摘要:本文討論基于Client/Server的智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(ICAI)的實(shí)現(xiàn)技術(shù),據(jù)此采用VC#、SQL Server、IIS等開(kāi)發(fā)平臺(tái),建立了一個(gè)用于C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的ICAI系統(tǒng)。
　　關(guān)鍵詞:Client/Server;CAI;ICAI
　　中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
　　
　　1 引言
　　
　　傳統(tǒng)的CAI課件系統(tǒng)是在單機(jī)上將全部教學(xué)內(nèi)容以編程或幻燈片的方式預(yù)置于課件系統(tǒng)中。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí),教學(xué)過(guò)程是按課件規(guī)定的路徑和內(nèi)容展開(kāi)的。由于缺乏必要的通信手段和智能特性,無(wú)法實(shí)現(xiàn)任課教師與學(xué)生之間的交互,也不能實(shí)現(xiàn)按學(xué)生的不同認(rèn)知能力準(zhǔn)備教案的因材施教教學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)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(rèn)為CAI的發(fā)展方向在于網(wǎng)絡(luò)化、智能化。
　　
　　2 ICAI的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)(Intelligence Computer Assisted Instruction――ICAI)具有如下的一些特征:
　�、� 能自動(dòng)生成各種問(wèn)題與練習(xí);
　�、� 根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平與學(xué)習(xí)情況選擇與調(diào)整學(xué)習(xí)的內(nèi)容和進(jìn)度;
　　③ 在了解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上自動(dòng)解決問(wèn)題,生成解答;
　�、� 具有自然語(yǔ)言生成與理解能力;
　　⑤ 對(duì)教學(xué)內(nèi)容有解釋咨詢能力;
　�、� 能診斷學(xué)生錯(cuò)誤,分析原因并采取糾正措施;
　�、� 能評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為;
　�、� 能評(píng)價(jià)教師的教學(xué)行為。
　　具備上述全部特征的ICAI系統(tǒng)是完美的,但實(shí)現(xiàn)是困難的。一般認(rèn)為只要具備上列一個(gè)或幾個(gè)特征,就可以稱之為ICAI。
　　
　　3 實(shí)現(xiàn)技術(shù)?
　　
　　3.1 Client/Server的實(shí)現(xiàn)
　　將用于教學(xué)的內(nèi)容、刻畫(huà)學(xué)生的認(rèn)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(guò)Client,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)Server端教學(xué)內(nèi)容的更新與維護(hù)。學(xué)生在多媒體教室通過(guò)Client與Server相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)結(jié)束后,學(xué)生客戶端軟件將依據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況,為其自動(dòng)修改認(rèn)知模型。督導(dǎo)人員在教務(wù)處通過(guò)Client與Server相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)過(guò)程的監(jiān)督與引導(dǎo)。?
　　3.2 認(rèn)知模型的建立
　　ICAI強(qiáng)調(diào)按學(xué)生不同的認(rèn)知模型,為其準(zhǔn)備不同的教學(xué)內(nèi)容,用以實(shí)現(xiàn)個(gè)別化教學(xué)與啟發(fā)式教學(xué)。受認(rèn)知心理學(xué)與教育學(xué)發(fā)展的制約,目前還無(wú)法準(zhǔn)確地建立出單個(gè)人的認(rèn)知模型。
　　我們粗略地將學(xué)生的認(rèn)知模型,按其不同的認(rèn)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(rèn)知能力的同學(xué)學(xué)習(xí)使用。學(xué)生在學(xué)習(xí)完每節(jié)的教學(xué)內(nèi)容后,系統(tǒng)將要求他回答一定數(shù)量的相關(guān)問(wèn)題,并根據(jù)其回答問(wèn)題的準(zhǔn)確率,確定他的新認(rèn)知模型。?
　　3.3 智能化教學(xué)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)
　　我們借鑒專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,實(shí)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(kù)、事實(shí)庫(kù)(學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄庫(kù))和推理實(shí)現(xiàn)機(jī)制,如下圖所示。
　　
　　下面對(duì)推理實(shí)現(xiàn)機(jī)制做簡(jiǎn)要的介紹。規(guī)則庫(kù)由冊(cè)、章、節(jié)、超文本教案地址、閥值及多個(gè)前提組成,反映對(duì)該節(jié)的學(xué)習(xí)應(yīng)滿足的前提條件。學(xué)習(xí)歷史庫(kù)由冊(cè)、章、節(jié)、認(rèn)知等級(jí)、已學(xué)次數(shù)組成,反映學(xué)生對(duì)該節(jié)的認(rèn)知能力。規(guī)則庫(kù)的內(nèi)容由教師負(fù)責(zé)修改。學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄,在庫(kù)中按每個(gè)人一張學(xué)習(xí)信息表組織,其內(nèi)容在每次學(xué)習(xí)之后,由學(xué)生客戶端軟件依據(jù)該生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況自動(dòng)修改。推理過(guò)程由專用的推理模塊,按規(guī)則庫(kù)提供的規(guī)則與學(xué)生學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄庫(kù)提供的事實(shí)做出判斷。我們通過(guò)學(xué)生在每節(jié)教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)完成之后,對(duì)所附習(xí)題回答的準(zhǔn)確率,將其認(rèn)知能力劃分成高、中、低三個(gè)層次,并將這個(gè)結(jié)果保存在學(xué)生學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄庫(kù)中。學(xué)生下一次使用該系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí),該系統(tǒng)會(huì)按其不同的認(rèn)知能力,為他準(zhǔn)備相應(yīng)難度的教學(xué)內(nèi)容。不難看出,這種對(duì)認(rèn)知能力的衡量是動(dòng)態(tài)的。若學(xué)生不想按系統(tǒng)默認(rèn)的進(jìn)度學(xué),則要求學(xué)生自行選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。若所選內(nèi)容已經(jīng)學(xué)過(guò),則根據(jù)其當(dāng)時(shí)所獲得的等級(jí)為他準(zhǔn)備學(xué)習(xí)內(nèi)容;否則將視規(guī)則庫(kù)及學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄中的內(nèi)容,判斷其是否可學(xué)而定。例如:規(guī)則庫(kù)中限定在學(xué)習(xí)第一章第一節(jié)之前不能學(xué)習(xí)第一章第二節(jié),某生試圖越過(guò)第一章第一節(jié)學(xué)習(xí)第一章第二節(jié)時(shí),系統(tǒng)會(huì)給出警告。為了使學(xué)生能在系統(tǒng)的控制下學(xué)習(xí),無(wú)論是高、中、低難度的教案均是一節(jié)一個(gè)超文本文件,其中不含有鏈接。
　　當(dāng)然對(duì)于某些特殊情況,學(xué)生需要跳過(guò)章節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)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(shí)修改學(xué)生學(xué)習(xí)信息數(shù)據(jù)表,保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。3.3.1 閥值的給定
　　當(dāng)學(xué)生完成對(duì)某一節(jié)的內(nèi)容學(xué)習(xí)之后,回答系統(tǒng)提問(wèn)所得的分?jǐn)?shù)小于該節(jié)所具有的閥值時(shí),系統(tǒng)并不會(huì)將該節(jié)標(biāo)志為已學(xué)。所以該生下次登錄時(shí),系統(tǒng)將強(qiáng)制他對(duì)該節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行重新學(xué)習(xí)。通常,那些在本學(xué)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(píng)價(jià)某一節(jié)在本門(mén)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(shū)中的節(jié)以流水形勢(shì)編排號(hào)碼)知識(shí)在本課程中的地位;IN(N)――本課程中,其余節(jié)知識(shí)中對(duì)第N節(jié)的知識(shí)有影響的個(gè)數(shù)之和,即前驅(qū)總數(shù);
　　OUT(N)――本課程中,第N節(jié)知識(shí)影響其余節(jié)知識(shí)的個(gè)數(shù)之和,即后繼總數(shù)。
　　當(dāng)對(duì)本課程中所有的Important(N)計(jì)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(shì)表示,小于1且與Important(N)成正比。
　　設(shè)Right(N)表示某生在學(xué)習(xí)完第N節(jié)的知識(shí)后,回答系統(tǒng)所提問(wèn)題的準(zhǔn)確率。變量Ruler=1-Valve(N)。給定認(rèn)知模型的修改規(guī)則如下:
　　If Right(N)
　　If Valve(N)≤Right(N)Then 認(rèn)知能力定為“低”
　　If Valve(N)+Ruler*(1/3)≤Right(N)Then 認(rèn)知能力定為“中”
　　If Valve(N)+Ruler*(2/3)≤Right(N)Then 認(rèn)知能力定為“高”?
　　3.3.2 系統(tǒng)的安全技術(shù)
　　由于ICAI會(huì)針對(duì)用戶不同的認(rèn)知模型(高、中、低)準(zhǔn)備不同的教學(xué)內(nèi)容,所以為確保對(duì)用戶認(rèn)知模型刻畫(huà)的準(zhǔn)確程度,要求學(xué)生在使用學(xué)生客戶端軟件時(shí),需用自己的姓名和口令向系統(tǒng)登記。當(dāng)驗(yàn)證該生是系統(tǒng)的合法用戶后,將到學(xué)生資料庫(kù)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(rèn)知模型,作為教學(xué)的依據(jù)。如不是系統(tǒng)的合法用戶,將要求學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的注冊(cè),如實(shí)填寫(xiě)部分信息后成為系統(tǒng)的合法用戶,并在學(xué)生資料庫(kù)中為其分配一個(gè)低認(rèn)知能力等級(jí)的缺省值,作為他第一次使用該系統(tǒng)時(shí)構(gòu)建認(rèn)知模型的依據(jù)。
　　用戶初次登錄時(shí),口令即為用戶名,登錄成功后系統(tǒng)立即要求對(duì)當(dāng)前缺省口令進(jìn)行修改。以后,用戶能對(duì)自己的口令做任意的修改。
　　學(xué)生機(jī)房及教師使用低訪問(wèn)權(quán)限的Client端,不具備對(duì)規(guī)則庫(kù)的編寫(xiě)權(quán)限,及對(duì)事實(shí)庫(kù)的GUI接口;教研室不設(shè)置Server端;Serve端及數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一置于中心機(jī)房進(jìn)行管理。?
　　3.3.3 教學(xué)評(píng)價(jià)
　　我們用下述方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生個(gè)人學(xué)習(xí)水平的評(píng)價(jià)。n:該系統(tǒng)用戶的總?cè)藬?shù);Xi:第i個(gè)學(xué)生的考試成績(jī)。
　　定義:
　　
　　由定義知,S是學(xué)生整體成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)差。Zi反映了第i個(gè)學(xué)生 的成績(jī)與平均成績(jī)的差是標(biāo)準(zhǔn)差的幾倍。用Zi來(lái)衡量考試成績(jī)不會(huì)受考卷難度值的影響,比Xi更有說(shuō)服力。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)分(Zi)是一種參考零點(diǎn)(平均分)位置固定、單位長(zhǎng)度(標(biāo)準(zhǔn)差)一樣的統(tǒng)計(jì)量。不同次測(cè)驗(yàn)的原始分?jǐn)?shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)分后,就可以做互相比較。如某生兩次測(cè)驗(yàn)的成績(jī)?cè)�始分�(jǐn)?shù)分別為:80、90,標(biāo)準(zhǔn)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(xué)習(xí)進(jìn)步了,正確的斷言是:因?yàn)榈诙�次考試的�?biāo)準(zhǔn)分比第一次低,所以該生學(xué)習(xí)成績(jī)退步了。經(jīng)驗(yàn)表明,標(biāo)準(zhǔn)分的數(shù)值一般在-3~+3間。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)值為正時(shí),表示其學(xué)習(xí)水平在團(tuán)體水平之上;反之,則表明學(xué)習(xí)水平在團(tuán)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(gè)基于Client/Server模式,用于C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)的ICAI試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的Server端采用SQL Server 2000組織管理“學(xué)生庫(kù)”(用來(lái)存放學(xué)生資料、答題檔案、學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄)和“知識(shí)庫(kù)與規(guī)則庫(kù)”(含問(wèn)題庫(kù)、試題庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、通訊庫(kù)與試卷備份庫(kù))。用于教學(xué)的教案被組織成超文本形勢(shì),由服務(wù)器上運(yùn)行的Windows NT Server 的IIS(Internet Information Server)管理。Client端采用VC#.NET 2003為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
　　它的主要特點(diǎn)是具有智能性,技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)清晰、交互能力強(qiáng)、界面友好、操作方便、擴(kuò)充性強(qiáng)等。提供給學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容采用先進(jìn)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(shì),并配有鼠標(biāo)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(jì)出的系統(tǒng)以生動(dòng)、靈活、逼真的方式吸引學(xué)生學(xué)習(xí),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,加深學(xué)生對(duì)課程的印象及重點(diǎn)、難點(diǎn)的理解。教師客戶端與督導(dǎo)客戶端的引入,可以使學(xué)生、教師、督導(dǎo)人員能互通信息,協(xié)作教學(xué),故我們相信該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的生命力與實(shí)用性。?
　　
　　參考文獻(xiàn)?
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