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1、湘潭大学 硕士学位论文 ICAI中学生知识评价和教学方法的选择 姓名：颜志伟 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：谢深泉 20050501 2 摘 摘 要要 智能计算机辅助教学(ICAI)系统是以人工智能科学、认知科学 和思维科学为理论基础的一种计算机辅助教学的应用模式。它最大 限度地集中了教学专家的经验和智慧，通过计算机向学生传授各种 知识和技能，以达到教学的无人化和个别化，从而大大提高教学效 率。ICAI 的关键特征之一是适合个别化教学，即能根据学习者的实 际需要选择合适的教学内容，采取合适的教学策略实施教学。本文 主要研究 ICAI 中学生评价和教学方法的选择。 本文首先
2、分析了 ICAI 中学生评价的特点， 提出了学生知识评价 方法。该评价方法考虑到学生考试时的偶然性和对已掌握知识的遗 忘现象，将可信度理论运用于学生知识评价中。它根据知识点之间 的可疑度和可信度更新学生对领域知识点的掌握程度，进而分析出 学生在某一阶段对各类知识点的掌握情况。 其次，本文对结合模糊专家系统和模糊神经网络来选择教学方 法进行了深入探讨。模糊专家系统能根据学生特征选择合适的教学 方法，模糊神经网络能根据学生的学习效果修正模糊专家系统中不 完善的模糊规则。 最后，本文以中学数学教学方法为例，设计和实现了选择中学 数学方法的模糊专家系统和修正模糊规则的模糊神经网络，并进行 了实验。 关
3、键词： ICAI 学生评价 模糊专家系统 模糊神经网络 教学方法 3 Abstract ICAI system is a application mode of computer assisted instruction based on artificial intelligent science, recognize science and thought science.It collects to the utmost the experience and wisdom of instruction experts and improves the teaching efficienc
4、y greatly by the unmanned and individual instruction assisted by computer. One of the key characters of ICAI is its individual instruction which could select the most suitable teaching content and strategy according to the learners ability.This paper focus on the student assessment and the selection
5、 of teaching method. Firstly, we put forward the method of student knowledge assessment in which we apply the certainty theory considering the chanciness of the examination and the oblivion of mastered knowledge. It keeps updating the status of the students mastering degree of field knowledge points
6、 based on the shadiness factor and certainty factor among various knowledge points. Secondly, we make a thorough study of teaching method selection that combines the fuzzy expert system and fuzzy neural networks. Fuzzy expert system could select the suitable teaching method according to the learners
7、 character while fuzzy neural netwoks could modify the incomplete fuzzy rule in fuzzy expert system. Finally, we design a fuzzy expert system of selecting high school math teaching methods and a fuzzy neural networks of modifying fuzzy rules in fuzzy expert system. Key words: ICAI, Student assessmen
8、t, Fuzzy expert system, Fuzzy neural networks，Teaching methods 6 第一章 绪论 1.1 选题背景及意义 选题背景及意义 ICAI 的研究是从 70 年代开始的， 1970 年， 美国 BBN 公司首先 成功地研制了一个 ICAI 系统 SCHOLAR，用来教授南美地理，其特 点是允许学生用自然语言提出询问或回答问题。SCHOLAR 能理解 学生的提问并能准确地回答；该系统组织了不同水平的教材，适应 不同学生的水平。1975 年 BROWN 和 BURTON 等研制了 SOPHIE 系统用于训练学生的电子实验技能。70 年代后期，开
9、始研究比较完 善的 ICAI 的实用系统， 如美国 Stanford 大学 W.J.CLAUCEY 在 1978 年研制的 GUIDON 系统，A.Stevens 和 A.Collins 研制的 WHY 系统 等，可以说，ICAI 的研制结出了丰硕的成果。 今天，在一些发达国家，如美国、日本、加拿大、英国、法国、 澳大利亚等，CAI 已经普遍地存在于学校和家庭中，正起着越来越 巨大的作用。我国的 CAI 研究是从 80 年代开始的，少量的研究工 作主要集中在少数大学和研究机构断续进行，且多为“玩具系统” ， 经过严格评测的系统比较少。如：北京师范大学、华东师范大学、 西安交通大学、华中师范大学
10、、中科院成都计算机应用研究所等单 位进行了智能超媒体系统 IHMCAI 研究。最近几年，教育网站建设 发展很快。 特别是随着 Internet 技术的发展与普及， 国内的现代远程 教育迅猛发展，国家教育部考试中心于 1999 年开通了“全国高等教 育自学考试答疑网络” ，在远程教育方面进行了成功的探索。现代远 程教育继续扩大试点， “网络大学”近年快速发展。我国的现代远程 教育的迅猛发展，必将大力推动智能辅助教学系统的发展。 一个成熟 ICAI 系统应该具有如下主要特征1： 1、能自动生成各种问题与练习； 2、根据学生的学习水平与学习情况选择与调整学习内容和进 度； 3、在了解教学内容的基础上
11、自动解决问题，生成解答； 4、具有自然语言生成与理解能力，以便实现比较自由的教学问 7 答系统，提高人机交互的主动性； 5、对教学内容有解释咨询能力； 6、能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施； 7、能评价学生的学习行为； 8、能评价教师的教学行为。 ICAI 的关键特征之一是适合个别化教学，即能根据学习者的实 际需要选择合适的教学内容，采取合适的教学策略实施教学。选择 合适教学策略的前提是正确地得知学生特征，包括当前的知识水平 以及其它跟学生的学习息息相关的个性特征，这属于学生评价的范 畴。 ICAI 系统中主要在学生模型中对学生进行评价，这种评价是根 据学生的测试分数的高低来评价学生对知
12、识的掌握程度，没有考虑 到学生考试时的偶然性和学生对知识的遗忘现象。 教学策略的一个重要方面是教学方法的选择。在以往的 ICAI 系统中，很少有人对教学方法的选择进行研究。已有的研究20存在 以下问题：选择教学方法的策略是一成不变的，系统不能根据学生 的学习效果来动态地修正不完善的策略。 针对以上不足，本文在参考、总结前人研究成果的基础上借鉴 可信度理论提出了学生知识评价方法。然后，在知识评价的基础上， 结合模糊专家系统和模糊神经网络来选择教学方法。学生知识评价 方法能根据领域知识点之间的内在联系和学生对各知识点的测试结 果来分析学生在测试时的偶然性和学生对已经掌握了的知识的遗忘 情况。模糊专
13、家系统能为不同特点的学生选择合适的教学方法。模 糊神经网络能根据学生的学习效果修正模糊专家系统中不完善的模 糊规则。 1.2 课题研究的内容 课题研究的内容 针对当前 ICAI 系统的研究情况， 本文主要从以下几个方面进行 深入的探讨： 1、介绍 ICAI 中学生知识测试和评价的典型方法，根据知识点 之间的内部联系，基于可信度理论提出了知识点的可信度、可疑度 8 计算方法，提出了阶段性分类评价算法。 2、探讨了采用模糊专家系统来实现对教学方法的选择，并实现 了一个可行的选择中学数学教学方法的模糊专家系统。 3、将基于规则的模糊神经网络应用到 ICAI 中，构建了一个模 糊神经网络来修正选择教学
14、方法的模糊专家系统中不完善的模糊规 则。 4、通过实验，验证了结合模糊专家系统和模糊神经网络来选择 教学方法的可行性，并提出展望。 考虑到系统的复杂性，本文仅仅实现了一个选择中学数学教学 方法模糊专家系统和修正选择中学数学教学方法模糊专家系统中不 完善模糊规则的模糊神经网络。以后文中的实例说明都是指选择中 学数学教学方法模糊专家系统和修正选择中学数学教学方法模糊专 家系统中不完善模糊规则的模糊神经网络，不作特别说明。 1.3 本文的组织 本文的组织 本论文的内容组织如下： 第一章 “绪论”介绍了本文的选题背景、意义及研究内容； 第二章 “学生测试和评价”介绍了测试与评价的区别，提出了 基于可信
15、度理论的学生知识评价方法； 第三章 “教学方法选择” 介绍了教学方法的重要性，选择教 学方法的依据及常用的中学数学教学方法； 第四章 “选择教学方法的模糊专家系统”介绍了模糊专家系统 的相关理论，将模糊专家系统引入 ICAI 中来选择教学方法； 第五章 “修正不完善模糊规则的模糊神经网络”设计和实现了 一个基于规则的模糊神经网络，它能根据学生的学习效果来修正选 择教学方法模糊专家系统中不完善的模糊规则； 第六章“实验”首先实现了一个知识评价系统，然后通过实例 验证在 ICAI 中结合模糊专家系统和模糊神经网络来选择教学方法 的可行性； 第七章 “总结和展望”总结了本文的主要工作，指出了其中的
16、不足，提出了有待解决的问题。 9 第二章 学生测试和评价 学生评价是选择合适教学方法的前提，和测试紧密相连。本章 介绍了学生测试和评价的相关知识， 在此基础上提出了 ICAI 中的学 生知识评价方法。 2.1 测试与评价区别 测试与评价区别 学生评价271是对学生学习进展与行为变化的评价。它包括对 学生在知识与技能、过程与方法以及态度、情感、价值观等方面发 展状况的评价。其中对学生在掌握知识技能方面发展情况的评价是 我们历来非常关注的问题，而其他方面的评价当前正越来越受到人 们的关注。一般说来，学生评价有五种功能：了解学生的学习起点， 评价学生的学习结果，使教师了解教学的得失，诊断学生的学习困 难，激发学生学习的动机。学生评价不仅要关注学生的学业成绩， 而且要发现和发展学生多方面的潜能。 对学生进行测试与对学生进行评价是 2 个不同的概念。测试就 是用一定的题目来考试
