基于概念网络的物理多媒体辅助教学系统设计

2020-10-22张挺耸徐铭泽刘春宇

现代电子技术 2020年20期

张挺耸　徐铭泽　刘春宇

摘要：针对现有多媒体辅助教学系统兼容性差、负载能力弱、耗时长等问题，提出并设计基于概念网络的物理多媒体辅助教学系统。以逻辑层为核心构建物理多媒体辅助教学系统架构，分别设计理论知识模块、实验模块和学生练习模块。基于概念网络，将物理教学系统中大量的规则依附于概念上，形成概念网络知识体系，完成理论知识体系设计，使用图像和动画展示方式设计实验模块，基于理论知识和实验模块对学生知识建模，对比学生知识与理论知识，使用计算机对学生的知识掌握情况计分，实现学生练习并反馈练习结果，完成物理多媒体辅助教学系统设计。实验结果表明，该系统具有较好的兼容性，负载能力强，耗时低，具有实际应用价值。

关键词：多媒体辅助教学; 系统设计; 概念网络; 模块设计; 知识体系设计; 知识建模

中图分类号： TN711?34; TP391.6 文献标识码： A 文章编号： 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

在计算机网络蓬勃发展时代，多媒体辅助技术已广泛应用到教学领域中，受到各国重点关注。多媒体辅助教学是目前出现的一种新型教学模式，具有覆盖面广、无时空限制等优势，能够为教师和学生提供双向、动态的交流。同时，多媒体辅助手段在教育领域的应用，促使教学手段、教学方式以及教学结构等均发生了深刻的变化，为教育领域的发展注入了新的生机[1?2]。物理是高校理工科专业的一门必修课，是培养学生科学实验素质和实践能力的重要途径，物理多媒体辅助教學是将物理实验原理、仪器以及实验数据等通过多媒体技术模拟出来的方法，能够大大方便教师教学和学生温习，并生动、直观地展现教学内容，效果较好。由此可以看出，研究物理多媒体辅助教学具有一定的实际意义，能够切实改善教学效果，提升学生能力[3?4]。

李建伟等人了针对学习知识、教学评价等内容，基于学习分析设计了一种自适应教学系统，通过不断的系统测试获取了学生学习水平，针对性地给出了学习策略，但该系统的兼容性差[5];俞晓明等人提出物理学概念是构成物理学理论框架的基础，依据概念网络定义给出了物理学概念网络框架，具体介绍了物理学概念网络的构建方法，但该方法的耗时较长[6];王晓萍基于VOD设计了一种网络教学系统，采用Web框架，并使用ASP.NET技术经C#语言对软件进行设计，给出了大量双向交互资料的存储方式，完成教学系统设计，能够很好地展现教学界面，但该系统负载能力不佳[7]。

在现有研究方法的基础上，本文汲取優势，改进不足，提出并设计了基于概念网络的物理多媒体辅助教学系统，以期通过该方法获取性能更加优越的现代智能教学系统，更好地应用于物理教学中。

1 物理多媒体辅助教学系统架构设计

多媒体技术以动画、图像等技术为核心，内容涉及通信、传播、教育等诸多领域，多媒体辅助教学系统就是基于多媒体技术设计的新型教学方式[8?9]，该教学系统包括计算机主机、输入/输出设备、存储设备和逻辑层等，系统架构如图1所示。

在本文物理多媒体辅助教学系统设计中，逻辑层是系统设计核心，只有保证逻辑层中理论知识模块、实验模块、学生练习模块的顺利运行，才能有效实现教学系统设计目的。本文系统设计以量子力学中测不准关系教学为例，具体模块设计如下。

1.1 基于概念网络的理论知识模块

概念网络是对人工智能研究的一种探索，将概念作为基本节点，用于描述客观事物及事物间关联的知识表示框架体系。概念网络能够将认知、理解、推理和行为等融合为一个整体，用于指导智能系统对于预期行为的判断和处理。概念网络包含3个元素，分别为属性、行为和关系，属性为事物固有属性，行为用于区分概念网络和其他网络，关系是指概念与概念之间形成的简单或复杂的关联[10?11]。

概念网络能够产生规则推理过程，用于体现不同概念的行为，这样物理教学系统中的大量规则可依附在概念网络形成的知识体系构造框架下，不同领域内事物依据自身特点同时基于框架可以形成不同的知识体系，此知识体系构造方式更为符合人的思维模式。将概念网络应用于理论知识模块中，形成理论知识体系，如图2所示。

1.2 实验模块

量子力学的测不准关系教学中，包括电子单缝衍射、衍射影响因素及入射粒子数研究等实验，实验中对于变量如单缝宽度的设置通过滚动条完成，通过实验设置，能够将理论知识应用到实际中，清晰地展示粒子衍射条纹以及曲线分布情况，使用图像和动画展示。图像设计包括波函数、概率分布图等，动画是指有规则性地动态展示在计算机上的图像，动画的设计具有较强的真实感，可以增加教学的趣味性。实验模块设计中形成的图像和动画均通过计算机编程实现。

1.3 学生练习模块

多媒体辅助教学系统设计中，需要融入目前教育领域倡导的以学生为主体的教育思想，这是教育进步的一个标志，也是促进多媒体辅助教学开展的基础[12?13]。基于上述1.1节的理论知识和1.2节的实验模块，对学生知识进行建模，保证学生知识与理论知识、实验知识一致，将学生知识与理论知识体系进行对比，形成对比模型，如图3所示。

图3中，赋予知识领域每个属性节点数值1，同时也在学生知识模型中设置数值范围[0，1]。0表示学生对于知识完全没有掌握，1表示学生已经完全掌握该节点知识。在模型构建初始阶段，学生模型中的数值均设置为0。学生练习模块设计了多个选择题，基于上述机制完成学生练习，获取学生行为，练习结束后，计算机能够自动判断答案对错，给出学生知识掌握程度数值，反馈给学生和老师。综合上述模块分析，可以完成基于概念网络的物理多媒体辅助教学系统设计，如图4所示。

2 实验结果与分析

为测试本文系统的性能，进行实验分析，本系统运行所需要的硬件配置为内存64 GB，256色显示卡，125 MB硬盘，显示器分辨率为1 024×768像素。系统运行所需要的软件配置为Windows XP操作系统，数据访问组件MDAC2.8，运行环境使用Netframework 2.0版本。本系统设计中基于Struts框架实现，该框架采用Servlet和JSP技术完成，具有统一化数据资源功能，能够大大节约开发时间。

实验分析中，选取SQL Server数据库中的100万数据作为数据源，其中，50万数据用于系统训练，50万数据用作系统测试。选取以下实验指标进行实验验证分析：系统负载测试和系统耗时。

2.1 实验一

对于一个完整的系统来说，负载能力大小是决定系统性能的直接因素，本实验使用Web Application Stress进行系统负载测试，测试参数设置见表1。

将测试结果与文献[5]、文献[6]进行对比，结果如图5所示。

分析图5可以看出，无论并发用户数量如何变化，本文系统负载率始终低于文献[5]、文献[6]，负载率低即意味着该系统能够更长时间保持高效运行，表明本文系统具有较好负载能力，优于其他文献方法。

2.2 实验二

将本文系统与文献[5]、文献[6]系统的运行耗时进行对比，结果如图6所示。

由图6可以看出，随着测试数据量的增多，本文系统的运行耗时出现了小幅度的上升，最大耗时为15 s，文献[5]和文献[6]的曲线变化幅度较大，且耗时较多，耗时最大数值为35 s，大于本文系统。本文系统的运行耗时低，优势显著，这是因为本文使用概念网络构建理论知识模型，形成了知识表示框架，该框架结构的构建大大降低了模型构建的复杂度，节约时间。

3 结论

多媒体辅助教学系统是现代教学的一种新模式，既能帮助老师教学，又能辅助学生完成自主学习，本文设计了基于概念网络的物理多媒体辅助教学系统。重点描述了基于概念网络的理论知识模块、实验模块和学生练习模块，完成了系统设计。并通过实验验证了该系统的良好性能，具有一定的参考价值。然而，该系统设计中仍存在一定的不足，对于学生和老师之间的交互性能未进行分析，在之后的研究中，将重点针对交互性进行分析，进一步提升系统性能。

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