張挺聳　徐銘澤　劉春宇

摘? 要： 針對現(xiàn)有多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)兼容性差、負(fù)載能力弱、耗時長等問題，提出并設(shè)計基于概念網(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)計理論知識模塊、實驗?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)知識體系，完成理論知識體系設(shè)計，使用圖像和動畫展示方式設(shè)計實驗?zāi)K，基于理論知識和實驗?zāi)K對學(xué)生知識建模，對比學(xué)生知識與理論知識，使用計算機對學(xué)生的知識掌握情況計分，實現(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。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的兼容性，負(fù)載能力強，耗時低，具有實際應(yīng)用價值。

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

中圖分類號： TN711?34; TP391.6? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

在計算機網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展時代，多媒體輔助技術(shù)已廣泛應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域中，受到各國重點關(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、無時空限制等優(yōu)勢，能夠為教師和學(xué)生提供雙向、動態(tài)的交流。同時，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[1?2]。物理是高校理工科專業(yè)的一門必修課，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗素質(zhì)和實踐能力的重要途徑，物理多媒體輔助教學(xué)是將物理實驗原理、儀器以及實驗數(shù)據(jù)等通過多媒體技術(shù)模擬出來的方法，能夠大大方便教師教學(xué)和學(xué)生溫習(xí)，并生動、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)具有一定的實際意義，能夠切實改善教學(xué)效果，提升學(xué)生能力[3?4]。

李建偉等人了針對學(xué)習(xí)知識、教學(xué)評價等內(nèi)容，基于學(xué)習(xí)分析設(shè)計了一種自適應(yīng)教學(xué)系統(tǒng)，通過不斷的系統(tǒng)測試獲取了學(xué)生學(xué)習(xí)水平，針對性地給出了學(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，但該方法的耗時較長[6];王曉萍基于VOD設(shè)計了一種網(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#語言對軟件進行設(shè)計，給出了大量雙向交互資料的存儲方式，完成教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，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，改進不足，提出并設(shè)計了基于概念網(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

多媒體技術(shù)以動畫、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)計的新型教學(xué)方式[8?9]，該教學(xué)系統(tǒng)包括計算機主機、輸入/輸出設(shè)備、存儲設(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)計中，邏輯層是系統(tǒng)設(shè)計核心，只有保證邏輯層中理論知識模塊、實驗?zāi)K、學(xué)生練習(xí)模塊的順利運行，才能有效實現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計目的。本文系統(tǒng)設(shè)計以量子力學(xué)中測不準(zhǔn)關(guān)系教學(xué)為例，具體模塊設(shè)計如下。

1.1? 基于概念網(wǎng)絡(luò)的理論知識模塊

概念網(wǎng)絡(luò)是對人工智能研究的一種探索，將概念作為基本節(jié)點，用于描述客觀事物及事物間關(guān)聯(lián)的知識表示框架體系。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整體，用于指導(dǎo)智能系統(tǒng)對于預(yù)期行為的判斷和處理。概念網(wǎng)絡(luò)包含3個元素，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)形成的知識體系構(gòu)造框架下，不同領(lǐng)域內(nèi)事物依據(jù)自身特點同時基于框架可以形成不同的知識體系，此知識體系構(gòu)造方式更為符合人的思維模式。將概念網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于理論知識模塊中，形成理論知識體系，如圖2所示。

1.2? 實驗?zāi)K

量子力學(xué)的測不準(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)研究等實驗，實驗中對于變量如單縫寬度的設(shè)置通過滾動條完成，通過實驗設(shè)置，能夠?qū)⒗碚撝R應(yīng)用到實際中，清晰地展示粒子衍射條紋以及曲線分布情況，使用圖像和動畫展示。圖像設(shè)計包括波函數(shù)、概率分布圖等，動畫是指有規(guī)則性地動態(tài)展示在計算機上的圖像，動畫的設(shè)計具有較強的真實感，可以增加教學(xué)的趣味性。實驗?zāi)K設(shè)計中形成的圖像和動畫均通過計算機編程實現(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，這是教育進步的一個標(biāo)志，也是促進多媒體輔助教學(xué)開展的基礎(chǔ)[12?13]?；谏鲜?.1節(jié)的理論知識和1.2節(jié)的實驗?zāi)K，對學(xué)生知識進行建模，保證學(xué)生知識與理論知識、實驗知識一致，將學(xué)生知識與理論知識體系進行對比，形成對比模型，如圖3所示。

圖3中，賦予知識領(lǐng)域每個屬性節(jié)點數(shù)值1，同時也在學(xué)生知識模型中設(shè)置數(shù)值范圍[0，1]。0表示學(xué)生對于知識完全沒有掌握，1表示學(xué)生已經(jīng)完全掌握該節(jié)點知識。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)計了多個選擇題，基于上述機制完成學(xué)生練習(xí)，獲取學(xué)生行為，練習(xí)結(jié)束后，計算機能夠自動判斷答案對錯，給出學(xué)生知識掌握程度數(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，如圖4所示。

2? 實驗結(jié)果與分析

為測試本文系統(tǒng)的性能，進行實驗分析，本系統(tǒng)運行所需要的硬件配置為內(nèi)存64 GB，256色顯示卡，125 MB硬盤，顯示器分辨率為1 024×768像素。系統(tǒng)運行所需要的軟件配置為Windows XP操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)訪問組件MDAC2.8，運行環(huán)境使用Netframework 2.0版本。本系統(tǒng)設(shè)計中基于Struts框架實現(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)約開發(fā)時間。

實驗分析中，選取SQL Server數(shù)據(jù)庫中的100萬數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，其中，50萬數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)訓(xùn)練，50萬數(shù)據(jù)用作系統(tǒng)測試。選取以下實驗指標(biāo)進行實驗驗證分析：系統(tǒng)負(fù)載測試和系統(tǒng)耗時。

2.1? 實驗一

對于一個完整的系統(tǒng)來說，負(fù)載能力大小是決定系統(tǒng)性能的直接因素，本實驗使用Web Application Stress進行系統(tǒng)負(fù)載測試，測試參數(shù)設(shè)置見表1。

將測試結(jié)果與文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]進行對比，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可以看出，無論并發(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)能夠更長時間保持高效運行，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? 實驗二

將本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的運行耗時進行對比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著測試數(shù)據(jù)量的增多，本文系統(tǒng)的運行耗時出現(xiàn)了小幅度的上升，最大耗時為15 s，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的曲線變化幅度較大，且耗時較多，耗時最大數(shù)值為35 s，大于本文系統(tǒng)。本文系統(tǒng)的運行耗時低，優(yōu)勢顯著，這是因為本文使用概念網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建理論知識模型，形成了知識表示框架，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)。重點描述了基于概念網(wǎng)絡(luò)的理論知識模塊、實驗?zāi)K和學(xué)生練習(xí)模塊，完成了系統(tǒng)設(shè)計。并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的良好性能，具有一定的參考價值。然而，該系統(tǒng)設(shè)計中仍存在一定的不足，對于學(xué)生和老師之間的交互性能未進行分析，在之后的研究中，將重點針對交互性進行分析，進一步提升系統(tǒng)性能。

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