網(wǎng)絡(luò)智能化教學(xué)

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一、引言

隨著計(jì)算機(jī)、通信、多媒體及Internet技術(shù)的發(fā)展，人類現(xiàn)在的教育內(nèi)容、教學(xué)手段與教育方法遇到前所未有的挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能滿足自定步調(diào)的學(xué)習(xí)方式，具有良好的交互性，傳遞信息和反饋的速度快，加之計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源的不斷擴(kuò)展和對(duì)協(xié)同學(xué)習(xí)的支持，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)成為目前CAI中最為吸引人的教學(xué)方式之一。現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)主要有以下幾種模式：講授型、個(gè)別輔導(dǎo)型、探索學(xué)習(xí)型、協(xié)作討論型、游戲型、模擬型、練習(xí)與測(cè)試型[1]。由于具有針對(duì)性，它們?cè)谀承┓矫?或教學(xué)或練習(xí))都有很大的優(yōu)勢(shì)。

然而，我們知道，人類的學(xué)習(xí)途徑主要有兩個(gè)：一是個(gè)體的知識(shí)獲取與積累；二是在群體交流協(xié)作中獲取和積累知識(shí)。現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)型模式缺乏對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)和因材施教，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中隨意性較大，甚至盲目地漫游，這既浪費(fèi)時(shí)間又達(dá)不到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

ICAI(計(jì)算機(jī)智能教學(xué))代表了一種新的教學(xué)思想，模擬是教師，服務(wù)對(duì)象是學(xué)生，綜合教育心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)理論，基于學(xué)習(xí)者特性、狀態(tài)，跟蹤學(xué)習(xí)者特性與狀態(tài)的變化，自動(dòng)生成教學(xué)信息，調(diào)整教學(xué)過程和教學(xué)策略[2]。ICAI的形式很多，圖1-1為網(wǎng)絡(luò)ICAI結(jié)構(gòu)圖，從圖中我們可以看出，它和基本的ICAI一樣，由四部分組成：領(lǐng)域知識(shí)、教師模型、學(xué)生模型、人機(jī)接口。本系統(tǒng)中，我們構(gòu)造了一個(gè)認(rèn)知學(xué)生模型，克服了傳統(tǒng)的覆蓋模型和偏差模型的一些弊端，收到了良好的效果。

二、認(rèn)知能力的表征

根據(jù)美國著名教育心理學(xué)家布魯姆(B.S.Bloom)的"教育目標(biāo)分類"理論，教育目標(biāo)應(yīng)當(dāng)包括認(rèn)知能力領(lǐng)域、動(dòng)作技能領(lǐng)域和情感領(lǐng)域。其中認(rèn)知能力的目標(biāo)按智力活動(dòng)的復(fù)雜程度可以分為六個(gè)等級(jí)：識(shí)記、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評(píng)價(jià)[3]。

識(shí)記--記憶或重復(fù)以前呈現(xiàn)過的信息的能力，也就是知識(shí)保持能力

理解--用自己的語言來解釋所獲得的信息的能力

應(yīng)用--將知識(shí)(概念、原理或定律)應(yīng)用于新情況的能力

分析--把復(fù)雜的知識(shí)分解為若干個(gè)彼此相關(guān)的組成部分的能力

綜合--將有關(guān)的知識(shí)綜合起來形成新知識(shí)塊或新模式的能力

評(píng)價(jià)--根據(jù)已有知識(shí)或給定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)事物做出評(píng)價(jià)和鑒定的能力

這些等級(jí)的認(rèn)知能力劃分是按智力活動(dòng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從具體到抽象的程度逐步遞增的。識(shí)記和理解屬于較簡(jiǎn)單的低級(jí)認(rèn)知能力，應(yīng)用、分析、綜合、評(píng)價(jià)屬于較復(fù)雜的認(rèn)知能力。

系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，我們將課程的知識(shí)以知識(shí)點(diǎn)來劃分，并對(duì)系統(tǒng)的題庫進(jìn)行認(rèn)知分類，即每道題中我們賦予其上面的六種認(rèn)知能力，并記錄下相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。然后通過定性推理三次選題練習(xí)，采用"逐步逼近?quot;構(gòu)造學(xué)生模型。

三、構(gòu)造學(xué)生模型

3.1智能練習(xí)的三個(gè)階段

本模型運(yùn)行時(shí)分為三個(gè)階段：基礎(chǔ)練習(xí)階段、診斷練習(xí)階段、補(bǔ)充練習(xí)階段。這三個(gè)階段就像一個(gè)醫(yī)生看病時(shí)完成一個(gè)了解病情、診斷病情、開方治療這樣一個(gè)自然又合理的過程。

a.基礎(chǔ)練習(xí)階段

系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生填入的題目數(shù)，自動(dòng)的生成難度適中的基本習(xí)題，考查學(xué)生對(duì)本節(jié)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。當(dāng)學(xué)生做完所有的題目后，進(jìn)行離線判斷。根據(jù)題目的對(duì)錯(cuò)，自動(dòng)的修正學(xué)生的認(rèn)知能力表、認(rèn)知參數(shù)表，最后顯示錯(cuò)誤題目的正確答案及各知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。轉(zhuǎn)向第二階段。

b.診斷練習(xí)階段

系統(tǒng)根據(jù)第一步的做題情況，出一些診斷題，根據(jù)邊界擴(kuò)展法對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤集合進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)一步考查學(xué)生未掌握的知識(shí)點(diǎn)。當(dāng)學(xué)生做完所有的題目后，進(jìn)行離線判斷。根據(jù)題目的對(duì)錯(cuò)，自動(dòng)的修正學(xué)生的認(rèn)知能力表、認(rèn)知參數(shù)表，最后顯示錯(cuò)誤題目的正確答案及各知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。轉(zhuǎn)向第三階段。

c.補(bǔ)充練習(xí)階段

系統(tǒng)顯示診斷后未掌握的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生選擇相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行練習(xí)，開始出難度適中的習(xí)題，根據(jù)做題情況自動(dòng)調(diào)整難度級(jí)數(shù)，每做完一題，系統(tǒng)進(jìn)行判斷，若知識(shí)點(diǎn)未達(dá)到掌握，則繼續(xù)出題，直到知識(shí)點(diǎn)達(dá)到掌握，計(jì)算認(rèn)知能力，轉(zhuǎn)入另一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充練習(xí)。直到掌握了所有知識(shí)點(diǎn)。轉(zhuǎn)入到下一章節(jié)的學(xué)習(xí)。

3.2用"逐步逼近法"構(gòu)造學(xué)生認(rèn)知模型

學(xué)生認(rèn)知模型的實(shí)現(xiàn)有兩種方法--"小組評(píng)估法"和"逐步逼近法"。"小組評(píng)估法"優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，無需對(duì)龐大領(lǐng)域知識(shí)中的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)知分類，適用于集體授課的教學(xué)模式。其主要缺點(diǎn)是評(píng)估帶有一定的主觀隨意性，而且得到評(píng)價(jià)矩陣后一般不能更改。"逐步逼近法"的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單，不僅適用于個(gè)別化的教學(xué)，也適合于集體授課的教學(xué)模式，而且避免了評(píng)估中的主觀隨意性，最后的評(píng)估結(jié)果也符合學(xué)生的實(shí)際認(rèn)知能力水平。由于它更適用于用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，所以系統(tǒng)采用逐步逼近法構(gòu)造學(xué)生認(rèn)知模型。

用逐步逼近法構(gòu)造學(xué)生認(rèn)知模型有一個(gè)先決條件，即事先必須對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行"認(rèn)知分類"--領(lǐng)域知識(shí)庫中要對(duì)每個(gè)知識(shí)元素標(biāo)出它在學(xué)生認(rèn)知能力培養(yǎng)方面的特性，這里的知識(shí)元素即我們上一章所說的知識(shí)點(diǎn)。

本系統(tǒng)中逐步逼近法是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(1)學(xué)生登陸時(shí)先檢查是否存在該生的認(rèn)知能力記錄表，如果沒有，就由學(xué)生填寫本人的認(rèn)知能力評(píng)估表。其中的認(rèn)知能力由學(xué)生本人給出。值為[0,1]內(nèi)的任一實(shí)數(shù)。1和0表示對(duì)應(yīng)最強(qiáng)和最弱的認(rèn)知能力。為了學(xué)生有相應(yīng)的參考，我們給出了學(xué)生的評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)間：

優(yōu)秀=[0.8,1]；良好=[0.6,0.8]；中等=[0.4,0.6]；較差=[0.2,0.4]；很差=[0,0.2]

例如：若針對(duì)六種能力，自我感覺中等，則可以在中等區(qū)間內(nèi)選取某值作為評(píng)估值，此值不要求十分精確，取0.45,0.50,0.52均可，在以后的逐步逼近過程中可以修正。這樣我們就得到六項(xiàng)認(rèn)知能力值，即"初估值"

(2)根據(jù)一次評(píng)估值，我們開始以下的三級(jí)學(xué)習(xí)。首先進(jìn)入基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段，從題庫中選出適合學(xué)生認(rèn)知能力的題目進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)做題的對(duì)錯(cuò)，我們對(duì)"初估值"做出修正。修正規(guī)則如下：

規(guī)則1：ifYandlevel=1thena=a+0.025

解釋：如果學(xué)生答對(duì)一道難度級(jí)數(shù)為1的題，則在相應(yīng)的認(rèn)知能力值上加0.025

規(guī)則2：ifNandlevel=1thena=a-0.075

規(guī)則3：ifYandlevel=2thena=a+0.050

規(guī)則4：ifNandlevel=2thena=a-0.050

規(guī)則5：ifYandlevel=3thena=a+0.075

規(guī)則6：ifNandlevel=3thena=a-0.025

規(guī)則7：ifYandlevel=4thena=a+0.100

規(guī)則8：ifNandlevel=4thena=a-0.010

(3)綜合認(rèn)知能力的反映

為了全面的評(píng)估學(xué)生的認(rèn)知能力，教育心理學(xué)專家通過專家的經(jīng)驗(yàn)確定了各個(gè)認(rèn)知能力的量比值[22]，從而可以得到一個(gè)綜合的認(rèn)知能力指數(shù)。六種認(rèn)知能力的不同權(quán)重為：

識(shí)記=0.1400；理解=0.1125；應(yīng)用=0.1625；分析=0.1800；綜合=0.2750；評(píng)價(jià)=0.1300

由此可得學(xué)生的綜合認(rèn)知能力指數(shù)為：

A=0.1400*識(shí)記+0.1125*理解+0.1625*應(yīng)用+0.1800*分析+0.2750*綜合+0.1300*評(píng)價(jià)

(4)系統(tǒng)依次進(jìn)入第二階段、第三階段，處理方法如上。

顯然，二次評(píng)估值與一次評(píng)估值相比，在對(duì)學(xué)生認(rèn)知能力的評(píng)估上又接近了一步，如此繼續(xù)下去。學(xué)生每前進(jìn)一個(gè)階段，認(rèn)知評(píng)估值要修改一次，而每一次修改都要比前一次更接近準(zhǔn)確值。這就是"逐步逼近法"的含義。

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

4.1網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式主要有以下三種：主機(jī)/終端，C/S模式，B/S模式。主機(jī)/終端模式是用一臺(tái)高性能的主機(jī)帶有多個(gè)終端，通過分時(shí)共享方式使用主機(jī)資源，此種模式不能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，目前在信息系統(tǒng)開發(fā)中已經(jīng)很少采用。C/S模式由客戶機(jī)和服務(wù)器組成，通過網(wǎng)絡(luò)連接，服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理和部分或全部數(shù)據(jù)處理工作，客戶機(jī)負(fù)責(zé)用戶界面的處理和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理。C/S模式支持開發(fā)的工具很多，運(yùn)行效率較高，但需要在客戶機(jī)上安裝客戶應(yīng)用程序，用戶在固定的機(jī)器上工作，應(yīng)用程序的運(yùn)行、維護(hù)成本較高，而且也不能充分發(fā)揮Internet網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。

另一個(gè)就是B/S模式，也是本系統(tǒng)采用的模式。它是當(dāng)今Internet平臺(tái)上最流行的運(yùn)行模式。B/S模式由瀏覽器(browse)和服務(wù)器(webserver)組成，通過網(wǎng)絡(luò)連接，其基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。它和C/S模式有很多相似之處，但瀏覽器是通用的用戶界面，不需在瀏覽器端安裝用戶應(yīng)用程序，服務(wù)器提供用戶需要的信息，但要訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中的信息還需要進(jìn)行某種擴(kuò)展。信息系統(tǒng)采用此種模式可以使數(shù)據(jù)處理、內(nèi)部信息(Intranet)的瀏覽和外部信息的瀏覽界面完全一致，方便用戶使用。同時(shí)，由于瀏覽器端不安裝用戶應(yīng)用程序，可大大降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

我們的服務(wù)器配置為：

Windows2000advserver；VisualInterDev6.0和Frontpage2000,VisualC++6.0；

相關(guān)技術(shù)有ASP、HTML、CSS、VBScript、JavaScript；

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：SQLServer7.0；

與傳統(tǒng)的B/S模式不同，我們通過VC6編寫COM/COM+組件引入了"中間件"技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了Web的三層技術(shù)。

4.2COM+與ASP

COM+是微軟下一代新的組件結(jié)構(gòu)，總的來說，COM+就是將MTS(MicrosoftTransactionServer)集成到COM(ComponentObjectModule)中，從而為COM調(diào)用提供了一種新的基于MSMQ(MicrosoftMessageQueue)的通信方法。COM+提供了無縫連接系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下，創(chuàng)建服務(wù)器應(yīng)用就像實(shí)現(xiàn)客戶應(yīng)用一樣簡(jiǎn)單。

ASP(ActiveServerPages)的最大特點(diǎn)就是它可以與COM+/COM共同工作。ASP的執(zhí)行效率很高，可是一旦ASP腳本代碼開始運(yùn)行，由于腳本代碼是解釋運(yùn)行的，所以其運(yùn)行速度要比經(jīng)過編譯的代碼慢得多。腳本只用在代碼較少并且在其所調(diào)用的函數(shù)是經(jīng)過編譯的情況下才具有優(yōu)勢(shì)，所有在內(nèi)置函數(shù)數(shù)量十分有限的情況下，調(diào)用程序員自己編寫的函數(shù)方法才能滿足應(yīng)用的需要，而這種方法正是面向?qū)ο蟮腃OM能夠提供的。

除了提供調(diào)用的COM組件的方法外，ASP本身也是由COM實(shí)現(xiàn)的，ASP使用了對(duì)象模型，因此ASP編程可以實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮臒o縫連接。不但可以激活A(yù)SP提供的各種內(nèi)置對(duì)象而且還可以激活用戶COM對(duì)象，在這種情況下用戶COM對(duì)象也叫做ActiveServerComponents。

4.3存儲(chǔ)過程

在SQLServer數(shù)據(jù)庫中提供一些保存在數(shù)據(jù)庫中的用戶自定義的程序，而這些程度即是所謂的StoredProcedure(存儲(chǔ)過程)。簡(jiǎn)單的說，存儲(chǔ)過程就是使用一個(gè)程序名稱命名，其中包括含有處理數(shù)據(jù)庫存取與運(yùn)算的程序文件，并且將這樣的程序文件緊密結(jié)合在數(shù)據(jù)庫中，方便地通過前臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)或者是數(shù)據(jù)表變更時(shí)點(diǎn)擊的Trigger進(jìn)行程序處理。

使用存儲(chǔ)過程主要是為了改善系統(tǒng)性能。因?yàn)榇鎯?chǔ)過程在服務(wù)器上運(yùn)行，服務(wù)器通常是一種功能更加強(qiáng)大的機(jī)器，它的執(zhí)行時(shí)間要比在工作站中的執(zhí)行時(shí)間短。另外，由于數(shù)據(jù)庫信息已經(jīng)物理地在同一系統(tǒng)中準(zhǔn)備好，因此就不必等待記錄通過網(wǎng)絡(luò)傳遞進(jìn)行處理。相反，存儲(chǔ)過程肯有對(duì)數(shù)據(jù)庫的立即的、準(zhǔn)備好的訪問，這使得信息處理極為迅速。

系統(tǒng)中三階段練習(xí)的抽題過程主要用存儲(chǔ)過程實(shí)現(xiàn)，這樣提高了系統(tǒng)的效率，臨時(shí)表的生成也避免服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫的越權(quán)修改。

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)人工智能運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，以教育心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)理論為基礎(chǔ)建立了一個(gè)認(rèn)知學(xué)生模型的學(xué)習(xí)平臺(tái)，使課件具有了自適應(yīng)能力，能根據(jù)學(xué)生不同的學(xué)習(xí)能力，給予相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容和流程，具有一定的實(shí)用價(jià)值。另外本模型具有通用性，把此模型加入到教學(xué)軟件中對(duì)提高其智能性有很大益處。