基于认知理论的网络智能化教学平台的设计与实现

基于认知理论的网络智能化教学平台的设计与实现□原福永杜耀蕊摘要：本文以知识点、贝叶斯概率统计和教育心理学的认知理论为基础，通过定性推理来选取基础练习、诊断练习、补充练习，采用逐步逼近法构造了一个练习型的网络智能化教学平台，并介绍了其ASP＋COM/COM＋的三层实现技术。关键词：认知ICAIASPCOM/COM＋中图分类号：G434一、引言随着计算机、通信、多媒体及Internet技术的发展，人类现在的教育内容、教学手段与教育方法遇到前所未有的挑战。计算机网络能满足自定步调的学习方式，具有良好的交互性，传递信息和反馈的速度快，加之计算机网络资源的不断扩展和对协同学习的支持，网络教学成为目前CAI中最为吸引人的教学方式之一。现在的网络教学主要有以下几种模式：讲授型、个别辅导型、探索学习型、协作讨论型、游戏型、模拟型、练习与测试型[1]。由于具有针对性，它们在某些方面（或教学或练习）都有很大的优势。然而，我们知道，人类的学习途径主要有两个：一是个体的知识获取与积累；二是在群体交流协作中获取和积累知识。现存的网络教学型模式缺乏对学生的引导和因材施教，学生在网络教学中随意性较大，甚至盲目地漫游，这既浪费时间又达不到学习目标。ICAI（计算机智能教学）代表了一种新的教学思想，模拟是教师，服务对象是学生，综合教育心理学和认知科学理论，基于学习者特性、状态，跟踪学习者特性与状态的变化，自动生成教学信息，调整教学过程和教学策略[2]。ICAI的形式很多，图1－1为网络ICAI结构图，从图中我们可以看出，它和基本的ICAI一样，由四部分组成：领域知识、教师模型、学生模型、人机接口。本系统中，我们构造了一个认知学生模型，克服了传统的覆盖模型和偏差模型的一些弊端，收到了良好的效果。二、认知能力的表征根据美国著名教育心理学家布鲁姆(B.S.Bloom)的教育目标分类理论，教育目标应当包括认知能力领域、动作技能领域和情感领域。其中认知能力的目标按智力活动的复杂程度可以分为六个等级：识记、理解、应用、分析、综合和评价[3]。识记--记忆或重复以前呈现过的信息的能力，也就是知识保持能力理解--用自己的语言来解释所获得的信息的能力应用--将知识（概念、原理或定律）应用于新情况的能力分析--把复杂的知识分解为若干个彼此相关的组成部分的能力综合--将有关的知识综合起来形成新知识块或新模式的能力评价--根据已有知识或给定的标准对事物做出评价和鉴定的能力这些等级的认知能力划分是按智力活动从简单到复杂，从具体到抽象的程度逐步递增的。识记和理解属于较简单的低级认知能力，应用、分析、综合、评价属于较复杂的认知能力。系统领域知识设计时，我们将课程的知识以知识点来划分，并对系统的题库进行认知分类，即每道题中我们赋予其上面的六种认知能力，并记录下相关的知识点。然后通过定性推理三次选题练习，采用逐步逼近?quot;构造学生模型。三、构造学生模型3.1智能练习的三个阶段本模型运行时分为三个阶段：基础练习阶段、诊断练习阶段、补充练习阶段。这三个阶段就像一个医生看病时完成一个了解病情、诊断病情、开方治疗这样一个自然又合理的过程。a.基础练习阶段系统根据学生填入的题目数，自动的生成难度适中的基本习题，考查学生对本节各个知识点的掌握情况。当学生做完所有的题目后，进行离线判断。根据题目的对错，自动的修正学生的认知能力表、认知参数表，最后显示错误题目的正确答案及各知识点的掌握情况。转向第二阶段。b.诊断练习阶段系统根据第一步的做题情况，出一些诊断题，根据边界扩展法对学生的错误集合进行确认，进一步考查学生未掌握的知识点。当学生做完所有的题目后，进行离线判断。根据题目的对错，自动的修正学生的认知能力表、认知参数表，最后显示错误题目的正确答案及各知识点的掌握情况。转向第三阶段。c.补充练习阶段系统显示诊断后未掌握的知识点，学生选择相应的知识点进行练习，开始出难度适中的习题，根据做题情况自动调整难度级数，每做完一题，系统进行判断，若知识点未达到掌握，则继续出题，直到知识点达到掌握，计算认知能力，转入另一个知识点的补充练习。直到掌握了所有知识点。转入到下一章节的学习。3.2用逐步逼近法构造学生认知模型学生认知模型的实现有两种方法--小组评估法和逐步逼近法。小组评估法优点是简单，无需对庞大领域知识中的每个知识点进行认知分类，适用于集体授课的教学模式。其主要缺点是评估带有一定的主观随意性，而且得到评价矩阵后一般不能更改。逐步逼近法的优点是计算机简单，不仅适用于个别化的教学，也适合于集体授课的教学模式，而且避免了评估中的主观随意性，最后的评估结果也符合学生的实际认知能力水平。由于它更适用于用计算机来实现，所以系统采用逐步逼近法构造学生认知模型。用逐步逼近法构造学生认知模型有一个先决条件，即事先必须对领域知识进行认知分类--领域知识库中要对每个知识元素标出它在学生认知能力培养方面的特性，这里的知识元素即我们上一章所说的知识点。本系统中逐步逼近法是这样实现的：（1）学生登陆时先检查是否存在该生的认知能力记录表，如果没有，就由学生填写本人的认知能力评估表。其中的认知能力由学生本人给出。值为[0,1]内的任一实数。1和0表示对应最强和最弱的认知能力。为了学生有相应的参考，我们给出了学生的评价等级区间：优秀=[0.8,1]；良好=[0.6,0.8]；中等=[0.4,0.6]；较差=[0.2,0.4]；很差=[0,0.2]例如：若针对六种能力，自我感觉中等，则可以在中等区间内选取某值作为评估值，此值不要求十分精确，取0.45,0.50,0.52均可，在以后的逐步逼近过程中可以修正。这样我们就得到六项认知能力值，即初估值（2）根据一次评估值，我们开始以下的三级学习。首先进入基础学习阶段，从题库中选出适合学生认知能力的题目进行测试。根据做题的对错，我们对初估值做出修正。修正规则如下：规则1：ifYandlevel=1thena=a＋0.025解释：如果学生答对一道难度级数为1的题，则在相应的认知能力值上加0.025规则2：ifNandlevel=1thena=a－0.075规则3：ifYandlevel=2thena=a＋0.050规则4：ifNandlevel=2thena=a－0.050规则5：ifYandlevel=3thena=a＋0.075规则6：ifNandlevel=3thena=a－0.025规则7：ifYandlevel=4thena=a＋0.100规则8：ifNandlevel=4thena=a－0.010（3）综合认知能力的反映为了全面的评估学生的认知能力，教育心理学专家通过专家的经验确定了各个认知能力的量比值[22]，从而可以得到一个综合的认知能力指数。六种认知能力的不同权重为：识记=0.1400；理解=0.1125；应用=0.1625；分析=0.1800；综合=0.2750；评价=0.1300由此可得学生的综合认知能力指数为：A=0.1400＊识记＋0.1125＊理解＋0.1625＊应用＋0.1800＊分析＋0.2750＊综合＋0.1300＊评价（4）系统依次进入第二阶段、第三阶段，处理方法如上。显然，二次评估值与一次评估值相比，在对学生认知能力的评估上又接近了一步，如此继续下去。学生每前进一个阶段，认知评估值要修改一次，而每一次修改都要比前一次更接近准确值。这就是逐步逼近法的含义。四、系统实现方法4.1网络运行模式网络运行模式主要有以下三种：主机/终端，C/S模式，B/S模式。主机/终端模式是用一台高性能的主机带有多个终端，通过分时共享方式使用主机资源，此种模式不能充分发挥网络平台的优势，目前在信息系统开发中已经很少采用。C/S模式由客户机和服务器组成，通过网络连接，服务器完成数据的存储管理和部分或全部数据处理工作，客户机负责用户界面的处理和部分数据处理。C/S模式支持开发的工具很多，运行效率较高，但需要在客户机上安装客户应用程序，用户在固定的机器上工作，应用程序的运行、维护成本较高，而且也不能充分发挥Internet网络平台的优势。另一个就是B/S模式，也是本系统采用的模式。它是当今Internet平台上最流行的运行模式。B/S模式由浏览器（browse）和服务器(webserver)组成，通过网络连接，其基本结构如图3－1所示。它和C/S模式有很多相似之处，但浏览器是通用的用户界面，不需在浏览器端安装用户应用程序，服务器提供用户需要的信息，但要访问网络数据库中的信息还需要进行某种扩展。信息系统采用此种模式可以使数据处理、内部信息（Intranet）的浏览和外部信息的浏览界面完全一致，方便用户使用。同时，由于浏览器端不安装用户应用程序，可大大降低运行维护费用。我们的服务器配置为：Windows2000advserver；VisualInterDev6.0和Frontpage2000,VisualC＋＋6.0；相关技术有ASP、HTML、CSS、VBScript、JavaScript；数据库服务器：SQLServer7.0；与传统的B/S模式不同，我们通过VC6编写COM/COM＋组件引入了中间件技术，从而实现了Web的三层技术，如图4－1所示：4.2COM＋与ASPCOM＋是微软下一代新的组件结构，总的来说，COM＋就是将MTS（MicrosoftTransactionServer）集成到COM（ComponentObjectModule）中，从而为COM调用提供了一种新的基于MSMQ（MicrosoftMessageQueue）的通信方法。COM＋提供了无缝连接系统，在该系统下，创建服务器应用就像实现客户应用一样简单。ASP（ActiveServerPages）的最大特点就是它可以与COM＋/COM共同工作。ASP的执行效率很高，可是一旦ASP脚本代码开始运行，由于脚本代码是解释运行的，所以其运行速度要比经过编译的代码慢得多。脚本只用在代码较少并且在其所调用的函数是经过编译的情况下才具有优势，所有在内置函数数量十分有限的情况下，调用程序员自己编写的函数方法才能满足应用的需要，而这种方法正是面向对象的COM能够提供的。除了提供调用的COM组件的方法外，ASP本身也是由COM实现的，ASP使用了对象模型，因此ASP编程可以实现面向对象的无缝连接。不但可以激活ASP提供的各种内置对象而且还可以激活用户COM对象，在这种情况下用户COM对象也叫做ActiveServerComponents。[4]4.3存储过程在SQLServer数据库中提供一些保存在数据库中的用户自定义的程序，而这些程度即是所谓的StoredProcedure（存储过程）。简单的说，存储过程就是使用一个程序名称命名，其中包括含有处理数据库存取与运算的程序文件，并且将这样的程序文件紧密结合在数据库中，方便地通过前台应用系统或者是数据表变更时点击的Trigger进行程序处理。[5]使用存储过程主要是为了改善系统性能。因为存储过程在服务器上运行，服务器通常是一种功能更加强大的机器，它的执行时间要比在工作站中的执行时间短。另外，由于数据库信息已经物理地在同一系统中准备好，因此就不必等待记录通过网络传递进行处理。相反，存储过程肯有对数据库的立即的、准备好的访问，这使得信息处理极为迅速。系统中三阶段练习的抽题过程主要用存储过程实现，这样提高了系统的效率，临时表的生成也避免服务器上数据库的越权修改。五、结束语本系统人工智能运用到网络教学中，以教育心理学和认知科学理论为基础建立了一个认知学生模型的学习平台，使课件具有了自适应能力，能根据学生不同的学习能力，给予相应的学习内容和流程，具有一定的实用价值。另外本模型具有通用性，把此模型加入到教学软件中对提高其智能性有很大益处。（作者单位：燕山大学信息工程学院秦皇岛066004)参考文献[1]彭绪富，邹友宽，多媒体远程教育教学模式及其软件实现，湖北师范学院学报，2000.01[2]李镜流，教育心理学新论，上海，光明日报出版社，1989[3]王乃茹，何克抗，ICAI中的认知诊断系统，199