[发明专利]一种面向数学教育的情境仿真支持系统

说明书

本发明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、问题情境仿真模块、解题步骤纠错与提示模块、扩展的知识追踪模型分析模块EKT。情境仿真支持系统运用计算机网络对信息自动管理来实现双向交互的功能。它通过有效支持教师对数学问题的个性化定义，支持学生对该数学问题情境的个性化重现、列出算式；通过对学生一定问题情境下的计算步骤进行实时纠错与提示；可对学生的学习过程和阶段情况进行完整跟踪记录并进行分析，揭示学生题意理解与计算方面的知识掌握状况，有利于教师对学生给出针对性的辅导与个性化的学习建议。本发明以直观的动画方式将题意理解与算式计算过程展示出来，激发学生的想象力，提高学生的理解能力。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了解决以上现有技术存在的问题，本发明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，本发明提供以下技术方案：