【毕业学位论文】（Word原稿）基于分布式网络的智能教学系统的研究与实现-软件工程

中图分类号： 学校代码： 10055 密级： 公开 硕 士 专 业 学 位 论 文 基于分布式网络的智能教学系统的研究与实现 要 I 摘要 网络技术发展到今天已经渗透到生活的方方面面，对于学校，特别是高校而言，基于网络 的 教学系统已成为教育行业中最热点的问题之一。本文通过分析在目前网络教学系统中存 在的问题，如教学互动，课程引导，功能导航，问题解答等问题，深入研究目前以及未来的远程教育模式，以帮助教学者和学习者能够更好地适应网络学习环境，改变传统的学习模式和思维。 本文以适应性学习理论为指导，在研究经典分布式网络理论的基础上，并引用了目前较为流行的多 术。针对教学环节的应用，设计了系统人员信息管理，学前自测，知识点学习，疑难解答，自我测试，学习记录，作业管理，消息管理，系统管理等模块。在教学模式中，系统 提供了传统的讲授式教学模式 ， 学习者自行引导学习的探索式学习模式及问答形式的交互性学习模式 。 同时，系统还特别设计了对学习者在学习前进行认知能力、心理因素和能力知识测试的模块，以根据学习者的能力来进行学习方式的设计思路。在智能型方面，系统提供了智能帮助指导、智能导航、智能测试、智能评价及智能提醒等方面。同时根据分布式网络技术的自适应性特点，还设计了练习题，测试题等题库的设计模型。 本文在系统设计中引用了 台，使用 006 作为系统的开发工具，同时，应用服务器平台选择了可操作性非常高的 司 的 数据库方面，我们使用了 000，作为我们熟悉的工具 ， 它拥有标准 言、扩展的特性、强大的开发引擎等功能。本系统在测试使用中，提高了教学效率，体现了当前网络教学的交互性，智能型，便利性，受到了教务部门的认可。同时我们也应该看到网络迅速发展的今天，这仅仅也是刚刚起步，对于未来网络教育领域的研究还会有很大的发展空间及挑战要完成。 关键词 ：分布式应用 能教学系统 I he of of on of on of in as of to to of on as on of In of At in to s to In to of 2EE in 006 as at be In we 000, as we it QL in by At we of is a of to ey 2 录 目 录 摘要 . I . 一章 绪论 . 7 第一节 课题背景及研究目的和意义 . 7 题背景 . 7 究意义 . 8 究目的 . 8 第二节 课题的国内外研究动态及现状 . 9 第三节 论文的主要工作内容 . 10 第四节 论文的组织结构 . 11 第二章 相关理论与技术 . 12 第一节 适应性学 习理论 . 12 应性学习的特征 . 12 应性学习模式 . 13 第二节 分布式网络及多 论与技术 . 16 布式网络技术 . 16 . 16 . 18 布式多 . 20 教育领域的研究 . 24 第三节 本章小结 . 25 第三章 分布式网络智能教学系统总体设计 . 26 第一节 需求分析 . 26 目 录 V 第二节 系统开发平台及应用工具的选择 . 28 用服务器平台的选择 . 28 件开发平台的选择 . 28 第三节 系统模型总体设计 . 29 统结构模型设计 . 29 生功能模型设计 . 30 师功能模型设计 . 31 第四节 系统 设计 . 32 统 引用及设计 . 32 统 组织结构 . 37 统 组织结构 . 38 第五节 数据库设计 . 39 据库系统的选择 . 39 . 39 据库系统的设计 . 40 第六节 本章小结 . 49 第四章 分布式网络智能教学系统详细设计 . 50 第一节 系统管理设计 . 50 生模块管理设计 . 50 师模块管理设计 . 51 理员模块设计 . 52 第二节 学生模型的构建 . 53 生模型分析 . 53 入学生心理因素 . 54 建扩展的学生模型 . 56 知型学生子模型的实现 . 57 趣型学生子模型的实现 . 60 第三节 自适应策略系统设计 . 63 目 录 适应起点的确定 . 63 习题的自适应选取 . 65 试题的自适应选取 . 66 第四节 本章小结 . 67 第五章 分布式智能网络教学系统技术实现 . 68 第一节 系统主要功能实现 . 68 第二节 系统 技术实现 . 72 生 . 72 试 . 73 面 . 73 第三节 系统的特色技术 . 74 信语言 实现 . 74 2 使用 . 77 术在即时通讯中的实现 . 78 第四节 系统的优势 . 80 第五节 本章小结 . 81 第六章 总结与展望 . 82 第一节 本文总结 . 82 第二节 进一步的研究工作 . 82 参考文献 . 84 致谢 . 86 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果 . 87 第一章 绪论 7 第一章 绪论 第一节 课题背景及研究目的和意义 题背景 科学信息技术 发展 到今天 ，特别是 网路技术和计算机技术的快速发展 ， 已经有越来越多的人使用互联网技术 ，因为它设计了浏览器这个操作平台，并拥有大量的音像、图片、动画等可以直接获取的数据资料。人 们越来越趋于从网络中寻找信息，获取知识。得益于信息技术在教学领域的运用，远程教学的教师和学生通过高度发达的网络可以在任何地点任何时间进行交流互动，这是传统教学无法比拟的巨大优势。 就目前国内的远程教学而言，有一个问题必须引起高度的重视，由于远程教学在国内出现的较晚，很多设置了远程教学的院校存在一个错误认识，那就是他们简单地把远程教学理解为建立网站、设立虚拟学校，这实际上只是简单翻版了原本的教学内容和方法，并不是真正意义上的远程教学。因此，这些所谓的远程教学的教学质量与原本的期望值相去甚远，体现不出远程教 学自主性的特点。目前，我国很多现存的远程教学还有不少与人们的期望不符的地方， 如对于学生个性化学习活动的支持，交互教学，有效的学习记录及成绩评价等。 此外，在现代远程智能教学系统中，开发技术的选择也是至关重要的，传统单机环境下的智能教学系统的开发方式已不适合网络环境下的智能教学系统。那么，基于分布式网络技术的出现使得我们可以顺利克服这些缺点。在远程教学系统中，国内外的一些院校运用了分布式网络技术，也取得了一些成果，如部分实现了个性化、互动型的教学，在一定程度上实现了教学相长。但是，对分布式网络技术的系统应 用还远远不够，在完成教学目标的过程中，使用这种技术帮助学校、教师和学生沟通交流的程度还不够，一些学生的个性化学习需求尚未得到满足。因此，远程教学还有很多需要优化提高的地方。 将分布式网络技术结合到远程教学系统中，根据学习者不同的个性和学习能力，安排与之相符的各种角色和系统实体的 助学习者设计自己的学习第一章 绪论 8 计划，进行人性化教学，并实时监督学习进度和过程；设计符合学生要求的科学的交流页面，体现人性化的特点；充分融合协作交流与个体学习两种模式，真正创建出符合学生个性化需求的远程教学体系，从而提高教学效率和 质量，促进远程教学的发展。 综上所述，我们认为应该以适应性学习理论为指导，保留单机智能教学系统中成熟技术的同时将分布式网络技术引入远程教学系统，构建基于分布式网络的远程智能教学系统，从而使远程教学更好地为全球化教育、终身教育提供帮助 。 究 意义 现阶段，建立在 是，这种以 部分都出现了个性化不足、系统本身不能自我学习更新、智能性科学性不够、教学材料和策略单一、引导工具较少、使用不够方便等各种问题。在这种情况下，很多专家学 者将目光放在了使用 分布式网络技术上，对这一领域，他们已经进行了深入的调查和研究。 能推理、信息归类、教育解析、互动教学、及时监控。 分布式网络在软件开发应用中存在着一些不足，本文将对其作深入的了解和分析，在此基础之上，集合 术的优点和长处，设法完成以分布式网络为基础的多 术，构建远程教学网络系统，充分满足学生的个性化需求，帮助教师进行因材施教，解决传统的以 基础的远程教学中存在的问题。本文的研究将提高远程教学的科学性和可操 作性，对于提高远程教学的质量具有重大的影响和帮助。 究 目的 就目前国内的远程教学而言，有一个问题必须引起高度的重视，由于远程教学在国内出现的较晚，很多设置了远程教学的院校存在一个错误认识，那就是他们简单地把远程教学理解为建立网站、设立虚拟学校，这实际上只是简单翻版了原本的教学内容和方法，并不是真正意义上的远程教学。因此，这些所谓的远程教学的教学质量与原本的期望值相去甚远，体现不出远程教学自主性的第一章 绪论 9 特点。目前，我国很多现存的远程教学还有不少与人们的期望不符的地方， 对于智能教学系统拟解决如下几个问题： （ 1）个 性化学习活动的支持 （ 2）动态交互功能与协同教学的需要 （ 3）学习记录的有效管理 （ 4）有效的导航 （ 5）有效的评价与反馈 第二节 课题的国内外研究动态及现状 近年来，各国政府都高度重视教育的发展，为了通过多种途径培养优秀人才，世界各地的政府都在他们的教育发展规划中加入了网络教育。在美国， 44%的高校开设了网络教育系统并向社会开放，超过 200 万的美国公民通过网络进行学习，美国的网络大学囊括了几乎所有的专业，开设的各种课程近 5 万门，这使得美国成为世界上网络教育最发达的国家。上个世纪 90年代中期，克林顿政府提出把教育建 立在 ，计划 21 世纪之前将美国所有的学校和图书馆连接到网络上。为了实现这一目标，美国政府于 1998年拿出 510 亿美元投入到这个计划中，力争惠及每位想通过信息技术学习的美国公民。目前，在美国的整个教育体系中，网络教育已经成为非常重要的一种模式。 1997 年，英国政府明确表示实施“全国学习网”政策，要求国境内 3 万多所中小学连接网络，确保这些学校的学生和老师都能够享受到发达的网络和信息技术带来的便利，充分利用网络学习交流。另外，为了使“全国学习网”更好地服务于职业培训和继续教育，构建网络化的“知识社 会”，国内的博物馆、图书馆、各研究机构和高等院校也被纳入到该网络系统中。 1998 年，英国政府进一步颁布法律，要求 6%的政府教育经费用于为各学校配置计算机。有消息称，为了在英联邦共同体建立虚拟大学，英国政府将投入巨额的专项资金。为了使用 立光纤通信网络，把各研究机构和各学校连接起来，日本的文部省和邮政省拿出了 400亿日元推进该项工程的实施。日本的教师培训实行学分制，而且设立了计算机考核制度， 2000年，“信息设备操作”被明确列入考核范围之内。为了推进网络教育，新加坡于 1997 年到 2002 年，实 施了 育信息化的政策，在各学校建立相互连通的网络、培训教师、开发软件、购置电脑、整理教材，共投入了第一章 绪论 10 20亿新元。从 1994 年开始，我国建立了“中国教育科研网 （ ”，目前，已经有 700 多所院校和 70 多座城市连接到了该网络之中， 100 多万网民使用该网络学习交流。 1998 年，我国正式实施了远程教育工程，国务院还转发了面向 21 世纪教育振兴行动计划，该计划由教育部提出。网络教育事业在我国正逐步走向规范化和市场化，随着继续教育、终身教育观念深入人心，远程教育的规模还会越来越大。尤其是近年来随着 术的发展，为远程教学的智能化注入了新思路。 第三节 论文的主要工作内容 本文探讨的智能教学体系建立在分布式网络的基础上，对大学计算机应用基础进行实验分析，运用并融合了 术、多 术等。运用该系统，可以进行个性化、适应性、智能性的远程网络教学培训。现将本文探讨的内容阐述如下： （ 1）在远程教学系统的现状的基础上，以适应性学习理论为依据，建立了一个远程智能教学模型，该模型以多 术为基础，充分发挥了这项技术主动性、智能化等突出特点。对该模型进行了深入的分析研究，透彻剖析了其结构和功能 。 （ 2）在认知理论的基础上，建立了认知型学生模型并进行了深入的研究。充分了解各类学生的性格特点，提出对应的教育方法，对原来存在的学生模型进行扩展升华，为智能教学系统打下基础。并分析了兴趣性学生模型等子模型的实现方法。 （ 3）研究了系统的自适应策略，将测试、练习题抽取进行丰富，融入了电脑自适应考试，这是以项目反应理论为依据的，因此系统的智能性大大增强。另外，还设计了智能抽取算法，该算法依赖于学生对各学科的熟练程度，因而有助于教师进行个性化、智能化的教育引导。 （ 4）该系统建立在 术的基础上，使得教育 系统产生了易于维修、方便扩展、可以移植、与操作系统脱离等新的特色。另外，该系统使得学生、用户、教师和系统这四个要素可以在任何时间方便地相互沟通，实现了远程学习的目标，这得益于 术的智能信息提醒等功能。 第一章 绪论 11 第四节 论文的组织结构 第一章为本文的绪论及概述，提出论文研究背景，意义和目的以及国内外关于此课题的研究情况及相关论文，从总体上为本文打下基础。第二章分析了适应性学习理论、 论与技术等，主要是就各种技术和理论进行研究。第三章对系统进行了分析与设计上的论述，进行需求分析和概要设计。第四章阐述了基于分布 式网络的远程智能教学系统的设计，详细的论述了系统的总体构架以及各 设计以及对系统技术实现进行了阐述， 第五章详细论述了系统技术实现，第六 章对论文工作进行了总结与展望，提出不足，及下一步要改进的工作。第二章 相关理论与技术 12 第二章 相关理论与 技术 在以往的远程网络教学系统中出现的问题，一个很重要的因素就是系统的设计没有或者缺少有效的全局观念。因此，为了克服远程教学存在的缺陷，在此运用了 适应 应性学习这一理论。根据这一理论，教学内容、教学方式，还有师生间的互动更能适合教学本身，是学生能够学以致用，真正做到课程的理解。为了增强远程网络教 学系统的智能化、个性化，将分布式多 术利用到此系统中，以提高学习的效果。 第一节 适应性学习理论 当今社会，依托网络 、 计算机 、 数字媒体 等数字 化技术的跳跃式发展 ， 已经形成了一种数字生存环境 ， 在这种大环境下 ， 我们的教育教学的手段，方法，内容都需要跟进数字时代的步伐 。 我们把目光投向远程教育时我们惊讶的发现，以往传统远程教育模式，如函授，电视教学等方式远远跟不上数字时代的步伐 ，局限性 凸显明显 。 那么我们就 迫切地需要提供适应学生要求的教学活动，以使网络学习实现个性化，变得更加简单，效率得到提高。在这种适应性学习系统的 支持下的学习，我们称之为适应性的学习，在这种学习模式下，学习成为一种互动的过程，学生运用适应性学习系统，在已经具备的知识和经验的基础上，提升能力，学习新的知识。通过这些活动，学生能够自我组织、制订并执行学习计划，自主选择学习策略，并能控制整个学习过程，对学习进行自我评估 , 它实现了人性化的教学目标，把学生看作各不相同的个体，突破了原有的学生结构，使得教师的教学过程和学生的学习过程更加个性化，满足了他们的不同需求 。 应性学习的特征 适应性学习具有如下特征： （ 1）是基于教育教学资源的学习方式 ，可以为 各种类型 的 学习者提供必要的教学资源背景，使得整个学习的过程是在与之相关的知识空间学生们共同进第二章 相关理论与技术 13 步的过程。 （ 2）教师主要负责辅导学生、提供咨询、指定学习目标，教师不再是学习的主导者，他们更多的扮演建议和辅导的角色。与此同时，学生们根据自己的需要，主动进行学习，他们安排学习计划、自我组织和控制、在整个过程中不断对自己进行评估。学生们成为学习活动的主宰。 （ 3）形成知识：在传统的教学模式中，一般流程是教师进行授课，学生进行练习，进而掌握知识。而在适应性学习系统中，知识的掌握主要依靠学生们主动摸索、相互交流，在这个过程中， 学生们不但获得了新的知识，而且形成了自己的学习方法，协作交流能力和运用知识的技能也得到了很大的提高。 （ 4）学习交流的过程、掌握知识的途径、及时的自我评估和信息的充分反馈，所有这些共同构成了完全个性化的学习。适应性学习理论认为，学生的个性不应被外在环境约束，每个学生都有与众不同的特点，他们应该据此自由设计学习路径。 （ 5）需要最新的数字化，智能化技术支持。需要提供：丰 富的媒体表现形式、灵敏的反馈系统、方便的沟通渠道，完善的自我评估 体系等等。这都要求需要更高级的数字化智能化技术。 应性学习模式 从 上述适应性 学习的特征来看，在 本质上改变了传统远程学习 的核心方式 ，形成了一种新的理念的方式 ，学习方式及今后主要发展的趋势，图 述了一般的适应性学习模式。不难发现，学习策略的确定、学习内容的动态构建和自我评估诊断构成了整个学习过程。这些要素也展示了适应性学习模式的特点。 第二章 相关理论与技术 14 图 应性学习模式 （ 1）自我评估诊断 自我评估诊断就是学生做系统中的相关测试题，这些试题是事先通过标准检测的，因此具有较高的科学性，然后根据分数来评估学习者的学习及知识能力，并给出相应的对策的诊断系统，一般来说学习诊断系统可在三个阶段进 行，进行学习之前，整个学习进程中和完成学习之后。在进行学习之前开展测试，能够获得学习者最原始的知识能力水平，从而可以对学习者提出相应的学习建议，以便学习者可以以一个良好的开端学习内容；在整个学习过程中开展测试，一般是阶段性的测试，测试结果可以体现出学生的薄弱知识点，据此开展更高强度的相关练习。在完成学习之后开展测试，其目的是检验学生的学习效果，判断事先确定的学习目标是否已经达到，若达到，则继续进行新的学习，若未达到，则要求学生重新学习这些内容。 （ 2） 学习内容的动态构建 学习内容的动态构建也就是适应性呈现， 就是系统了解和分析学生的学习第二章 相关理论与技术 15 情况以及测试分数，据此安排最适合学生目前能力，对学生最有帮助的教学内容。它包括两个方面：第一，教学内容的确定。在充分了解学生学习情况并进行能力评估的基础之上，安排学生尚未接触或尚未掌握的教学内容，其次，是在学习内容的呈现方式上，依据学生的测试结果以及不同学员的学习风格，确定最有效的方式将教学内容呈现出来，有一些详细、有一些简单；有的比较概括，有的则比较生动。而且，不同学生的练习试卷及辅导书籍等，也不尽相同。学习内容的动态构建，要求各方面的共同努力，至少要做到以下四点：首先要测试学 生学习知识的能力；其次要充分了解学生的认知风格、认知水平和认知能力；再次要依据不同学生的自身特点设计不同的认知单元；最后，针对不同学生的个性特点设计不同的教学方法。其核心内容是教学内容的组织方式。 （ 3）学习策略的选择 所谓的学习策略就是学生在就某一知识点进行学习时，习惯于运用的方法。通常情况下，不同学生的学习策略有所区别，即使是同一名学生，在不同的时间或阶段使用的学习策略也会不尽相同。学习策略多种多样，各不相同。根据适应性学习理论，以下几种学习策略很受欢迎：教授式学习策略、探索式学习策略以及合作式学习策略 。 教授式学习策略中，教师授课，学生听课，这种传统的方法以授课教师为主导。在远程网络教学中，这种方法也很常见，即学生运用视频和音频等资料对学习内容进行学习。当学习者遇到困难疑问时，可通过网络与教师进行沟通，是一种传统教学模式以数字化网络化技术呈现的方式。 探索式学习策略是一种通过提供与课程相关的问题，要求学生解决问题，通过这一过程掌握相关知识的方法。在这种模式下，系统负责安排丰富的学科问题，同时给出必要的相关的知识库供学习者参考解答。同时设有专家系统来为学习者提供问题解答及辅导，这里提到的并非直接的辅导或解 答，更多的是启发式、引导式的提示，例如“此问题请翻阅某某书籍某某章节的某某知识点”等提示。这种新型的教学方法可以充分调动学生的积极性，帮助学生积极主动寻求并掌握知识，提高学习者对学科的认知能力及创造能力，达到良好的教学效果。同时需要注意的是在探索式学习策略的教学系统中，要注意学习者由于种种对问题解答的挫败而感到打击、失落、厌烦。为此应该建立科学的反馈体系，为学生提供所需的支持。 合作式学习策略就是针对某一具体的教学内容，众多学生通过网络、电脑、第二章 相关理论与技术 16 多媒体技术共同协作学习，就好像在网络游戏中的彼此共同协作才能完成 任务一样，通过大家的共同努力与帮助，互帮补助，取长补短，并且提供了竞争机制，从而来达到最佳的学习效果，目前此种学习策略是最受教育界关注的方式，也是未来教育发展的趋势。 综上所述，适应性学习从知识的提出，到知识的解答，再到知识的完善，还要在整个学习过程中根据需要分阶段安排相应的测试，然后据此不断调整教学方法，帮助学习者良好地适应环境系统。适应性学习被看作是 21 世纪最为有效的学习方法，也特别适合于现代化的网络远程教学的学习环境。综上，在本文中，智能教学系统的指导思想就是适应性学习理论。 第二节 分布式网络及多 论与技术 布式网络技术 分布式 网络 的 结构是由分布在不同地点且具有多个 终端 的 节点 机互连而成的。网中任一点均至少与两条线路相连，当任意一条线路发生故障时，通信可转经其他 链路 完成，具有较高的可靠性。同时，网络易于扩充。 它的优点是 分布式网络与中央控制式网络对应，它没有中心，因而不会因为中心遭到破坏而造成整体的崩溃。在分布式网络上，节点之间互相连接，数据可以选择多条路径传输 ，同样，它的缺点是 不利于集中管理。安全性不好控制 。 其要素 （ 1） 翻译方法 近年来， 术发展速度极快，许多领域都用到了这一技术，因此，很多专家学者都对 内涵进行了研究，然而，各界学者尚未给出 准确定义。在此，我们 将各个领域的研究者对 出的不同定义列举如下： 全球最大的 成平台组织 于 备在动态开放的系统中解决问题的能力的自治的计算实体 。 于 这样进行描述的：拥有自制能力的，在分布式环境下运行