计算机导学系统论文（共3篇）
计算机导学系统论文 篇1
西北民族大学物理演示与探索实践区成立于2010年9月, 隶属于实验中心物理教研室, 下设光学演示厅、力电演示厅、近代与综合物理演示厅及精工与电工工作厅四大区域, 占地518m2。物理演示与探索实践区包括实验仪器200多套, 覆盖实验项目200余项, 主要以演示的形式将抽象的物理概念形象化、枯燥的知识生动化[1,2]。该实验室自建成投入使用以来, 每学期要求学生开设演示课程四个学时, 为了应对学生在四学时内接收纷繁复杂的各种物理现象, 在每间演示厅配备一台计算机导学系统, 该系统包括动画演示、视频影片、图片和物理原理等, 将物理现象直观的展现出来, 教学交互, 有利于学生形成新的认知结构, 培养学生的探索、创新思维能力[3,4]。本论述结合计算机导学系统的模块结构、主界面, 阐述其在学生学习物理演示实验和创新创作方面发挥的作用。
1 计算机导学系统主要运行环境
计算机导学系统是集Dreamweaver MX网页设计软件工具、ASP (active server page) 动态网页编程设计而成, 基于.NET平台B/S (浏览器/服务器) 模式的架构体系。B/S模式的软件系统具有易于安装部署, 使用简单, 维护方便, 负担小等优点[5]。操作系统支持windows 98, windows 2000, windows XP的运行环境。
2 计算机导学系统的主要模块结构、界面、布局及功能
计算机导学系统主要是囊括物理知识的计算机系统, 根据物理课程的分类共分为六大模块, 有力学与热学、光学、电磁学、振动与波、近代与综合及物理百科, 分类明确。主界面上这六大模块下面链接着丰富多彩的内容, 功能各不相同, 其主要模块界面见图1所示。
系统模块结构六大模块中任意模块下添加了超级链接, 对应有图画、文字、视频、flash小动画。以力学与热学模块为例说明。
点击力学与热学, 就会出现新的画面, 左侧部分是导航菜单, 可以选择到下页或者上页, 返回主界面等;正文部分是演示实验项目名称及对应仪器设备图片。比如:在力学与热学这一模块中就包括伯努利悬浮球、飞机升力、角动量守恒转台、陀螺进动仪、转动惯量与质量分布、科里奥利演示等。任选一项实验项目点击, 就会进入正文, 正文包括:现象篇、原理篇、拓展篇和背景篇, 其中左侧部分导航菜单对应也为现象篇、原理篇、拓展篇和背景篇。每一个实验项目对应有实验现象、原理、拓展知识和理论背景。学生可根据点击项目名称来了解原理、现象、理论背景等进而理解更深的物理知识内容。各项内容在物理演示与探索实验区中发挥着不同的作用。
(1) 现象篇
现象篇主要以动画、视频的形式演示物理现象。通过计算机播放软件将现有演示实验演示出来, 配以音乐、文字说明, 把瞬时的、不易分辨或难以理解的物理现象及定律转化成直观的、清晰的、持久的物理图像或数字电信号, 把抽象的物理知识简单化、形象化、生动化, 帮助学生加深对物理定理、定律、法则等的理解和掌握, 巩固记忆[6]。学生通过观看演示实验视频, 就会对其物理现象产生好奇, 继而激发寻找答案的兴趣, 带着问题继续思考和钻研。
现象篇对学生形成物理概念、理解物理规律具有指导作用, 是培养学生观察、思维、创新能力, 提高他们发现、分析和解决问题能力的有效途径[7]。
(2) 原理篇
原理篇是对演示实验项目实验原理的综合性概述, 从不同的角度去阐述实验原理, 有一定的广度和深度, 不同于实验课堂上的简单性验证。如在4学时内要逐一消化200余项演示实验是不可能的, 引入计算机导学系统不仅能够引导学生高效的学习, 同时降低了教师的工作频率, 使问题简单化。原理篇使学生对演示现象有更透彻的理解和更深刻的记忆, 激发学生对学习大学物理的浓厚兴趣, 甚至吸引一批学生从此致力于物理学的探索与研究中[8]。
(3) 拓展篇
拓展篇主要是在原有理论知识的基础上将物理现象与现实生活、现代科技相联系, 用物理知识去解释。即通过物理现象的视频到原理的介绍, 再到知识的拓展, 引领同学们用发展的目光探索、创新, 联系到现实生活。如在演示课堂内, 教师对每一个演示实验项目预设几个问题, 使学生进行思考回答。演示课结束后, 学生要对实验所提出的问题以小论文的形式进行总结, 包括自己感兴趣的问题[9]。以避雷针这一演示实验项目为例。在现象篇、原理篇之后, 拓展篇首先列出避雷针在现实生活中的应用, 随后提出问题———狂暴的力量“闪电”, 进而联系现实生活提出“闪电能达到多高的温度”、“闪电在维持地球生态方面的作用”、“避雷针真的万无一失吗”、“信息时代中通信工具怎样有效防雷”、“雷电工具能否参与战争”等, 并在这些问题前添加按钮, 点击按钮就会链接相关的科普知识内容。因此, 拓展篇帮助学生了解社会中的现象与物理知识的关系, 物理在生活中的重要性;增加了学生的学习动力, 激励学生探知未知世界, 开拓创新, 大胆进取。
(4) 背景篇
背景篇是专门描述物理规律、定律产生的历史背景条件, 包括在什么条件、什么时间、由谁发现什么定律, 引入相关科学家的生平简介、科学成就、逸闻趣事等, 让学生充分感受到科学成就的来之不易, 从中体会科学家的伟大智慧与探索精神。
在避雷针的演示项目里引出科学巨匠富兰克林, 让学生了解他对电磁学的贡献;在描述声波这一现象的过程中, 拓展到窃听器的技术, 又追溯到中国古代对声学研究的贡献方面, 让学生从古到今又从今到古反复比较、推敲, 获取新的进步;关于海市蜃楼, 也是以古博今, 使学生在现有知识的基础上巩固、深化知识范围。
六大模块在结构上很接近, 各项内容在物理演示与探索实践中发挥着不同的作用。再比如物理百科这一模块结构更是内容丰富, 知识范围广阔, 趣味性强。它包括对物理学历史的透视、物理学大史记、物理学的里程碑、科学发现简历、中国古代的物理学等, 以文字、视频等方式展示从古到今物理学史上的科学丰碑。其下链接历史上许多重要、经典的物理规律、定律诞生的时代条件, 科学伟人的科研经历及伟大成就, 军事、空间物理, 生活中的物理及趣味物理。严肃抽象的物理理论兼具趣味性十足的生活物理, 使学生在物理知识的海洋里遨游。生活中为什么会有“饭菜扑鼻香、多孔的冻豆腐、香脆的爆米花”这些现象, 最好的方法是用物理的理论知识去解释。从好奇到感知、从兴趣到创新, 无疑是对物理学理论联系实际最好的诠释, 也培养了学生创新实践和从事科学研究的能力。
3 结束语
结合西北民族大学当前的实验室条件及实验人员现状, 计算机导学系统在每学期4学时的演示实验课程方面起着关键作用, 有效补充了教师教学中的不足, 提高了教学实效。在演示课前, 该系统通过视频、文字提供学生预习、了解物理演示实验;演示课后, 该系统通过原理、拓展、背景篇有效地帮助学生深入理解物理规律、定律, 巩固、完善知识;此外, 学生可以利用业余时间主动通过导学系统查阅自己感兴趣的相关知识。因此, 计算机导学系统在物理演示与探索实践区中涵盖内容广泛, 展现形式多样化, 又兼具趣味性, 对学生起引导激励作用, 提高了学生的创新意识, 开发了学生的创造力和科学实验能力[10], 是教师、学生巩固知识、提高自我的有效资源。
参考文献
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《数据结构》智能导学系统设计 篇2
关键词：智能导学系统,数据挖掘,建构主义
1 概述
在人类发展的历史上, 文字与印刷术的出现, 曾是信息技术发展史中的两个里程碑, 并引发过教育体制与教学模式的两次飞跃。而到20世纪90年代, 以多媒体和Internet为标志的信息技术革命, 正以惊人的速度改变着人们的生产方式、工作方式、学习方式和生活方式。
目前, 国内绝大多数高校都建有良好的计算机硬件和校园网络环境, 为开展多媒体教学和网络教学提供了必要的硬件支持。然而, 不少现有多媒体和网络教学系统却没能充分利用和发挥这些资源应有的特色和优势, 在教学模式、系统模型和开发技术上都还存在着较大的缺陷。主要包括:智能性较差;缺乏有效地共享和协作机制;缺乏对学生自学过程、学习进度、学习效果的有效监控和合理评价;缺乏推理机制和学生模型的支持;缺少有效的导学机制[1]。
所以网络自主学习会存在一定的盲目性, 这就需要建立有效的导学和监管机制, 使学习者的学习变得更为有效, 从而提高学习的质量。
一方面, 上述缺陷的存在对智能导学系统的发展和应用前景带来了较大障碍。另一方面, 计算机技术、多媒体技术、网络技术、人工智能技术、数据挖掘技术和人工情感技术等信息技术的发展又为解决上述问题提供了一定的技术条件。深入探索网络教学环境下的教育理念、教学模式和教学方法, 为解决上述问题提供了一定的理论基础。
2 理论基础
2.1 建构主义学习理论
随着心理学家对人类学习过程认知规律研究的不断深入, 近年来, 认知学习理论的一个重要分支———建构主义学习理论在西方逐渐流行。由于多媒体计算机和基于Internet的网络技术可以作为建构主义学习环境下的理想认知工具, 能有效地促进学生认知的发展, 建构主义正显示其强大的生命力[2]。
2.2 数据挖掘技术
数据挖掘 (Data Mining) , 也叫数据开采, 数据采掘等, 就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中, 提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程[3]。现存的信息系统的数据量非常大, 而其中真正有价值的信息却很少, 因此从大量的数据中经过深层分析, 获得有利于业务运作、提高竞争力的信息, 就像从习、一石中淘金一样, 数据挖掘也因此而得名。这种新式的信息处理技术, 可以按既定业务目标, 对大量的数据进行探索和分析, 揭示隐藏的、未知的或验证已知的规律性, 并进一步将其模型化[4]。
2.3 智能导学系统
智能导学系统, Intelligent Tutoring System, 也有相关文献翻译为智能教学系统或智能授导系统, 是人工智能技术与计算机辅助教学相结合的产物, 是为学生在某一学科领域学习时提供良好的情境, 根据学生的学习行为、学生的学习能力、学习基础和知识水平, 并根据学生不同的特点设计符合个性的教学决策, 选择不同的教学路径, 并给予学生有针对性的个别指导的一种基于现代计算机信息网络的远程导学系统[5]。
3 智能导学系统的结构
智能导学系统的结构如下图所示, 系统主要分为三部分:存储部分、系统管理部分和个性化学习环境。
其中, 存储部分包括:存储层包括知识库、交流信息库、学生信息库和教学规则库。
系统管理部分有:信息收集系
统、规则适应系统、个性化分析系统和个性化调度系统。
而个性化学习环境是个性化调度系统根据存储部分信息分析而生成的。
本系统采用三层结构, 存储层的数据添加和删除不会影响到个性化学习环境的生成, 而个性化学习环境的修改也不会影响到存储层的。存储层和应用层的连接需要由个性化调度系统来完成的。
本系统会在学生边是使用时边收集学生信
4 系统功能设计
本系统主要由三类用户组成:管理员、学生和教师。
4.1 系统管理功能
管理功能有:学习资源管理、教师管理、学生管理、BBS管理、新闻通知管理、智能答疑系统管理。
4.2 教师功能
教师可以管理课程的考试资源、管理学习这门课程的学生、管理BBS中的课程相关论坛、回复智能答疑系统中的回答学生提出的相关科目的问题、管理问题库等。
4.3 学生学习功能
学生的主要任务是学习, 其功能就是充分利用网络和计算机技术尽可能的让学生了解系统所开设的课程、选择课程并更好地学习课程。
普通用户首先要注册成为学生, 学生可以制定自己的个性化的学习方案、学习系统提供的学习资源、使用智能答疑系统、利用系统提供的考试功能测试知识掌握情况、浏览系统的公共信息和在BBS中同其他人交流。
5 结论
在智能导学系统理论的基础上, 引进了数据挖掘和决策系统的思想, 并将其应用于智能导学系统的设计过程中。主要分析了智能导学系统理论, 设计了智能导学系统的主要功能。下一步的工作是, 对《数据结构》智能导学系统的模块划分及系统实现。
参考文献
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[4]范明, 孟小锋.数据挖掘概念与技术[M].北京:机械工业出版社, 2006:322-324.
计算机导学系统论文 篇3
CAI系统中的教学信息是由教师事先构造教学流程, 从而为学生提供的。系统根据学生回答问题的答案来引导学生学习, 以实现从一个页面到另一个页面的跳转。这样的系统在一定程度上实现了因材施教, 但其不了解学生的认知风格与认知水平。智能导学系统是针对CAI系统的不足而提出的, 其建立过程涉及多门学科的知识, 如心理学、教育学、计算机科学技术、认知学等, 它是人工智能技术在教育领域中最重要的应用。
2. 智能导学系统
智能导学系统是一种借助人工智能技术, 让计算机扮演教师的角色, 向不同需求、不同特征的学习者传授知识, 以提供个别化教学的学习支持系统[1]。
智能导学系统应具备以下智能特征[2]: (1) 具备某一领域的学科知识, 有完备的知识库; (2) 能自动生成各种习题和测试题; (3) 能够分析学习者的特征, 根据学生的水平、学习情况调整学习内容和进度; (4) 能不断在教学中改进教学策略。
根据系统目标, 智能导学系统基本可以划分为问题求解支持和课程序列两类:
(1) 问题求解支持
智能导学系统的一个基本作用是问题求解支持。问题求解支持的主要目的是, 当学生处理诸如一个工程或一个问题这样的任务时, 系统为学生提供诸如实施步骤此类的智能化帮助;当学生在某一步骤遇到困难时, 智能导学系统会给出一个提示, 为学生提供一种解决办法。此时, 对系统开发者而言, 最需要解决的问题是-如何准确理解学生行为, 从而为学生提供好的解决方案。
(2) 课程序列
课程序列技术旨在为学生提供个性化的、最优化的学习路径。智能导学系统自动地选择最优的教学方式, 如案例教学、课堂提问等。
利用智能导学系统学习的学生往往是一个人在按照自己的进度学习, 并且没有辅导教师的指导。而对于学生来说, 正确的学习路径、建议很重要, 这有助于学生顺利完成学习任务, 提高学习效率。
3. 多Agent技术介绍
3.1 Agent的基本属性
一个程序是否是一个Agent就在于它是否利用了一个或多个展示某种类型智能的属性[3]。
3.2 Agent间的通信
Agent之间的通信主要由通信的具体对象、与通信对象发生通信时所在的位置、通信发生的时间、通信时所使用的语言等四个方面确定。
要实现Agent间的通信, 必须知道通信的对方是谁, 怎样找到它、初始化通信以及如何保持通信。知识共享计划 (Knowledge Sharing Effort, KSE) 的Externa Interfaces工作组提出了知识查询与操纵语言 (Knowledge Query and Manipulation Language, KQML) , 智能物理Agent基金会 (Foundation for Intelligent Agents, FIPA) 开发了ACL语言。
虽然KQML的出现是一个创新并取得了成功, 但它仍存在以下两个缺点[4]: (1) 语用词不完善; (2) 语用词的含义只是以自然语言英语描述, 并没有严格定义, 从而无法给出特定的形式语言描述。FIPA-ACL的提出很好地解决了以上两个问题。
一条典型的FIPA-ACL消息如下:
3.3 多智能代理系统
多智能代理系统 (Multi-Agent System, MAS) 是由多个自主协作、相互配合的Agent个体构成的, 它提供了分散控制和并行处理。在MAS中, Agent之间以及Agent与环境之间, 通过通讯、协商与协作来共同完成依靠某一个Agent无法完成的任务。它具有灵活性、适应性, 适合应用于开放、动态的环境。基于智能导学系统多用户、并发访问的特点, 使用Multi-Agent技术进行智能导学系统的设计与开发。[5]
3.4 多Agent系统的开发平台
国内外学者多使用ZEUS和JADE开发平台对多Agent系统进行研究、开发, 它们都是基于JAVA语言开发的开源平台。研究[6]表明, 作为开源平台, JADE与ZEUS相比具有以下两个优点: (1) JADE通过内核直接提供消息服务, 服务速度快;在同一条件下, JADE平台上发送消息的速度几乎是ZEUS的10-20倍; (2) 系统稳定性好, 即使系统需要部署大量的Agent, 使用JADE平台进行开发, 系统稳定性依然很好。
JADE (Java Agent Development Framework) 是意大利电信联合研究中心和帕尔玛大学计算机工程研究组共同研制、开发的一个中间件产品, 用以辅助与FIPA规范兼容的Agent应用开发, 尤其是对于互操作的智能MAS[7]。在Agent应用程序需要利用一些FIPA标准规范所涵盖特征 (消息传递、Agent生命周期管理等) 时, JADE提供相应的支持;它使编程人员能够通过面向对象的抽象来利用FIPA标准资源[8]。JADE平台提供一个符合FIPA规范的软件框架, 能够轻松实现命名服务、黄页服务、通讯服务等功能, 减轻MAS开发的难度, 为系统集成开发提供了便利条件。JADE基本上是基于Agent的系统开发的最佳解决方案和最适合的开发工具、运行时环境。
4. 系统的设计
4.1 系统功能的设计
系统主要由学生和教师两类用户构成;系统中包含学生、教师以及管理员三类角色, 考虑到普通管理员专业性不足以及管理负担, 部分教师承担管理员角色。系统功能如图1-1所示。
4.2 学生模型的建立
学生模型以一种计算机可识别的、易修改的、可扩展并且易检索的形式呈现, 它是系统中学习者的抽象表示, 记录了学生的基本信息以及认知水平信息。这些信息准确无误地、客观地、真实地反映了学生当前的知识水平和认知能力, 对于获得学习者对知识内容的理解状态非常重要。
如何有效评价学生的学习状态以及学生认知水平的表达, 是建立智能导学系统的一个难点。主要是因为: (1) 如果想要了解所有学生的学习水平, 需要大量的观察数据, 而要获取这样的数据非常难, 几乎不可能做到; (2) 即使获取了与学生学习相关的某一类信息, 如学习目标、学习计划、知识水平以及学习中的不足, 信息本身也是非常复杂或是与学生实际行为不一致的数据。通过建立学生模型, 智能导学系统能够推断出学生是否掌握了当前学习的知识点, 进而开展下一步有针对性、个性化的教学, 如呈现适应性教学内容, 给出合适的教学指令、建议, 有效链接等。
目前, 粗糙集、模糊集、向量、网格、贝叶斯网络、图、本体论、与或树等大量技术广泛应用于学生模型的建立。
4.3 系统数据库设计
根据智能导学系统的主要功能, 结合课程实例和知识点的特点, 将数据库内的重点库表分为三类:用户信息库、教学模型库、教学资源库。
5. 结束语
智能导学系统的应用改变了传统的教学模式, 使学生的学习积极性、主动性都得以提高, 教学效率有所提升;但其建立的过程是一个复杂的工程, 多Agent理论应用于构建智能导学系统模型具有可行性, 该技术的应用有效解决了开发过程中所遇到的难题。
参考文献
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