簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 盧思靜
論文名稱: 數理科解題練習系統設計
指導教授: 林美娟
Lin, Mei-Chuen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 資訊工程學系
Department of Computer Science and Information Engineering
論文出版年: 2001
畢業學年度: 89
語文別: 中文
論文頁數: 107
中文關鍵詞: 派翠西網路數理解題數值運算
英文關鍵詞: Petri net, problem solving, mathematical operation
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:184下載:2
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本研究係延續本論文指導教授林美娟老師過去數年來指導多位研究生所完成之MathCAL相關研究,進一步探討如何改寫MathCAL的系統核心,使其在執行上更有效率,同時使系統架構更為簡潔、合理。我們擬定了一套以派翠西網路為運作基礎的解題系統發展程序,並設計了Places與Transitions的溝通模式與撰寫框架,使其具有統一的格式,以便於後續的系統發展者可依此架構繼續擴增系統的知識。此外,由於一般程式語言所提供之資料型態不足以精確地表示某些數值,本研究因此自行撰寫了一個運算核心供解題系統使用。我們並且藉由實際發展數學與物理解題系統來驗證此發展程序及運算核心的適用性。

    This thesis reports the results of a continuous research effort on MathCAL, a computer-assisted instructional software for practicing mathematical problem solving. As an extension to the existing system, we rewrote the system kernel to enhance its mathematical handling power and to streamline its system structure. The system is now capable of expressing numbers and mathematical expressions of arbitrary complexity as well as carrying out computation between them. We also proposed a set of procedure which details the steps to be followed in developing a Petri-net-based problem-solving system. The procedure includes a uniform structure for implementing transitions and places in a Petri net which records the problem-solving process. Mechanisms governing communication between transitions and places have also been defined. Such design resulted in a much cleaner system structure which facilitates system maintenance, especially when new transitions and places need be added to accommodate other knowledge units. The proposed procedure was applied in implementing a system for practicing problem solving in physics, particularly in solving problems that make use of Newton’s laws.

    目   錄 第一章 緒論…………………………………………………………………1 第一節 研究背景……………………………………………………………1 第二節 研究目的……………………………………………………………7 第三節 研究方法與步驟……………………………………………………9 第四節 研究範圍與限制………………………………………………….11 第二章 文獻探討……………………………………………………….12 第一節 系統運作的理論基礎--派翠西網路(Petri net)理論……12 第二節 數值運算核心運作理論……………………………………….17 第三節 物理電腦輔助學習系統……………………………………….21 第三章 派翠西網路解題系統發展模式……………………………….26 第一節 派翠西解題系統的特性……………………………………….26 第二節 數值運算核心之設計………………………………………….27 第三節 派翠西解題系統設計之程序………………………………….40 第四節 位置與轉變溝通的機制……………………………………….46 第五節 位置與轉變撰寫框架………………………………………….55 第六節 解題系統之架構……………………………………………….58 第四章 程式發展之實例-數學「銳角三角函數」單元…………….59 第一節 數學知識分析………………………………………………….59 第二節 派翠西網路與知識對應……………………………………….60 第三節 系統實作……………………………………………………….68 第五章 系統發展實例-國中理化「牛頓運動定律」單元………….72 第一節 牛頓運動定律知識分析……………………………………….72 第二節 派翠西網路與知識對應……………………………………….73 第三節 系統實作……………………………………………………….84 第六章 結論與展望…………………………………………………….92 第一節 結論…………………………………………………………….92 第二節 未來工作……………………………………………………….92 附錄………………………………………………………………………..94 一、 數學知識分析後選定的題目………………………………….94 二、 物理解題系統題目…………………………………………….95 參考文獻………………………………………………………………….103 附 表 目 錄 表2-1 派翠西網路圖中的符號………………………………………….13 表2-2 不同的位置(Places)與轉變(Transitions)的解釋…………..14 表4-1 題六所需之條件儲存內容列表………………………………….63 表4-2 題六所需之函式觀念列表……………………………………….63 表5-1 題十四所需的條件儲存內容…………………………………….78 表5-2 題十四所需之函式觀念列表…………………………………….79 附 圖 目 錄 圖1-1 MathCAL主畫面…………………………………………………….3 圖1-2 研究方法與步驟………………………………………………….10 圖2-1 派翠西網路圖…………………………………………………….15 圖2-2 到達樹表示法…………………………………………………….16 圖2-3 數系的組成……………………………………………………….17 圖2-4 以集合的概念表示數系的組成………………………………….17 圖2-5 方程式的分類…………………………………………………….20 圖3-1 及 的二元樹表示法…………………………………….28 圖3-2 數值運算簡化流程……………………………………………….35 圖3-3 方程式的二元樹表示法………………………………………….37 圖3-4 二元樹解一元一次方程式流程………………………………….39 圖3-5 派翠西解題系統發展程序……………………………………….41 圖3-6 知識領域與解題函式的對應流程……………………………….42 圖3-7 系統實作階段流程圖…………………………………………….45 圖3-8 位置與轉變的溝通機制………………………………………….53 圖3-9 力的繼承架構圖………………………………………………….54 圖3-10 系統架構圖……………………………………………………….58 圖4-1 題六解題流程之派翠西網路圖………………………………….62 圖4-2 數學系統的place繼承圖………………………………………..65 圖4-3 數學系統的trransition繼承圖………………………………..67 圖4-4 數學解題程式主畫面設計……………………………………….68 圖4-5 方程式輸入畫面……………………………………………….…70 圖4-6 數學解題程式之解題操作流程…………………………….……71 圖5-1 題十四之解題流程所對應之派翠西網路圖……………….……77 圖5-2 物理place繼承架構圖…………………………………………..80 圖5-3 transition繼承架構…………..…………………………….…83 圖5-4 物理解題練習系統的主畫面…………………………………….83 圖5-5 物理解題系統物理量輸入畫面………………………………….86 圖5-6 系統操作流程…………………………………………………….87 圖5-7 派翠西解題知識的E-R model結構圖…………………………..89 圖5-8 系統的提示畫面………………………………………………….89 圖5-9 系統的再提示畫面…………………………………………….…90 圖5-10 動態解題流程圖…..…………………………………………….91

    林木盛(民83):個體式派曲網路做系統發展方法,國立台灣師範大學工業教育研究所碩士論文。
    徐新逸(民85):情境學習在數學教育上之應用。教學科技與媒體,29(10),頁13-22。
    孫茂鑫(民86):以派翠西網路為基礎之數學解題系統-高中數學之「圓」單元,國立台灣師範大學資訊教育研究所碩士論文。
    孫鵬宗(民87):一個網路化的數學解題系統-國中數學之「三角函數」
    單元,國立台灣師範大學資訊教育研究所碩士論文。
    許金葉(民88):以派翠西網路為基礎的數學解題診斷矯正模式,國立台灣師範大學資訊教育研究所碩士論文。
    陳恩宗(民73):力學。三民書局。
    張永慶(民83):物件導向知識表示法在電腦輔助學習上的應用,國立台灣大學碩士論文。
    張憲魁(民85):物理學習方法,知識出版社,(台北市)。
    陳信成、陳信義(民87年2月):國中新超群數學6。南一書局,頁245-352。
    國立編譯館主編(民90年1月):國民中學理化〔第四冊〕。國立編譯館,頁1-58。
    蔡弘彰、蔡得彰(民90年2月):國中理化4。翰林出版,頁6-150。
    黃正志(民86):問題解決式數學科教學軟體解題流程分析-運用派翠西網路,國立台灣師範大學資訊教育研究所碩士論文。
    黃瀧輝(民89):MathCAL的教學資料庫設計,國立台灣師範大學資訊教育研究所碩士論文。
    楊維哲、沈長庚(民79):大專數學(上冊)。東華書局,頁17-33。
    楊重駿(民77):方程式論。東華書局(台北市)。
    楊錦潭(民85):媒體教學與數學教育。教學科技與媒體,27(6),頁3-9。
    戴建耘(民85):虛擬教室遙端線上練習之系統建構與控制模式研究,國立台灣師範大學工業教育研究所博士論文。
    藍金興(民89):全方位龍騰高中物質科學物理篇(上)。龍騰文化(台北市)。
    Ruric E.Wheeler原著、繆龍驥譯(民77):現代數學初步。國立編譯館,頁91-132、245-307。
    羅豪章(民87):設計具有自我建構特徵的互動式電腦輔助學習軟體--物理幾合光學部分。國立高雄師範大學科學教育研究所碩士論文。
    襲充文、黃世琤(民87):力學概念之診斷與輔助學習系統。國立中正大學心理學習暨認知科學中心。國科會計畫編號NSC86-2511-S-194-012 SP
    http://ical.cs.ccu.edu.tw/reprots/year1996/profhuang/icalc.html
    http://ical.cs.ccu.edu.tw/reports/year1997/96reports/ical1.htm
    http://ical.cs.ccu.edu.tw/reports/year1999/ical1.htm
    學習加油站-國中理化科:龍岡國中教材
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph15/cphf1.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph15/cphf2.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph15/cphf3.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph15/cphf4.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph16/cphg11.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph16/cphg21.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph16/cphg31.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph16/cphg41.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph16/cphg51.htm
    學習加油站-國中理化科:龍岡國中題庫http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/test/tph16/tph16-3.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/test/tph16/tph16-4.htm
    http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/test/tph16/tph16-5.htm
    學習加油站--國中理化科:江翠國中題庫http://content.edu.tw/junior/phy_chem/tp_ct/test/exampaper/ch16/ch16.htm

    Andes: An intelligent tutoring system for physics. http://www.pitt.edu/~vanlehn/andes.html
    Andaloro, G., Bellomonte, L. & Sperandeo-Mineo, R.M.(1997). A computer-based learning environment in the field of Newtonian mechanics. International Journal of Science Education. 19(6), 661-680.
    Jimoyiannis & Komis (2001). Computer simulations in physics teaching and learning : a case study on students’ understanding of trajectory motion. Computers & Education. 36,183-204.
    Campione, J.C., Brown, A.L.& Connell, M.L. (1989). Metacognition: on the importance of understanding what you are doing. In R. I. Charles & E. A. Silver(Eds.),The teaching and assessing of mathematical problem solving (pp.93 – 114).Hillsdale, NJ:Erlbaum.
    Rau, D.-C., Dai, C.-Y. & Chiou, C.-W. (1995). O2PN: An Object Oriented Petri Nets to Construct Prototype of Hypermedia System, Proceeding IASTED International Conference Applied Informatics-MS’95, IGLS(Innsbruck),Austria, February 21-23, 1995
    Rau, D.-C., Dai, C.-Y., Lin, M.-S. & Chen, S.-W. (1994). Applying petri Nets to Multimedia Flow Analysis, IASTED International Conference Modelling and Simulation.
    Donnelly, D. (1999). Physics pedagogical software: The CIP software contest. Computer Physics Communication.121-122,557-561
    Driver, R.(1989). Students’ conceptions and learning of science. International Journal of Science Education,11,481-490.
    Gertner, A.S.(1998). Providing feedback to equation entries in an intelligent tutoring system for Physics. in Proceedings of the 4th International Conference on Intelligent Tutoring Systems. San Antonio, TX, August, 1998.
    Gertner, A. & VanLehn, K.(2000). Andes: A Coached Problem Solving Environment for Physics. In Proceedings 5th International Conference, ITS 2000, Montreal Canada, June 2000.
    Lin, J. M.-C., Juang, J.-Y.,& Sun, P.(1999). An Internet-Based CAL Software for Solving Trigonometric Problems. International Conference on Mathematics/Science Education and Technology (M/SET 99), Association for the Advancement of Computing in Education, Charlottesville, VA. 275-280
    Lin, J. M.-C., Juang, J.-Y.,& Sun, P.(2000). Representation of Problem-Solving Procedures in MathCAL. International Conference on Mathematics/Science Education and Technology (M/SET 2000), Association for the Advancement of Computing in Education, Charlottesville, VA. 265-270
    National Council of Teachers of Mathematics(1989). Curriculum and Evaluation Standards for School Mathematics. Reston, VA:Author.
    Peterson, J.L. (1981). Petri Net Theory and the Modeling of Systems. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.
    Resnick, L.B.(1983) Mathematics and science learning : a new conception. Science,29,477
    Schulze, K.G., Shelby, R.N., Treacy, D.j., Wintersgill, M.C.(2000). Andes: A Coached Learning Environment for Classical Newtonian Physics. Proceedings of the 11th International Conference on College Teaching and Learning. Jacksonville, FL,April,2000
    Schulze, K.G., Shelby, R.N., Treacy, D.J., Wintersgill, M.C., VanLehn, K., Gertner, A. (2000). Andes: An intelligent tutor for classical physics. The Journal of Electronic Publishing, University of Michigan Press, Ann Arbor, MI, 6:1, http://www.press.umich.edu/jep/06-01/schulze.html
    Steinberg, R.N. ; Oberem, G.E.,(2000). Research-based instructional software in modern physics. The Journal of computers in Mathematics and Science Teaching [H.W. Wilson-Educ], 19(2) ,115-136
    The Cognition and Technology Group at Vanderbilt(1997). The Jasper Project:Lessons in Curriculum,Instruction,Assessment,and Professioal Development.
    Li,Y., Borne ,I. and O’shea, T.(1996). A Scenario design tool for helping students learn machanics. Computers & Education. 26(1-3),91-99

    QR CODE