CAI課件工程系統方法研究
論文摘要:本文從教學論系統集成的研究角度出發，運用現代教學理論、學習理論、系統理論、控制論的方法來指導CAI課件系統工程的設計與開發。
論文關鍵詞:CAI課件 行為理論 認識理論 教學模型 教學系統集成 開發環境
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0引言
人類學習知識過程的演進曾經歷過兩次革命:早在公元300年前，以孔子創立私塾和蘇格拉底講學為標志的第一次革命，它從此開創了教育的先河;以夸美紐斯創立課堂學習體系為標志的第二次革命，它將工業生產方式導入教育，創立了一對多的教學方式。前兩次革命從信息傳媒上講，并沒有發生根本性變革，只是教學組織形式的變化而已。近年來，隨著信息技術尤其是互聯網的迅猛發展，一種新的教育理念—網絡遠程教育逐漸興起，這預示著第三次教育革命的到來。它無論是從教育方式、教育思想還是教育手段都將是對傳統教育模式的挑戰。而CAI以它的可控制性、交互性、有效性、矯正性、個別化、重復性和自適性成為第三次教育革命的靈魂。
1 CAI課件的現狀及發展
計算機輔助教學(Computer AidedInstruction)簡稱CAI，是充分利用計算機及視音頻電子采錄設備組織開發教育資源，實現最優化教學目標，達到最佳教學目的的教學輔助系統。教學系統集成就是依據教學理論，運用現代信息技術把各種有益于提高教育質量的資源達到最優化配置的教學技術合成。隨著計算機信息技術的發展及教學方法的變革，CAI課件的設計與開發已成為教育科學與教育技術的重要內容，代表著教育改革的新方向，并成為教育科學研究的戰略性任務。
CAI在60-70年代的歐美國家已經開始普及到教學中，國際信息處理協會曾三次召開CAI課件國際會議，交流并推廣各國CAI經驗。到70年代末，美國教育實驗服務處開始對PLATO-IV等系統效果進行全面評估，其結果表明，在計算數學等理科教學及英語教學領域可取代教師的許多勞動。目前，從國際上看，CAI課件系統的發展正沿著網絡化、智能化、超媒體化方向發展。全球最大的CAI-CB-I或CBI網絡開發者計劃首推歐共體DELTA工程。
我國CAI起步于1980年，華東師范大學成立首家CBE研究中心，“七·五”期間，將CBE的許多課題列入國家重點科技開發項目，加大資金投入，我國的CAI課件的發展大體可以分成幾個階段:
(1)基于高級語言的CAI編程制作階段，屬零星分散實驗探索時期(1980-1986年);
(2)以寫作系統為CAI工具的制作階段，并逐步推廣時期(1987年一1995年);
(3)由多媒體技術和網絡支持的CAI廣泛應用階段(1996年一1999年);
(4)進入專家系統和人工智能技術支持的深入發展的高級階段(200。年以后)。自1986年以來，我國一年一度的CBE(Computer Based Education)學會分別在北京、上海、廣州召開了近20次CAI經驗交流會，提交近200篇學術論文。
2學習理論與CAI設計
2.1.兩種學習理論
在教學理論體系中，世界教育史上最富有影響力的兩種理論是:美國斯金納的行為主義理論和美國心理學家奈塞爾的認知學習理論。
行為主義理論認為學習的起源是外界對人產生刺激，由刺激—反應使人腦發生記憶，通過刺激信號的加強實現學習這一目的，因此，只要教師有意控制行為就能控制學習結果，而計算機程序式教學正是利用了行為主義學習理論，該行為理論的學習過程用圖式表示為:
認知理論認為，人類的學習過程，雖然外界的刺激非常重要，但不能解釋行為的原因外部環境提供的信號刺激只有產生支配外部行為的心理，認識過程才能被編碼、儲存、加工和操作。因此人的認識過程不是由外界刺激直接給予的，而是外部刺激和認識主體內部心理相互作用的結果，其學習過程用圖式表示為:
2.2.行為理論與CAI設計模型
依據行為理論的刺激—反應和強化刺激—強化反應—長時記憶的學習理論特點�；诖死碚摰腃AI課件模型宜適用于記憶型知識的獲取學習環境，如公理、定律、概念、定義及語言的學習等。整個教學過程系統設計應遵循教學目標確定、明確強化信息、自我測試、實時反饋、控制程式的原則。設計方法中應充分利用文本、圖形、圖像、動畫、語言、開窗、加亮等多種變化方式來加強信號刺激，強化記憶效果，并靈活運用反復設定、邏輯測試等手段，配合訓練習題來鞏固學習和加強記憶成果。CAI系統設計流程模式圖為:
2.3.認知理論與CAI設計模型
依據認識理論，人類的學習過程注重于S-R聯系的擴展，學習就是一個對知識進行編碼到儲存并轉向長時記憶的過程，編碼就是內部心理的主觀邏輯加工過程。于是，基于認識理論的CAI課件設計模型應注重將新舊知識有機聯系起來，找出由低級向高級遞進的內在邏輯關系，結合教學目標要求和提高個別化學習者操作能力的培養，更適用于理解型邏輯推理知識的學習。學習過程系統設計應基于確定教學目標、設定邏輯元素、明確推理方法、訓練理解測試、實時連接反饋的原則。其系統設計流程模式圖為:
3.CAI開發環境
CAI課件工程方法的技術實現是由開發工具來完成的。目前，CAI課件開發工具正朝著集成化開發環境方向發展，其寫作語言與寫作系統間的界限愈來愈模糊，主要開發技術的發展方向和趨勢有以下幾個方面。
3.1面向對象的設計方法
面向對象(()()一()bject-oriented)方法通過抽象和屬性繼承來建立實體之間的聯系，具有良好的直觀性和可理解性。因此，把此方法作為建立客觀世界模型的軟件具有良好的結構性和重用性，因而可支持課件的可擴充性。
3.2.可視化環境開發(人一機界面專家系統)
直觀界面(Visual Interface)用圖符集合來表示任務結構，允許用戶通過操縱圖符而實現其工作目標�，F在出現的寫作軟件大多開始采用此類界面，直觀界面又引發了直觀程序設計(可視化程序設計)的思想，PCWindows支持下的Visual BASIC(V一BA-SIC)即屬此類語言。V-BASIC之類的語言可被CAI開發者用作通用型寫作語言。
3.3.超媒體寫作系統
此系統旨在減少由于媒體多樣性而造成的信息操作復雜性，為作者提供一致性操作，且允許用戶運用超文體框架合成超信息綜合環境。
3.4.ITS寫作環境
ICA/ITS的應用開發有賴于適當的寫作工具，ITS寫作環境可看作是面向問題領域的通訊系統，其中嵌入式技術成為解決某一領域所必需的基本任務結構，使得作者可以調用其中的任務而組成適當的規劃方案。
3.5.微機自動化教學開發系統
現有的大多數寫作工具都是從軟件工程方法出發的，很少體現教學系統集成設計思想，即使有，也不過是程序教學思想。今后的寫作系統將會越來越多地嵌入某些教學系統集成設計思想，美國的MERILL教授是這一方面的倡導者，他于80年代初推出了面向CAI的教學設計理論—部件設計理論，稱為第一代教學設計理論。90年代初，他又提出了第二代教學設計理論—教學事務理論，并據此開發了一個名為TransactionShellsr的教學設計專家系統。
4設計實例
在進行實際的CAI系統設計時，我們應從教學系統集成的觀點出發并結合具體的學科特點，對一個特殊的對象應有針對性地對其設計一個完整的輔助環境，并總結出在該環境中應突出體現的方方面面，抽象出行為理論和認識理論所描述的對象，采取有效的知識回顧或鮮艷色彩圖案的配合達到最佳的刺激效果。例如，在設計“在一個有序數列中插入一個數后還保持有序”的問題分析輔助環境中，突出兩個關鍵問題:一是設計思路和方案，二是程序的具體實現。表現在方法論上，對于設計思路的教學，我們可以利用行為理論的觀點，由于插入的重點操作是元素位置的動態移動，可以把文本、語言、圖像等配合起來來描述元素對象，并用加亮、色彩對比方式描述不同狀態的元素，把當前移動位置的元素用鮮亮的顏色形象表示其動態的移動過程，這樣可以鮮明突出插入過程的實現，加深和強化執行過程的印象，增強理解的深度過程描述的程序實現是設計技巧和編程能力的綜合運用，因此要充分利用認知理論的方法，根據第一步過程的分析而把涉及到的程序設計技巧進行統一的組織和回顧，把執行過程中的關鍵環節用不同的程序段描述，并結合具體的一組數據來描述程序執行過程的動態演示流程，把原有知識和最新技術相結合形成一種新的設計方法。然后把程序執行過程和k1.休數據功態變化演示進行協調統一，使學生不僅能通過接收加強的刺激信號而加深理解過程的變化，并從數據對象的不斷動態變化中而潛移默化地接收了其執行的規律，從而為程序設計的思想奠定基礎。另一方面，通過程序設計技巧的分析而加深鞏固了原有知識，而原有知識的新式組合又提供了另一種解決問題的策略，二者在一個環境中的統一協調配合則達到雙重效果，能全面地對該問題進行綜合的分析和解決而達到教學目的。
5結束語
CAI課件設計是我國乃至世界都正在研究的一個熱門領域，其系統方法的研究是指導CAI課件開發的基礎，可以提供理論性、方法性指導。如何充分利用當代信息媒體使其能達到最優的教學效果是我們在實際設計中的具體目標。一方面要合理布局知識信息，另一方面要充分結合學科特點，設計出生動、直觀的模擬環境以實現最佳的教學效果，這是CAI課件工程系統方法研究的最終目標。
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