本站原创摘 要 :本文讨论基于Client/Server的智能计算机辅助教学(ICAI)的实现技术,据此采用VC#、SQL Server、IIS等开发平台,建立了一个用于C语言程序设计的ICAI系统.
关 键 词 :Client/Server,CAI,ICAI
中图分类号:TP311 文献标识码:A
1.引言
传统的CAI课件系统是在单机上将全部教学内容以编程或幻灯片的方式预置于课件系统中.学生学习时,教学过程是按课件规定的路径和内容展开的.由于缺乏必要的通信手段和智能特性,无法实现任课教师与学生之间的交互,也不能实现按学生的不同认知能力准备教案的因材施教教学.随着计算机网络技术的日臻成熟,人工智能在专家系统领域取得的成功,它们为CAI的发展提供了新的空间.我们认为CAI的发展方向在于网络化、智能化.
2.ICAI的评价标准
智能计算机辅助教学系统(Intelligence Computer Assisted Instruction――ICAI)具有如下的一些特征:
① 能自动生成各种问题与练习,
② 根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习的内容和进度,
③ 在了解教学内容的基础上自动解决问题,生成解答,
④ 具有自然语言生成与理解能力,
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 能评价教师的教学行为.
具备上述全部特征的ICAI系统是完美的,但实现是困难的.一般认为只要具备上列一个或几个特征,就可以称之为ICAI.
3.实现技术
3.1 Client/Server的实现
将用于教学的内容、刻画学生的认知模型所必需的数据资料保存在Server端.教师在教研室通过Client,负责实现对Server端教学内容的更新与维护.学生在多媒体教室通过Client与Server相连,实现对教学内容的学习,学习结束后,学生客户端软件将依据学生对知识点的掌握情况,为其自动修改认知模型.督导人员在教务处通过Client与Server相连,实现对教学过程的监督与引导.
3.2 认知模型的建立
ICAI强调按学生不同的认知模型,为其准备不同的教学内容,用以实现个别化教学与启发式教学.受认知心理学与教育学发展的制约,目前还无法准确地建立出单个人的认知模型.
我们粗略地将学生的认知模型,按其不同的认知能力分成高、中、低三类.同一内容的教案也按高、中、低三种难度组织,分别提供给具有相应认知能力的同学学习使用.学生在学习完每节的教学内容后,系统将要求他回答一定数量的相关问题,并根据其回答问题的准确率,确定他的新认知模型.
3.3 智能化教学过程的实现
我们借鉴专家系统的设计方法,实现ICAI课件系统中的智能功能.在该系统中组织了相应的规则库、事实库(学习历史纪录库)和推理实现机制,如下图所示.
下面对推理实现机制做简要的介绍.规则库由册、章、节、超文本教案地址、阀值及多个前提组成,反映对该节的学习应满足的前提条件.学习历史库由册、章、节、认知等级、已学次数组成,反映学生对该节的认知能力.规则库的内容由教师负责修改.学生的学习历史纪录,在库中按每个人一张学习信息表组织,其内容在每次学习之后,由学生客户端软件依据该生对知识点的掌握情况自动修改.推理过程由专用的推理模块,按规则库提供的规则与学生学习历史纪录库提供的事实做出判断.我们通过学生在每节教学内容学习完成之后,对所附习题回答的准确率,将其认知能力划分成高、中、低三个层次,并将这个结果保存在学生学习历史纪录库中.学生下一次使用该系统进行学习时,该系统会按其不同的认知能力,为他准备相应难度的教学内容.不难看出,这种对认知能力的衡量是动态的.若学生不想按系统默认的进度学,则要求学生自行选择学习内容.若所选内容已经学过,则根据其当时所获得的等级为他准备学习内容,否则将视规则库及学习历史纪录中的内容,判断其是否可学而定.例如:规则库中限定在学习第一章第一节之前不能学习第一章第二节,某生试图越过第一章第一节学习第一章第二节时,系统会给出警告.为了使学生能在系统的控制下学习,无论是高、中、低难度的教案均是一节一个超文本文件,其中不含有链接.
当然对于某些特殊情况,学生需要跳过章节进行学习的.由于这一操作破坏系统的逻辑性,故应在教师(系统管理员)的授权下完成,同时修改学生学习信息数据表,保持数据完整性.3.3.1 阀值的给定
当学生完成对某一节的内容学习之后,回答系统提问所得的分数小于该节所具有的阀值时,系统并不会将该节标志为已学.所以该生下次登录时,系统将强制他对该节的内容进行重新学习.通常,那些在本学科中具有特殊重要地位的章节具有较高的阀值.下面给出评价某一节在本门课中的重要程度的方法:
Important(N)等于IN(N)+OUT(N),
Important(N)――第N节(将全书中的节以流水形势编排)知识在本课程中的地位,IN(N)――本课程中,其余节知识中对第N节的知识有影响的个数之和,即前驱总数,
OUT(N)――本课程中,第N节知识影响其余节知识的个数之和,即后继总数.
当对本课程中所有的Important(N)计算完成后,即可据此给出某一节的阀值.阀值Valve(N)以百份数形势表示,小于1且与Important(N)成正比.
设Right(N)表示某生在学习完第N节的知识后,回答系统所提问题的准确率.变量Ruler等于1-Valve(N).给定认知模型的修改规则如下:
If Right(N)
If Valve(N)≤Right(N)Then 认知能力定为“低”
If Valve(N)+Ruler*(1/3)≤Right(N)Then 认知能力定为“中”
If Valve(N)+Ruler*(2/3)≤Right(N)Then 认知能力定为“高”
3.3.2 系统的安全技术
由于ICAI会针对用户不同的认知模型(高、中、低)准备不同的教学内容,所以为确保对用户认知模型刻画的准确程度,要求学生在使用学生客户端软件时,需用自己的姓名和口令向系统登记.当验证该生是系统的合法用户后,将到学生资料库中读取相应的资料,送给ICAI的分析模块用以构建该生的认知模型,作为教学的依据.如不是系统的合法用户,将要求学生进行简单的注册,如实填写部分信息后成为系统的合法用户,并在学生资料库中为其分配一个低认知能力等级的缺省值,作为他第一次使用该系统时构建认知模型的依据.
用户初次登录时,口令即为用户名,登录成功后系统立即要求对当前缺省口令进行修改.以后,用户能对自己的口令做任意的修改.
学生机房及教师使用低访问权限的Client端,不具备对规则库的编写权限,及对事实库的GUI接口,教研室不设置Server端,Serve端及数据库统一置于中心机房进行管理.
3.3.3 教学评价
我们用下述方法实现了对学生个人学习水平的评价.n:该系统用户的总人数,Xi:第i个学生的考试成绩.
定义:
由定义知,S是体成绩的标准差.Zi反映了第i个学生 的成绩与平均成绩的差是标准差的几倍.用Zi来衡量考试成绩不会受考卷难度值的影响,比Xi更有说服力.因为标准分(Zi)是一种参考零点(平均分)位置固定、单位长度(标准差)一样的统计量.不同次测验的原始分数换算成标准分后,就可以做互相比较.如某生两次测验的成绩原始分数分别为:80、90,标准分分别为2.5、2.不能由第二次考试的原始分比第一次高而断定该生的学习进步了,正确的断言是:因为第二次考试的标准分比第一次低,所以该生学习成绩退步了.经验表明,标准分的数值一般在-3~+3间.当标准分数值为正时,表示其学习水平在团体水平之上,反之,则表明学习水平在团体水平之下.
4.系统性能探针
我们完全可以根据上述思想建立了一个基于Client/Server模式,用于C语言程序设计教学的ICAI试验系统.该系统的Server端采用SQL Server 2000组织管理“学生库”(用来存放学生资料、答题档案、学习历史纪录)和“知识库与规则库”(含问题库、试题库、规则库、通讯库与试卷备份库).用于教学的教案被组织成超文本形势,由怎么写作器上运行的Windows NT Server 的IIS(Inter Information Server)管理.Client端采用VC#.NET 2003为开发平台.
它的主要特点是具有智能性,技术先进、结构清晰、交互能力强、界面友好、操作方便、扩充性强等.提供给学生学习的内容采用先进的超媒体组织结构,利用WWW上处理图、文、声、像等多媒体数据的能力和优势,并配有鼠标选中区域高亮、背景声效等多种形式化的表现方式,使设计出的系统以生动、灵活、逼真的方式吸引学生学习,充分调动学生学习的积极性和主动性,加深学生对课程的印象及重点、难点的理解.教师客户端与督导客户端的引入,可以使学生、教师、督导人员能互通信息,协作教学,故我们相信该系统具有很强的生命力与实用性.