一种面向数学教育的情境仿真支持系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面向数学教育的情境仿真支持系统，包括情境仿真支持模块

A situation simulation support system for Mathematics Education

The present invention provides a situation simulation support system for mathematics education, including the situation simulation support module.

【技术实现步骤摘要】
一种面向数学教育的情境仿真支持系统
本专利技术涉及一种情境仿真系统，具体涉及一种面向数学教育的情境仿真支持系统。
技术介绍
由于数学问题解决过程中，中小学生普遍存在着忽视问题情境、缺乏数学思考等问题，小学生的学习绝大多数情况下更依赖由直接观察所获得的具体化经验和理解。情境缺乏对中小学生的影响非常明显，对经济不发达地区的中小学生尤其如此。数学解题主要包括2个步骤：①理解题意、把数学问题转变为数学语句；②根据数学语句进行计算解题。其中①的实质就是问题情境的理解。智能辅导系统等能在一定程度上支持学生解题，其主要功能是支持学生解题、反馈学生知识把握现状(KT)。但是还存在如下问题：(1)虽然当前研究也通过情境仿真来增加学生对问题情境的理解，例如游戏、动画、ⅤR/AR等,但是不满足教师与学生的个性化需要，导致他们不能真正参与。①由于广大教师与学生情境不一定相同，而几款仿真应用软件，如果不能充分发挥教师与学生的情境化发挥，就很难发挥教师的个性化教学特色，也限制了学生的创造性。②虽然当前有一些简易程序设计语言，但是它们与小学数学之间的关系还不是很紧密，FLASH版的LOGO，SMALLBASIC，易语言，C#等。对广大教师而言，有一定难度；对学生而言，难度就更大了。③同时面对海量数学题，上述研究难以全覆盖，否则会使得情境创设的工作量过重。(2)在对计算步骤进行检查、纠错与提示时忽略了应用情境。当前的研究在一定程度上能对学生计算步骤进行检查、纠错与提示，但是①往往把计算步骤看作与应用情境独立的纯数学事件；数学计算其实与应用情境之间有一定映射关系的，割裂了二者之间的使得学生更难理解数理知识；②由于忽视应用情境，使得候选计算规则集庞大，进而使得计算时间代价、空间代价均较大，导致不能实时提供支持。(3)研究学生知识追踪模型时对应用情境重视不够。①当前研究也能根据学生计算过程中的行为信息分析学生的知识追踪模型，但是把知识点作为一个个离散的点，研究粒度太细。然而数学题总是存在于一定应用情境的，此时知识之间是相互联系的，例如800-40*x比800-y要复杂，16-30比20-16要难，彼此之间应用情境不一样。脱离了应用情境，则不能充分揭示学生的能力。②同时KT主要局限与计算过程的分析，忽视了题意理解方面的情况；而解题的2个步骤是统一的，只有结合问题情境，从题意理解角度进一步研究KT，才能更全面揭示学生的知识把握状况。根据上述分析，由于目前智能辅导、在线教育等计算机辅助教学领域情境方面的不足，导致系列痛点：对学生而言，由于缺乏情境支持，使得题目不好理解,做错了不知道为什么，不能获取提示，甚至答案看不懂；对教师而言，情境的缺乏，要全面了解每个学生的知识掌握现状及原因，几乎不可能,也迫切需要工具的支持来解决问题；对学校而言，由于师资与资金不足，也迫切需要互联网以及情境工具支持，对不发达地区尤其如此；对当前解题支持工具而言，由于情境特征还不明显，使得对学生解题的支持还不全面。
技术实现思路
为了解决以上现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种面向数学教育的情境仿真支持系统，从情境仿真支持的角度，对中小学数学解题支持系统展开研究，解决当前学生、教师等在中小学学生数学解题时的困难。为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：一种面向数学教育的情境仿真支持系统CS_MSS，该系统包括情境仿真支持模块C3S、问题情境仿真模块PContext_S、解题步骤纠错与提示模块Step_CH、扩展的知识追踪模型分析模块EKT，所述情境仿真支持模块C3S主要用于情境仿真支持的基础平台；所述情境仿真支持模块C3S包括情境感知、CS_L#语言及其编辑器、仿真构建定义及构件库、仿真文件解释器、图形化仿真编辑器；所述问题情境仿真模块PContext_S包括基于CS35的数学题逻辑定义、中小学数学题库、仿真文件解释器和问题情境仿真编辑；所述解题步骤纠错与提示模块Step_CH包括计算规则库、解题步骤分析器、解题步骤产生器、解题情境仿真编辑；所述扩展的知识追踪模型分析模块EKT包括应用情境模式挖掘、基于贝叶斯的EKT预测、EKT的解释、解题情境仿真编辑。本专利技术所述情境仿真支持模块C3S的体系结构采用B/S与C/S混合结构，包括教师客户端、服务器端和学生客户端，所述教师客户端包括数学题定义窗口、情境编辑器、CS_L#虚拟机、分布式计算客户端；所述服务器端包括数学题库、构件库、组态机制、CS_L#编译机制、EKT分析与解释机制、分布式计算服务器端；所述学生客户端包括情境编辑器、情境感知、CS_L#虚拟机、计算步骤纠错与提示、EKT分析与解释，该体系结构将主要数据与部分核心处理部分嵌入服务器中，在客户端实现情境仿真的支持与实现。本专利技术具有以下关键技术：(1)简易仿真设计语言CS_L#及其编译器。仿真构件状态的设置与监控、动作的实现，构件之间的相互作用,以及用户行为数据的收集与监控等，均需要应用计算机程序设计语言。因此针对数学问题情境仿真的简易语言很有必要。团队面向中小学数学的特点，研发出面向中小学数学领域情境仿真的简单情境仿真语言CS_L#。该语言具有易用、跨平台、运行效率高等特征，是一套简易关键词、词法与句法分析自动机的集合。CS_L#编译器首先对情境文件CS_Problem进行词法与句法分析，然后将CS_Problem转变为计算机程序；再由相应解释器Compiler解释执行，实现情境仿真。(2)基于组态的可视化情境仿真技术。该部分主要支持用户对问题情境的仿真创设，由常用构件(例如按钮、文本框等)，领域仿真构件列表Component_List，编辑单元等构成。主要研究思路是包括：初始化仿真编辑环境CS_Edit；由教师调用CS_Edit，根据问题情境与教学需求以及逻辑描述理论，定义数学题、生成CS_Problem；由系统根据CS_Problem，生成面向问题的简化仿真环境CS_Edit_S，降低仿真复杂度，以有效支持问题情境的仿真创设；由学生或教师等用户采用组态方式，进行问题情境仿真编辑；由CS_Edit_S生成并执行仿真文件CS_File，实现问题情境的重构并反馈给用户。(3)面向情境仿真的数学题CS_Problem可视化逻辑描述。CS_Problem数学题应该包含原有题目，仿真构件Componenti及其属性，Componenti之间关系的逻辑描述等。该研究根据情境仿真的需求，分析题目的构成情境元，提出相应的仿真构件；再从这个仿真构件Component_List中抽取知识点，运用描述逻辑的逻辑推理，在简单的概念和关系基础上，构造出体现对象之间应用上下文的复杂的概念和交互关系，从而实现多个对象之间的仿真支持。(4)面向小学数学领域的仿真构件本体Component_List可视化构建。首先根据小学数学领域知识，提取不同题型题目的构成对象(也就是情境元)，以及这些对象各自的属性、事件与动作；然后根据本体理论等生成仿真构件库Component_List。以行程问题与钟表问题为例：行程问题可分为7类，钟表问题可分为6类；可从这些问题中提取出主要仿真构件“行程角色”(包括人、车)、钟表的表盘等。Componenti包括属性、事件与动作，可描述为：Componenti＝{本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向数学教育的情境仿真支持系统，其特征在于，该系统包括情境仿真支持模块C3S、问题情境仿真模块PContext_S、解题步骤纠错与提示模块Step_CH、扩展的知识追踪模型分析模块EKT，所述情境仿真支持模块C3S主要用于情境仿真支持的基础平台；所述情境仿真支持模块C3S包括情境感知、CS_L#语言及其编辑器、仿真构建定义及构件库、仿真文件解释器、图形化仿真编辑器；所述问题情境仿真模块PContext_S包括基于CS35的数学题逻辑定义、中小学数学题库、仿真文件解释器和问题情境仿真编辑；所述解题步骤纠错与提示模块Step_CH包括计算规则库、解题步骤分析器、解题步骤产生器、解题情境仿真编辑；所述扩展的知识追踪模型分析模块EKT包括应用情境模式挖掘、基于贝叶斯的EKT预测、EKT的解释、解题情境仿真编辑。

【技术特征摘要】
1.一种面向数学教育的情境仿真支持系统，其特征在于，该系统包括情境仿真支持模块C3S、问题情境仿真模块PContext_S、解题步骤纠错与提示模块Step_CH、扩展的知识追踪模型分析模块EKT，所述情境仿真支持模块C3S主要用于情境仿真支持的基础平台；所述情境仿真支持模块C3S包括情境感知、CS_L#语言及其编辑器、仿真构建定义及构件库、仿真文件解释器、图形化仿真编辑器；所述问题情境仿真模块PContext_S包括基于CS35的数学题逻辑定义、中小学数学题库、仿真文件解释器和问题情境仿真编辑；所述解题步骤纠错与提示模块Step_CH包括计算规则库、解题步骤分析器、解题步骤产生器、解题情境仿真编辑；所述扩展的知识追踪模型分析模块EKT包括应用情境模式挖掘、基于贝叶斯的EKT预测、EKT的解释、解题情境仿真编辑。2.根据权利要求1所述的一种面向数学教育的情境仿真支持系统，其特征在于，所述情境仿真支持模块C3S的体系结构采用B/S与C/S混合结构，包括教师客户端、服务器端和学生客户端，所述教师客户端包括数学题定义窗口、情境编辑器、CS_L#虚拟机、分布式计算客户端；所述服务器端包括数学题库、构件库、组态机制、CS_L#编译机制、EKT分析与解释机制、分布式计算服务器端；所述学生客户端包括情境编辑器、情境感知、CS_L#虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：余小鹏，
申请(专利权)人：苏州爱德克思智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32