初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王春暉，鐘永江，張語函

(東北師范大學(xué) 理想信息技術(shù)研究院，吉林 長春 130117)

初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王春暉，鐘永江，張語函

(東北師范大學(xué) 理想信息技術(shù)研究院，吉林 長春 130117)

該文認(rèn)為，當(dāng)前智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)研究大多停留在算法層面，而并無實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用研究，其根本原因是沒有從學(xué)科入手，對(duì)學(xué)科內(nèi)容研究不透。文章通過分析學(xué)生課下運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)初中物理知識(shí)時(shí)存在的問題，以及現(xiàn)階段初中物理學(xué)科網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)存在的不足之處，提出了初中物理知識(shí)點(diǎn)難度等級(jí)分類模型，以及分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，以測試的形式診斷學(xué)生學(xué)習(xí)水平，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行記錄，并推送個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案，以此來實(shí)現(xiàn)智能學(xué)習(xí)。

初中物理；學(xué)習(xí)系統(tǒng)；學(xué)科本體；智能診斷

一、研究問題

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的初中學(xué)生在利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物理學(xué)科自主學(xué)習(xí)時(shí)，所應(yīng)用的學(xué)習(xí)資源大部分都是一些可視化的多媒體教育資源。當(dāng)學(xué)生對(duì)自我學(xué)習(xí)水平不夠了解時(shí)，非常容易產(chǎn)生資源迷航現(xiàn)象。

當(dāng)代建構(gòu)主義者認(rèn)為學(xué)習(xí)并不是一個(gè)簡單教師和學(xué)生之間的知識(shí)傳遞，而是由學(xué)生自己完成新知識(shí)的建構(gòu)的過程。學(xué)生不是簡單被動(dòng)地接受信息，而是主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)的意義。學(xué)習(xí)過程包括兩方面的內(nèi)容：一是對(duì)新知識(shí)的意義建構(gòu)，另一方面是對(duì)原來的認(rèn)知結(jié)構(gòu)或者經(jīng)驗(yàn)的重新組合[1]。因此，為了使學(xué)生達(dá)到有意義的知識(shí)建構(gòu)，對(duì)學(xué)生原有的知識(shí)掌握情況的診斷是十分有必要的。

綜上所述，本研究提出了關(guān)于初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，意在通過對(duì)學(xué)生知識(shí)情況的診斷，為其提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源?；跍厮诡D教授對(duì)人工智能的定義，本文所提到的智能診斷是計(jì)算機(jī)通過模擬教師、專家對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)、評(píng)價(jià)來實(shí)現(xiàn)的，屬于人工智能的技術(shù)范疇[2]。

二、初中物理學(xué)習(xí)平臺(tái)存在的問題

國內(nèi)外很多大學(xué)和公司都致力于學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，例如被上千所大學(xué)和教育機(jī)構(gòu)使用的由美國畢博公司開發(fā)的Blackboard網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，由加拿大British Columbia計(jì)算機(jī)科學(xué)系為高校開發(fā)的異步課程傳遞及管理系統(tǒng)WebCT，這些學(xué)習(xí)平臺(tái)為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、師生之間的交流、學(xué)生之間的合作學(xué)習(xí)等提供了很好的幫助[3][4]。但是也存在一些問題，通過對(duì)這些學(xué)習(xí)平臺(tái)的調(diào)查、對(duì)比、分析后，結(jié)合初中物理的學(xué)科特性總結(jié)出以下幾點(diǎn)問題：

(1)要求學(xué)生有一定的主動(dòng)性。很多的學(xué)習(xí)平臺(tái)為學(xué)生提供了教師幫助服務(wù)，但很多的學(xué)生都是在遇到學(xué)習(xí)困難時(shí)才會(huì)主動(dòng)去尋求幫助，對(duì)于在學(xué)習(xí)方面存在惰性的學(xué)生來說，這一功能形同虛設(shè)。雖然大部分學(xué)習(xí)平臺(tái)能夠測試評(píng)價(jià)學(xué)生知識(shí)掌握情況，但是也要求學(xué)生去主動(dòng)完成自我檢測評(píng)價(jià)。

(2)為不同的學(xué)生提供了相同的學(xué)習(xí)資源。很多的平臺(tái)為所有學(xué)生提供相同的學(xué)習(xí)資源，對(duì)于存在不同學(xué)習(xí)問題的學(xué)生來說，這些學(xué)習(xí)資源并沒有起到很好的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)效果。

(3)平臺(tái)的設(shè)計(jì)大部分是從功能的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能與算法結(jié)合的設(shè)計(jì)研究較少。

(4)大部分平臺(tái)中的知識(shí)結(jié)構(gòu)來源于教材，這對(duì)于運(yùn)用不同版本教材的學(xué)生來說，不便于對(duì)同一類知識(shí)內(nèi)容之間的關(guān)系進(jìn)行架構(gòu)。

針對(duì)以上問題，結(jié)合國內(nèi)的應(yīng)試教育體制，在本文的設(shè)計(jì)中要求每個(gè)學(xué)習(xí)者都必須完成每一次的物理學(xué)習(xí)檢測環(huán)節(jié)，針對(duì)學(xué)習(xí)情況的診斷結(jié)果，為其提供學(xué)習(xí)方案，學(xué)習(xí)方案是由不同的學(xué)習(xí)資源按照一定的邏輯順序而進(jìn)行的組合，因此可以說為每個(gè)學(xué)生所提供的初中物理學(xué)科學(xué)習(xí)資源是不同的。

三、初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)特征分析

綜上所述，筆者提出關(guān)于初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于對(duì)初中物理學(xué)習(xí)平臺(tái)存在的問題分析，本研究所設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾方面的功能：(1)根據(jù)學(xué)生的測試結(jié)果智能診斷學(xué)生的知識(shí)水平與學(xué)習(xí)情況；(2)自動(dòng)生成各種問題與練習(xí)題；(3)根據(jù)學(xué)生的水平與學(xué)習(xí)情況匹配相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源；(4)能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行一個(gè)長期的跟蹤。

(二)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]

根據(jù)設(shè)想的系統(tǒng)所具有的功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的主要功能是診斷、為學(xué)生提供學(xué)習(xí)方案，所以診斷系統(tǒng)和導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)是必不可少的核心系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要有由部分組成：登錄系統(tǒng)、導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、學(xué)習(xí)追蹤系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

其中導(dǎo)學(xué)子系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)方案是系統(tǒng)根據(jù)診斷系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果，為學(xué)生提供的個(gè)性化的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)；診斷子系統(tǒng)包括測試和評(píng)價(jià)兩部分，測試是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的一個(gè)檢測，評(píng)價(jià)是對(duì)測試結(jié)果的分析，作為系統(tǒng)為學(xué)生組織學(xué)習(xí)內(nèi)容的主要依據(jù)；學(xué)習(xí)追蹤子系統(tǒng)中的追蹤是指，對(duì)每個(gè)登錄系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者的每次學(xué)習(xí)情況的長期記錄，其數(shù)據(jù)來源于診斷系統(tǒng)中對(duì)學(xué)生前、后測試的對(duì)比數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的長期追蹤實(shí)質(zhì)上也是對(duì)系統(tǒng)有效性的評(píng)價(jià)。

(三)學(xué)習(xí)流程設(shè)計(jì)

學(xué)生注冊(cè)、登錄系統(tǒng)之后，系統(tǒng)為其呈現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)，供其選擇所需要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容；根據(jù)學(xué)生的選擇，系統(tǒng)為其組織前測試題，目的是檢測學(xué)生知識(shí)內(nèi)容的掌握水平。根據(jù)前測結(jié)果，系統(tǒng)確定學(xué)生需要重新學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容；學(xué)習(xí)結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)檢測學(xué)生學(xué)習(xí)是否達(dá)到所需的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)系統(tǒng)對(duì)后測測試結(jié)果分析之后確定學(xué)生是否繼續(xù)學(xué)習(xí)。學(xué)生學(xué)習(xí)的流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 學(xué)習(xí)流程圖

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)

下面在對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要包括學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)庫模型、學(xué)習(xí)者模型、診斷機(jī)制、導(dǎo)學(xué)機(jī)制的設(shè)計(jì)。

(一)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)庫建模

在對(duì)初中物理課程內(nèi)容分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》中的教學(xué)目標(biāo)制定每一個(gè)知識(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)目標(biāo)；以考察學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、解題方法掌握情況和學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)標(biāo)程度來匹配試題資源；對(duì)課程知識(shí)內(nèi)容的講解和試題的解題指導(dǎo)構(gòu)成了學(xué)習(xí)資源。初中物理學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)庫模型內(nèi)容如圖3所示。

圖3 學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)庫模型

領(lǐng)域知識(shí)庫模型包括課程知識(shí)內(nèi)容的分析、學(xué)習(xí)目標(biāo)的確定、試題和學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)。

1.課程知識(shí)內(nèi)容的分析

把初中階段所有的物理知識(shí)內(nèi)容按照課標(biāo)要求分為若干知識(shí)塊，每一個(gè)知識(shí)塊又會(huì)有很多的小的知識(shí)點(diǎn)，例如，“質(zhì)量”這一知識(shí)點(diǎn)包括質(zhì)量的定義、單位，測量質(zhì)量的方法、工具等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。在本研究中對(duì)知識(shí)塊的分析包括類型題、學(xué)習(xí)診斷、知識(shí)學(xué)習(xí)三個(gè)方面，如圖4所示。圖4中L是英文單詞level的首字母，意思為類別。

圖4 知識(shí)塊分析

在圖4中，類型題是中考題，對(duì)中考題根據(jù)所考察的具體知識(shí)點(diǎn)分為不同的類別，每一類別的題目的解題指導(dǎo)包括對(duì)知識(shí)點(diǎn)的回顧和解題方法；學(xué)習(xí)診斷是運(yùn)用初中物理領(lǐng)域知識(shí)庫中的試題進(jìn)行測試，結(jié)合診斷機(jī)制對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握情況進(jìn)行診斷，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)學(xué)機(jī)制為學(xué)生推送合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容；知識(shí)塊中包含具體的知識(shí)點(diǎn)講解，及配套練習(xí)。

2.學(xué)習(xí)目標(biāo)的確定

首先，參照初中物理的新課程標(biāo)準(zhǔn)中目標(biāo)的要求，根據(jù)具體的知識(shí)內(nèi)容的三維學(xué)習(xí)目標(biāo)要求來初步確定學(xué)生所要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)，這一目標(biāo)在本研究中作為診斷學(xué)生學(xué)習(xí)情況的重要的標(biāo)準(zhǔn)；然后，根據(jù)學(xué)生的診斷結(jié)果對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重新考量，結(jié)合學(xué)生個(gè)人的學(xué)習(xí)情況及考量結(jié)果重新對(duì)目標(biāo)進(jìn)行微調(diào)后定位。

本文研究的初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)旨在為學(xué)習(xí)者提供更加個(gè)性化的學(xué)習(xí)服務(wù)，盡可能滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。因此，對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)的確定是一個(gè)不斷循環(huán)修正的過程，在這一過程中系統(tǒng)的分析學(xué)習(xí)者的知識(shí)水平，學(xué)習(xí)風(fēng)格等學(xué)習(xí)特征，以便結(jié)合診斷結(jié)果，更好的為學(xué)習(xí)者推送個(gè)性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3.試題的設(shè)計(jì)

對(duì)試題的設(shè)計(jì)主要包括類型、難度和解題指導(dǎo)的設(shè)計(jì)。試題是作為判斷學(xué)生課程內(nèi)容掌握情況的重要內(nèi)容，測試題目會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)學(xué)生知識(shí)水平評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也是重要的學(xué)習(xí)資源。

試題的類型是根據(jù)對(duì)初中物理的學(xué)科本體分析，結(jié)合各地中考習(xí)題進(jìn)行歸納，劃分為：選擇、填空題、判斷題、實(shí)驗(yàn)探究題、作圖題、計(jì)算題這6種題型。

試題的層次是根據(jù)所考察的具體知識(shí)點(diǎn)來劃分的，而學(xué)習(xí)目標(biāo)是衡量知識(shí)點(diǎn)難易程度的重要參數(shù)。把每一知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的所有試題按照難易程度分為三層：d1、d2、d3，在本研究中，題庫中的所有題目的難度等級(jí)的比例設(shè)置采取了中考試題中7：2：1的比例，即d1：d2：d3=7：2：1。

解題指導(dǎo)是對(duì)解題方法和技巧的輔導(dǎo)。在本文中，解題的指導(dǎo)包括題目所考察的知識(shí)點(diǎn)的分析、解題思路的分析以及解題方法的指導(dǎo)。對(duì)于難度較高的題目，所考察的知識(shí)點(diǎn)可能有多個(gè)，所以在解題指導(dǎo)中，還要基于題目建立有關(guān)知識(shí)點(diǎn)之間的鏈接。

4.學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)

在本文中，學(xué)習(xí)資源是對(duì)課程知識(shí)的講解和題庫中試題的解題指導(dǎo)的集合。在對(duì)各部分知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行講解的同時(shí)，會(huì)總結(jié)學(xué)習(xí)該部分知識(shí)內(nèi)容所慣用的學(xué)習(xí)方法。對(duì)試題的指導(dǎo)主要是引領(lǐng)學(xué)生掌握物理解題步驟及慣用的解題方法。

學(xué)習(xí)資源是以知識(shí)點(diǎn)為單位進(jìn)行劃分，其中對(duì)同一知識(shí)點(diǎn)中的學(xué)習(xí)資源又進(jìn)行難易程度的劃分，結(jié)合診斷機(jī)制的診斷結(jié)果，及個(gè)人的學(xué)習(xí)目標(biāo)由導(dǎo)學(xué)機(jī)制將個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源推送給學(xué)習(xí)者。

(二)學(xué)習(xí)者建模

不同學(xué)習(xí)者之間存在不同方面的個(gè)體差異，為了能夠及時(shí)地、自動(dòng)地為學(xué)習(xí)者提供適合其自身學(xué)習(xí)特征的學(xué)習(xí)資源，要對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行建模。在智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)W習(xí)者建模主要關(guān)系到學(xué)習(xí)者在某一領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)水平、學(xué)習(xí)內(nèi)容、情感狀態(tài)等，比較典型的學(xué)習(xí)者模型有知識(shí)覆蓋型學(xué)習(xí)模型、鉛板模型、基于約束的學(xué)習(xí)模型和貝葉斯學(xué)生模型[6]。這些模型都屬于范式模型，沒有與具體學(xué)科特點(diǎn)相結(jié)合。

為解決學(xué)生具體學(xué)科知識(shí)缺陷問題，本文中的學(xué)習(xí)者建模主要包括四部分的內(nèi)容：學(xué)習(xí)者個(gè)人信息、學(xué)習(xí)者的知識(shí)結(jié)構(gòu)樹、對(duì)學(xué)習(xí)者的測試情況和學(xué)習(xí)過程的記錄。對(duì)學(xué)習(xí)者模型的設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 學(xué)習(xí)者模型

個(gè)人信息中記錄著學(xué)習(xí)者的基本信息及學(xué)習(xí)態(tài)度，方便系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行調(diào)整監(jiān)控，結(jié)合導(dǎo)學(xué)機(jī)制有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，保持對(duì)初中物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。

知識(shí)結(jié)構(gòu)樹根據(jù)對(duì)初中物理學(xué)科本體知識(shí)內(nèi)容的分類和學(xué)習(xí)目標(biāo)的分析，為每位學(xué)習(xí)者構(gòu)建相同的知識(shí)學(xué)習(xí)樹。對(duì)學(xué)習(xí)者每一次的知識(shí)點(diǎn)過關(guān)情況都會(huì)在知識(shí)結(jié)構(gòu)樹中以不同的顏色做以標(biāo)識(shí)，雖然所有學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)樹在邏輯結(jié)構(gòu)上都是一樣的，但是所傳達(dá)的學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況的基本信息是不同的。

測試情況包括前測和后測兩次測試結(jié)果的記錄，每一次的測試結(jié)果以表格的形式表示出來，對(duì)兩次測試結(jié)果的分析意在讓學(xué)生對(duì)自我學(xué)習(xí)水平有一個(gè)大致的了解。

學(xué)習(xí)記錄為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的記錄，系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供的學(xué)習(xí)方案，意在讓學(xué)生掌握主要的物理學(xué)習(xí)方法，通過學(xué)習(xí)記錄能有效地了解學(xué)習(xí)者知識(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況，及通過應(yīng)用本系統(tǒng)輔導(dǎo)后學(xué)習(xí)者的物理學(xué)習(xí)方法掌握情況。

由于初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境下運(yùn)行的，所以系統(tǒng)主要采用了系統(tǒng)日志的方式來記錄學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中的各種數(shù)據(jù)。故對(duì)學(xué)習(xí)者建模不僅可以幫助學(xué)習(xí)者對(duì)自我學(xué)習(xí)情況有一個(gè)了解，而且為教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況提供了有關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以為研究者對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)影響因素之間的關(guān)系的研究提供有用的數(shù)據(jù)。

(三)診斷機(jī)制

診斷的標(biāo)準(zhǔn)是學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況和及解題方法的掌握情況，以測試作為診斷的手段，測試分為前測和后測。當(dāng)學(xué)生選擇所要學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容之后，系統(tǒng)會(huì)以測試的形式來確定學(xué)生的能力水平，以此來為其提供相應(yīng)的試題，在測試開始時(shí)要確定學(xué)生的模糊達(dá)標(biāo)情況。本章將以質(zhì)量這一知識(shí)點(diǎn)為例，對(duì)系統(tǒng)智能診斷過程做以簡要演示。首先，簡要分析一下質(zhì)量這一節(jié)的學(xué)科本體，具體知識(shí)模塊的層級(jí)劃分如表1所示：

表1

1.確定模糊達(dá)標(biāo)程度

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)會(huì)圍繞學(xué)生所選擇的知識(shí)點(diǎn)組織一組d2層的試題作為初試。試題數(shù)為L(一般不超過20道)，答對(duì)的試題的數(shù)目為m，對(duì)類型題Ln所對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)的模糊達(dá)標(biāo)程度值θLn可以用下式求得：

對(duì)于包含若干類型題的知識(shí)塊的模糊達(dá)標(biāo)程度值θ用下式求得：

根據(jù)被試者的模糊達(dá)標(biāo)程度θ值，來確定學(xué)生關(guān)于某一知識(shí)塊的能力水平，θ值高不代表學(xué)生不需要學(xué)習(xí)，系統(tǒng)以每一類的類型題的達(dá)標(biāo)值θLn的大小來確定學(xué)生的前測試題的選題。

以質(zhì)量這一知識(shí)點(diǎn)為例，選取d2層中每個(gè)知識(shí)內(nèi)容下的類型題共12道，其中L1層題目數(shù)為6，L2層題目數(shù)為4，L3層題目數(shù)為2；假設(shè)A生答對(duì)的試題數(shù)為8，其中L1層為5，L2層為2，L3層為1，運(yùn)用公式2結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位，得θL12=1.6。

2.前測

(1)確定前測試題

根據(jù)模糊達(dá)標(biāo)程度值的大小，系統(tǒng)為學(xué)生選擇前測試題。對(duì)于θLn值較低的同學(xué)，系統(tǒng)所組織的試題中d1層的題目數(shù)量居多；θLn值較高的同學(xué)，系統(tǒng)所組織的前測試題中d3層的試題居多。

根據(jù)質(zhì)量這一知識(shí)點(diǎn)模糊達(dá)標(biāo)平均程度值考量A生的θLn=1.6較高，故應(yīng)為A生組織選取的前測題中d3層的試題應(yīng)居多。

(2)前測結(jié)果評(píng)價(jià)

對(duì)于前測測試情況的診斷是根據(jù)類型題的得分率來判斷的，Ln類型題的得分率DLn，是所給答案正確的題目的得分占總分?jǐn)?shù)的比值，總分?jǐn)?shù)用單詞Fraction的首字母F來表示，答對(duì)題目的得分用f表示，用下面公式表示：

評(píng)價(jià)結(jié)果用表2表示：

表2

表格中達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)用0和1來表示，1是達(dá)標(biāo)，0是未達(dá)標(biāo)。

為A同學(xué)組織的前測試題，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示：

表3

從前測結(jié)果可以看出，A生對(duì)Kw2、Kw4的d2層以上的知識(shí)掌握不是很理想，因此系統(tǒng)中的導(dǎo)學(xué)機(jī)制會(huì)結(jié)合測試結(jié)果為學(xué)生推送相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，以幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)成績，達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)要求。

3.后測

當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后要檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果如何，即為后測，通過對(duì)后測的測試結(jié)果的分析來決定系統(tǒng)是否推送對(duì)下一級(jí)別或者類別的知識(shí)點(diǎn)。當(dāng)θLn值較低時(shí)，系統(tǒng)所組織的試題中d1、d2層的題目數(shù)量居多；當(dāng)θLn值較高時(shí)，系統(tǒng)所組織的試題中d2、d3層的題目數(shù)量居多。

對(duì)后測測試情況的評(píng)價(jià)用表4表示：

表4

A生經(jīng)學(xué)習(xí)后后測結(jié)果如表5所示：

表5

解題方法體現(xiàn)的是物理思想方法，比較抽象，對(duì)它的掌握情況的診斷比較簡單，當(dāng)某一類型題的得分率較高時(shí)就代表被試者已經(jīng)掌握了該類型題的解題方法。

(四)導(dǎo)學(xué)機(jī)制

導(dǎo)學(xué)機(jī)制就是根據(jù)智能診斷機(jī)制對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)需求進(jìn)行判斷，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容。導(dǎo)學(xué)包括兩方面的內(nèi)容：根據(jù)前測的結(jié)果為學(xué)生組織、推送學(xué)習(xí)方案，推送下一類別的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

1.學(xué)習(xí)方案的組織、推送

在本研究中，對(duì)若干知識(shí)點(diǎn)的講解內(nèi)容及相應(yīng)例題按照一定的前后、難易的邏輯順序進(jìn)行的組織，就是學(xué)習(xí)方案。在圖4中可以看到學(xué)習(xí)方案中知識(shí)點(diǎn)的講解內(nèi)容一般以文字、視頻、音頻的形式出現(xiàn)。

系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度調(diào)查分析結(jié)果以及前測的分析結(jié)果，呈現(xiàn)學(xué)習(xí)方案。這個(gè)學(xué)習(xí)方案并不是一成不變的，在分析學(xué)生學(xué)習(xí)過程中知識(shí)內(nèi)容掌握情況以及解題方法的掌握情況來調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容，使其和學(xué)習(xí)者知識(shí)水平能力相當(dāng)。

2.下一類別的學(xué)習(xí)內(nèi)容的推送

系統(tǒng)為學(xué)生推送下一類別學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)是對(duì)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行類別的分類，如圖4所示。

系統(tǒng)要為學(xué)習(xí)者推送L2類別的知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)需要對(duì)L1類別的知識(shí)點(diǎn)后測測試得分率設(shè)置參數(shù)值N。若DL1＞=N時(shí)，系統(tǒng)會(huì)推送L2類別的知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，依次類推，當(dāng)DLn＞=N時(shí)，學(xué)生關(guān)于這一知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)的要求。

五、總結(jié)

本文為了解決初中生在通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)物理知識(shí)時(shí)存在的資源選擇迷航現(xiàn)象，在對(duì)國內(nèi)外研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)存在問題的基礎(chǔ)，提出了算法、功能設(shè)計(jì)集于一身的具有學(xué)科特色的初中物理智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。本研究也存在一些不足之處，例如，對(duì)算法的研究還不夠深入，對(duì)初中物理知識(shí)內(nèi)容的分析過于籠統(tǒng)。在今后的研究中，將致力于算法和知識(shí)內(nèi)容的分類。

[1] 張建忠.知識(shí)構(gòu)建在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備,2013，(1)：77-78.

[2] 周宏偉,王建華.網(wǎng)絡(luò)智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息,2008，(16)：174.

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王春暉：博士，研究方向?yàn)閿?shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)(zhongyj@nenu.edu.cn)。

鐘永江：博士，研究方向?yàn)閿?shù)字化教學(xué)資源建設(shè)(zhongyj@nenu.edu.cn)。

張語函：碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字化教學(xué)資源建設(shè)(22747179@qq.com)。

2014年3月15日

責(zé)任編輯：馬小強(qiáng)

The Intelligent Learning System Design of Junior High School Physics

Wang Chunhui, Zhong Yongjiang, Zhang Yuhan
(Ideal Information Technology Institute of Northeast Normal University, Changchun Jilin 130117)

This paper argues that the current intelligent learning system research mostly stay at the algorithm level, and there is no substantial application research. Its root cause is that the research is not from the perspective of subject and lacks in-depth study of the subject content.In this paper, through the analysis of students’ junior high school physics knowledge learning problem on the network after class and the defects of current junior high school physics network learning platform, it puts forward the difficulty level model of junior high school physics knowledge and its evaluation standards. On this basis, student’s learning level is diagnosed in the form of testing, student’s learning situation is recorded, and personalized learning solutions is pushed, so as to realize intelligent learning.

Junior Middle School Physics;Learning System; Discipline Ontology;Intelligent Diagnosis

G434

A

1006—9860(2014)10—0090—06