辅助教学【基于MSM的网络智能辅助教学系统初探】

　　摘 要：本文在对ICAI概念、系统模型、模块功能等理论研究的基础上，基于一门具体课程现代教育技术来研究ICAI在实践中的应用，优先研究ICAI决策模块中，根据不同的教学内容和教学方法，来选择不同的教学策略这一内容。
　　关键词：ICAI；系统模型；教学策略；综合集成方法论MSM；现代教育技术
　　中图分类号：G250.73 文献标识码：B 文章编号：1673-8454(2012)01-0030-04
　　
　　计算机辅助教学（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｉｎｓｔｒｕcｔｉｏｎ，简称ＣＡＩ）是利用计算机来模拟教师的行为，通过学生与计算机之间的交互活动来达到教学的目的。即在计算机辅助下进行的各种教学活动，主要是以对话方式和学生讨论教学内容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术。CAI为学生提供一个个人化的学习环境，综合应用多媒体、知识库等计算机技术，这是传统CAI的主要应用方式。
　　在没有智能系统支持的情况下，传统CAI尽管可能具有良好的教学材料模型，但它往往仅借助于计算机来展示教学内容，并不能很好地根据它所教学生的学习特征，以不同的教学策略和教学方法来教授；只是盲目地传授知识给学生，如果某个学生不能接受提供的教学策略，系统没有为这个学生提供可供选择的另外的教学策略。目前使用的绝大多数CAI是将全部教学信息以编程方式预置于课件中，这样的CAI课件一旦制作完成，很难对课件进行更新和维护，尤其是在这样的CAI系统中，学生的学习仍然处于被动状态，即完全受计算机控制。
　　一、智能化计算机辅助教学概念
　　现代教育技术的日益发展以及与其他领先技术的结合，必然促使计算机辅助教学CAI的进一步发展。人工智能技术应用于CAI产生的基于网络环境的智能化CAI，就是现代信息化社会发展的产物，并在教育教学领域中有很好的发展前景。
　　人工智能是计算机科学的一个分支，它的目标是构造能表现出一定智能行为的代理，目的就是让计算机这台机器能够像人一样思考。人工智能的研究更多地是结合具体领域进行的，主要研究领域有专家系统、机器学习、模式识别、博弈、智能决定支持系统、人工神经网络等等。人工智能技术与专家系统的成就，促使人们把问题求解、知识表示这些技术引入CAI，并借助于网络环境来实施，这便是智能型计算机辅助教学。
　　智能计算机辅助教学ICAI（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）属于人工智能的一个分支，是以认知科学和思维科学为理论基础，综合人工智能技术，教育心理学等多门学科的知识对学生实施教育的一门新的教育技术。ICAI通过研究人类学习思维的特征和过程，探索学习知识的模式，利用信息化网络环境使学生获得个别化自适应性学习的获取知识方法，从而使学生的学习更有针对性，更有效。
　　ICAI依靠人工智能技术的进步，主要应在因材施教方面取得进展。其主要特点是:
　　（１）能自动生成适合学习者程度的学习内容。
　　（２）能根据学生的不同认知水平与学习风格选择教学策略和教学方法。
　　（３）能评价学生的学习结果，并不断地在教学中改善教学策略。
　　二、智能化计算机辅助教学研究现状
　　现阶段，在一些发达国家，如美国、日本、加拿大、英国、法国、澳大利亚等，CAI已经普遍存在于学校和家庭中，正起着越来越大的作用。而ICAI的研究还处于初始阶段。目前国内在这一领域的研究主要集中在CAI和ICAI的优缺点比较，ICAI的理论来源、系统特征、模块建设、发展趋势等基础理论知识的研究，基于相关课程或学科的实践研究还比较少见。智能教学系统的设计和开发是一项复杂的系统工程，由于需要考虑的因素较多，系统比较庞大，同时也依赖于人工智能等技术的发展,因而要建立完善的ICAI还是比较困难的。[1]因此ICAI有很大的理论和实践发展空间。
　　完善的ICAI系统需能够充分调动学生的主动性，并能通过分析推理，对某具体学生做出适合的教学决策。使学生获得个别化自适应性学习的学习方法，达到因材施教的目的。人工智能技术的发展必将会对ICAI的发展起到巨大的推动作用。随着计算机科学的发展，21世纪的教育教学辅助手段将是以ICAI为主线，多学科、多方位发展的新技术的体现，越来越多的教育工作者会从更多的视角审视ICAI，并从事ICAI的研究。相信ICAI将会在现代教育领域中有更广泛的应用。
　　“现代教育技术”既是教育技术专业的必修课程，也是大中专院校广泛设置的选修课程，适用范围非常广泛。本文以《现代教育技术》这门课程为主要研究对象，来研究智能化教学系统设计在具体实践中的应用。
　　三、ICAI决策系统的理论依据
　　1.综合集成理论
　　教育是以人为主体参与的活动，而人本身就是一个复杂巨系统，因此以这种大量的复杂巨系统为子系统组成的系统――教育系统，是一个复杂巨系统。依据系统与其环境是否有物质、能量和信息的交换，将系统划分为开放系统和封闭系统来看，学生的学习受到教师、同学、家庭及社会等因素的影响，所以教育系统是一个开放的复杂巨系统。
　　钱学森的理论和实践研究表明：现在能用的、惟一能有效处理开放的复杂巨系统的方法，就是定性定量相结合的综合集成方法论。综合集成方法论（Meta-synthesis Methodology MSM）是方法论上的创新，它是研究复杂巨系统和复杂性问题的方法论。[2]定性定量相结合的综合集成方法是将专家群体(各种有关的专家)、数据和各种信息与计算机技术有机结合起来，把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来，发挥这个系统的整体优势和综合优势。[3]它把人的经验、知识、智慧以及各种情况、资料和信息系统集成起来，从多方面定性认识上升到定量认识，从而达到解决复杂系统问题的目的。在解决问题的过程中，专家群体和专家的经验知识起着重要的作用。
　　教学系统设计是一个复杂的系统，它是由教育系统的复杂性决定的。教育系统具有复杂系统的基本特点，它在结构与功能上表现为规模大、相关因素多且相关方式复杂、目标多样等；在运动上表现为随机性、非线性等。用一般的理论方法无法全面合理地解决这一不良结构的问题，本研究尝试用综合集成方法论来指导、分析教学设计智能化过程。因此，运用综合集成理论的方法来研究教学设计系统，探讨具体科目的教学设计在设计过程中遇到的复杂性问题，进而构建科学合理的教学设计系统，具有重要的理论和实践价值。
　　2.教学设计理论
　　本文采用“双主”教学模式作为ICAI的教学设计的理论基础。“双主”教学模式既能发挥教师的主导作用又能充分发挥学习者认知主体作用，是在教师主导下的课堂中能让学习者参与进来共同学习的一种教学模式。
　　基于“双主”的教学模式，要求根据学习者的特征、学习内容、学习策略、学习目标等多种因素的不同情况研究它们的结合方式，以使系统达到理想的教学效果。
　　基于网络环境的ICAI相对于传统的CAI来说，充分体现了“双主”的教学模式。ICAI中有专门分析学习者学习方式和认知水平的学生模型，有专门为不同的学习内容选择不同的学习策略的策略库模型（也称为教师模型），有评价学习效果并反馈给系统的评价模型。学生模型是对学习者的学习特征进行分析，包括学习者的学习风格、认知水平。策略库模型包含有丰富教学策略和有一个智能推理机，能根据学生模型的信息和学习目标为学习者选择合适的学习策略，指导学习者学习。
　　3.建构主义学习理论
　　当代建构主义者主张，世界是客观存在的，但是对于世界的理解和赋予意义却是由每个人自己决定的。建构主义者认为学习者要以自己的经验为基础来建构现实，或者至少说是在解释现实，每个人的经验世界是用自己的头脑创建的。
　　学习过程同时包含两方面的建构：一方面是对新知识意义的建构，同时又包含对原有经验的改造和重组。建构主义者强调学习者在学习过程中能够灵活地建构起用于指导实践活动的图式，这种图式是对概念的丰富理解，依据个人经验背景的不同而不同。
　　教学应当把学习者原有的知识经验作为新知识的生长点，引导学习者从原有的知识经验中，生长新的知识经验。教学不是知识的传递，而是知识的处理和转换。
　　ICAI伴随着这种理论的发展而发展，它注重的是由学习者来控制学习过程，重视学习内容的知识结构和学习情境，让学习者主动构建对自己有意义的知识的活动。基于网络环境的ICAI积极地为学习者创设学习情境，帮助学习者用他们已有的知识去建构、生成、整合新的知识。
　　4.教学处方理论
　　“教学处方理论”是郑永柏博士于1998年提出的一种新型适合于信息化教学设计的理论，他通过对教学系统设计理论和计算机辅助教学设计方面的研究，建构了一种新型的教学系统设计理论――教学处方理论。该理论主要包括：六个基本概念、一个理论框架、三条基本原理和两个关于教学设计的知识库。[4]
　　该理论指出教学处方可以看作是教学设计者(有时可以看作是教师)依据系统分析后使用的各种教学模式、教学方法和教学内容处理模式的组合；说明了在特定教学条件下对特定教学结果的教学，以不同的学习理论和教学理论为指导将会采用不同的教学方法，即教学处方，这也是本研究的核心内容，是该系统设计的指导理论。“教学处方理论”具有更好的包容性、开放性，能够吸收和容纳丰富的学习和教学研究成果。
　　四、ICAI系统的模块结构
　　1.前端分析模块：认知能力、学习动机、认知风格
　　前端分析是美国学者哈利斯（Harless，J．）在1968年提出的一个概念，指的是在教学设计过程开始的时候，先分析若干直接影响教学设计但又不属于具体设计事项的问题，本文主要指认知能力、学习动机和认知风格方面的分析。前端分析模块主要是建立相应的学生特征类型的数据库。
　　认知能力的测量采用认记、理解、应用、分析、综合、评价六个维度，每个维度有“优、良、中、差”四个选项。通过数据分析找出学习者的现状和期望之间的差距，确定需要解决的问题是什么，并确定问题的性质，形成不同层次的教学设计项目的目标。
　　学习风格和学习动机通过专门的量表来收集数据。
　　2.内容分析模块
　　教学内容分析就是在确定好总教学目标的前提下，借助归类分析法、图解分析法、层级分析法、信息加工分析法等方法，分析学习者要实现总的教学目标，需要掌握哪些知识、技能或形成什么态度。通过对教学内容的处理，确定学习者所需学习内容的范围和深度，确定内容各组成部分之间的关系，为以后教学顺序的安排奠定好基础。
　　对教学内容的处理主要包括：教学内容的选择、教学内容的编排、确定单元目标及对内容进行初步评价、分析教学内容类别及性质等四个基本方面。在构建规定性教学内容处理模式库时，应对上述四个方面提供具体的方法。[5]
　　3.决策模块
　　教学策略（处方）的制定就是根据特定的教学目标、教学内容、教学对象等条件，来合理地选择相应的教学顺序、教学方法、教学组织形式。在数据库中建立可供选择的不同的教学策略（处方），是本文所研究的ICAI系统的主要模块，也是特色模块。
　　教学策略（处方）的制定包括教学顺序的确定、教学方法的选择、教学组织形式的选择等。教学顺序的确定就是要确定教学内容各组成部分之间的先后顺序；教学方法的选择就是要通过讲授法、演示法、讨论法、练习法、实验法、示范模仿法等不同方法的选择，来激发并维持学习者的注意和兴趣，传递教学内容；教学组织形式主要有集体授课、小组讨论和个别化自学三种形式，各种形式各有所长，须根据具体情况进行相应的选择。教学策略的制定是根据具体的目标、内容、对象等来确定的，要具体问题具体分析，不存在能适用于所有目标、内容、对象的教学策略。
　　4.评价模块
　　在基于网络环境的ICAI的评价模块，要依据前面确定的教学目标，运用评价量表，分析学习者对预期学习目标的完成情况，主要收集三个方面的基本信息，一是要收集关于教师对教学设计方案和教学方案实施结果的满意度的信息数据，二是要收集关于学习者对教学过程、教学策略的适应性的信息数据，三是要看与其他方法相比，本处方中所采用的方法是否有独到之处，是否有不足之处。[6]在数据分析的基础上，对教学策略和教学内容的修改和完善提出建议，并以此为基础对ICAI各个环节的工作进行相应的修改。
　　5.ICAI系统模型框图
　　学习者前端数据采集数据库包括：认知结构测量及分析系统、学习动机测量及分析系统、学习风格测量及分析系统和学生基本信息系统。系统模型如图所示。
　　五、ICAI决策系统实验数据来源
　　本课题实践研究的调查对象来自云南大学，是2008届市场营销教育和财会教育本科生，共89人，课程设置为现代教育技术。学生调查表包括本科生基本信息表，所罗门学习风格量表，学习者认知能力调查问卷，学习者学习动机调查问卷四份表格组成。实际收到数据表89份，有效数据表75份。数据表中的信息选项根据所占权重，统一折合成百分制进行处理。
　　六、总结
　　本文把教学设计理论、方法与“现代教育技术”课程相结合，拟研发出一个基于综合集成方法论的广义智能网络教学设计辅助系统。主要研究成果如下：
　　（１）把综合集成方法论引入解决教学设计这一不良结构问题；
　　（２）结合数字化方法和数据挖掘技术，它能对学习者进行数字化的前端分析；
　　（３）它所自动化给出的教学设计方案，可为青年教师提供良好借鉴，有利于教师因材施教、因风格施教、因需要施教；
　　（４）它所自动化给出的学习者学习建议方案，有利于促进学习者自主学习。
　　现有的CAI存在的许多问题随着新技术的不断出现而显得越来越不能适应新环境的需求，因此以基于网络环境的ICAI为代表的新计算机辅助教学系统，将是教育教学研究人员在教育技术上需要不断探求、努力实现的发展方向。
　　参考文献：
　　[1]杨采坚，董玉铭.智能教学系统设计[J].中国电大教育,1993（3）.
　　[2]于景元,涂元季.从定性到定量综合集成方法――案例研究[J].系统工程理论与实践,2002.5.
　　[3]钱学森,于景元,戴汝为.一个科学新领域：开放的复杂巨系统及其方法论[J].自然杂志,1990(1).
　　[4]郑永柏.教学系统设计理论和方法研究:教学处方理论和ISD-EPSSS的设计与开发[D].北京师范大学博士学位论文，1998.
　　[5]何克抗,郑永柏,谢幼如.教学系统设计[M].北京:北京师范大学出版社,2005.
　　[6]杨世伟.“教学处方理论”应用研究与实践[D].华中师范大学（硕士）,2006.11.01.
　　（编辑：杨馥红）