（计算机软件与理论专业论文）基于par方法的程序设计icai实验系统的研究与实现.pdf

丫7 1 2 2 3 0 摘要 随着软件产业的快速发展， 人才日 渐成为制约产业发展的关键因素。 程序设 计i c a i ( i n t e ll ig e n t c o m p u t e r - a s s is t e d i n s t r u c t i o n ) 软 件 作为 培 养 软 件人 才的 一 种 新型辅助教学工具， 倍受业内 人士青睐。目 前， 很多计算机程序设计教学软件质 量不高， 它们往往是按照某一固定模式进行教学， 交互性较差， 更不用说在程序 教学中实现程序设计过程自 动推理;且大多数都片面地强调语言的语法和语义， 对程序的由 来讲述不清， 无法给出 程序设计的全过程， 忽略了 对学习者程序设计 能力的培养。其中程序设计理论不完善是主要原因之一。 科学的 程序设计理论和方法是构造高质量程序设计教育软件的基础。 薛锦云 教授在国 家8 6 3 和多项国家自 然科学基金课题的资助下， 根据多年从事算法程序 设计理论研究的成果， 提出了一种简单、 实用的设计和证明算法的形式化方法一 p a r方法.应用p a r方法，可以给出从需求解的问题，到可执行程序的具体设 计过程。薛锦云教授领导的课题组几年来一直在从事程序设计教学软件的 研究， 以 克 服现有程序设计教学软件的不足。 本论文在本课题组已 有研究的基础上， 重 新构建了一个程序设计i c a i 系统， 实现了p a r方法知识教学以 及关于部分复杂 递归类问题的程序设计过程和推理的教学，并可通过 p a r方法支撑工具 ( 即自 动程序转换系统) 及时检测程序的正确性。 本论文也是薛锦云教授主持承担的“ 实用的软件形式化方法” 和“ 基于p a r 方法的算法设计形式化和自 动化研究” 两个国家自 然科学基金项目 的理论成果在 程序设计教学实践中的具体应用。本文的创新点主要体现在以下几个方面: ( 1 ) 进一 步 深入 研究p a r 方 法， 将p a r 方 法 知 识点 重 新 进 行分 类并 重 构知 识库， 将领域知识库中的知识点单独组织起来， 并将知识点的内 容文件存放在教 学材料库中，供不同水平的学生选择学习，更好地实现因材施教与个别化学习。 ( 2 ) 深 入 研究复 杂 递归问 题的 非 递归 算 法， 实 现了 部 分复 杂 递归 类问 题的 可 重用程序模板，为生成无限 题库提供支持和理论依据。 ( 3 ) 充分运用人工智能技术， 实 现了 关于部分复 杂递归 类问 题的 程 序设 计过 程的自 动推理。 关键词:p a r 方法，程序设计 ! c a i ，递归问题，可重用程序模板 ab s t r a c t wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f s o f t w a r e in d u s t ry , t a l e n t s h a v e b e c o m e a c r i t i c a l f a c t o r o f r e s t r i c t i n g i n d u s t r y s d e v e l o p m e n t d a y b y d a y . r e g a r d e d a s a k i n d o f n e w - t y p e a u x i li a ry e d u c a t i o n a l a i d w h i c h t r a i n s s o ft w a r e t a l e n t s , p ro g r a m m in g i c a i s o f tw a re i s f a v o r e d b y t h e i n s i d e r . a t p r e s e n t , t h e q u a li t y o f m a n y c o m p u t e r p ro g r a m m i n g i n s t r u c t io n s o f t w a r e s i s l o w . t h e y o f t e m c a r r y o n t e a c h in g a c c o r d i n g t o a c e rt a i n r e g u l a r m o d e a n d t h e i n t e r a c t i o n i s re l a t i v e l y b a d , l e t a l o n e r e a l i z e a u t o m a t i c r e a s o n i n g i n t h e d e s i g n i n g p r o c e d u r e o f t h e p ro g r a m . t h e y m o s t l y e m p h a s i z e t h e g r a m m a r a n d s e m a n t e m e o f t h e l a n g u a g e o n e - s i d e d l y , c a n n o t e x p l a i n t h e o r i g i n t o t h e p ro g r a m a n d c a n n o t p r o v i d e t h e w h o l e d e s i g n c o u r s e o f t h e p ro g r a m . t h u s t h e y h a v e n e g l e c t e d t h e c u l t i v a t i o n o f s t u d e n t s p r o g r a m m i n g c a p a c i t y . a m o n g s t t h e i m c o m p l e t e n e s s o f p r o g r a m m i n g t h e o ry i s o n e o f t h e m a i n r e a s o n s . s c i e n t i fi c p ro g r a m m i n g t h e o ry a n d m e t h o d a r e f o u n d a t i o n s o f c o n s t r u c t i n g t h e c a i s o f t w a r e w it h h i g h q u a l i t y . u n d e r t h e s u b s i d y o f 8 6 3 a n d m u l t i p l e n a t i o n a l n a t u r a l s c i e n c e f u n d s u b j e c t o f t h e c o u n t ry , p r o f e s s o r x u e h a s p u t f o r w a r d a s i m p l e a n d p r a c t i c a l f o r m a l iz a t i o n m e t h o d , v iz . p a r m e t h o d , w h i c h c a n d e s i g n a n d p ro v e a l g o r i t h m a c c o r d i n g t o t h e a c h i e v e m e n t o f e n g a g i n g i n t h e t h e o r e t i c a l r e s e a r c h o f a l g o r i t h m i c d e s i gn f o r m a n y y e a r s . b y u s i n g p a r m e t h o d , i t i s p o s s i b l e t o p ro v i d e t h e d e t a i l e d d e s i g n p r o ce s s f ro m p ro b l e m s p e c i fi c a t io n t o e x e c u t a b l e c o d e . t h e t e a m w h i c h p r o f e s s o r x u e j i n y u n l e a d s k e e p s b e i n g e n g a g e d i n t h e r e s e a r c h o f p r o g r a m m i n g i n s t r u c ti o n s o f t w a r e i n o r d e r t o o v e r c o m e t h e d e f i c i e n c y o f t h e m . t h i s p a p e r c o n s t r u c t s a n e w p ro g r a m m i n g i c a i s y s t e m t o r e a l iz e t h e t e a c h i n g o f p a r m e t h o d k n o w l e d g e a n d t h e p r o c e d u r e a n d r e a s o n i n g a b o u t p a rt com p li c a t e d r e c u r s i o n p ro b l e m . a n d m e a s u r e t h e e x a c t n e s s o f t h e p r o c e d u re i n t i m e t h r o u g h p a r m e t h o d s u p p o rt t o o l s , v i z .a u t o m a t i c p ro g r a m con v e rt i n g s y s t e m s . t h e r e s e a r c h o f t h i s p a p e r i s t h a t t w o p ro j e c t s o f t h e n a t i o n a l n a t u r e s c i e n ce f o u n d a t i o n w h i c h x u e j i n y u n a r e t a k i n g c h a r g e o f , n a m e l y , p r a c t i c a l s o f t w a r e f o r m a l i z e d m e t h o d a n d a l g o r i t h m d e s i gn f o r m a l i z a t i o n a n d s u t o m i z e s t u d y i n g b a s e d o n p a r m e t h o d , a p p l y con c r e t e l y i n t h e p r a c t i ce o f p ro g r a m d e s i gn i n s t r u c t i o n . t h e in n o v a t io n o f t h e p a p e r i n c l u d e t h e s e con t e n t s : ( 1 ) f u r t h e r i n v e s t i g a t i n g p a r m e t h o d , c l a s s i f y i n g t h e p a r m e t h o d k n o w l e d g e a g a i n . a c cor d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s u b j e c t , o r g a n i z i n g t h e k n o w l e d g e p o i n t s o f t h e k n o w l e d g e b a s e a l o n e , a n d s t o r i n g t h e con t e n t f i l e o f t h e k n o w l e d g e p o i n t s i n t e a c h i n g m a t e r i a l s t o r e h o u s e , i m p l e m e n t i n g t e a c h i n g s t u d e n t s a c c o r d i n g t o t h e ir a p t i t u d e a n d i n d i v i d u a l e d u c a t i o n b e tt e r . ( 为r e a l i z i n g r e u s a b l e p ro g r a m t e m p l a t e o f com p l i c a t e d r e c u r s i o n p r o b l e m , o f f e r i n g s u p p o rt a n d t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r p r o d u c i n g t h e i n fi n i t e q u e s t i o n b a s e . ( 3 ) f u l l y u s e t h e a rt i f i c i a l i n t e l l i g e n c e t e c h n o l o g y t o h a v e r e a l iz e d a u t o m a t i c r e as o n i n g o f t h e p r o gr a m m i n g p r o c e d u r e a b o u t p a rt com p l i c a t e d r e c u r s i o n p r o b l e m . k e y w o r d s : p a r p r o g r a m t e mp l a t e p r o g r a m m i n g i c a i , r e c u r s i o n p r o b l e m , r e u s a b l e 基于p a r方法的程序设计i c a i 实验系统的研究与实现 第一章绪论 1 . 1 研究背景与意义 随着信息化时代的到来、软件业的发展，我国每年至少存在 2 0 万软件人才 缺口， 此现象严重影响了我国i t产业的发展. 程序设计i c a i 软件作为培养软件 人才的一种新型辅助教学工具已成为世界各地专家学者研究的热点。 他们针对程 序设计研究了许多教学软件， 旨在帮助学习者突破学习上的困难点， 进而掌握程 序设计的概念与技巧。 但是， 遗憾的是当前许多计算机程序设计方面的软件比较 注重介绍 “ 知识” ，特别是语言的语法和语义，无法给出程序设计的分析过程， 对于程序的由来讲述不清， 致使许多学生学习这些软件后仍不会设计程序， 其中 程序设计理论不完善是主要原因之一。 科学的程序设计理论和方法是构造高质量程序设计教育软件的基础。 薛锦云 教授及其领导的课题组根据多年承担国家 8 6 3和国家自 然科学基金课题以及从 事算法程序设计理论和方法研究的成果， 创造性地提出了一种简单实用、 统一的 算法程序设计及形式化推导和证明的方法-p a r方法。p a r方法可以 取代目 前 普遍使用的分治法、 动态规划法、 贪心法等算法设计方法， 支持算法程序开发的 全过程， 能够给出从需求解的问 题到可执行程序的具体设计过程。 p a r方法含算 法设 计 语言r a d l 、 抽 象 程 序设 计 语言抑l a 和相 关 程序自 动 转 换 系 统。 该方 法不 仅对实现软件开发的形式化和自 动化有显著作用， 而且对计算机程序设计相关课 程的革新也产生深远影响。以p a r方法为基础，薛锦云教授提出了一种新的计 算机程序设计课程体系结构。 实践证明， 按这个新结构和新方法进行程序设计教 学，可以清晰地阐述程序设计的过程，有效提高学习者的程序设计能力。 将p a r方法的理论和方法融入程序设计教学系统中，无疑给程序设计i c a i 软 件的 研制提供了 新的 指导思 想， 国际 著 名计算 机科学图 林奖 获得者d ij k s t r a 曾 经就提出要 “ 将程序计算技能贯穿到程序设计引论课程中去” 。本文以薛锦云教 授提出的算法程序设计、推导和证明的p a r方法及其语言和转换工具为基础， 在本课题组己 有研究的基础上， 重新构建了 一个程序设计i c a i 系统， 实现了p a r 方法知识教学以及关于部分复杂递归类问 题的程序设计过程和推理的教学， 并可 通过p a r方法支撑工具 ( 即自 动程序转换系统) 及时检测程序的正确性。 在本 系统中， 设计了 基础知识和程序设计知识等不同阶段的学习， 提供了练习、 测试、 实时纠错功能。 在学习过程中， 学习者还可根据自己的需要自己出题， 从而获得 设计程序的规律和技巧; 系统并提供自 动解题和交互解题功能， 辅助学生对被求 解问题的理解， 在一定程度上体现了 教学系统的良 好交互性。 本文的研究在一定 程序上反映了程序设计的客观规律和最新科研成果， 有效克服了现有程序设计教 基于p a r方法的程序设计i c a i 实验系统的研究与实现 第一章绪论 1 . 1 研究背景与意义 随着信息化时代的到来、软件业的发展，我国每年至少存在 2 0 万软件人才 缺口， 此现象严重影响了我国i t产业的发展. 程序设计i c a i 软件作为培养软件 人才的一种新型辅助教学工具已成为世界各地专家学者研究的热点。 他们针对程 序设计研究了许多教学软件， 旨在帮助学习者突破学习上的困难点， 进而掌握程 序设计的概念与技巧。 但是， 遗憾的是当前许多计算机程序设计方面的软件比较 注重介绍 “ 知识” ，特别是语言的语法和语义，无法给出程序设计的分析过程， 对于程序的由来讲述不清， 致使许多学生学习这些软件后仍不会设计程序， 其中 程序设计理论不完善是主要原因之一。 科学的程序设计理论和方法是构造高质量程序设计教育软件的基础。 薛锦云 教授及其领导的课题组根据多年承担国家 8 6 3和国家自 然科学基金课题以及从 事算法程序设计理论和方法研究的成果， 创造性地提出了一种简单实用、 统一的 算法程序设计及形式化推导和证明的方法-p a r方法。p a r方法可以 取代目 前 普遍使用的分治法、 动态规划法、 贪心法等算法设计方法， 支持算法程序开发的 全过程， 能够给出从需求解的问 题到可执行程序的具体设计过程。 p a r方法含算 法设 计 语言r a d l 、 抽 象 程 序设 计 语言抑l a 和相 关 程序自 动 转 换 系 统。 该方 法不 仅对实现软件开发的形式化和自 动化有显著作用， 而且对计算机程序设计相关课 程的革新也产生深远影响。以p a r方法为基础，薛锦云教授提出了一种新的计 算机程序设计课程体系结构。 实践证明， 按这个新结构和新方法进行程序设计教 学，可以清晰地阐述程序设计的过程，有效提高学习者的程序设计能力。 将p a r方法的理论和方法融入程序设计教学系统中，无疑给程序设计i c a i 软 件的 研制提供了 新的 指导思 想， 国际 著 名计算 机科学图 林奖 获得者d ij k s t r a 曾 经就提出要 “ 将程序计算技能贯穿到程序设计引论课程中去” 。本文以薛锦云教 授提出的算法程序设计、推导和证明的p a r方法及其语言和转换工具为基础， 在本课题组己 有研究的基础上， 重新构建了 一个程序设计i c a i 系统， 实现了p a r 方法知识教学以及关于部分复杂递归类问 题的程序设计过程和推理的教学， 并可 通过p a r方法支撑工具 ( 即自 动程序转换系统) 及时检测程序的正确性。 在本 系统中， 设计了 基础知识和程序设计知识等不同阶段的学习， 提供了练习、 测试、 实时纠错功能。 在学习过程中， 学习者还可根据自己的需要自己出题， 从而获得 设计程序的规律和技巧; 系统并提供自 动解题和交互解题功能， 辅助学生对被求 解问题的理解， 在一定程度上体现了 教学系统的良 好交互性。 本文的研究在一定 程序上反映了程序设计的客观规律和最新科研成果， 有效克服了现有程序设计教 基于p a r方法的 程序设计i c a i 实验系统的 研究与实现 学软件的不足， 帮助教师讲清程序设计的过程， 让学生理解程序由来和程序所体 现的思想，显著提高了学生程序设计的能力.本系统的研制也为程序设计 i c a i 系统的网络化进一步奠定了基础。 1 . 2 课题来源及主要研究内容 本文的内容来源于对以下课题的研究: . 国家自 然科学基金课题: 基于p a r方法的算法设计形式化和自 动化研究 授权号:6 0 2 7 3 0 9 2 . 国家 自然科学基金高技术探索项 目 实用的软件形式化方法 授权号:6 9 7 8 3 0 0 6 本文的总体目 标是:以p a r方法为基础，建立一个计算机程序设计智能辅 助教学系统。主要研究内容有: 1 .深入地研究了程序设计方法学和薛锦云教授提出的算法程序设计和证明 方法一p a r方法以 及人工智能技术， 对p a r方法知识进行整理，研究知识的表 示、 组织、 推理和获取的一般方法和原理， 实现知识点关系的表示与存储， 建立 领域知识库、自 动推理规则库。 2 .大量收集和编写p a r方法实例，深入研究复杂递归问 题的非递归算法， 并寻找这些算法的共同 特征， 进而对这类问题进行抽象， 构造出解决部分复杂递 归类问 题的可重用程序模板并在系统中实现自 动推理。 3 .研究教育学和心理学方面的知识， 总结和归纳了一些适合程序设计】 c a i 系统使用的教学策略。 4 .较深入研究建构主义等学习理论，为构建本系统提供理论指导。 5 .深入研究面向对象技术和j a v a 技术实现系统， 如: 利用j a v a 多线程技术 实现了在学习的同时可播放美妙动听的背景音乐，增强了学习效果。 1 . 3 论文内容安排 全文共有七章。 本文的内容安排为: 第一章主要介绍本文的研究背景和意义、 课题来源及主要研究内 容。 第二章分析了 i c a i 系统国内 外的 研究现状和 i c a i 系统的特征、 结构， 以及】 c a i 系统所涉及到的相关理论， 最后介绍了 程序设计 i c a i 系统研究的现状及难点所在。第三章简单介绍了p a r方法。第四章简要闸 述了构建复杂递归类问题可重用程序模板的原由和思想， 并详细介绍了构建模板 的具体方法. 第五章主要讲述了系统的总体架构及其实现。 第六章简要介绍了系 统的主要功能及运行效果。第七章结束语。 基于p a r方法的 程序设计i c a i 实验系统的 研究与实现 学软件的不足， 帮助教师讲清程序设计的过程， 让学生理解程序由来和程序所体 现的思想，显著提高了学生程序设计的能力.本系统的研制也为程序设计 i c a i 系统的网络化进一步奠定了基础。 1 . 2 课题来源及主要研究内容 本文的内容来源于对以下课题的研究: . 国家自 然科学基金课题: 基于p a r方法的算法设计形式化和自 动化研究 授权号:6 0 2 7 3 0 9 2 . 国家 自然科学基金高技术探索项 目 实用的软件形式化方法 授权号:6 9 7 8 3 0 0 6 本文的总体目 标是:以p a r方法为基础，建立一个计算机程序设计智能辅 助教学系统。主要研究内容有: 1 .深入地研究了程序设计方法学和薛锦云教授提出的算法程序设计和证明 方法一p a r方法以 及人工智能技术， 对p a r方法知识进行整理，研究知识的表 示、 组织、 推理和获取的一般方法和原理， 实现知识点关系的表示与存储， 建立 领域知识库、自 动推理规则库。 2 .大量收集和编写p a r方法实例，深入研究复杂递归问 题的非递归算法， 并寻找这些算法的共同 特征， 进而对这类问题进行抽象， 构造出解决部分复杂递 归类问 题的可重用程序模板并在系统中实现自 动推理。 3 .研究教育学和心理学方面的知识， 总结和归纳了一些适合程序设计】 c a i 系统使用的教学策略。 4 .较深入研究建构主义等学习理论，为构建本系统提供理论指导。 5 .深入研究面向对象技术和j a v a 技术实现系统， 如: 利用j a v a 多线程技术 实现了在学习的同时可播放美妙动听的背景音乐，增强了学习效果。 1 . 3 论文内容安排 全文共有七章。 本文的内容安排为: 第一章主要介绍本文的研究背景和意义、 课题来源及主要研究内 容。 第二章分析了 i c a i 系统国内 外的 研究现状和 i c a i 系统的特征、 结构， 以及】 c a i 系统所涉及到的相关理论， 最后介绍了 程序设计 i c a i 系统研究的现状及难点所在。第三章简单介绍了p a r方法。第四章简要闸 述了构建复杂递归类问题可重用程序模板的原由和思想， 并详细介绍了构建模板 的具体方法. 第五章主要讲述了系统的总体架构及其实现。 第六章简要介绍了系 统的主要功能及运行效果。第七章结束语。 墓于p a r方法的程序设计i c a i 实验系统的研究与实现 第二章! c a i 系统研究综述 本章首先介绍了i c a i 系统的发展概况以及它的结构、 特征， 然后针对i c a i 系统所涉及到的相关理论展开了论述，最后分析了程序设计 i c a i 系统的现状和 难点。 2 . 1 i c a ! 系统 人工智能和认知心理学的理论与技术在教育领域中的应用日 渐普及， 改变了 传统的教学方法，产生了一门新的综合教育技术一智能计算机辅助教学 ( i n t e l li g e n t c o m p u t e r a s s i s t e d i n s t r u c t i o n ， 简称i c a i ) 系 统. i c a i 系统是以 学生 为中心， 计算机为媒介， 利用计算机模拟教学专家的思维过程， 形成的开放式人 机交互系统， 智能教学系统的最大特点是具有一定的智能性， 它能为学生提供一 种新型的学习环境， 它能根据学生的学习特点、 学习历史和学习风格采用不同的 教学方法和教学策略。它改变了传统的教学模式，更能发挥学生的学习积极性， 有助于学生智力的开发和能力的培养， 是改革教育手段、 课堂教学形式、 实现教 学手段现代化的新方法。 2 . 1 . 1 i c a ! 的发展概况 自1 9 5 8 年i b m公司研制出第一个计算机辅助教学 ( c a i )系统开始就宣告 人类开始进入计算机教育应用时代。但 c a i 是由 程序教学发展而来， 程序教学 创始人是行为主义心理学家，早期 c a i 多数受斯金娜行为主义的影响，迄今以 程序教学原理为基础的分支式教学程序在c a i 中仍占 统治地位，这种c a i 课件 缺乏应变的灵活性， 不能根据不同学生的实际需要和学习中的不同阶段进行动态 调整，因而不能做到因材施教。到了7 0 年代，计算机教育应用专家为克服 c a i 的不足开始把人工智能 ( ai)技术引入c a i 系统，从而形成i c a i . c a r b o n e l l 在 1 9 7 0 年为教南美洲地理而研制的s c h o l ar系统，是对i c a i 的最早探索. s c h o l a r的知识库采用由事实、 概念和过程组成的语义网络形式， 使用苏格拉底对话方式进行教学， 通过推理机制产生对学生的提问并对学生应答 作出评价，系统设法诊断出学生的错误概念，然后引导学生自己去纠正错误。 s c h o l a r的功能后来被wh y系统 ( s t e v e n s 另一是自 改进部分。自 改进部分可以使教学程序中的产生式规则根 据试验而修改。 该系统被用来进行有关教学策略的试验 ( 改变产生式规则即可改 变教学策略) ， 在试验中收集到的，能导致学生成绩提高的修改，都被合并到产 生式规则中。这种系统由于 “ 自改进” 而具有适应性，所以引起人们注意。另一 个较有名的 “ 自改进”系统是 k i m b a l l 于 1 9 8 2年研制的用于教符号积分的 i n t e g r a t e系统。 b ro w n , b u r t o n 和b e l l 于1 9 7 5 年研制了一个用于创造一个 “ 反应式学习环 境” 的s o p h i e 系统， 它用电子仿真线路指导学生检查电路故障及其原因。 在该 系统中， 学生通过试验自己的思路而不是通过由 系统灌输的教学内容来获取问题 求解技能。s o p h i e 把领域知识和用于回答学生问题的启发式策略结合在一起， 与此同时， 对学生的不正确的学习路径提出批评， 并给出另外的可供选择的路径。 s o p h i e使每个学生可以一对一地接受i c a i 系统的辅导，计算机帮助学生提出 自己的设想， 对这些设想进行试验并在必要时帮助学生找出错误。 b r o w n 等人还 在s o p h i e原理基础上发展出一种被称作b u g g y的诊断模型。 该模型适合学习 基础数学的问题求解技能， 它提供一种解释机制用于说明学生为什么出错， 而不 是只简单地指出 他有错. 通过提供一系列不正确行为的例子， b u g g y使教师可 以判断出学生错误的根本原因。 we s t ( b u r t o n 7 0 年代中期，i c a i 系统研究主要是以处理学生行为和教学策略技 术为特征; 进入8 0 年代， i c a i 系统研究集中在使用人工智能技术明确表示学生 模型和教师模型， 强调认知科学对】 c a i 的指导作用; 进入9 0 年代， 由 于计算机 技术、人工智能理论和方法及相关科学的发展，i c a i 系统主要集中在协作型教 学模式研究，认知学生模型研究和智能超媒体辅助教学系统研究等方面。 2 . 1 . 2 i c a i 的特征 智能计算机辅助教学系统可以最大限度地集中教学专家的经验与智慧: 学生 可以主动地向 系统索取知识， 而不是被动地接受系统教学， 使学生的学习积极性 和主动性得以 充分发挥，提高教学效率。与传统的c a i 相比，i c a i 充分利用了 计算机的潜力并考虑到了学习者的水平状态，更讲究教学策略和友好的人机对 话，使教学活动真正 “ 活”起来。i c a 】 系统使学习者面对计算机如同面对一个 多领域有着丰富知识和丰富经验的人类教师。 一个成熟的i c a i 系统应具备下列智能特征: 1 .自动生成各种问题与练习。 2 . 根据学生的水平与学习情况选择与调整学习内容与进度。 3在理解教学内 容的基础下自 动解决问 题生成解答( 而传统教学系统的 解答 基于p a r方法的程序设计i c a i 实验系统的 研究与实现 i c a i 在上世纪末的研究十分活跃。 1 9 9 3 年8 月国际计算机教育促进会a a c e 在爱丁堡主办了第一届人工智能与教育国际会议 ( a i -e d 9 3 ) ，会上协作型教 育模式、 认知学生模型的建造、智能超媒体辅助教学系统是最新的研究热点。同 时， a a c e还支持召开了一系列以教育多媒体与超媒体为主要内容的计算机与学 习国际会议。1 9 9 4 年，在温哥华召开的第6次i c c a i 会议上，还增加了远距离 教育、 a i 与教育等方面的内容。 我国的】 c a i 的研究起步较晚，研究工作主要集中在少数大学和研究机构断 续进行，且多为研究和演示用的 “ 玩具系统” ， 经过严格评测的系统很少。这主 要在于计算机不够普及、 教育软件需求不旺。 国内有关教育软件的研制工作历史 不长， 软件产品大多数只是将课本中静态图象变成了电子图书， 将多媒体计算机 变成了录像机或影碟机。这几年我国的i c a i 研究发展很快，很多的计算机公司 投入到教育软件的开发中来， 国家教委成立了专门的机构以推动计算机在教育中 的应用。 总之，自7 0 年代开始的智能计算机辅助教学，目 前已成为国际上计算机辅 助教学研究的主要方向。 纵观智能计算机辅助教学系统的发展历程， 我们可以看 到，在不同的发展时期，都有其研究的重点:早期的i c a i 研究主要集中在专业 知识的表示;7 0 年代中期，i c a i 系统研究主要是以处理学生行为和教学策略技 术为特征; 进入8 0 年代， i c a i 系统研究集中在使用人工智能技术明确表示学生 模型和教师模型， 强调认知科学对】 c a i 的指导作用; 进入9 0 年代， 由 于计算机 技术、人工智能理论和方法及相关科学的发展，i c a i 系统主要集中在协作型教 学模式研究，认知学生模型研究和智能超媒体辅助教学系统研究等方面。 2 . 1 . 2 i c a i 的特征 智能计算机辅助教学系统可以最大限度地集中教学专家的经验与智慧: 学生 可以主动地向 系统索取知识， 而不是被动地接受系统教学， 使学生的学习积极性 和主动性得以 充分发挥，提高教学效率。与传统的c a i 相比，i c a i 充分利用了 计算机的潜力并考虑到了学习者的水平状态，更讲究教学策略和友好的人机对 话，使教学活动真正 “ 活”起来。i c a 】 系统使学习者面对计算机如同面对一个 多领域有着丰富知识和丰富经验的人类教师。 一个成熟的i c a i 系统应具备下列智能特征: 1 .自动生成各种问题与练习。 2 . 根据学生的水平与学习情况选择与调整学习内容与进度。 3在理解教学内 容的基础下自 动解决问 题生成解答( 而传统教学系统的 解答 基于p a r 方法的 程序设计i c a i 实验系统的 研究与实现 都是预定的 ) 。 4 . 具有自 然语言的生成与理解能力，以便实现比较自由的教学问答系统以 提高人机的交互主动性。 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为。 8 . 能不断在教学中改善教学策略。 要使i c a i 系统具有上列全部智能特征是不容易的。一般来说只要具备上列 几个特征的c a i 系统就可以称作i c a i 系统。 智能计算机辅助教学系统的理论基础是认知科学。 认知科学是研究人认识事 物的 过程、 思维过程和特征的科学， 它是在系统论、 信息论、 人工智能以 及其它 一些学科的基础之上发展起来的。 智能教学系统所要解决的问 题是“ 教” 与“ 学” 的认识思维过程、 模型及特征， 追其根源属于认知科学的范畴。 用计算机将这一 认知活动模拟出来， 使得计算机在一定的程序上能完成人类教学专家的工作， 这 就是智能教学系统。 2 . 1 . 3 i c a i 的结构 尽管i c a i 系统形式各异， 但一个典型的i c a 】 系统一般由学生模型、 教师模 型、 知识库、 智能接口四部分组成。 它以知识工程的方法， 将教学信息按其不同 的结构形式存放在知识库中， 学生学习时， 教师模型根据知识库和学生模型进行 推理， 在教学策略的指引下， 系统自 动检索知识库并产生相应的教学内容并选择 适当的教学方法，通过智能接口与学生进行交互式教学，i c a i的一般系统结构 如图2 - 1 所示: 蝙m _ 一一一 州 智能接口 朋州砂鞠。 ( 图2 - 1 i c a i 系统结构) 各模块的具体功能如下: 1 . 学生模块:它表示学生的学习历史、当前知识水平、解题行为等方面的 基于p a r 方法的 程序设计i c a i 实验系统的 研究与实现 都是预定的 ) 。 4 . 具有自 然语言的生成与理解能力，以便实现比较自由的教学问答系统以 提高人机的交互主动性。 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为。 8 . 能不断在教学中改善教学策略。 要使i c a i 系统具有上列全部智能特征是不容易的。一般来说只要具备上列 几个特征的c a i 系统就可以称作i c a i 系统。 智能计算机辅助教学系统的理论基础是认知科学。 认知科学是研究人认识事 物的 过程、 思维过程和特征的科学， 它是在系统论、 信息论、 人工智能以 及其它 一些学科的基础之上发展起来的。 智能教学系统所要解决的问 题是“ 教” 与“ 学” 的认识思维过程、 模型及特征， 追其根源属于认知科学的范畴。 用计算机将这一 认知活动模拟出来， 使得计算机在一定的程序上能完成人类教学专家的工作， 这 就是智能教学系统。 2 . 1 . 3 i c a i 的结构 尽管i c a i 系统形式各异， 但一个典型的i c a 】 系统一般由学生模型、 教师模 型、 知识库、 智能接口四部分组成。 它以知识工程的方法， 将教学信息按其不同 的结构形式存放在知识库中， 学生学习时， 教师模型根据知识库和学生模型进行 推理， 在教学策略的指引下， 系统自 动检索知识库并产生相应的教学内容并选择 适当的教学方法，通过智能接口与学生进行交互式教学，i c a i的一般系统结构 如图2 - 1 所示: 蝙m _ 一一一 州 智能接口 朋州砂鞠。 ( 图2 - 1 i c a i 系统结构) 各模块的具体功能如下: 1 . 学生模块:它表示学生的学习历史、当前知识水平、解题行为等方面的 基于】 ,a r方法的程序设计】 cai实验系统的研究与实现 知识。 其任务是: 表示学生对所学知识的理解程度， 反映学生已掌握和未掌握的 部分，通过发现错误并作出错误根源的假设，为进一步指导提供依据。 2 . 教师模块:把自 然语言对话、教学策略和教学内容等方面的知识结合起 来。 其任务是: 为学生选择要解决的问 题， 监察并评价学生的行为， 按学生的请 求提供帮助并选择辅助材料. 3 . 知识库 ( 专家模块) :它包括两方面的知识:一是教材内容、提问 信息、 教材重点、难点、评价等有关课程的知识;二是有关应用这些知识来生成问题、 推理题的知识。其任务是组成教材、生成问 题并评价学生解答的正确性。 4 . 智能接口 模块: 这是系统与学生交互作用的界面， 一方面使系统的示教、 解释易于被学生所理解， 另一方面也使系统能理解和接受学生的提问， 为了增加 人机交 互的 灵 活性， 一般 采用自 然语言 接口 ， 允 许学生与 计算机进行较为自 然的 对话。 2 . 2 相关理论 2 . 2 . 1学习理论 自 从1 9 5 8 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 而宣告人类开始进入计算机教育应用时代以来， 计算机辅助教学的理论基础经历 了行为主义学习理论、 认知主义学习理论、 建构主义学习与教学理论三次大的 演 变。 1 .行为主义学习理论 第一阶段是从6 0 年代初至7 0 年代末，是计算机教育 应用的初级阶段. c a i 是以行为主义学习理论作为理论基础， 学习被看作是明显的行为改变的结果， 是 能够由 选择性强化形成的。 计算机辅助教学最早来自 于斯金纳的程序教学法， 也 可以说是行为主义学习理论的计算机化。 行为主义学习理论认为人的学习是接受 外界刺激后内 化的结果， 而每一个学习者的学习结果是通过调节这种刺激， 促进 学习者不断巩固和加深对所学习知识与技能掌握，并有效纠正学习中出现的偏 差. 因此主张以小步子、 多刺激来促进学生对知识的掌握与熟练。 而计算机技术 以 它的大容量， 快速反馈， 成为一种非常好的程序教学机器。 实际上， 计算机支 持的操练与练习，指导系统和咨询系统等，大都是根据这种学习理论设计的。 2 .认知主义学习理论 第二阶段是从7 0 年代末至8 0 年代末， 这一时期是以认知主义学习理论作为 基于】 ,a r方法的程序设计】 cai实验系统的研究与实现 知识。 其任务是: 表示学生对所学知识的理解程度， 反映学生已掌握和未掌握的 部分，通过发现错误并作出错误根源的假设，为进一步指导提供依据。 2 . 教师模块:把自 然语言对话、教学策略和教学内容等方面的知识结合起 来。 其任务是: 为学生选择要解决的问 题， 监察并评价学生的行为， 按学生的请 求提供帮助并选择辅助材料. 3 . 知识库 ( 专家模块) :它包括两方面的知识:一是教材内容、提问 信息、 教材重点、难点、评价等有关课程的知识;二是有关应用这些知识来生成问题、 推理题的知识。其任务是组成教材、生成问 题并评价学生解答的正确性。 4 . 智能接口 模块: 这是系统与学生交互作用的界面， 一方面使系统的示教、 解释易于被学生所理解， 另一方面也使系统能理解和接受学生的提问， 为了增加 人机交 互的 灵 活性， 一般 采用自 然语言 接口 ， 允 许学生与 计算机进行较为自 然的 对话。 2 . 2 相关理论 2 . 2 . 1学习理论 自 从1 9 5 8 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 而宣告人类开始进入计算机教育应用时代以来， 计算机辅助教学的理论基础经历 了行为主义学习理论、 认知主义学习理论、 建构主义学习与教学理论三次大的 演 变。 1 .行为主义学习理论 第一阶段是从6 0 年代初至7 0 年代末，是计算机教育 应用的初级阶段. c a i 是以行为主义学习理论作为理论基础， 学习被看作是明显的行为改变的结果， 是 能够由 选择性强化形成的。 计算机辅助教学最早来自 于斯金纳的程序教学法， 也 可以说是行为主义学习理论的计算机化。 行为主义学习理论认为人的学习是接受 外界刺激后内 化的结果， 而每一个学习者的学习结果是通过调节这种刺激， 促进 学习者不断巩固和加深对所学习知识与技能掌握，并有效纠正学习中出现的偏 差. 因此