面向教师教育技术能力培训的教学设计专家系统研究.ppt
2023年4月26日星期三,面向教师教育技术能力培训的教学设计专家系统研究,提纲,绪论文献研究研究过程：ID-ES的设计与开发推广应用研究结论与展望,教师教育技术能力培训,面向,的,教学设计专家系统,研究,问题聚焦,寻求解决方法,设计开发,应用实施,教学设计,工具资源,绪论,研究背景问题的提出研究目标,1.1 教师教育技术能力培训：由面授培训向远程培训的转变,2004年12月，中小学教师教育技术能力标准颁布2005年4月，“中小学教师教育技术能力建设计划”启动。预计到2007年底，完成1000万教师的培训。截止到2008年10月，累计培训中小学教师267万名。开始转变以往以面授为主的培训方式，大力借助远程教育手段，开展远程培训。,1.2 问题的提出,教育技术能力培训的核心内容：教学设计远程培训中教学设计技能训练工具的缺失面向教学设计培训的教学设计专家系统呼之欲出,1.2.1 教育技术能力培训的核心内容：教学设计,教育技术能力的核心内容是教学设计。（何克抗，2006）在培训大纲中，教学设计的培训由两部分组成，即“一节课或一个教学单元/主题”的教学设计方案的编写以及对编写好的教学设计方案的“实施或展示、研讨教学”教学设计是重点：培训目标、培训教材、培训评价均有所体现教学设计是难点：教学设计是多学科内容的综合；需要在短时间内掌握（约20个学时）；可能在为充分掌握相关知识前就需要编写教学设计方案。,1.2.2 远程培训中教学设计技能训练工具的缺失,教学设计学科是一门方法论性质的学科，其知识内容以心智技能等过程性知识为主，在远程培训中还必须为参训教师创设教学设计实训环境。已有网络课程尚没有提供支持参训教师进行教学设计各个环节操练的工具。在教学设计方案的编写，以编辑WORD文档的方式完成教学设计方案的编写。在对编写好的教学设计方案的“实施或展示、研讨教学”方面的能力训练几乎没有条件开展,1.2.2 远程培训中教学设计技能训练工具的缺失,对参训学员的调查表明，利用WORD格式的教学设计模板编写教学设计方案时遇到多方面的困难，希望提供智能化、资源丰富的工具。,1.2.3 教学设计专家系统呼之欲出,远程培训中，必须为参训教师提供一个教学设计技能训练工具，笔者将该工具称之为教学设计专家系统（简称为ID-ES）。专家系统指的是能代替、减轻专家智力劳动的计算机程序系统。首先，教学设计是教育技术能力培训的重点和难点，教师在教学设计能力方面的训练主要以编写教学设计方案的方式来完成，因此本研究所要研制的ID-ES应该能够在教师编写教学设计方案时提供绩效支持功能。,1.2.3 教学设计专家系统呼之欲出,其次，教学设计是建立在许多学科的内容包括学习理论、教学理论、系统科学、传播与信息理论等基础上的交叉学科，有许多新知识需要参训教师去了解、学习和掌握，由于参训教师往往在没有完全掌握这些知识的情况下就需要去编写教学设计方案，在编写过程中必然需要补充学习各种相关知识，因此，本研究所要研制的ID-ES应该能够在教师教学设计能力培训中提供教学功能。,1.2.3 教学设计专家系统呼之欲出,最后，本研究所要研制的教学设计专家系统尚不能对“实施或展示、研讨教学”方面的能力训练提供全面的支持，但是仍然尝试提供一定的支持环境。通过教学模式（以信息技术与课程整合过程中的教学模式为主）检索与案例观摩功能来为参训教师开展“实施或展示、研讨教学”方面的能力训练提供的一定支持。,1.3.研究目标,本研究的目标是设计并开发具有教学设计方案编写绩效支持功能以及教学设计学科知识、教学模式教学功能的教学设计专家系统（ID-ES），并在这一过程中构建一个新的教学设计自动化语义模型，形成基于文本挖掘的教学设计学科知识库半自动构建的理论与方法。,教学设计专家系统（ID-ES）,教学设计自动化工具,专家系统,知识型系统,AKO,AKO,AKO,2.文献研究,教学设计自动化：理论与工具知识型系统建设的理论与方法,2.1 教学设计自动化：理论与工具,教学设计自动化(Automated Instructional Design，简称AID)，指的是有效发挥计算机技术的优势，为教学设计人员和其他教学产品开发人员在教学设计过程和教学开发过程中提供辅助、指导、咨询、帮助或决策的过程。2.1.1推动教学设计自动化产生与发展的教学设计理论2.1.2教学设计自动化工具（AID工具）,2.1.1 推动教学设计自动化产生的教学设计理论,教学设计是一门规定性理论科学（瑞格鲁斯）学习条件理论（加涅）成分显示理论（CDT）、教学处理理论（ITT）（梅瑞尔）国内学者对成分显示理论的改进（李向荣，杨开城；李文光；）梅瑞尔和瑞格鲁斯对学习条件理论的扩展教学处方理论（郑永柏）学习理论、教学理论与教学设计的嵌套关系图（Bourdeau,J.和Mizoguchi,R.）教学设计语义模型（崔光佐）,2.1.1 推动教学设计自动化产生的教学设计理论,综观上述教学设计自动化理论方面的研究成果，一个突出的问题是如何恰当规定教学处方的粒度。对教学处方的过细规定如梅瑞尔和瑞格鲁斯等人的工作并只注重教学方法变量的横向分析，将对最后教学设计方案的形成造成困难；对教学处方的过大规定如大到一个教学模式，则会造成所开出的处方难以精确解决教学中存在的问题。本研究将对教学处方的粒度折中处理。需要对教学结果、教学条件以及教学处方做出更为合理的语义建模，崔光佐博士的教学设计语义模型提供了一个范例，但仍需根据本研究所要研制的ID-ES的独特性予以重构。,2.1.2 教学设计自动化工具（AID工具）（国外部分）,专家系统Merrill 等人的ID Expert、IDXeleratorSpector 等人开发的XAIDA 系统咨询系统Duschastel的IDAW(Instructional Design Advanced Workbench)系统信息管理系统IDE(Instructional Design Environment)系统是教学设计信息管理系统的典型代表。电子绩效支持系统(EPSS)AGD、Designers Edge 和Instructional Design Ware课件制作工具（Authoring Tools）Flash、Authorware,2.1.2 教学设计自动化工具（AID工具）,专家系统过于严格的约束必然限制教师创造性的发挥。在实施过程控制的同时，还要内置多种过程模式以供教师选用，取消严格的设计约束而代之以设计建议推送。处理好教学设计过程规范性和灵活性的关系，既注重教学设计的规范性，又不失教学设计的灵活性，发挥教师的创造性。EPSS系统中的Designers Edge 和Instructional DesignWare则侧重于对教学设计过程的支持，提供流程约束，同时还提供了基于上下文情境的在线帮助、向导、自学材料等，这些功能均值得笔者借鉴。,2.1.2 教学设计自动化工具（AID工具）（国内部分）,教学模式工具包（张际平，1996）JBMT 系统（基于教学策略的课件开发平台）（汪琼，1997）ISD EPSS Wizard（郑永柏，1998）EPSS式专案本位学习系统（PBLS）（台湾淡江大学教育技术系）基于知识库和EPSS 的教学设计自动化系统（马宁，2003）IDITC 系统基于活动的教学设计自动化系统（杨开城，2003）教E通（清华同方思科，2005）,2.1.2 教学设计自动化工具（AID工具）,注重教学模式库的建立教学设计方案编写与课件制作关联起来教学设计方案编写支持主要以填写表格的形式实现，不存在知识推理过程。,2.1.2 面向e-Learning设计的AID工具,InSite Studioe-Learning 设计环境密西西比州立大学高级媒介系统中心(CAVS)的高级学习技术组Reload Learning Design Editor（Reload学术组织，2005）支持IMS LD规范教学过程设计可视化工具（曹晓明，2006）为e-Learning设计学习流程,2.1.2 面向e-Learning设计的AID工具,致力于数字化教学系统的形式化表示，如制定IMS LD规范，是继数字化教学资源形式化表示之后的又一重要成就。有助于今后教育语义网的建立。借鉴IMS LD规范在对教学系统进行形式化表示的成果，特别是对教学活动进行形式化表示的成果,2.1.2 已有AID工具对ID-ES的启示,提供对教学设计整个过程的支持是本研究所要研制的ID-ES需要重点完善的地方。要克服以往教学设计专家系统对教师约束过大的不足，通过提供多种学科、多种课型的教学设计过程模式、教学模式和教学规则来提高中小学各学科教师开展教学设计的灵活性。要克服已有教学设计自动化工具以教学模式为主要教学处方、导致教学处方粒度过大的不足，通过推送可选粒度的教学处方来提高教师开展教学设计时的灵活性和创造性。能在教师教学设计能力培训中提供教学功能。系统的教学设计学科知识学习功能，教师编写的教学设计方案的检验和评价功能,2.2 知识型系统建设的理论与方法,知识是以各种方式把一个或多个信息关联在一起的信息结构。知识分为三类，即陈述性知识、程序性知识和条件性知识。知识工程知识的获取知识的表示知识的运用和处理,2.2.1 知识的获取,知识获取分主动式或被动式两大类。本研究在建立知识库时将综合运用两大类知识获取方法，即采用文本挖掘的方式从文本材料中自动获取知识，又采用人工录入的方式将一些未能自动发现的知识传授给知识处理系统。相关技术：中文分词、信息提取、术语提取、形式概念分析,2.2.2 知识的表示,知识表示是利用计算机能够接受并进行处理的符号和方式来表示人类在改造客观世界中所获得的知识。谓词逻辑表示、框架表示、产生式表示、语义网表示、与或图表示、Petri网表示、面向对象表示本研究拟采用语义网络表示法、框架表示法和产生式表示法等三种方法来表示知识。,语义网络表示法,语义网络是用于表示知识和建立认知模型的一种带标号的有向图。,框架表示法,框架表示法是借助于以往经验对特定场合下的对象或事件序列作出估计的知识表示方式。,产生式表示法,产生式表示法是依据人类大脑记忆模式中的各种知识块之间的大量存在的因果关系，并以“IF-THEN”的形式，即产生式规则表示出来的。,2.2.3 知识的运用和处理,知识处理学研究知识运用中都可能用到的一些方法，包括推理、搜索、知识的管理及维护、匹配和识别等。笔者将把建好的知识库全面应用教师教学设计理论知识学习与教学设计方案编写中，这一过程将充分应用推理、搜索、知识的管理及维护、匹配和识别等各种方法。,3.ID-ES的设计与开发,3.1 ID-ES体系结构设计3.2 ID-ES语义模型的建立3.3 教学设计学科领域本体的建立3.4 教学模式库与教学设计方案库的建立3.5 教学设计规则库的建立3.6 ID-ES各个功能模块的设计与开发,3.1 ID-ES体系结构设计,3.2 ID-ES语义模型的建立（1）,以郑永柏（1998）为例，他所提出的教学处方理论的理论框架可以用函数表示为：m=f(c，o)，其中教学结果（o）和教学条件（c）是自变量，教学方法（m）是因变量。这里的教学结果、教学条件以及教学方法都比较含糊，并且没有指出知识库在其中所处的位置，难以直接应用到教学设计自动化工具的开发。崔光佐（2008）所提出的教学设计语义模型过于理想化，适用的知识范围很小，仅适用于认知领域且结构良好的知识的学习，很难做到实用化；并且在该模型中教学事件选择与学习资源序列生成完全由计算机完成，教师的创作空间几乎没有（该模型更接近于自适应学习系统模型）。不过他所提出的对教学设计过程中各个对象进行形式化以使计算机能够理解这些内容及相互间的关系的思路却是值得借鉴的。,3.2 教学设计自动化语义模型（2）（P41）,3.2 ID-ES中教学设计自动化实现的一般过程,3.3 教学设计学科领域本体的建立（1）,借助于知识工程师从专家获取借助于智能编辑程序从专家获取借助于归纳程序从大量数据中归纳出所需知识 借助于文本理解程序从教科书或科技资料中提炼出所需知识,5.2 教学设计学科领域本体库的建立（2）（P47）,基本步骤文献材料选取文献材料文本处理概念关系标注形式化表示与存储领域本体评价,3.4 教学模式库、教学设计方案库的建立,教学模式、教学策略文本和教学设计文档收集模式、策略、方案建模以“教学设计方案建模”为例教学设计方案录入工具开发,3.4 教学设计方案建模,一个完整的教学设计方案应该包括教材概述、设计理念（设计思想，教学设计思路）、教学内容分析（学习内容分析，教学重难点）、学习者特征分析、教学目标分析（学习目标分析）、教学策略选择与设计、教学资源的选择与设计（教学媒体的选择和利用，教学准备，信息技术应用分析）、教学过程设计、教学评价设计、教学反思等10项内容,3.4 教学设计方案建模,教学设计方案除了上述十项主体内容外，还需要定义一些属性来对其进行描述，以便读者进行查找。这里笔者定义“名称”、“作者”、“单位”、“方案出处”、“科目”、“教材版本、“年级”、“课文（章节）名称”、“主要教学内容”、“主要的教学目标”、“课时”、“教室环境”等12个属性来描述一个教学设计方案。,3.4 教学设计方案框架表示模型,3.4 教学设计方案框架表示模型,一个教学设计方案就是一个框架，它由两个子框架即“基本信息”框架和“教学设计过程”框架组成，“教学设计过程”又由10个子框架即教学设计方案10项主体内容构成，这10个子框架又以子框架表示，如此嵌套表示下去。基本信息框架外，其他框架都包含四个侧面即四个属性，分别是“上位框架”、“名称”、“类型”、“内容”。,3.4 教学设计方案录入工具开发,3.5 教学设计规则库的建立,以新课程标准为素材，以适应中小学各学科教师的使用需求。“内容标准”则规定了该课程所包含的所有内容及层次关系，并对每项内容所应达到的目标进行了规定，可以采用的教学方法、评价方法提出了若干建议，这里面就存在三种对应关系，即“教学内容教学目标”配对、“教学内容教学方法”配对、“教学内容评价方法”配对，这三种对应关系其实就可以视作是三类教学设计规则，可以作为教学设计规则库的重要组成部分。,知识库建设小结,提出了较为系统的将文本材料转换为知识库的方法包括基于文本挖掘的教学设计学科领域本体半自动构建方法、各类知识库的关系数据库存储方法，并开发了一系列的算法、工具如中文术语自动提取算法、概念间关系计算机辅助发现算法、中文定义自动抽取算法、教学模式和教学设计文档录入工具、课程标准录入工具等。利用上述方法和工具开发一组相互关联的知识库：包含有1211个术语、299条术语定义、近600条各种语义关系的教学设计学科领域本体库库；包含有200个优秀教学设计方案、涉及中小学22个学科的优秀教学设计方案库；包含有107个教学模式、涉及中小学22个学科的教学模式库；涉及中小学22个学科的课程标准库；以及包含近15个教学设计模板以及各类属性列表的教学设计模板库。,3.6ID-ES各个功能模块的设计与开发,3.6.1 教学设计方案编写工具的功能流程与实现3.6.2 教学设计方案库和教学模式库检索功能的实现3.6.3 教学设计学科领域本体查询功能的实现,3.6.1 教学设计方案编写工具的功能流程与实现,第一步：登录“教学设计专家系统”,第二步：创建教学设计方案，填写初始化信息,第三步：编写教学设计方案主体部分,第四步：评估教学设计方案，查看评价报告,第五步：完成教学设计方案，提交作业,3.6.2 教学设计方案库和教学模式库检索功能的实现,3.6.3 教学设计学科领域本体查询功能的实现,4.ID-ES在教师教育技术能力培训中的推广应用,教师教育技术能力培训中与教学设计相关的活动分析模块1、模块2和模块7中均有教学设计相关知识学习活动和教学设计方案编写活动。ID-ES典型应用设计教学设计方案编写练习理论知识学习案例观摩ID-ES应用实施与效果分析,4.3 ID-ES应用实施与效果分析,应用1：向一线教师个别展示ID-ES，以收集初步的反馈意见 应用2：在某个培训班中试用ID-ES，以获取较大范围内的反馈意见 问卷中各个问题的平均得分均在4分以上。对工具的“有用性”的评价（T1T4）要高于对工具的“易用性”（T5T7）的评价 应用3：在互联网发布该工具，邀请已参加省级骨干培训班的教师及其他教师进行公共测试,教师教育技术能力培训,面向,的,教学设计专家系统,研究,问题聚焦,寻求解决方法,设计开发,应用实施,教学设计,工具资源,5.研究结论与展望,研究工作小结本研究设计并开发具有教学设计方案编写绩效支持功能以及教学设计学科知识教学功能的教学设计专家系统（ID-ES），有效解决了教育技术能力远程培训中教学设计能力训练工具缺乏的问题，并在这一过程中构建了一个新的教学设计自动化语义模型，形成了基于文本挖掘的教学设计学科知识库建设的理论与方法。,5.研究结论与展望,综合以上研究工作，本研究在以下三个方面取得了一定的创新：构建了“基于知识库的教学设计自动化语义模型”。提出了基于文本挖掘的教学设计学科知识库半自动构建的理论与方法。设计开发了首个面向教育技术能力培训、具有教学功能的实用教学设计专家系统。,5.研究结论与展望,本研究仍然存在四方面的不足：一是对教学设计推理时各项输入条件的描述不够精确。二是教学设计推理的输出部分仍欠丰富。三是教学设计学科知识只能以文本形式表征，不够直观。四是未能针对教学组织、实施、管理方面的能力训练提供强有力的支持环境。,5.研究结论与展望,研究展望建立更为细化的教学设计初始化条件的描述模型，用于标注这些条件的内容体系将具体到各个学科；在ID-ES应用过程中，不断回收产生的教学设计方案，用以继续丰富、优化知识库，不断增强ID-ES的相关推送功能；采用FLASH动画技术，以概念图的形式直观呈现教学设计学科领域本体中概念及概念间的关系 将尝试采用游戏制作方面的技术，模拟真实的课堂环境,2023年4月26日星期三,敬请指导!谢谢！,
