（系统工程专业论文）基于知识的智能教学系统应用研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 智能 教学系统( i n t e l l i g e n t t u t o ri n g s y s t e m i t s ) 是 涉及人 s智能、 计 算机科学、 认知科学、教育学、心理学和行为科学的综合性课题，其目的是由计算机系统负担 起人类教育的主要责任，即赋予计算机系统以智能，由计算机系统在一定程度上代 替人类教师实现最佳教学。 i t s 研究的意义在于减轻人类教师的教学工作量、 提高教 学质量、增进人类对其自身认知过程的了解和带动相关学科的发展。 随着现代远程教育的出现，计算机教学迅速得到发展， 现代远程教育极大地影 响了传统教育。 但目前现代远程教育的智能化还不高， 仍没有把现代远程教育与i t s 相结合进行的研究。本文的研究旨在探索把i t s与现代远程教育相集成，把i t s嵌 入现代远程教育之中， 研究和开发基于 现代远程教育的i t s 系统( m d i t s ) 。 本论文试 图从系统工程的角度出发，以知识的 研究为全文研究的引线， 除了应用计算机技术、 教育心理学、行为科学等外，更突出应用系统工程的理论和方法对基于现代远程教 育的i t s 进行研究。 首先，提出把智能教学系统和现代远程教育相结合进行研究，把智能教学系统 嵌入现代远程教育之中，研究和开发了现代远程教育和智能教学系统集成于一体的 m d i t s 系统，讨论了 该系统的三层体系结构、运行环境以及系统的各功能组成。 其次，对应用于 i t s的知识表示进行了研究，根据语义网络的知识表示与超媒 体信息网络知识表示具有结点与实体、链与实体间联系、结点网络与语义网相互对 应关系的特点， 提出了集两者优点于一体的基于语义网络的超媒体知识表示模式 一 超媒体网络结构领域知识表示。 第三，把基于人工神经网络的知识获取应用到计算机教学中，提出了一种基于 神经网络的知识获取方法，该方法利用语言神经元，对具有开区域的连续输入变量 自 动产生相应的语言变量输出，讨论了相应的神经网络训练和知识获取方法，所获 取的知识以i f - t h e n的规则形式表示，将该规则应用于md i t s 系统学生模型中对学 生的学习进行评估，教师模型根据不同评估结果给出不同的教学策略，实现对学生 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 的个别化教学。 第四， 在md i t s 系统中建立基于知识点的认知型学生模型和基于知识树的教师 模型。学生模型用来表示学生的学习历史、当前知识状态、解题行为以及对教材理 解等方面的功能特性。学生模型的信息被教师模块作为教学决策的依据，使系统能 正确评价学生的理解程度，诊断其错误，从而提供有效的教学材料。在教师模型中， 提出以知识点为基本元素组成教学知识树，对知识树结构、知识树映射、教师知识 树和学生知识树进行研究，讨论基于知识树映射的教学策略，向不同的学生提供不 同的教学内容，其目的是达到个别化教学。 最后， 着重研究了md i t s 系统中的多维交互式系统、 通用考试系统、 多媒体仿 真实验室和md i t s 的教学模式:( 1 ) 讨论多维交互式系统中的教学课件、 视频教室、 多维交互、在线作业和考试系统以 及教育心理学测试模型; ( 2 ) 介绍了 通用考试系统 的架构、功能及其题库习题的数据结构，并讨论了具有多属性试卷的多目 标习题组 卷方法， 对所组试卷采用基于模糊综合评价的方法对试卷的质量进行分析、 评价: ( 3 ) 在动态、交互式多媒体仿真实验室的研究中， 介绍了多媒体仿真的概念和相关理论， 通过对线性连续系统数学模型的研究，总结了连续物理系统的仿真数学建模理论和 方法 器 、 并给出物理仿真实验的实例。 接着讨论了三维图形仿真、 基于 we b的虚拟仪 多媒体仿真物理实验课件的组成结构以及多媒体仿真实验教学的优势和缺陷; ( 4 ) 研究以学生为中心的md i t s系统的教学模式，给出学生在此环境下学习、教师 教学的实例。 关键词:智能教学系统，现代远程教育， md i t s ，学生模型，教师模型，教学模式。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 abs tract a s a n i m p o r t a n t r e s e a r c h a r e a i n t h e f i e l d o f a r t i f i c i a l in t e ll i g e n c e i n t e l l i g e n t t u t o r in g s y s t e m ( i t s ) i s a m u l t i d i s c i p l i n a r y s c i e n c e , w h i c h i s re l a t e d t o a rt i f i c i a l i n t e l l i g e n c e , c o m p u t e r s c i e n c e , c o g n i t i v e s c i e n c e , p e d a g o g y , p s y c h o l o g y a n d b e h a v i o r s c i e n c e , e t c . t h e g o a l o f t h e r e s e a r c h o n i t s i s t o r e p r o d u c e t h e b e h a v i o r o f a n e x c e l l e n t h u m a n t u t o r w h o c a n a d a p t h i s t e a c h in g r h y t h m o f t h e s p e c i fi c l e a r n e r t o r e a l i z e m o s t - e ff e c t i v e i n d i v i d u a l i z e d i n s t r u c t i o n . t h e s i g n i f i c a n c e o f t h e r e s e a r c h o n i t s l i e s i n t h a t i t c a n b e u s e d t o r e l i e v e t e a c h e r s fr o m p r e p a r in g l e s s o n s , t o i m p r o v e e d u c a t i o n q u a l i t y , t o m a k e t h e h u m a n b e i n g s c o g n i t i v e p r o c e s s c l e a r l y a n d t o b o o s t t h e d e v e l o p m e n t o f r e l a t e d c o 脚t i v e s c i e n c e , a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e , e t c wit h t h e a p p e a r a n c e o f m o d e m d i s t a n c e l e a rni n g c o m p u t e r i n s t ru c t io n d e v e l o p e d v e ry f a s t a n d t h e t r a d i t i o n a l e d u c a t i o n h as b e e n e x a m i n e d a n d c h a l l e n g e d b y t h e m o d e r n d i s t a n c e l e a r n i n g . h o w e v e r t h e s t u d y o n i n t e l l e c t u a l i z e d d i s t a n c e l e a r n i n g i s q u i t l i m i t e d a n d t o d a t e n o s t u d y t h a t c o m b i n e s m o d e m d i s t a n c e l e a rn i n g s y s t e m a n d i n t e l l i g e n t t u t o r i n g s y s t e m w as r e p o rt e d i n l i t e r a t u r e . t h e r e f o r e , t h e r e i s a n e e d f o r m o re r e s e a r c h i n t h i s a r e a . t h e p u r p o s e o f t h i s s t u d y w as t o e x p l o r e i n t o t h e i n t e g r a t i o n o f m o d e m d i s t a n c e l e a rn i n g a n d i n t e l l i g e n t t u t o r i n g s y s t e m a n d d e v e l o p e d a n i n t e l l i g e n t t u t o r i n g s y s t e m b as e d o n m o d e rn d i s t a n c e l e a rn i n g ( md i t s ) . t h e k n o w l e d g e i s t h e k e y c o m p o n e n t i n t h i s d i s s e r t a t i o n . f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f s y s t e m e n g in e e r in g t h i s re s e a r c h h i g h l i g h t e d t h e s t u d y o n i t s b as e o n m o d e m d i s t a n c e l e a rn i n g b y u s i n g t h e t h e o r i e s a n d m e t h o d s o f s y s t e m e n g i n e e r in g . t h e k n o w l e d g e o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y , p e d a g o g y , p s y c h o l o g y a n d b e h a v i o r s c i e n c e we r e a l s o i n v o l v e d i n t h i s d i s s e rt a t i o n . f i r s t l y , t h i s s t u d y c o m b i n e d t h e fi e l d s o f i n t e l li g e n t t e a c h i n g s y s t e m a n d m o d e m d i s t a n c e l e a r n i n g a n d d e v e l o p e d md i t s t h a t i n t e g r a t e d i n t e l l i g e n t s y s t e m a n d m o d e r n 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 d i s t a n c e l e a r n i n g . t h e a r c h i t e c t u re o f t h r e e h i e r a r c h i e s , t h e r u n n i n g e n v i r o n m e n t a n d t h e f u n c t i o n s o f s y s t e m w e r e d i s c u s s e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . s e c o n d l y , t h e k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n s f o r i t s w e r e i n v e s t i g a t e d . t h e k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n s o f s e m a n t i c n e t w o r k a n d h y p e r - m u l t im e d i a a r e c h a r a c t e r e d b y t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n n o d e a n d e n t i t y , li n k a g e a n d e n t i t y a n d n o d e n e t w o r k a n d s e m a n t i c n e t w o r k . wi t h t h e s e c h a r a c t e r s t h e k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n m o d e l o f h y p e r - m u l t i m e d i a b as e d o n t h e k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n s o f s e m a n t i c n e t w o r k -t h e d o m a i n k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n o f h y p e r - m e d i a n e t w o r k a r c h i t e c t u r e w as p r o p o s e d . t h i r d ly , t h e k n o w le d g e a c q u i s i t i o n b as e d o n a r ti f ic i a l n e u r a l n e t w o r k s w as a p p l i e d o n c o m p u t e r in s t r u c t i o n . a m e t h o d o f k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n b as e d o n a r ti f i c i a l n e u r a l n e t w o r k , w h i c h c o u l d a u t o m a t i c a l l y p r o d u c e c o r r e s p o n d i n g o u t p u t o f l i n g u i s t i c v a r i a b l e s f o r c o n s e c u t i v e i n p u t v a ri a b l e s w i t h o p e n d i s t r i c t s w as p re s e n t e d . t h e t r a i n o f n e u r a l n e t w o r k s a n d t h e m e t h o d t o a c q u i r e k n o w l e d g e w as d i s c u s s e d a n d t h e k n o w l e d g e a c q u i r e d w as r e p r e s e n t e d 饰t h e r u l e o f i f - t h e n . t h e r u l e w as a p p l i e d t o s t u d e n t m o d e l o f md it s t o e v a lu a t e t h e s t u d y o f s t u d e n t s . r e f e r r i n g t h e re s u l t o f e v a l u a t io n t h e t e a c h e r m o d e l p r e s e n t e d d i ff e r e n t t e a c h i n g s t r a t e g i e s t o r e a l i z e t h e i n d i v i d u a l i z e d in s t r u c t i o n . i n a d d i t i o n a l , t h e c o g n i t i v e m o d e l o f s t u d e n t s b a s e d o n k n o w l e d g e u n i t a n d t h e t e a c h e r m o d e l b as e o n k n o w l e d g e t r e e w e r e e s t a b l i s h e d i n th e md i t s . t h e s t u d e n t mo d e l r e p r e s e n t s t h e h i s t o ry o f s t u d y , c u r re n t k n o w l e d g e s t a t u s , b e h a v i o r o f t h e s o l u t i o n a n d t h e s t u d e n t s u n d e r s t a n d i n g t o t e a c h i n g m a t e r i a l s . t h e i n f o r m a t i o n o f s t u d e n t m o d e l w as u s e d as t h e r e f e r e n c e o f t e a c h i n g d e c i s i o n i n t e a c h i n g m o d u le s o as t h e s y s t e m c o u l d e v a lu a t e t h e u n d e r s t a n d i n g o f s t u d e n t s , d i a g n o s e t h e i r m i s t a k e s a n d p r o v i d e e ff e c t i v e t e a c h i n g m a t e r i a l s . f o r t e a c h e r m o d e l t h e a r c h i t e c t u r e a n d t h e m a p p i n g o f k n o w l e d g e t r e e a n d t h e t r e e o f t e a c h e r a n d s t u d e n t w e r e i n v e s t i g a t e d . f u r th e r m o r e b as e d o n t h e m a p p in g o f k n o w l e d g e t r e e t h e t e a c h i n g s t r a t e g i e s t h a t p r o v i d e d i ff e r e n t t e a c h i n g c o n t e x t t o d i ff e r e n t s t u d e n t s w e r e i n v e s t i g a t e d t o re a c h t h e p u r p o s e o f in d i v i d u a l i z e d t e a c h in g . f i n a l l y , t h e r e s e a r c h f o c u s e d o n t h e m u lt i - d i m e n s i o n s in t e r a c t i v e s y s t e m , g e n e r a l t e s t w 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 s y s t e m , m u l t i p l e m e d i a s i m u l a t i o n l a b a n d t e a c h i n g m o d e l o f md i t s . t h e m a i n i s s u e s o f t h i s s e c t i o n a r e a s f o l l o w s : 1 ) t h e t e a c h i n g c o u r s e w a r e o f m u l t i - d i m e n s i o n i n t e r a c t i v e s y s t e m , v i d e o c l a s s r o o m , m u l t i - d i m e n s i o n s i n t e r a c t i v e , o n - l i n e h o m e w o r k , t e s t s y s t e m a n d t h e m o d e l o f p e d a g o g y a n d p s y c h o l o g y a s s e s s m e n t d i s c u s s e d ; 2 ) t h e fr a m e w o r k a n d f u n c t i o n o f g e n e r a l t e s t s y s t e m , d a t a a r c h i t e c t u r e o f t e s t b a s e , t h e m e t h o d o f g r o u p i n g m u l t i - a i m t e s t w i t h m u l t i - a t t r i b u t i o n a n d t h e e v a l u a t i o n o f t e s t w i t h t h e m e t h o d o f f u z z y m a t h w e r e i n t r o d u c e d ; 3 ) t h e c o n c e p t o f m u l印l e m e d i a s i m u l a t i o n a n d r e l a t e d t h e o r i e s i n t h e s t u d y o f d y n a m i c a n d i n t e r a c t i v e m u l t ip l e m e d i a s i m u l a t i o n l a b w e r e p r e s e n t e d . t h e s i m u l a t i o n m a t h m o d e l i n g t h e o r y a n d t h e m e t h o d o f c o n s e c u t i v e p h y s i c s s y s t e m w e r e b u i l t b y t h e s t u d i e s o n m a t h m o d e l o f l i n e a r c o n s e c u t i v e s y s t e m . e x a m p l e s o f p h y s i c s s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s w e re d e s i g n e d in t h e s o ft w a r e . f u r th e r m o r e t h e g r a p h i c s im u l a t io n o f t h r e e d i m e n s i o n s , v i r t u a l i n s t r u m e n t b a s e d o n w e b , t h e a r c h it e c t u r e o f m u l t i p l e m e d i a s i m u l a t i o n p h y s i c s l a b w e re d i s c u s s e d . t h e s t r e n g t h s a n d w e a k n e s s e s o f t h e i n s t r u c t io n b y m u lt i p l e m e d i a s i m u l a t i o n c o m p l e t e d t h i s s e c t i o n ; 4 ) t h e t e a c h i n g m o d e l o f s t u d e n t - c e n t e r e d m d i t s w a s d e l v e d . e x a m p l e s o f s t u d y a n d t e a c h i n g u n d e r t h i s e n v i r o n me n t we r e d e mo n s t r a t e d - k e y w o r d s : i n t e l l i g e n t t u t o r i n g s y s t e m , mo d e r n d i s t a n c e l e a rn i n g , md i t s , s t u d e n t mo d e l , t e a c h e r mo d e l , t u t o r i n g mo d e l . 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 绪论 1 . 1研究的目的、意义和背景 从工程技术角度上说，智能是能获取知识、存储知识并运用知识解决问题的能 力，智能系统是一个具有知识并能运用知识解决问 题的实体系统1 1 1智能教学系统 ( i n t e l l i g e n t t u t o r i n g s y s t e m , i t s ) 是 计 算机教学的 智能 系统， 它涉及人工智能、 计 算机科学、认知科学、教育学、心理学和行为科学等多个领域。一般认为智能教学 系统是人工智能的理论与技术在教育领域中应用的产物，是指以学生为中心、计算 机为交互媒介， 利用计算机模拟教学专家的思维过程， 实现因 人而异的 个别化教学2 1 个别化教学是教师根据每个学生的不同特点来组织教学内容，给学生安排相应的学 习任务，并根据学生的完成情况提供适当的反馈信息;如果在教学过程中，学生没 有取得预期的进展，教师要根据目前学生的学习情况，及时进行教学策略的改变。 因而要求 i t s系统具备和懂得所要教授的知识，了 解和记忆学生知识状态和行为反 应，知道最佳教学组织和知识传授策略并能够通过与具体用户之间的智能交互开展 知识教学。这就要求系统像人类优秀教师一样，不仅知识丰富，而且必须在懂得教 学内容、了 解教学对象、 知道如何教学等几个方面， 具有很强的智能化特性2 1 i t s 是以计算机辅助教学为基础而兴起的一门全新技术。 它以计算机为媒介， 集 中教师的经验与智慧，在计算机中预先存有某一领域的知识与教学方法，学生通过 与计算机间的交互对话，模拟教学过程，指导学生进行课程学习，作业练习，考试 命题和考试信息处理等i . i t s 强调学生的作用， 学生时 刻处于控制和操纵系统的状 态，而不是单纯运行固定的程序，学生可以主动向系统索取知识，有利于学生对课 程内容的理解和掌握， 调动学生学习的积极性和主动性。 i t s 克服了传统的使学生只 能被动地接受同一模式教学的严重弊端，对提高教学质量有着深刻的影响。 本文的研究目的是让计算机系统负担起人类教育的主要责任，即赋予计算机系 统以智能，由计算机系统在一定程度上代替人类教师实现最佳教学。其意义在于减 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 轻人类教师的教学工作量、提高教学质量、增进人类对其自 身认知过程的了解和带 动相关学科的发展。 本文的研究基础是华中科技大学网络学院远程教育课程建设项目、湖北省科技 厅的智能教学系统应用研究重点科技项目， 前者是研究基于i n t e r n e t 的现代远程教育， 后者是研究计算机智能教学。现代远程教育的发展方向是智能化教学，而现代远程 教育发展又为智能教学系统提供了广阔的发展空间。在此背景下，作者结合自己的 教学经验，研究和开发了基于现代远程教育的智能教学系统( m o d e r n d i s t a n c e i n t e l l i g e n t t u t o r in g s y s t e m , m d i t s ) ， 该 教学系统把 现 代远程教育与 智能 教学集成于 一体。 在智能系统的研究中，由于知识是智能的信息资源，是思维的基础，故本文的 研究始终以知识的研究为基础，并试图从系统工程的角度出发、采用系统工程的理 论和方法、以知识为引线对 工 t s 进行研究。 1 . 2 i t s 的研究回顾 计算机用于教育的研究，是从本世纪五十年代开始的。在五十年代，计算机应 用于 教育的 主要 特点 是线性 程序 ( l i n e a r p r o g r a m s ) ， 程序提供一系 列步 骤使学生 逐 渐接近目 标。这时候的经典研究模式是建立在 “ 刺激一反应”基础之上以程序教学 和视听教学为理论基础，从认识论角度出发，研制一种程序式计算机教学系统，系 统能循序渐进、直观生动地进行一些低层次的教学活动。这一类型就是计算机辅助 教学 ( c o m p u t e r a s s i s t e d i n s t r u c t i o n , 简称c a i ) 系统。 到 六 十年代， 引 入了 分 支 程 序的 概念( b r a n c h in g p r o g r a m s ) ， 学生能 够在一定 程度上 决定学习的 路径， 从而可以 有限地自 主选择一些未知的、 有用的内 容进行学习，为 ( 程序的) 个别化教学提供 了可能。这一时期的模式主要是以系统论和信息论为理论基础，从方法论的角度来 研究教育系统，把教学专家、学生及计算机看成一个完整的系统，寻求最优化组合 状态，以期达到最佳教学效果。这一段时间的工作己 渐渐脱离了c a i 的模式，为向 智能教学系统过渡打下了基础。从七十年代开始，智能教学系统的理论研究进入了 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 一个新的天地。由于人工智能科学、认知科学和教育心理学理论研究的飞速发展， 使得智能教学系统的基础理论研究也产生了一个新的飞跃。这一时期的研究工作主 要是研究人类思维的过程和特征，建立人类认知思维活动的模型，实现无人化、 个 别 化的自 适应教学。 几乎与 此同 时， 智能 教学系统( i n t e l l i g e n t t u t o ri n g s y s t e m , i t s ) 作为一个新概念形成了。 其后， i t s 的研究进入了全面展开的时期， 人们就i t s中的 主要问题进行了较为深入的研究， i f s的研究成果主要是在这一时期取得的， 这一时 期 i t s的研究受人工智能研究的影响较大。 进入九十年代以后，由于计算机软硬件 功能的提高，计算机处理问题的能力的提高，如图像界面的处理工作、工业领域复 杂过程的模拟、视频教学的出 现等， 使得人们对 i t s的研究思路发生了 变化。这一时 期， 多媒体i t s 发展很快， 同时认知理论的发展、 关于学习过程的研究成果对i t s 也有 较大 贡 献 12 1 。 近几 年来，由 于i n t e m e ， 的 飞速发展，出 现了 现代远 程教育的 新概 念， 现代远程教育的出现给 i t s的发展带来了新的生机，一方面，现代远程教育为i t s 提供了一个无限广阔的舞台，另一方面，现代远程教育的发展方向必将是智能化远 程教育。i n t e r n e t 中的网上教学、资源共享、实时交互、超媒体等技术将给i t s 及传 统教育带来新的变革。 随着相关学科的发展， i t s 有着无限广阔的发展空间， 有着美 好灿烂的未来。 1 . 3 1 . 3 . 1 i t s 的国内外研究状况 i t s 的国外研究状况 国外对 i t s的研究较多，最为活跃的是美国，此外，欧洲、日 本、加拿大等国 家也纷纷投入人力、 物力和财力从事仃s 的研究。 研究工作主要在大学和军方进行， 美 国 一 些 知 名的 大 学 如s t a n f o r d , m i t , m e m p h is , c a r n e g ie - m e l lo n , j o h n s - h o p k in s , c a l i f o r n i a 等都在进行这方面的研究工作，开发出了一些智能相对较高的应用i t s 软 件， 建立了内容丰富的智能 化教育网 站。 美国国家科学基金会 ( n s f ) 资助总数达。 2 2 5 亿美元基金，以 进行人类学习 和创造的学习 和智能系统( l e a r n i n g a n d i n t e l l i g e n c e ) 的 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 研究。 m e m p h i s 大学开发研究了1 5 年的t u t o r 系统， 通过a i 、 认知 科学 和复杂系 统 的研究，该系统能够进行不同学科的教学。系统能够对学生的问题适当反应，由计 算机进行提示和暗示。t u t o r 不通过多项选择就能够根据对问 题的键入和口 头反应进 行决策，对可能产生的语法或语义不正确的语言进行解释等。一些典型的i t s系统 如表1 - 1 所示4 1 表 1 - 1 国外典型的i t s系统 i t s 系统名称开发者教学领域关键i t s 技术 s c hol arc a rb o ne l l地理学自 然语言对话处理 w hys t e ve ns , col l i ns 气象学对话教学 s op hi ebrow n, bur t on电子学自 然语言接口、 黑箱法 w us orgol ds tei n 游戏策略钮盖体系结构 gui donc l a nc e y传染病学 专家系统，白 箱法 w es tbur t on 游戏策略基于范例的教学、 教练 b ug gyb r own, v a nl e hn 算术不正确知识表示 de bu g gybur t on, v anl e hn算术离线对话 s te ame rs t e ve ns, hol l an 海军锅炉设计模拟，智力 模型 l m ss l e e ma n 几何学错误产生式规则 me nowool f 气象学编程对话管理 p rous tj ohns on 编程技术意图诊断 act ?ande rs on l i s p 语言辅导认知建模 s i e rr 人nle hn 算术错误描述 s he r l oc kl e s gol d, k a t z 电子学认知学生模型 a nde s ma r t i n , v a n l e h n经典物理认识科学，网络技术 e l m- ar i p e t e r b r u s i l o v s k y , e l ma r s c hwa r z 材料课程 超文本技术 i k ts s o fi e j o h a n s s o n ko k k i n a k i s 汉语学习多媒体技术 1 . 3 . 2 i t s 的国内研究状况 国内 i t s的研究起步较晚，少量的研究工作主要集中在少数大学和研究机构断 续进行，且多为研究和演示用的 “ 玩具系统” ，经过严格评测的系统很少。这主要 在于计算机不够普及，教育软件需求不旺。国内有关教育软件的研制工作历史不长， 一.一. 一 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 软件产品大多数只是将课本中静态图像变成了电子图书，将多媒体计算机变成了录 像机或影碟机。最近几年则发展较快，有很多科研机构开始进行 i t s的研究开发工 作，一些计算机公司投入到教育软件的开发中来，国 家教委成立了专门的机构以 推 动计算机在教育中的应用。 特别是随着工 n t e r n e t 技术的发展与普及，国内的现代远 程教育迅猛发展，国家教育部考试中心于1 9 9 9 年开通了“ 全国高等教育自 学考试答 疑网络” ，在远程教育方面进行了成功的探索。现代远程教育继续扩大试点， “ 网 络大学” 近年快速发展。我国的现代远程教育的迅猛发展，必将大力推动基于远程 教育的工 t s 的发展。国内 一些典型的i t s 系统如表1 - 2 所示词 。 表 1 - 2国内典型的i t s 系统 单位 系统名称及用途联系人 北京航天大学计算机系 b g - c a i 教学软件平台 尹宝林 上海大学计算机系cdi c ai s童兆页 中 科院 数学所y u c a i 智能计算机辅助教学系统 生成工具 陈水红 信阳师范学院计算机系c e n p t s - 用于p a s c a l 教学曾奎 郑州解放军电子技术学院 i c a i p s 一 外设 ( p e r i p h e a l ) 鹤荣育 北京大学c a i 研究室a m i t s - 高等数学 徐顷文 北方交通大学人 d a - c a i -a d a语言刘 云 南京大学5 3 0 8 厂c s 一 一 汉字自 学唐棠 黑龙江大学计算机系c a f 城又 字学习 郎彦 华南师范大学计算机系 电脑辅助语音教学关宜富 西安交通大学“ 矢量分析与场论” c a i 系统 常争鸣 中国科大计算机中心模拟仿真m c s 系列单片机 刘振安 北京凯迪兴业网络技术有限公司多媒体视听网络教学系 统 姬乐民 海北科技有限公司“ 学易 ” 高互动信息反馈教学系统 刘墉民 1 . 4 i t s 的结构特征 传统上按功能把 i t s分为四个模块 ( 如图 1 . 1 ) :专家知识模块、学生模块、教 师模块、 人机接口 模块la . 5 ， 6 。 1 ) 专家知识模块( 知识库) :作为i t s的重要组成部分， 专家知识模块主要解决 教什么问题，表示教学领域的相关知识以及作为专家能够基于这些知识解决有关问 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 学生模型 学生人 机接口 教师模型 教师人 机接口教师 专家知识 智能接口 _ _ _ _ 。 图1 . 1 i t s四模块结构 题的问题求解知识。专家知识模块完成以下功能:作为系统全部知识的来源，为系 统其它模块频繁调用，以实时完成用户行为响应，通过知识库中的知识，生成相应 的问题、任务以 及解释;通过同步问题解答，并通过预期学生行为与实际学生行为 之间的比较，评价学生知识掌握程度以及学习状态、学习方式偏好等。由于领域知 识的表示在很大程度上决定着教学交互的内容和教学目标的结构以及系统的智能特 性的发挥，甚至系统的可扩展性以及系统的健壮性和运行速度等，所以 其在领域专 家模块设计中至关重要。实际上，知识表示是所有a i 问题和智能化系统必须首要解 决的问题之一。要提高系统的智能并有利于计算机实现，就必须在知识表示上全面 考虑，统筹安排，以 有利于系统结构清晰，代码重用以及模块化开发。 2 ) 学 生 模型 模块: 系 统 通 过 学生 模 块 建 立 对 学生 的了 解， 通 过比 较学 生 行为 与 专家行为，对学生进行智能模拟，包括学生的知识状态、认知特点和个性特点等。 随着对学生模型的研究，人们提出了多种学生模型的构建方法，包括覆盖模型、 差 别模型和千扰模型等。覆盖模型认为， 任何时刻学生的知识都是专家知识的子集， 教学的目的就是使得学生知识趋向于专家。差别模型是覆盖模型的改进，该模型把 专家知识分为学生应该掌握和不希望掌握的两类知识，学生行为和专家行为的差别 并不一律视为错误，而是有区别地加以对待，所以该模型既要表示学生模型，又要 表示与专家的差别。干扰模型则在覆盖模型的基础上，加入错误知识的表示，学生 的知识不再是专家知识的子集，既有领域专家的知识表示，又有学生可能持有的错 误概念知识。 3 ) 教 师模型 模块 教学 策略模块 ) : 主要任务是 在一定的 教学原理指导 下， 选 择 适当的教学内容，并通过接口以适当的表达形式，在适当的时刻展示给学生，该模 一. - 一目 . . . 曰 . 曰 曰 曰 . 比 . . ， 6 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 块的主要功能是如何组织教学内 容，即解决如何教的问 题。 系统提供有关教学策略， 通过与学生的交互，实现动态教学目 标规划，按有关知识相对顺序，开展知识内容 传授。系