制作系统中的写作模块设计

课件制作系统中的写作模块设计【内容摘要】本论文主要是关于课件写作系统的研究与开发。简单介绍智能计算机辅助教学的发展历程、功能和特点，叙述系统的结构以及各构成要素的情况；介绍了课件的设计开发过程，描述了写作系统在课件开发中的作用，课件写作系统的主要任务；设计了一个智能课件写作系统，介绍了系统的设计考虑，描述了系统结构和功能，并对系统的各主要模块作了介绍；讨论了领域知识库的设计与实现。【关键词】CAI写作系统一、课件写作系统概述计算机辅助教学(Computer-AssistedInstruction简称CAI)是以计算机为媒介，把教学内容、教学经验、计算机技术融为一体，通过授课对话、模拟练习、问题求解等形式向学生传授知识和训练技能，达到某种教学目的。CAI是一门为教育科学服务的新型的综合性边缘科学，理论上涉及教育学、心理学、学习理论、思维科学、计算机科学、传播学、信息论、控制论、系统论等多个学科。CAI的发展最早可以追溯到程序教学和教学机器，1958年美国IBM公司沃斯顿研究中心利用计算机进行程序教学，就称之为计算机辅助教学。CAI的出现给教学方法、教学手段带来了一系列的变革，一改以往在课堂上对全体学生统一施教的方法，而能对每个学生实施个别化教育，使教学过程能够适应不同层次学生的要求，达到更好的教学效果。因而CAI得以迅速发展起来并广泛应用于教学。CAI的应用情况大致可以分成四个阶段：(1)以高级语言编制程序制作课件一一探索试验阶段。(2)以写作系统为工具制作课件一一逐步推广应用阶段。(3)由多媒体技术和计算机网络支持的CAI大面积应用阶段。(4)由专家系统和人工智能技术支持的高级阶段。第一阶段教师制作课件(编程)的工作量大，对运行环境要求较严，使用不便，但为CAI的发展打下了基础；第二阶段是用专门的课件写作系统，克服了第一阶段的弊端，使CAI可能大力发展；第三阶段是在计算机网络和多媒体技术的支持下，使CAI可以广泛推广使用，为CAI教学形式多样化创造了条件；第四阶段是CAI在教学层次、教学内容向纵深发展的阶段即智能CAI阶段。目前，国外一些发达国家由于计算机网络已有了一定的规模，CAI研究的重点放在多媒体、超媒体和智能以I系统上。以人工智能科学、认知科学和思维科学为理论基础而形成的智能CAI(IntelligentComputerAssistedInstruction简称ICAI，)通过研究人类学习思维的特征和过程、寻求学习认知的模式，使学生获得个别化自适应性学习，以获得知识。智能教学系统的研究始于七十年代，二十几年来尽管人们在ITS上做了不少研究工作，但只研制成功了为数不多的智能教学系统，而这些系统基本上停留在实验室，成熟实用的系统非常少。例如:从1970年智能教学系统诞生到八十年代初，十多年来研制成功的智能教学系统只有大约20到30个，1982年Sleeman和Brown对其中的大多数作了描述。智能教学软件(智能课件)的数量严重不足使智能教学系统得不到广泛的使用。造成智能教学系统不能广泛使用的两个主要障碍是:一是由于智能教学系统的复杂性，没有形成很成熟的理论和设计原理，不存在一个通用的开发模式，使得智能教学软件的开发需要专门的知识和技术，而掌握这方面知识的人材严重缺乏；二是开发过程需要耗费大量的时间，研制费用高，据统计用通用程序设计语言编制课件时间与运行课件时间之比高达200：1到300：1。因此，从八十年代中期开始，智能教学系统的研究在继续深人研究智能教学系统各个模块的设计原理的同时，开始对如何使智能教学系统“走出”实验室，推广使用的问题进行研究，即智能教学软件开发环境的研究。课件写作系统(intelligentAuthoringSystem简称IAS)是智能教学程序生成器或者可以说是教学软件开发环境。IAS能有效地克服智能教学软件无法推广使用的两个障碍，具有缩短课件的开发周期，提高课件的编写效率，使课件的开发摆脱对人工智能等方面技术的依赖等特点。因而写作系统成为当前智能CAI技术研究的一个重要课题，是第一届人工智能与教育国际会议。大会九个专题之一智能课件写作系统的开发不仅要对智能教学系统有深人的了解，而且涉及程序生成技术、组装技术等多项技术，因而具有相当的难度。本论文的就是关于课件写作系统的研究与开发。简单介绍智能计算机辅助教学的发展历程、功能和特点，叙述系统的结构以及各构成要素的情况；介绍了课件的设计开发过程，描述了写作系统在课件开发中的作用，课件写作系统的主要任务；设计了一个智能课件写作系统，介绍了系统的设计考虑，描述了系统结构和功能，并对系统的各主要模块作了介绍；讨论了领域知识库的设计与实现。二、系统总体设计本章叙述了我们在Microsofta'indows3。1中文版下用MicrosoftvisualC++开发的一个智能课件写作系统的设计考虑、系统结构、系统各主要模块情况介绍。(一)、系统设计的考虑课件的开发是在教师和计算机专用人员的有效合作下完成的。本系统面向的正是这两类课件的开发者，系统设计的首先考虑的就是为这二类用户尤其是教师类型的用户制作课件提供充分的支持，使得课件的开发者能够高效的开发课件。写作系统可以自动生成课件，生成的课件必须支持当代的认知学习理论。基于行为主义的传统学习理论教学以结果为中心、教师为中心、教材结构为中心。当代认知学习理论教学以过程为中心、以学生为中心、以认知结构为中心。以认知科学为指导是系统设计时考虑问题的又一出发点。八十年代中期，随着软件工程的崛起，提出了课件工程的概念。以课件工程为指导，系统提供集成化、开放性的开发环境，实现课件的工程化制作，这是系统设计时考虑问题的第三个出发点。从上述三点出发，系统要达到的设计目标如下:(1)为教师提供一套有效的开发支撑工具，一个方便易用、界面友好的课件制作环境。使得教师不必具备人工智能技术背景，甚至不具备计算机专业知识就可以编制出高质量的智能教学软件。教师使用本系统无须编程，这样制作课件时编程工作大大减少，课件由系统按教师输人的描述规则自动生成，教师就可以把精力集中在课件的设计过程中的教学内容设计、教学等略的构思等上面。(2)为计算机专业人员提供二次开发的手段，系统的接口是开放的。通过有效的二次开发，可以增强、扩充系统的功能，使系统能够满足某些特殊的要求。(3)基于面向对象的方法论，采用面向对象的分析设计方法，同时为课件开发者提供面向对象的操作方式。(4)系统所制作的课件支持先进的教学指导理论和教学方法。系统为课件运行时记录学生学习情况，建立模型和对学生进行综合评价提供支持。(5)系统支持课件工程，提供课件教学设计、程序设计、课件维护、功能扩充以及商品化各阶段的支持，并提供课件运行和管理的支持。(6)在系统实现过程中，探讨用面向对象技术来实现课件标准化组件和课件组装的可能性。（二）、系统结构系统为课件开发者提供一个自动生成智能超文本课件，调试、运行于一体的制作环境。系统环境包括两部分:生成环境和运行环境。系统运行环境(调试环境)包括由系统生成环境生成的智能教学系统的各个主要模块、系统模拟运行以方便用户进行调试。其中知识库编辑模块和汇总模块是系统的关键部分。系统生成环境为智能教学系统的创建提供了以下功能:(1)领域知识库的创建与管理(2)教学带略、教学逻辑管理(3)错误诊断规则、错误诊断模型(4)学生认知评估模型(S)用户界面定义系统通过知识库编辑模块来输人的教学内容知识、教学策略知识和诊断知识；通过汇总模块来建立完整的知识库，并进行知识库的一致性和完整性检查，最后汇总模块将领域知识库、学生认知评估模型、认知诊断模型和教学策略模块组装在一起生成一个完整的智能教学程序。下面着重介绍系统生成环境图中的一些主要模块。（三）知识库编辑模块知识库编辑模块三个子系统组成，分别是领域知识库。编辑器子系统、教学规则库编辑器子系统、诊断规则库编辑器子系统。用户通过相应的知识库编辑器来输入教学内容、教学规则、诊断规则，系统对用户输人的知识进行加工处理，建立相应的知识库；对知识库进行一致性、完整性检查等，最终形成领域知识库、教学策略知识库、诊断知识库。知识库编辑模块为用户输人教学内容、教学规则和诊断规则提供下面这些相似的功能:(1)增加一个概念或一个规则。(2)修改已存在的一项。(3)从知识库中删除一项。(4)替换一项。(5)显示一项中的全部或部分内容。(6)在知识库中查找特定的项。这些功能在三个知识库的输人过程中以同样的使用方式面对用户，使操作简单一致，但实现方法却不同。领域知识库编辑器对节点对象、关系对象进行编辑操作，每个节点是一个知识的概念点，节点间用关系对象链接起来，构成一个复杂的超文本网络，这就是领域知识库，领域知识库的设计与实现在下一章中有具体论述。教学规则库和诊断规则库这两个知识库本系统使用产生式规则来表示知识库中的知识，知识库的组织方式相对于领域知识库来说简单得多。产生式规则由前提和结论组成，相应的本系统提供了规则表示模板来输入前提和结论。规则表示如下:规则号:表示规则的编号。前提个数:表示要输人的前提个数。前提1:表示要输人的第一个前提。关系1:与关系或者或关系等。前提n-1:表示要输人的最后一个前提之间的关系。前提n:表示要输人的最后一个前提。结论:当相应的前提条件满足时，得到的结论或执行的动作。教学规则和诊断规则编辑器通过规则表示模板的操作来完成教学规则和诊断规则的输人。（四）学生认知评估模型本系统实现了学生认知评估模型的建立和管理。学生认知评估模型的实现方法如下:首先领域知识库中的每一个概念节点要有一个认知类型及难易程度两项；教学问题如习题、练习等也要有认知能力和难度两项，当然还要有所考核到的所有概念点这项。当教学过程中，学生对某一个概念点进行测试或练习后，系统利用贝叶斯定量概率估算法计算学生对该概念点的掌握情况，修正学生的认知能力；经过反复多次的练习，系统就可以得到学生对该概念点掌握情况的综合评价。将学生对概念点的掌握情况用一个矢量表记录下来，在清楚学生对各个概念点的掌握情况的基础上，联系概念点之间固有的结构关系，使用定性推理的方法得到对学生的宏观评价,按美国著名心理学家布兽姆的理论系统终认知能力分为六类:识记、理解、应用、分析、综合、评价。（五）认知诊断模型目前已经使用的学生错误诊断方法有以下三种:(1)BUGGY方法:该方法是过程网方法，一个技能的过程网络就是将该技能分解为若干子过程，这些子过程又通过一系列子目标连接在一起，这种方法可以列举出可观察的错误，但不能很好地解释错误产生的原因。(2)DEBUGGY方法:此方法要产生问题和搜索假设空间，通过假设来区别问题，它可以提出有针对性的新问题，但搜索空间往往太大。(3)REPAIR方法:当系统由于缺少知识而导致一个“僵局”时，必须设法修复，使之超越该僵局继续运行下去。可观察的错误被看作不同的“僵局一修复”对该方法不能预见将要发生的错误，也不能诊断错误的原因。这三种方法都可以找出学生的错误，但难以说明原因和过程，要真正地找到学生错误的根源必须设法把握学生学习过程中的认知规律，跟踪学生学习过程中的思维过程，以人CT理论(思维适应控制)理论为指导建造的新模型较好地解决了这个问题，这个新模型就是所谓的“模型跟踪法”。本系统中采用了模型跟踪法来诊断学生错误。ACT理论是关于复杂认知技能的组织和获得的认知理论，强调高级思维的控制过程，试图提出思维定向、思维转移的控制机制和思维的控制原理及其适应功能。（六）教学策略推理机教学策略推理机主要推理的是下一步应采取什么样的决策和方法。为达到这一目的，首先必须了解在什么知识库中进行推理。本系统采用的教学策略知识库是将用户输人的教学规则库和系统内部的教学方面的知识库相结合而形成的，知识库中的这些知识体现了教学策略内容及选择教学模式等因素，在此基础上根据学生当前水平及状况推断出下一步应采用的策略。系统采用了面向对象的教学策略推理机的技术实现，利用规则进行推理以得出当前所需的教学策略。系统实现教学策略是基于一种思想即教学策略的选取因教学目标、教学内容、学生当前水平等因素的不同而不同，因此在智能教学系统中，教学策略并不是一成不变的，它随着上述因素的变化而调整。在设计面向对象的推理机时，首先使用一个基本类，Inference-EngInew推理机)，它是一个抽象类，可以用各种形式特化为不同的子类，以便在实际的教学系统中使用，类Inference-Engine有两个子类，即Forward-Chained(前向推理机)和Backward-Chained(后向推理机)，这些子类能继承Inference-Engine的所有方法。类Inference-Engine是用来为其子类Forward-Chained和Backward-Chained提供它们所需要的方法的，因此它只是一个抽象的类而不产生任何直接的实例，所以前、后向推理机的顶层控制只能由类Inference-Engine的某个子类的方法来完成，类Inference-engine有一个名为engine-type(推理机类型)的实例变量，在初始化时，根据具体情况只要填上fforward或backward即可，以这种方式可使更多的程序使用，任何需要知道推理方向的程序只需访问该实例变量即可。三、课件设计开发过程本章从以CAI课件的设计过程，开发途径出发来讲述课件写作系统的作用，并进一步介绍了智能课件写作系统要完成的主要任务。课件是一种教学系统。包括教学中的各种信息及其处理。从广义上说，凡具备一定教学功能的教学软件都可称之为课件。智能教学软件称为智能课件。课件的开发是在教师与计算机专业人员的有效合作下完成的。课件设计开发过程一般可以分为:选题、教学对象分析、教学目标分析、指定课题计划、脚本撰写与评价、程序设计、课件评价、文档编写。（一）选题开发课件，首先要解决的问题是选择什么样的内容。即具体到哪个学科哪些内容宜于使用以CAI方式教学。原则上讲，许多内容都可以通过CAI进行教学，但问题在于利用CAI能取得较好的教学效果，而又不致付出高的代价。因此对通过CAI实现教学目标的内容必须作认真选择。此外，选题还必须分析在教学上采用计算机辅助教学方式的必要性和可能性。（二）教学对象分析教学对象分析又称学习者分析，是课件设计前期的一项分析工作，目的是了解学习者的学习情况及学习风格，为教学内容的选择和组织、学习目标的编写、教学内容的设计、教学方法和模式的选择、运用等提供依据。所谓学习准备是指学习者在从事新的学习时，其原有的知识水平或原有心理发展水平对新的学习的适合性、这是新教学的出发点。所谓学习风格是指对学习者感知不同刺激并对之做出反应这两方面产生影响的所有心理特性，诸如焦虑、习性、对视觉或听觉学习偏爱等。(1)起点能力分析一般说来，起点能力分析包括下述三个方面:·对预备技能的分析；·对目标技能分析；·学习者对所学内容的态度的分析；(2)一般特点分析认知心理学认为，在人的认知发展变化中，最主要的变化是从具体认知到抽象认知的过渡，把它运用在课件设计中就要根据学习者年龄特征，选择合适的材料，对于年龄小的低年级学生应从具体形象着手，而对于高年级学生则可以从逻辑抽象着手。在情感(态度)学习方面，对幼儿、小学生而言，他们愿意接受自己尊重的师长教导；但成人往往接受事实，要通过自己的亲身体验，才容易改变或形成一定认识。(3)学习风格的分析学习风格是指对学习者感知学习环境，与学习环境相互作用、并在感情上做出反应等方面起决定作用的所有心理特性，即学习的最优方式。（三）教学目标分析通过采用CAI课件，学习者最终要获得预期的知识、技能，因此，一定的CAI课件是与相关的教学目标相联系的。在课件设计的初始阶段必须重视教学目标的选定和准确的阐述。（1）教学目标分类教育学家和心理学家将教学目标分为三个主要部分:第一部分是认知领域，包括有关知识的回忆和再认，以及理智能力和技能的形成等方面的目标；第二部分是情感领域，其目标包括描述兴趣、态度和价值等方面的变化，以及鉴赏和令人满意的顺应形成；第三部分是动作技能领域，其目标强调肌肉或运动技能、对材料和客体的某种操作、或需要神经肌肉协调的活动。布鲁姆曾对每一目标领域的高低层次进行分析，并分成若干等级。（2）教学目标的阐述教学目标的描写包括四个因素:·应明确教学对象；·应说明通过学习后，学习者应该能做什么，即行为；·应说明上述行为在什么条件下产生，即条件；·应规定评定上述行为的标准。（3）行为目标阐述应注意的问题一定要把每项行为目标描述成学生行为，而不是教师行为；一定要把每项行为目标描述成学生的最终行为而不要写成教材内容、教学过程或教学程序；一定要把每项行为目标尽可能地包括复杂的高级认知目标和情感目标；目标要考虑学生的个别差异，应该使学生能从不同的方式在不同程度上达到所制定的教学目标。（四）制定课题计划课题计划是对各课内容大体上进行分配，根据教学目的选择教学策略，并且确定各课之间的关系，实现从教学目标到内容的演化。课题计划还包括划分课时、选择教学方法、确定课件结构、设计教学单元、编排教学顺序、确定调度方式等。（1）划分课时划分课时可以参考课堂教学用的教材，但不能照搬。具体划分课时要综合考虑四个方面:(1)学生年龄特征；(2)教学内容和形式；(3)教学目标的完整性；(4)连续性和顺序性。（2）选择教学方式在计算机辅助教学的几种方式中，可以根据需要采用这些教学方式中的一种或几种，也可以采用几种方式的混合形式。选用教学方式时，必须综合考虑几个方面的因素:教学目的任务；材内容；学生的实际情况；各教学方式的特点。（3）确定课件结构在选择合适的教学方式的基础上，根据教学方式来确定课件结构。在实际设计时，某一种教学方式可能采用一种结构，也可能采用若干种结构。确定课件结构之后，可以画出其模块分析图，指明课件所包括的模块和各模块之建关系。至于各模块内部的结构，可留待以后设计分析。（4）设计教学单元按教学任务划分，教学单元可分为课文和问题两大类，课文类单元主要是文字、图形、声音等形式向学生呈现教学内容。问题类单元主要是向学生提出问题，并根据学生的反应提供反馈。它们在课件流程的各个阶段所占比重不同。整个课件的流程大致由引入、辅导和练习三阶段组成。引人阶段主要用于了解学生的起始水平，引发学生的学习动机，铺垫有关已学知识。一般由若干个问题单元组成。如果学生不能正确回答问题，则转人补充课文单元，所以这一阶段还含少量的课文单元。辅导阶段主要用于辅导学生学习指定的内容，一般由若干课文单元组成。各课文单元的连接顺序有的是通过检测学生的学习情况来决定的。因此，这一阶段还含少量的问题单元。练习阶段主要用于加深学生对已学内容的理解并检查他们的学习情况，一般由若干个问题单元组成。如果学生不能正确完成练习，则转人补充课文单元；如能正确地完成练习，可转人补充问题单元。其中，补充课文单元含有程度较低的学习内容，补充问题单元含有程度较高的练习。（5）编排教学顺序把教学目标用行为术语表达出来，分析这些目标之间是否存在逻辑连贯性，如果存在，就根据目标之间的逻辑序列来编排教学单元的顺序；如果不存在，就按实现各个目标的行为操作序列来编排教学单元的顺序。（6）确定调度方式调度各教学单元的方式一般有程序式、菜单式和混合式三种。程序式策略的调度依据是由计算机视学生的学习情况而决定课与课之间的连接关系。在课程调度的程序策略中，学习路径由计算机程序根据学生的学习情况来控制，而各课之间的关系则由课件设计者事先确定好。菜单式策略的调度依据是把学习路径的控制权交给学生，让学生对计算机提供的各课进行选择，学生按自己需要确定合适的学习路径。混合式调度策略是把程序式策略与菜单式策略结合起来使用，是上述两种策略之综合。为了保证学生的学习记录，如果学生不具备本课学习史，则对其进行本课学习前的检查，看是否有能力进人该课的学习。若学生通过能力预测检查，便可让他开始本课的学习活动，否则就要对他提出重新选择内容的劝告，或者直接调人补充段课件形成一个新的学习路径。混合式策略兼有程序式策略和菜单式策略的优点，但在控制上较为复杂。（五）脚本撰写与评价脚本对于课件的作用相当于剧本对于电视、电影的作用。它是编程人员开发课件的依据。教学画面直接面向学生、每一幅画面都可促进人机交流，传递教学信息，激发学生的反应，引起他们的行为变化。因此，一个教学周期的积累、效果就取决于组成系列画面的脚本质量。脚本设计有它自身的一套程序和要求。脚本撰写完毕，还需组织有关方面专家评议修改脚本。（六）编制程序在开发课件的这一阶段，要求根据修订后的脚本编写程序，输人计算机，进行调试，直到符合脚本要求为止。（七）评价课件课件评估是课件设计的一项重要工作，是课件修改的依据和课件质量的保证。一般要聘请优秀教师和教学研究人员、计算机软件专家、计算机教育家、教育心理学家等方面的专家组成，特别要聘请既懂教育科学又懂计算机科学的专家参加评审。课件评估一般步骤如下:(1)登录；(2)初评；(3)演示答辩；(4)讨论评分。四、课件写作系统与智能写作系统的特点（一）课件写作系统从课件的设计开发过程中，我们可以看到在课件设计的基础上，开发教学系统的两条途径，一种是完全由开发者采用软件工程方法从总体设计直至模块编码一一完成，最后实现实际的系统。这种方法使用通用的程序设计语言或课件写作语言编程，要求开发者有教强的编程能力。但一般情况下往往是计算机知识丰富的人员对课程领域的知识并不能充分理解，而有教学经验的教师却对计算机知识了解不多，这种矛盾往往对教学系统的开发造成不利，而解决的方法就是选用以课件写作系统为核心的教学系统开发环境。这就是所说的第二种途径，即利用开发环境研制课件。写作系统是一种综合性集成软件包，它通过菜单或帮助信息引导课件设计者一步一步地进行教学系统课件的制作，所有的控制功能由写作系统自动完成。系统和用户之间具有直观的交互作用，用户可完全省去编程环节。写作系统简化了课件制作过程，可以极大地提高效率。同时，应用写作系统开发的课件的质量和功能也将随写作系统所提供的功能的不断完善而提高。写作系统的基本要求是不需用户进行烦琐的编程，或只需用户以较少的命令就能实现课件的开发。一种实用化的写作系统应具备以下的各项基本功能。(1)信息输人的功能:系统应提供良好的信息输人功能，以便开发者输人课件信息。课件信息包括课件中的教学内容、教学过程及其控制、对学习者的评价等各种信息。写作系统应能十分方便地对能输人的信息进行编辑、加工。(2)生成课件的功能:根据输入的课件信息，系统自动生成课件，自动生成课件的功能代替了通常方式下用户以编程的方式进行课件开发。生成课件的功能是写作系统的一项根本功能。(3)修改和调试课件的功能。在课件的开发过程中，用户需要对开发中的课件不断地进行调试和修改。课件开发完成后，还需要对课件进行调试和维护。(4)运行课件的功能。如果以写作系统开发的课件需要特殊的运行环境，则写作系统要提供这种运行环境。若生成的课件不需要特殊的运行环境，则写作系统没有必要提供运行环境。这里给出的是写作系统的基本功能，写作系统可根据课件开发的实际需要，提供其它的一些功能，例如:评价功能、统计功能等等。（二）智能课件写作系统智能写作系统除具有一般写作系统的特点外，将各种智能的算法结合编程写进系统中，使得通过智能写作系统可以建立学生模型、教师模型和领域知识库；定义智能接口等，实际上，智能写作系统是智能教学软件开发工具或智能教学程序生成器。Begg和Hogg指出智能课件写作系统必须完成的四个任务是:(1)Domainknowledge:createandmaintainaknowledgebase.(2)Instructionalknowledge:specifyrulesforteaching,errorrecognitionandremediation(3)Presentation:definetheformatfor