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摘 要:该系统利用多媒体、数据库和网络技术,通过E媒体课堂实现了教学环境、教学资源、教学内容、教学进度和学生信息等数据的智能化管理,对多媒体元素和课件进行了有效地集成。该系统充分考虑了教学过程中的师生行为,融入了传统教学的主要环节。系统支持教师与学生的交流、学生与学生的学习交流、作业发布与自动批改等功能。
关键词:网络技术 智能化 E媒体课堂 开放式 集成性
中图分类号:TP391.6文献标识码:A
文章编号:1673-8454(2007)11-0044-04
一、引言
计算机辅助教学(简称CAI)是教育科学与计算机技术相结合而产生的交叉学科。它用计算机技术代替或模拟教师的部分工作,传送教学信息,向学生传送知识和训练技能。CAI教学方式具有形象直观、人机交换等传统教育方式无法比拟的特点,已经逐渐成为现代化教育的主流软件。随着计算机硬件性能的提高以及各种开发工具软件的出现,目前的CAI软件正在向着多媒体方向发展,图、文、声并茂,能有效调动学生学习的积极性。
然而,CAI软件毕竟是“设计者”的教育思想和教学方法的体现,它的整体性、固定性、特定性、封闭性的特点,从另一方面影响了教师教学能力的充分发挥,主要表现在以下三个方面:一是课件整体性、固定性、特定性的特点不利于不同的地区和环境下的因材施教;二是重“教”轻“管”的通用性课件淡化了课堂的教学管理,不利于学生的全面发展;三是单一媒体下的课件已经不能适应多媒体教室、互联网和学科实验室三位一体的教学模式的需要。
究其原因,一方面是由于目前的课件开发工具对课件的“开放性”和数据的“管理”缺乏有效的技术支持;另一方面,目前的开发工具只是在课件的开发方式和演示效果上做文章,淡化了多种环境下数据管理的统一性要求。
文章基于CAI设计理论,开发了“基于web的智能化通用三维教学系统”。该系统实现了教学环境、教学资源、教学内容、教学进度和学生信息等数据的智能化管理,为一线教师提供了一种面向不同环境、开放式、可编辑、能够对课堂教学中的多类数据进行智能管理的多媒体课件开发与集成系统。对于一线教师来说,本系统可以作为一个备课工具和教学资料集成系统,同时又是一个课堂演示系统;对学生来说,该系统是一个集成化的课外学习辅导工具。
二、基本结构设计与性能分析
基于WEB的智能化通用多媒体三维教学系统是一个集课件编辑、整合、发布于一体的个性化课件开发平台。在该系统的支持下,教师可以根据教学的需要,一方面综合运用多媒体教学资源、教学策略进行教学设计和备课;另一方面,可以凭借后台知识库、试题库、学生库灵活处理教学过程中的关键数据,例如,自动生成试题库、章节表、课堂日志等;第三方面,集成系统充分考虑以学生的发展为中心的教学宗旨,在备课和上课过程中加强对学生的学习状况和学习进程的有效管理,例如,学生自动考勤、题库支持、自动提问和即时评价等。
本系统由后台数据库、多媒体网络采编工具、课件演示播放工具和E媒体电子画笔等部分构成。其结构示意图如图1所示。
1.资源的智能化管理
随着多媒体和计算机网络技术的发展,目前,众多学科都研制了一大批丰富的课件资源。基于WEB的智能化通用多媒体三维教学系统有效地实现了不同环境下,不同类型资源的集成和共享。系统将教学过程中的资源分为两大类,一类是课程数据资源,一类是学生数据资源。在因材施教的原则下,不同班级的学生或者同一班级的不同学生,其教学进度和教学方法及教学内容不会完全相同,对数据的智能化管理就是充分考虑了学生的个性化发展。特别是对一个教师可能会同时教两门不同的课程,或者一个教师教多个不同班级的情况,课程数据和学生数据的管理就显得尤其重要。这一功能的实现是在系统启动初始化过程中和启动后的目录管理模块和学生管理模块中自动实现的。
系统对数据的智能化管理,还体现在系统对不同类型数据的兼容性支持,在图3所示的资源管理目录中,单击选定的文件即可在统一环境中打开不同类型的数据。
4.基于WEB的多媒体课堂教学
该系统实现了课堂教学的三维化,教学策略的智能化,课件、平台的统一化。课堂教学的三维化是指:一是把网络建在教室、把教室建在网上。教师可以在课堂教学的任一时刻,调阅网上的教学资源;或者把没来得及在课堂上讲的内容或者课堂中新出现的教学问题发送至网络课堂上,让学生继续学习和讨论。二是把课件库搬到教室,利用多媒体技术形象的演示来代替教师空洞的语言。三是把实验室搬到了教室,学科实验的动态模拟,让学生如临其境。
教学策略智能化:智能化的教学策略是教师在课堂教学中调控教学信息流的一个重要环节。教师可以根据学生的学习状态、课堂气氛和掌握知识的情况适时调整教学策略。目前,我们在该教学系统中为教师提供了自动设定教学策略的功能,如互动教学策略、情景教学策略、兴趣教学策略等。
E媒体课堂:该系统可以把用户利用不同开发工具制作的各类教学课件统一到一个集成化平台中,方便了课件资源的共享和交流。
5.多媒体音频、视频播放和多媒体录像功能
集成化的多媒体平台支持音频和视频播放,保证了多媒体素材的集成化处理。如果系统配备了摄像设备,还可以利用摄像机对课堂教学进行实时数据采集,如图7所示。
在功能上,与国内多媒体开发系统相比, 基于WEB的智能化通用多媒体三维教学系统有如下几个特征:提出了多媒体教室、互联网和实验室等三维教学的统一性理论;做到了教学过程中各类数据管理的开放性、集成性和智能性的统一;较好地实现了把以学生为主体的教育思想贯穿于课件开发的始终;在多媒体演示课件中提供电子黑板、白板和电子笔功能等;在课件中提供屏幕演算功能;同时,在结构化数据和非结构化数据的统一管理、多媒体音频、视频播放与文本的同步处理方面也取得了一定的突破。
1.多媒体资源的集成管理和展示
该系统在技术上实现了支持“多媒体信息载体的多样性”和“多个多媒体课件的集成展示”功能,实现了各类媒体素材的同步,以及数据库、非结构化数据与文本的智能互访技术。
根据管理内容的不同,我们采取了不同的数据处理方式,对文本素材(包括章节表、教案和讲义)使用对话框方式或视图方式进行管理,且以TXT文件、RTF文档存储,实现了课件的异构,可以面向不同的平台。对于图形、图像素材的处理,是按位图或矢量图的不同分别进行管理。对于音频和视频元素,用户在编辑课件时做出相应的标记,展示时,系统可以自动调用播放器播放。
2.数据操作的智能管理
根据不同的数据类型,我们分别选用了ODBC、DAO、ADO、OLEDB等技术,较好地实现了数据库的快速访问,实现了对数据的智能提取、智能检索和智能存储等,提供了多种数据管理机制,可以方便地对数据进行管理,支持对话框、文档和视图方式对数据进行提取和展示。
该系统支持大容量存储、高速传输、人机交互、超时空交流共享等特性。其突出功能表现为动态模拟展示、课件编辑、查询、课堂教学管理、模拟操作、反馈练习、多媒体情景创设以及游戏等。
3.基于超文本链接的扩展链接与多媒体元素的开放管理
基于HTML的超文本链接实现了信息的导航和定位,基于XML的超文本链接实现了扩展链接,允许通过定义任意一组标记来满足不同内容的需求。
多媒体元素是指课件中所包含的任一文本、图形、图像、音频和视频信息,本系统支持多媒体元素的开放管理,是指用户可以根据教学需要,分离或组合课件所包含的任一元素,或者增加若干相适应的元素,更有利于个性化地因材施教。
4.课件的个性化编辑
系统设计了一个个性化的文本编辑器,该编辑器不仅具备通常文本编辑器的特性,而且能够集成多个类型的类数据,包括试题库数据、学生库数据、章节表数据、检索数据、课堂日志数据、讲义教案数据等。根据需要,用户可以灵活增加其它的数据,如主题词数据等。结构化的数据用数据库表示,半结构化和非结构化的数据用文本和其它格式(如XML格式)表示。该编辑器和图形图像浏览器、音频、视频、动画播放器一起组成一个课件发布的完整平台。
个性化的文本编辑器=“文本编辑器”+“个性化数据库访问”。通常的文本编辑器没有数据库的访问技术,无法实现文本和数据库的互访;个性化的文本编辑器使用Microsoft的ActiveX Data Objects(ADO)技术,实现了通用数据的高速访问,构建了文本与数据库之间的桥梁。
根据课件的使用方式,对已做好的课件的管理分为章节表管理、索引管理和使用方式管理等部分。章节表管理给出本课程的所有章节;索引管理可以对任一章节进行检索;使用方式管理分为“行出现式”和“整屏出现式”,行出现式模仿教师板书方式,符合教师和学生的思维方式,整屏出现式适合学生自学和教师浏览总结。
本模块的核心技术是ADO、SQL技术,以及图形图像的编码、音频、视频编码、解码技术等。
5.题库管理
第一次登录时,系统会根据用户输入的学科名称和类别建立本学科的试题库,用户对试题库的管理分两个层次:一是编辑层次,即在课件编辑和备课过程中编辑、增加、删除和修改题库中试题内容;二是在课件演示过程中,随时点击相应按钮,所选文字自动入库。这样大大增强了教师选题的灵活性,通常是在一门课程授完之后,一个完整的试题库就建成了,不仅方便了期末的考试和考查,而且更有利于本学科的课程建设。
6.课堂管理模块
本模块的核心技术是动态数据库编辑和数据采集技术。
课堂管理模块由课堂考勤、课堂日志、课堂提问和课堂分析四部分组成。本系统利用条形码技术实现考勤的自动化,不论是课堂授课还是大型讲座或报告,只需在教室或入口处放置一台条形码识别仪,报告者便可得到与会者的第一手资料。如果不方便使用条形码方式,可使用手动方式实现。课堂日志是教师根据上课时间、地点、内容和听课人数、讲课内容、提问方式和回答效果等几项内容的实时记录,在上课前启动课堂日志,下课后,把课堂日志存盘实现的。这样不仅方便了教师对学生的日常管理,而且做到了教学效果的实时反馈,加强了教师对教学过程的管理。基于试题库的课堂提问方式,可以以提问、抢答和游戏的形式对学生的学习效果进行有效的检测。课堂分析是对课堂日志综合分析后形成的课堂教学效果的综合评价。
四、结束语
随着教育技术和计算机技术的发展,基于多媒体教室、互联网和学科实验室的三位一体的教学模式已逐渐形成规模,学生的学习方式已经从多媒体教室、图书馆扩展到无限的网络空间。在教学过程中,教师要努力适应这一正在发生着巨变的教学模式,除了加强学习和提高自身素质之外,还必须有一套适应这一变化的备课、上课的工具。从多媒体开发角度分析,基于web的智能化通用多媒体教学系统把多媒体数据的集成提到了智能数据管理和智能集成领域,是一种技术跨越。从课件开发的角度来分析,基于web的智能化通用多媒体教学系统首次把学生管理做为多媒体教学中“数据管理”的一部分提出并应用其中,是多媒体课件开发工具中的新观点,它的应用必将会产生深刻的影响。从课堂教学管理的角度来分析,基于web的智能化通用多媒体三维教学系统为不同类型的课件提供了一个集成化的平台,增加了教师在课堂教学中使用多种课件资源的灵活性和适应性,提高了教师工作的效率和教育的质量。
本系统已经在笔者单位推广应用近三年,受到了师生的一致好评。该系统在2006年10月通过河南省科技厅组织的成果鉴定,“达到了国内同类研究的领先水平”。
参考文献:
[1]王爱民.智能化CAI设计理论及其应用[J].计算机工程与应用,1998(4):45-48
[2]Ristan Richardson,Quentin Stafford-Fraser,Kenneth R Wood et al. Virtual Network Computing [J]. IEEE Internet Com-puting,1998,2(1)
[3]R Rajeev,S Seshadri,P Bohannon. Improving Predictability of transaction execution tines in real-time databases [J]. Real-Times Systems,2000,19(3):283-302
[4]A Stankovic,K Ramamritham,D Niehaus et al. The spring system;Integrated Support for Complex Real-Time Systems[J]. Real-Times Systems,1999,16(2/3):223-251
[5]崔洪斌,王爱民译.J2EE Web Services 高级编程[M].北京:清华大学出版社,2005
[6]王爱民,于冬梅译.Visual Basic.NET 反射参考手册[M].北京:清华大学出版社,2003
关键词:网络技术 智能化 E媒体课堂 开放式 集成性
中图分类号:TP391.6文献标识码:A
文章编号:1673-8454(2007)11-0044-04
一、引言
计算机辅助教学(简称CAI)是教育科学与计算机技术相结合而产生的交叉学科。它用计算机技术代替或模拟教师的部分工作,传送教学信息,向学生传送知识和训练技能。CAI教学方式具有形象直观、人机交换等传统教育方式无法比拟的特点,已经逐渐成为现代化教育的主流软件。随着计算机硬件性能的提高以及各种开发工具软件的出现,目前的CAI软件正在向着多媒体方向发展,图、文、声并茂,能有效调动学生学习的积极性。
然而,CAI软件毕竟是“设计者”的教育思想和教学方法的体现,它的整体性、固定性、特定性、封闭性的特点,从另一方面影响了教师教学能力的充分发挥,主要表现在以下三个方面:一是课件整体性、固定性、特定性的特点不利于不同的地区和环境下的因材施教;二是重“教”轻“管”的通用性课件淡化了课堂的教学管理,不利于学生的全面发展;三是单一媒体下的课件已经不能适应多媒体教室、互联网和学科实验室三位一体的教学模式的需要。
究其原因,一方面是由于目前的课件开发工具对课件的“开放性”和数据的“管理”缺乏有效的技术支持;另一方面,目前的开发工具只是在课件的开发方式和演示效果上做文章,淡化了多种环境下数据管理的统一性要求。
文章基于CAI设计理论,开发了“基于web的智能化通用三维教学系统”。该系统实现了教学环境、教学资源、教学内容、教学进度和学生信息等数据的智能化管理,为一线教师提供了一种面向不同环境、开放式、可编辑、能够对课堂教学中的多类数据进行智能管理的多媒体课件开发与集成系统。对于一线教师来说,本系统可以作为一个备课工具和教学资料集成系统,同时又是一个课堂演示系统;对学生来说,该系统是一个集成化的课外学习辅导工具。
二、基本结构设计与性能分析
基于WEB的智能化通用多媒体三维教学系统是一个集课件编辑、整合、发布于一体的个性化课件开发平台。在该系统的支持下,教师可以根据教学的需要,一方面综合运用多媒体教学资源、教学策略进行教学设计和备课;另一方面,可以凭借后台知识库、试题库、学生库灵活处理教学过程中的关键数据,例如,自动生成试题库、章节表、课堂日志等;第三方面,集成系统充分考虑以学生的发展为中心的教学宗旨,在备课和上课过程中加强对学生的学习状况和学习进程的有效管理,例如,学生自动考勤、题库支持、自动提问和即时评价等。
本系统由后台数据库、多媒体网络采编工具、课件演示播放工具和E媒体电子画笔等部分构成。其结构示意图如图1所示。
1.资源的智能化管理
随着多媒体和计算机网络技术的发展,目前,众多学科都研制了一大批丰富的课件资源。基于WEB的智能化通用多媒体三维教学系统有效地实现了不同环境下,不同类型资源的集成和共享。系统将教学过程中的资源分为两大类,一类是课程数据资源,一类是学生数据资源。在因材施教的原则下,不同班级的学生或者同一班级的不同学生,其教学进度和教学方法及教学内容不会完全相同,对数据的智能化管理就是充分考虑了学生的个性化发展。特别是对一个教师可能会同时教两门不同的课程,或者一个教师教多个不同班级的情况,课程数据和学生数据的管理就显得尤其重要。这一功能的实现是在系统启动初始化过程中和启动后的目录管理模块和学生管理模块中自动实现的。
系统对数据的智能化管理,还体现在系统对不同类型数据的兼容性支持,在图3所示的资源管理目录中,单击选定的文件即可在统一环境中打开不同类型的数据。
4.基于WEB的多媒体课堂教学
该系统实现了课堂教学的三维化,教学策略的智能化,课件、平台的统一化。课堂教学的三维化是指:一是把网络建在教室、把教室建在网上。教师可以在课堂教学的任一时刻,调阅网上的教学资源;或者把没来得及在课堂上讲的内容或者课堂中新出现的教学问题发送至网络课堂上,让学生继续学习和讨论。二是把课件库搬到教室,利用多媒体技术形象的演示来代替教师空洞的语言。三是把实验室搬到了教室,学科实验的动态模拟,让学生如临其境。
教学策略智能化:智能化的教学策略是教师在课堂教学中调控教学信息流的一个重要环节。教师可以根据学生的学习状态、课堂气氛和掌握知识的情况适时调整教学策略。目前,我们在该教学系统中为教师提供了自动设定教学策略的功能,如互动教学策略、情景教学策略、兴趣教学策略等。
E媒体课堂:该系统可以把用户利用不同开发工具制作的各类教学课件统一到一个集成化平台中,方便了课件资源的共享和交流。
5.多媒体音频、视频播放和多媒体录像功能
集成化的多媒体平台支持音频和视频播放,保证了多媒体素材的集成化处理。如果系统配备了摄像设备,还可以利用摄像机对课堂教学进行实时数据采集,如图7所示。
在功能上,与国内多媒体开发系统相比, 基于WEB的智能化通用多媒体三维教学系统有如下几个特征:提出了多媒体教室、互联网和实验室等三维教学的统一性理论;做到了教学过程中各类数据管理的开放性、集成性和智能性的统一;较好地实现了把以学生为主体的教育思想贯穿于课件开发的始终;在多媒体演示课件中提供电子黑板、白板和电子笔功能等;在课件中提供屏幕演算功能;同时,在结构化数据和非结构化数据的统一管理、多媒体音频、视频播放与文本的同步处理方面也取得了一定的突破。
1.多媒体资源的集成管理和展示
该系统在技术上实现了支持“多媒体信息载体的多样性”和“多个多媒体课件的集成展示”功能,实现了各类媒体素材的同步,以及数据库、非结构化数据与文本的智能互访技术。
根据管理内容的不同,我们采取了不同的数据处理方式,对文本素材(包括章节表、教案和讲义)使用对话框方式或视图方式进行管理,且以TXT文件、RTF文档存储,实现了课件的异构,可以面向不同的平台。对于图形、图像素材的处理,是按位图或矢量图的不同分别进行管理。对于音频和视频元素,用户在编辑课件时做出相应的标记,展示时,系统可以自动调用播放器播放。
2.数据操作的智能管理
根据不同的数据类型,我们分别选用了ODBC、DAO、ADO、OLEDB等技术,较好地实现了数据库的快速访问,实现了对数据的智能提取、智能检索和智能存储等,提供了多种数据管理机制,可以方便地对数据进行管理,支持对话框、文档和视图方式对数据进行提取和展示。
该系统支持大容量存储、高速传输、人机交互、超时空交流共享等特性。其突出功能表现为动态模拟展示、课件编辑、查询、课堂教学管理、模拟操作、反馈练习、多媒体情景创设以及游戏等。
3.基于超文本链接的扩展链接与多媒体元素的开放管理
基于HTML的超文本链接实现了信息的导航和定位,基于XML的超文本链接实现了扩展链接,允许通过定义任意一组标记来满足不同内容的需求。
多媒体元素是指课件中所包含的任一文本、图形、图像、音频和视频信息,本系统支持多媒体元素的开放管理,是指用户可以根据教学需要,分离或组合课件所包含的任一元素,或者增加若干相适应的元素,更有利于个性化地因材施教。
4.课件的个性化编辑
系统设计了一个个性化的文本编辑器,该编辑器不仅具备通常文本编辑器的特性,而且能够集成多个类型的类数据,包括试题库数据、学生库数据、章节表数据、检索数据、课堂日志数据、讲义教案数据等。根据需要,用户可以灵活增加其它的数据,如主题词数据等。结构化的数据用数据库表示,半结构化和非结构化的数据用文本和其它格式(如XML格式)表示。该编辑器和图形图像浏览器、音频、视频、动画播放器一起组成一个课件发布的完整平台。
个性化的文本编辑器=“文本编辑器”+“个性化数据库访问”。通常的文本编辑器没有数据库的访问技术,无法实现文本和数据库的互访;个性化的文本编辑器使用Microsoft的ActiveX Data Objects(ADO)技术,实现了通用数据的高速访问,构建了文本与数据库之间的桥梁。
根据课件的使用方式,对已做好的课件的管理分为章节表管理、索引管理和使用方式管理等部分。章节表管理给出本课程的所有章节;索引管理可以对任一章节进行检索;使用方式管理分为“行出现式”和“整屏出现式”,行出现式模仿教师板书方式,符合教师和学生的思维方式,整屏出现式适合学生自学和教师浏览总结。
本模块的核心技术是ADO、SQL技术,以及图形图像的编码、音频、视频编码、解码技术等。
5.题库管理
第一次登录时,系统会根据用户输入的学科名称和类别建立本学科的试题库,用户对试题库的管理分两个层次:一是编辑层次,即在课件编辑和备课过程中编辑、增加、删除和修改题库中试题内容;二是在课件演示过程中,随时点击相应按钮,所选文字自动入库。这样大大增强了教师选题的灵活性,通常是在一门课程授完之后,一个完整的试题库就建成了,不仅方便了期末的考试和考查,而且更有利于本学科的课程建设。
6.课堂管理模块
本模块的核心技术是动态数据库编辑和数据采集技术。
课堂管理模块由课堂考勤、课堂日志、课堂提问和课堂分析四部分组成。本系统利用条形码技术实现考勤的自动化,不论是课堂授课还是大型讲座或报告,只需在教室或入口处放置一台条形码识别仪,报告者便可得到与会者的第一手资料。如果不方便使用条形码方式,可使用手动方式实现。课堂日志是教师根据上课时间、地点、内容和听课人数、讲课内容、提问方式和回答效果等几项内容的实时记录,在上课前启动课堂日志,下课后,把课堂日志存盘实现的。这样不仅方便了教师对学生的日常管理,而且做到了教学效果的实时反馈,加强了教师对教学过程的管理。基于试题库的课堂提问方式,可以以提问、抢答和游戏的形式对学生的学习效果进行有效的检测。课堂分析是对课堂日志综合分析后形成的课堂教学效果的综合评价。
四、结束语
随着教育技术和计算机技术的发展,基于多媒体教室、互联网和学科实验室的三位一体的教学模式已逐渐形成规模,学生的学习方式已经从多媒体教室、图书馆扩展到无限的网络空间。在教学过程中,教师要努力适应这一正在发生着巨变的教学模式,除了加强学习和提高自身素质之外,还必须有一套适应这一变化的备课、上课的工具。从多媒体开发角度分析,基于web的智能化通用多媒体教学系统把多媒体数据的集成提到了智能数据管理和智能集成领域,是一种技术跨越。从课件开发的角度来分析,基于web的智能化通用多媒体教学系统首次把学生管理做为多媒体教学中“数据管理”的一部分提出并应用其中,是多媒体课件开发工具中的新观点,它的应用必将会产生深刻的影响。从课堂教学管理的角度来分析,基于web的智能化通用多媒体三维教学系统为不同类型的课件提供了一个集成化的平台,增加了教师在课堂教学中使用多种课件资源的灵活性和适应性,提高了教师工作的效率和教育的质量。
本系统已经在笔者单位推广应用近三年,受到了师生的一致好评。该系统在2006年10月通过河南省科技厅组织的成果鉴定,“达到了国内同类研究的领先水平”。
参考文献:
[1]王爱民.智能化CAI设计理论及其应用[J].计算机工程与应用,1998(4):45-48
[2]Ristan Richardson,Quentin Stafford-Fraser,Kenneth R Wood et al. Virtual Network Computing [J]. IEEE Internet Com-puting,1998,2(1)
[3]R Rajeev,S Seshadri,P Bohannon. Improving Predictability of transaction execution tines in real-time databases [J]. Real-Times Systems,2000,19(3):283-302
[4]A Stankovic,K Ramamritham,D Niehaus et al. The spring system;Integrated Support for Complex Real-Time Systems[J]. Real-Times Systems,1999,16(2/3):223-251
[5]崔洪斌,王爱民译.J2EE Web Services 高级编程[M].北京:清华大学出版社,2005
[6]王爱民,于冬梅译.Visual Basic.NET 反射参考手册[M].北京:清华大学出版社,2003