《大学计算机基础》智能教学平台的研究与设计

刘海申，张 璐

（1.南阳幼儿师范学校 河南 南阳 414750；2.驻马店职业技术学院 信息工程系，河南 驻马店 463000）

随着信息技术的发展和学生自身水平的提高，学生对计算机应用能力的需求越来越高。因此，大学计算机基础是高校非计算机专业学生的一门通识课，各个高校都开展了对计算机基础这门课程的改革，以满足学生的需求和社会发展的需要[1]。在计算机基础教学过程中，网络辅助教学[2]常常被应用到其中，以克服传统课堂中教学受到时间和空间限制的困境，方便学生进行自主学习，网络平台为学生学习提供丰富的教育资源。因此，要充分发挥网络教学平台的作用，构建智能网络教学平台。

1 智能化学习平台的学习特征

在网络智能学习环境中，学习是学生通过自身原有知识经验与智能学习系统进行交互活动来获取知识、获得能力的过程。在这个过程中，学生能够自我组织、制订执行学习计划，自主选择学习策略，并能控制整个学习过程，对学习进行自我评估，它充分地考虑到教学行为的个性化与学习行为的个人化特征，打破了传统学习群体的结构，把学生作为一个个体，置于一个更为个人化的情景之中。这种学习的主要特征：网络智能学习平台的关键是针对学生的个性特征信息，通过系统的分析和判断，给予不同的学习环境和学习内容的呈现，并在学习过程中对学生的学习进行记录、指导、反馈，对学生选择的学习策略给予支持。在学生进行自主学习后，网络智能学习系统通过智能执行系统，在以单元为单位的学习内容或学习任务库中为学生抽取最适合当前学生的学习材料。在学习过程中，系统依然会对学生的学习活动进行记录，并通过对学习行为的分析，结合学生模型做出智能导航，对新的学习内容、学习资源给予智能的呈现，满足学生个性化学习的要求。而且系统也将对学生选择的学习策略给予资源、智能分组协作诸方面的支持，这样，每一位学生都将在系统中留下属于他们自己的个性化资料档案，并动态保留关于他们在其中学习的过程记录以及系统对此做出的非量化评价与反馈。此外，系统还集成大量智能学习系统评价机制、讨论交流工具、个人资源库管理系统、作业系统等学习辅助工具。其最终的目的就是建立一个适合学生个性特征的学习环境。

2 系统需求分析

根据因材施教思想、建构主义学习理论、“教学过程最优化”理论等多种教育理论的要求，结合当前网络课程在智能化方面的需求，分析得到智能化网络课程的基本需求主要有：

1）要能够根据各个学生的不同情况智能化地为其安排合适的教学内容

不同的学生，学习的基础不同，学习的能力也不同，如果让所有的学生都学同样的知识，则有的学生吃不饱，学习能力没有得到充分发挥，而有的学生则可能跟不上，学习效果很差，所以智能化网络课程应能根据各个学生的不同情况，为其安排适应其学习情况和学习能力的教学内容来让其学习，另外对于不同的学习者，教授同样的知识点，应当在讲解风格、讲解方法和讲解详尽程度上都有所不同。这是因材施教教育思想的具体体现，也是建构主义学习理论中以学生为中心的教育思想的一种体现。

2）要能够识别学习者的身份，掌握学习状态，控制学习进程

“教学过程最优化”教学理论要求对教学过程进行控制，以保证教学过程（在最优化的范围内）发挥从一定标准来看最有效的作用。这要求智能化网络课程要能够识别学习者的身份，全面掌握学习者的学习状态，如：学习者已经学过哪些知识点，哪些知识点虽然学过但学习效果不好需要补充学习，学习者共学习了多长时间等。然后，智能化网络课程要能控制每个学习者的学习进程，如什么时候该学习什么内容，什么时候该接受测验等。

一般网络课程的教学实施方式是由学习者通过点击超链接来自由选择学习内容进行学习，这种自由度很大的学习方式要求学习者有较强的学习自觉性和较强的学习能力，它对那些学习自觉性较差，学习能力也较弱的学生并不适合，不少学生在这种无拘无束的学习方式中走马观花式地浏览了几个教学页面后就很难再深入学习下去。而学习过程控制能对学习者产生很大的督促作用，就像在老师的督促下学生能更好地学习一样。另外，自由选择学习内容的学习难以适应系统教学的需要，系统教学讲究教学内容的系统性、严谨性和周密性，教学内容是经过科学组织的，有既定的教学先后次序、明确的教学线索和严谨的教学条理，自由选择式的学习是难以体现这些教学思想的，这些教学思想的体现必须要有对教学过程的控制。

3）要能够对学习者的学习情况做出评价和反馈

建构主义学习理论十分重视对学习的评价，学习过程中的阶段性测验和学习结束后的水平测试都是必不可少的。智能化网络课程要能够对学生的学习情况做出一个较为准确的评判。这种评判结果在学习过程中可以作为安排后续知识点学习的依据，可以对学习者起一种鞭策、引导、交互和信息反馈的作用，在整个学习过程结束后是对学习者所具有的水平的客观认定。

测验可分成主观题的测验和客观题的测验。从技术上而言，实现主观题测验较为容易，而要实现客观题测验则有较大复杂度。

4）要有协作学习的环境和氛围

建构主义学习理论强调学习中的“协作”。协作应该贯穿于整个学习活动过程中。学生与学生之间的协作，可以激发学习兴趣，提高学习效率，改善学习效果等。

对智能化网络课程而言，就是要提供能让学生与学生进行交流和协作的平台和手段，使得网络课程学习者感觉自己是处在一种协作学习的环境和氛围中，能够和其他的同学进行沟通、交流、协作等。通常一门网络课程的学习者不只一人，在这种情况下只要在网络课程中提供学生与学生之间的交流手段即可，如留言板、电子公告牌（BBS）、聊天室、讨论组等。当然，还有一种技术可用于营造协作学习的环境和氛围，那就是智能代理技术。在这种技术中，采用一段程序来模拟同学的行为，以实现和学习者的交流和协作等，可形象地称其这样的智能代理程序为“同学代理”。

5）要能解答学生提出的常见问题

学生在学习过程中，肯定会有问题出现，如果这些问题得不到及时解答，则学生的学习积极性和后续学习效率都将受到影响，所以，智能化网络课程中应当有智能辅导答疑系统。

智能辅导答疑实现的前提都是要事先建立一个内容丰富、全面的答案库。按照技术实现难度的不同，这类系统可以分成简单匹配式、模糊匹配式和段落理解式3种类型。简单匹配式辅导答疑系统主要通过简单的关键字匹配技术来实现对学生提出问题与答案库中相关应答条目的匹配，从而做到自动回答问题或进行相关辅导。模糊匹配式辅导答疑系统则在此基础上增加了同义词和反义词的匹配。这样，即使学生所提问题中按原来的关键字在答案库中找不到直接匹配的答案，但是假若与该关键字同义或反义的词能够匹配则仍可在答案库中找到相关的应答条目。段落理解式辅导答疑系统是最理想的、也是真正智能化的辅导答疑系统（简单匹配式和模糊匹配式，严格说只能称之为“自动辅导答疑系统”而非“智能辅导答疑系统”）。但是由于这种系统涉及自然语言的段落理解，对于汉语来说，这种理解涉及自动分词、词性分析、句法分析和语义分析等NLP领域的多种复杂技术，所以实现难度很大。

6）要有师生之间的交流和互动

没有老师参与的学习称不上教学，而只是自学。教师是教学的引导者，知识的传授者和疑难的解答者。在智能化网络课程中必须要有师生之间的交流和互动，这样学习者才能获得教师的指导和帮助等。

师生之间的交流和互动与学生之间的交流和协作在技术实现上有很多类似的地方。例如可以通过电了邮件、留言板、电了公告牌（BBS、聊天室、讨论组等形式来实现教师和学生的交流。

3 设计原则

首先，智能化的教学系统软件设计必须遵循其应用领域的学习需求，在常规教学系统设计的基础上，进一步增强与完善系统适应性的决策能力。尤其对于分布式的网络教学活动而言，尽管灵活多样的教学活动强调“教无定法”，但在数字化、群体化的教学时空中，交互式的学习与教学仍然有一定的统计规律可循。这些规律就是实现推理分析、进行判断决策的基础与依据。

其次，分析网络教学活动。它是建立在对学习目标、学习者特征、学习条件以及学习内容等过程与环节综合分析的基础上的。宏观上规划教学资源、制定教学计划、实施教学评价；微观上监控学习者的行为反馈，诊断当前学习状况，利用推理技术为学习者开处方。具体通过提示、警告、建议与评价的方式，针对学习进度、努力程度、学习策略等几个环节给予学习者教练式的指导与帮助。这相应要求预先对教学专家的领域知识进行建模，设计学生模型、组织学科知识与教学规则、诊断与分析学习者状态并做出适应性的教学决策。

再次，分布式的软件架构与以往单机式的系统不仅存在着技术上的差异，更关键的还是由一些非技术因素所引起的变化。单机情形下的孤岛式的教学环境是不可能获取分布式环境中如此丰富的统计信息的。考察这些条件的变化，调整与改善经典ITS中的模型设计，可以使系统的推理机制更趋合理有效，更易于实现人机协调的系统。

最后，在教学的表现方式上，适当地运用各种图形图表，能更加直观地表现事物之间的复杂关系。例如，将学习成绩、评估参数、认知进程等要素以图形的方式进行呈现，这有利于促进学习者对当前状况的全面把握，更加可以从反省认知的角度进一步促进网络学习。

4 框架设计

4.1 系统的网络拓扑结构

基于Web的智能网络教学系统网络模型结构如图1所示。该系统采用浏览器、服务器、B/S模式，不受具体操作和硬件的制约，实现跨平台应用。另外，更重要的是B/S模式降低了客户端对计算机性能的要求以及对学习者的约束，将教学系统置于远程高性能的网络服务器中，学习者通过Internet上网学习。

图1 系统网络模型结构Fig.1 System network model structure

4.2 系统的组成

智能网络教学系统主要为学生在网络上的学习提供各种支持服务，其功能强弱对学生的学习效果起关键作用，其组成结构如图2所示。

系统主要由具有自适应性的自主型学习模块、辅导答疑、教学控制模块、作业提交与批改、网上考试系统和师生交流工具等模块组成。其中教学控制模块是智能教学系统的核心，它的作用是根据学生的学习和测试情况，用来推导教学进度和教学策略的，是整个系统智能化的关键。系统工作流程图如图3所示。

图2 智能网络教学系统的组成Fig.2 Intelligent network teaching system of component

图3 系统工作原理图Fig.3 System work principle diagram

4.3 系统的B/S模式

智能教学系统的目的是要实现无地域、无时间限制自主学习，所以设计的系统必须基于WEB形式，采用B/S模式如图4所示，用户使用浏览器进行学习和测试。

图4 系统的B/S模式Fig.4 B/S model of the system

4.4 系统的功能

智能教学系统关键在于能够对学习者的学习效果进行检验并能够给出相应的学习建议，从而实现学习过程的智能化，主要功能包括：

1）建立教学内容的智能知识库：根据不同的教学内容，按知识体系结构进行知识点的划分，并建立学习要素的数据库。

2）对学习过程进行评价：学习效果是学习质量的重要标志，学习过程包括在线学习、在线练习、在线测试、实践教学，收集学习过程信息，进而对学习效果进行合理评价。

3）学习指导和建议：根据学习情况给出学习效果评价，然后根据学习效果给出学习指导和学习建议，从而使学习过程具有更强的针对性，以达到提高学习质量的目的。

4）学习导航：及时收集学生的应答信息，并加以分析处理，评判学生的成绩；为不同的学生选择不同的教学内容，将学生不具备学习条件的知识过滤掉；帮助学生分析错误原因，判断并标志出学生当前最需要学习的知识点；提供针对性的个别辅导和适当的补习材料。

5）允许学生用自然语言与计算机导师进行交流。

6）为学生创造交互协作学习的环境。

5 结束语

该网络教学智能平台的设计，突破了教学在时间和空间上的限制性，实现教师“教”与学生“学”的实时互动性和协作性、教育资源的共享性，充分体现了网络教学的互动、开放、智能、自适应的特点。

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