基于概念網絡的物理多媒體輔助教學系統設計

張挺聳　徐銘澤　劉春宇

摘? 要： 針對現有多媒體輔助教學系統兼容性差、負載能力弱、耗時長等問題，提出并設計基于概念網絡的物理多媒體輔助教學系統。以邏輯層為核心構建物理多媒體輔助教學系統架構，分別設計理論知識模塊、實驗模塊和學生練習模塊?；诟拍罹W絡，將物理教學系統中大量的規則依附于概念上，形成概念網絡知識體系，完成理論知識體系設計，使用圖像和動畫展示方式設計實驗模塊，基于理論知識和實驗模塊對學生知識建模，對比學生知識與理論知識，使用計算機對學生的知識掌握情況計分，實現學生練習并反饋練習結果，完成物理多媒體輔助教學系統設計。實驗結果表明，該系統具有較好的兼容性，負載能力強，耗時低，具有實際應用價值。

關鍵詞： 多媒體輔助教學; 系統設計; 概念網絡; 模塊設計; 知識體系設計; 知識建模

中圖分類號： TN711?34; TP391.6? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）20?0119?03

Design of physics multimedia assisted teaching system based on concept network

ZHANG Tingsong， XU Mingze， LIU Chunyu

（College of Science， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）

Abstract： In allusion to the problems of the existing multimedia assisted teaching system such as poor system compatibility， weak load capacity and time consumption， a physics multimedia assisted teaching system based on concept network is proposed and designed. The architecture of physical multimedia assisted teaching system is constructed with the logic layer as the core， and the theoretical knowledge module， experimental module and student practice module is designed， respectively. Based on the concept network， a lot of rules in the physics teaching system are attached to the concept for forming the concept network knowledge system， so as to complete the design of the theoretical knowledge system. The experimental module is designed by means of the image and animation presentation mode， and the modeling of students′knowledge is conducted based on the theoretical knowledge and experimental module. The students′knowledge and theory knowledge are compared， the computer is used to score students′knowledge， so as to achieve students′practice and feedback the results of practice. The design of physical multimedia aided teaching system is completed. The experimental results show that the system has good compatibility， strong load capacity， low time consumption and practical application value.

Keywords： multimedia assisted teaching; system design; concept network; module design; knowledge system design; knowledge modeling

0? 引? 言

在計算機網絡蓬勃發展時代，多媒體輔助技術已廣泛應用到教學領域中，受到各國重點關注。多媒體輔助教學是目前出現的一種新型教學模式，具有覆蓋面廣、無時空限制等優勢，能夠為教師和學生提供雙向、動態的交流。同時，多媒體輔助手段在教育領域的應用，促使教學手段、教學方式以及教學結構等均發生了深刻的變化，為教育領域的發展注入了新的生機[1?2]。物理是高校理工科專業的一門必修課，是培養學生科學實驗素質和實踐能力的重要途徑，物理多媒體輔助教學是將物理實驗原理、儀器以及實驗數據等通過多媒體技術模擬出來的方法，能夠大大方便教師教學和學生溫習，并生動、直觀地展現教學內容，效果較好。由此可以看出，研究物理多媒體輔助教學具有一定的實際意義，能夠切實改善教學效果，提升學生能力[3?4]。

李建偉等人了針對學習知識、教學評價等內容，基于學習分析設計了一種自適應教學系統，通過不斷的系統測試獲取了學生學習水平，針對性地給出了學習策略，但該系統的兼容性差[5];俞曉明等人提出物理學概念是構成物理學理論框架的基礎，依據概念網絡定義給出了物理學概念網絡框架，具體介紹了物理學概念網絡的構建方法，但該方法的耗時較長[6];王曉萍基于VOD設計了一種網絡教學系統，采用Web框架，并使用ASP.NET技術經C#語言對軟件進行設計，給出了大量雙向交互資料的存儲方式，完成教學系統設計，能夠很好地展現教學界面，但該系統負載能力不佳[7]。

在現有研究方法的基礎上，本文汲取優勢，改進不足，提出并設計了基于概念網絡的物理多媒體輔助教學系統，以期通過該方法獲取性能更加優越的現代智能教學系統，更好地應用于物理教學中。

1? 物理多媒體輔助教學系統架構設計

多媒體技術以動畫、圖像等技術為核心，內容涉及通信、傳播、教育等諸多領域，多媒體輔助教學系統就是基于多媒體技術設計的新型教學方式[8?9]，該教學系統包括計算機主機、輸入/輸出設備、存儲設備和邏輯層等，系統架構如圖1所示。

在本文物理多媒體輔助教學系統設計中，邏輯層是系統設計核心，只有保證邏輯層中理論知識模塊、實驗模塊、學生練習模塊的順利運行，才能有效實現教學系統設計目的。本文系統設計以量子力學中測不準關系教學為例，具體模塊設計如下。

1.1? 基于概念網絡的理論知識模塊

概念網絡是對人工智能研究的一種探索，將概念作為基本節點，用于描述客觀事物及事物間關聯的知識表示框架體系。概念網絡能夠將認知、理解、推理和行為等融合為一個整體，用于指導智能系統對于預期行為的判斷和處理。概念網絡包含3個元素，分別為屬性、行為和關系，屬性為事物固有屬性，行為用于區分概念網絡和其他網絡，關系是指概念與概念之間形成的簡單或復雜的關聯[10?11]。

概念網絡能夠產生規則推理過程，用于體現不同概念的行為，這樣物理教學系統中的大量規則可依附在概念網絡形成的知識體系構造框架下，不同領域內事物依據自身特點同時基于框架可以形成不同的知識體系，此知識體系構造方式更為符合人的思維模式。將概念網絡應用于理論知識模塊中，形成理論知識體系，如圖2所示。

1.2? 實驗模塊

量子力學的測不準關系教學中，包括電子單縫衍射、衍射影響因素及入射粒子數研究等實驗，實驗中對于變量如單縫寬度的設置通過滾動條完成，通過實驗設置，能夠將理論知識應用到實際中，清晰地展示粒子衍射條紋以及曲線分布情況，使用圖像和動畫展示。圖像設計包括波函數、概率分布圖等，動畫是指有規則性地動態展示在計算機上的圖像，動畫的設計具有較強的真實感，可以增加教學的趣味性。實驗模塊設計中形成的圖像和動畫均通過計算機編程實現。

1.3? 學生練習模塊

多媒體輔助教學系統設計中，需要融入目前教育領域倡導的以學生為主體的教育思想，這是教育進步的一個標志，也是促進多媒體輔助教學開展的基礎[12?13]。基于上述1.1節的理論知識和1.2節的實驗模塊，對學生知識進行建模，保證學生知識與理論知識、實驗知識一致，將學生知識與理論知識體系進行對比，形成對比模型，如圖3所示。

圖3中，賦予知識領域每個屬性節點數值1，同時也在學生知識模型中設置數值范圍[0，1]。0表示學生對于知識完全沒有掌握，1表示學生已經完全掌握該節點知識。在模型構建初始階段，學生模型中的數值均設置為0。學生練習模塊設計了多個選擇題，基于上述機制完成學生練習，獲取學生行為，練習結束后，計算機能夠自動判斷答案對錯，給出學生知識掌握程度數值，反饋給學生和老師。綜合上述模塊分析，可以完成基于概念網絡的物理多媒體輔助教學系統設計，如圖4所示。

2? 實驗結果與分析

為測試本文系統的性能，進行實驗分析，本系統運行所需要的硬件配置為內存64 GB，256色顯示卡，125 MB硬盤，顯示器分辨率為1 024×768像素。系統運行所需要的軟件配置為Windows XP操作系統，數據訪問組件MDAC2.8，運行環境使用Netframework 2.0版本。本系統設計中基于Struts框架實現，該框架采用Servlet和JSP技術完成，具有統一化數據資源功能，能夠大大節約開發時間。

實驗分析中，選取SQL Server數據庫中的100萬數據作為數據源，其中，50萬數據用于系統訓練，50萬數據用作系統測試。選取以下實驗指標進行實驗驗證分析：系統負載測試和系統耗時。

2.1? 實驗一

對于一個完整的系統來說，負載能力大小是決定系統性能的直接因素，本實驗使用Web Application Stress進行系統負載測試，測試參數設置見表1。

將測試結果與文獻[5]、文獻[6]進行對比，結果如圖5所示。

分析圖5可以看出，無論并發用戶數量如何變化，本文系統負載率始終低于文獻[5]、文獻[6]，負載率低即意味著該系統能夠更長時間保持高效運行，表明本文系統具有較好負載能力，優于其他文獻方法。

2.2? 實驗二

將本文系統與文獻[5]、文獻[6]系統的運行耗時進行對比，結果如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著測試數據量的增多，本文系統的運行耗時出現了小幅度的上升，最大耗時為15 s，文獻[5]和文獻[6]的曲線變化幅度較大，且耗時較多，耗時最大數值為35 s，大于本文系統。本文系統的運行耗時低，優勢顯著，這是因為本文使用概念網絡構建理論知識模型，形成了知識表示框架，該框架結構的構建大大降低了模型構建的復雜度，節約時間。

3? 結? 論

多媒體輔助教學系統是現代教學的一種新模式，既能幫助老師教學，又能輔助學生完成自主學習，本文設計了基于概念網絡的物理多媒體輔助教學系統。重點描述了基于概念網絡的理論知識模塊、實驗模塊和學生練習模塊，完成了系統設計。并通過實驗驗證了該系統的良好性能，具有一定的參考價值。然而，該系統設計中仍存在一定的不足，對于學生和老師之間的交互性能未進行分析，在之后的研究中，將重點針對交互性進行分析，進一步提升系統性能。

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