摘要:本文討論基于Client/Server的智能計算機輔助教學(ICAI)的實現(xiàn)技術(shù),據(jù)此采用VC#、SQL Server、IIS等開發(fā)平臺,建立了一個用于C語言程序設(shè)計的ICAI系統(tǒng)。
　　關(guān)鍵詞:Client/Server;CAI;ICAI
　　中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A
　　
　　1 引言
　　
　　傳統(tǒng)的CAI課件系統(tǒng)是在單機上將全部教學內(nèi)容以編程或幻燈片的方式預(yù)置于課件系統(tǒng)中。學生學習時,教學過程是按課件規(guī)定的路徑和內(nèi)容展開的。由于缺乏必要的通信手段和智能特性,無法實現(xiàn)任課教師與學生之間的交互,也不能實現(xiàn)按學生的不同認知能力準備教案的因材施教教學。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日臻成熟,人工智能在專家系統(tǒng)領(lǐng)域取得的成功,它們?yōu)镃AI的發(fā)展提供了新的空間。我們認為CAI的發(fā)展方向在于網(wǎng)絡(luò)化、智能化。
　　
　　2 ICAI的評價標準
　　
　　智能計算機輔助教學系統(tǒng)(Intelligence Computer Assisted Instruction――ICAI)具有如下的一些特征:
　�、� 能自動生成各種問題與練習;
　�、� 根據(jù)學生的學習水平與學習情況選擇與調(diào)整學習的內(nèi)容和進度;
　　③ 在了解教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上自動解決問題,生成解答;
　�、� 具有自然語言生成與理解能力;
　　⑤ 對教學內(nèi)容有解釋咨詢能力;
　�、� 能診斷學生錯誤,分析原因并采取糾正措施;
　�、� 能評價學生的學習行為;
　　⑧ 能評價教師的教學行為。
　　具備上述全部特征的ICAI系統(tǒng)是完美的,但實現(xiàn)是困難的。一般認為只要具備上列一個或幾個特征,就可以稱之為ICAI。
　　
　　3 實現(xiàn)技術(shù)?
　　
　　3.1 Client/Server的實現(xiàn)
　　將用于教學的內(nèi)容、刻畫學生的認知模型所必需的數(shù)據(jù)資料保存在Server端。教師在教研室通過Client,負責實現(xiàn)對Server端教學內(nèi)容的更新與維護。學生在多媒體教室通過Client與Server相連,實現(xiàn)對教學內(nèi)容的學習,學習結(jié)束后,學生客戶端軟件將依據(jù)學生對知識點的掌握情況,為其自動修改認知模型。督導人員在教務(wù)處通過Client與Server相連,實現(xiàn)對教學過程的監(jiān)督與引導。?
　　3.2 認知模型的建立
　　ICAI強調(diào)按學生不同的認知模型,為其準備不同的教學內(nèi)容,用以實現(xiàn)個別化教學與啟發(fā)式教學。受認知心理學與教育學發(fā)展的制約,目前還無法準確地建立出單個人的認知模型。
　　我們粗略地將學生的認知模型,按其不同的認知能力分成高、中、低三類。同一內(nèi)容的教案也按高、中、低三種難度組織,分別提供給具有相應(yīng)認知能力的同學學習使用。學生在學習完每節(jié)的教學內(nèi)容后,系統(tǒng)將要求他回答一定數(shù)量的相關(guān)問題,并根據(jù)其回答問題的準確率,確定他的新認知模型。?
　　3.3 智能化教學過程的實現(xiàn)
　　我們借鑒專家系統(tǒng)的設(shè)計方法,實現(xiàn)ICAI課件系統(tǒng)中的智能功能。在該系統(tǒng)中組織了相應(yīng)的規(guī)則庫、事實庫(學習歷史紀錄庫)和推理實現(xiàn)機制,如下圖所示。
　　
　　下面對推理實現(xiàn)機制做簡要的介紹。規(guī)則庫由冊、章、節(jié)、超文本教案地址、閥值及多個前提組成,反映對該節(jié)的學習應(yīng)滿足的前提條件。學習歷史庫由冊、章、節(jié)、認知等級、已學次數(shù)組成,反映學生對該節(jié)的認知能力。規(guī)則庫的內(nèi)容由教師負責修改。學生的學習歷史紀錄,在庫中按每個人一張學習信息表組織,其內(nèi)容在每次學習之后,由學生客戶端軟件依據(jù)該生對知識點的掌握情況自動修改。推理過程由專用的推理模塊,按規(guī)則庫提供的規(guī)則與學生學習歷史紀錄庫提供的事實做出判斷。我們通過學生在每節(jié)教學內(nèi)容學習完成之后,對所附習題回答的準確率,將其認知能力劃分成高、中、低三個層次,并將這個結(jié)果保存在學生學習歷史紀錄庫中。學生下一次使用該系統(tǒng)進行學習時,該系統(tǒng)會按其不同的認知能力,為他準備相應(yīng)難度的教學內(nèi)容。不難看出,這種對認知能力的衡量是動態(tài)的。若學生不想按系統(tǒng)默認的進度學,則要求學生自行選擇學習內(nèi)容。若所選內(nèi)容已經(jīng)學過,則根據(jù)其當時所獲得的等級為他準備學習內(nèi)容;否則將視規(guī)則庫及學習歷史紀錄中的內(nèi)容,判斷其是否可學而定。例如:規(guī)則庫中限定在學習第一章第一節(jié)之前不能學習第一章第二節(jié),某生試圖越過第一章第一節(jié)學習第一章第二節(jié)時,系統(tǒng)會給出警告。為了使學生能在系統(tǒng)的控制下學習,無論是高、中、低難度的教案均是一節(jié)一個超文本文件,其中不含有鏈接。
　　當然對于某些特殊情況,學生需要跳過章節(jié)進行學習的。由于這一操作破壞系統(tǒng)的邏輯性,故應(yīng)在教師(系統(tǒng)管理員)的授權(quán)下完成,同時修改學生學習信息數(shù)據(jù)表,保持數(shù)據(jù)完整性。3.3.1 閥值的給定
　　當學生完成對某一節(jié)的內(nèi)容學習之后,回答系統(tǒng)提問所得的分數(shù)小于該節(jié)所具有的閥值時,系統(tǒng)并不會將該節(jié)標志為已學。所以該生下次登錄時,系統(tǒng)將強制他對該節(jié)的內(nèi)容進行重新學習。通常,那些在本學科中具有特殊重要地位的章節(jié)具有較高的閥值。下面給出評價某一節(jié)在本門課中的重要程度的方法:
　　Important(N)=IN(N)+OUT(N);
　　Important(N)――第N節(jié)(將全書中的節(jié)以流水形勢編排號碼)知識在本課程中的地位;IN(N)――本課程中,其余節(jié)知識中對第N節(jié)的知識有影響的個數(shù)之和,即前驅(qū)總數(shù);
　　OUT(N)――本課程中,第N節(jié)知識影響其余節(jié)知識的個數(shù)之和,即后繼總數(shù)。
　　當對本課程中所有的Important(N)計算完成后,即可據(jù)此給出某一節(jié)的閥值。閥值Valve(N)以百份數(shù)形勢表示,小于1且與Important(N)成正比。
　　設(shè)Right(N)表示某生在學習完第N節(jié)的知識后,回答系統(tǒng)所提問題的準確率。變量Ruler=1-Valve(N)。給定認知模型的修改規(guī)則如下:
　　If Right(N)
　　If Valve(N)≤Right(N)Then 認知能力定為“低”
　　If Valve(N)+Ruler*(1/3)≤Right(N)Then 認知能力定為“中”
　　If Valve(N)+Ruler*(2/3)≤Right(N)Then 認知能力定為“高”?
　　3.3.2 系統(tǒng)的安全技術(shù)
　　由于ICAI會針對用戶不同的認知模型(高、中、低)準備不同的教學內(nèi)容,所以為確保對用戶認知模型刻畫的準確程度,要求學生在使用學生客戶端軟件時,需用自己的姓名和口令向系統(tǒng)登記。當驗證該生是系統(tǒng)的合法用戶后,將到學生資料庫中讀取相應(yīng)的資料,送給ICAI的分析模塊用以構(gòu)建該生的認知模型,作為教學的依據(jù)。如不是系統(tǒng)的合法用戶,將要求學生進行簡單的注冊,如實填寫部分信息后成為系統(tǒng)的合法用戶,并在學生資料庫中為其分配一個低認知能力等級的缺省值,作為他第一次使用該系統(tǒng)時構(gòu)建認知模型的依據(jù)。
　　用戶初次登錄時,口令即為用戶名,登錄成功后系統(tǒng)立即要求對當前缺省口令進行修改。以后,用戶能對自己的口令做任意的修改。
　　學生機房及教師使用低訪問權(quán)限的Client端,不具備對規(guī)則庫的編寫權(quán)限,及對事實庫的GUI接口;教研室不設(shè)置Server端;Serve端及數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一置于中心機房進行管理。?
　　3.3.3 教學評價
　　我們用下述方法實現(xiàn)了對學生個人學習水平的評價。n:該系統(tǒng)用戶的總?cè)藬?shù);Xi:第i個學生的考試成績。
　　定義:
　　
　　由定義知,S是學生整體成績的標準差。Zi反映了第i個學生 的成績與平均成績的差是標準差的幾倍。用Zi來衡量考試成績不會受考卷難度值的影響,比Xi更有說服力。因為標準分(Zi)是一種參考零點(平均分)位置固定、單位長度(標準差)一樣的統(tǒng)計量。不同次測驗的原始分數(shù)換算成標準分后,就可以做互相比較。如某生兩次測驗的成績原始分數(shù)分別為:80、90,標準分分別為2.5、2。不能由第二次考試的原始分比第一次高而斷定該生的學習進步了,正確的斷言是:因為第二次考試的標準分比第一次低,所以該生學習成績退步了。經(jīng)驗表明,標準分的數(shù)值一般在-3~+3間。當標準分數(shù)值為正時,表示其學習水平在團體水平之上;反之,則表明學習水平在團體水平之下。
　　
　　4 系統(tǒng)性能探針
　　
　　我們完全可以根據(jù)上述思想建立了一個基于Client/Server模式,用于C語言程序設(shè)計教學的ICAI試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)的Server端采用SQL Server 2000組織管理“學生庫”(用來存放學生資料、答題檔案、學習歷史紀錄)和“知識庫與規(guī)則庫”(含問題庫、試題庫、規(guī)則庫、通訊庫與試卷備份庫)。用于教學的教案被組織成超文本形勢,由服務(wù)器上運行的Windows NT Server 的IIS(Internet Information Server)管理。Client端采用VC#.NET 2003為開發(fā)平臺。
　　它的主要特點是具有智能性,技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)清晰、交互能力強、界面友好、操作方便、擴充性強等。提供給學生學習的內(nèi)容采用先進的超媒體組織結(jié)構(gòu),利用WWW上處理圖、文、聲、像等多媒體數(shù)據(jù)的能力和優(yōu)勢,并配有鼠標選中區(qū)域高亮、背景聲效等多種形式化的表現(xiàn)方式,使設(shè)計出的系統(tǒng)以生動、靈活、逼真的方式吸引學生學習,充分調(diào)動學生學習的積極性和主動性,加深學生對課程的印象及重點、難點的理解。教師客戶端與督導客戶端的引入,可以使學生、教師、督導人員能互通信息,協(xié)作教學,故我們相信該系統(tǒng)具有很強的生命力與實用性。?
　　
　　參考文獻?
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