電腦輔助教學

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電腦輔助教學(Computer-Aided Instruction,CAI)

　　電腦輔助教學是指把電腦系統的功能和教師的課堂講授有機地結合在一起，它既包括為學生提供系統學習指導的課程內容，也包括為某一教學內容所補充的教學模擬、游戲以及向學習者提供某種作業的輔導、操練和實踐等。

　　美國是進行電腦輔助教學研究和應用最早的國家，所以CAI的歷史基本上是以美國CAI發展歷史為主線。近四十年來，CAI的發展大體上經歷了五個階段。

　　1．1958—1965年

　　這是CAI發展的初期階段。在這個時期，主要是以大學和電腦公司為中心開展的軟體硬體開發研究工作，並出現了一些有代表性的系統。如：PLATO系統。

　　2．1965—1970年

　　這一時期的特點是研究規模擴大，並且將以前的研究成果投入應用。斯坦福大學在1966年研製了IBMl500教學系統。

　　3．1970—1975年

　　這一時期，CAI的應用範圍不斷擴大，併進一步趨向實用化。開發的科目除了數學、物理之外，在醫學、語言學、經濟學、音樂等多種學科領域均開展了CAI的應用。

　　4．1975—20世紀80年代後期

　　微型電腦進入教育領域之後，形成了極大的衝擊，使之成為多種教育環境中的理想工具。

　　5．20世紀80年代末以後

　　20世紀80年代末和90年代初，多媒體電腦的出現，被稱為電腦的一場革命，它具有能夠綜合處理文字、圖像、聲音、圖形的能力，顯示了電腦在教育方面的非凡才能，很快成為CAI發展的重要方向。

　　1．向網路化方向發展

　　網路化是電腦輔助教學的重要發展趨勢。“無機不聯”正是當今電腦使用情況的真實寫照。因為電腦聯網，才大大提高了電腦信息的共用和利用率，在教育領域，網路也已大顯身手，並繼續大有作為。網路不但擁有從幼兒教育到當前科學最前沿的所有知識資源，還提供了在校學生和教師通過網路在電腦屏幕上進行公共討論的場所，學生、教師和其他研究人員在教學科研中可通過網路獲取、交流更多的信息，獲得更完善的服務。四通八達、覆蓋全球的網路和瞬間千里的傳輸速度縮短了教育之間的距離，中國學生通過網路可以獲得麻省理工學院教師的指導。同時，網路也將在促進邊遠地區教育發展中扮演重要角色，中小學的各種電腦網路也廣泛建立起來了，每所中學都有其校內的區域網或和其他學校相連的網路。通過網路，不同地區、不同學校學生和教師可以進行教學交流或者跨地區、跨學校教學。

　　2．向標準化方向發展

　　電腦輔助教學是一項複雜的系統工程，在設計開發過程中，必須制訂和遵守統一標準，保證系統的可擴展性。建立國家標準電腦輔助教學的數據編碼標準或規範，制訂教學應用軟體開發和建設規範，規範教學應用軟體系統的開發建設，保證應用的有機集成。

　　3．向虛擬化方向發展

　　虛擬化是電腦輔助教學發展的另一主要趨向。隨著電腦的運行速度的快速提高，大容量、高速度的數據存儲工具的發明以及各種人機界面技術和虛擬現實技術的發展，電腦處理大批量的聲音、圖像信息將變得隨心所欲。在電腦輔助教學中，虛擬現實技術將得到廣泛應用，學生不僅僅聽到或看到各種信息，而且可以進入到學習內容中去：地理課將身臨其境地感受世界風土人情；歷史課將走人時間隧道，重溫歷史事件；實驗課將真實再現遺傳變異、原子裂變……總之，教學中的感性知識和理性知識割裂、直接經驗與間接經驗脫節的情況隨著虛擬技術在電腦輔助教學中的推廣運用將一去不復返。

　　4．向合作化方向發展

　　電腦網路為合作學習提供了廣闊空間和多種可能，教室與教室、實驗室與實驗室、學校與學校、國家與國家最終將形成一個巨大的電腦網路，從而把各國的學校和師生聯結在一起。電腦網路環境下的合作學習充分開發和利用了教學中的人力資源，它把教學建立在了更加廣闊的交流背景之上，教師與學生可以足不出戶進行教學、交流和討論，學生可以自主、自助進行各種學習活動，根據自身情況安排學習內容，通過交流、商議、集體參與等實現合作學習，提高了學生學習的參與度，併在合作中提高學習興趣和學習效率，通過貢獻智慧、分享成果，進而學會合作。

　　自從1959年美國IBM公司研製成功第一個電腦輔助教學系統以來，電腦輔助教學的理論基礎經歷了行為主義、認知主義、建構主義三次大的演變過程。

　　1．行為主義學習理論

　　以行為主義學習理論作為理論基礎，是電腦輔助教學的初級階段，早期的CAI是由“程式教學”發展而來，其創始人是心理學家斯金納，從20世紀60年代初開始至70年代末。在CAI課件設計中，基於框面的、小步驟的分支式程式設計，多年來一直成為CAI課件開發的主要模式，並且沿用至今，就是行為主義影響的明顯例證。行為主義認為把學習者置於一個特定的環境里，給他以特別的刺激，當他作出明確反應時學習就發生了，行為主義學習理論強調刺激、反應和強化。

　　行為主義學習理論認為人們的學習在很多情況下是一種嘗試，是一種行為變化的過程，在這個過程中，學生接收某種刺激，並對刺激作出某種反應。當刺激和反應的結合帶來某種滿足時，這種結合將會得到加強，否則這種結合就會削弱。這種基於刺激一反應的學習理論稱為S—R理論。基於這種理論，提出一種程式學習及程式教學的方法。這種方法要求在學生接受刺激，作出反應後，教師應對學生的反應給予一定的反饋，以增強教學效果。

　　2．認知主義學習理論

　　行為主義強調外部事件對學習的影響。而認知主義則強調內部思維在學習中的作用。以認知主義學習理論作為理論基礎，是電腦輔助教學的發展階段。20世紀70年代末認知心理學開始占統治地位，CAI應用的理論基礎也由行為主義學習理論轉向認知學習理論。在CAI課件設計中，開始註意學習者的內部心理過程，研究並強調學習者的心理特征與認知規律。將此理論應用CAI的著名學者是安德遜(Anderson)。

　　認知主義者認為學生的學習是在具有一定邏輯結構的學習資料與學生本身所具有的某種認知結構相互關聯、相互作用的過程中進行的。學生的認識水平、認知特點、認知心理對學生的學習有著重要的影響。因此，在教學過程中，一方面要認真研究學生的認知結構和認知特點，另一方面要認真研究知識的結構特點，將知識以學生容易接受和理解的方式呈現給學生，並以適當的方式進行教學支援和控制，以促進學生實現有效的學習。

　　認知主義不再把學習看做是對外部刺激被動地作出的適應性反應，而是把學習看做是：學習者根據自己的態度、需要、興趣、愛好，利用自己的原有認知結構，對當前外部刺激所提供的信息主動作出的、有選擇的信息加工過程。安德遜於20世紀80年代初期根據認知學習理論提出一種思維適應控制方法(Adaptive Control of Thought，簡稱ACT)，該方法強調高級思維的控制過程，試圖揭示思維定向與思維轉移的控制機制和控制原則，安德遜將這種方法應用於建造認知型學生模型，以實現對學生求解幾何問題思維過程的自動跟蹤與控制，並取得很大的成功。他所研製的“高中幾何智能輔助教學系統”也就成為這一時期運用認知學習理論指導CAI的傑出代表作。

　　3．建構主義學習理論

　　20世紀90年代初開始以建構主義作為理論基礎，電腦輔助教學走向成熟階段。最早提出者可追溯至瑞士的皮亞傑(J．Piaget)，他是認知發展領域最有影響的一位心理學家，他所創立的關於兒童認知發展的學派被人們稱為日內瓦學派，他堅持從內因和外因相互作用的觀點來研究兒童的認知發展。建構主義學習理論的基本觀點認為：知識不是通過教師傳授得到，而是學習者在一定的情境即社會文化背景下，藉助其他人(包括教師和學習伙伴)的幫助，利用必要的學習資料，通過建構的意義的方式而獲得。所要建構的意義是指：事物的性質、規律以及事物之間的內在聯繫。在學習過程中幫助學生建構的意義就是要幫助學生對當前學習內容所反映的事物的性質、規律以及該事物與其他事物之間的內在聯繫達到較深刻的理解。這種理解在大腦中的長期存儲形式就是關於當前所學內容的認知結構。由於學習是學習者在一定的情境即社會文化背景下，藉助其他人的幫助，即通過人際間的協作活動而實現的主動建構知識意義的過程，因此建構主義學習理論強調以學生為中心，認為“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素。提倡在學習過程中充分發揮學生的主動性，體現學生的首創精神。

　　建構主義全新的教學思想，要求學生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變為信息加工的主體、知識意義的主動建構者；要求教師要由知識的傳授者、灌輸者轉變為學生主動建構的意義的幫助者、促進者。

　　強調“情境”對“意義建構”的重要作用。認為學習總是與一定的社會文化背景即“情境”相聯繫的，在實際情境下進行學習，可以激發學生的聯想思維，使學生能利用自己原有認知結構中的有關經驗，去同化和索引當前學習到的新知識，從而在新舊知識之間建立起聯繫，並賦予新知識以某種意義。

　　強調“協作學習”對“意義建構”的關鍵作用。認為協作學習環境及學生與周圍環境的交互作用，對於學習內容的理解(即對知識意義的建構)起著關鍵性的作用。這是建構主義的核心概念之一。通過這樣的協作學習，學習者群體(包括教師和每位學生)的思維與智慧就可以被整個群體所共用，即整個學習群體共同完成對所學知識的意義建構，而不是其中的某一位或某幾位學生完成意義建構。

　　強調對學習環境(非教學環境)的設計。認為學習環境是學習者在其中進行自由探索和自主學習的場所，在此環境中學生可以利用各種工具和信息資源(如文字材料、書籍、音像資料、CAI與多媒體課件及Internet上的信息等)來達到自己的學習目標。在以學生為中心思想指導下的課件設計應是針對學習環境的設計，學習則意味著更多的主動與自由。

　　強調利用各種信息資源來支持“學”。為了支持學習者的主動探索和完成意義建構，在學習過程中要為學習者提供各種信息資源(包括各種類型的教學媒體和教學資料)。但必須明確利用這些媒體和資料並非用於輔助教師的講解和演示，而是用於支持學生的自主學習和協作式探索。

　　電腦輔助教學的特征，分為技術層面和教育層面兩個方面。在技術層面上，有數字化、網路化、智能化、多媒體化等；在教育層面上有教材的多媒體化、資源的全球化、教學的個性化、學習的自主化、任務的合作化、管理的自動化、環境的虛擬化等。

　　1．技術特征

　　(1)數字化：具體體現在信息處理數字化、信息傳輸數字化。數字化處理的信息，保真度高、存儲量大、傳遞速度快。

　　(2)網路化：衛星電視、國際互聯網和全球信息高速公路的建設，將構成信息傳播的立體化。

　　(3)多媒體化：電子通信和電腦網路信息傳輸融合了超文本技術和超媒體技術，集文本、圖形、圖像、聲音於一體，信息傳遞多媒體化能夠消除信息的不確定性，有利於受眾的認識。

　　(4)智能化：信息技術與認知科學的融合產生了人工智慧，用電腦來模擬、延伸和擴展人的智能，以實現機器思維或腦力勞動的自動化，如智能教學系統等。

　　(5)虛擬化：由電腦模擬生成的虛擬世界，可以創造一種身臨其境的感覺。學習者通過虛擬情境去感知客觀世界並獲取有關技能。

　　2．教育特征

　　(1)教材多媒體化：教材多媒體化就是利用多媒體，特別是超媒體技術，建立教學內容的結構化、動態化、形象化表示。已經有越來越多的教材和工具書變成多媒體化，它們不但包含文字和圖形，還能呈現聲音、動畫、錄像以及模擬的三維景象。例如有一個關於英語辭彙的兒童多媒體學習軟體，第一幅畫面把常用的動作名詞和圖片彙編在一起，當你選擇chase(追逐)一詞，電腦會用聲音告訴你“追逐”就是在某人或某物後面run(奔跑)的意思，如果你在兩個小孩的畫面上點一下，他們就會飛快奔跑起來；如果你還想知道奔跑的確切含義，你再在run上面點一下，電腦又會呈現關於run的聲音解說和動畫。俗話說，書是死的，人是活的。但有了超媒體“電子書”，活人讀死書的時代將一去不復返，因為多媒體教材本身就是活的書。如何把“活書”設計好?如何把“活書”學好?這是信息化時代教師和學生面臨的新問題。

　　(2)資源全球化：利用網路，特別是Internet，可以使全世界的教育資源連成—個信息海洋，供廣大教育用戶共用。網上的教育資源有許多類型(圖1)，包括教育網站、電子書刊、虛擬圖書館、虛擬軟體庫、新聞組等。對於我國教育來說，面臨的一大問題是網上中文信息資源的嚴重不足。開髮網上教育資源，不但是教育部門的任務，也是社會各部門以及知識者的義務，美國的網上基礎教育資源體系就是依靠社會各界的協同努力建立起來的。

　　(3)教學個性化：利用人工智慧技術構建的智能導師系統能夠根據學生的不同個性特點和需求進行教學和提供幫助。為了做到這一點，學生個性的測定，特別是認知方式的檢測，將成為教育研究的重要研究課題。

　　(4)學習自主化：由於以學生為主體的教育思想日益得到認同，利用信息技術支持自主學習成為必然發展趨向。事實上，超文本、超媒體之類的電子教材已經為自主學習提供了極其便利的條件。

　　(5)活動合作化：通過合作方式進行學習活動也是當前國際教育的發展方向。信息技術在支持合作學習方面可以起重要作用，其形式包括通過電腦合作(網上合作學習)；在電腦面前合作(如小組作業)；與電腦合作(電腦扮演學生同伴角色)。

　　(6)管理自動化：利用電腦管理教學過程的系統叫做CMI(電腦管理教學)系統，包括電腦化測試與評分、學習問題診斷、學習任務分配等功能。最近的發展趨向是在網路上建立電子學檔(Learning Portfolio)，其中包含學生身份信息、活動記錄、評價信息、電子作品等。利用電子學檔可以支持教學評價的改革，實現面向學習過程的評價。

　　(7)環境虛擬化：教育環境虛擬化意味著教學活動可以在很大程度上脫離時空的限制，這是電子網路化教育的重要特征。現在已經涌現出一系列虛擬化的教育環境，包括虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬校園、虛擬學社、虛擬圖書館等，由此帶來的必然是虛擬教育。虛擬教育可分為校內模式和校外模式。校內模式是利用區域網開展網上教育，校外模式是指利用廣域網進行遠程教育。在許多建設了校園網的學校，如果能夠充分開髮網絡的虛擬教育功能，就可以做到虛擬教育與實在教育結合，校內教育與校外教育貫通，這是未來信息化學校的發展方向。如圖2是信息化學校的教育功能模式。