操作系统课程的浏览式网络课件的设计

35现代教育技术2001年第2期(总第35期)__________________________________________________论文编号1009—8097(2001)02—0035—03基于Client/Server的浏览式网络课件的设计杨凯滕至阳东南大学计算机科学与工程系南京210096【摘要】本文结合CAI的现状和发展趋势，阐述了一个基于Client/Server结构的以自学型为主的计算机辅助教学软件的设计与实现。它围绕知识点结构按与此系统交互的人员将其分成教师、学生和督导人员三个模块，实现了通过Internet完成教与学的教学模式。【关键词】CAI，，Client/Server，远程开放教学【中图分类号】G434【文献标识码】B一、目前的现状和发展趋势现代信息技术的发展极大地促进了社会经济的发展,也引发了一场知识和信息的革命。伴随着Internet网络技术的日臻成熟,基于Internet的应用模式作为一种方便快捷的共享信息手段深受用户的欢迎。作为应用之一的计算机辅助教学(CAI)已在广阔的领域内发挥了重要作用。CAI是以计算机代替教师模拟教学过程,通过学生与计算机之间的交互活动达到教与学的目的,其灵活方便、图文并茂的特点能激发学习者的学习积极性和主动性,达到提高教学效率的目的。纵观当今CAI的发展,计算机辅助教学软件在国内还很少见,国家也正研制各种课程的CAI并投入使用,这表明CAI顺应了教学发展的趋势,但目前的CAI绝大部分都是单机版的,它们的交互界面精美、支持多种学习策略、教学内容丰富,然而这种传统的CAI也存在如下不足之处：1、推广困难：单机版的CAI课件大部分都是通过光盘销售,因而很难在更大的范围内推广。2、缺乏网络的支持,可扩展性差：由于信息社会的发展使得教学中的教材内容更新快,因此要经常对教学内容进行更新和维护,然而现有的绝大多数CAI课件是被刻录在光盘上且运行在单机环境下的,它们无法利用网络在知识更新上的方便与快捷的优势,因此这样的CAI课件一旦完成生产就再也无法对教学内容更新和维护,因而是没有生命力的。3、缺乏良好的交互性和智能性：通过CAI课件教学时,若有合适的手段查询背景知识并对某个知识点进行讨论,这样对学生是非常有益的。传统的CAI课件系统是在单机上将全部教学内容以编程的方式预置于课件中,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,学生只能被动接受,无法实现学生与老师之间的沟通,也无法按学生的认知能力高低准备合适的教学内容来因材施教,因此也就无法实现教育学所要求的个别化教学和启发式教学。4、缺乏教师的参与和督导人员的监督：现有的CAI课件系统售出后,如何操作和如何学习都是学生自己的事,教师对学生的情况也是全然不知,学生碰到问题时,也不能向教师求助,师生之间根本无法实现交流,从而使软件的适应性很差；由于缺乏必要的监督和制约机制,使得CAI仍是一种辅助教学的方式而不是一种独立的教学手段。由于传统的CAI存在上述缺点,它已不能适应开放远程教学的现状。随着网络技术的发展和人工智能在专家领域内取得成功,它们为CAI的发展提供了新空间,采用浏览/服务器模式的网络课件在远程教学过程中具有无可比拟的优势,因此我们认为36网络专用搜索引擎Web设计工具搜索代理请求导航结构界面Web交互界面热键列表素材库策略库及管理及管理知识点教师学生督导人员其他知识点或知识片段CAI的发展方向在于网络化和智能化。浏览/服务器模式的主要实现技术是Web页面程序设计,故又称基于Web的网络课件设计。采用Web技术的同时,仍要倾力于提高网络课件的交互性、可扩展性和可维护性,高质量的交互性是网络课件实现向以学生为中心的教学模式转移和得到市场认可的关键。二、系统设计的目标为了克服以往课件的缺陷,本课件利用新颖的素材和教学策略与学生认知水平的吻合来激发学生学习的兴趣和主动性,追求教学内容的先进性；为方便教学内容的更新,必须追求课件的开放性和可维护性；为了提高自主学习的效率,必须使课件具有良好的交互性和真实感；而且为顺应现代教育的发展趋势,必须让教师和督导人员尽可能地参与到教学当中,能够有针对性的对同学因材施教,因而课件要有一定程度的智能性。三、系统实现的方法和技术1、系统设计的思想为实现系统的目标,我们开发的这个网络课件将充分利用多媒体技术、Web技术和一定程度上的智能特性,实现了可跨越时间和地点、以自学模式为主的一个自学习系统。系统的体系结构是建立在Web的客户/服务器（C/S）体系结构之上,通过与C/S结构的数据库系统结合,将用于教学的内容和刻画学生的认知模型等所必须的数据资料保存在服务器端。学生在任何地方通过客户端与服务器相连,实现对教材内容的学习,学习结束后,根据学生对知识点的掌握情况,他的认知模型得到相应的修改；老师通过客户端负责对服务器端教学内容的更新和维护；督导人员通过客户机与服务器相连,实现对教学过程的督导。这样实现的系统可以减少客户端的系统维护工作,并且有利于系统功能的扩展。2、系统的总体设计本课件是自学习型的,而自主型学习的主要特点是围绕知识点展开的,若干个知识点组成一个学习单元,因此,我们首先要分析课程的知识点,把知识点按层次关系和横向联系组织成知识点网络,然后为每个知识点添加教学素材、构造学习单元、设计教学策略以及控制机构,最后给每个知识点提供多种交互手段,如疑难求助等。围绕知识点我们再建立Web交互界面、搜索代理请求界面、导航结构、热键列表、素材库以及策略库,于是得到系统的结构如图1所示。我们的这种方法和技术路线为实现交互性、开放性、共享性和易维护性目标提供了可靠保证。图1系统的整体设计结构（1）Web交互界面Web交互界面是完成系统功能的主要场所。学生可以点击网页中的URL链接从而可以学习到教材中的相应的内容,而且还可以在这里提问、讨论、做练习、考试等；老师可以在这里进行教材内容的更新、教学策略管理、以及给学生答疑、改作业和考试等；督导人员可以在这里监督教学过程。课堂讨论和教师答疑是这里的重要环节,我们采用两种不同的模式来分别适应不同的需要：1）异步模式是非实时的,我们主要利用动态技术（如DHTML，JavaScript等）建立一些交互行为,更多的是学生通过E-Mail方式跟教师交流。2）同步模式适合实时的讨论和答疑，我们提供了两种方式来实现：一种是采用同步黑板模型，教师和学生可以往私下交谈又支持公开交谈。同步模式实现了网上一黑板上面写东西，所有用户的黑板内容都保持一致；另一种是纯文字交谈的方式，这种方式既支持对一和多人在一起的实时交流。（2）搜索代理请求界面教师和学生在使用课件的过程中常常要对某个问题进行上网搜索更多的信息,我们可以借用专用的搜索引擎来满足他们的要求。为此,我们在知识点上提供基于关键字的搜索请求并将该请求提交给专用的搜索引擎,然后由专用的搜索引擎代替我们搜索并将搜索的结果返回给我们。这一功能可以帮助自学者从网上获取更多的背景知识,加深对当前知识点的理解；老师也可以通过它获取网上更新的37输出判定结果得到教学策略学习请求水平判定错误诊断记录历史，得到认知模型推理素材库规则库资料,从而可以很好的更新教材内容,保持教材内容的新颖性。因此,我们可以实现网上的教学资源共享。（3）导航结构超文本具有灵活的网络结构和强大的数据组织能力，但它的数据组织方式是非线性的，在庞大的超文本中，因其信息量大、网络繁复、分支众多，用户进入超文本后不知自己所处位置和怎样达到目的，容易造成迷路。因此我们可以将知识点在课程体系中的层次、位置的局部关系图作为导航系统，它描述了本知识点与其他相关知识点之间的联系，由此可以巡航到知识点的全局关系图，这样可以为自学者提供导航服务。（4）热键列表可以提供跨知识点的链接功能，如文字热键、图形热键，能启动语音、图片、动画或其他形式的知识片段。教师可根据教学需要增删热键个数，自学者也可将自己在该知识点上的学习心得以热键形式保留在列表中，以便于复习。（5）素材库及管理素材库是存放教材内容、习题作业、考试试题以及有关答疑和讨论数据的场所，库里的内容是片段式的，其管理以教师为主。（6）策略库及管理教学策略库是本系统教学设计思想的具体体现之一，它能在一定的程度上体现系统的智能性，因而有很重要的地位。教学策略是建立在学生认知模型的基础上的，即系统根据各个学生的认知模型和学习目标制定相应的教学策略和规则，选择适当的学习路径、动态组合一定数量难度系数适当的题目，因而可以针对学生的不同情况来实现对他们的个别化指导，达到因材施教的目的；老师也可以对教学策略库进行维护和修改。1）认知模型的建立我们是根据学生不同的认知模型为其准备不同的教学内容来实现个别化教学和启发式教学的，受认知心理学的制约，目前还无法准确的建立起单个人的认知模型，因此我们粗略的将学生的认知模型按其不同的认知能力来分成五个等级，并用一个整数ability(n)（在1到5之间）表示第n个学生的认知能力，如图2所示。开始时，我们认为每个学生的认知能力是一样的，均设置为5，表示开始学习之前的认知能力都很低，以后就根据学生学习之后的作业情况和考试成绩来修改各各个人的认知模型。Ability(n)12345能力高低很高高中低很低图2学生的认知模型2)教学策略的形成机制借鉴专家系统的设计思想,我们组织相应的规则库,再结合学生的认知模型经过推理方法得到相应的教学策略,其形成过程如图3所示：图3教学策略的形成过程①错误诊断用来发现学生学习过程的错误及其根源,我们可以采用两种方法:一是统计法,适用客观试题,我们可以统计学生对某个知识点理解错误的情况,从而可以找到错误根源以及他的掌握情况；另一个是偏差法,适用于一些具有正确解题步骤的试题,通过将学生的解题步骤与正确的比较,从中发现偏差并确定其错误根源。②水平判定是根据错误诊断的结果然后结合该知识点的难度系数综合评判该学生水平的高低。③记录历史是记录学生学习的综合情况,如学习过没有、学习的次数、错误情况等,据此我们可以修改学生的认知模型。④规则库是反映学生学习这个知识点的前提条件,主要由课程知识点的组织结构、难度系数、教材内容地址以及学习的若干个前提组成,它由老师来修改。⑤推理方法用difficulty(知识点n)表示该知识点n的难度大小,用1到5之间的某个整数表示,5表示难度最大。记value(n)=ability(n)+difficulty(知识点n),由于认知能力很高的同学学习难度很小的知识38意义不大,而认知能力很低的同学学习难度很大的知识又接受不了,因此我们认为学生n比较适合学习知识点n的条件是:|value(n)-6|=2,其值越小就表明越适合,如:认知能力很高的同学针对难度最大的知识点的value(n)=1+5=6,所以|value(n)-6|=0=2,表明他很适合学习该知识,当然在推理过程中还要考虑其他的因素,如该知识点学过没有、已学的次数等。四、系统的模块划分依据图4中与Web交互界面交互的不同人员,我们将整个系统划分成三个模块,即教师模块、学生模块、督导人员模块,如图4所示。在各个模块,他们分别完成各自的功能,如学生完成学习、提问、考试和练习等。各个模块是相互独立地工作的,因而易于扩展功能。课件系统学生教师督导人员策略库管理教材内容管理习题管理考试管理答疑管理登录管理教学过程督导学习教程提出问题参加考试习题演练图4系统的模块划分五、系统的实现基于上述思想,我们采用了面向对象的、易于扩展的ASP编程语言环境,以及大型客户/服务器数据库（MSSQLServer7.0）的数据平台,开发了一个操作系统课程的CAI系统。ASP技术是开发Web动态应用的关键,它简单易用、功能强大、使用范围较广；而且可以扩展ActiveXServer组件、简化Web页面之间的联系和状态维护。在系统的Server端采用SQLServer7.0组织管理素材库、策略库以及学生的有关资料等。用于教学的教案以各章作为主节点,并用FrontPage200