（教育技术学专业论文）适应性教学系统中个性化教学策略研究.pdf

中文摘要 现有的网络教学系统很少考虑到不同学习者因知识背景、学习目标、兴趣偏好、 认知风格等因素的不同而引起的对课程材料的不同需求，更没有考虑到学习者的个 人特征会随着学生的学习进展而发生变化，一般是所有的学生面对同一份静态的超 媒体文档。 本研究构建了l - t u t o r 适应性智能教学系统原型。系统能够通过机器学习动态了 解学生的学习水平与学习偏好，从而生成个性化的教学策略。系统根据学生的个性 化特征，给他们提供适应性的学习材料。适应性的学习材料的生成是根据学生的学 习水平和学生的学习偏好。系统中用贝叶斯分类器观察学生的学习行为来得到学生 学习偏好。 学生对原型系统使用后的数据表明：学生的学习风格存在明显的差异；相同的 教学策略不能支持所有的学生。因为，首先，数据表明学生的学习时间与测试成绩 不存在固定的关系。有些学生学习时间越长学习结果越好，而有些学生则正好相反。 其次，进行分类时，给所有的学生用同样的贝叶斯分类参数则不能获得好的分类结 果。对于一个学生是较适应的教学策略，而对另一个学生则可能不适应。学生的许 多与个性特征相关的因素需要在系统的设计与建构过程中综合考虑。这样系统可以 根据不同的学生生成个性化的教学策略。 关键词：适应性教学系统；教学策略：学生模型；机器学习 6 a b s t r a c t w e b - b a s e di n s t r u c t i o n a l s y s t e m ss e l d o mc o n c e r n1 e a r n e r ，s k n o w l e d g eb a c k g r o u n d ，l e a r n i n go b j e c t ，c o g n i z es t y l e ，p r e f e r e n c e e t c t h ec o n t e n to ft h e s e s y s t e m sc a n n o tb ec h a n g e db a s e do n 】。a r n e r 。i n d i v i d u a l c h a r a c t e r i s t i c t h e r e f o r e ，w e i n v e s t i g a t e w 8 y s i nw h i c h p e r s o n a l i z e di n s t r u c t i o nc a nb e d e 】i v e r e dv i a a d a p t i v ei n t e l l i g e n c ei n s t r u c t i o n a ls y s t e m t h i ss t u d yc r e a t e sa p r o t o t y p eo fl - t u t o r t h es v s t e mc a n u s em a c h i n e l e a r n i n g t ok n o wl e a r n e r s k n o w l e d g el e v e la n d p r e f e r e n c e s ，t h u sc a ng i v ei n d i v i d u a l i z e i ns t r u c t i o n a l s t r a t e g v i - j u t o rc a nc o n s i d e rt h o s ed i f f e r e n c e sa n da d a p tt h ei n f o r m a t i o n p r e s e n t e dt oe a c hu s e r t h i sa d a p t i v ec o n t e n ti s a c h i e v e dt b r o u g h at w o p h a s ea p p r o a c hw h i c hc o n s i d e r s t h eu s e r ，sl e v e lo f u n d e r s t a n d i n ga n dt h ec o n t e n tt h a tm a t c h e st h eu s e r ，sp r e f e r e n c e s an a i v e b a y e sc l a s s i f i e r p r e f e r e n c e sb yo b s e r v i n gw h a t i s u s e dt ol e a r n t h e s t u d e n t s t y p eo fc o n t e n th ec h o o s e st os e e a n 。m p i r i c a ls t u d yo ft h ei t u t o r s y s t e mw a sc o n d u c t e d r e s u l t sf r o mt h i s s t u d ys h o wd i s t i n c td i f f e r e n c e si ns t u d e n t s ， 。a m l n g8 t y l e sa n dp r o v i d ee v i d e n c et h a tu s i n gt h e s a m et e a c h i n g 5 t 。8 t 。9 1 。8f o re a c hs t u d e n tc a n n o ta d e q u a t e l ys u p p o r ta 1 1s t u d e m s jh i si s d e m o n s t r a t e dt h r o u g ht w oe x a m p l e s t h ef i r s ts h o w st h a t t h e r ei sn o tac o n s is t e n td i r e c t i o nf o rt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt i m e s p e n ts t u d y i n ga n d q u i zp e r f o r m a n c e t h es e c o n ds h o w st h a t “8 1 n gt h es a m ep a r a m e t e r sf o rt h en a i v e b a y e sc l a s s i f t e rf o r 7 e v e r ys t u d e n tr e s u l t si np o o ro v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ec l a s s i f i e r t h e r e f o r e ，t h es y s t e ms h o u l da l s on o tb es t a t i cw h i l et h est u d e n t i s l e a r n i n g ；i ts h o u l db ea b l et oc h a n g ea n da d a p ti n s t r u c t i o n a l s t r a t e g i e sj u s ta st h es t u d e n tc h a n g e sa n da d a p t s k e y w o r d s ：a d a p t i v ei n s t r u c t i o n a ls y s t e m ，t e a c h i n gs t r a t e g i e s ，s t u d e n tm o d e l m a c h i n el e a r n i n g 8 果。 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 y9 8 1 4 7 4 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表忝t m s 声。 作者签名：1 塑殓_ 日期：塑f 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版；有权将学位论文用于非赢利日的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索： 作者签名：盈鱼墨：玺、 日期：塑i = 女 1 j 一 丹! j 舌 近年来，信息技术的迅猛发展对教育领域产生了深远的影响，为在i n t e r n e t 上实现远程教学提供了一系列的技术支持： 网络资源共享为远程学习提供了丰富的信息资源； 开放的网络为学生提供了自主的学习环境； 网上的学习时间与空间都具有相当大的自由度； c s c w 技术为师生提供了良好的协同学习环境。 有越来越多的基于w e b 的教学系统应用到远程教学中。在w e b 教学系统应用 中，创建者关注的是教学系统能否给学生丰富的、优质的学习资源，能否给学生 以认知工具支持等。很少有人关注给学生以个性化的教学策略支持。大多数系统 是给所有的学生提供同样的学习资源，而很少考虑到不同的学生因知识背景、学 习目标、兴趣偏好等因素而引起的对课程材料的不同需求，更少考虑到学生的个 人特征会随着学习进展而发生变化。所以通过这些系统学习的学生一般不能像课 堂学习中的学生那样可以得到教师或其他学生的个性化的帮助和指导。当学生面 对的是单一的教学策略时，学习将变得枯燥。所以，为达到适应性，同时为减少 学生在学习过程中的厌烦情绪，教学系统应当提供个性化教学策略支持学生的学 习。 一、课题研究的目的 通过创建适应性智能教学系统i - t u t o r ，研究教学系统中给学生以个性化的教 学策略支持的实现途径与方法，探索个性化教学策略的生成机制及更新机制。 二、课题的研究方法 主要采用了文献分析、原型系统设计与开发、实验研究等研究方法。 1 、文献研究法 在本课题的研究中，笔者广泛搜集了适应性教学系统、人工智能、适应性超 媒体技术、教学策略与学习策略、学习风格等相关的资料，通过对这些资料的分 析与总结，理清了适应性教学系统及个性化教学策略的生成所涉及到的理论基础 与技术基础。为设计1 - t u t o r 原型系统创造了条件。 2 、设计与开发研究 为了更为有效的验证理论假设的可行性，在资料分析的基础上，笔者利用自 己在相关理论的学习与实践中积累的经验，设计并开发了基于v i s u a lb a s i c 程 序设计的i - t u t o r 适应性智能教学系统原型。以求通过对系统的模型建构、知 识的表示、学生模型的设计、个性化教学策略的具体生成等实现自动生成等，探 讨智能教学系统中个性化教学策略的生成机制。 3 、实验研究 对l - t u t o r 原型系统进行了试用，得到了学生使用系统的具体数据。通过对学 生对系统使用情况的分析，验证影响个性化教学策略生成的相关性，以及机器学 习机制对学生个性预测的准确性。 三、主要成果 本研究主要涉及l - t u t o r 原型系统的总体设计、领域知识的组织，学生模型 的建构、个性化教学策略的生成及更新机制，并且对系统原型的使用结果进行了 分析评价。研究成果主要包括以下几个方面： 1 、在原型系统的设计方面 采用逻辑相对独立的3 个层次结构：学习层、适应性教学层、支持层。技术 实现方面采用了纯j a v a 技术。运用j s p 、j a v a b e a n s 和j d b c 技术，实现页面显 示、程序逻辑处理以及与数据库连接的建立，最终实现客户端与w e b 服务器以 及数据库服务器之间的连接，保证系统的可扩充性、可移植性、高可靠性和安全 性。 2 、领域知识的组织方面 为了能够实现动态组织内容，笔者提出了一个四层结构的知识建构模型。第 一层为：目标层( 用来定义各门课程) 。第二层：子目标层( 用来定义各主题) 。 第三层：知识点层( 是由彼此独立而又具一定相关性的知识点组成的，是该模型 结构的核心层。) 第四层( 材料层) ：主要存放内容对象。为了便于访问，每一个 材料与知识点有一个关联，而每个知识点可联到若干个教学材料。 领域知识主要包括：主题、概念、内容对象、测试题。使用了基于对象与语 义网络的知识表示方法。节点的类型有前提节点、相关节点、并列节点、补救节 点。 概念是在整个课程中的关键词，它们一般不单独呈现，而是显示在主题材料 中，系统可以指向概念解释的内容对象。 无论是主题还是概念都包括内容对象。这些对象是学生所看到的实际内容。 测试题有判断题与选择题两种题型。它们主要用来测试主题或概念的掌握情况。 3 、学生模型的建构 学生模型用来记录学生的个人资料与个性化的学习行为。学生模型是进行个 性化教学策略生成及更新的基础。本研究中，学生模型主要记录学生学习主题、 概念及做测试题的情况，以及学生偏好的信息。 4 、个性化教学策略的生成及更新机制的研究 个性化教学策略的生成是本文的主要研究内容。它通过两个途径实现：适应 性导航与适应性呈现。适应性导航帮助学生在非线性课程中导航。指导学生学习 下一个主题或给学生是否学习某个主题的建议。系统给学生学习的每个主题一个 分数，分数反映学生掌握主题的情况。评分的根据主要是学生在主题上的学习行 为与做相应的测试题的得分的一个综合值。主题学习的建议建立在学生学习相应 的前提主题的表现的基础之上。 本研究的一个新的探索是：在适应性导航方面，不仅根据学生的学习成绩， 还考虑学生是如何学习课程材料的，看看它是否与测试成绩相关。尽管我们只有 初步的数据，但我们从这些数据中可以看出，在学习时间与测试成绩之间表现出 明显的个性差异。 根据学生的个性动态呈现教学内容。主要通过两个阶段实现。第一，考虑学 生的学习水平，根据相应的难度等级呈现相应难度的学习内容；第二，考虑到学 生的偏好。这些偏好是系统根据学生在系统中的学习行为学习得到的。朴素贝叶 斯分类被用于学生偏好的学习。 5 、i - t u t o r 原型系统的使用效果研究 我们对i - t u t o r 进行了试用。测试了分类的准确性，看它能在多在程度上预测 学生将要浏览什么样的课程材料。如文本、图片、示例、描述等。利用朴素贝叶 斯分类算法进行学生偏好的学习，并对其进行一些改进如改变闽值、增加群体模 型等。我们对每一个学生能获得至少6 3 的分类准确率。而且这种分类可以在学 生与系统的几次交互后就能得到较理想的参数。 尽管本研究涉及到的数据量很小，我们可以看到机器学习在适应性学习系统 中有着良好的应用前景。 通过研究发现，学生学习时间与学习成绩之间不存在固定的关系。有些学生 学习时间越长学习结果越好，而有些学生则正好相反。 从朴素贝叶斯分类器数据与时间数据，我们发现相同的教学策略不是对每一 个学生都是最适合的。就时间数据而言，有些学生需要多些时间进行阅读与理解， 而有些学生则需少许时问就可以了。就朴素贝叶斯分类器而言，对于一个学生是 最好的教学策略，而对另一个学生则不是。有许多学生的个性需要考虑在系统的 设计与建构过程中。这样系统可以根据不同的学生有不同的教学策略。 学生在学习过程中可能会改变与系统的交互方式，所以，当学生学习时，系 统要不断更新，它要能不断地根据学生的变化有做适应性的调整。 四、本研究的主要创新之处 本研究的主要创新之处在于： ( 1 ) 比较全面、深入分析了适应性教学系统所涉及的理论基础与技术基础。 ( 2 ) 在i - t u t o r 原型系统设计方面，采用逻辑相对独立的3 个层次结构：学 习层、适应性教学层、支持层。技术实现方面采用了纯j a v a 技术。运用j s p 、 j a v a b e a n s 和i d b c 技术，实现页面显示、程序逻辑处理以及与数据库连接的建 立，最终实现客户端与w e b 服务器以及数据库服务器之间的连接。 ( 3 ) 在领域知识的组织方面。提出了一个四层结构的知识建构模型。采用 基于对象与语义网络的知识表示。 ( 4 ) 教学策略的生成机制及更新机制。通过学生的学习行为和测试成绩来 评价学生的学习情况。生成教学内容时，不仅根据学生的学习水平还根据学生偏 好。而偏好是通过机器学习得到。 ( 5 ) 用朴素贝叶斯分类算法预测学生想要学习的课程材料。并对朴素贝叶 斯分类算法的进行了相应改进。 五、论文的结构按排 本文的内容组织如下： 第一章绪论主要介绍了研究的背景与意义、国内外的研究现状、说 明了研究的内容与思路。 第二章 相关的理论基础及技术基础阐述了本研究所涉及的理论基 础和技术基础。理论基础主要是教育学、心理学基础，主要涉及到认知风格、 学习风格、掌握学习、个性化教学策略等。技术基础方面，作者对适应性系 统：智能授导系统、适应性学习系统、适应性超媒体技术等的技术特征、结 构体系进行了深入的分析研究。 第三章1 - t u t o r 原型系统设计主要介绍i - t u t o r 的原型结构，技术实 现方案，重点对整个系统的表结构进行了详细的描述。 第四章领域知识的组织从知识模型、知识表示方法、知识在领域中 的具体组织三个层面对领域模型的建构作了具体的说明。 第五章学生模型阐述l - t u t o r 中学生模型的具体建构 第六章个性化教学策略的生成机制及更新机制这是本研究的重点， 对个性化教学策略的生成机制及更新机制的主要算法作了研究。 第七章 系统的应用及结果分析介绍了系统使用情况及使用后的数 据分析。 第八章结论与进一步的工作对本研究进行了总结，指出了本研究的 不足和今后的研究方向。 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 因材施教一直是教学中倡导的基本原则，在课堂教学中教师要实现因材施教 就需要了解每一个学生，根据学生的情况不断调节教学。然而，在课堂教学实践 中，要让教师根据几十个学生的特点因材施教，显然是不可能的，教师只能满足 大多数学生的需要，使用的教学策略也只是针对学生群体的特征进行动态调节。 随着网络教育的迅速发展，基于w e b 的教学系统得到广泛的应用，给实施 因材施教的教学带来了机遇。基于w e b 的学习中，主要以自学为主，学生将在 超媒体空间中“孤独”地航行。这时，就需要一种能够自动捕捉学生的学习风格、 个性特点，满足学生的学习偏好，能给予学生个性化帮助的自适应型教学系统。 我们注意到现有的网络教学系统很少考虑到不同学习者因知识背景、学习目标、 兴趣偏好、认知风格等因素的不同而引起的对课程材料的不同需求，更没有考虑 到学习者的个人特征会随着学生的学习进展而发生变化，一般是所有的学生面对 同一份静态的超媒体文档。因而，以这种方式组织的教学很难体现因材施教，容 易导致低效的学习进程，不利于提高学习者学习的积极性。亨特( d a v i dh u n t ) 和他的助手们提出的概念系统理论也认为：当环境对人们的概念发展起促进作用 时，个体就会出现最佳的发展状态；当环境条件不适宜时，则会起阻碍作用。【1 1 换句话说，如果个体一直以一种适宜的速度成长，环境就需要随个体的发展而变 化。如果在教学系统中提供符合学习者要求的个性化的教学策略、教学内容及帮 助支持，则能取更好的教学效果。 当前基于w e b 的教学系统研究的一个重点是增加它们的适应性和智能性。 这些特征对于完全依靠远程学习的学习者来说显得尤其重要。因为在课堂学习中 的学生可以得到教师或其他学生的个性化的帮助和指导，而远程学习的学生则很 难得到。基于w e b 的教学系统具有适应性的特征的重要性还体现在系统针对的 是更大范围的学生，专门适合某一类学生的课程很难被其他的用户接受。通过考 察适应性系统、智能导师系统、适应性超媒体技术及其在网络教学系统中的应用 策略，我们认为运用这些技术可以构建适合学生个性和学习风格的网络教学系 统。这种技术使个人的差异更有可能被有效利用而不是成为学习的障碍。 基于w e b 的教学系统的智能性最重要体现在教学系统是否能够实现个别化 的教学，针对不同的学生找到并采用最合适的教学方法。要实现这种“智能性”， 如何针对不同的学生找到并采用最合适的教学策略并在学习过程中不断地调整 是一个很重要的研究课题。 教学策略是自适应智能学习系统的重要组成部分，包括教学法、教学控制知 识等，教学策略的实施体现在教学动作中。在教学系统中，教学策略的主要功能 有：选择与生成问题，以便学生回答；提供个别指导与讲解：调整教学步骤：组 织安排教学内容：根据论断结果指出学生错误类型并提出复习材料与补救措施 等。相对于人类教师的教学经验部分，教学策略的目标是使系统做到因材施教。 教学策略在智能教学系统中必不可少，但是它不能独立运行，而是通过教学组织 实现的。在i t s 的研究中，对教学策略的控制与调整是重要环节。但是在基于 w e b 的适应性教学系统中对教学策略的研究比较少见。随着对网络教学系统的个 性化、智能化的日益增强，对教学系统中教学策略的控制与研究必然将越来越引 起人们的重视。 从目前投入使用的教学系统看，教学策略在系统的应用中已经开始得到关 注，也有研究者开始尝试针对不同学生对提供个性化的教学策略的支持，支持的 类型大体可分为下面几种形式： 整个教学系统采用一种己制定好的教学策略，不分学习者是谁，学习者 的能力变化。这样的系统构造起来很简单但已不能满足学生对教学策略 个性化的需要。 整个教学系统采用一种己经制定好的主教学策略，但教学策略的某些部 分可以由学习者根据需要自主进行选择。目前，大多数系统多数系统都 是如此。 整个教学系统采用已定制好的几种教学策略，根据学习者的情况进行手 工或自动匹配。 然而，一种教学策略不一定适合每一个人，甚至同一个人学习的不同阶段可 能需要不同的教学策略支持。现有的教学系统在这方面研究还不是很深入，对教 学策略的形式化描述、个性化教学策略的生成机制、存储及对学生模型的要求等 都缺乏系统的研究成果。 1 2 相关的概念 一、教学策略( t e a c h i n gs t r a t e g i e s ) 在辞海中“策略”一词指的“计策谋略”“1 。与“策略”联系很大的一 个词是“战略”。战略指政党、国家做出的一定历史时期内具有全局性的谋划， 策略指为实现战略任务而采取的手段。策略具有较大的灵活性。而在较为普遍性 的意义上，策略涉及的是为达到某一目的而采用的手段和方法。在教学方面，术 语“策略”指的是思想要达到预期效果的一整套教学行为。在历史上，在教育方 面术语“策略”已被用作术语“方法”或“步骤”的同义词。策略在教育上的另 一些定义涉及为事件和教师与学生之间持续的、实质性的交流排出顺序。“策 略”一词在辞典中的诸定义和与之相关的教育上的含义见表1 1 ”1 。 表jl 策略一词在辞典中的诸定义和与之相关的教育上的含义 定义含义 军事指挥的科学或艺术，应用于总体计划和意味着课堂上教师和学生行动之间会发生冲 指导大规模的实战行动 突。教师必须细致地安排和组织教学，以求 达到自己的目的 本源于本门科学实践活动的行动计划 恿味看计划会使教学仃为产生 在政治、商务、求爱等活动中使用策略( 特意味着策略的使用涉及一种技巧，并暗示教 别是计划或调度) 的技巧 师必须学会这种技巧 关于教学策略的定义，在我国早些年出版的教育大辞典中是鲜见的。教 学策略这一术语在近年来讨论得比较多，以下是关于教学策略的三种观点：( 1 ) 教学策略是指教师在课堂上为达到课程目标而采取的一套特定的方式或方法。教 学策略要根据教学情境的要求和学生的需要随时发生变化。无论在国内还是在国 外的教学理论与教学实践中，绝大多数教学策略都涉及到如何提炼或转化课程内 容的问题。( 2 ) 所渭教学策略，是在教学目标确定以后，根据已定的教学任务 和学生的特征，有针对性地选择与组合相关的教学内容、教学组织形式、教学方 法和技术，形成的具有效率意义的特定教学方案。教学策略具有综合性、可操作 性和灵活性等基本特征。”1 ( 3 ) 教学策略是为了达成教学目的，完成教学任务， 而在对教学活动清晰认识的基础上对教学活动进行调节和控制的一系列执行过 程。”1 这三种观点的相似之处在于都认为教学策略的实施是为了达成教学目标 ( 课程目标) ，具有灵活性( 或称为变通性) 。不同之处在于，第一种观点认为 教学策略是“一套特定的方式或方法”；第二种观点认为教学策略是“具有效率 意义的特定教学方案”；而第三种观点则把教学策略归结为“对教学活动进行调 节和控制的一系列执行过程”。 本研究中的个性化教学策略主要是指根据教学1 7 1 标与学生的个性特征而对 教学内容及内容序列、教学活动程序、媒体的类型进行适应性调节的教学行为。 二、适应性教学系统 适应性教学系统是应用不同形式的用户模型，根据学生的知识背景、学习 偏好、性格特点等来安排教学，让系统适应学生的特点教学系统。 网上学习资源极为丰富，若要为每位学生呈现适合的学习内容，更好地引导 学生进行自主学习，提供个性化的学习环境，是十分必要的。教师应该设计本门 课的总目标，并将总目标分解成各个子目标。对于每个子目标，系统只呈现给 与学生水平与学习偏好接近的学习材料，以促使学生达成目标。这有点像“脚手 架”策略。 1 3 国内外研究的综述 适应性智能教学系统的研究状况 1 9 5 9 年美国i b m 公司研制成功世界上第一个计算机辅助教学系统。6 0 年代 中期建立了一系列的智能教学系统，提出了有关算术和词汇回忆方面的问题，并 对学习者进行训练。由于能选出难度与学生能力相适应的问题供学习者使用，这 些系统又叫做自适应系统。在这类系统中，问题选择的算法比较复杂，而且学生 模型模块对学生行为的各种参数的依赖比对学生知识表示法的依赖程度要大的 多。自适应教学系统和智能教学系统并无明显的分界线。 近几年来，研究者们把焦点集中在增进“做中学”技巧的支撑学习环境的 研究中，努力把实践知识变为经验知识。这些系统力求把问题求解经验和“发现” 学习的动机结合起来，以便有效地指导教学活动。上述两个目标通常是矛盾的， 因为，对一个好的教师来说，系统必然会对教学途径和答案以及事先完全规定好 的可能出现的错误的练习加以限制。为了克服这些限制，系统必须有自己的问题 求解技术，自己诊断或模拟学生的能力，以及解释学生应答信息的能力。为了把 上述能力结合起来，适应性教学系统应同时具有明确的控制或教授策略以确定何 时中断一个学生的问题求解活动，并应该明确告诉学生相应的知识及如何向学生 讲授知识，而这一切则都是为了向学生提供一个有效的指导性建议。适应性智能 教学系统一般将教学内容与教学策略分开，根据学生的认知模型提供的信息，通 过智能系统的搜索与推理，动态生成适合于个别化教学的内容与策略：通过智能 诊断机制判断学生的学习水平，分析学生产生错误的原因，同时向学生提出更改 建议、以及进一步学习内容的建议：通过对全体学生出现的错误分布统计，智能 诊断机制将向教师提供教学重点、方式、测试重点、题型的建议；为教师提供友 好的教学内容、测试内容维护界面，无需改变软件的结构即可调整教学策略；通 过对学生认知模型、教学内容、测试结果的智能分析，向教学督导人员提供对任 课教师教学业绩评价的参考意见。可以说，对适应性智能教学系统而言能够做到 适应个体具体需要的，能够为个体提供个性化的教学策略是至关重要的。表1 2 列出了一些典型的适应性教学系统。 表1 2 一些典型的适应性教学系统 9 系统名称教学模型学生模型知识表达形式教学内容 作者 s c h o l a r 苏格拉底对话加权覆盖语义网络美洲地理 美国b b n 公司 模型 w h y 苏格拉底对话 覆盖模型 剧本降雨因素 s t e v e n s , & c o l l i n s 分析 s o p h i 巳 交互式指导法覆盖模型 语义网络电子仪器 b r o w n b u r t o n 检修 w e s t 主动式教练法覆盖模型规则算术运算美国b b n 公司 g uj d o n 主动式教练法覆盖模型 规则医学知识c l a n c c y b i p 主动式教练法覆盖模型 规则b a s i c 语 b a r r s p a d e 主动式教练法覆盖模型规则l o g o 语 m 川e r e x c h e c k 主动式咨询法覆盖模型规则定理证明s u p p e r a l g e b r a 主动式教练法覆盖模型规则应用代数 l a n t z 其中，s c h o l a r 系统能指导学生学习南美地理，它有两个特点：能处理意 外的学习询问和组织不同水平的教学。w h y 系统能进行降雨原因的教学，利用 自然语言来辅导学生学习气候方面的知识。s o p h i e 系统能教授电子模拟实验技 能，让学生通过一系列的测量来诊断设备的故障。e x c h e c k 系统能提供逻辑、 集合论和定理的证明等方面的大学完整课程，系统使用方便，能进行简单的自然 语言人机对话。 这些系统把研究的重点集中在学生模型与教师模型的精确表示上，系统已可 以构造反映学生学习状况的学生模型与体现教学方法与教学风格的教学模型。 w e b 适应性智能教学系统中个性化教学策略研究状况 w e b 适应性智能教学系统是适应性智能教学系统在w w w 平台上的应用。目前 已实现的w e b 适应性智能教学系统还不多，而且智能性也不强。 表1 2 中提到的教学系统对教学策略的使用作过一些描述。北师大电子系武 法提在基于多a g e n t 的远程教学系统等文中提出了对教学策略的调整方法。 但是这些模型及研究结果并没有给出完整的系统结构，有的仅仅是对教学策略进 行简单的选择并不能对教学策略自身进行调整，缺乏具体的实现手段。由华东师 范大学祝智庭教授和首都师范大学教育技术系王陆教授联合申请的教育部科技 司现代远程教育关键技术与支撑服务系统天地网结合项目个性化课件生成技术 及相关工具已于2 0 0 3 年9 月通过教育部项目验收。该项目开发了个性化教学 的多媒体课件制作和生成工具，为不同个性特征的教师和学生进行智能化教学提 供了技术手段。该项目根据以学生为主体，教师为主导的教学理念，将数据挖掘 技术、教学评价技术和主动数据库技术相结合，形成了一个教师参与的半开放式 决策支持系统，有一定创新性。但该系统中的教学策略是教师手工定制的，也没 有实现个性化教学策略的自动生成。 第二章本研究的相关理论基础及技术基础 2 。1 教育学、心理学的理论基础 适应性教学系统的建构涉及到许多教育学及心理学理论，如行为主义、建构 主义、发现学习、掌握学习、认知风格和学习风格等。尽管这些理论都对教学系 统的设计有影响，本研究中重点关注认知风格、学习风格与掌握学习。 2 1 1 认知风格 一、个体差异与认知风格的概念 v e r n o n 认为，认知风格的主要先行研究，可以追溯到经典希腊文学中对个 性的描述。1 6 1m e s s i c k 对认知风格的起源也持同样的观点，他解释说，“不同个 体具有不同个性，这些个性对他们的认知与行为表现分别产生不同的影响”。【7 j 在当前的研究中认知风格被理解为个体组织和表征信息的一种偏好的、习惯化的 方式。 二、认知风格的归类 赖丁和基玛认为，认知风格由两个独立的维度构成，这两个维度分别是： 整体一分析维度它反映个体要么用整体方式、要么用部分方式来组织信息： 言语一表象维度它反映了个体要么用心理图像、要么用语词来表征信息。i s 】 2 1 2 学习风格 学习风格指的是一系列个体差异：不仅包括与教学或特定形式的学习活动相 关的稳定的个人偏好，而且包括在智力或个性心理学中发现的个体差异。【9 i 对学习风格的研究创造了令人眼花缭乱的模型。r a y n e r & r i d i n g 对各种学习 风格进行了理性的分析，把它们分为以下四个维度：基于学习过程的风格模型、 基于学习定向的风格模型、基于教学偏好的风格模型、基于认知技能发展的风格 模型。1 1 0 1 识别学生的学习风格是一件不太容易的事。而且不管是课堂教学还是在适应 性教学系统中要描述每一个人的学习风格更是困难。美国的教育心理学家d a v i d k o l b 创建了一个学习风格量表( l e a r n i n gs t y l e si n v e n t o r y ) 。他的学习风格量表 把学习者分成四类：顺应型、发散型、集中型和同化型。如图21 所示。i 他的 学习风格测量表( 修订版) 由1 2 个项目组成。要求被试给每个项目中的4 个单 词评定等级，这样，就可以根据已鉴别出的学习方式来确定具体的学习偏好。测 试完成后，有两个分数需要计算。这两个分数分别代表在每个学习风格维度上 的位置。第一个分数居于抽象理解一具体经验维度上，它反映个体的风格偏向抽 象或具体性一端的程度；第二个分数居于反思性观察一主动实验维度上，它反映 个体风格偏向反思性或者主动性一端的程度。学习风格对于设计基于w e b 的学 习系统是重要考虑的因素，掌握学习同样如此。 一一2 0 一1 0 顺应型 发散型 2 81 6 6 0 1 02 1 一9 集中型同化型 一1 9 2 9 2 1 3 掌握学习 图2 1 学习风格类型图 a e r o 美国教育心理学家b s 布卢姆，在美国j b 卡罗尔“学校学习模式”的基础 上，创建了适应学生个体差异的掌握学习教学理论。该理论在战后世界性教学改 革热潮中产生了广泛的影响。 自6 0 年代未起，布卢姆发表了为掌握而学( 1 9 6 8 ) 、掌握学习理论 导言( 1 9 7 4 ) 与人类特性和学校教育( 1 9 7 6 、1 9 8 2 ) 等论文和专著，阐述 有关掌握学习教学的理论。在布卢姆及其同事看来，掌握学习教学乃是旨在使学 习材料为绝大多数学生所掌握的一种有效的教学策略。其主要内容有： 一、掌握学习教学的核心思想 布卢姆认为，2 0 世纪以来由于科学技术的迅速发展，使现代社会发生了深 刻的变化，各国的教育都面临着系统的深刻的变革。它己不再满足于选择和培养 少数优秀人才，而要求大力普及教育，努力提高劳动者大军的科学文化素质。因 此，我们必须变革传统的教育观念，关心每个学生的发展，让所有学生掌握在复 杂社会中求得自身发展所必须具备的知识和技能。 布卢姆对传统的班级授课制带来的弊端具有清醒的认识。他认为教师在班级 授课中虽企图为班内所有学生提供均等的学习机会，但在实际的教学过程中，教 师却只对班内l 3 弱的学习良好的学生给以更多关注和鼓励。约占班级l 3 的被 “遗忘”的学生，由于未得到教师的及时帮助、指导( 如：分配给学生某一材料 的时间量不足，教学材料要点和次序安排以及描述、讲解等的程度不适) ，必然 产生学生的学习误差。这样，班内学习的分化现象便出现了。长此以往，就导致 了教师使用正态分布曲线来对学生的学习成绩进行评价，认为学习上的差生的存 在符合正态分布规律，从而把对多数学生的教学失败看成是教学过程的必然结 果。在布卢姆看来，大多数教师根据学生的学习能力具有正态分布性质而推断他 们所教学生的学习成绩也里正态分布( 良好、中间状态、不及格和勉强及格人数 各占i 3 ) ，是不可靠的。他认为如果学生的能力倾向呈正态分布，而教学和学 生用于学习的时间都适合于每一个学生的特征和需要，那么大多数学生都能掌握 这门学科，即大多数学生都能顺利地通过该学科各单元规定的8 0 9 0 的测验 题目，达到优良成绩。一般在一个班级中，只有5 l o 左右的学生不能达到优 良成绩。因为布卢姆的研究证实，能力倾向和学习成绩之间的相关接近于零。他 认为，当教学处于最理想状态时，能力不过是学生学习所需要的时间。他经过对 学习的长期观察和研究后指出：“正态曲线并不是什么神圣的东西。它不过是最 适合于偶然与随机活动的分布而已。”布卢姆认为教学是一种有目的、有意识的 活动，如果我们的教学富有成效的话，学生的学习成绩分布应该是与正态分布完 全不同的偏态分布。 二、掌握学习教学的变量 布卢姆的掌握学习教学原理是建立在卡罗尔关于“学校学习模式”的基础上 的。卡罗尔认为，学习的程度是学生实际用于某一学习任务上的时间量与掌握该 学习任务所需的时间量的函数，即学习程度= f ( 实际用于学习的时间量需要的 时间量) 实际用于学习的时间量是由机会( 即允许学习的时间) 、毅力和能力倾 向三个变量组成的。需要的时间量由教学质量、学生理解教学的能力和能力倾向 三个变量组成的。布卢姆接受了上述卡罗尔“学校学习模式”中的五种变量( 其 中两种能力倾向为一个变量) ，将其作为掌握学习教学的变量。 i 允许学习的时间。它是指教师对学生完成一定的学习任务所明确规定的 时限。布卢姆和卡罗尔相同，认为学生要达到掌握水平，关键在于时间量的安排 要符合学生的实际状况。如果学生有足够的时间去学习，则绝大多数都能达到掌 握水平。为此，他认为教师应做到：( 1 ) 改变某些学生所需的学习时间。如师 生有效地利用时间，以大大减少大多数学生的学习所需时间。( 2 ) 找到为每个 学生提供所需时间的途径。当然布卢姆也承认，学生掌握某一学习任务所得的时 间，是受其他变量影响的。 2 毅力。布卢姆同意卡罗尔对毅力的与众不同的解释，认为毅力指学生愿 意花在学习上的时间。布卢姆认为毅力与学生的兴趣、态度有关。如果学生的学 习不断获得成功或奖励，那他就乐于在一定的学习任务中花更多的时间；反之， 他受到挫折或惩罚，必然会减少用于一定的学习任务的时间。他强凋指出，重要 的是通过提高教学质量来减少学生掌握某一学习任务所需要的毅力。因为我们没 有什么理由要把学习弄得很难，非要学生有坚韧不拔的毅力不可。 3 教学的质量。在布卢姆和卡罗尔看来，教学的质量指教学各要素的呈现、 解释和排列程序与学生实际状况相适合的程度。布卢姆认为教学的要素是：向学 生提供线索或指导；学生参与学习活动的程度；给予强化以吸引学生学习；反馈 矫正系统。由于每个学生在完成某一学习任务时，其认知结构各有特点，使他 们对教师提供的线索或指导等有不同的需求，故教师应寻找对学生最适合的教学 质量。他认为如果每一个学生都有一个了解该生实际状况的个别辅导者，那么他 们大多能掌握该学科。布卢姆指出教学质量评价的主要依据是每个学生的学习效 果，而不是某些学生的学习效果。 4 理解教学的能力。布卢姆和卡罗尔对理解教学的能力的看法相同，认为 它是学生理解某一学习任务的性质和他在学习该任务中所应遵循的程序的能力。 布卢姆认为理解教学的能力主要决定于学生的言语能力。目前绝大多数学校采取 班级授课制，一个教师面对几十个学生。如果其中某些学生不善于理解教师讲解 和教科书内容，学习就会遇到困难。所以，只有改进教学，如通过小组交流、个 别对待、有效地解释教科书、视听方法的运用与学习性游戏等系列教学才能使每 一个学生提高言语水平，并发展其理解教学的能力。 5 、能力倾向。布卢姆和卡罗尔相同，对能力倾向的定义独树一帜：能力倾 向是学生掌握一定的学习材料所需要的时间量。因此，只要有足够的时间，大多 数学生都能完成一定的学习任务。这就是说，能力倾向只是学习速度的预示，而 不是学生可能达到的学习水平的预示。布卢姆不相信能力倾向是完全不变的。因 为有证据表明，通过提供适当的环境条件和在学校、家庭中的学习经验，改变能 力倾向是可能的。 布卢姆认为上述掌握学习教学的五种变量相互作用地对教学效果产生影 响。教师的任务是控制好这些变量及其关系，使它们共同对教学发挥积极的影响。 三、掌握学习教学的程序 依据布卢姆及其同事对掌握学习教学实施步骤的论述，掌握学习教学的程序 概要如下： 1 、为掌握学习定标、定向。布卢姆认为，教学是按预期的教学目标改变学 习者行为的过程。因此，掌握学习教学的第一步是使学生为掌握定标、定向。布 卢姆的一项重要贡献，就是对教育目标作出由浅入深的等级分类。他将教育应达 到的全部目标分为认知领域、情感领域、动作技能领域三个组成部分。各领域又 分为若干层次，使目标要求逐渐加深。如认知领域由知识、领会、应用、分析、 综合、评价六个不断深化的层次构成。其中，知识包括具体知识、方法的知识和 学科领域的普遍原理及抽象知识。其他五个层次，即领会、应用、分析、综合、 评价，构成了布卢姆所说的理智能力和理智技能方面。只有定标，即只有使教师 和学生事先明确教学目标，方能使其日后判断预期目标的实现程度，评定掌握学 习达到的水平。 定向，首先是让学生明确当前“学习什么”以及“怎样学习”，达到“什么 程度”。其次是不断地鼓励学生，帮助他们树立学习的自信心并激发学习动机。 例如，在学生知道当前“学习什么”的基础上，向他们说明“每人都会得到他学 习上所需要的一切帮助：可以灵活地按成绩或能力临时分组学习：每一个学生的 成绩等级仅以他期末成绩为依据，且都能达到a 等标准”每一个学生由此而 形成一个“方向明，决心大”的心理状态。 2 、为掌握而反馈矫正。传统的群体教学并不给同一教室内的所有学生提 供均等的学习机会，而掌握学习教学则是群体教学并辅之以每个学生所需要的频 繁的反馈与个别化的矫正性帮助。教师依据上述教育i # 1 标和学生的基础状况进行 互为衔接的各个单元( 一般是教材的一章、一专题) 教学。每授毕一教学单元， 即用2 0 3 0 分钟时间进行诊断测验( 形成性评价) 。诊断学生学习上存在的缺 陷或发现学生学习进步状况，为师生及时提供教与学的反馈信息。通常由学生自 己批阅测验试卷。若学生能掌握8 0 9 0 的测验内容，便算达到本单元的掌握 学习水平。如果在测验中发现学生在解题中存在共同问题，教师就对全班学生进 行补充、深化性的辅助教学和个别指导。个别指导除教师自己进行外，还可以组 织小助手，也可以发动家长协助。在此基础上，教师针对学生测验中所显示出来 的“缺漏”，再进行一次内容要求与上述测验相类似的平行性测验，达到了所要 求的掌握水平的学生，可以进行下一个单元学习。若学生的成绩低于所规定的掌 握水平，就应当重新学习这个单元的部分或全部，然后再测验，直到掌握。掌握 学习教学法设霞系统的反馈一矫正程序，目的是为绝大多数学生达到掌握学习水 平。 3 、为掌握而分等。掌握学习教学在每一学科各单元的循环往复的形成性评 价的基础上，于学期结束时进行总结性考试( 总结性评价) ，以分出学生掌握学 习的