石大现代教育技术讲义第5章 计算机辅助教学.docx

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1、第5章计算机辅助教学学习目标1. 了解计算机辅助教学的基本概念、教学模式及其特点。3 . 了解多媒体素材获取、编辑与集成的方法与工具。4 .掌握多媒体课件的开发步骤，能够开发多媒体课件。5 .能够用计算机制作概念图并将其应用于教学。6 .理解虚拟现实、人工智能等新技术应用于教育的特点与优势。5. 1概述计算机的教育应用计算机辅助教育(Computer Based Education,简称CBE)是计算机技术在教 育领域中应用的统称，它涉及教学、科研和管理等教育领域的方方面面。对于计算机在教育中的应用方式，可以从不同角度进行分类：1 .从应用功能的角度看计算机的教育应用(1)计算机辅助教学(2)

2、计算机管理教学2 .从认知工具的角度看计算机的教育应用Jonassen(1996)曾从认知工具角度出发，认为计算机在教育教学中有三个层 次的应用：(1)学习计算机(Learn about computer)(2)从计算机学习(Learn from computer)(3)用计算机学习(Learn with computer)目前，计算机辅助教育的内容和深度还在不断发展和深入。随着以计算机、 网络技术为代表的现代信息技术的发展，以及信息技术在教育领域中应用的不断 深入，现在人们对于计算机辅助教育和教育信息化、信息技术的教育应用、教育 信息技术等术语，在许多场合的使用中往往不作严格区分。5.1.

3、2多媒体课件多媒体一词译自英文Multimedia，它由multiple和media复合 而成。 多媒体技术从不同的角度有着不同的定义。一般认为，多媒体技术是指把文字、声音、图像、动画、视频等多种媒体的 信息通过计算机进行交互式综合处理的技术。即通过计算机，用多种媒体手段来 存储、传播和处理信息的技术。多媒体技术涉及计算机硬件、软件和图像处理、 信号处理、人工智能、网络和通信等等广泛的技术领域。多媒体技术的主要特点体现在它的集成性、交互性和多样性。其中交互性也 是多媒体技术与电视、电影等单向信息提供手段的主要区别。在多媒体教学中，通常将用于执行教学任务的多媒体软件称为多媒体课件(Multime

4、dia Courseware),简称课件。超文本和超媒体是多媒体课件中两个十分重要的概念。5. 2计算机辅助教学模式5. 2.1分类框架2.人工智能的教育应用随着人工智能技术的发展和教育信息化的深入，人工智能技术在教育领域的 应用正日益受到人们的重视，这里仅介绍人工智能技术在教育中较为典型的几项 应用。(1)智能计算机辅助教学智能计算机辅助教学(Intelligent Computer Assisted Instruction,简 称ICAI)是以认知科学和思维科学为理论基础，综合人工智能技术、教育心理 学等多门学科的知识对学生实施有效教育的一门新的教育技术。ICAI系统主要由图5 21所示的

5、三个基本模块组成：知识库。.学生模型模块。教师模型模块。此外，ICAI系统通常还包括一个具有自然语言处理功能的智能人机接口 (即人机界面)。(2)专家系统所谓专家系统(Expert Systems),就是在一个特定领域内，以人类专家水 平去解决该领域中困难问题的计算机软件系统。专家系统将某一领域的专家知识、 经验加以总结，形成规则，存入计算机中建立知识库，并采用合适的控制策略， 按输入的原始数据进行推理、演绎，从而作出判断和决策。一般来说，一个高性 能的专家系统应具有以下特征：启发性；透明性；灵活性。专家系统通常由六个部分组成，它们分别是：知识库(Knowledge Base)推理机(Infe

6、rence Engine )综合数据库解释模块知识获取模块人机界面(3)自然语言处理自然语言处理研 究使用计算机理解和生成自然语言的理论和技术。研究自 然语言理解的目的是提高一机交换信息的能力，使人更容易以自然的方式与计算 机进行沟通。(4)智能代理人们对于代理(Agent) 并不陌生，它实际上是一段程序，能在环境中自 主地搜集信息并合理运作，有效地完成用户给定的任务。事实上，在使用MSN Office软件时经常出现的可爱的Office助手就是一个简单的代理。一般来说，智能代理在教学中的主要应用有： 作为教师代理。 作为学生代理。 实现智能化信息服务。教学模式是在一定的教育思想指导下建立的比较

7、典型、稳定的教学程序或构 型。从不同角度可以对教学模式作不同的分类。例如，教学论学者根据教学过程 的重心偏向教和学的不同方面，将教学模式分为：问答模式、授课模式、自学模 式、合作模式、研究模式等五种。计算机辅助教学的模式也称信息化教学模式。我国学者从认识论和价值观两 个维度来考察教学模式，提出了信息化教学模式的一个分类框架（祝智庭， 1996 ）o我们知道，就认识论角度看，存在着两种较为对立的观点：客观主义与 建构主义;就价值观角度来看，也有两种较为对立的观点：个体主义与集体主义。 该分类框架将计算机辅助教学模式分为以下四大类：第I类：客观主义-个体主义（即：教师为中心-个别化）；第II类：建

8、构主义-个体主义（即：学生为中心-个别化）；第III类：建构主义-集体主义（即：学生为中心-集体化）；第IV类：客观主义-集体主义（即：教师为中心-集体化）。信息资源管理系统和网络通信系统是信息化条件下各类教学模式的共同基 础。5. 2. 2主要模式.基本模式教学模式的划分只是相对的，在具体的教学活动中，各种教学模式往往相互结合 使用。1）操练与练习操练与练习（Drill and practice）模式主要用于实现教学过程中学生练习 阶段的功能，这是多媒体教学最常用的模式。该模式并不向学生传授新知识和新 技能，只是用来巩固和熟练某些知识和技能，这些知识和技能是学生已经通过其 它途径学会了的。2

9、）个别指导个别指导型也称指导型（Tutorials）,它是由计算机扮演讲课教师的角色, 目的在于向学生传授新的知识或技能。这是能较好体现计算机个别化教学特点的 一种模式，常常用于学生自学或者补习功课。3）教学测验测验（Test）是教学过程的重要一环。因此，计算机辅助测验（Computer Based Testing,简称CBT）也是CAI或多媒体教学的一个重要组成部分。CBT的 主要内容包括自动出试卷、联机测验或自动阅卷、测验数据分析等三个方面。4）教学模拟模拟（Simulation）也称为仿真，就是用计算机来模仿真实自然现象或社会 现象。模拟是科学家们常用的一种科学研究方法，而将模拟用于教学

10、则是近十多 年以来发展起来并越来越受到人们重视的新方法。模拟在教学中的应用可以分为以下几个方面： 实验模拟。 管理模拟。 训练模拟。在教学过程中采用计算机模拟手段，其优点主要表现在： 高效、安全; 低成本； 形象逼真，容易引起学生的兴趣。S)问题解决问题解决也称问题求解(Problem Solving),它是指在教学中运用计算机作 为工具，让学生自己去解决那些与实际背景较接近的问题，其主要目的是培养学 生解决实际问题的能力。问题求解模式通常有两种实施方法： 特定的问题求解。 工具性问题求解。6)教学游戏教学游戏(Instrutional Games),就是计算机以游戏的形式呈现教学内容, 产生

11、一种带有竞争性的潜在的学习环境，从而激发学生积极参与，起到寓教于 乐的作用。1 .其他模式(1)微型世界微型世界(Microworld)是指利用计算机系统构造一种可供学习者自由探 索的学习环境。(2)案例学习案例学习(Case Studies )为学生提供来自实际案例的资料，在丰富的信 息环境中让学生以调查员的角色去搜集资料、调查案情，进行分析和决策。(与智能授导智能授导系统(Intelligent Tutoring System ；简称ITS )旨在通过学 生与计算机进行双向问答式对话，利用人工智能技术来模拟家庭教师的行为。(4)基于资源的学习基于资源的学习(Resources Based

12、Learning)就是要求学生利用各类资 源进行自学。(5)探究性学习探究性学习(Inquiry Learning)要求学生利用计算机或网络系统的信息服 务功能，从学科数据库中检索出所需的信息，通过信息收集和推理之类的活动, 得出对预设(通常由教师所给)问题的解答。（6）认知工具一般认为，计算机作为学习工具，按照它们对学习者支持作用的不同，可以 分为效能工具和认知工具两大类。乔纳森认为，数据库、电子报表、语义网络工 具、专家系统外壳、计算机化通讯工具、超媒体工具等都是认知工具。（7）计算机支持的协作学习计算机支持的协作学习（Computer-Supported Cooperative Lear

13、ning 或 Computer-Supported Collaborative Learning;简称 CSCL ）强调利用计算机 网络支持学生同伴之间的交互活动。（8）计算机支持讲授计算机支持讲授（Computer Supported Tutoring）包括计算机多媒体在课 堂教学中的多种应用。）虚拟教室虚拟教室（Virtual Classroom,简称VC）是指在计算机网络上利用多媒 体通讯技术构造的学习环境，允许身处异地的教师和学生互相听得着看得见，不 但可以利用实时通讯功能实现传统物理教室中所能进行的大多数教学活动，还能 利用异步通讯功能实现前所未有的教学活动，如异步辅导、异步讨论等。

14、除了上述模式之外，在计算机辅助教学中，情景式（Situated）学习也是 一类十分重要的模式。5. 3多媒体课件的开发课件开发步骤高质量多媒体课件的开发是一项复杂的系统工程，需要开发小组中全体人员 的通力合作，因此需要对开发过程的各个步骤和任务作出具体的规定以作为行动 的指南。由于不同的课件开发人员对开发的理解程度、文化背景，以及兴趣爱好 等方面所存在的差异，导致了各种不同的多媒体课件开发模型的出现。一般说来, 多媒体课件开发的以下几个阶段：环境分析、教学设计、脚本设计、软件编写、 评价与修改是最为基本的。1 .环境分析多媒体课件的环境分析主要包括课件目标分析、课件使用对象分析和开发成 本估算

15、等任务。在这里，教学目标不仅包括该学科领域以及教学内容的范围，而且应对教学 提出具体要求。课件使用对象分析, 即分析学习者在从事新的学习或进行练习时，其原有知 识水平或原有的心理发展水平对新的学习的适合性。该项分析通常涉及以下三个 方面： 学习者的一般特点，包括年龄、性别、文化程度、工作经历、学习动机， 以及文化背景等； 学习者对学习内容的态度以及已经具备相关的基础知识与技能；学习者使用计算机的技能。2 .教学设计教学设计是课件开发过程中最能体现教师教学经验和教师个性的部分，也是 教学思想最直接和具体的表现。该阶段的主要任务包括详细分析教学内容、划分 教学单元、选择适当的教学模式等。有关教学设

16、计的详细内容请参见本书第9章。3 .脚本设计脚本是在教学设计基础上所作出的计算机与学生交互过程方案设计的详细 报告，是下一阶段进行软件编写的直接蓝本，是课件设计与实现的重要依据。因 此，脚本设计阶段也是课件开发过程中由面向教学策略的设计到面向计算机软件 实现的过渡阶段。4 .软件编写该阶段的任务是将教学设计阶段所确定的教学策略，以及脚本设计阶段所得 出的制作脚本用某种计算机语言或多媒体软件工具加以实现。为了提高效率，应该尽量收集、利用现有的多媒体素材，根据课件内容需要 进行编辑加工。在多媒体素材采集、编辑完成后，就可以用多媒体创作（编辑） 工具进行集成。由于多媒体课件类型、应用对象的多样性，目

17、前国内外评价多媒体课件质量 的指标体系不尽相同，但是其基本内容还是比较一致的。具体内容我们将在第10 章10.4节中做详细介绍。5 . 3. 2素材采集与加工1 .多媒体素材多媒体素材是指多媒体课件中所用到的各种听觉、视觉材料。一般地，根据 素材在磁盘上存放的文件格式不同，可将素材划分为文本（Text）、声音（Sound）、 图像（Image）、动画（Movie）、视频（Video）等种类。由于文本素材的制作比较简单，下面仅对声音、图像、动画、视频等多媒体 素材的主要特点和文件格式作简单介绍。（1）声音素材声音素材的常用文件类型包括：波形声音文件MIDI文件 MPEG Layer 3 文件CD

18、 Audio文件（2）图像（图形）素材一般来说，图像格式大致可以分为两大类： 位图（Bitmap）类：以二维点阵形式来描述图像；矢量图（Vector graphic）类：它在绘制线条、矩形、圆形等等的基础 上去创建图像，矢量图像实际上是存储了表示许多单个对象的一系列指令。图像素材的常用文件类型包括：BMP格式GIF格式JPG格式（3）动画素材对于过程事实的描述只依赖于文本信息或图形图像信息是不够的，为了达到 更好地描述效果，需要利用动画素材。动画制作软件很丰富，流行的有Autodesk公司的Animator （二维动画）和 3D Studio max （三维动画）。Flash是目前最为流行的动

19、画格式，Flash文件的 扩展名为SFW。（4）视频素材视频素材的常用文件类型包括：AVI视频文件MPG视频文件DAT视频文件（4）RM和ASF视频文件2.素材的采集与编辑（1）声音的录制下面就以该程序为例介绍声音的录制方法。用麦克风录制声音文件截取正在运行的程序中的声音（2）声音文件的编辑除了录音外，应用Windows自带的录音机程序，还可以进行多种形式的 编辑：声音文件的插入。例如，对于分别进行录制的声音文件A和B ,将文 件B插入到文件A中。前景音和背景音的合成。例如，将已经录制好的课文朗读声音文件配上 口匕旦生rr 目乐日本。（3）图像的获取图像是多媒体课件中必不可少的素材。在课件制作

20、中，除了自己绘制图像外, 还可以利用屏幕捕捉软件、扫描仪等工具来获取现有的图像。（4 ）图像的编辑通过上述手段获取了数字化图像以后，通常还需要对图像进行编辑或加工。 图像编辑工具十分丰富，从功能十分强大的Photoshop软件到Windows自带的 简易画图软件都可选用。利用它们能完成基本的绘制图像功能，并具有对从外 部文件输入的图像数据进行编辑修改的能力。(5 )视频信息的采集与编辑多媒体计算机的视频采集(捕捉)系统由计算机、视频采集卡、以及外部视 频设备如录像机、摄像机等组成。视频采集卡的作用是将录像带、光盘等视频源 上的模拟视频信息转换成数字视频信息。在视频采集卡中，模数转换器负责把从

21、视频源传来的模拟视频流转换成数字视频流，音频捕捉线路所捕捉的数字音频信 息可以和数字视频信息结合在一起，通过硬件压缩芯片执行某种压缩算法，输出 的便是经过压缩的视频数据文件。也有的视频采集卡不带硬件压缩芯片，而通过 压缩软件对视频数据进行压缩。一般来说，视频采集卡提供了连续采集、单帧采集和视频图像的数字化播放 等功能。5. 3. 3素材集成及其工具多媒体素材编辑完成后，就可以根据教学设计和课件脚本的要求将它们进行 集成，最终获得一个完整的多媒体课件。多媒体素材集成工具也称多媒体创作软件，这是一种能够把文本、声音、图 像、动画、视频等素材集成为一个交互式的多媒体作品(或课件)的工具软件。 多媒体

22、创作软件按其对多媒体素材的安排与组织方式的不同，大致可以划分为基 于页面的工具、基于图标的工具、基于时间的工具等三种类型。1、基于页面的工具基于页面(Page-Based)的工具也称卡片式创作软件。这一类多媒体创作 软件，对于各种多媒体信息的管理，采用的是类似于书本的一页或一叠卡片 在组织全书的信息。2、基于图标的工具基于图标的工具也称图标式(Icon-Based )创作软件。它通过流程图将各 种图、文、声、象、动画和视频信息用形象的图标方式依次连接在流程图中，从 而形成一个完整的多媒体课件。3、基于时间的工具在基于时间(Time-Based)的多媒体创作软件中，对于各种多媒体信息的管 理是以

23、时间顺序来决定的。S.4概念图及其应用概念图(Co八ccpt也称思维图(MMd、思维工具(Mihd tool),它是是用来组织和表征知识结构的工具。换言之，概念图是语义网络的 可视化表示方法，是人们将某一领域内的知识元素按其内在关联建立起来的一种 可视化语义网络。概念图以视觉化的形式阐明了在知识领域里学习者是如何使概 念之间产生关联的，并且揭示了知识结构的细节变化。5. 4. 1基本概念概念图的特征与结构概念图将某一主题的有关概念置于圆圈(或方框)之中，然后用连线将相关 的概念和命题连接，连线上标明两个概念之间的意义关系。概念图的特征 概念(concepts )：是感知到的事物的规则属性，通常

24、用专有名词或符 号进行标记； 命题(propositions )：是对事物现象、结构和规则的陈述，在概念图 中，命题是两个概念之间通过某个连接词而形成的意义关系； 交叉连接(cross-links )：表示不同知识领域概念之间的相互关系； 层级结构(hierarchical frameworks )：是概念的展现方式，一般情况 下，是一般、最概括的概念置于概念图的最上层，从属的概念安排在下面。概念图的结构 节点：就是置于圆圈中的概念; 连线：表示两个概念之间的意义联系，连接可以没有方向，也可以单向或 双向。位于上层的概念通常可以引出好几个知识分支，不同知识领域或分支间概 念的连线就是交叉连接(

25、又称横向联系)，交叉连接常常形成方向性意义，它是 产生创造性思维的关键处； 连接词：是置于连线上的两个概念之间形成命题的联系词。如是、 包括、表示等。概念图的理论基础概念图的理论基础是Ausubel的学习理论。5. 4. 2概念图的制作概念图可以采用徒手方式绘制(例如采用粉笔、黑板、纸和笔等)，也可使 用通常的办公软件绘制(例如Office Word、WPS等)。针对概念图的特点， 人们开发出了多种专用的概念图制作工具软件，主要包括：Inspiration (http:/www. inspiration, com/ ), Mind Manager , Mind Man , Brain ,Cam

26、p , Segment Research Group , Coco Systems , Activity Map , SMART Ideas ,等等。概念图的制作没有严格的程序规范，不论采用何种方式制作概念图，一般可 以通过以下几个步骤来实现：1 .认定中心主题。2 .将列出来的概念排序。3 .将其余的概念按层级排放在列表上。4 .开始制作概念图。5 .随后将往下的二、三、四层的子概念放置在概念图上。6 .将概念用画线连上。7 .重新整理概念图的结构。8 .在不同分支的概念之间寻找有意义的横向连结，并在连线上用连结词 标明关系。9 .仔细、具体的例子可以用简图或代表符号附在概念上。10 .知识

27、或问题的表达不只是一种形式。概念图的教学意义概念图是一种教学工具 概念图是一种教学策略概念图是一种评价工具5.5新技术的教育应用551虚拟现实技术1.盘拟现实技术概述1)虚拟现实的定义与特征虚拟现实技术的主要特征在于： 交互性。 沉浸性。 想象性。根据虚拟现实的技术手段不同，可以把虚拟现实技术分为以下两大类。使用专用硬件实现的虚拟现实技术在个人计算机上实现的虚拟现实技术(2)分布式虚拟现实及其功能分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality ,简称DVR )系统是一 个基于网络的、支持多人实时进行交互的多媒体系统。每个用户在一个虚拟现实 环境中通过联网的计算机与其他用

28、户进行交互。DVR系统的教学功能包括：帮助学习者探索那些不能接触到的地点和事物，例如火星表面的探索；向学习者呈现那些难于观察和测量的事物，例如观察某个分子结构；为学习者再现那些已经不复存在的事物，例如再现冰河期的地球； 为地处远程的学习者提供合作学习和讨论的环境；将抽象的、深奥的学习内容具体化、形象化。2.虚拟现实技术的教学应用(1 )全景环视技术及其应用(2) VRML技术及其应用VRML文档及其显示VRML应用实例：网上虚拟美术馆5. 2人工智能技术1 .人工智能概述人工智能(Artificial Intelligence ,简称AI )是一门研究运用计算 机模拟和延伸人脑功能的综合性学科。换言之，它研究如何用计算机模仿人脑所 从事的推理、证明、识别、理解、设计、学习、思考、规划以及问题求解等思维 活动，来解决需要人类专家才能处理的复杂问题。例如，咨询、诊断、预测、 规划等决策性问题。人工智能也是一门涉及数学、计算机科学、控制论、信息学、 心理学、哲学等学科的交叉和边缘学科。与一般的信息处理技术相比，人工智 能技术在求解策略和处理手段上都有其独特的风格。