量， 增进人类对其自认知过程的了解和带动相关学科的发展。这就要求计 算机系统具备领域知识、教学知识、了解学生的能力以及跟学生交互 的能力。一般来说，其功能特征主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 具备某一领域的学科知识，有完备的知识库； ( 2 ) 能自动生成各种习题和练习； ( 3 ) 能够分析学习者的特征，根据学生的水平和学习情况调整 学习内容和进度； ( 4 ) 具有自然语言的理解和生成能力，以便实现自由的教学问 答系统，以提高人机主动交互性； ( 5 ) 在理解教学内容的基础上自动解决问题，生成解答； ( 6 ) 对教学内容有解释咨询能力； ( 7 ) 能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施； ( 8 ) 能评价学生的学习行为； ( 9 ) 能评价教师的教学行为； ( 1 0 ) 能不断在教学中改善教学策略。 由i t s 的以上智能特征不难看出，i t s 与传统的教学系统相比， 更加符合教育教学的规律，迎合学生的认知习惯，具有明显的优越性。 但是，以现有的科学技术水平和研究状况而言，短时间内要实现具备 上述全部功能的i t s 是基本上不太可能的。一般认为，只要具备以上 一个或几个智能特征的教学系统就可以称之为智能教学系统“。 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 2 2 基于w e b 的智能教学系统 随着多媒体、超媒体以及网络技术的发展，提供网络学习环境， 进行远程的网络教学成了计算机在教育应用方面的研究热点，出现了 基于w e b 的智能教学系统。这样的教学系统与单机智能教学系统有 很大的不同：学生的学习是在智能学习环境中，通过与智能教学环境 的交互，与同伴的协作、会话来建构实现的；学生的学习是自主的、 积极的，学生是意义建构的主体，是学习的主人n “。 由于网络的存在能够为学习者提供大量丰富的网络学习资料，使 学生的学习在一定程度上成为一种基于资源的学习。基于资源的学习 最大的优势是学习者的个性化、自主性能得以充分地发挥。基于w e b 的智能教学系统中强调了网络学习资源的重要性，它除了具有智能教 学系统的特点之外，还增加了网络学习资源系统的功能和特点“。 2 3i t s 的系统结构 i t s 主要在知识表示、推理方法和自然语言理解三个方面运用人 工智能原理。知识表示用来建立i t s 中的领域知识库；推理策略主要 对知识库中的知识进行推理，得出需要的结论，一般用来解答学生的 询问，评价学生的作业等；自然语言理解使得教学系统允许学生用自 然语言与计算机对话，而且计算机也可以决定什么时候以什么方式向 学生提供必要的反馈信息。 目前，国内外的智能教学系统虽然在结构上形式多样，但总的来 说都包括了以下四个部分：学生模型、教师模型、领域知识库和人机 硕士学位论文 交互模块，其中教学策略模块作为一个决策的功能模块也通常将其从 教师模型中分离出来。 i t s 的系统结构图如图2 - 1 所示“鲫。 子 骰 知i 领域知识库l 张 生学 师 屯 登 广1 教学内容h 策 墨i 学生模型库i 登 录 + 一l。卜 略 录 界 u 测试题u 模 教师模型库i 界 面 块面 图2 - 1i t s 的系统结构图 ( 1 ) 学生模型。学生模型能够跟踪学生的学习过程，记录学生 的学习状况，准确反映学生的学习进度、学习水平及学习能力等，为 系统实现个别化教学提供依据。该模块的主要功能就是为教师提供必 要的信息作为教学策略的依据，从而使系统能正确评价学生理解程 度，诊断错误原因，针对具体情况，选择最有效的教学途径。 ( 2 ) 教师模型。教师模型把学生模型提供的学生情况和领域知 识库中提供的知识综合起来，建立指导策略，即在最适当的时候显示 最好的指导，进行启发式的高水平教学。教师模型的设计主要体现了 系统的开放性和可扩充性：一方面教师可以通过该系统查看学生的学 习状况，了解学生的学习进度，为实际的教学安排提供参考和依据； 另一方面教师能够修改和更新领域知识库的内容，如修改相关的知识 点，添加练习题和测试题等。 ( 3 ) 领域知识库。领域知识库是由所讲授的具体领域知识构成 的知识库，它的作用是组织、存放和管理教学领域的一切知识。一般 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 将领域知识组织为知识点及其相互关系的知识网络，存放知识点及知 识点间的连接信息形成领域知识库。它作为系统全部知识的来源，接 受系统其它模块的频繁调用，完成相应的用户请求任务。 ( 4 ) 教学决策模块。系统在教学决策方面，力求模拟优秀教师 的智能，根据学生的学习进度、学习水平、学习能力、动态调整教学 策略，提供适合每个学生个体的学习内容，实现智能化学习，最终达 到实现个别化教学和因材施教的目的。 ( 5 ) 人机交互模块。人机交互模块主要建立智能接口，处理学 生、计算机和教师之间的信息交流，以便“友好”地利用自然语言进 行教学回答、帮助并指导学生的学习。人机交互模块作为实现系统与 用户交互的部件，在系统一系列的智能行为中，为其它各个模块提供 多媒体知识输入、用户信息和行为获取和知识输出的广泛途径n “。 2 4i t s 的工作原理 在i t s 中，学生在使用i t s 进行学习时，既可以自主选择学习内 容、练习或者测试，也可以由教师推荐或者指定。系统教师模型模块 充当教师的作用，建立和维护领域知识库( 也可以由专门的系统管理 员来进行领域知识库的内容输入、更新和维护等操作) ，并且通过学 生模型中的学生个人信息以及学习历史情况等对学生的知识水平进 行检测，判断学生的学习需要，判定学生自主选择的学习内容或测试 等的难度是否符合其现有的知识水平，从而有针对性地给学生推荐适 合其当前知识水平的知识点内容或者测试题目，并根据学生的学习情 况随时更新学生模型信息。此外，系统还可以通过数据挖掘技术对学 1 3 硕士学位论文 生进行分类，发现学生浏览模式等，调整知识点页面之间的结构及组 织关系等，如此循环，从而不断优化教学策略和教学知识库，提高系 统的智能性，最终实现更快更好的“因材施教”教学服务。 2 5i t s 中的多种教学模式 在i t s 中，通常包括多种教学模式：个别授导、操作与练习、教 学模拟、教学游戏、虚拟实验室、案例研习等，各种不同的教学模式 有各自不同的基本教学过程。简述如下： 个别授导是经典的计算机辅助教学模式之一，此模式试图在一定 程度上通过计算机来实现教师韵指导性教学行为，对学生实施个别化 教学，其基本教学过程为：计算机呈示与提问、学生应答、计算机判 别应答并提供反馈。 操练与练习是应用最广的教学模式，它并不向学生教授新的内 容，而是由系统向学生呈示问题，学生作答，再由系统给予适当的反 馈。操练主要采用选择题和判断题等形式；练习的目的重在帮助学生 形成和巩固问题求解技能，大多采用简答题和计算题之类的形式。 教学模拟是利用计算机建模和仿真技术来表现某些系统的结构 和动态，为学生提供一种可供他们体验和观测的环境。教学模拟是一 种十分有价值的教学模式，在教学上有广泛的应用。 教学游戏与计算机模拟有密切关系，多数教学游戏本质上也是一 种模拟程序，只不过在其中刻意加入趣味性、竞争性、参与性的因素， 做到“寓教于乐”。例如，在教学游戏中，学生可以扮演某些角色， 如作为探险家在蛮荒险地求生存，作为企业家在市场竞争中求发展等 1 4 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 等，从而使学生在娱乐中形成相关的能力。 虚拟实验室实际上是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境，供 学生观察与操纵其中的对象，使他们获得体验或有所发现 案例研习为学生提供一种丰富的信息环境，系统中包含从实际案 例中抽取的资料，让学生通过资料收集、分析和决策，得出问题结论。 这里只简述了部分能用计算机来实现的教学模式，随着对教学模 式研究的深入，还会有更多的教学模式出现“力。 2 6 建构主义学习理论及其对it s 的指导作用 近二十年以来，把学生作为知识灌输对象的行为主义学习理论， 已经让位于把学生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人，近年来，认知学习理论 的一个重要分支一建构主义学习理论越来越被关注和重视。 建构主义学习理论是行为主义发展到认知主义后的进一步发展， 由瑞士心理学家皮亚杰( j p i a g e t ) 提出，它为计算机辅助教育提供坚 实的理论基础。建构主义学习理论强调以学生为中心，它不仅要求学 生由外部刺激的被动接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；而且要求教师由知识的传授者、灌输者 转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者。这就意味着教师应当在 教学过程中彻底摒弃以教师为中心、强调知识传授、把学生当作知识 灌输对象的传统教学模式，逐步形成与建构主义学习理论、建构主义 学习环境相适应的新一代教学模式、教学方法和教学设计思想“。 硕士学位论文 2 。6 1 建构主义学习理论的基本内容 建构主义学习理论的基本内容可以从“学习的含义”与“学习的 方法，这两个方面进行说明。 1 学习的含义 学习是获取知识的过程。建构主义认为，知识不是通过教师传授 得到，而是学习者在一定的情景即社会文化背景下，借助学生获取知 识过程中的其他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必要的学习 资料，通过意义建构的方式而获得的。由于学习是在一定情境下，借 助其他人的帮助即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程，因 此建构主义学习理论认为“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。 情境：学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建 构。这就对教学设计提出了新的要求，也就是说，在建构主义学习环 境下，教学设计不仅要考虑教学目标分析、学习者特征分析等，还要 考虑有利于学生建构意义的情景的创设问题，并把情景创设看作是教 学设计的最重要内容之一。 协作：协作发生在学习过程的始终。协作对学习资料的搜集与分 析、假设的提出与验证、学习成果的评价直至意义的最终建构均有重 要作用。 会话：会话是协作过程中的不可缺少的环节。学习小组成员之间 必须通过会话商讨如何完成规定的学习任务的计划；此外，协作学习 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 过程也是会话过程，在此过程中，每个学习者的思维成果均为整个学 习群体所共享，因此会话是达到意义建构的重要手段之一。 意义建构：这是整个学习过程的最终目标。在学习过程中帮助学 生意义建构就是要帮助学生对当前学习内容所反映事物的性质、规律 以及该事物与其它事物之间的内在联系达到较深刻的理解。这种理解 在大脑中的长期存储形式就是关于当前所学内容的认知结构。 2 。学习的方法 建构主义提倡以学习者为中心在教师指导下的学习，既强调学习 者的主体作用，又不忽视教师的主导作用。学生是信息加工的主体、 是意义的主动建构者，而不是知识的被动接受者和被灌输的对象。教 师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的提供者与灌输者。 学生要成为意义的主动建构者，就要求学生在学习过程中从以下 几个方面发挥主体作用： ( 1 ) 要用探索法、发现法去建构知识的意义； ( 2 ) 在建构意义过程中要求学生主动去搜集并且分析有关的数 据和资料，对所学习的问题要提出各种假设并努力加以验证； ( 3 ) 要求学生尽量把当前学习内容所反映的事物和自己已经知 道的事物联系起来，并对这种联系加以认真的思考。“联系”与“思 考”的过程是意义构建的关键。如果能把联系与思考的过程与协作学 习中的协商过程( 即交流、讨论的过程) 结合起来，则学生意义建构 的效率会更高、质量会更好。 硕士学位论文 教师要成为学生建构意义的帮助者，就要求教师在教学中从以下 几个面发挥主导作用： ( 1 ) 激发学生的学习兴趣，引导和帮助学生形成学习动机； ( 2 ) 通过创设符合教学内容和教学目标要求的情景和提示新旧 知识之间联系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义。 ( 3 ) 组织学生之间的协作学习，开展讨论与交流，并对协作学 习的过程进行引导，将学生对知识的理解引向深入，提出适当的问题 引起学生的思考和讨论，在讨论中设法把问题一步步引向深入以加深 学生对所学内容的理解； ( 4 ) 要启发诱导学生自己去发现规律、自己去纠正和补充错误 的或片面的认识，切忌直接对学生进行灌输； ( 5 ) 将控制调度学习过程的智能逐步地、精心地移交给学生自 己，以利于培养和提高学生的元认知技能，从而引导学生朝有利于意 义建构的方向发展“”。 2 6 2 建构主义学习理论指导下的网络教学 7 网络教学不同于传统的课堂教学，以建构主义学习理论为指导的 网络教学，有其自身的独特性，在具体教学过程中应把握以下几个关 键点： 1 采用双主模式 建构主义学习理论强调学习者是认知主体，是意义的主动建构 者；同时又不忽视教师的主导作用，认为教师是意义建构的帮助者、 基于w e b 和数据挖掘的智能教学系统模型的研究与设计 指导者和促进者。因此，多媒体网络教学应采取既发挥学生主体作用、 又发挥教师主导作用的双主模式。 2 创设真实情境 建构主义学习理论认为，学习活动是在一定的情境即社会文化背 景下进行的，而且学习环境中的情境必须有利于学习者对所学内容的 建构。那么，在多媒体网络教学活动中，应创设什么样的情境呢? ( 1 ) 创设符合学习者认知发展水平的情境。应仔细分析学习者 的知觉、记忆、思维以及动机、经验、情感等因素，找到学习内容与 学习者认知结构的结合点，在创设自然科学领域中的学习情境时，用 最符合学习者认知心理的外部刺激去促进他们对新知识的同化和顺 应，完成意义的建构。 ( 2 ) 创设尽可能真实的多样化情境。利用多媒体技术与虚拟现 实技术创设逼真的情境，有助于调动学生的所有感官和过去的经验去 探索解决问题，而问题只有在真实情境中才具有挑战性和现实意义。 创设从不同侧面、不同角度表征知识的多样化情境，将为学习者的探 索提供多条路径，以便随机进入任意情境去学习，促进知识迁移啪3 。 ( 3 ) 学习内容的多媒体化。为提高学生的学习兴趣和学习主动 性，应根据教学目标提供图文声像并茂的教学内容，并将知识点通过 超级链接结构组织起来，使之相互交叉，有利于启发学生的发散思维。 3 学习系统的开放性和可扩充性 系统的开放性和可扩充性主要体现在两个方面：一方面教师可以 硕士学位论文 通过该系统查看学生的学习状况，了解学生的学习进度，为实际的教 学安排提供参考和依据；另一方面教师能够修改和更新领域知识库的 内容，如修改相关的知识点，添加练习题和测试题等。 4 学习过程中的协作与会话 由于知识的复杂性，学习者不可能对知识有全面的理解；同时， 由于情境中问题的艰巨性，学习者不可能完全独立解决，从而使面对 面的或通过多媒体网络进行的协作学习成为必然。 会话是协作过程中的不可缺少环节，学习小组成员之间必须通过 会话商讨如何完成规定的学习任务的计划；此外，协作学习过程也是 会话过程，在此过程中，每个学习者的思维成果为整个学习群体所共 享，因此会话是达到意义建构的重要手段之一乜”。 当前，多媒体网络教学在各地蓬勃展开。建构主义是学习理论历 经行为主义、认知主义之后的进一步发展，为教育技术