CAI系统的设计与CAI课件的开发及应用研究

[摘要]：介绍了计算机辅助教学CAI系统的功能与特点，对CAI课件的概念，特点及其开发方法与应用作了研究与探讨，给出了CAI的设计思想与原则，使人们对CAI课件及其应用有了清晰的认识。

 关键词：计算机辅助教学（CAI）；系统设计；课件；开发；应用

    1． 引言

        随着计算机技术日新月异的进步，计算机辅助教学（Computer  Assisted  Instruction即CAI）也得到了迅速发展，并成为现代教育科学和教育技术的重要组成部分。CAI也是当前教学改革的一项重要工作，它已经影响并将更有力地促进教学思想、教学方法、教学过程及教学模式的革新。此外，CAI的发展也已成为衡量一个国家教育水平、一所学校教学水平的重要标志。

   　 计算机辅助教学（CAI）是指教师为提高教学效果和效率，利用以计算机为中心的丰富教学资源改进传统教学，或为学生提供一个学习环境，学生通过与计算机产交互对话进行学习的一种教学形式。

  而CAI课件是设计人员（教师、CAI专家、程序设计人员）根据教学需求，遵循教学理论、学习理论和教学规律用CAI写作工具编制的具有教学功能的计算机应用程序。课件包含了教学内容、教学逻辑、教学策略和通过计算机进行教学活动的各种安排。具体地说，课件中含有向学生提供的各种教学信息和教学资料，有学习过程中的诊断、评价与学习建议，有进行教学强化的各种信息，还有控制教学过程的各种处理。

       利用CAI课件来辅助教学，使“看不见”的看见了，“摸不着”的摸着了，“拆不开”的拆开了，“动不了”的动起来了。增加了学生对抽象事物的理解与认识，提高教学效果。为此本文就CAI系统的功能、特点以及CAI课件的开发与应用做了深一步的探讨。

2．CAI系统的功能与特点

2.1CAI系统的组成

  CAI随着信息和计算机技术的发展而兴起,目前已构成教育学、计算机科学、信息科学及系统科学等交叉的新兴学科。它既可单机实现，又可分时操作以及网络化，应用十分广泛。CAI系统一般由3部分组成：硬件、软件和课件，它们和通常意义下微机的构成既有联系又有区别。其中CAI硬件包括：单个或用于分布式计算机网络系统中作为客户服务器的各种计算机，如微机、工作站、小型机等；与各种多媒体接口的设备，如键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪等输入设备和打印机，影像设备、语音设备、绘图仪、硬拷贝装备等输出设备，它们构成了CAI的躯体，CAI软件包括客户机/服务器及多媒体接口设备上运行所需的各种程序与资料，如操作平台、CAI专用写作语言、数据库与数据库管理系统等，它们构成了CAI的灵魂。而CAI课件则是一种体现教学原则、模仿教学过程、提高学习者素质与能力的，由教学或程序设计人员根据教学要求，用CAI写作工具编制的，且CAI硬件可执行的应用程序，它们构成了CAI的精华。CAI系统的组成见图1。

   2.2 CAI系统的功能

        由现代教育理论和现代电子技术结合而产生的CAI作为由计算机、学习者和课件设计者所构成的特殊的人一机系统，其功能：

        ①能部分取代教师的讲授、答疑、辅导作用，减轻教师的授课负担，如复习性辅导、上习题课、批改作业等，使教师有更多的精力转移到创造性劳动中。

        ②使学习者能通过带有课件的计算机获取所需知识，提高自身的素质，开发自己的智力，真正成为教学的主体，使学生在教学过程中不再被灌输，而是通过CAI提供的良好的学习与练习环境，让学生自己主动探试，从而调动其学习积极性，提高学习效率。

        ③实现大面积的因材施教，并能对每个学习者的学习方法、学习成绩做出及时判断和反映，并对不同程度的学习者提供具体帮助。

        ④在课件设计上能集中体现众多优秀教师的智慧和成功经验，它既能反映课程的主要内容，又能体现教学方法，以保证教学质量。   

     2.3  CAI系统的特点

        CAI与传统教学方法相比，具有如下明显特点：

        ①体现了以学习者为主体的现代教学思想，使学生成为教学过程的积极参与者，使其能主动地获取信息，从而更有利于培养创造力，有利于提高其综合素质。

        ②体现了个别化教学这一新的教学原则，它可以顾及到每个学习者的基础知识、理解能力、掌握程度等方面的不同，最大限度地发挥每个学习者的潜能。

        ③体现了提高课堂教学效率这一新的教改原则，可以借助于计算机及其他设备与软件的高性能，将课堂中诸多的概念、理论、方法、图表等信息实时交互地表示出来，通过图、文、声、像一体化的效果，使每个学习者能在极短的时间内获取大量有用的信息，促进其能力的提高及非智力因素的发展。

     3 CAI系统的设计思想与原则

     3.1CAI系统的设计思想

        CAI系统的开发，其早期的理论基础是程序教学和视听教学。在系统设计中要改变传统的以教师为中心的教学模式，要能体现教学个别化理论，并建立学习者挖掘自身学习潜能的新途径。故在CAI系统的课件设计中要将学习内容按照纲要、图表、理论及方法等列出，用一些典型问题来检验学习者的学习效果，并给出适当的评价，要注意在CAI这一特殊的人机系统中能有友好的人- 机对话界面，要使每个学习者在系统中能灵活而自主地学习，并在学习中训练思维与逻辑推理技能，提高其综合素质与能力，即CAI系统在设计思想上应该有很强的交互性、对教与学双方的激励性，所涉及问题的复杂性以及学习者素质与能力培养的可探求性等。

     3.2CAI系统的设计原则

        CAI系统开发的关键是CAI课件的设计，故CAI系统的设计原则应为：

       ①在教学内容选择上要突出课程重点与难点，注意教学规律与学习者的认识规律。

 ②在教学方法上要体现素质与能力的培养，要把启发式教学原则溶于课件的始终，要把证明与猜想结合起来，把演绎推理与合情推理结合起来。

③在教学手段表现中要充分发挥计算机的特点，将文字、图表、公式、方法等有机联系，将声、像、动画等有机结合，使系统灵活生动，且有一定的规范性与扩充性，并能充分体现交互性。

  依据上述设计原则可以调动教学双方的主动性，并使学习者能实现学习上的创新，达到教学目标的总体优化。

    4  CAI系统设计的方法

  随着多媒体和人工智能等高技术的进一步发展，CAI的应用将进一步深入。在CAI的系统设计中：

  ①要注意引入人工智能学科领域的专家系统、知识工程、模式识别、图像处理、神经网络等高新技术；引入管理信息系统，开发智能化的CAI系统，即在CAI设计方法上要智能化，以提高系统的自适应能力。要注意广泛的技术支持，应将诸如面向对象技术、多媒体技术、计算机网络技术、自主语言理解等融于CAI系统设计中，使其具有良好的交互功能。

 ②要注意引入集成化方法，因为CAI课件中要反映许多基本概念、基本理论、基本方法和诸多的模型，它们之间存在着包含、等价、顺推、逆推及综合等关系，故CAI系统设计中要将各种数据、模型、方法、知识、工具、图形、文本等集成，并能实时处理学习者提出的各种问题

  ③要注意协调化原则，即在CAI系统设计中，要使各事件之间，各类库之间、各子系统之间能相互配合、协同运行，实现复杂的多事件的CAI系统的总目标与任务。这里包含了人机协调、多用户协调、多模型多方法协调、多库协调和多媒体信息协调等。CAI系统结构见图3

  5 CAI课件的开发及应用

    5.1CAI课件的特点

  CAI课件在教学中的使用，弥补了传统教育的不足，改变了传统的知识的储存、传播和提取方式，引起了教育的新变革。

  ①丰富的表现力

  CAI课件具有呈现客观事物的时间顺序、空间结构和运动特征的能力。对一些在普通条件下无法实现或无法用肉眼观测得到的现象，可以用CAI课件以生动直观的形式模拟出来，增加学生对抽象事物的理解与认识，引导学生去探索事物的本质及内在联系，增进教学效果，提高教学效率。

   ②交互性强

  CAI课件不仅用多种形式记录了要传播的信息，更重要的是它具有人机交互的能力。它可以模拟教师的思维活动，能根据学生输入的信息，理解学生的意图，并运用适当的教学策略，指导教学生进行有针对性的学习，解决了传统教学中学生“两极分化”的难题，既允许成绩差的学生进行补救性的学习，又允许成绩好的学生进行更深入的学习。

  ③共享性好

  随着高速信息网的不断延伸，课件所包含的教学内容可以通过联接在网络上计算机进行相互传递，网络上的信息资源可以实现共享。CAI课件，特别是大型课件是由教育专家、优秀教师和计算机技术人员共同开发的，它集先进教育思想、成功的教学经验与现代技术为一体。以网络、光盘为载体的课件在知识的传播上不再受时间地点的限制，学习不再受局限于某一处，单位、家庭及社会都可以成为“学校”

        5.2CAI课件的开发方法与步骤

        CAI课件实质是一种计算机应用软件，课件的开发方法和过程与一般的软件开发有着许多相似的地方。但是，课件是为学生提供学习环境，通过与学生的交互，使学生学到特定的知识和技能，达到预期的教学目标。根据计算机辅助教学理论，课件的开发过程包括以下几个步骤：

        ①课题选择

        在课题选择上首先要制定教学要求，明确课件是对哪个学科的课和进行辅助教学，并在选定的学科中，确定教学内容和教学范围；其次明确所制作的课件适合于哪类学习者使用。要考虑以下几点：学生的文化程度、年龄、学习能力、对计算机操作的能力和先置条件；然后是课件运行环境，其中包括计算机的硬件环境、计算机软件环境、课件播放环境。

        ②课件的教学设计

        课件是根据教学目标设计的计算机程序。作为一种教学媒体，它应该能够根据学生的交互，控制计算机所呈现的教学信息。课件的教学设计主要有教学单元的划分、素材的选取、知识结构的建立和形成性练习的设计等。课件的教学设计最能体现教师的教学经验和教学特点，它是教师教学思想的具体表现。

        ③课件的系统设计

        课件具有存储信息量大交互性好的特征，因此，必须认真设计课件的系统结构，才能保证其达到最佳的教学效果。课件的系统设计通常包括以下内容：首先根据教学设计要求和课件教学模式，确定制作课件所需的工具软件；其次进行封面设计，封面是计算机与学生的第一个交互界面，用于说明课件所包含的主要教学内容及该课件的使用方法等重要信息，它决定着课件的总体设计是否合理、使用是否方便；然后是建立教学单元间的层次结构。

        ④素材的准备

        恰当地选择素材，能使课件的表现力更加丰富、生动活泼，有利于激发学生的学习动机，扩大学生直接经验。素材要根据教学需要和教学内容来准备，以理想的形式呈现教学内容，满足学生听得懂、看得清、记得牢的要求，不能选择那些不符合教学规律和教学内容的素材。

       ⑤课件的编辑

       利用制作工具或程序语言对各种素材进行编辑，按照前面的教学设计所确定的课年结构将各种素材有机地结合起来，编辑成交互性强、操作灵活的课件。      

        ⑤课件的试用与评价

        课件编制完后，需组织人员对课件是否达到设计要求进行全面分析。检查该课件的教学单元设计、教学设计、教学目标等等是否达到了要求，对课件信息的呈现、交互性、教学过程控制、素材管理和在线帮助进行评估。

        ⑥实现产品化

        经过充分试用，广泛征求意见，对暴露出的不足之处进一步修改完善，以便使该项目的成果能够作为一个软件产品推广应用。

5.3CAI课件的应用

        CAI课件产品化后，最终要应用在教学中，那么我们在应用课件是也要注意一些问题以减少负面效应对教学的影响。

 ①环境因素：

 对计算机的档次要求较高，外设价格昂贵，尤其是我国一些不发达地区计算机还没有普及这就造成硬件的不足和软件与现行教学内容不配套。

  ②教师因素：由于计算机操作的复杂性，熟悉计算机的硬件和软件要花费很多时间，也会使一些教师知难而退，从而影响CAI课件在教学中使用，使其在教学中优势大打折扣。

 ③学生因素：学生是学习的主体，学生对CAI课件的态度也会影响其学习效果，因此要利用课件将一些枯燥、抽象的概念、复杂的变化过程和运动形式，以内容生动、图像逼真、声音动听的教学信息展现在学生面前，使学生感到客观事物真实可信，有利于知识的理解。

  ④课件的因素：CAI课件在教学中应用还处于刚刚起步阶段，各种课件的良莠不齐，以及课件教学策略的科学性和与教学内容的适配性也存在一定的问题。比如在需要培养学生抽象和逻辑思维能力时，而利用课件直观地展示给学生结果，教学效果并一定好。目前课件的来源主要有两种：一种教师自已编制，另一种软件公司的产品，无论选用哪种，任课教师都要根据课件要展示的内容是否符合自己的教学目的和教学要求来定。

     6 结束语

        本文就CAI系统设计和CAI课件开发与应用做了探讨和研究，给出的设计思想与原则对CAI课件的开发具有普遍的意义。