CAI课件工程系统方法研究
论文摘要:本文从教学论系统集成的研究角度出发，运用现代教学理论、学习理论、系统理论、控制论的方法来指导CAI课件系统工程的设计与开发。
论文关键词:CAI课件 行为理论 认识理论 教学模型 教学系统集成 开发环境
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0引言
人类学习知识过程的演进曾经历过两次革命:早在公元300年前，以孔子创立私塾和苏格拉底讲学为标志的第一次革命，它从此开创了教育的先河;以夸美纽斯创立课堂学习体系为标志的第二次革命，它将工业生产方式导入教育，创立了一对多的教学方式。前两次革命从信息传媒上讲，并没有发生根本性变革，只是教学组织形式的变化而已。近年来，随着信息技术尤其是互联网的迅猛发展，一种新的教育理念—网络远程教育逐渐兴起，这预示着第三次教育革命的到来。它无论是从教育方式、教育思想还是教育手段都将是对传统教育模式的挑战。而CAI以它的可控制性、交互性、有效性、矫正性、个别化、重复性和自适性成为第三次教育革命的灵魂。
1 CAI课件的现状及发展
计算机辅助教学(Computer AidedInstruction)简称CAI，是充分利用计算机及视音频电子采录设备组织开发教育资源，实现最优化教学目标，达到最佳教学目的的教学辅助系统。教学系统集成就是依据教学理论，运用现代信息技术把各种有益于提高教育质量的资源达到最优化配置的教学技术合成。随着计算机信息技术的发展及教学方法的变革，CAI课件的设计与开发已成为教育科学与教育技术的重要内容，代表着教育改革的新方向，并成为教育科学研究的战略性任务。
CAI在60-70年代的欧美国家已经开始普及到教学中，国际信息处理协会曾三次召开CAI课件国际会议，交流并推广各国CAI经验。到70年代末，美国教育实验服务处开始对PLATO-IV等系统效果进行全面评估，其结果表明，在计算数学等理科教学及英语教学领域可取代教师的许多劳动。目前，从国际上看，CAI课件系统的发展正沿着网络化、智能化、超媒体化方向发展。全球最大的CAI-CB-I或CBI网络开发者计划首推欧共体DELTA工程。
我国CAI起步于1980年，华东师范大学成立首家CBE研究中心，“七·五”期间，将CBE的许多课题列入国家重点科技开发项目，加大资金投入，我国的CAI课件的发展大体可以分成几个阶段:
(1)基于高级语言的CAI编程制作阶段，属零星分散实验探索时期(1980-1986年);
(2)以写作系统为CAI工具的制作阶段，并逐步推广时期(1987年一1995年);
(3)由多媒体技术和网络支持的CAI广泛应用阶段(1996年一1999年);
(4)进入专家系统和人工智能技术支持的深入发展的高级阶段(200。年以后)。自1986年以来，我国一年一度的CBE(Computer Based Education)学会分别在北京、上海、广州召开了近20次CAI经验交流会，提交近200篇学术论文。
2学习理论与CAI设计
2.1.两种学习理论
在教学理论体系中，世界教育史上最富有影响力的两种理论是:美国斯金纳的行为主义理论和美国心理学家奈塞尔的认知学习理论。
行为主义理论认为学习的起源是外界对人产生刺激，由刺激—反应使人脑发生记忆，通过刺激信号的加强实现学习这一目的，因此，只要教师有意控制行为就能控制学习结果，而计算机程序式教学正是利用了行为主义学习理论，该行为理论的学习过程用图式表示为:
认知理论认为，人类的学习过程，虽然外界的刺激非常重要，但不能解释行为的原因外部环境提供的信号刺激只有产生支配外部行为的心理，认识过程才能被编码、储存、加工和操作。因此人的认识过程不是由外界刺激直接给予的，而是外部刺激和认识主体内部心理相互作用的结果，其学习过程用图式表示为:
2.2.行为理论与CAI设计模型
依据行为理论的刺激—反应和强化刺激—强化反应—长时记忆的学习理论特点。基于此理论的CAI课件模型宜适用于记忆型知识的获取学习环境，如公理、定律、概念、定义及语言的学习等。整个教学过程系统设计应遵循教学目标确定、明确强化信息、自我测试、实时反馈、控制程式的原则。设计方法中应充分利用文本、图形、图像、动画、语言、开窗、加亮等多种变化方式来加强信号刺激，强化记忆效果，并灵活运用反复设定、逻辑测试等手段，配合训练习题来巩固学习和加强记忆成果。CAI系统设计流程模式图为:
2.3.认知理论与CAI设计模型
依据认识理论，人类的学习过程注重于S-R联系的扩展，学习就是一个对知识进行编码到储存并转向长时记忆的过程，编码就是内部心理的主观逻辑加工过程。于是，基于认识理论的CAI课件设计模型应注重将新旧知识有机联系起来，找出由低级向高级递进的内在逻辑关系，结合教学目标要求和提高个别化学习者操作能力的培养，更适用于理解型逻辑推理知识的学习。学习过程系统设计应基于确定教学目标、设定逻辑元素、明确推理方法、训练理解测试、实时连接反馈的原则。其系统设计流程模式图为:
3.CAI开发环境
CAI课件工程方法的技术实现是由开发工具来完成的。目前，CAI课件开发工具正朝着集成化开发环境方向发展，其写作语言与写作系统间的界限愈来愈模糊，主要开发技术的发展方向和趋势有以下几个方面。
3.1面向对象的设计方法
面向对象(()()一()bject-oriented)方法通过抽象和属性继承来建立实体之间的联系，具有良好的直观性和可理解性。因此，把此方法作为建立客观世界模型的软件具有良好的结构性和重用性，因而可支持课件的可扩充性。
3.2.可视化环境开发(人一机界面专家系统)
直观界面(Visual Interface)用图符集合来表示任务结构，允许用户通过操纵图符而实现其工作目标。现在出现的写作软件大多开始采用此类界面，直观界面又引发了直观程序设计(可视化程序设计)的思想，PCWindows支持下的Visual BASIC(V一BA-SIC)即属此类语言。V-BASIC之类的语言可被CAI开发者用作通用型写作语言。
3.3.超媒体写作系统
此系统旨在减少由于媒体多样性而造成的信息操作复杂性，为作者提供一致性操作，且允许用户运用超文体框架合成超信息综合环境。
3.4.ITS写作环境
ICA/ITS的应用开发有赖于适当的写作工具，ITS写作环境可看作是面向问题领域的通讯系统，其中嵌入式技术成为解决某一领域所必需的基本任务结构，使得作者可以调用其中的任务而组成适当的规划方案。
3.5.微机自动化教学开发系统
现有的大多数写作工具都是从软件工程方法出发的，很少体现教学系统集成设计思想，即使有，也不过是程序教学思想。今后的写作系统将会越来越多地嵌入某些教学系统集成设计思想，美国的MERILL教授是这一方面的倡导者，他于80年代初推出了面向CAI的教学设计理论—部件设计理论，称为第一代教学设计理论。90年代初，他又提出了第二代教学设计理论—教学事务理论，并据此开发了一个名为TransactionShellsr的教学设计专家系统。
4设计实例
在进行实际的CAI系统设计时，我们应从教学系统集成的观点出发并结合具体的学科特点，对一个特殊的对象应有针对性地对其设计一个完整的辅助环境，并总结出在该环境中应突出体现的方方面面，抽象出行为理论和认识理论所描述的对象，采取有效的知识回顾或鲜艳色彩图案的配合达到最佳的刺激效果。例如，在设计“在一个有序数列中插入一个数后还保持有序”的问题分析辅助环境中，突出两个关键问题:一是设计思路和方案，二是程序的具体实现。表现在方法论上，对于设计思路的教学，我们可以利用行为理论的观点，由于插入的重点操作是元素位置的动态移动，可以把文本、语言、图像等配合起来来描述元素对象，并用加亮、色彩对比方式描述不同状态的元素，把当前移动位置的元素用鲜亮的颜色形象表示其动态的移动过程，这样可以鲜明突出插入过程的实现，加深和强化执行过程的印象，增强理解的深度过程描述的程序实现是设计技巧和编程能力的综合运用，因此要充分利用认知理论的方法，根据第一步过程的分析而把涉及到的程序设计技巧进行统一的组织和回顾，把执行过程中的关键环节用不同的程序段描述，并结合具体的一组数据来描述程序执行过程的动态演示流程，把原有知识和最新技术相结合形成一种新的设计方法。然后把程序执行过程和k1.休数据功态变化演示进行协调统一，使学生不仅能通过接收加强的刺激信号而加深理解过程的变化，并从数据对象的不断动态变化中而潜移默化地接收了其执行的规律，从而为程序设计的思想奠定基础。另一方面，通过程序设计技巧的分析而加深巩固了原有知识，而原有知识的新式组合又提供了另一种解决问题的策略，二者在一个环境中的统一协调配合则达到双重效果，能全面地对该问题进行综合的分析和解决而达到教学目的。
5结束语
CAI课件设计是我国乃至世界都正在研究的一个热门领域，其系统方法的研究是指导CAI课件开发的基础，可以提供理论性、方法性指导。如何充分利用当代信息媒体使其能达到最优的教学效果是我们在实际设计中的具体目标。一方面要合理布局知识信息，另一方面要充分结合学科特点，设计出生动、直观的模拟环境以实现最佳的教学效果，这是CAI课件工程系统方法研究的最终目标。
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