基于Ｃ／Ｓ的ＩＣＡＩ系統的設計與實現

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

關鍵詞： CS CAI ICAI 課件

1 引言

傳統的CAI課件系統是在單機上將全部教學內容以編程的方式預置于課件中，學生學習時，教學過程按課件規定的路徑和內容展開。由于缺乏必要的通信手段和智能特性，無法實現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。隨著計算機網絡技術的日臻成熟，人工智能在專家系統領域取得的成功，它們為CAI的發展提供了新的空間。這種利用人工智能的原理和技術產生的CAI系統通常稱為智能CAI系統，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 根據學生的學習水平與學習情況選擇與調整學習的內容和進度；

③ 在了解教學內容的基礎上自動解決問題，生成解答；

④ 具有自然語言生成與理解能力，以便實現比較自由的教學問答系統以提高人機交互的主動性；

⑤ 對教學內容有解釋咨詢能力；

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系統是完美的，但實現是困難的。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 實現技術

3.1 C/S的實現

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

3.2 認知模型的建立

ICAI強調要按學生不同的認知模型為其準備不同的教學內容，用以實現個別化教學與啟發式教學。受認知心理學與教育學發展的制約，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，同一內容的教案也按高、中、低三中難度組織，分別提供給具有相應認知能力的同學學習使用。學生在學習完每節的教學內容后，系統將要求他回答一定數量的相關問題，并根據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

我們借鑒專家系統的設計方法，實現ICAI課件系統中的智能功能。在該系統中組織了相應的規則庫、事實庫（學習歷史紀錄庫）和推理實現機制，如圖1所示。下面對推理實現機制做簡要的介紹。

規則庫由冊、章、節、超文本教案地址、閥值及多個前提組成，反映對該節的學習應滿足的前提條件。學習歷史庫由冊、章、節、認知等級、已學次數組成，反映學生對該節的認知能力。規則庫的內容由教師負責修改。學生的學習歷史紀錄，在庫中按每個人一張表組織，其內容在每次學習之后，由學生客戶端軟件依據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則庫提供的規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教學內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，并將這個結果保存在學生學習歷史紀錄庫中。學生下一次使用該系統進行學習時，該系統會按其不同的認知能力，為他準備相應難度的教學內容。不難看出，這種對認知能力的衡量是動態的。若學生不想按系統默認的進度學，則要求學生自行選擇學習內容。若所選內容已經學過，則根據其當時所獲得的等級為他準備學習內容；否則將視規則庫及學習歷史紀錄中的內容判斷其是否可學而定。例如：規則庫中限定在學習第一章第一節之前不能學習第一章第二節，某生試圖越過第一章第一節學習第一章第二節時，系統會給出警告。為了使學生能在系統的控制下學習，無論是高、中、低難度的教案均是一節一個超文本文件，其中不含有鏈。

3.3.1 閥值的給定

當學生完成對某一節的內容學習之后，回答系統提問所得的分數小于該節所具有的閥值時，系統并不會將該節標志為已學。所以該生下次登錄時，系統將強制他對該節的內容進行重新學習。通常，那些在本學科中具有特殊重要地位的章節具有較高的閥值。下面給出評價某一節在本門課中的重要程度的方法：

Important（N）=IN（N）+OUT（N）

Important（N）——第N節（將全書中的節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，其余節知識中對第N節的知識有影響的個數之和；OUT（N）——本課程中，第N節知識影響其余節知識的個數之和。當對本課程中所有的Important（N）計算完成后，即可據此給出某一節的閥值。閥值Valve（N）以百份數形式表示，小于1且與Important（N）成正比。

設Right（N）表示某生在學習完第N節的知識后回答系統所提問題的準確率。變量Ruler=1-Valve(N)。給定認知模型的修改規則如下：

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 系統的安全技術

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登記。當驗證該生是系統的合法用戶后，將到學生資料庫中讀取相應的資料，送給ICAI的分析模塊用以構建該生的認知模型，作為教學的依據。如不是系統的合法用戶，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時構建認知模型的依據。

用戶初次登錄時，口令即為用戶名，登錄成功后系統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

我們根據上述思想建立了一個基于C/S模式，用于計算機文化基礎教學的ICAI試驗系統。該系統的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“知識庫與規則庫”（含問題庫、試題庫、規則庫、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中文企業版作為開發平臺。

它的主要特點是具有智能性，技術先進、結構清晰、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容采用先進的超媒體組織結構，利用WWW上處理圖、文、聲、像等多媒體數據的能力和優勢，并配有鼠標選中區域高亮、背景聲效等多種形式化的表現方式，使設計出的系統以生動、靈活、逼真的方式吸引學生學習《計算機文化基礎》，充分調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，協作教學，故該系統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.基于超文本結構的智能計算機輔助教學系統.計算機研究與發展，Vol.35，No.5 May.1998.

［3］楊斌.ICAI技術的應用及發展前景.科技情報開發與經濟，2004，08.