简述教学设计自动化研究

A Base Study on Automated Instructional Design

马  宁^*  余胜泉^**

*北京师范大学现代教育技术研究所

E-mail:*horsening@mail.bnu.edu.cnhorseningcn@hotmail.com

E-mail ysq@elec.bnu.edu.cn

 论著选摘  

本文对教学设计自动化的含义和作用进行了详细的剖析，从功能和时间演进的角度将教学设计自动化工具分为五大类：专家系统、咨询系统、信息管理系统、电子绩效支持系统和写作工具，并对每类工具的特点、结构、技术实现难点、优缺点、已有产品原型等进行了详细的介绍。

关键词：教学设计自动化  专家系统  咨询系统  信息管理系统  电子绩效支持系统  写作工具

1  引言

教学设计自动化的英文缩写是AID，而其英文表示形式主要有三种：Automated Instructional Design、Automating Instructional Design和Instructional Design of Automation，比较常用的是前两种。国际上率先提出教学设计自动化的学者是美国犹他州立大学教育技术系的梅瑞尔教授。他于1984年发表的“计算机指导的教学设计”一文是对这一领域的最早探索。随后，教学设计自动化曾在美国风行一时，很多教育技术专家、心理学家、人工智能专家和计算机专家都投身到该领域中，如：Tennyson、Spector等，并取得了相当多的成果。从1984年到90年代中期，教学设计自动化发展十分迅速，并产生了大量著作和产品原型，从90年代后期开始，教学设计自动化大多以别的面貌出现，其研究也越来越深入。

要明白教学设计自动化的含义，必须首先明白教学设计自动化工具的含义。教学设计自动化工具指能辅助教学设计者和其他教学产品开发人员提高教学设计过程、教学开发过程的所有计算机工具（Gros & Spector，1994）。Spector认为教学设计自动化工具的产品是课件，而笔者认为，其产品除了课件，还应该包括教学设计方案。由此可见，教学设计自动化工具并不专指高度智能的开发工具，也不强调用机器代替教师、学科专家的所有职责。

教学设计自动化就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。

教学设计自动化开辟了教学设计研究与应用的新思路，改变了教学设计理论和方法知识的传播过程，其作用主要体现在以下几方面：

（1）教学设计要求设计人员掌握多方面的专门知识，这对于普通教师、学科专家和部分教学开发人员来说有一定难度，导致大量的、有效的教学设计知识不能应用到实践中去；AID有助于普及教学设计知识，为研究成果走向实践应用提供了有效途径；

（2）教学设计过程既是一个高度创造性的过程，同时又包含许多重复性工作，如：学习者分析、测试评价等，这类工作对于教师是不胜其烦的；AID能充分发挥计算机的优势，补充人力设计的一些不足，减轻教师和教学系统开发人员的负担，提高教学系统设计的质量和效率；

（3）目前已有的一些辅助教学开发工具（如Authorware等）仅仅支持开发和集成，不支持教学设计；AID系统可以弥补已有的课件开发工具在教学设计方面的不足。

教学设计自动化只是一种思想和理念，要依靠教学设计自动化工具才能体现其作用和特点，而且，对于不同的教学设计自动化工具，其理论基础、技术基础、实现思想等都不尽相同，因此，要深刻理解教学设计自动化的发展历程、现状及趋势，可以从教学设计自动化工具的相关方面进行观察和体现。

2  教学设计自动化工具的类型

伴随着教学设计自动化思想的产生，就开始了对教学设计自动化工具的研究。从功能以及时间演进的角度来分，教学设计自动化工具主要有以下四种：专家系统、咨询系统、信息管理系统和电子绩效支持系统。写作工具作为支持计算机教育产品的一种流行工具，有些人也将其归为教学设计自动化工具（Kasowitz, Abby，1998年）。以上五种系统或工具都分别代表了教学设计自动化在发展过程中不同的历史阶段及主要的技术、功能特点，除了以上五种功能外，教学设计自动化工具还可能包含：有实施案例的在线帮助系统、教学设计模板、专家评价系统等功能。而且，应该指出的是，很多产品并不只具有其所属工具类型的功能，可能包含了多种工具的特征。

2.1  专家系统

专家系统是与人工智能技术息息相关的计算机程序，能模拟人类的思维方式，在面临不同问题情境时做出一定的判断和决策。在日常生活中，当我们向某个专家（医生、律师、教师等）咨询某个问题时，专家需要我们陈述我们所面临的问题情境和所有的状况，然后，他们在其知识库（记忆）中查找和我们的问题相关的案例或信息，处理这些信息，做出决策，并提供给我们他们的解决方案。与人类专家相类似，专家系统（计算机程序）由问题所驱动：首先由教学设计开发人员提出自己的问题，并对问题的状况进行详细的描述，计算机从知识库中查找相关信息，处理信息、做出决策，然后提供给用户解决方案。

大多数专家系统由一些组件构成，包括知识库、推理器和用户界面。知识库包含事实和规则两部分，由设计者以程序的形式输入系统。如：一个诊断汽车为什么不能发动的专家系统的事实和规则如下：

事实：电源提供给点火装置电压

事实：点火装置将电压传送给电磁铁

规则：if 点火装置是好的 and 电磁铁出了问题

then 电池 坏了

or 点火装置的开关坏了.

推理器是专家系统中的逻辑单元，以程序的形式存在于系统中，对知识库和现在的问题数据进行操作，从而产生解决策略。

要开发教学设计专家系统，最核心的任务就是知识库的建立，以事实和规则的形式清晰的表现各种问题情境。教学设计专家系统为初学者提供建议，并简化有经验的设计者的开发过程。

目前，公认的教学设计专家系统有：Merrill领导的ID2研究组开发的ID Expert、美国空军Armstrong实验室开发的教学设计实验顾问（XAIDA）。

2.2.1  案例1：ID Expert

由梅瑞尔教授领导的“第二代教学设计（ID2）研究组” 进一步扩展、充实了加涅和布里格斯的教学设计理论框架，形成了第二代教学设计理论（包括CDT和ITT）。梅瑞尔等人采用二维矩阵形式将知识分为10类，并提出了13种不同知识类型的转换理论，然后在此理论基础上研究与开发了ID Expert系统。

ID Expert是基于规则的专家系统，它可以根据教学设计人员提供的信息，提出关于课程组织、内容结构、教学策略等方面的建议。ID Expert中的教学组织与标准的教学过程很相似，通常总是由一门课程开始，接着是每堂课和每堂课中的各个段和节，然后是具体的教学事件，每一个教学事件（An instructional transaction）是指某个学生与计算机之间的一次交互作用。ID Expert是在教学事件处理框架（instructional transaction shell）的基础上实现的。教学事件处理框架由下列组件构成（如图1所示）：

① 交互管理器，有呈现、练习、评价等交互方式，用于和学生的交互；

② 知识库，包含着所要教的知识或技能；

③ 资源数据库，包含着知识的多媒体表示；

④ 教学策略，这是为给定的学习任务、学习者和学习环境而制定的教学策略；

⑤ 用户接口模块，它包括一个知识获取系统，一个多媒体资源编辑器和一个结构处理系统。

图1  ID Expert的教学处理框架结构

ID Expert实现的功能有：用户可以将单个知识库同时用于几种不同的课程；由于教学策略是内置的，所以用户只需提供要教的知识；用户可以方便的修改内置的教学策略；用户可以根据不同学习者的特征（动机、经验等）来设计教学。但是，它也有一定的局限和不足，如：教学策略的给定与教师提供的信息的多少、正确性息息相关，因此对教师提出了较高的要求；如内置的教学策略不够充分，不能保证系统给定的策略一定合适；剥夺了教师自己发挥、创作的空间。

2.1.2  案例2：美国空军Armstrong实验室：AIDA

美国空军Armstrong实验室在专家系统技术基础上，开发了两个教学设计自动化系统：GAIDA（Guided Approach to Instructional Design Advising）系统和XAIDA（Experimental Advanced Instructional Design Advisor），为新手和有经验的设计者来设计、开发、实施空军培训中要使用的课件（Spector & Song,1995）。GAIDA系统使用向导或专门的情境来提供建议和实例。XAIDA系统使用教学转换理论框架来承载专门的情境知识，学科专家只需要提供对某知识系统的描述，XAIDA就可以自动生成关于此内容的交互性课件。这两个系统都属于AIDA研究项目（Muraida & Spector,1993）。下面我们简要介绍一下XAIDA系统。

目前，XAIDA系统已经在美国空军362训练编队得到了广泛的应用，而且取得了很好的效果。当初开发XAIDA系统的目的是：（a）教会学员如何进行有效的基于多媒体计算机的训练；（b）评价训练的有效性；（c）从学员处收集有用数据。对XAIDA训练系统有效性的评价有以下几个方面：（a）学员使用XAIDA过程种能力的改变；（b）计算机技能的提高；（c）对XAIDA态度的改变；（d）XAIDA中程序性知识结构的体现。

XAIDA包含两个组件：开发和发送。开发组件接受用户对知识的描述和编辑信息；发送组件向学员呈现课件。开发组件为学科专家描述系统结构、物理特征、系统行为等提供了方便的工具，并将课程内容和要求的练习与多媒体交互整合在一起。发送组件为学生提供了科学概览、内容材料的详细展示、选择性复习、自动生成的练习等。

2.2  咨询系统

教学设计专家系统开辟了教学设计的新领域，但是却抑制了教学设计开发人员创造性的发挥，Duchastel,P.C.在1990年提出了教学设计咨询系统模式，从而向专家系统模式提出了挑战。不是由专家控制问题解决的过程，咨询系统致力于辅助或训练教学设计人员来完成给定的任务。咨询系统将教学设计人员的能动性和创造性摆在首位，力争为其提供建议和指导，使开发人员能在开发的过程中就进行对学习理论、教学理论的学习。

一般来说，咨询系统包括教学设计知识库、用户界面和语意识别及查询器三部分。咨询系统的知识库与专家系统的知识库相类似，主要是按一定结构和规则对教学设计的相关知识内容进行分类存储。咨询系统所特有的一个组件是将用户的请求进行语意识别、翻译成程序可执行的代码，并与后台知识库建立连接，查找到相关信息的语意识别和查询组件。在该组件的实现过程中，会应用到语意识别、模糊查询、精确查询等多种机制，是教学设计咨询系统实现的一个难点所在。

Duchastel提出了一个教学设计咨询系统原型IDAW-Instructional Design Advanced Workbench，这是一个基于计算机的基础开发平台，支持不限制设计者情况下的认知任务的教学设计。

2.3  信息管理系统

信息管理系统是对信息进行管理的系统。教学设计自动化在该领域的运用就是将教学设计过程中的相关信息，如：学习者特征、知识库、知识内容的多媒体表现形式、不同的教学/学习策略、参考案例等进行管理，允许用户以多种形式进行检索，并以多种方式呈现出来。信息管理系统应支持多记录、多代码转换的全屏幕编辑、卡片式修改、多条件查询、各类数据的排序和统计、不规则数据打印、数据共享等功能。信息管理系统的系统设计应遵循面向用户的思想，为其提供多级下拉菜单或上弹菜单及按钮菜单，并配以各种背景图案和背景音乐以达到较为友好的人机界面，力争加强人机交流、减缓劳动强度。

学习研究协会（Institute for Research on Learning）开发的IDE（Instructional Design Environment）就是一个信息管理式教学设计自动化工具。IDE是建立在关系型数据库管理系统基础上的超媒体系统，是一个计算机辅助设计环境，其主要面向对象是有经验的教学设计开发人员，为教育和培训的分析、组织、设计、开发材料等环节提供了信息。IDE在NoteCards（另一个产品）的基础上发展而来，力求探究非良构知识的表现，最终将计算机辅助设计的特征和知识呈现策略整合在一起，为课程的呈现、课程设计的基本原理的表述等提供了工具（Daniel Russell, 1990）。

IDE包括课程设计、课程开发和课程修正三部分。课程由知识库和教学单位组成。设计环节主要是用户以查找的方式在系统中寻找相关信息，然后在IDE中对课程进行设计。在设计之后，IDE提供了两个分析工具：Tracer和Checker。教学单位由三种不同的规则相互作用：策略规则、教育规则和战略规则。IDE将知识库、教学规则和教学单位传送给IDE的解释器，对其进行修正、优化。IDE解释器由四个部分组成：教学问题解决部分、教学单元选择程序、教学单元应用程序、学生模型更新程序。IDE有三个个知识库：知识结构库、学生历史记录列表库、学生模式库。此外，IDE还对文档设计和开发选项进行了补充（Locatis & Park,1992）。由此可见，IDE不仅是一个信息管理系统，还是一个写作工具、评价工具。

信息管理式教学设计自动化工具不仅可以为有经验的教学设计人员提供比较大的发展空间，而且可以为没有经验的设计人员提供一定的学习和参考的机会。如果想更好的发挥设计人员的优势，方便其使用和开发，信息管理系统最好能提供一定的写作功能，以利于用户将所查到的信息方便的进行组织、加工。不过，信息管理式教学设计自动化工具对用户的要求较高，需要其有一定的教学设计经验和操作其他类似工具的经验，其技术实现难点是：知识库的建立、多功能查询系统的实现。

2.4  电子绩效支持系统（EPSS）

绩效技术是一种改进人的绩效水平的多学科方法，其目的是通过对绩效进行分析、设计、实施、管理和评价来解决人的绩效提高过程中存在的问题，以改善个体和组织的行为，最终提高绩效水平。这里的“绩效（performance）”既包括行为（behavior ），也包括行为的成绩和效果（accomplishments ）。对象可以是个体，也可以是小组或更大的集体。在绩效技术中常见的解决问题的策略有：改进环境条件、改进工作设计、改进组织机构的设计、提高工作动机、开展有针对性的教学与培训。柯林斯（Brtty A. Collis，1995）等人认为：“EPSS就是一种软件系统，其中用户能够与系统进行交互以获得各种各样的当地的或者分布式的帮助和资源，以支持个人或者群体用户的学习、问题定向的思考和协作等活动”。

EPSS从20世纪90年代开始得到了广泛的重视和应用，其明显标志就是运用一些实时岗位训练技术（on-the-job training facilities）。这些技术可以有多种表现形式，主要包括：在线帮助（online help）、计算机辅助训练（computer-based training）、模拟（simulation）、监督和可视化（surrogation and visulization）、智能导师系统（intelligent tutoring systems）等。尽管这些技术在常规的学习环境中已经广泛运用，但是，在EPSS中运用它们时的最重要特征是把它们运用在“实时训练范式（just-in-time training paradigm）”的环境中，也就是说，把它们运用在特定组织最需要的地方（Philip Baker,1995）。EPSS的目标其实非常简单：就是通过必要的有限训练和最低程度的外部支持来提高绩效（简瑞，1995）。

从广义上说，教学设计专家系统、教学设计咨询系统和教学设计信息管理系统都可以看作不同类型的EPSS。具体地说，EPSS与专家系统方法的区别就是EPSS仍然强调把创造性的工作由设计者来完成，系统目的在于用各种手段来提高设计者的绩效，而不是代替设计者的工作；与教学设计咨询系统和教学设计信息管理系统的区别在于，EPSS不仅仅有指导或多种查询、输出功能，还在于全方位地提高教学设计者的绩效。正因为EPSS的优越性，其实现起来也比较困难，目前比较成功的教学设计EPSS系统如下。

AGD是法语“教学工程平台”的简称，是三家公司联合开发的产品。AGD的理论基础是教学设计领域的概念性知识、程序性知识和策略性知识：概念性和程序性教学设计知识用来定义用户界面和平台中的工具，策略性教学设计知识用来定义为设计者提供帮助的智能指导组件。AGD没有考虑教学设计的发送、评价、管理，以及开发过程的大部分内容，而是将注意力集中在设计和开发过程的计划阶段，如图2所示，为完成“定义学习系统”这个任务，系统将其分解为七个部分以便于开发人员操作，而对这七个部分还会进行更细致的划分，如“设计教学结构”还可以被分为“设计课程”或“设计教学单元”，而“设计教学单元”还可以被分为“分辩知识单元”、“阐述学习目标”、“定义教学策略”、“选择教学媒体”等，最后，开发人员最终的任务将会是“定义学习目标中的技能部分”或“描述学习活动的先决技能”等。AGD的开发者集中实现了三个学习任务设计环节：知识模式化和选择、学习目标表述和教学场所解释。

图2  AGD学习任务的分解

其他的绩效支持系统工具还有Allen通讯公司的“设计先锋”（Designer’s Edge）和Langevin 学习服务机构的Instructional DesignWare。像AGD一样，这些工具支持教学设计的设计阶段，而且，包含一个更通用的咨询部件（如：特殊情境的在线帮助、向导等）。和AGD相比，设计先锋和Instructional DesignWare在所有的教学设计任务中都引导着设计者，但是，重点放在最终的产品阶段。所有的工具都为教学系统的设计模式提供了图形界面，引导设计者进入模式中每一步的附加支持环境。用户输入的数据在各步骤间进行前后参照，提高各阶段的连贯性。有用的报告和文献，如评价量表、内容大纲、课程计划和checklist可由用户生成。

2.5  写作工具

虽然写作工具不支持教学设计开始的计划阶段，但是，教学设计者可以在开发阶段应用写作工具，因此，很多学者，如Paquette、Locatis & Park、Merrill等也赞成将其视为教学设计自动化工具的一种。一些写作工具通过将网络内容整合到计算机教学中，并在网上发送教学，发挥了万维网的优势（如：WebCT）。

Merrill（1997）认为写作工具简化了程序过程，并允许有经验的用户创建有效的、真实视听的教学，但是要发挥其优势却面临一艰难的历程。目前比较流行的写作工具包括：Macromedia Authorware 4.0, Aim Tech IconAuthor, WBT Systems TopClass和Asymetrix Toolbook。

3  结论

教学设计专家系统可以像写作工具那样，传授正确的方法和功能，但是他们因不支持分析和任务设计而受到制约（Paquette et al,1994）。教学设计专家系统试图控制教学设计过程，省去教师的大量工作，但是该过程往往包含大量相互关联、复杂变化的元素，因此严重的依赖于开发者的知识和经验。此外，教学设计过程本身就是一个充满创造的过程，是发挥教学设计人员优势所在的过程，到目前为止，该过程是无法由机器完全代替的，因此，纯粹意义上的教学设计专家系统实际上是不存在的。教学设计专家系统的发展与人工智能技术的发展息息相关，因此，在很长的一段时间里，教学设计专家系统都不会得到长足的发展。

教学设计咨询系统和教学设计信息管理系统都将教学设计人员的能动性和创造性摆在首位，但是显然，纯粹的咨询系统或信息管理系统因功能的单一而不具备满足开发人员实际的任务需求，因此其发展前景不大。写作工具又因对教学设计人员的技术和理论的双重要求，限制了大多数用户的使用。

相比较来说，最具有发展前景的是教学设计EPSS系统。EPSS目的在于用各种手段来提高设计者的绩效，仍然强调把创造性的工作由设计者来完成；除了有指导或多种查询、输出功能外，还强调全方位地提高教学设计者的绩效。正因为EPSS的优越性，其实现起来也比较困难。

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The paper discusses the definition and the functions of Automated Instructional Design in detail. According to the functions and the development process, we divided the AID tools into five types: Expert System, Advisor System, Information Management System, Electronic Performance Support System and Authoring Tools. Further more, we introduced and described the features, structures, techniques, advantage, shortcoming and prototypes of the five types of AID tools at large.