计算机辅助教学

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计算机辅助教学(Computer-Aided Instruction,CAI)

　　计算机辅助教学是指把计算机系统的功能和教师的课堂讲授有机地结合在一起，它既包括为学生提供系统学习指导的课程内容，也包括为某一教学内容所补充的教学模拟、游戏以及向学习者提供某种作业的辅导、操练和实践等。

　　美国是进行计算机辅助教学研究和应用最早的国家，所以CAI的历史基本上是以美国CAI发展历史为主线。近四十年来，CAI的发展大体上经历了五个阶段。

　　1．1958—1965年

　　这是CAI发展的初期阶段。在这个时期，主要是以大学和计算机公司为中心开展的软件硬件开发研究工作，并出现了一些有代表性的系统。如：PLATO系统。

　　2．1965—1970年

　　这一时期的特点是研究规模扩大，并且将以前的研究成果投入应用。斯坦福大学在1966年研制了IBMl500教学系统。

　　3．1970—1975年

　　这一时期，CAI的应用范围不断扩大，并进一步趋向实用化。开发的科目除了数学、物理之外，在医学、语言学、经济学、音乐等多种学科领域均开展了CAI的应用。

　　4．1975—20世纪80年代后期

　　微型计算机进入教育领域之后，形成了极大的冲击，使之成为多种教育环境中的理想工具。

　　5．20世纪80年代末以后

　　20世纪80年代末和90年代初，多媒体计算机的出现，被称为计算机的一场革命，它具有能够综合处理文字、图像、声音、图形的能力，显示了计算机在教育方面的非凡才能，很快成为CAI发展的重要方向。

　　1．向网络化方向发展

　　网络化是计算机辅助教学的重要发展趋势。“无机不联”正是当今计算机使用情况的真实写照。因为计算机联网，才大大提高了计算机信息的共享和利用率，在教育领域，网络也已大显身手，并继续大有作为。网络不但拥有从幼儿教育到当前科学最前沿的所有知识资源，还提供了在校学生和教师通过网络在计算机屏幕上进行公共讨论的场所，学生、教师和其他研究人员在教学科研中可通过网络获取、交流更多的信息，获得更完善的服务。四通八达、覆盖全球的网络和瞬间千里的传输速度缩短了教育之间的距离，中国学生通过网络可以获得麻省理工学院教师的指导。同时，网络也将在促进边远地区教育发展中扮演重要角色，中小学的各种计算机网络也广泛建立起来了，每所中学都有其校内的局域网或和其他学校相连的网络。通过网络，不同地区、不同学校学生和教师可以进行教学交流或者跨地区、跨学校教学。

　　2．向标准化方向发展

　　计算机辅助教学是一项复杂的系统工程，在设计开发过程中，必须制订和遵守统一标准，保证系统的可扩展性。建立国家标准计算机辅助教学的数据编码标准或规范，制订教学应用软件开发和建设规范，规范教学应用软件系统的开发建设，保证应用的有机集成。

　　3．向虚拟化方向发展

　　虚拟化是计算机辅助教学发展的另一主要趋向。随着计算机的运行速度的快速提高，大容量、高速度的数据存储工具的发明以及各种人机界面技术和虚拟现实技术的发展，计算机处理大批量的声音、图像信息将变得随心所欲。在计算机辅助教学中，虚拟现实技术将得到广泛应用，学生不仅仅听到或看到各种信息，而且可以进入到学习内容中去：地理课将身临其境地感受世界风土人情；历史课将走人时间隧道，重温历史事件；实验课将真实再现遗传变异、原子裂变……总之，教学中的感性知识和理性知识割裂、直接经验与间接经验脱节的情况随着虚拟技术在计算机辅助教学中的推广运用将一去不复返。

　　4．向合作化方向发展

　　计算机网络为合作学习提供了广阔空间和多种可能，教室与教室、实验室与实验室、学校与学校、国家与国家最终将形成一个巨大的计算机网络，从而把各国的学校和师生联结在一起。计算机网络环境下的合作学习充分开发和利用了教学中的人力资源，它把教学建立在了更加广阔的交流背景之上，教师与学生可以足不出户进行教学、交流和讨论，学生可以自主、自助进行各种学习活动，根据自身情况安排学习内容，通过交流、商议、集体参与等实现合作学习，提高了学生学习的参与度，并在合作中提高学习兴趣和学习效率，通过贡献智慧、分享成果，进而学会合作。

　　自从1959年美国IBM公司研制成功第一个计算机辅助教学系统以来，计算机辅助教学的理论基础经历了行为主义、认知主义、建构主义三次大的演变过程。

　　1．行为主义学习理论

　　以行为主义学习理论作为理论基础，是计算机辅助教学的初级阶段，早期的CAI是由“程序教学”发展而来，其创始人是心理学家斯金纳，从20世纪60年代初开始至70年代末。在CAI课件设计中，基于框面的、小步骤的分支式程序设计，多年来一直成为CAI课件开发的主要模式，并且沿用至今，就是行为主义影响的明显例证。行为主义认为把学习者置于一个特定的环境里，给他以特别的刺激，当他作出明确反应时学习就发生了，行为主义学习理论强调刺激、反应和强化。

　　行为主义学习理论认为人们的学习在很多情况下是一种尝试，是一种行为变化的过程，在这个过程中，学生接收某种刺激，并对刺激作出某种反应。当刺激和反应的结合带来某种满足时，这种结合将会得到加强，否则这种结合就会削弱。这种基于刺激一反应的学习理论称为S—R理论。基于这种理论，提出一种程序学习及程序教学的方法。这种方法要求在学生接受刺激，作出反应后，教师应对学生的反应给予一定的反馈，以增强教学效果。

　　2．认知主义学习理论

　　行为主义强调外部事件对学习的影响。而认知主义则强调内部思维在学习中的作用。以认知主义学习理论作为理论基础，是计算机辅助教学的发展阶段。20世纪70年代末认知心理学开始占统治地位，CAI应用的理论基础也由行为主义学习理论转向认知学习理论。在CAI课件设计中，开始注意学习者的内部心理过程，研究并强调学习者的心理特征与认知规律。将此理论应用CAI的著名学者是安德逊(Anderson)。

　　认知主义者认为学生的学习是在具有一定逻辑结构的学习资料与学生本身所具有的某种认知结构相互关联、相互作用的过程中进行的。学生的认识水平、认知特点、认知心理对学生的学习有着重要的影响。因此，在教学过程中，一方面要认真研究学生的认知结构和认知特点，另一方面要认真研究知识的结构特点，将知识以学生容易接受和理解的方式呈现给学生，并以适当的方式进行教学支援和控制，以促进学生实现有效的学习。

　　认知主义不再把学习看做是对外部刺激被动地作出的适应性反应，而是把学习看做是：学习者根据自己的态度、需要、兴趣、爱好，利用自己的原有认知结构，对当前外部刺激所提供的信息主动作出的、有选择的信息加工过程。安德逊于20世纪80年代初期根据认知学习理论提出一种思维适应控制方法(Adaptive Control of Thought，简称ACT)，该方法强调高级思维的控制过程，试图揭示思维定向与思维转移的控制机制和控制原则，安德逊将这种方法应用于建造认知型学生模型，以实现对学生求解几何问题思维过程的自动跟踪与控制，并取得很大的成功。他所研制的“高中几何智能辅助教学系统”也就成为这一时期运用认知学习理论指导CAI的杰出代表作。

　　3．建构主义学习理论

　　20世纪90年代初开始以建构主义作为理论基础，计算机辅助教学走向成熟阶段。最早提出者可追溯至瑞士的皮亚杰(J．Piaget)，他是认知发展领域最有影响的一位心理学家，他所创立的关于儿童认知发展的学派被人们称为日内瓦学派，他坚持从内因和外因相互作用的观点来研究儿童的认知发展。建构主义学习理论的基本观点认为：知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助，利用必要的学习资料，通过建构的意义的方式而获得。所要建构的意义是指：事物的性质、规律以及事物之间的内在联系。在学习过程中帮助学生建构的意义就是要帮助学生对当前学习内容所反映的事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间的内在联系达到较深刻的理解。这种理解在大脑中的长期存储形式就是关于当前所学内容的认知结构。由于学习是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助，即通过人际间的协作活动而实现的主动建构知识意义的过程，因此建构主义学习理论强调以学生为中心，认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素。提倡在学习过程中充分发挥学生的主动性，体现学生的首创精神。

　　建构主义全新的教学思想，要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者；要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构的意义的帮助者、促进者。

　　强调“情境”对“意义建构”的重要作用。认为学习总是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的，在实际情境下进行学习，可以激发学生的联想思维，使学生能利用自己原有认知结构中的有关经验，去同化和索引当前学习到的新知识，从而在新旧知识之间建立起联系，并赋予新知识以某种意义。

　　强调“协作学习”对“意义建构”的关键作用。认为协作学习环境及学生与周围环境的交互作用，对于学习内容的理解(即对知识意义的建构)起着关键性的作用。这是建构主义的核心概念之一。通过这样的协作学习，学习者群体(包括教师和每位学生)的思维与智慧就可以被整个群体所共享，即整个学习群体共同完成对所学知识的意义建构，而不是其中的某一位或某几位学生完成意义建构。

　　强调对学习环境(非教学环境)的设计。认为学习环境是学习者在其中进行自由探索和自主学习的场所，在此环境中学生可以利用各种工具和信息资源(如文字材料、书籍、音像资料、CAI与多媒体课件及Internet上的信息等)来达到自己的学习目标。在以学生为中心思想指导下的课件设计应是针对学习环境的设计，学习则意味着更多的主动与自由。

　　强调利用各种信息资源来支持“学”。为了支持学习者的主动探索和完成意义建构，在学习过程中要为学习者提供各种信息资源(包括各种类型的教学媒体和教学资料)。但必须明确利用这些媒体和资料并非用于辅助教师的讲解和演示，而是用于支持学生的自主学习和协作式探索。

　　计算机辅助教学的特征，分为技术层面和教育层面两个方面。在技术层面上，有数字化、网络化、智能化、多媒体化等；在教育层面上有教材的多媒体化、资源的全球化、教学的个性化、学习的自主化、任务的合作化、管理的自动化、环境的虚拟化等。

　　1．技术特征

　　(1)数字化：具体体现在信息处理数字化、信息传输数字化。数字化处理的信息，保真度高、存储量大、传递速度快。

　　(2)网络化：卫星电视、国际互联网和全球信息高速公路的建设，将构成信息传播的立体化。

　　(3)多媒体化：电子通信和计算机网络信息传输融合了超文本技术和超媒体技术，集文本、图形、图像、声音于一体，信息传递多媒体化能够消除信息的不确定性，有利于受众的认识。

　　(4)智能化：信息技术与认知科学的融合产生了人工智能，用计算机来模拟、延伸和扩展人的智能，以实现机器思维或脑力劳动的自动化，如智能教学系统等。

　　(5)虚拟化：由计算机仿真生成的虚拟世界，可以创造一种身临其境的感觉。学习者通过虚拟情境去感知客观世界并获取有关技能。

　　2．教育特征

　　(1)教材多媒体化：教材多媒体化就是利用多媒体，特别是超媒体技术，建立教学内容的结构化、动态化、形象化表示。已经有越来越多的教材和工具书变成多媒体化，它们不但包含文字和图形，还能呈现声音、动画、录像以及模拟的三维景象。例如有一个关于英语词汇的儿童多媒体学习软件，第一幅画面把常用的动作名词和图片汇编在一起，当你选择chase(追逐)一词，电脑会用声音告诉你“追逐”就是在某人或某物后面run(奔跑)的意思，如果你在两个小孩的画面上点一下，他们就会飞快奔跑起来；如果你还想知道奔跑的确切含义，你再在run上面点一下，电脑又会呈现关于run的声音解说和动画。俗话说，书是死的，人是活的。但有了超媒体“电子书”，活人读死书的时代将一去不复返，因为多媒体教材本身就是活的书。如何把“活书”设计好?如何把“活书”学好?这是信息化时代教师和学生面临的新问题。

　　(2)资源全球化：利用网络，特别是Internet，可以使全世界的教育资源连成—个信息海洋，供广大教育用户共享。网上的教育资源有许多类型(图1)，包括教育网站、电子书刊、虚拟图书馆、虚拟软件库、新闻组等。对于我国教育来说，面临的一大问题是网上中文信息资源的严重不足。开发网上教育资源，不但是教育部门的任务，也是社会各部门以及知识者的义务，美国的网上基础教育资源体系就是依靠社会各界的协同努力建立起来的。

　　(3)教学个性化：利用人工智能技术构建的智能导师系统能够根据学生的不同个性特点和需求进行教学和提供帮助。为了做到这一点，学生个性的测定，特别是认知方式的检测，将成为教育研究的重要研究课题。

　　(4)学习自主化：由于以学生为主体的教育思想日益得到认同，利用信息技术支持自主学习成为必然发展趋向。事实上，超文本、超媒体之类的电子教材已经为自主学习提供了极其便利的条件。

　　(5)活动合作化：通过合作方式进行学习活动也是当前国际教育的发展方向。信息技术在支持合作学习方面可以起重要作用，其形式包括通过计算机合作(网上合作学习)；在计算机面前合作(如小组作业)；与计算机合作(计算机扮演学生同伴角色)。

　　(6)管理自动化：利用计算机管理教学过程的系统叫做CMI(计算机管理教学)系统，包括计算机化测试与评分、学习问题诊断、学习任务分配等功能。最近的发展趋向是在网络上建立电子学档(Learning Portfolio)，其中包含学生身份信息、活动记录、评价信息、电子作品等。利用电子学档可以支持教学评价的改革，实现面向学习过程的评价。

　　(7)环境虚拟化：教育环境虚拟化意味着教学活动可以在很大程度上脱离时空的限制，这是电子网络化教育的重要特征。现在已经涌现出一系列虚拟化的教育环境，包括虚拟教室、虚拟实验室、虚拟校园、虚拟学社、虚拟图书馆等，由此带来的必然是虚拟教育。虚拟教育可分为校内模式和校外模式。校内模式是利用局域网开展网上教育，校外模式是指利用广域网进行远程教育。在许多建设了校园网的学校，如果能够充分开发网络的虚拟教育功能，就可以做到虚拟教育与实在教育结合，校内教育与校外教育贯通，这是未来信息化学校的发展方向。如图2是信息化学校的教育功能模式。