基于Client/Server 的課件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：本文討論基于Client/Server的智能計算機輔助教學(xué)（ICAI）的實現(xiàn)技術(shù)，據(jù)此采用VB、SQL Server、IIS等開發(fā)平臺，建立了一個用于高等數(shù)學(xué)教學(xué)的ICAI試驗系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：Client/Server CAI ICAI 課件

The Development Techniques for Client/Server-based ICAI System

Wang Changda

Department of Computer Science, JiangSu University of Science and Technology

(ZhengJiang JiangSu Province 212003)

Abstract: The paper discussed the development techniques of implementation of Client/Server-based ICAI system. By using the platforms of VB, SQL Server and IIS, a network ICAI prototype system for advance mathematics teaching is developed.

Abstract: The paper discussed the development techniques of implementation of Client/Server-based ICAI system. By using the platforms of VB, SQL Server and IIS, a network ICAI prototype system for advance mathematics teaching is developed.

Key Words: Client/Server CAI ICAI Courseware Client/Server CAI ICAI Courseware

1 引言

    傳統(tǒng)的CAI課件系統(tǒng)是在單機上將全部教學(xué)內(nèi)容，以編程的方式預(yù)置于課件中。學(xué)生學(xué)習(xí)時，教學(xué)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(xué)生之間的交互，和按學(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(rèn)為CAI的發(fā)展方向在于網(wǎng)絡(luò)化、智能化。


2 ICAI的評價標(biāo)準(zhǔn)

    智能計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)（Intelligence Computer Assisted Instruction——ICAI）具有如下的一些特征[1]：

① 能自動生成各種問題與練習(xí)；

② 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)容和進度；

③ 在了解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上自動解決問題，生成解答；

④ 具有自然語言生成與理解能力，以便實現(xiàn)比較自由的教學(xué)問答系統(tǒng)以提高人機交互的主動性；

⑤ 對教學(xué)內(nèi)容有解釋咨詢能力；

⑥ 能診斷學(xué)生錯誤，分析原因并采取糾正措施；

⑦ 能評價學(xué)生的學(xué)習(xí)行為；

⑧ 能評價教師的教學(xué)行為[2]。

    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(rèn)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(xué)的內(nèi)容、刻畫學(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Client，負(fù)責(zé)實現(xiàn)對Server端教學(xué)內(nèi)容的更新與維護。學(xué)生在多媒體教室通過Client與Server相連，實現(xiàn)對教學(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)生對知識點的掌握情況，為其自動修改認(rèn)知模型。督導(dǎo)人員在教務(wù)處通過Client與Server相連，實現(xiàn)對教學(xué)過程的監(jiān)督與引導(dǎo)。

3.2 認(rèn)知模型的建立

    ICAI強調(diào)要按學(xué)生不同的認(rèn)知模型，為其準(zhǔn)備不同的教學(xué)內(nèi)容，用以實現(xiàn)個別化教學(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，目前還無法準(zhǔn)確地建立出單個人的認(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、低三中難度組織，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)問題，并根據(jù)其回答問題的準(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(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄庫）和推理實現(xiàn)機制，如圖1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(xué)習(xí)應(yīng)滿足的前提條件。學(xué)習(xí)歷史庫由冊、章、節(jié)、認(rèn)知等級、已學(xué)次數(shù)組成，反映學(xué)生對該節(jié)的認(rèn)知能力。規(guī)則庫的內(nèi)容由教師負(fù)責(zé)修改。學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄，在庫中按每個人一張表組織，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(xué)生學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄庫提供的事實做出判斷。我們通過學(xué)生在每節(jié)教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)完成之后，對所附習(xí)題回答的準(zhǔn)確率，將其認(rèn)知能力劃分成高、中、低三個層次，并將這個結(jié)果保存在學(xué)生學(xué)習(xí)歷史紀(jì)錄庫中。學(xué)生下一次使用該系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)時，該系統(tǒng)會按其不同的認(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，這種對認(rèn)知能力的衡量是動態(tài)的。若學(xué)生不想按系統(tǒng)默認(rèn)的進度學(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，則根據(jù)其當(dāng)時所獲得的等級為他準(zhǔn)備學(xué)習(xí)內(nèi)容；否則將視規(guī)則庫及學(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)，某生試圖越過第一章第一節(jié)學(xué)習(xí)第一章第二節(jié)時，系統(tǒng)會給出警告。為了使學(xué)生能在系統(tǒng)的控制下學(xué)習(xí)，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。

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3.3.1 閥值的給定

    當(dāng)學(xué)生完成對某一節(jié)的內(nèi)容學(xué)習(xí)之后，回答系統(tǒng)提問所得的分?jǐn)?shù)小于該節(jié)所具有的閥值時，系統(tǒng)并不會將該節(jié)標(biāo)志為已學(xué)。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(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；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。當(dāng)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(xué)習(xí)完第N節(jié)的知識后，回答系統(tǒng)所提問題的準(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) If Valve(N)+Ruler*(1/3)≤Right(N) 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會針對用戶不同的認(rèn)知模型（高、中、低）準(zhǔn)備不同的教學(xué)內(nèi)容，所以為確保對用戶認(rèn)知模型刻畫的準(zhǔn)確程度，要求學(xué)生在使用學(xué)生客戶端軟件時，需用自己的姓名和口令向系統(tǒng)登記。當(dāng)驗正該生是系統(tǒng)的合法用戶后，將到學(xué)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(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(xué)生資料庫中為其分配一個缺省值，作為他第一次使用該系統(tǒng)時構(gòu)建認(rèn)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(dāng)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。

3.3.3 教學(xué)評價

    我們用下述方法實現(xiàn)了對學(xué)生個人學(xué)習(xí)水平的評價。n：該系統(tǒng)用戶的總?cè)藬?shù)；Xi：第i個學(xué)生的考試成績。

定義：




    由定義知，S是學(xué)生整體成績的標(biāo)準(zhǔn)差。Zi反映了第i個學(xué)生 的成績與平均成績的差是標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)分（Zi）是一種參考零點（平均分）位置固定、單位長度（標(biāo)準(zhǔn)差）一樣的統(tǒng)計量。不同次測驗的原始分?jǐn)?shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)分后，就可以做互相比較。如某生兩次測驗的成績原始分?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)進步了，正確的斷言是：因為第二次考試的標(biāo)準(zhǔn)分比第一次低，所以該生學(xué)習(xí)成績退步了。經(jīng)驗表明，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，表示其學(xué)習(xí)水平在團體水平值上；反之，則表明學(xué)習(xí)水平在團體之下。


4 一個試驗性系統(tǒng)

    我們根據(jù)上述思想建立了一個基于Client/Server模式，用于高等數(shù)學(xué)教學(xué)的ICAI試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)的Server端采用SQL Server 6.5組織管理“學(xué)生庫”（用來存放學(xué)生資料、答題檔案、學(xué)習(xí)歷史紀(jì)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(xué)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VB 5.0中文企業(yè)版作為開發(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(xué)生學(xué)習(xí)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(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)計出的系統(tǒng)以生動、靈活、逼真的方式吸引學(xué)生學(xué)習(xí)《高等數(shù)學(xué)》，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，加深學(xué)生對課程的印象及重點、難點的理解。在試驗班級中取得了良好的教學(xué)效果。教師客戶端與督導(dǎo)客戶端的引入，使學(xué)生、教師、督導(dǎo)人員能互通信息，協(xié)作教學(xué)，故該系統(tǒng)具有很強的生命力與實用性。



參考文獻

1、 周竹榮、張小真，ICAI與超文本的綜合集成，計算機研究與發(fā)展，Vol.35,No.8 Aug.1998

2、 王昌達，基于Client/Server的CAI課件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，1999年江蘇理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，指導(dǎo)教師詹永照副教授

3、 陳穎、何欽銘、王申康，基于超文本結(jié)構(gòu)的智能計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)，計算機研究與發(fā)展，Vol.35,No.5 May.1998

4、 Stephen Wynkoop，Special Edition Using Microsoft SQL Server 6.5 Second Edition，Copyright 1997 By Que Corporation

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