信息技术与教育技术

《信息技术与教育技术（1）》第三章计算机机及教育应用教学讲义教师：田秀锦教学要求1.了解计算机文化的概念、意义和内容2.了解计算机的发展、分类、特点和应用领域3.了解计算机的组成内容、系统结构、信息存储的方式，并学会有关的基本操作方法4.了解计算机软件的发展、组成内容、功能和用途5.了解计算机的教育应用内容要点1.计算机文化2.计算机的发展、分类、特点和应用领域3.计算机的硬件系统和信息存储4.计算机的软件系统5.计算机的教育应用重点难点：计算机文化，计算机的发展、特点和应用领域，计算机的硬件系统和软件系统，计算机的教育应用教学内容：一、计算机概述1、计算机的诞生和发展世界上第一台电子计算机ENIAC于1946年由美国宾夕法尼亚大学摩尔学院研制成功。在此之后的50多年里，计算机的发展已经历了四代并正在向第五代过渡，计算机的应用也从单一的科学计算渗透到了人类生活的各个领域。第一代第二代第三代第四代年代40年代中期～50年代末50年代末～60年代中期60年代中期～60年代末70年代至今逻辑元件电子管晶体管中、小规模集成电路大规模或超大规模集成电路运算速度几千次/秒数百万次～几亿次/秒主存储器汞延迟线、静电存储管、或磁鼓磁芯存储器以磁芯存储器为主半导体存储器外存储器磁鼓、磁带开始使用磁盘做外存储器软件方面主要使用机器语言并开始使用符号语言开始使用操作系统及高级程序设计语言所使用软件中的操作系统进一步发展且又出现了多种高级程序设计语言发展了分布式操作系统、数据库系统及软件工程标准化等主要应用领域科学计算从以科学计算为主转向以数据处理为主科学计算、数据处理及过程控制等领域遍及人类社会活动的各个领域并进入了计算机网络时代。另外形成新的重要分支：以大规模或超大规模集成电路为基础的微处理器和微型计算机得到了高速稳定的发展第五代计算机的展望：第五代计算机属于正在发展和尚未完全定性的一代计算机。一些专业人士认为：它将采用生物技术、纳米技术和量子技术，是一种更为智能的、多功能化的、具有能量、信息处理能力和使用特殊材料制成的先进计算机。2、计算机文化计算机文化是对计算机在人类文化领域中反映出的种种现象的概括和计算系在科学技术、经济生产、社会文明、以及人类未来发展中的深刻影响和重要地位的表述。计算机文化的时代特征：计算机和计算机文化与信息社会的密切关系，使得学习计算机与计算机网络知识，掌握它们的使用方法，做一个具有计算机文化素质的人，成为信息社会对其社会公民的基本要求。没有这样的素质，就会成为新的文盲，无法适应信息社会中的工作、学习、生活。计算机文化也是现代人类的文化的一部分。在面临信息社会、知识经济到来的今天，计算机开发、应用的深度和广度已经成为衡量一个国家科学技术、经济发展、国民基本素质等综合实力水平的重要标志，计算机文化对现代社会的影响越来越显著。3、计算机的分类、特点和应用计算机的分类：（1）按计算机处理的信息分类，可分为数字式电子计算机和模拟式电子计算机。（2）按用途分类，可分为通用计算机和专用计算机两大类。（3）按处理能力分类，可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微机。计算机的特点：运算速度快、计算精度高、具有记忆功能，存储容量大、具有逻辑判断功能、具有自动执行的能力。计算机的应用领域：科学计算和科学研究、信息处理、实时控制、计算机辅助系统、人工智能二、计算机的硬件系统计算机是由硬件系统和软件系统两部分组成的，软件系统和硬件系统相互依存，相互支持，即分工又合作，都是计算机不可缺少的内容。1、计算机硬件系统的组成计算机硬件有五部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。实际计算机硬件系统分两大部分：主机和外部设备。2、主机：主要包括中央处理器（CPU）、内存储器、系统总线等。中央处理器是控制器和和运算器的集合体，是计算机的核心部件，由它完成运算处理功能，并实施对计算机其它部件的控制使计算机各部件协调统一工作。内存储器是在计算机中起记忆作用的部件。根据其功能分为只读存储器和随机内存两种。只读存储器只能从其中读出数据而不能写入，随机存储器既能读出数据，又能写入数据，而计算机只有将操作系统、临时需要的应用软件程序和数据信息装入内存才能运行。总线：计算机各组成部件之间采用总线连接。微型计算机的总线安装在称为计算机主板的装置上，分为外部总线和内部总线。外部总线是指CPU和其它部件之间的连接，内部总线用于CPU内部各部件之间的连接。3、外部设备：主要包括输入设备（键盘、鼠标、光笔、扫描仪等）、输出设备（显示器、打印机、绘图仪等）、外存储器（软、硬磁盘，磁带，光盘）等。外存储器：包括硬磁盘、软磁盘、磁带、光盘。显示器：是电脑系统中最基本的输出设备。决定显示器性能的一个重要指标是显示器的分辨率越高，所显示的字符和图象就越清晰，越逼真。三、计算机的软件系统1、软件系统的组成计算机的软件系统指计算机中实现资料信息处理的程序以及开发、使用和维护程序所需的有关文档资料的集合。计算机的软件系统主要有两种类型：系统软件（操作系统、语言处理程序、数据库管理系统等）、应用软件。2、系统软件：系统软件分为计算机的操作系统和计算机的程序设计与语言翻译系统两部分。⑴.操作系统软件是由一组控制计算机系统并对其进行管理的程序组成。它是计算机系统的控制和管理核心，其任务是控制、管理计算机的各种资源和工作流程，组织、协调计算机的运行，为其它系统软件和应用软件提供服务和支持。操作系统通常具有五个方面的功能：CPU管理、内存管理、设备管理、作业管理、文件管理。⑵程序设计语言。编写计算机程序所用的语言称为程序设计语言，分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。⑶机器语言是最低级的语言，计算机硬件系统能直接识别，而不需要翻译。由于机器码指令是用许多二进制数表示的，编程人员需要费很大精力去熟悉记忆数字代码。编程时，程序员需要自己处理每条指令，并且必须清楚地记住编程过程中每步所使用的工作单元处于何种状态。⑷汇编语言仍然是一种面向机器的语言，它比较接近机器语言，保留了机器语言的每一条指令由操作码和操作数两部分组成的形式。虽然它比机器语言直观，容易查找错误，但用汇编语言编写的程序不能直接在计算机上运行，必须将汇编程序翻译成机器语言程序，才能在计算机上运行得出结果。翻译工作一般都由计算机厂家提供的汇编程序来完成，翻译的过程就叫做“汇编”，这也是汇编语言名称的由来。汇编语言和机器语言一样都依赖于具体的机器，所以被称作“低级语言”。⑸“高级语言”。高级语言基本上摆脱了语言对机器的依靠，相对独立于机器，由面向机器改为面向过程、面向对象，其中所用的符号、标记更接近人们的日常习惯，便于理解、掌握和记忆。如BASIC、FORTRAN等。⑹语言处理：用高级语言或汇编语言编写的程序称为源程序。计算机不能直接执行源程序，必须先把源程序翻译成为用“1”和“0”这两个机器代码表示的目标程序，即用机器语言编码的程序。语言处理就是将源程序翻译成目标程序。翻译方式一般分为编译和解释两种。编译方式：事先编好的一个叫做编译程序的机器语言程序放在计算机中。当高级语言编的源程序输入计算机时，编译程序就把源程序自动整个地翻译成用机器指令表示的目标程序。解释方式：事先编好的一个叫做解释程序的机器语言程序放在计算机中，当高级语言源程序输入计算机后，解释程序自动地逐句翻译源程序，译一句执行一句。3、应用软件：通用性应用软件，用于带有“共性”的一类计算机应用问题，涉及面很广。例如，Office2000和Wps2000都属于这种类型。专用型系统软件，专为少数用户设计的、目的单一的应用软件。例如，专为学习某门课程而设计的计算机辅助教学课件。四、计算机辅助教育1、概述计算机与教育之间的关系，属于科学技术与教育的范畴。计算机被引用到教育活动中，服务于教育、教学的历程大致可以分为四个阶段：（1）把计算机作为学习的对象，专门开设计算机基本知识和技能课，强调“计算机程序设计是信息社会的第二文化”、“未来社会的文盲，将不是不识字的人，而是不懂得计算机的人”。（2）计算机服务于传统教学。随着计算机技术与教育理论的发展，人们逐渐认识到，信息社会需要大多数人会与计算机打交道，但并非一定会编写程序。计算机如果仅仅作为一门课程，而游离于各学科教学之外，它对教育教学的作用是非常有限的。于是人们转而强调在日常各学科教学中应用计算机。（3）计算机与教育的整合。重视信息技术整合到教学中，成为教学的一个有机组成部分，而不是外加到教学中来。如利用计算机的交互性和及时反馈特点，为学生创造一个观察与思考的环境，极大地促进了学生学习的建构过程，这是任何其它教学媒体所无法替代的。在这一教学中，计算机、教学内容和新的“建构式”教学方法整合在一起。实现以信息技术为基础改革课程和教学，考虑如何利用信息技术实现传统手段所无法实现的教学目标和过程。计算机在教育领域的应用称为计算机辅助教育(ComputerBasedEducation，简称CBE)，主要为两个方面：计算机进入教育教学活动和计算机参与教育教学管理。（4）以信息技术（计算机作为核心）为基础的教育全面发展。信息技术与教育整合的最终目的是以信息技术为基础进行的教育全面发展，包括：教育目标、内容、方法和组织形式等方面的全方位变革，按照信息化社会和学习社会化的需求和规律等进行教育课程的规划、建设，构建全社会的人工智能化的教育设施和体系等。这一阶段的发展是“朝阳事业”，前景非常广阔。计算机辅助教育就是把计算机作为教学媒体，让它充当指导者、工具和学习者的角色，通过学生与计算机之间的双向交互，辅助学生更有效地学习。（1）计算机指导学习。让计算机作为指导者，使计算机像辅导教师一样，根据学生的学习情况，进行个别指导，最终完成预定的学习目标。指导学习的计算机软件主要采用5种模式：操练与练习、指导或辅导、模拟、问题解决和游戏。指导学习的一般过程是由计算机呈现教学内容并提出问题，学生回答后，计算机做出判断，并反馈回应答正确与否和针对应答的辅导信息。（2）计算机作为学习工具。给学生提供各种软件工具，让学生经过自己的实践获得知识和技能，是计算机作为学习工具的目的。具体方法是规定学生应该完成的任务，明确说明哪些软件工具能够完成任务，然后由学生实践。例如，用文字处理软件编辑和打印论文和报告，用多媒体工具制作动画片等。（3）计算机作为学习者。让计算机充当学习者，而让学生命令计算机完成给定的任务，是计算机作为学习者的目的。这种方式是让学生编写完成特定任务的计算机程序。为了达到既定目标，学生不仅要熟悉计算机语言的指令集，而且还必须在编程之前知道如何去解决问题，要求学生有较高的思维技巧和问题解决能力。计算机指导学习；计算机作为学习工具；计算机作为学习者。计算机参与教育教学管理又称计算机管理教学（CMI）。主要应用有：（1）学生成绩管理利用计算机的数据库功能为管理学生的学习成绩提供了一个很好的工具。一般的成绩管理软件都具有如下功能：分类存储不同学校、年级、班机学生的成绩报表，统计、计算、排列学生的成绩。（2）计算机辅助测验系统计算机辅助测验系统有一个比较强大的题库，题库中包含有各学科或者某一学科的许多考试题目。教师将学生情况，以及要测验的概念等按机器要求输入计算机，由计算机参照一定的组卷策略（或者由教师人工抽出）从题库中抽出不同的题目，组成一份考卷；然后利用计算机终端来测验学生，并且根据学生的情况，对学生的学习进行分级和判断。于是，达到计算机辅助测验的目的。题库中的题目通常是由专业学科教师根据学科的教学目标、内容和结构来设计的。计算机阅卷快速，准确，能够及时地对考试结果做出分析，发现题目存在的缺陷，并帮助修复，提高测验的信度和效度。（3）课堂信息处理系统利用计算机，对课堂教学中的信息进行收集处理，为教师提供有用信息，也是计算机管理教学的重要方面。课堂信息处理系统就是一种能采集和获取学生在课堂上的反应情况，然后对信息进行处理和分析，并把结果输出到显示器或打印机上，将反应的结果告诉教师和学生的一种系统。（4）题库系统题库是以教育测量理论为指导，利用计算机技术构成的某个学科试题的集合。题库的质量取决于试题的信度和效度等指标。高质量的题库系统不仅能动态地增删、修改试题，还具有自动生成试卷的功能。题库系统是多层次、多用途的，既有用于各类学校一般测验用的经验型题库，也有为全国性单纯选拔人才使用的题库。我国计算机的教育应用主要有四个方面：知识技能教育；用计算机辅助教学或使用计算机进行学习；教育信息处理；管理教育。2、算机辅助教学（1）计算机辅助教学发展简史计算机辅助教学（ComputerAssistedInstruction，简称CAI）源于早期的程序教学活动。20世纪20年代，美国心理学教授锡德尼•普莱西首先提出利用机器进行教学的思想。他设计了一台教学机器，能自动送出多个供学生选择的问题，并对学生的回答做出正误判断。到了五十年代中期，美国著名的行为主义心理学家教授斯金纳根据从实验室中对动物实验引出的操作条件反射和积极强化的理论，论证了普莱西教学机器的心理学依据，提出了程序教学法，并且设计了新的教学机器。斯金纳提出了将学习材料线性组织的方式和小步调的教学程序。到了五十年代后期，有人又提出了分支教学模式。这两种模式对后来发展起来的计算机辅助教学都有直接的影响。不同的模式，反映了多种心理学理论对学习过程所持有的理论观点。在这些心理学理论的指导下，计算机成了辅助教育的重要媒体，计算机辅助教学应运而生。六十年代开始，美国一些著名的公司及大学，如著名的IBM公司和斯坦福大学逐渐利用计算机开发多种学科的教学系统。IBM公司还开发了专门为教学使用的程序设计语言，帮助简化交互式学习的计算机课件程序设计过程。八十年代末，多媒体计算机的出现被称为计算机的一场革命，同时，一些新的教育和心理学理论也在这一时期成为计算机辅助教学设计的指导思想（例如，建构主义），因而，极大地推动计算机辅助教学发展到一个新的阶段。随着计算机辅助教学的开发、实践和信息技术的发展，人们总结了以往计算机辅助教学存在的不足，提出了人工智能型计算机辅助教学（IntelligentComputerAssistedInstruction，简称ICAI）的设计方案。包括：在计算机辅助教学系统中建立学生模型和专家系统，计算机应该能够理解自然语言，作一个称职的“计算机导师”，要教给学生高级思维的技能等。（2）计算机辅助教学（CAI）的基本过程和特点计算机辅助教学（CAI）是把计算机用作教学媒体，充当指导者、工具和学习者的角色，学生通过“人-机”间的交互活动进行学习。CAI的基本流程图：CAI具有如下特点：①大容量的非顺序式的信息呈现。②学生可以控制学习内容和学习进度。③实现因人施教的教学原则和及时反馈原则。④学生在CAI活动中处于一种积极、主动的精神状态。⑤对教师或软件开发者提供了教学决策支持。⑥网络技术使CAI可获得群体的支持。⑦CAI活动的效果受教师态度的影响。（3）CAI课件CAI课件是计算机辅助教学系统中的核心，包括用于控制和进行教学活动的计算机程序，帮助开发维护和使用这些程序的文档资料以及与软件配合使用的课本课练习册等。课件分为：固定型、生成型及智能型三种。固定结构类型又称框面型，它将各种与教学活动有关的信息组织成一个个的框面，然后以框面为单位，通过控制转移的预定路径来实现教学活动。这种类型的课件具有结构清晰、教学过程方式明确、制作方便等优点。但最大的缺点却是提供的学习内容和教学过程过于单一和固定，使得学生只能按照一定的结构进行学习，缺乏主动性，易失去兴趣。生成型课件主要是根据教学活动中的有关信息为参数，形成教学内容，或是决定教学活动的控制转移。这种类型的课件总是利用某种数据结构和预先安排的程序来生成不同的教学内容，富于变化，类型丰富，呈现的知识、问题等能够较好地适应学生的知识范围。这种课件的教学分支也是由一定的程序来产生的。学生的操作和反应决定着下一步的学习内容，当学生的执行结果达到目标要求时，就转到新的教学单元，否则就返回到原教学单元重新学习。智能型结构：智能型课件是利用人工智能技术实现计算机辅助教学的功能。一般说来，这种课件由能产生教学内容的知识库、可检测学生能力与知识状态的模型、可决定教学内容呈现次序与呈现方式的策略模块以及可对学生进行传授和引导等的人机界面组成。如图：3、计算机辅助教学的主要模式计算机辅助教学的模式可以采用三种方式进行分类：教学活动形式、信息结构形式、运行形式。按照教学活动形式进行分类是最常用和比较成熟的方式。其主要模式有：训练与实习型、指导型、模拟型、游戏型、问题求解型。训练与实习（DrillandPractice）型课件提供的教学方式是逐个或逐批地提出问题由学生来回答，当学生将回答输入给机器后，计算机判断其正确情况，并根据学生回答的情况给与相应的反馈，以促进学生掌握某种知识与技能技巧。这种联系形式类似于教师的提问，可帮助学生复习与巩固所学的知识。反复联系和反馈，使学生建立起问题与回答之间的牢固联系，从而理解与掌握该项知识与技能。在这种模式中，计算机提供一种刺激/应答的环境，强化学生对刺激的反映。训练与实习是使学生获得知识、技能和解题技巧的有效方法之一。训练与实习的策略是多次重复，通过重复加强刺激，巩固记忆，提高技能和能力。实践表明，训练与实习对形成低层次技巧自动化必不可少，特别适合于外语、文字拼写等教学内容。训练与实习也是有区别的。训练是通过大量的术语与事实间的重复对比联系，帮助学生建立起有关事物和规律的联想记忆和快速回忆。实习则是为了获得一种生成型技能技巧。它通过一系列问题，让学生一方面建立知识间的联想联系，另一方面还要具有掌握如何应用知识、做出决定的能力，形成一种习惯性的过程性技能。训练与实习型课件的主要功能是不断地提问题，等待回答，进行判断和给出反馈。通常是围绕一种需要巩固和掌握的知识与技巧组织成一批问题，有计划地逐步深入提高训练的效果，对于同一水平的内容的训练，则要有一定的随机性。采用训练与实习型模式的课件，应该注意如下问题：题量、重复时间、顺序。指导（Tutorial）型课件提供的教学方式是通过精心安排的人机对话，使学生处于一种被个别指导的教学环境中进行学习，来达到预期的学习目标。这种类型的课件将教学过程分为若干个小的教学单元，每个单元进行一项最基本的教学活动，如列举一个例子、叙述一个概念、说明一个公式等。课件把这些教学单元按照教学顺序和教学策略有机地组织成一系列有计划的教学活动，最终达到整个课件的教学目标。这种课件的作用是模拟和代替教师向学生进行讲授、指导与帮助。这种课件的基本结构包括6个部分：引起并保持注意、明确学习目标、呈现知识和指导、提供反馈、应用性练习和复习、评价。指导型课件适合于传授新概念、新公式、新规律等新知识为教学目标的教学活动，可以用较少的时间使学生有效地学习。咨询（Inquiring）型课件提供的教学方式是学生提出问题和要求，计算机做