信息技術與教育技術

《信息技術與教育技術（1）》第三章計算機機及教育應用教學講義教師：田秀錦教學要求1.了解計算機文化的概念、意義和內容2.了解計算機的發(fā)展、分類、特點和應用領域3.了解計算機的組成內容、系統(tǒng)結構、信息存儲的方式，并學會有關的基本操作方法4.了解計算機軟件的發(fā)展、組成內容、功能和用途5.了解計算機的教育應用內容要點1.計算機文化2.計算機的發(fā)展、分類、特點和應用領域3.計算機的硬件系統(tǒng)和信息存儲4.計算機的軟件系統(tǒng)5.計算機的教育應用重點難點：計算機文化，計算機的發(fā)展、特點和應用領域，計算機的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，計算機的教育應用教學內容：一、計算機概述1、計算機的誕生和發(fā)展世界上第一臺電子計算機ENIAC于1946年由美國賓夕法尼亞大學摩爾學院研制成功。在此之后的50多年里，計算機的發(fā)展已經歷了四代并正在向第五代過渡，計算機的應用也從單一的科學計算滲透到了人類生活的各個領域。第一代第二代第三代第四代年代40年代中期～50年代末50年代末～60年代中期60年代中期～60年代末70年代至今邏輯元件電子管晶體管中、小規(guī)模集成電路大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路運算速度幾千次/秒數百萬次～幾億次/秒主存儲器汞延遲線、靜電存儲管、或磁鼓磁芯存儲器以磁芯存儲器為主半導體存儲器外存儲器磁鼓、磁帶開始使用磁盤做外存儲器軟件方面主要使用機器語言并開始使用符號語言開始使用操作系統(tǒng)及高級程序設計語言所使用軟件中的操作系統(tǒng)進一步發(fā)展且又出現了多種高級程序設計語言發(fā)展了分布式操作系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng)及軟件工程標準化等主要應用領域科學計算從以科學計算為主轉向以數據處理為主科學計算、數據處理及過程控制等領域遍及人類社會活動的各個領域并進入了計算機網絡時代。另外形成新的重要分支：以大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路為基礎的微處理器和微型計算機得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展第五代計算機的展望：第五代計算機屬于正在發(fā)展和尚未完全定性的一代計算機。一些專業(yè)人士認為：它將采用生物技術、納米技術和量子技術，是一種更為智能的、多功能化的、具有能量、信息處理能力和使用特殊材料制成的先進計算機。2、計算機文化計算機文化是對計算機在人類文化領域中反映出的種種現象的概括和計算系在科學技術、經濟生產、社會文明、以及人類未來發(fā)展中的深刻影響和重要地位的表述。計算機文化的時代特征：計算機和計算機文化與信息社會的密切關系，使得學習計算機與計算機網絡知識，掌握它們的使用方法，做一個具有計算機文化素質的人，成為信息社會對其社會公民的基本要求。沒有這樣的素質，就會成為新的文盲，無法適應信息社會中的工作、學習、生活。計算機文化也是現代人類的文化的一部分。在面臨信息社會、知識經濟到來的今天，計算機開發(fā)、應用的深度和廣度已經成為衡量一個國家科學技術、經濟發(fā)展、國民基本素質等綜合實力水平的重要標志，計算機文化對現代社會的影響越來越顯著。3、計算機的分類、特點和應用計算機的分類：（1）按計算機處理的信息分類，可分為數字式電子計算機和模擬式電子計算機。（2）按用途分類，可分為通用計算機和專用計算機兩大類。（3）按處理能力分類，可分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微機。計算機的特點：運算速度快、計算精度高、具有記憶功能，存儲容量大、具有邏輯判斷功能、具有自動執(zhí)行的能力。計算機的應用領域：科學計算和科學研究、信息處理、實時控制、計算機輔助系統(tǒng)、人工智能二、計算機的硬件系統(tǒng)計算機是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成的，軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)相互依存，相互支持，即分工又合作，都是計算機不可缺少的內容。1、計算機硬件系統(tǒng)的組成計算機硬件有五部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。實際計算機硬件系統(tǒng)分兩大部分：主機和外部設備。2、主機：主要包括中央處理器（CPU）、內存儲器、系統(tǒng)總線等。中央處理器是控制器和和運算器的集合體，是計算機的核心部件，由它完成運算處理功能，并實施對計算機其它部件的控制使計算機各部件協(xié)調統(tǒng)一工作。內存儲器是在計算機中起記憶作用的部件。根據其功能分為只讀存儲器和隨機內存兩種。只讀存儲器只能從其中讀出數據而不能寫入，隨機存儲器既能讀出數據，又能寫入數據，而計算機只有將操作系統(tǒng)、臨時需要的應用軟件程序和數據信息裝入內存才能運行?？偩€：計算機各組成部件之間采用總線連接。微型計算機的總線安裝在稱為計算機主板的裝置上，分為外部總線和內部總線。外部總線是指CPU和其它部件之間的連接，內部總線用于CPU內部各部件之間的連接。3、外部設備：主要包括輸入設備（鍵盤、鼠標、光筆、掃描儀等）、輸出設備（顯示器、打印機、繪圖儀等）、外存儲器（軟、硬磁盤，磁帶，光盤）等。外存儲器：包括硬磁盤、軟磁盤、磁帶、光盤。顯示器：是電腦系統(tǒng)中最基本的輸出設備。決定顯示器性能的一個重要指標是顯示器的分辨率越高，所顯示的字符和圖象就越清晰，越逼真。三、計算機的軟件系統(tǒng)1、軟件系統(tǒng)的組成計算機的軟件系統(tǒng)指計算機中實現資料信息處理的程序以及開發(fā)、使用和維護程序所需的有關文檔資料的集合。計算機的軟件系統(tǒng)主要有兩種類型：系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、語言處理程序、數據庫管理系統(tǒng)等）、應用軟件。2、系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件分為計算機的操作系統(tǒng)和計算機的程序設計與語言翻譯系統(tǒng)兩部分。⑴.操作系統(tǒng)軟件是由一組控制計算機系統(tǒng)并對其進行管理的程序組成。它是計算機系統(tǒng)的控制和管理核心，其任務是控制、管理計算機的各種資源和工作流程，組織、協(xié)調計算機的運行，為其它系統(tǒng)軟件和應用軟件提供服務和支持。操作系統(tǒng)通常具有五個方面的功能：CPU管理、內存管理、設備管理、作業(yè)管理、文件管理。⑵程序設計語言。編寫計算機程序所用的語言稱為程序設計語言，分為機器語言、匯編語言和高級語言三類。⑶機器語言是最低級的語言，計算機硬件系統(tǒng)能直接識別，而不需要翻譯。由于機器碼指令是用許多二進制數表示的，編程人員需要費很大精力去熟悉記憶數字代碼。編程時，程序員需要自己處理每條指令，并且必須清楚地記住編程過程中每步所使用的工作單元處于何種狀態(tài)。⑷匯編語言仍然是一種面向機器的語言，它比較接近機器語言，保留了機器語言的每一條指令由操作碼和操作數兩部分組成的形式。雖然它比機器語言直觀，容易查找錯誤，但用匯編語言編寫的程序不能直接在計算機上運行，必須將匯編程序翻譯成機器語言程序，才能在計算機上運行得出結果。翻譯工作一般都由計算機廠家提供的匯編程序來完成，翻譯的過程就叫做“匯編”，這也是匯編語言名稱的由來。匯編語言和機器語言一樣都依賴于具體的機器，所以被稱作“低級語言”。⑸“高級語言”。高級語言基本上擺脫了語言對機器的依靠，相對獨立于機器，由面向機器改為面向過程、面向對象，其中所用的符號、標記更接近人們的日常習慣，便于理解、掌握和記憶。如BASIC、FORTRAN等。⑹語言處理：用高級語言或匯編語言編寫的程序稱為源程序。計算機不能直接執(zhí)行源程序，必須先把源程序翻譯成為用“1”和“0”這兩個機器代碼表示的目標程序，即用機器語言編碼的程序。語言處理就是將源程序翻譯成目標程序。翻譯方式一般分為編譯和解釋兩種。編譯方式：事先編好的一個叫做編譯程序的機器語言程序放在計算機中。當高級語言編的源程序輸入計算機時，編譯程序就把源程序自動整個地翻譯成用機器指令表示的目標程序。解釋方式：事先編好的一個叫做解釋程序的機器語言程序放在計算機中，當高級語言源程序輸入計算機后，解釋程序自動地逐句翻譯源程序，譯一句執(zhí)行一句。3、應用軟件：通用性應用軟件，用于帶有“共性”的一類計算機應用問題，涉及面很廣。例如，Office2000和Wps2000都屬于這種類型。專用型系統(tǒng)軟件，專為少數用戶設計的、目的單一的應用軟件。例如，專為學習某門課程而設計的計算機輔助教學課件。四、計算機輔助教育1、概述計算機與教育之間的關系，屬于科學技術與教育的范疇。計算機被引用到教育活動中，服務于教育、教學的歷程大致可以分為四個階段：（1）把計算機作為學習的對象，專門開設計算機基本知識和技能課，強調“計算機程序設計是信息社會的第二文化”、“未來社會的文盲，將不是不識字的人，而是不懂得計算機的人”。（2）計算機服務于傳統(tǒng)教學。隨著計算機技術與教育理論的發(fā)展，人們逐漸認識到，信息社會需要大多數人會與計算機打交道，但并非一定會編寫程序。計算機如果僅僅作為一門課程，而游離于各學科教學之外，它對教育教學的作用是非常有限的。于是人們轉而強調在日常各學科教學中應用計算機。（3）計算機與教育的整合。重視信息技術整合到教學中，成為教學的一個有機組成部分，而不是外加到教學中來。如利用計算機的交互性和及時反饋特點，為學生創(chuàng)造一個觀察與思考的環(huán)境，極大地促進了學生學習的建構過程，這是任何其它教學媒體所無法替代的。在這一教學中，計算機、教學內容和新的“建構式”教學方法整合在一起。實現以信息技術為基礎改革課程和教學，考慮如何利用信息技術實現傳統(tǒng)手段所無法實現的教學目標和過程。計算機在教育領域的應用稱為計算機輔助教育(ComputerBasedEducation，簡稱CBE)，主要為兩個方面：計算機進入教育教學活動和計算機參與教育教學管理。（4）以信息技術（計算機作為核心）為基礎的教育全面發(fā)展。信息技術與教育整合的最終目的是以信息技術為基礎進行的教育全面發(fā)展，包括：教育目標、內容、方法和組織形式等方面的全方位變革，按照信息化社會和學習社會化的需求和規(guī)律等進行教育課程的規(guī)劃、建設，構建全社會的人工智能化的教育設施和體系等。這一階段的發(fā)展是“朝陽事業(yè)”，前景非常廣闊。計算機輔助教育就是把計算機作為教學媒體，讓它充當指導者、工具和學習者的角色，通過學生與計算機之間的雙向交互，輔助學生更有效地學習。（1）計算機指導學習。讓計算機作為指導者，使計算機像輔導教師一樣，根據學生的學習情況，進行個別指導，最終完成預定的學習目標。指導學習的計算機軟件主要采用5種模式：操練與練習、指導或輔導、模擬、問題解決和游戲。指導學習的一般過程是由計算機呈現教學內容并提出問題，學生回答后，計算機做出判斷，并反饋回應答正確與否和針對應答的輔導信息。（2）計算機作為學習工具。給學生提供各種軟件工具，讓學生經過自己的實踐獲得知識和技能，是計算機作為學習工具的目的。具體方法是規(guī)定學生應該完成的任務，明確說明哪些軟件工具能夠完成任務，然后由學生實踐。例如，用文字處理軟件編輯和打印論文和報告，用多媒體工具制作動畫片等。（3）計算機作為學習者。讓計算機充當學習者，而讓學生命令計算機完成給定的任務，是計算機作為學習者的目的。這種方式是讓學生編寫完成特定任務的計算機程序。為了達到既定目標，學生不僅要熟悉計算機語言的指令集，而且還必須在編程之前知道如何去解決問題，要求學生有較高的思維技巧和問題解決能力。計算機指導學習；計算機作為學習工具；計算機作為學習者。計算機參與教育教學管理又稱計算機管理教學（CMI）。主要應用有：（1）學生成績管理利用計算機的數據庫功能為管理學生的學習成績提供了一個很好的工具。一般的成績管理軟件都具有如下功能：分類存儲不同學校、年級、班機學生的成績報表，統(tǒng)計、計算、排列學生的成績。（2）計算機輔助測驗系統(tǒng)計算機輔助測驗系統(tǒng)有一個比較強大的題庫，題庫中包含有各學科或者某一學科的許多考試題目。教師將學生情況，以及要測驗的概念等按機器要求輸入計算機，由計算機參照一定的組卷策略（或者由教師人工抽出）從題庫中抽出不同的題目，組成一份考卷；然后利用計算機終端來測驗學生，并且根據學生的情況，對學生的學習進行分級和判斷。于是，達到計算機輔助測驗的目的。題庫中的題目通常是由專業(yè)學科教師根據學科的教學目標、內容和結構來設計的。計算機閱卷快速，準確，能夠及時地對考試結果做出分析，發(fā)現題目存在的缺陷，并幫助修復，提高測驗的信度和效度。（3）課堂信息處理系統(tǒng)利用計算機，對課堂教學中的信息進行收集處理，為教師提供有用信息，也是計算機管理教學的重要方面。課堂信息處理系統(tǒng)就是一種能采集和獲取學生在課堂上的反應情況，然后對信息進行處理和分析，并把結果輸出到顯示器或打印機上，將反應的結果告訴教師和學生的一種系統(tǒng)。（4）題庫系統(tǒng)題庫是以教育測量理論為指導，利用計算機技術構成的某個學科試題的集合。題庫的質量取決于試題的信度和效度等指標。高質量的題庫系統(tǒng)不僅能動態(tài)地增刪、修改試題，還具有自動生成試卷的功能。題庫系統(tǒng)是多層次、多用途的，既有用于各類學校一般測驗用的經驗型題庫，也有為全國性單純選拔人才使用的題庫。我國計算機的教育應用主要有四個方面：知識技能教育；用計算機輔助教學或使用計算機進行學習；教育信息處理；管理教育。2、算機輔助教學（1）計算機輔助教學發(fā)展簡史計算機輔助教學（ComputerAssistedInstruction，簡稱CAI）源于早期的程序教學活動。20世紀20年代，美國心理學教授錫德尼?普萊西首先提出利用機器進行教學的思想。他設計了一臺教學機器，能自動送出多個供學生選擇的問題，并對學生的回答做出正誤判斷。到了五十年代中期，美國著名的行為主義心理學家教授斯金納根據從實驗室中對動物實驗引出的操作條件反射和積極強化的理論，論證了普萊西教學機器的心理學依據，提出了程序教學法，并且設計了新的教學機器。斯金納提出了將學習材料線性組織的方式和小步調的教學程序。到了五十年代后期，有人又提出了分支教學模式。這兩種模式對后來發(fā)展起來的計算機輔助教學都有直接的影響。不同的模式，反映了多種心理學理論對學習過程所持有的理論觀點。在這些心理學理論的指導下，計算機成了輔助教育的重要媒體，計算機輔助教學應運而生。六十年代開始，美國一些著名的公司及大學，如著名的IBM公司和斯坦福大學逐漸利用計算機開發(fā)多種學科的教學系統(tǒng)。IBM公司還開發(fā)了專門為教學使用的程序設計語言，幫助簡化交互式學習的計算機課件程序設計過程。八十年代末，多媒體計算機的出現被稱為計算機的一場革命，同時，一些新的教育和心理學理論也在這一時期成為計算機輔助教學設計的指導思想（例如，建構主義），因而，極大地推動計算機輔助教學發(fā)展到一個新的階段。隨著計算機輔助教學的開發(fā)、實踐和信息技術的發(fā)展，人們總結了以往計算機輔助教學存在的不足，提出了人工智能型計算機輔助教學（IntelligentComputerAssistedInstruction，簡稱ICAI）的設計方案。包括：在計算機輔助教學系統(tǒng)中建立學生模型和專家系統(tǒng)，計算機應該能夠理解自然語言，作一個稱職的“計算機導師”，要教給學生高級思維的技能等。（2）計算機輔助教學（CAI）的基本過程和特點計算機輔助教學（CAI）是把計算機用作教學媒體，充當指導者、工具和學習者的角色，學生通過“人-機”間的交互活動進行學習。CAI的基本流程圖：CAI具有如下特點：①大容量的非順序式的信息呈現。②學生可以控制學習內容和學習進度。③實現因人施教的教學原則和及時反饋原則。④學生在CAI活動中處于一種積極、主動的精神狀態(tài)。⑤對教師或軟件開發(fā)者提供了教學決策支持。⑥網絡技術使CAI可獲得群體的支持。⑦CAI活動的效果受教師態(tài)度的影響。（3）CAI課件CAI課件是計算機輔助教學系統(tǒng)中的核心，包括用于控制和進行教學活動的計算機程序，幫助開發(fā)維護和使用這些程序的文檔資料以及與軟件配合使用的課本課練習冊等。課件分為：固定型、生成型及智能型三種。固定結構類型又稱框面型，它將各種與教學活動有關的信息組織成一個個的框面，然后以框面為單位，通過控制轉移的預定路徑來實現教學活動。這種類型的課件具有結構清晰、教學過程方式明確、制作方便等優(yōu)點。但最大的缺點卻是提供的學習內容和教學過程過于單一和固定，使得學生只能按照一定的結構進行學習，缺乏主動性，易失去興趣。生成型課件主要是根據教學活動中的有關信息為參數，形成教學內容，或是決定教學活動的控制轉移。這種類型的課件總是利用某種數據結構和預先安排的程序來生成不同的教學內容，富于變化，類型豐富，呈現的知識、問題等能夠較好地適應學生的知識范圍。這種課件的教學分支也是由一定的程序來產生的。學生的操作和反應決定著下一步的學習內容，當學生的執(zhí)行結果達到目標要求時，就轉到新的教學單元，否則就返回到原教學單元重新學習。智能型結構：智能型課件是利用人工智能技術實現計算機輔助教學的功能。一般說來，這種課件由能產生教學內容的知識庫、可檢測學生能力與知識狀態(tài)的模型、可決定教學內容呈現次序與呈現方式的策略模塊以及可對學生進行傳授和引導等的人機界面組成。如圖：3、計算機輔助教學的主要模式計算機輔助教學的模式可以采用三種方式進行分類：教學活動形式、信息結構形式、運行形式。按照教學活動形式進行分類是最常用和比較成熟的方式。其主要模式有：訓練與實習型、指導型、模擬型、游戲型、問題求解型。訓練與實習（DrillandPractice）型課件提供的教學方式是逐個或逐批地提出問題由學生來回答，當學生將回答輸入給機器后，計算機判斷其正確情況，并根據學生回答的情況給與相應的反饋，以促進學生掌握某種知識與技能技巧。這種聯(lián)系形式類似于教師的提問，可幫助學生復習與鞏固所學的知識。反復聯(lián)系和反饋，使學生建立起問題與回答之間的牢固聯(lián)系，從而理解與掌握該項知識與技能。在這種模式中，計算機提供一種刺激/應答的環(huán)境，強化學生對刺激的反映。訓練與實習是使學生獲得知識、技能和解題技巧的有效方法之一。訓練與實習的策略是多次重復，通過重復加強刺激，鞏固記憶，提高技能和能力。實踐表明，訓練與實習對形成低層次技巧自動化必不可少，特別適合于外語、文字拼寫等教學內容。訓練與實習也是有區(qū)別的。訓練是通過大量的術語與事實間的重復對比聯(lián)系，幫助學生建立起有關事物和規(guī)律的聯(lián)想記憶和快速回憶。實習則是為了獲得一種生成型技能技巧。它通過一系列問題，讓學生一方面建立知識間的聯(lián)想聯(lián)系，另一方面還要具有掌握如何應用知識、做出決定的能力，形成一種習慣性的過程性技能。訓練與實習型課件的主要功能是不斷地提問題，等待回答，進行判斷和給出反饋。通常是圍繞一種需要鞏固和掌握的知識與技巧組織成一批問題，有計劃地逐步深入提高訓練的效果，對于同一水平的內容的訓練，則要有一定的隨機性。采用訓練與實習型模式的課件，應該注意如下問題：題量、重復時間、順序。指導（Tutorial）型課件提供的教學方式是通過精心安排的人機對話，使學生處于一種被個別指導的教學環(huán)境中進行學習，來達到預期的學習目標。這種類型的課件將教學過程分為若干個小的教學單元，每個單元進行一項最基本的教學活動，如列舉一個例子、敘述一個概念、說明一個公式等。課件把這些教學單元按照教學順序和教學策略有機地組織成一系列有計劃的教學活動，最終達到整個課件的教學目標。這種課件的作用是模擬和代替教師向學生進行講授、指導與幫助。這種課件的基本結構包括6個部分：引起并保持注意、明確學習目標、呈現知識和指導、提供反饋、應用性練習和復習、評價。指導型課件適合于傳授新概念、新公式、新規(guī)律等新知識為教學目標的教學活動，可以用較少的時間使學生有效地學習。咨詢（Inquiring）型課件提供的教學方式是學生提出問題和要求，計算機做