基于概念網(wǎng)絡(luò)的物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張挺聳　徐銘澤　劉春宇

摘? 要： 針對(duì)現(xiàn)有多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)兼容性差、負(fù)載能力弱、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)基于概念網(wǎng)絡(luò)的物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)。以邏輯層為核心構(gòu)建物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)，分別設(shè)計(jì)理論知識(shí)模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和學(xué)生練習(xí)模塊?；诟拍罹W(wǎng)絡(luò)，將物理教學(xué)系統(tǒng)中大量的規(guī)則依附于概念上，形成概念網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系，完成理論知識(shí)體系設(shè)計(jì)，使用圖像和動(dòng)畫(huà)展示方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，基于理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)K對(duì)學(xué)生知識(shí)建模，對(duì)比學(xué)生知識(shí)與理論知識(shí)，使用計(jì)算機(jī)對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握情況計(jì)分，實(shí)現(xiàn)學(xué)生練習(xí)并反饋練習(xí)結(jié)果，完成物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的兼容性，負(fù)載能力強(qiáng)，耗時(shí)低，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 多媒體輔助教學(xué); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 概念網(wǎng)絡(luò); 模塊設(shè)計(jì); 知識(shí)體系設(shè)計(jì); 知識(shí)建模

中圖分類號(hào)： TN711?34; TP391.6? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0119?03

Design of physics multimedia assisted teaching system based on concept network

ZHANG Tingsong， XU Mingze， LIU Chunyu

（College of Science， Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）

Abstract： In allusion to the problems of the existing multimedia assisted teaching system such as poor system compatibility， weak load capacity and time consumption， a physics multimedia assisted teaching system based on concept network is proposed and designed. The architecture of physical multimedia assisted teaching system is constructed with the logic layer as the core， and the theoretical knowledge module， experimental module and student practice module is designed， respectively. Based on the concept network， a lot of rules in the physics teaching system are attached to the concept for forming the concept network knowledge system， so as to complete the design of the theoretical knowledge system. The experimental module is designed by means of the image and animation presentation mode， and the modeling of students′knowledge is conducted based on the theoretical knowledge and experimental module. The students′knowledge and theory knowledge are compared， the computer is used to score students′knowledge， so as to achieve students′practice and feedback the results of practice. The design of physical multimedia aided teaching system is completed. The experimental results show that the system has good compatibility， strong load capacity， low time consumption and practical application value.

Keywords： multimedia assisted teaching; system design; concept network; module design; knowledge system design; knowledge modeling

0? 引? 言

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展時(shí)代，多媒體輔助技術(shù)已廣泛應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域中，受到各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注。多媒體輔助教學(xué)是目前出現(xiàn)的一種新型教學(xué)模式，具有覆蓋面廣、無(wú)時(shí)空限制等優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)榻處熀蛯W(xué)生提供雙向、動(dòng)態(tài)的交流。同時(shí)，多媒體輔助手段在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，促使教學(xué)手段、教學(xué)方式以及教學(xué)結(jié)構(gòu)等均發(fā)生了深刻的變化，為教育領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的生機(jī)[1?2]。物理是高校理工科專業(yè)的一門(mén)必修課，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和實(shí)踐能力的重要途徑，物理多媒體輔助教學(xué)是將物理實(shí)驗(yàn)原理、儀器以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等通過(guò)多媒體技術(shù)模擬出來(lái)的方法，能夠大大方便教師教學(xué)和學(xué)生溫習(xí)，并生動(dòng)、直觀地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，效果較好。由此可以看出，研究物理多媒體輔助教學(xué)具有一定的實(shí)際意義，能夠切實(shí)改善教學(xué)效果，提升學(xué)生能力[3?4]。

李建偉等人了針對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)、教學(xué)評(píng)價(jià)等內(nèi)容，基于學(xué)習(xí)分析設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)教學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)不斷的系統(tǒng)測(cè)試獲取了學(xué)生學(xué)習(xí)水平，針對(duì)性地給出了學(xué)習(xí)策略，但該系統(tǒng)的兼容性差[5];俞曉明等人提出物理學(xué)概念是構(gòu)成物理學(xué)理論框架的基礎(chǔ)，依據(jù)概念網(wǎng)絡(luò)定義給出了物理學(xué)概念網(wǎng)絡(luò)框架，具體介紹了物理學(xué)概念網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，但該方法的耗時(shí)較長(zhǎng)[6];王曉萍基于VOD設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，采用Web框架，并使用ASP.NET技術(shù)經(jīng)C#語(yǔ)言對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了大量雙向交互資料的存儲(chǔ)方式，完成教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠很好地展現(xiàn)教學(xué)界面，但該系統(tǒng)負(fù)載能力不佳[7]。

在現(xiàn)有研究方法的基礎(chǔ)上，本文汲取優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)不足，提出并設(shè)計(jì)了基于概念網(wǎng)絡(luò)的物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)，以期通過(guò)該方法獲取性能更加優(yōu)越的現(xiàn)代智能教學(xué)系統(tǒng)，更好地應(yīng)用于物理教學(xué)中。

1? 物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

多媒體技術(shù)以動(dòng)畫(huà)、圖像等技術(shù)為核心，內(nèi)容涉及通信、傳播、教育等諸多領(lǐng)域，多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)就是基于多媒體技術(shù)設(shè)計(jì)的新型教學(xué)方式[8?9]，該教學(xué)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、輸入/輸出設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備和邏輯層等，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在本文物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，邏輯層是系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心，只有保證邏輯層中理論知識(shí)模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、學(xué)生練習(xí)模塊的順利運(yùn)行，才能有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)以量子力學(xué)中測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系教學(xué)為例，具體模塊設(shè)計(jì)如下。

1.1? 基于概念網(wǎng)絡(luò)的理論知識(shí)模塊

概念網(wǎng)絡(luò)是對(duì)人工智能研究的一種探索，將概念作為基本節(jié)點(diǎn)，用于描述客觀事物及事物間關(guān)聯(lián)的知識(shí)表示框架體系。概念網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒄J(rèn)知、理解、推理和行為等融合為一個(gè)整體，用于指導(dǎo)智能系統(tǒng)對(duì)于預(yù)期行為的判斷和處理。概念網(wǎng)絡(luò)包含3個(gè)元素，分別為屬性、行為和關(guān)系，屬性為事物固有屬性，行為用于區(qū)分概念網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)，關(guān)系是指概念與概念之間形成的簡(jiǎn)單或復(fù)雜的關(guān)聯(lián)[10?11]。

概念網(wǎng)絡(luò)能夠產(chǎn)生規(guī)則推理過(guò)程，用于體現(xiàn)不同概念的行為，這樣物理教學(xué)系統(tǒng)中的大量規(guī)則可依附在概念網(wǎng)絡(luò)形成的知識(shí)體系構(gòu)造框架下，不同領(lǐng)域內(nèi)事物依據(jù)自身特點(diǎn)同時(shí)基于框架可以形成不同的知識(shí)體系，此知識(shí)體系構(gòu)造方式更為符合人的思維模式。將概念網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于理論知識(shí)模塊中，形成理論知識(shí)體系，如圖2所示。

1.2? 實(shí)驗(yàn)?zāi)K

量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系教學(xué)中，包括電子單縫衍射、衍射影響因素及入射粒子數(shù)研究等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中對(duì)于變量如單縫寬度的設(shè)置通過(guò)滾動(dòng)條完成，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用到實(shí)際中，清晰地展示粒子衍射條紋以及曲線分布情況，使用圖像和動(dòng)畫(huà)展示。圖像設(shè)計(jì)包括波函數(shù)、概率分布圖等，動(dòng)畫(huà)是指有規(guī)則性地動(dòng)態(tài)展示在計(jì)算機(jī)上的圖像，動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的真實(shí)感，可以增加教學(xué)的趣味性。實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)中形成的圖像和動(dòng)畫(huà)均通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

1.3? 學(xué)生練習(xí)模塊

多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要融入目前教育領(lǐng)域倡導(dǎo)的以學(xué)生為主體的教育思想，這是教育進(jìn)步的一個(gè)標(biāo)志，也是促進(jìn)多媒體輔助教學(xué)開(kāi)展的基礎(chǔ)[12?13]?；谏鲜?.1節(jié)的理論知識(shí)和1.2節(jié)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，對(duì)學(xué)生知識(shí)進(jìn)行建模，保證學(xué)生知識(shí)與理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)知識(shí)一致，將學(xué)生知識(shí)與理論知識(shí)體系進(jìn)行對(duì)比，形成對(duì)比模型，如圖3所示。

圖3中，賦予知識(shí)領(lǐng)域每個(gè)屬性節(jié)點(diǎn)數(shù)值1，同時(shí)也在學(xué)生知識(shí)模型中設(shè)置數(shù)值范圍[0，1]。0表示學(xué)生對(duì)于知識(shí)完全沒(méi)有掌握，1表示學(xué)生已經(jīng)完全掌握該節(jié)點(diǎn)知識(shí)。在模型構(gòu)建初始階段，學(xué)生模型中的數(shù)值均設(shè)置為0。學(xué)生練習(xí)模塊設(shè)計(jì)了多個(gè)選擇題，基于上述機(jī)制完成學(xué)生練習(xí)，獲取學(xué)生行為，練習(xí)結(jié)束后，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)判斷答案對(duì)錯(cuò)，給出學(xué)生知識(shí)掌握程度數(shù)值，反饋給學(xué)生和老師。綜合上述模塊分析，可以完成基于概念網(wǎng)絡(luò)的物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖4所示。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為測(cè)試本文系統(tǒng)的性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，本系統(tǒng)運(yùn)行所需要的硬件配置為內(nèi)存64 GB，256色顯示卡，125 MB硬盤(pán)，顯示器分辨率為1 024×768像素。系統(tǒng)運(yùn)行所需要的軟件配置為Windows XP操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)訪問(wèn)組件MDAC2.8，運(yùn)行環(huán)境使用Netframework 2.0版本。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中基于Struts框架實(shí)現(xiàn)，該框架采用Servlet和JSP技術(shù)完成，具有統(tǒng)一化數(shù)據(jù)資源功能，能夠大大節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)分析中，選取SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中的100萬(wàn)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，其中，50萬(wàn)數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)訓(xùn)練，50萬(wàn)數(shù)據(jù)用作系統(tǒng)測(cè)試。選取以下實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析：系統(tǒng)負(fù)載測(cè)試和系統(tǒng)耗時(shí)。

2.1? 實(shí)驗(yàn)一

對(duì)于一個(gè)完整的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，負(fù)載能力大小是決定系統(tǒng)性能的直接因素，本實(shí)驗(yàn)使用Web Application Stress進(jìn)行系統(tǒng)負(fù)載測(cè)試，測(cè)試參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

將測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可以看出，無(wú)論并發(fā)用戶數(shù)量如何變化，本文系統(tǒng)負(fù)載率始終低于文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]，負(fù)載率低即意味著該系統(tǒng)能夠更長(zhǎng)時(shí)間保持高效運(yùn)行，表明本文系統(tǒng)具有較好負(fù)載能力，優(yōu)于其他文獻(xiàn)方法。

2.2? 實(shí)驗(yàn)二

將本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的運(yùn)行耗時(shí)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著測(cè)試數(shù)據(jù)量的增多，本文系統(tǒng)的運(yùn)行耗時(shí)出現(xiàn)了小幅度的上升，最大耗時(shí)為15 s，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的曲線變化幅度較大，且耗時(shí)較多，耗時(shí)最大數(shù)值為35 s，大于本文系統(tǒng)。本文系統(tǒng)的運(yùn)行耗時(shí)低，優(yōu)勢(shì)顯著，這是因?yàn)楸疚氖褂酶拍罹W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建理論知識(shí)模型，形成了知識(shí)表示框架，該框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建大大降低了模型構(gòu)建的復(fù)雜度，節(jié)約時(shí)間。

3? 結(jié)? 論

多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)是現(xiàn)代教學(xué)的一種新模式，既能幫助老師教學(xué)，又能輔助學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)，本文設(shè)計(jì)了基于概念網(wǎng)絡(luò)的物理多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)。重點(diǎn)描述了基于概念網(wǎng)絡(luò)的理論知識(shí)模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和學(xué)生練習(xí)模塊，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的良好性能，具有一定的參考價(jià)值。然而，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍存在一定的不足，對(duì)于學(xué)生和老師之間的交互性能未進(jìn)行分析，在之后的研究中，將重點(diǎn)針對(duì)交互性進(jìn)行分析，進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。

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