專利名稱：計算機化教學、練習和診斷系統的制作方法
背景技術：
經濟現實通常限制了可以專用于孩子教育的可用資源。于是，人們尋找可以提高教學過程的效率的教育工具。實際上，由于可用于教師與學生交互的時間無論一對一還是在課堂上都是有限的，教師通常希望應用最有效的教學系統和方法。教學效率通常要求教師懂得哪些概念對學生來說是困難的、哪些概念學生容易理解。測試可以識別學生未能掌握的概念，但測試和測試的全面評價非常費時。
一對一指導是人們特別希望的教學技術，因為教師可以實時地啟發學生感到困難的概念，使教師可以把指導調整成適合學生的需要。不幸的是，在大多數小學中，廣泛地開展一對一指導在經濟上是不可行的。父母在對他們孩子的一對一教學中可以扮演重要角色，但父母往往缺乏教學技能，并且，還存在識別他們的孩子可能感到困難的特定部分的困難。此外，交流障礙往往使教師和父母難以協調教學工作，并難以對學生感到困難的特定部分進行交流。
學生也可以通過自學和家庭作業教他們自己，但是家庭作業和自學通常不能給學生以可以引導學生最有效地使用時間的即時反饋。另外，學生可能不知道什么時候開始嘗試掌握他們還未理解的新內容或概念。書本和其它印刷品通常只提供無法適合學生需要的固定信息，使得利用印刷品的自學不能有的放矢。
因此，需要幫助教師和父母評價他們的學生的強弱點以便使目標指導更有效的教育工具。人們還希望擁有給予學生以自動適應學生需要的自學選項和給予學生以可以與教師和父母共享的即時反饋的工具。
發明內容
按照本發明的一個方面，自動化或計算機化輔助教學系統通過在基本概念和技能的水平上迅速提供學生成績的詳細分析來改善傳統教育。這種教育可以利用劃分成與基本概念和技能關聯的多個步驟的練習題來實現，從而，教學系統使學生可以在解練習題時給出逐步答案。通過對逐步答案的分析識別出學生必須掌握的特定概念和技能。然后，可以對學生受益最大的特定概念和技能施以傳統教育。教學系統可以進一步分析學生成績，以便自動實時地選擇瞄準學生需要的后續練習題。按照本發明的另一個方面，教學系統可以定期提供加亮歷史上學生感到困難的概念或技能的復習題。
按照本發明的另一個方面，計算機輔助教學系統包括不會重復或窮盡可用習題(problem)地使目標主題得到充分練習的隨機習題生成系統。實時診斷可以精確地定位錯誤和弱點和通過習題說明和習題解答的呈現提供實時教學插入。因此，該系統可以適應學生的學習行為和速度。當概念和技能被識別為學生的難點時，該系統可以自動生成瞄準那些概念和技能的例子、練習題和固定內容。學習系統可以在學習期內以可變間隔重訪困難概念和技能。重訪概念或技能的頻率可以隨學生對習題的回答標志著水平已提高或顯示學生已經掌握了概念而改變(例如，減少)。
按照本發明的又一個方面，將運行教學系統的計算機聯網，使教師可以有效地管理和監視學生學習進度和實時地分析結果，以便精確地調整下一個教學步驟或策略。計算機網絡可以通過例如因特網與校園內計算機或校園外計算機聯接。當在教師、父母和學生聯網之間時，教學系統可以提供在學校里或在家中對與學生的學習有關的詳細信息的有效交流。這種交互式雙向交流可以提高教育的效率和質量。
本發明的一個特定實施例是自動化教學過程。該過程以從一組習題模板當中選擇一個習題模板，并為在所選習題模板中識別到的選項隨機地生成值開始。隨機選項可以是諸如圖像之類成為習題呈現的組成部分的對象的數字、詞匯或標識符。另外，該過程還呈現導致習題被解答的一個或多個問題的序列。每個習題的呈現通常依賴于隨機生成的值和可能依賴于學生以前的回答。
可以將學生對問題的回答與從隨機生成值和來自所選習題模板的公式中導出的答案相比較。與答案相對應的診斷代碼可以識別被更新成反映來自學生的回答是否正確的成績值。這些成績值可以指出弱點和控制該過程是否提供附加教學或復習題和復習頻率或問題呈現的速率。尤其，所選習題模板可以識別導致解答的問題的兩個或更多個序列，其中，一個序列比另一個序列短，以便該過程可以取決于對學生回答的評價，選擇習題的較短或較長序列。
本發明的另一個特定實施例是包括如下步驟的自動化教學過程從一組習題模板當中選擇一個習題模板；為在所選習題模板中識別到的各個選項隨機地生成值；和接受練習模式或例子模式的選項。響應于學生選擇練習模式，該過程呈現依賴于隨機生成值并導致習題被解答的一個或多個問題的序列。響應于學生選擇例子模式，該過程呈現類似地依賴于隨機生成值并導致習題被解答的一個或多個指導的序列。該過程可以使學生，例如，在學生沒有信心回答問題時，在練習模式和例子模式之間切換。
本發明的另一個特定實施例是包括習題主體表、練習主體表、例子主體表、練習呈現單元和例子呈現單元的教學系統。習題主體表包含與習題相對應的條目，每個條目標識隨機選項和答案。練習主體表包含與習題主體表中的條目相對應的條目，而練習主體表中的每個條目包括代表導致與習題主體表中的相應條目關聯的習題被解答的問題的至少一個序列的信息。例子主體表包含與習題主體表中的條目相對應的條目，而例子主體表中的每個條目包括代表導致與習題主體表中的相應條目關聯的習題被解答的指導序列的信息。練習呈現單元將來自練習主體表和習題主體表的相應條目的信息用于呈現問題序列，而例子呈現單元將來自例子主體表和習題主體表的相應條目的信息用于呈現指導序列。
本發明的另一個特定實施例是包括練習題呈現系統、用戶進度表、診斷引擎和管理單元的教學系統。練習題呈現系統呈現來自一系列功課的練習題。診斷引擎在所依據的練習題的呈現期間評價從學生那里接收的答案，然后，更新用戶進度表以指示哪些功課已經完成。管理單元可以訪問用戶進度表和時間表，以確定學生學習功課的進度是否按時。
本發明的另一個特定實施例是包括如下步驟的自動化教學過程設置進度時鐘，以便完成一系列功課；以用戶控制的速率向用戶呈現功課；將用戶學習功課的進度與進度時鐘相比較；和確定用戶超前還是落后于時間表。依賴于用戶超前還是落后于時間表，該過程接著可以調整教學參數，譬如，為每節課提供的練習題的數量、練習題的難度和插入功課中的復習題的數量或比率。
本發明的另一個特定實施例是包括如下步驟的自動化教學過程呈現來自包含導致習題被解答的多個問題的序列的當前問題；從學生那里接收對當前問題的答案；和重復呈現和接收步驟，直到學生已經解答為止。學生可以控制問題的相繼呈現是否按照序列的順序繼續到下一個問題。該過程也可以包括加亮呈現問題的領域，并呈現該領域的內容如何與回答問題關聯的說明。另外，或可替代地，該過程可以包括評價序列中的問題的每個答案；定位分別與答案相對應的診斷代碼；和更新與診斷代碼相對應的進度類目，以反映哪些答案是正確的。
圖1是示出基于本發明實施例的教育實踐過程的流程圖；圖2是示出基于本發明實施例的教學系統的方塊圖；圖3是適合用在圖2的教學系統中的表格的方塊圖；圖4是基于在練習特定類型的習題期間減少呈現步驟的數量的本發明實施例的教學過程的流程圖；圖5是基于用戶選擇多步解答的邏輯流程的本發明實施例的教學過程的流程圖；圖6是例示教學插入單元和診斷引擎之間的關系的方塊圖；和圖7是例示通過交互式萬維網提供學生、教師和父母可訪問的學習系統的本發明實施例的方塊圖。
用在不同圖形中的相同標號表示相似或相同的條目。
具體實施例方式
基于本發明實施例的教學系統交互式地提供了說明內容、例子和習題，適合學生的需要。另外，教學系統可以提供用有其它教學環境中的、可以與教師和/或父母交流的學生成績的詳細分析或診斷。
圖1是示出供學生使用的教學過程100的流程圖。教學過程100通常是在其中專用硬件或軟件像下面進一步描述的那樣實現過程100的各個部分的計算機輔助過程。教學過程100通常可適用于以許多不同教育水平教學各種各樣的學科。在本發明的示范性實施例中，教學過程100面向初級(K-12)教育以及習題的解答可以分成多步邏輯過程的數學、科學或類似學科的教學。像數學和科學那樣的學科特別適合于計算機輔助教學，因為這些學科中的習題往往是數值相關的和可評價的。
在過程100的開頭選擇主題和水平。在過程100的一種實現中，諸如教師、父母或學生的人員在步驟110中簡單地為過程100選擇學科、領域和水平。例如，教師可以給出標識學生的特定功課的類別指定。這樣的功課可以利用通常由教育機構編制的標準化教學課程分類。例如，如對K-12學生的CAT/6標準化測試闡述的那樣，功課可以利用加州教育署(California StateBoard of Education)的學術標準分類。然后，每個學生在步驟110中選擇指定的學科、領域(area)和水平(level)。可替換地，為了讓學生使用教學過程100，學生可以在步驟120中進行定位測試(placement test)，而步驟125中的自動化指定選擇學科、領域和/或水平。
步驟130根據所選或指定的學科、領域和水平，生成隨機習題。正如下面進一步描述的那樣，隨機習題的選擇可以進一步基于學生以前的成績。在本發明的示范性實施例中，在從與過程100的學科、領域和水平關聯的級別下的習題模板中作出選擇的過程中，首先隨機化生成的習題。所選的習題模板通過構建完整習題所需的條目的選擇被進一步隨機化。有關特定習題模板的條目的選擇可以包括例如可以從目標集或范圍中隨機選擇、使得數字解或答案幾乎不重復的數值。并且，可以從相關列表中隨機選擇與模板關聯的內容、措詞、圖形或其它表示特征中的條目，以提供在觀念上有助于維持學生對解答練習題的興趣的隨機習題的多樣性。
每個習題模板通常與多步習題解答過程關聯。例如，分數相加的一般性習題可能與從正在相加的分數中求出公分母、將分數的分子和分母乘以適當因子、相加相乘之后的分數的所得分子、求出結果的分子和分母的公因子以及由此簡化結果的步驟關聯。與模板的每個步驟關聯的是解答那個步驟的指導、問題和一個或多個公式。在多步過程中學生提供的每個答案可能都含有標識技能的診斷代碼。對于分數相加的例子，診斷代碼可能對應于諸如求出公分母、相乘分子和分母、簡化分數之類的技能。與模板關聯的指導通常用在教學系統呈現隨機習題作為習題解答技術的例子的時候。當學生解答練習題時，過程100使用與習題的步驟關聯的問題。
學生在步驟140中選擇是查看習題的示范性解答、嘗試解答習題還是從過程100退出。如果學生選擇查看習題的示范性解答，步驟150呈現隨機習題的多步解答。對于習題的每個步驟，如利用隨機選擇的條目和數值完成的那樣，過程100呈現與步驟關聯的指導。因此，教學過程100可以通過解答隨機生成習題逐步引導學生。
如果學生在步驟140中決定練習解答習題，過程100執行練習例程160。在圖1的實施例中，練習例程160包括向學生呈現與隨機習題的當前步驟關聯的問題。問題通常包括在步驟130中選擇的隨機數或條目。問題可能尋找一個或多個數字答案或可能請學生從許多個選項中選擇在解答提出的習題中如何合乎邏輯地進行下去。在教學系統在步驟166中決定練習例程160是否完成之前，學生在步驟164中回答問題。如果當前隨機習題的練習例程160還沒有完成，步驟168選擇與該習題關聯的下一個步驟。下一個步驟的選擇可以基于學生對最后問題的回答和/或學生過去對相似習題的成績。例如，如果學生未正確回答最后問題，步驟168可以請學生再試一次。如果學生正確地回答和以前的成績指示學生已經掌握了與下一個問題關聯的概念，步驟168可以選擇將解答習題的兩個或更多個步驟結合在一起的問題。
評價例程170評價學生的成績，可以在練習例程160完成時，或可替代地，在每個問題之后開始。評價例程170識別和列表在練習例程160期間學生犯的錯誤。更具體地說，可以按與不正確答案關聯的一個或多個概念分類識別的錯誤，而表可以記錄與每個概念關聯的正確和錯誤答案的數目。然后，步驟174確定學生對特定概念的掌握是否不牢固。與特定概念或技能關聯的大量錯誤表示學生對那個概念或那種技能的掌握不牢固。
如果步驟174檢測到弱點，可以激活針對檢測到的弱點的復習例程180。復習例程180可以包括教學系統向學生提供概念的描述或說明的概念復習步驟182。然后，在步驟184中可以呈現使用該概念的一個或多個解答例子，并且在步驟186中給出目標練習題。一旦完成復習過程180，教學過程100就可以返回到步驟130，以便生成另一個隨機習題，或返回到評價例程170，以便進一步完成學生成績的評價。復習過程和例程180一般說來可以在檢測到弱點之后的任何時刻執行。尤其，可以將例程180延遲到學生完成一批習題的時候，從而在一課、一節或一章結束時將多個復習過程之一提供給學生。
如果評價例程170的步驟174未檢測到具體弱點，步驟176為所評價的類型的練習題計算速度。例如，如果學生掌握了通過特定類型的練習題呈現的概念或技能，可以減少使用所掌握概念或技能的練習題的數量。練習題也可以用較少的步驟呈現，和基于學生對概念或技能的掌握的計算速度可以控制用在多步練習題中的步驟的數量。
步驟178計算重訪以前識別的弱點的頻率。在本發明的示范性實施例中，對于與所識別的弱點相對應的問題，重訪所識別的弱點的頻率與學生錯誤率成正比。例如，如果對于與弱點相對應的問題，錯誤率是100％，可以將重訪頻率設置在最高水平上，例如，重訪指數9。如果錯誤率是90％，可以將重訪頻率設置得稍微低一些，例如，重訪指數8。如果錯誤率低于目標水平(例如，10％)，可以將重訪頻率設置成0。在每個練習循環，例如，每個習題或每一課之后，可以增加重訪指數，當重訪指數達到目標水平，例如，重訪指數10時，可以開始復習過程。
圖1中在評價例程170之后執行的步驟190確定是否重訪學生感到特別困難的任何概念。如果步驟190確定它是重訪的時間，則學生的下一個練習題是明確使用作為重訪目標的概念的隨機習題。重訪練習題可以是在概念復習例程180中識別和使用的相同類型習題。如果步驟190確定它還不是重訪任何概念的時間，則教學過程100轉移回到步驟130，生成學生當前正在學習那種類型的另一個隨機習題。
如上所述的過程100可以以硬件或軟件形式實現。這樣的軟件可以是被具體化成諸如軟盤、CD ROM(光盤只讀存儲器)、DVD ROM(數字多功能盤只讀存儲器)或存儲棒(僅舉幾例)之類的存儲媒體中的機器可讀指令。在一個例子中，以軟件形式為獨立計算機、與局域網連接的一個或多個計算機或通過廣域網或因特網互連的計算機實現具體化過程100。例如，實現過程100的軟件可以通過網站訪問和使用。
圖2例示了實現基于本發明實施例的教學過程的系統200的功能塊。系統200包括隨機習題發生器210、呈現單元212和214、映射表220、診斷引擎230、教學插入235、復習插入單元240、重訪頻率調整單元245、練習速度調整單元250、報告總結單元260、進度時鐘265和管理單元270。
在所例示的實施例中，隨機習題發生器210利用映射表220為特定級別、章、節、主題、課或水平生成和呈現隨機習題。如圖3所示，映射表220可以包括習題主體表310、例子主體表320、練習主體表330、診斷代碼表340、用戶進度表350和教學主體表360。隨機習題發生器210利用學生的水平和指定的功課生成在習題主體表310中定位相關條目的指針，然后，選擇習題主體表310中的條目之一。每個條目通常包括標識諸如級別、章、節、主題、課、水平、例子、變種和習題類型之類的信息的標記。習題主體表310中的條目還包括標識練習題和例題兩者共有的信息的代碼。在本發明的示范性實施例中，習題主體表310的每個條目內的代碼標識一組隨機選項r1到rn和一組答案a1到am，其中，n是選項個數和m是生成和完成隨機習題所需的輸入的個數。
習題主體表310的每個條目通常含有例子主體表320和練習主體表330每一個中的一個或多個相應條目。例子主體表320中的條目提供專用于呈現例題的信息，而練習主體表330中的條目提供專用于呈現練習題的信息。
等式1給出了與作為呈現例題或練習題的組成部分的步驟，即，作為例題或練習題的部分的指導或問題。單步例題和練習題可能只需要一次呈現P，但更一般地，N步例題和練習題可能包括N次呈現P1到PN，每一次呈現都與相應步驟關聯。在等式1中，呈現P代表對于呈現P的顯示、聲音或其它媒體功能具有格式F的問題或指導主體。在用格式F標識的位置上將隨機選項ri和答案ai與呈現的固定內容一起使用。具體地說，模式F可以指示顯示屏上的方格(cell)的位置，和呈現可以將依賴于隨機選項ri和答案ai的固定內容或主題填入每個方格中。呈現中的固定內容的一些例子可以包括固定句子、數學表達式、一組可用選項、下拉選擇、多維幾何圖形、多維坐標、靜止圖像、運動圖像、聲音和這些的混合物。
等式1P＝F(r1，r2，...，rn，a1，a2，...，am)這里統稱為選項ri的隨機選項r1到rn對應于可以顯示在問題或指導主體中的變量。每個選項ri可以代表任何格式的數字、一組(一個或多個)字母、一個或多個詞匯、多維幾何圖形、一組坐標、靜止圖像、運動圖像或聲音。取決于選項ri的標識代碼，隨機習題發生器210可以隨機地從來自文件的數組、表格或調用中選擇每個選項ri。可替代地，一些選項ri可以從其它選項ri中或依賴于其它選項ri計算出來。對于一個習題選項ri通常被選擇一次，并且在多個步驟的呈現中可以顯示它們。
在練習模式中輸入和在例子模式中可以利用來自表格22的公式確定這里統稱為答案ai的答案a1到am。每個答案ai通常在隨機習題用于練習時從用戶那里接收到，但可替代地，也可以在隨機習題作為例子時從選項ri和相關公式中計算出來。格式F定義計算的答案ai在指導主體中的位置或暗示用戶從問題主體中輸入。依賴于上下文，答案ai可以是任何格式的數字、字母、詞匯、多選項選擇、下拉選擇、多維幾何圖形。在練習題中，步驟的呈現可以提供用作作為用戶指定答案ai的界面的組成部分的標記或隊列的文本框、菜單、單選按鈕或類似圖形。然后，用戶可以利用鍵盤、鼠標按鈕(或定義在屏幕上的坐標系統上的鼠標移動)、數字或符號檢出器、語音輸入，輸入答案ai。借助于符號檢出器，系統響應學生將光標移動到標記上，顯示包含與標記相鄰的諸如數字或其它符號之類的條目的填充區。然后，學生可以用鼠標來選擇填充區上的條目，識別輸入的答案。
多步練習題呈現方塊212通常將來自練習主體表330的問題格式F和來自隨機習題發生器210的選項ri用于呈現與練習題關聯的每個問題。類似地，多步例子呈現方塊214可以將來自例子主體表320的指導格式用于呈現例題的一個或多個步驟的指導。
在呈現例題或練習題期間，用戶激活通常控制多步呈現。正如上面所指的那樣，呈現P可以包括一旦前一步驟完成用戶就激活的多個步驟，和呈現中的下一步驟可以隨用戶在前一步驟中的選擇或回答而改變。例如，如果用戶在前一步驟中提供了答案ai，在用戶提供附加輸入之前，在隨后步驟的呈現中自動顯示從該答案得出的答案或值。前一答案ai的重復或使用可以使步驟之間的連接在用戶看來更自然和顯而易見。在通常情況下，用戶可以不局限于解答習題的特定方法和步驟順序，通過呈現可以讓用戶在解答某些習題的不止一種方式當中作出選擇。
多步呈現在幾個方面優于簡單地向用戶呈現習題和用戶只提供最后答案的單一過程。尤其，多步呈現使用戶可以專注于和學習解答習題所需的每個步驟。多步邏輯也可以教導解答習題的邏輯思維過程。并且，來自用戶的多個答案使可以精確定位用戶錯誤的源頭的診斷或分析成為可能。
圖2的呈現單元212和214的多步操作可以被模型化成隨來自用戶的練習結果呈現不同步驟組合。例如，圖4例示了為解答特定類型練習題而呈現的步驟的數量隨用戶解答類型代碼相同的習題的成績而改變的教學過程400的例子。在步驟410中，用戶開始特定類型或類別習題的練習，呈現步驟420呈現全套步驟/問題供用戶回答。決定步驟430觀察用戶的答案以確定用戶是否已經達到掌握的目標水平。如果用戶成績暗示用完整多步呈現進一步練習，例如，如果錯誤數量超過目標水平，則過程400從步驟430轉移回到步驟420。如果步驟430認識到用戶已經達到掌握的目標水平，則步驟440提供步驟數量減少了的，例如，將一些最初呈現步驟組合在一起的呈現版本。以這種方式組合步驟測試用戶是否可以沒有提示地執行組合步驟。決定步驟450確定用戶是否已經達到掌握的水平，以便進一步減少呈現步驟的數量。步驟460利用最少步驟，例如，單步呈現來呈現練習題。然后，決定步驟470讓用戶以提供最少步驟的速度練習，以證明用戶不用提示解答習題的能力。當步驟470識別出用戶已經達到掌握那種特定類型習題的所需水平，過程400即告完成。然后，過程400可以用于新類型的習題。
練習題生成單元212也可以使用多步概念來跟蹤解答習題的用戶優選邏輯過程。例如，圖5例示了用戶選擇解答練習題的步驟的過程500。過程500從步驟510開始，步驟510向用戶呈現在解答習題的過程中最初步驟的選項。在圖5中，存在三種可能選擇，但更一般地，取決于習題，可以提供任何數量的可替代項。但是，如果只存在一種選擇，則可以跳過步驟510。然后，決定步驟520根據用戶選擇將過程500引向問題的呈現530X、530Y或530Z，而用戶在步驟540中向呈現的問題提供答案。然后，決定步驟550確定習題的解答是否完成，如果沒有，則轉移回到步驟510。步驟510中的每次問題呈現一般說來都提供數量不同的選項，這些選項依賴于用戶以前的選擇。
圖2的教學系統200的另一個特征是用戶從練習模式切換到例子模式的的能力。尤其，如果用戶無法回答來自練習題呈現單元212的問題，用戶可以切換到例子模式。然后，例子呈現單元214可以呈現當前步驟(或例題從頭開始)的指導，因此，練習呈現單元212和例子呈現單元214使用相同的隨機選項ri。如有需要，在多步例題或練習題中也可以讓用戶向后退。
通過顯示說明特定步驟的計算、邏輯或推理，或特定選項ri或答案ai與習題的所需解答的關系的說明性文本、圖形和/或語音，練習呈現單元212或例子呈現單元214也可以提供可替代幫助模式。與所呈現問題的特征相對應的動態位置可以通過加亮，要不然變更，例如，某些選項ri或答案ai的外表來激活。尤其，可以類似地變更或加亮作為卷入說明性文本、圖形和/或語音中的元素的選項ri或答案ai，并可以在說明的特征上或附近顯示說明。
系統200包括含有如圖3所示，可以相互鏈接的映射表220的結構。在本發明的示范性實施例中，習題主體表310包含生成應用于練習題和例題兩者的習題的各個部分的可執行代碼。習題主體表310中的代碼可以由隨機習題發生器210，例如，為了選擇隨機選項ri或在選擇隨機選項ri期間，或作為習題的呈現部分鏈接和調出。如上所述，習題主體表310中的每個條目還為相應習題標識隨機選項ri和答案ai。例子主體表320類似地包含例子主體的代碼，并且例子呈現單元214可以鏈接和調出來自表320的代碼。例子主體表320的每個條目包括與習題主體表310的相應條目的映射和鏈接，而習題主體表310包括反向到例子主體表320的相應條目的映射和鏈接。
練習主體表330類似地包含練習題呈現單元212可以為呈現練習題調出的練習題主體。例子主體表330的條目包括與習題主體表310和/或例子主體表320的相應條目的映射或鏈接和反過來，以便當系統200以練習模式操作時，使用來自表310和330的信息和/或可執行代碼。借助于這種結構，來自表310和320的條目可以被雙向調出，以便例如當從呈現練習題的練習模式切換到呈現例題的例子模式時，使用來自例子主體表320和/或練習主體表330的信息或代碼。
當評價哪些答案ai正確和在特定技能領域中列表正確和錯誤答案時，診斷引擎方塊230可以訪問練習主體表330、診斷代碼表340和用戶進度表350。診斷代碼表340是包含供診斷引擎230使用的診斷代碼的一組表格。每個診斷代碼表340都與習題主體表310中的相應條目鏈接，因此，與特定習題鏈接。每個診斷代碼表340中的條目對應于與相應習題關聯的答案ai，和每個條目是標識與答案ai關聯的主題或技能。當在練習題期間評價用戶響應時，如下面進一步描述的診斷引擎340識別答案ai是正確的還是不正確的，訪問與所評價習題關聯的診斷代碼表中與答案ai相對應的條目，和在用戶進度表350的相應條目中列表正確或不正確的答案。
用戶進度表350用于指示用戶/進度狀態信息，譬如當前水平、當前解決點、總級別、詳細級別、總診斷結果、詳細診斷結果、需要復習的概念或功課、需要重訪的習題和加速/減速參數。一般說來，表350中的狀態項與表310、330和340中的相應條目鏈接。
診斷引擎230評價練習題的答案ai，以識別在習題解答技能方面的特定弱點和/或在完成一類習題方面的總弱點。在本發明的示范性實施例中，診斷引擎230包含為了執行診斷功能與診斷代碼表340鏈接的邏輯關系式和等式。診斷引擎230的四種基本診斷功能是實時弱點檢測、總弱點分析、要重訪的主題的檢測和在練習題呈現期間學習速度的調整。
對于實時弱點檢測，只要用戶完成/回答了問題或習題，診斷引擎230就激活錯誤檢驗。錯誤檢驗將用戶答案與計算答案相比較。答案可以用習題的隨機選項ri和來自習題主體表310的公式來計算。診斷代碼表340也可以將每個答案ai指定成特定習題類型和/或特定技能，然后，診斷引擎230可以對識別的技能或習題類型更新用戶進度表350，以反映正確和不正確答案。在示范性實施例中，診斷引擎230針對相應一個或多個類別將每個答案ai列表成正確或錯誤答案，并針對每個不正確答案，給出正確答案，以及例子計算或為什么或如何求出正確答案的邏輯理由。診斷引擎230還可以激活教學插入單元235，然后，教學插入單元235可以提供固定呈現，以說明診斷引擎230識別成需要提高的概念或技術。診斷引擎230最好呈現正確答案、達到正確答案所需的推理和在練習呈現單元212提供的作業紙上的用戶錯誤上或附近需要學習的領域或技能的列表。
當用戶完成一節練習題(例如，與一課、一個單元、一章、一級等相對應)時，診斷引擎230根據用戶進度表350中的錯誤累計進行總弱點分析。這樣的分析可以評定這節練習題的總正確/水平百分比，并且可以評定用在這節練習題中的每個概念、技術或技能。先于總評定或分析，診斷引擎230可以計算正確答案的百分比或如等式2所指，每個診斷代碼ci的加權平均CRT。在等式2中，n是具有診斷代碼ci的評價練習題的總數，j是標識特定練習題的指標，如果習題j的答案ai正確，則ARij是1，否則，ARij是0，而kj是指定給每個習題j的權重。用于計算加權平均的權重kj可以來自固定表格(未示出)和通常可以具有依賴于習題j的評定水平和難度的值。然后，正確答案百分比或CRT可以用在創建練習部分完成之后可能需要進一步學習的概念或技術的列表中。
等式2CRTci=Σj=1nkjARijΣj=1nkj]]>可以調用教學插入單元235來呈現正確答案百分比較低的識別概念或技能的說明。圖6例示了在本發明的示范性實施例中教學插入單元235與診斷引擎230和練習題呈現單元212之間的關系。如圖6所示，診斷引擎230利用與問題或技能相對應的診斷代碼識別教學主體表360中的條目。與為教學插入識別的診斷代碼相對應的識別條目可以包含與診斷代碼相對應的概念或技能的說明或如何解答相應習題的詳細說明。教學插入單元235包括呈現所需概念或技能的復習的例程610和呈現如何解答相應習題的詳細說明的例程620。教學插入單元235可以比例子呈現單元214呈現的例題更詳細地提供固定詳細說明，或者，可替代地，可以使用例子呈現單元214呈現的隨機例題。教學插入單元235還可以激活練習題呈現單元212，以呈現與識別的診斷代碼相對應的一組隨機習題。然后，診斷引擎230可以評價這套隨機習題，以監視用戶的提高。
診斷引擎230還可以激活速度調整單元250，以便根據總錯誤百分比調整特定類型習題的速度。用戶進度表350也可以作為對一節的總評價的一部分得到更新，以示出該節的完成和該節的總評定或評價。因此，診斷引擎230可以使總評定/評價，以及特定問題或技能的正確/錯誤答案的特定百分比適用于報告總結單元260為教師、父母或其它用戶生成報告。
診斷引擎230的練習重訪檢測功能也可以在用戶完成一節(例如，一課、一個單元、一章或一級)練習題的時候啟動。重訪檢測通常包括基于特定習題類型的正確答案的百分比的總分析。如果特定習題類型或技能的正確答案的百分比低于固定或浮動閾值，可以將那種習題類型或技能作為復習和/或重訪的目標。然后，重訪頻率調整單元245可以設置重訪識別習題類型或技能的頻率，以便激活復習插入單元240向用戶呈現目標復習題。在本發明的示范性實施例中，重訪頻率調整單元245更新用戶進度表350，以列出診斷引擎230為重訪識別的每個診斷代碼和提供可以從與診斷代碼關聯的正確答案的百分比中計算出來的重訪頻率。
復習插入單元240在管理單元270的指導下，可以啟動插入診斷引擎230為重訪識別的一種或幾種類型的練習題的重訪功能。例如，當學生正在練習檢測到弱點的功課后面的功課時，每個重訪習題通常被插入與后續功課相對應的當前一系列練習題當中。對于重訪功能，管理單元270可以設置允許復習插入單元240以重訪頻率調整單元245設置的頻率執行重訪功能的進度間斷。
在本發明的示范性實施例中，重訪頻率調整單元245為診斷引擎230為重訪而識別的每個診斷代碼m確定重訪頻率RFm。等式3提供了適合計算重訪頻率RFm的公式的例子。在等式3中，CRVm是診斷代碼m的正確答案的加權百分比，TCRV是與及格或不及格水平相對應的閾值，和由于選擇診斷代碼m加以重訪，所以大于加權百分比CRVm，和sm是診斷代碼m的自適應比例參數。參數sm可以存儲在用戶進度表350中，和可能依賴于學生的超出成績、評定水平、習題難度和錯誤重要性。因此，參數sm可以隨診斷代碼m的重要性定標重訪頻率。例如，對于學生當前評定水平來說相對不重要的習題類型m的參數sm可以較小，以降低較不重要習題的重訪頻率。
等式3RFm＝sm(TCRV-CRVm)診斷引擎230還為學習速度調整提供所需輸入。學習速度調整可以基于學生完成習題的最近的成績。為此，診斷引擎230可以不斷地進行總分析，以獲得最近的練習對話期間診斷代碼ci的正確答案的加權百分比CRVci。等式4給出適合加權百分比CRV的公式。在等式4中，np是最后練習部分中具有診斷代碼ci的評價練習題的總數，j是標識特定練習題的指標，如果習題j的答案ai正確，則PRij是1，否則，PRij是0，而qj是指定給每個習題j的權重。權重qj可以與權重kj相同，或可替代地，可以不同，以提供專用于當前部分的總評價。如果正確答案的加權平均CRVci在固定或可變閾值之上，則可以提高與診斷代碼ci相對應的習題類型的練習速度。
等式4CRVci=Σj=1npqjPRijΣj=1npqj]]>在本發明的示范性實施例中，根據最后的練習對話中練習題的正確答案的百分比的平均值，為下一個練習對話中的所有習題設置練習速度。等式5給出了學習速度參數LSP與正確答案的權重百分比CRVm、與最后練習對話關聯的診斷代碼的數量nd和診斷代碼的加權因子wm之類的關系的公式。加權因子wm可以表示每個診斷代碼的重要性因子。例如，如果診斷代碼i對應于重要主題，那么，可以將加權因子wi設置成1，否則，加權因子wi可以小于1。練習題呈現單元212可以利用學習速度參數LSP來選擇為練習題呈現的步驟的數量。
等式5LSP=Σj=1ndwjCPVjΣj=1ndwj]]>本發明示范性實施例中的進度時鐘265控制或選擇圖2的系統200呈現的主要功課。除非用戶直接選擇特定主題，否則系統200可以像在所選時間跨度內完成一系列功課所需的那樣，以線性或非線性方式依次呈現功課。另外，如上所述，可以將重訪題插入一系列功課當中，以復習學生原來感到比較困難的概念。一系列功課的時間跨度可以是為學習包含在一系列功課中的主題而設置的一個陽歷年或學年、一個學期、一個季度、一個月或任何所需時間間隔。通常，進度時鐘265與當前陽歷時間同步。
進度時鐘265的用途之一可以是將如記錄在用戶進度表350中那樣的學生進度與在分配的時間內完成功課的時間表相比較。進度時鐘也可以將時間參數提供給管理單元270。然后，管理單元270可以執行諸如向用戶發送警告信號來表述他/她的進度落后于時間表之類的功能，然后，加強學習/練習努力，讓用戶趕上。可替代地，管理單元270可以向用戶發送祝賀信號來表明學生的進度超前時間表。然后，中心管理單元270或用戶可以選擇做更困難的練習題，對任何以前檢測的弱點進行額外學習/練習，或彌補例如由于有關使用系統200的遲簽約而跳過的一些學習/練習/主題。
管理單元270更一般地含有與系統200中的所有其它單元的接口，和可以一般地控制系統200的操作，例如，以便實現圖1的教學過程。
上面大多集中于系統200的教學功能并且著重于用戶是學生的操作。系統200也可以用作向教師或父母報告學生進度的評價工具。報告總結單元260處理存儲在用戶進度表350中的數據以生成報告。這樣的報告可以以諸如原始數據、表格或圖形之類的各種各樣的格式提供，并可以包括有關學生進度的信息的學生選擇組合。可以包括在報告中的有關學生進度的一些信息包括學生當前水平、當前功課、總成績、按具有診斷代碼的任何一個或所有主題分類的詳細成績、指示學生實力和需要的相關成績、列出學生總弱點的總診斷結果、列出與弱點有關的明細或細節的詳細診斷結果、學生需要復習的概念或功課、需要重訪的問題/習題、加速/減速參數、與主日歷相比較的學生總進度或詳細進度、學生總進度的時效和學生最近進度的時效。這樣的報告可以打印出來或通過諸如局域網(LAN)之類的網絡或諸如因特網之類的廣域網電傳輸到教師使用的計算機上。
如上所述的教學系統和過程可以在各種各樣的環境或狀況下實現和可以用在各種各樣的環境或狀況中。例如，在一個實施例中，在學生在家里或在學校使用的獨立計算機上實現教學系統200。
在位于諸如學校之類的中心位置或位于分立位置的分立計算機上工作的一組學生可以使用如上所述的系統200的副本。如上所述的隨機習題生成的優點在于，可以將講述同一主題的不同習題(例如，將不同數值答案)提供給班級里的每個學生。這使答案作弊或共享更加困難，并且，不會增加評定或評價學生答案的難度。教師通過網絡訪問可以監視所有學生的成績和進度，并且，可以迅速地對學生作出手工需要花費大量時間才能得出的評價。
圖7例示了網站710提供與上面參照圖1和2所述的那些相似的教學過程或系統的學習系統700的示范性實施例。學生720通過登錄和觀看例子或解答練習題使用網站700。教師730可以類似地登錄到網站700上，與學生710和/或父母740交流，以將功課指定給學生710，或訪問有關萬維網710識別成處在教師730的班級中的任何一個學生710的報告。父母或監護人740也可以登錄到網站710上和訪問來自教師730的信息或有關他們孩子710的成績或需要的報告。
雖然通過參照特定實施例，已經對本發明進行了描述，但描述只是本發明應用的例子，而不應該看作是一種限制。公開的實施例的特征的各種各樣改編和組合都在所附權利要求書所限定的本發明的范圍內。
權利要求
1.一種自動化教學方法，包括從一組習題模板當中選擇一個習題模板；為在所選習題模板中識別到的各個選項隨機地生成值；向學生呈現一個或多個問題的序列，其中，呈現的問題依賴于隨機生成的值；接收來自學生的答案；和將來自學生的答案與從隨機生成值和來自所選習題模板的公式中導出的答案相比較。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，隨機值的至少一個是數值。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，隨機值的至少一個標識呈現問題時要顯示的圖像。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所選模板標識呈現問題中的隨機選擇值的位置。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所選模板提供多個方格的位置，其中，當呈現問題時將通過按照隨機生成值識別的條目置于各自的方格中。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，進一步包括呈現為所選習題模板識別出導致最后解答的問題序列。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，問題序列之一的呈現內容包含依賴于來自學生的一個或多個答案的內容。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，接收來自學生的答案包括顯示指示答案的位置的標記；響應學生將光標移動到標記上，顯示與標記相鄰的填充區；和根據填充區上的學生選擇條目識別答案。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所選習題模板識別導致最后解答的習題的第一序列和導致最后解答的習題的第二序列，第二序列包括處在第一序列中的較少習題，其中，該方法進一步包括評價學生為前面習題給出的答案，以確定是否呈現習題的第一或第二序列。
10.根據權利要求1所述的方法，進一步包括識別與來自學生的答案的至少一個相對應的診斷代碼；和更新與診斷代碼相對應的成績值，以反映來自學生的答案是否正確。
11.根據權利要求10所述的方法，進一步包括利用成績值確定與診斷代碼關聯的概念是否需要復習；和呈現與診斷代碼關聯的概念的說明。
12.根據權利要求10所述的方法，進一步包括利用成績值確定是否應該重訪與診斷代碼關聯的概念；和將與所述診斷代碼關聯的練習題插入針對于除了與所述診斷代碼關聯的概念之外的其它概念的隨后一系列練習題中。
13.根據權利要求12所述的方法，進一步包括利用成績值確定將與所述診斷代碼關聯的練習題插入隨后一系列練習題中的頻率。
14.根據權利要求10所述的方法，進一步包括利用成績值確定呈現隨后練習題的速度。
15.一種自動化教學方法，包括從一組習題模板當中選擇一個習題模板；為在所選習題模板中識別到的各個選項隨機地生成值；接收對于第一或第二模式的選擇；響應學生選擇第一模式，呈現一個或多個問題的序列，其中，呈現的問題依賴于隨機生成值并導致最后解答；和響應學生選擇第二模式，呈現一個或多個指導的序列，呈現的指導依賴于隨機生成值并導致最后解答。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，接受第二模式的選擇發生在呈現來自一個或多個問題的序列的至少一個問題之后，和其中，呈現一個或多個指導的序列包括呈現指示如何回答所呈現問題的相應一個的指導。
17.根據權利要求15所述的方法，進一步包括響應用戶命令，在沿著呈現的序列向前進和沿著呈現的序列向后退之間切換。
18.一種教學系統，包括包含多個條目的習題主體表，每個條目與習題相對應并標識一組隨機選項和一組答案；包含多個條目的練習主體表，練習主體表的每個條目與習題主體表中的條目之一相對應，并包括代表導致與習題主體表中的相應條目關聯的習題被解答的問題序列的信息；包含多個條目的例子主體表，例子主體表的每個條目與習題主體表中的條目之一相對應，并包括代表導致與習題主體表中的相應條目關聯的習題被解答的指導序列的信息；練習呈現單元，將來自練習主體表和習題主體表的相應條目的信息用于呈現問題序列；和例子呈現單元，將來自例子主體表和習題主體表的相應條目的信息用于呈現指導序列。
19.一種教學系統，包括練習題呈現系統，用于呈現來自一系列功課的練習題；用戶進度表；診斷引擎，在所依據的練習題的呈現期間評價從學生那里接收的答案，診斷引擎更新用戶進度表以指示哪些功課已經完成；和管理單元，能夠訪問用戶進度表和時間表，以確定學生學習功課的進度是否按時。
20.一種自動化教學方法，包括設置進度時鐘，以便完成一系列功課；以用戶控制的速率向用戶呈現功課；將用戶學習功課的進度與進度時鐘相比較；和確定用戶超前還是落后于時間表。
21.根據權利要求20所述的方法，進一步包括根據用戶超前還是落后于時間表，調整為每節課提供的練習題的數量。
22.根據權利要求20所述的方法，進一步包括根據用戶超前還是落后于時間表，調整練習題的難度。
23.根據權利要求20所述的方法，以依賴于用戶超前還是落后于時間表的速率將復習題插入功課中。
24.一種自動化教學方法包括選擇一個習題；向學生呈現來自序列的當前問題，其中，該序列包含導致習題被解答的多個問題；從學生那里接收對當前問題的答案；和重復呈現和接收步驟，直到學生已經解答為止。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，學生控制呈現問題的相繼重復是否按照序列的順序繼續到下一個問題。
26.根據權利要求24所述的方法，包括加亮呈現問題的領域；和呈現該領域的內容如何與回答問題關聯的說明。
27.根據權利要求24所述的方法，進一步包括評價序列中的問題的每個答案；定位分別與答案相對應的診斷代碼；和更新與診斷代碼相對應的進度類目，以反映哪些答案是正確的。
全文摘要
教學系統交互式地提供說明性內容、例子和習題并適應于學生使用。該系統可以生成向學生演示呈現的隨機問題，作為多步例題或練習題。可以評價多步練習題的每個步驟中學生的答案，以識別弱點。通過呈現附加說明、提供附加練習題并將所識別類型的練習題插入學生隨后功課中重訪弱點，可以彌補所識別的弱點。該系統還可以適應于根據學生成績調整呈現步驟的速度或數量。該系統可以進一步提供用在其它教學環境中的可以與教師和/或父母交流的、學生成績的詳細分析或診斷。當具體化在網站中時，教學系統進一步提供學生、教師和父母之間的交流。
文檔編號G09B7/00GK1770222SQ20051007839
公開日2006年5月10日 申請日期2005年6月20日 優先權日2004年11月5日
發明者劉震宇, 陳新, 陳世亮 申請人:摩特股份有限公司