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1、教育的信息化科学化与智教育的信息化科学化与智能化能化第1页，本讲稿共53页主要内容主要内容l对教育的理解l教育信息化模型与演变lE-learning的效率与局限性l教育过程的有效性验证l教育的科学化与智能化l将来的趋势与期望第2页，本讲稿共53页人类与世界人类与世界获取知识记忆知识利用知识解决问题实际世界(人,社会,自然)知识世界认识和实践方法:教+学+实验人的模型教育的作用第3页，本讲稿共53页教育的因素及其关系教育的因素及其关系教育内容教育手段教育者受教育者教育理论教育技术学习理论学习技能效果知识+能力教学设计关于世界的知识方法、策略、工具内容设计+环境设计学习过程:复杂的主动过程状态-1
2、:心智+身体状态-2:心智+身体教学设计第4页，本讲稿共53页教育的目的：知识及能力教育的目的：知识及能力推理判断概念表象知觉感觉感觉器官，运动器官感性知识及其获得能力理性知识以及获得能力 解决问题的能力环境 描述性知识与程序性知识知识的分类第5页，本讲稿共53页解决问题的能力解决问题的能力个人(1)个人(1)个人(1)社会环境自然环境利用知识解决问题利用知识解决问题:(1)个人问题:身体生存 精神感受(2)社会问题:人与人之间的关系和矛盾等(3)自然界问题:现实与希望之间的差别222333第6页，本讲稿共53页如何获得知识和能力？如何获得知识和能力？l教学内容 l世界的知识l知识表示l教师工
3、作l内容设计:如何编排内容l环境设计:物理的精神的l教育实施l教学手段l教育方法，教育策略l教育工具l学习l获取知识、技能l知识获取的能力l解决问题的能力目标支持改进学习活动学习方法学习理论教育活动教育方法教育理论教与学环境和工具第7页，本讲稿共53页教育的层次结构教育的层次结构教育方法、教育策略教育理论：解释教育哲学：应该是什么？应该如何做？一般哲学目标：学生获得知识和能力学习活动：主体学生教学活动：主体教师教和学的实际环境教学设计教育技术：实际的对象具体的教育内容、学生、工具等教育理论：抽象的对象对所有对象所适合的方法和模型。以教育总体为研究对象以整个世界为研究对象教育信息化的主要内容第8
4、页，本讲稿共53页教育信息化教育信息化l国外也称为e-learningl是一种教育技术l通过使用计算机技术、信息技术、通信技术（Information and Communication Technology,ICT）来增强教育的技术。第9页，本讲稿共53页教育信息化（教育信息化（e-learning）的内容）的内容学期计划经过教育的人教育教育评估评估人招生入学毕业结业学习成绩大学教育过程教授活动学习活动课程考核教学过程教务管理教育管理课程计划管管理理改改革革教教学学评评估估教学设计N教学内容第10页，本讲稿共53页教育信息化教育信息化(e-learning)模型模型技术实现技术实现课件设计受
5、教育者受教育者内容呈现交互反馈教育评估教育理论教育方法教育研究教育者教育者教育服务器课件资源教育理论教育方法教育研究信息技术通信技术教育研究教育研究教育实践教育媒介ICT技术教学服务器替代教师的部分工作提高了教学效率（是否提高了学习质量？）完成内容传输和交互为教育内容和教育行为建立模型第11页，本讲稿共53页E-learning技术随技术随ICT的演变的演变处理技术表示技术Data-Level Information-LKnowledge-LDataProcessInformationProcess(SQL)MetadataMetadataProcess(XML)KnowledgeProces
6、s(OWL)通信技术WiredWirelessUbiquitousMobile网络技术Binary ProtocolTCP/IPTextProtocolHttpMetadataProtocol WWWSemanticProtocol数据层元数据层。知识层次知识层次机器理解机器理解知识处理智能工具网络教育网络教育移动教育移动教育普适教育普适教育教育教育语义网语义网第12页，本讲稿共53页移动教育、普适教育移动教育、普适教育m-learning,u-learning技术实现技术实现课件设计受教育者受教育者内容呈现交互反馈教育评估教育理论教育方法教育研究教育者教育者教育服务器课件资源教育理论教育方法
7、教育研究教育研究教育研究教育实践数据表示元数据表示多种网络类型无线、移动多种类型设备内容访问任何设备、任何网络、任何时间、任何地点访问第13页，本讲稿共53页技术上的难题技术上的难题l北京大学网络教学平台课件l目前使用手机或PDA无法浏览网络课件统一资源访问：（1）资源制作一次（2）不同设备都可以访问该资源；第14页，本讲稿共53页解决的基本原理解决的基本原理PDA设备PC机资源：形式+内容资源：内容+形式内容自适应算法制作内容形式内容形式第15页，本讲稿共53页用树表示整体资源用树表示整体资源根内容结点所选择的结点之间语义相关较差每种设备具有每种设备具有特定的屏幕大特定的屏幕大小和应用软件小
8、和应用软件所选择的结点之间应该具有可理解的语义关系如何保证？第16页，本讲稿共53页内容的表示应该含有语义内容的表示应该含有语义表示结点：基本概念或已经定义的概念表示连接：基本关系或已经定义的关系本体技术第17页，本讲稿共53页内容的表示：从数据到知识内容的表示：从数据到知识l数据表示l使用二进制格式数据表示内容，如doc、ppt文件l局限性：计算机能处理；人和机器都无法理解语义l元数据表示l对数据表示的对象进行信息描述，如文件描述信息l局限性：计算机可以查询、统计；人和机器可以了解部分信息，但无法理解具体内容。l l知识表示（本体表示）知识表示（本体表示）l对领域包含的基本概念和基本关系进行
9、规定和形式化表示-领域本体。基于领域本体描述具体内容。l特点：人和机器都可以了解内容，便于机器理解和智能处理第18页，本讲稿共53页例子：作业的知识表示（参考）例子：作业的知识表示（参考）课程作业课程作业标题标题题干题干题肢题肢类型类型描述描述内容内容描述描述问题问题描述描述题目集合题目集合次级题目集次级题目集作业本体：定义好的概念和关系语义Web工具：支持本体构建；应用对象的描述；应用对象的理解；领域应用的判断和推理包含关系定义为包含关系类型题干题肢第19页，本讲稿共53页教育语义教育语义WebWeb代码行为模块资源模块Metadata StandardsMetadata Standards
10、元数据标准元数据标准人工开发教育应用素材自动组装API Interface教育本体逻辑推理，理解语义第20页，本讲稿共53页基于语义基于语义web服务和智能规划的服务和智能规划的服务自动组装平台服务自动组装平台可用的基本服务服务执行装入教育本体包含领域知识直接插入已有的服务输入需求自动组装产生新的服务OWL-S描述12345第21页，本讲稿共53页基于本体的教育资源搜索引擎基于本体的教育资源搜索引擎提高查全率和查准率提高查全率和查准率标引处理标引处理用户接口用户接口提问处理提问处理/检索匹配检索匹配教育教育本体本体第22页，本讲稿共53页基于本体的搜索引擎基于本体的搜索引擎第23页，本讲稿共5
11、3页基于本体的移动教育平台基于本体的移动教育平台Interface-1Interface-0Interface-nInterface-2Interface-m教育服务Service系统/子系统Device Binding具体设备用户界面Semantic Web Service教育本体上下文感知组装不同设备第24页，本讲稿共53页 PDA界面界面 PDA手机界面手机界面第25页，本讲稿共53页E-learning认知过程分析认知过程分析感觉器官运动器官工作记忆中央处理Thinking&Reasoning长期记忆ComputerComputerNetI/OSoftware+DataCPUNetI/
12、OSoftware+DataCPUComm.ProtocolMetadataKnowledgeProtocolMetadataKnowledgeSemantic WebWebHTTPOutputInput普适计算:透明的统一访问OutputInput工作设备:PC,PDA,手机移动计算:任何时间,任何第点连接人WWWInternet第26页，本讲稿共53页大脑中央处理机工作记忆长期记忆工作设备World Wide Web 传统存储设备，图书馆等E-learning中的认知存储模型中的认知存储模型内部存储电子存储物质存储天然接口人机接口人工接口通信技术大脑第27页，本讲稿共53页学习过程中的例外
13、事件学习过程中的例外事件大脑学习:发生在大脑内部学习例外:发生在学习过程内部，大脑不能解决的事件。学习中断：来自学习过程的外部的中断学习的事件。大脑中央处理机工作记忆长期记忆工作设备www 传统存储设备，图书馆等第28页，本讲稿共53页E-learning学习中的事件分析学习中的事件分析大脑学习大脑学习大脑学习大脑学习学习例外外部事件学习中断工作设备www 传统存储设备，图书馆等大脑中央处理机工作记忆长期记忆第29页，本讲稿共53页E-learning学习的效率分析学习的效率分析学习任务例外/中断开始时间结束时间例外开销:Teo启动开销:Tei恢复开销:Ter例外进度:Tep大脑学习:Tbl任
14、务的大脑学习时间:Ttbl第30页，本讲稿共53页E-learning的效率模型的效率模型教育信息化(e-learning)能够大大提高学习的效率E-learning减少了例外准备和返回时间第31页，本讲稿共53页个体的学习效果分析：内部过程个体的学习效果分析：内部过程l学习效率l完成给定学习任务/需要的学习时间l学习质量l掌握知识的程度（知识加工深度）l利用所学知识解决问题的能力知识获取知识记忆知识应用解决问题学习社会环境自然环境第32页，本讲稿共53页学习的发生：心理角度学习的发生：心理角度来自密西根大学人工智能实验室 注意需要动机信念毅力外部信息第33页，本讲稿共53页信息工具的作用：认
15、知心理角度信息工具的作用：认知心理角度感觉运动工作记忆中央处理Thinking&Reasoning长期记忆ComputerComputerNetI/OSoftware+DataCPUNetI/OSoftware+DataCPUComm.ProtocolMetadataKnowledgeProtocolMetadataKnowledgeSemantic WebWebHTTPOutputInput普适计算:透明的统一访问OutputInput工作设备:PC,PDA,手机移动计算:任何时间,任何第点连接人WWWInternet需要动机信念毅力注意第34页，本讲稿共53页教育的质量效果分析：教育角度教
16、育的质量效果分析：教育角度E-learning的作用教的有效性学习的主动性如何保证其有效性教育理论教育方法教学设计教学实现实际的教与学的过程第35页，本讲稿共53页如何验证教学的有效性？如何验证教学的有效性？学期计划经过教育的人教育教育评估评估人招生入学毕业结业学习成绩大学教育过程教授活动学习活动课程考核教学过程教务管理教育管理课程计划管管理理改改革革教教学学评评估估教学设计N教育信息化：教育信息化：能够保证教能够保证教学信息的快学信息的快速反馈；速反馈；但不能自动但不能自动分析问题分析问题原因；更不原因；更不能给出改能给出改进建议进建议能不能：在实际教育之前就能科学预测？教学内容第36页，本
17、讲稿共53页如何验证教学的有效性？如何验证教学的有效性？这样的教育为什么是有效的?逻辑证明逻辑证明:Logic modelOfKnowledgeInstruction-DesignteachingLearning模拟模拟:ComputationalModel ofKnowledgeInstruction-designTeachingLearning教学试验教学试验:With realpracticel教育内容 l世界的知识l知识表示l教师l内容设计:如何编排内容l环境设计:物理的精神的l教育实施l教育手段l教育方法，教育策略l教育工具l学习l获取知识、技能l知识获取的能力l解决问题的能力目标支
18、持加强第37页，本讲稿共53页教学试验验证的局限性：教学试验验证的局限性：非科学非科学教育理论教育方法策略教学设计（+内容）教学实现教学活动学习活动学习效果教学过程的有效性依赖学习效果教学效果能否证明教学过程有效性？隐式效果显式效果短期效果长期效果？很难定位到具体教学环节第38页，本讲稿共53页教学的有效性验证分析教学的有效性验证分析教学设计实际教学学习过程学习效果教学目标，教学内容，学生特点等逻逻辑辑关关系系概念定义概念定义设计结果如何预测如何预测教学设计教学设计教的效果第39页，本讲稿共53页早期：行为理论的定义早期：行为理论的定义l什么是学习?l行为的改变(Birkenholz,1999
19、)l以前：l将人视为黑盒子l对人类社会以及自然界了解不充分l不能科学学习SensorMotorNervous SystemBrain（Control）Mind(Memory)环境（社会+自然界）输出输出输入输入decidedecidedecidePerson第40页，本讲稿共53页对人的更深入研究和理解对人的更深入研究和理解l但现在：黑盒子正在打开l心理学:l精神过程和行为l脑科学:l物理过程l自然知识l越来越了解l社会知识l越来越了解l人的知识l越来越了解SensorMotorNervous SystemBrain（Control）Mind(Memory)环境（社会+自然界）行为输出信息输入
20、decidedecidedecide学习的逻辑过程学习的物理过程都已经并正在取得进展我们渴望在不久的将来能够获得更科学详细的表述第41页，本讲稿共53页新环境下的教和学新环境下的教和学l指导学习l（教师、智能工具）l教育将会是什么样?l信息技术起很么作用呢？SensorMotorNervous SystemBrain（Control）Mind(Memory)真实环境行为输出展示，文字，声音decidedecidedecide世界的知识：信息世界信息服务智能工具:信息技术支持知识处理基于人的智能原理代替心智处理逻辑推理，判断决策等多媒体动画主动性智能教育工具教师第42页，本讲稿共53页信息工具的
21、作用：认知工具信息工具的作用：认知工具感觉运动工作记忆中央处理Thinking&Reasoning长期记忆ComputerComputerNetI/OSoftware+DataCPUNetI/OSoftware+DataCPUComm.ProtocolMetadataKnowledgeProtocolMetadataKnowledgeSemantic WebWebHTTPOutputInput普适计算:透明的统一访问OutputInput工作设备:PC,PDA,手机移动计算:任何时间,任何第点连接人WWWInternet需要动机需要动机信心毅力信心毅力智能教育工具第43页，本讲稿共53页信息工
22、具的作用：大脑的延伸信息工具的作用：大脑的延伸长期记忆感觉器官工作记忆环境（社会，自然）中央控制器运动器官工作设备可靠自由连接普适环境，自然接口 InferenceJudgmentOntologyMetadataUnicodeHTTPTCPIPComputer语义Web，知识网络人智能应用期望信息工具在教育中更多替代脑力劳动第44页，本讲稿共53页信息工具如何替代脑力劳动？信息工具如何替代脑力劳动？技术实际的世界：复杂多变抽象的世界：关心部分理论抽象和分类：把握本质哲学改变世界物质工具实现技术精神工具设计技术问题抽象问题抽象对象属性对象关系脑力劳动体力劳动物质工具信息工具应用问题机器完成设计工
23、作第45页，本讲稿共53页自动设计的条件自动设计的条件技术实际的世界：复杂多变抽象的世界：关心部分理论抽象和分类：把握本质哲学改变世界物质工具实现技术精神工具机器设计问题抽象问题抽象对象属性对象关系应用问题工具能理解规范化形式化形式化，可计算第46页，本讲稿共53页教学设计自动化教学设计自动化学生获得知识和能力学习活动：主体学生教学活动：主体教师教和学的实际环境教学设计教学方法、教学策略教育理论：解释教育哲学：应该是什么？应该如何做？一般哲学第47页，本讲稿共53页教学设计自动化的前提教学设计自动化的前提l机器可理解的教育理论（教,学,内容，学习者）：l公理化l形式化l公式化 称为教育的科学化
24、l可计算的教育理论：l多项式可计算l递归可计算l可转化为可计算 l基于以上理论和信息工具支撑的教育称为教育的智能化第48页，本讲稿共53页教育的科学化与智能化概念教育的科学化与智能化概念智能工具人的智能原理教育理论（教和学）公理化教育理论（教和学）可计算教育理论（教和学）教学实现自动化计算机教学模拟验证教学设计自动化教学设计逻辑证明科学地教和学第49页，本讲稿共53页教育实践比生产实践复杂得多教育实践比生产实践复杂得多SensormotorWorking MemoryCentral ExecutiveThinking&ReasoningLong-term MemoryHumanSensormo
25、torWorking MemoryCentral ExecutiveThinking&ReasoningLong-term MemoryHuman需求动机信念需求动机信念教育之路任重而道远！教育之路任重而道远！人自然环境第50页，本讲稿共53页将来的研究方向将来的研究方向l科学教育l建立公理化教育理论l科学的途径评估教育l科学地教与学l可计算教育l构建可计算教育理论模型l以模拟的方法验证教育l智能教育l基于人的智能模型、科学理论模型、信息科学构建的智能设施和工具第51页，本讲稿共53页将来的希望将来的希望l基于信息技术、心智原理、科学理论实现教育的科学化与智能化l科学解释教育现象l对于教和学进行科学指导l对教育过程、效果进行科学预测l为教师、学生、科研人员提供智能工具第52页，本讲稿共53页l谢谢谢谢第53页，本讲稿共53页