基于Ｃ／Ｓ的ＩＣＡＩ系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：本文討論基于C/S的智能計算機輔助教學（ICAI）系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)，據(jù)此采用VB、SQL Server、IIS等開發(fā)平臺，建立了一個用于計算機文化基礎(chǔ)教學的ICAI試驗系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： CS CAI ICAI 課件

1 引言

傳統(tǒng)的CAI課件系統(tǒng)是在單機上將全部教學內(nèi)容以編程的方式預置于課件中，學生學習時，教學過程按課件規(guī)定的路徑和內(nèi)容展開。由于缺乏必要的通信手段和智能特性，無法實現(xiàn)任課教師與學生之間的交互，無法實施按學生的不同認知能力準備教案的教學措施。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。這種利用人工智能的原理和技術(shù)產(chǎn)生的CAI系統(tǒng)通常稱為智能CAI系統(tǒng)，簡稱ICAI（Intelligence Computer Assisted Instruction）。

2 ICAI的評價標準

ICAI具有如下的一些特征：

① 能自動生成各種問題與練習；

② 根據(jù)學生的學習水平與學習情況選擇與調(diào)整學習的內(nèi)容和進度；

③ 在了解教學內(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)比較自由的教學問答系統(tǒng)以提高人機交互的主動性；

⑤ 對教學內(nèi)容有解釋咨詢能力；

⑥ 能診斷學生錯誤，分析原因并采取糾正措施；

⑦ 能評價學生的學習行為；

⑧ 能評價教師的教學行為。

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 C/S的實現(xiàn)

將用于教學的內(nèi)容、刻畫學生的認知模型所必需的數(shù)據(jù)資料保存在Server端。教師在辦公室通過Client實現(xiàn)對Server端教學內(nèi)容的更新與維護。學生在多媒體教室通過Client與Server相連，實現(xiàn)對教學內(nèi)容的學習，學習結(jié)束后，學生客戶端軟件將依據(jù)學生對知識點的掌握情況，為其自動修改認知模型。督導人員在教務(wù)處通過Client與Server相連，實現(xiàn)對教學過程的監(jiān)督與引導。

3.2 認知模型的建立

ICAI強調(diào)要按學生不同的認知模型為其準備不同的教學內(nèi)容，用以實現(xiàn)個別化教學與啟發(fā)式教學。受認知心理學與教育學發(fā)展的制約，目前還無法準確地建立出單個人的認知模型。

我們粗略地將學生的認知模型按其不同的認知能力分成高、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)認知能力的同學學習使用。學生在學習完每節(jié)的教學內(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)其回答問題的準確率，確定他的新認知模型。

3.3 智能化教學過程的實現(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（學習歷史紀錄庫）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)的學習應(yīng)滿足的前提條件。學習歷史庫由冊、章、節(jié)、認知等級、已學次數(shù)組成，反映學生對該節(jié)的認知能力。規(guī)則庫的內(nèi)容由教師負責修改。學生的學習歷史紀錄，在庫中按每個人一張表組織，其內(nèi)容在每次學習之后，由學生客戶端軟件依據(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)則與學生學習歷史紀錄庫提供的事實做出判斷。我們通過學生在每節(jié)教學內(nèi)容學習完成之后對所附習題回答的準確率，將其認知能力劃分成高、中、低三個層次，并將這個結(jié)果保存在學生學習歷史紀錄庫中。學生下一次使用該系統(tǒng)進行學習時，該系統(tǒng)會按其不同的認知能力，為他準備相應(yīng)難度的教學內(nèi)容。不難看出，這種對認知能力的衡量是動態(tài)的。若學生不想按系統(tǒng)默認的進度學，則要求學生自行選擇學習內(nèi)容。若所選內(nèi)容已經(jīng)學過，則根據(jù)其當時所獲得的等級為他準備學習內(nèi)容；否則將視規(guī)則庫及學習歷史紀錄中的內(nèi)容判斷其是否可學而定。例如：規(guī)則庫中限定在學習第一章第一節(jié)之前不能學習第一章第二節(jié)，某生試圖越過第一章第一節(jié)學習第一章第二節(jié)時，系統(tǒng)會給出警告。為了使學生能在系統(tǒng)的控制下學習，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。

3.3.1 閥值的給定

當學生完成對某一節(jié)的內(nèi)容學習之后，回答系統(tǒng)提問所得的分數(shù)小于該節(jié)所具有的閥值時，系統(tǒng)并不會將該節(jié)標志為已學。所以該生下次登錄時，系統(tǒng)將強制他對該節(jié)的內(nèi)容進行重新學習。通常，那些在本學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)以流水形式編排號碼）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)形式表示，小于1且與Important（N）成正比。

設(shè)Right（N）表示某生在學習完第N節(jié)的知識后回答系統(tǒng)所提問題的準確率。變量Ruler=1-Valve(N)。給定認知模型的修改規(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知模型（高、中、低）準備不同的教學內(nèi)容，所以為確保對用戶認知模型刻畫的準確程度，要求學生在使用學生客戶端軟件時，需用自己的姓名和口令向系統(tǒng)登記。當驗證該生是系統(tǒng)的合法用戶后，將到學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)建該生的認知模型，作為教學的依據(jù)。如不是系統(tǒng)的合法用戶，將要求學生進行簡單的注冊，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。

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C/S模式，用于計算機文化基礎(chǔ)教學的ICAI試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)的Server端采用SQL Server2000組織管理“學生庫”（用來存放學生資料、答題檔案、學習歷史紀錄）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）。用于教學的教案被組織成超文本形式，由服務(wù)器上運行的Windows NT Server 的IIS（Internet Information Server）管理。Client端采用VB 6.0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。提供給學生學習的內(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、逼真的方式吸引學生學習《計算機文化基礎(chǔ)》，充分調(diào)動學生學習的積極性和主動性，加深學生對課程的印象及重點、難點的理解。其在試驗班級中取得了良好的教學效果。教師客戶端與督導客戶端的引入，使學生、教師、督導人員能互通信息，協(xié)作教學，故該系統(tǒng)具有很強的生命力與實用性。

參考文獻：

［1］何克抗等.計算機輔助教育.高等教育出版社，1997.

［2］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系統(tǒng).計算機研究與發(fā)展，Vol.35，No.5 May.1998.

［3］楊斌.ICAI技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2004，08.