高中物理教学论文 物理智能积件系统 11页

物理智能积件系统 ‎ 摘 要：积件突破了课件的局限性，是新一代的教学软件。本文详细介绍了基于中学物理知识网的智能积件系统的设计，重点对中学物理知识网编辑子系统、积件资源编辑子系统、积件搜索子系统、积件组合子系统和自学导航子系统进行了设计。该系统可以提高物理积件资源搜索的查全率和查准率，解决学生自学时面对浩瀚积件资源的迷航问题。‎ 关键词：智能积件系统、物理知识网、积件资源 ‎1　系统设计目标 物理智能积件系统是一个服务于广大师生的课件制作平台和自学导航平台，利用它可以实现积件资源共享，教师从而可以轻松地构建不同教材、不同教学模式、不同教学思想和不同进度的教学软件，解决当前计算机辅助教学中教学软件不足的难题；学生在使用丰富的多媒体资源进行课前预习和课后复习，解决资源太多而导致迷航的问题，系统设计可分为以下具体目标：‎ ‎（1）利用中学物理知识网管理中学积件资源，利用面向对象数据库组织多媒体资源、微教学单元和虚拟积件资源。实现系统在Internet上的积件资源完全共享。‎ ‎（2）简单的课件制作平台，本系统要求尽量简单，利用鼠标进行简单的操作即能实现课件开发。系统采用所见即所得的方式为用户提供最大限度的使用方便。‎ ‎（3）合理的自学导航系统，学生学习时面对丰富的多媒体资源，不能弄清知识之间的复杂关系而常常迷航。该系统要求实现自学导航系统。‎ ‎2　系统总体设计 ‎2.1系统网络拓扑结构 系统的网络拓扑设计如图1所示，分为三个部分：客户端、本地镜像服务器和 远程中心服务器。‎ 图1 系统网络拓扑结构 远程中心服务器为了保障系统的服务质量，采用分布式的系统结构。中心服务器上存放系统的全部数据。本地镜像服务器是为校园网络的大量用户设计的，为了提高系统访问的速度，镜像服务器的定期从中心服务器同步数据并对校园网内的积件组合客户端提供高质量的服务。客户端的用户分四类：智能积件组合客户端、中学物理知识网编辑客户端、积件资源编辑客户端和学生自学客户端。各类用户有着不同的功能和权限，积件组合客户端访问本地镜像服务器的数据，但不能修改服务器数据；积件资源编辑客户端可访问中心服务器，并能把自己编辑的积件资源上传到中心服务器；中学物理知识网编辑客户端可访问中心服务器，并能对中学物理知识网进行编辑管理；学生自学客户端只能访问导航后的丰富积件资源。‎ ‎2.2总体结构 根据用户需求，系统的总体结构设计如2所示。‎ 图2 系统总体结构 上图是基于Internet的中学物理智能积件系统的总体结构图。系统可以划分为两大部分：积件组合部分和积件资源的管理部分，图中的箭头表明了数据的流动方向。‎ 积件资源的管理部分主要通过中学物理知识网编辑器和积件资源编辑器实现，经过编辑的中学物理知识节点以及各知识之间的关联构成中学物理知识网，系统设计的核心在于积件资源的管理，本文结合中学物理知识的特点，对积件资源采用面向对象的数据库存储技术，利用中学物理知识网管理教学积件资源。‎ ‎3　系统功能设计 ‎3.1中学物理知识网编辑子系统 中学物理知识网编辑子系统负责中学知识的组织。中学物理知识网编辑器提供了中学知识网络的可视化管理界面，方便了中学知识专家的操作，可以用来编辑中学知识点及其知识点之间的关系，中学物理知识网编辑器功能模块如图3。‎ 图3 中学物理知识网编辑器功能模块图 中学物理知识网编辑器主要包括概念树编辑模块、概念节点编辑模块和概念树枝编辑模块如图3所示。它们各模块的功能分别如下：‎ 概念树编辑模块功包括(1)自动生成树，在概念网初始时，根据概念树的层次、节点的要求自动生成一棵概念树的框架。(2)增加节点，自动生成一个在概念网中唯一的编号和层次号。概念编号本身没有意义，概念层次号具有一定的意义，指明了概念节点在概念网中的层次。增加节点的时候，系统自动进入节点命名状态，用户可以即可给概念命名。(3)删除节点，系统回收唯一的编号同时释放层次号。（4）移动节点，不但包括节点的拖放、剪切、复制和粘贴等操作，还包括节点的上移和下移操作。（5）合并节点，只需要删除被合并节点，保留合并节点就行了。‎ 概念节点编辑模块功能：对概念节点从的属性集、行为集、概念词集、描述词集和关联词集五部分分别描述。包括属性集编辑、行为集编辑、概念词集编辑、描述集编辑和关联集编辑。‎ 概念树枝编辑模块功能包括（1）增加树枝，根据要求，可以有层次地一次增加多个节点而形成概念树枝。（2）删除树枝，一次删除有层次的多个节点。(3)移动树枝，一次有层次地移动多个节点，被移动的节点间层次关系不变。‎ 利用中学物理知识网编辑器构建的部分物理知识网络如图4。‎ 图4 中学物理知识网络（部分）‎ ‎3.2积件资源编辑子系统 目前，网上的多媒体CAI软件已经很丰富了，但是获取困难。通过研究发现，CAI软件开发人员的大部分时间用在多媒体CAI素材的获取与编辑上。建立一个高效的标准多媒体CAI积件资源库，是实现积件资源重用、提高教学软件开发质量和效率的基础和关键。但是目前积件资源基本上没有任何管理，还处在原始的文件系统堆积阶段。‎ 实践表明：积件资源不同于传统数据，缺少一个统一的标准来描述和标识它的知识内涵，机器无法理解，因而不能被用户灵活检索和重用。为此，我们设计了一个基于中学物理知识网的积件资源编辑器，其框架如图5所示。‎ 图5 积件资源编辑器框架 积件资源具有复杂、庞大、时序性和冗余等特点。复杂是指多媒体素材种类繁多，既有本地的数据资源，又有网络的虚拟资源；多媒体素材信息量大，如一个演示实验的AVI视频可达几百兆字节；时序是指多媒体素材在时间和空间变化上的同步关系，如实验现象的模拟过程应与实验讲解的声音保持同步；冗余是多媒体数据的一个重要特点，如一幅扫描图像在非失真压缩后容量可能只有原来大小的百分之一甚至更小。同时，由于中学知识具有明显的层次性、网络性、关联性，中学知识之间是复杂的多维关系，不再是简单的二维关系。‎ 积件资源的特点和中学知识的特点决定了传统的关系数据模型在描述积件资源和中学知识时显得明显不足，必须采取新的更为有效的数据库模型，我们设计采用面向对象的数据库模型。‎ ‎3.3积件搜索子系统 对积件资源的搜索，不是直接从积件资源数据库中搜索，而是先从中学物理知识网络搜索，利用物理知识概念网的人工智能优势，进行非精确的智能化搜索，以保证搜索返回的结果最大程度满足用户的需求。积件资源智能搜索子系统的框架如图6所示。‎ 图6 积件资源智能搜索的框架 系统设计的积件资源搜索有两种策略，一方面通过提交的概念搜索中学知识的概念网络，找到相应的中学知识节点，根据概念节点上挂靠的积件资源，通过概念运算，把最优的积件资源和次优的积件资源提供给用户，另一方面通过对面向对象积件库的搜索，根据搜索的匹配境况，把结果返回给用户。‎ 搜索时，如果搜索的返回的结果没有或者太少，可以对提交的搜索概念进行概念扩展，利用扩展的概念进行搜索，从而搜索出更多的结果，这样可能出现返回的结果太多，导致搜索的准确率降低。积件资源搜索的流程如下图7所示。‎ 图7 积件资源搜索的流程图 根据流程图，积件资源搜索的算法如下：‎ step 1　初始搜索环境 step 2　提交搜索概念 //记为概念Ⅰ step 3　搜索中学物理知识库 if 概念匹配，返回积件资源信息 step 4　扩展搜索的概念 //记为概念Ⅱ step 5　提交扩展的概念Ⅱ step 6　搜索中学物理知识库 if 概念匹配，返回积件资源信息 step 7　提交概念Ⅰ，搜索积件资源数据库 step 8 if 概念匹配，返回积件资源信息 step 9 提交概念Ⅱ，搜索积件资源数据库 step 10 if 概念匹配，返回积件资源信息 step 11 结束搜索，提示用户 ‎3.4积件组合子系统 积件组合平台，它是智能化计算机辅助教学系统最重要的组成部分，利用此平台教师可以灵活地“组装”已有的知识点和微教学单元，生成具有自己风格的教学软件。根据积件创作的手段和开发的工具来看，要研制智能化计算机辅助教学系统中的积件组合平台，设计对原有多媒体著作工具进行二次开发，使之具有智能化计算机辅助教学系统的功能。‎ 积件组合平台的是连接多媒体教学资料库、微教学单元库、教学策略库、资料呈现方式库、虚拟积件资源库的重要纽带，也是教师和学生选取、加工教学资源信息，进行教学活动的操作平台。它们之间的关系如图8所示。‎ 图8 积件系统结构 由教学策略库和资料呈现方式库组成的虚库层，它的作用是：将许多好的教学思想、方法、策略、技巧积聚成库，以供教师和学生灵活选用。其中教学策略库从课堂ＣＡＩ教学的整体构思上，与教学法和教学风格相联系，汇集各种教学策略，如讲授法、演示法、讨论法、操练法、发现法等等；资料呈现方式库则汇集各种素材资料的各种表达、连接、呈现方式，如飞入飞出、淡入淡出、变色闪烁、热键超级链接等等。它们通过软件包外挂的方式与积件组合平台集成。‎ ‎3.5自学导航子系统 系统提供两种导航方式，利用中学物理知识树导航和知识网缩略图导航。学生自学时，可以根据中学物理知识树的层次关系根据导航提示学习，也可以从知识网络缩略图上找到某一知识节点，然后根据这一知识点的导航展开学习。‎ ‎4　数据结构设计 中学物理知识节点的基本信息表是核心表格，保存着节点的最基本的信息，如节点编号、层次编码和概念名称等。中学物理知识树和概念网的构建信息如图9所示。‎ 图9中学物理知识节点数据库表的设计 与概念节点的基本信息表密切关联的还有属性表、行为表、概念词集表、描述信息表以及概念关联表。特征词也保存在概念词集表中，有一个二进制字端来标识是否特征词。此外，设计了关联函数表，存放可用的关联函数，概念关联表中的关联函数都来自于关联函数表。‎ 中学物理知识节点基本信息，主要包括概念节点号、概念层次号、概念名、概念属性、概念行为、概念词、概念描述和概念关联的信息。‎ 积件资源基本信息主要包括积件资源号、积件资源名称、积件资源位置、积件资源类型、积件资源格式、积件资源大小、积件资源特征描述、与中学物理知识网的挂靠，其中积件资源号在资源添加时系统自动生成。积件资源位置包括本地资源位置和远程虚拟资源位置，积件资源类型包括多媒体教学资源、微教学单元资源、教学策略资源、资料呈现方式资源,其中多媒体教学资源又分为文本资源、图像资源、动画资源、音频资源、视频资源和的组合资源。‎ 积件资源格式中常见的图像文件格式有jpg、jpeg、bmp、pcx、eps、pct、tif、gig、wmf、png、pict、psd、emf、tiff等。常见的音频文件格式有mid、wav、rmi、swa、pcm、mp3等。常见的视频文件格式有avi、aif、mlv、mov、mp2、mpa、mpeg、moe、mov、mp4等。常见的动画文件格式有gif、avi、swf、mov等。‎ 教学积件资源与中学物理知识网的节点挂靠，包括挂靠的概念节点数，挂靠概念节点的编号。系统最常用的数据表是积件资源和中学物理知识网 节点的映射表，它包括两部分，一部分是积件资源到中学物理知识网节点的映射，另一部分是中学物理知识网节点到积件资源的映射。‎ ‎5　结束语 该系统对中学物理课程的积件进行实验，实验结果表明：使用中学物理智能积件系统可以充分调动教师采用计算机辅助教学的积极性，能有效降低中学教师制作多媒体课件的难度、减小教师的工作强度和提高工作效率；同时能激发学生的自学兴趣，提高学生的自学能力，能有效地防止学生在使用浩瀚资源时迷航。该系统具有一定的实用价值和推广价值。‎ 参考文献 ‎[1]黎加厚.从课件到积件.中国电化学教育,1997,3:10～14.‎ ‎[2]贾鑫,卢昱.模糊信息处理.长沙:国防科技大学出版社,1996.‎ ‎[3]邵维忠,杨芙清.面向对象的系统分析.北京:清华大学出版社,1998.‎ ‎[4]张铭，刘晓丹.数据结构和算法分析. 北京:电子工业出版社,1998.‎ ‎[5]蔡自兴,徐光佑.人工智能及其应用.北京:清华大学出版社,1996.‎ ‎[6]罗三定,黄勇.一个应用模糊方法的智能搜索引擎的构建.计算机工程.2000,12:51～54.‎ ‎[7]蔡巍,刘玉照.基于内容检索多媒体数据库的建设.中国图书馆学报,2020,3:54～58. ‎