（计算机应用技术专业论文）自适应教学系统的研究和实现.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 目前的网络教学系统大多通过网页发布和一些交流工具来开展教学活动，基本上 是i n t e r n e t 技术在教学上的简单应用。他们主要提供一些教学资源，学习的动态过程 无从体现，没有发挥教师的即时指导、监控、调节等作用，缺乏对适应学生特征的个 性化学习支持手段。自适应教学系统是解决以上问题，同时实现自适应教学的有效解 决方法。自适应教学系统作为比较特殊的教育应用领域课题，在理论上融合了教育、 教学等的基本理论，在实现上又依赖于信息技术及网络技术的应用。而其智能性的实 现则有赖于人工智能的发展。 本文的研究立足于开展网络教学的实际需要，提出了一套教学领域知识的组织和 表示方案，用户建模和体现智能适应性特征的学习支持系统结构模型，并基于这些研 究成果开发了自适应教学系统a t - s y s t e m 。 论文的主要工作包括如下几个方面： 1 研究了学习理论的研究和发展，对学习理论的各个阶段的方法及其工作流程作 了详细的分析。 2 给出了领域模型、学生模型、自适应展示和自适应导航的具体实现。其中领域 模型主要讲述了领域模型的定义、对象和知识表示，同时结合a - t - s y s t e m 系统具体地 分析了领域模型的层次关系，课程之间的结构，同时给出了此系统课程学习单元之间 的前提一后继关系图，最后系统设计了基于x m l 语义网络的知识表示方法，并给出了部 分x m l 代码。而学生模型则主要介绍了学生模型的定义和分类，同时结合a - t s y s t e m 系统分析了学生模型的特征因素，包括用户偏好，用户知识背景等给出了a t s y s t e m 系统学生模型的初始化和更新过程。自适应展示和自适应导航主要对它们的方法和技 术进行研究和分析，同时给出了系统所采用的自适应展示和导航的方法和技术，给出 了一个如何得到学习单元的难度等级的一个流程图，并结合具体的数据和公式详细地 讲述了实现自适应展示过程。并给出一个如何给根学习单元设置标记灯的算法，结合 一张有向无环图详细地讲述了如何设置自适应导航标记的过程。 3 提出了一个自适应教学系统模型，给出了系统的框架结构。此系统采用三层 c l i e n t s e r v e r 结构。第一层是由一组嵌入j a y a s c r i p t 的j s p 页面组成，主要用来在 客户端显示课程内容和知识导航。中间层是由一组s e r v l e t ，j a v a b e a n 和j a v a 应用程 序组成，主要用来接收学生请求、学生模型初始化和学生模型的更新，同时发送自适 应课程内容和知识导航信息给客户端。第三层是由相关的数据库和x m l 文件组成，主 要用来存储课程结构内容和学生模型信息。 4 论文最后结合了计算机网络课程的部分章节内容设计和实现了一个自适应 教学系统a t s y s t e m 。同时详细地介绍了系统的软硬件环境和配置，并给出了系 统设计的重要代码。最后论文还给出了系统实现的界面图。 关键词：自适应教学系统，领域模型，学生模型，自适应展示和导航 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t m o s to ft h ec u r r e n td i s t a n c el e a r n i n gs y s t e m s ，w h i c ha r ei m p l e m e n t e db y c o m b i n i n gw e b b a s e dl e a r n i n gm a t e r i a la n ds o m ec o r r e s p o n d i n gt o o l s ，a r es i m p l e a p p l i c a t i o n so fi n t e r n e tt e c h n o l o g yi nd i s t a n c e e d u c a t i o n t h e s es y s t e m s ，w h i c h a r es h o r to fi n d i v i d u a ll e a r n i n gs u p p o r tt ot h es t u d e n t a r eh a r dt oo f f e rs u c h f u n c t i o n sa sr e a lt i m eg u i d a n c e ，m o n i t o r i n g ，a d j u s t i n g ，e t c a d a p t i v et u t o r i n g s y s t e mi sae f f e c t i v em e t h o d a d a p t i v et u t o r i n gs y s t e ma st h ep r o b l e me d u c a t i n g a p p l i c a t i o nf i e l dc o m p a r a t i v e l yp e c u l i a r l y ，f u n d a m e n t a lt h e o r yh a v ef u s e d e d u c a t i o na n dt e a c h i n g a n dd e p e n d e do f fi ta n dn e t w o r kt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n o nr e a l i z a t i o n i n t e l l i g e n c er e a l i z a t i o nd e p e n d so nd e v e i o p m e n to fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e r o o t e di nt h en e e d o fd i s t a n c ei n s t r u c t i o n ，t h ea u t h o rp r e s e n t e da n i n s t r u c t i o nd o m a i nm o d e l ，u s e rm o d e la n dm o d e l i n gm e t h o d ，s y s t e ms t r u c t u r eo f a d a p t i v el e a r n i n gs y s t e mi nt h et h e s i s i na d d i t i o n ，ap r o t o t y p en a m e d a t s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si ss u n 舯a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h ep a p a rs t u d y st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e o r yo fl e a r n i n g ， t os t u d i e dt h et h e o r ye a c hs t a g em e t h o da n dt h ew o r kf l o wh a sm a d et h e d e t a il e d a n a l y s i s 2 t h ep a p e ri m p l e m e n t sd o m a i nm o d e l 、s t u d e n tm o d e l 、a d a p t i v ep r e s e n t a t i o na n da d a p t i v eg u i d a n c ep r e c i s e l y t h ep a r a g r a p ha b o u td o m a i nm o d e l yd i s c o u r s e st h ec o n c e p t i o n s 、o b j e c t sa n dn o t i o n s e x p r e s s i o n ，a n a l y z e dt h er e l a t i o n a lh i e r a r c h yo fd o m a i nm o d e l y 、t h ef r a m e w o r kb e t w e e nc o u r s e sc o m b i n e d w i t ha t s y s t 酬s y s t e m g i v e st h ep r e m i s e s u c c e s s o rr e l a t i o n a lg r a p hb e t w e e nl e a r n i n gu n i t so fs y s t e m i cc o u r s e s f i n a ll y ，t h es y s t e md e s i g n st h ek n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nm e t h o d sb a s e dx m ls e m a n t i cn e t w o r k 。c o m p o s e ss o m e 也c o d ea tt h es a m et i m e t h ep a r a g r a p ha b o u ts t u d e n tm o d e ls h o w st h ec o n c e p t i o n sa n dc l a s s i f i c a t i o n so fi t ，e x p o u n d si t sc h a r a c t e r i s t i cf a c t o r s ， i n c l u d i n gu s e r s p r e f e r e n c ea n dk n o w l e d g eb a c k g r o u n de c t ，s h o w st h ei n i t i a l i z a t i o na n du p d a t ep r o c e s so fa - t - s y s t e m ss t u d e n tm o d e l t h ep a r to fa d a p t i r ep r e s e n t a t i o na n da d a p t i v eg u i d a n c em a i n l ys t u d y sa n da n a l y z e st h e i rm e t h o d sa n dt e c h n i q u e s ，p r o v i d e sm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sw h i c ht h es y s t e mu s e s ， a n dm e a n w h i l ep r o v i d e saf l o w c h a r tw h i c hc a nb eu s e dt og e tc o m p e t e n c el e v e lo fl e a r n i n gu n i t s s t y l e saa l g o r i t h mw h i c hc o u l ds e tu pm a r kl a m p so n l e a r n i n gu n i t sa n de l a b o r a t e sh o wt od e s i g ns e l f - a d a p t i n gn a v i g a t i o nm a r k n 桂林工学院硕士学位论文 e r sc o m b i n i n gd i r e c t e da c y c l i n eg r a p h 3 t h ep a p e rp u t sf o r w a r daa d a p t i v et u t o r i n gs y s t e mm o d e l ，p r o v i d e s s y s t e m sf r a m ec o n s t r u c t i o n t h es y s t e ma d o p t st h r e e l a y e rc 1 l e n t s e r v e r a r c h i t e c t u r e t h ef i r s tl a y e ri sm a d eu po fj s pp a g e sw h i c hi se m b e d d e db y j a v a s c r i p t ，i tc a nd i s p l a yt h ec o n t e n to fc o u r s ea n dk n o w l e d g eg u i d e l i n ea t c l i e n t t h es e c o n dl a y e ri sm a d eu po fp r o g r a m so fs e r v l e t 、j a v a b e a na n dj a v a i t c a nr e c e i v es t u d e n t s r e q u e s t s 、i n i t i a l i z a t i o na n du p d a t ep r o c e s so fs t u d e n t m o d e l ，a tt h es a m et i m e ，s e n di n f o r m a t i o nt oc l i e n t t h et h i r dl a y e ri sm a d eu p o fr e l a t e dd a t a b a s e sa n d ) 眦f i l e s i tc a ns t o r et h ec o n t e n to fc o u r s ea n d i n f o r m a t i o no fs t u d e n tm o d e l 4 f i n a l l y ，t h ep a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e saa d a p t i v et u t o r i n gs y s t 嘲i 一一 a _ t s y s t e mt h r o u g hc o m b i n i n gs o m ep a r t so fc o m p u t e rn e t w o r k t h ep a p e re l a b o r a t es o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n ta n dc o n f i g u r e ，t o o a tl a s t ，t h ep a p e rg i v e st h ei m p o r t a n tc o d eo ft h i ss y s t e md e s i g n i n g a tl a s t ，t h i sp a p e r o f f e rt h ep i c t u r eo fs y s t e mr e a l i z a t i o n k e y w o r d s ：a d a p t i v et u t o r i n gs y s t e m ，d o m a i nm o d e l ，s t u d e n tm o d e l ，a d a p t i v e p r e s e n t a t i o na n da d a p t i v eg u i d a n c e i l l 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在姜良华副教授指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论 文中作了明确的说明并致以了谢意 学位论文作者( 签字) ： 签字日期：立雩压业 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 桂林工学院硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章引言 计算机由于能处理文字、声音、图象等多媒体信息，越来越受到人们的重视，以 多媒体形式开发的多媒体教学软件也得到了广泛的应用。计算机若要完成高质量教学 任务，则必须让教学软件具有很强的智能性。目前，一些现有的教学网站面临许多实 际问题亟待解决，具体表现在以下几个方面1 1 , z q ： 1 系统的动态交互功能不强 教学资料大多是书本材料的简单展示，并且教学信息陈旧，更新速度较慢，交互 能力较差，学生不能实际地参与系统中进行主动学习，因而很难达到最佳的教学效果。 2 系统的智能性较低 系统一般不能根据学生的实际情况提供合适的、智能化的交互界面，调动学习者 的兴趣，另外，系统仍然束缚在传统的教学模式中，不能动态地根据学生的知识水平， 提供响应的教学内容，从而实现真正的因材施教。 3 缺乏有效的导航 学生在网络环境中随意性和盲目性较大，无法快速准确地找到需要学习的内容的 准确位置，从而造成学习质量的降低。 4 缺乏先进的学习理论的指导 多数系统仍然以行为主义的刺激反应理论为指导，系统的设计遵循“呈现学 习材料学生反应信息反馈”的方式，学习质量不是很理想。 综合以上这些因素分析，出现这些问题的原因是多种多样的，大体上来讲，主要 有两个方面的原因【2 】： ( 1 ) 技术方面 由于网络课件使用方式和运行环境的特殊性，传统的智能课件开发方式不太适合 于开发网上的智能型课件，必须采用新的技术和方法。随着分布式人工智能( d a i ) 研 究的深入而发展起来的智能代理技术则是解决网上软件智能性的有效方法。 ( 2 ) 理论方面 目前网络教学应用系统的设计没有先进的认知理论做指导。多数课件仍以行为主 桂林工学院硕士学位论文 义的刺激反应理论为指导，课件的设计遵循“呈现学习材料学生反应信 息反馈”的模式，学习质量不是很理想。最近，随着心理学界对认知学习理论研究的 逐渐深入，其重要分支建构主义的学习理论和教学理论逐渐流行，并愈来愈表现出强 大的生命力所以，开发一个智能性高的教学系统，对于解决网络教学软件的低智能 问题具有十分重要的意义。 1 2 自适应教学系统的发展历史及其现状 随着计算机的发展，教育家们一直致力于如何应用计算机技术帮助学生学习和老 师教学，回顾5 0 多年来计算机和网络在教学领域中的应用，我们将智能教学系统分为 两个阶段 3 , 4 1 ： 1 。2 1 传统的智能教学系统 计算机作为一种现代化的教学手段和工具，应用于教育领域始于2 0 世纪5 0 年代。 5 0 年代计算机辅助教学以线性程序为特征，程序通过提供顺序化步骤引导学生逐渐接 近学习目标i 射。6 0 年代计算机辅助教学以分支程序为特征，通过学生一定程度上决定 学习路径。到了7 0 年代，主要以生成系统为特征，实现了包括问题和解答教学材料的 计算机自动生成系统，并对学生回答进行评价。一般认为第一个i t s 是1 9 7 0 年 c a r b o n e l l 所领导开发的s c h o l a r 系统1 6 , 7 ，它是一个讲授南美洲地理知识的教学系统， 从此世界各国纷纷开始了智能教学系统的研究。9 0 年代以来，随着多媒体技术和计算 机网络技术的发展，教学系统的研究更是进入了一个全新的发展领域。 传统的智能教学系统主要研究知识的表示、知识的推理与解释、学生模型的创建 以及人机接口等关键技术，可以说是专家系统在教学上的应用。人工智能技术，尤其 是专家系统的发展，促进了i t s 的理论和实践研究。而著名的用于抗生素治疗的专家 系统m y c i n l 8 1 ，本身就可以应用于医学知识的教学。 各种经典的i t s 一般采用规则、框架、语义网络等表示方法i s , s 。如s c h o l a r 系统 的知识表示采用语义网络方法，学科的具体对象或概念被表示成为网络中的节点。采 用语义网络方法的经典系统还有w e s t 【9 l 等。g u i d o n 系统【8 】采用规则的表示方法，它以 b y c i n 系统中的规则为主题，教授学生传染病诊断的知识，其教学知识用2 0 0 多条教学 规则表示。采用产生规则作为知识表示的教学系统实现起来比较简单，因此被广泛的 使用。另外，有时候单一的知识表示方式往往不能满足系统的需要。为了实现推理的 有效性，有的系统采用多种知识表示方法，如s o p h i e 系统采用语义网络和数学模型的 方法i 埘。现在又有技术提到面向对象的知识表示方法，至于要采用什么样的表示方法 2 7 桂林工学院硕士学位论文、 应视知识表示的需求而定。而系统的推理则是依赖于知识的表示方法。 1 2 2 自适应超媒体 在网络教学中引入人工智能概念，个性化的智能化教学系统，可以更好及时了解 学习者的状况、需求、能力差异、学习进度、兴趣爱好，并动态根据诸多因素调整学 习计划及进度，让用户得到针对性的教育。最明显的方式就是将i t s 技术应用到w w w 超媒体系统1 1 1 , 1 2 ，即基于w e b 的自适应超媒体教学系统 b r u s i l o v s k y 在1 9 9 6 年提出了自适应超媒体的概念【1 3 ，1 4 1 ，所谓的自适应超媒体( 超 文本) 是指该超媒体系统记录了用户的某些特征( 用户模型) ，在系统的运行过程中该用 户模型被用来使系统的表现适应于不同的用户。自适应超媒体的思想首先是在传统的 超媒体系统中进行研究的，但在1 9 9 6 后，转向基于w e b 环境的超媒体系统，且大部分 案例来自于教育超媒体系统，从而具有了基于w e b 的自适应教学系统的特征。目前， 该领域的研究大多仍然处于实验室阶段，研究系统的案例零散地分布在世界各地。比 较早成功的基于w e b 的自适应超媒体教学系统的案例是e l m - a r t 1 5 , 1 6 1 ，也是迄今为非 常优秀的一个系统案例，是一个在线学习l i s p 的网络课程，系统不仅结合了自适应导 航的特征，而且还提供个性化帮助和问题解决的在线支持。由该系统的研究而衍生出 了两个自适应课程的创作工具：i n t e r b o o k 1 7 】，n e t c o a c h 1 8 1 它们都是在 c l - h t t p 1 9 刎( 基于l i s p 语言) w e b 服务器上实现的。这两个工具都能创作出利用链标记 与隐藏技术实现适应性导航的网络课程，后者的功能更为全面，类似于一个完整的学 习支持平台。 通过以上对传统智能教学系统和自适应超媒体技术的分析，可以得出如下的结论： 自适应教学系统的实现方式可能不尽相同，但多数都是将传统智能教学系统中的相应 的模块应用到超媒体系统中，通过各种技术来实现个性化的教学。 1 3 课题研究目标和内容 本课题来源于广西教育厅项目( 桂教科研 2 0 0 3 1 2 2 号) 。课题名称为基于w e b 自适 应教学超媒体系统。以下为本课题要研究的目标和内容： 1 、本论文研究和分析自适应教学系统的各个模型和学习理论。模型包括学生模型、 领域模型、自适应展示和自适应导航等。学习理论包括行为主义学习理论、认知主义 学习理论、人本主义学习理论和构建主义学习理论等。 2 、开发一个自适应教学系统 一t s y s t e m 。尝试通过建构计算机网络网上 3 桂林工学院硕士学位论文、 教学系统来进一步说明自适应在网络教育中的应用。根据前面提出的理论依据，提出 本系统的结构和功能，给出总体设计方案。 3 、实现自适应教学系统中的主要功能。如学生模型初试化和更新、课程学习、白 适应导航、自适应展示课程内容等 1 4 论文组织 第一章： 第二章： 第三章： 第四章： 第五章 第六章 第七章 第八章 引言 学习理论的研究和发展 a - t s y s t e m 领域模型构建 a - t s y s t e m 学生模型构建 a - t - s y s t e m 自适应展示和导航 a - t - s y s t e m 系统结构设计 a - t - s y s t 跏系统实现 结论 4 桂林工学院硕士学位论文 第2 章学习理论的研究和发展 2 1 学习理论发展的四个阶段 随着认知科学的发展，人们对学习和学习过程的认知也不断发展，出现了不同的 学习理论研究，主要划分为四种类型【2 1 盈嚣驯：行为主义学习理论、认知主义学习理论、 人本主义学习理论、构建主义学习理论。 2 1 1 行为主义学习理论 1 9 1 3 1 9 3 0 年是早期行为主义时期，是由美国心理学家华生在巴甫洛夫条件反射 学说的基础上创立的，他主张心理学应该摈弃意识、意象等太多主观的东西，只研究 所观察到的并能客观地加以测量的刺激和反应。毋须理会其中的中间环节，华生称之 为“黑箱作业”【2 5 】。他认为人类的行为都是后天习得的，环境决定了一个人的行为模 式，无论是正常的行为还是病态的行为都是经过学习而获得的，也可以通过学习而更 改、增加或消除，认为查明了环境刺激与行为反应之间的规律性关系，就能根据刺激 预知反应，或根据反应推断刺激，达到预测并控制动物和人的行为的目的。 1 9 3 0 年起出现了新行为主义理论，以托尔曼为代表的新行为主义者修正了华生的 极端观点。他们指出在个体所受刺激与行为反应之间存在着中问变量，这个中间变量 是指个体当时的生理和心理状态，它们是行为的实际决定因子，它们包括需求变量和 认知变量。需求变量本质上就是动机，它们包括性，饥饿以及面临危险时对安全的要 求。认知变量就是能力，它们包括对象知觉、运动技能等等。 在新行为主义中另有一种激进的行为主义分支，它以斯金纳为代表，斯金纳 ( b s k i n n e r ) 在刺激与反应的联接中更强调“强化”的作用。他认为，要使学习成功关 键在于提供适当的强化，也就是：第一，通过提供正强化物或移去负强化物就可使相 应的行为在长时间内保持在一定的水平上；第二，通过强化的组合，我们又可塑造出 较为复杂的行为。这就正如斯金纳所指出的：“把强化的组合按所需行为的方向逐次改 变，就可能通过塑造过程的一些连续阶段得到极复杂的行为。”因此，我们在教学中应 当尽可能地提供正强化物和减少负强化物。 行为主义学习理论在实际的教学和教育工作中有着非常广泛的应用。这些应用中 影响最大的就是程序教学。程序教学是2 0 世纪第一个具有全球影响的教学改革运动， 5 桂林工学院硕士学位论文， 深刻地影响到当时美国及世界其它国家地教学改革运动。简单地说，程序教学是通过 教学机器呈现程序化教材而进行自学的一种方法。它把一门课程的总目标分为几个单 元，再把每个单元分成许多小步子。学生在学完每一步骤的课程之后，马上就能知道 自己的学习结果在学习过程中，学生可以自定学习步调，自主进行反应，逐步达到 总目标。 现在，有许多人都认为行为主义是一种过时的、落后的理论，认为受行为主义理 论指导的教学就一定是不好的。但是，我们需要认识到，即使是在现在，行为主义学 习理论也并不是完全过时的。行为主义的方法在教学中有时是非常有效的，例如：记 忆英语单词、做操等等，只能反复练习，才能达到最佳的效果。 2 1 2 认知主义学习理论 认知主义学习理论认为在人类行为的背后都有一个思维过程，基于这种假设，他 们认为，行为的变化是可观察的，同时通过行为的变化也可以推断出学习者内心的活 动。 2 1 2 1 奥苏贝尔的有意义学习理论 奥苏贝尔( d p u s u b e l ) 在教育心理学中最重要的一个贡献是他对意义学习的描 述。他认为学生的学习如果有价值的话，应尽可能地有意义。奥苏贝尔认为当学生把 教学内容与自己的认知结构联系起来时，有意义学习便发生了。认知结构是学生现有 知识的数量、清晰度和组织结构，它是由学生眼下能回想出的事实、概念、命题、理 论等构成的。因此要促进新教材的学习，首先要增强学生认知结构中与新教材有关的 观念。 奥苏贝尔有意义学习理论( 又称同化理论) 的核心口7 】是：学生能否获得新信息， 主要取决于他们认知结构中已有的有关观念；意义学习是通过新信息与学生认知结构 中已有的有关概念的相互作用才得以发生的；由于这种相互作用的结果，导致了新旧 知识的意义的同化。 另外一个由奥苏贝尔提出的、对我们的教学有指导意义的概念是接受学习和发现 学习。奥苏贝尔认为无论是接受学习还是发现学习都有可能是机械的，也有可能是有 意义的。而他更强调有意义的接受学习。教师给学生提供的材料应该是经过仔细考虑 的、有组织的、有序列的、完整的形式，因此学生接受的是最有用的材料，他把这种 强调接受学习的方法叫做“讲解教学”1 2 8 j 。至今为止，接受学习仍然是传统课堂教学 中非常重要的一种方法，因为它即有效又经济。通常我们提倡将奥苏贝尔提出的两个 6 桂林工学院硕士学位论文 概念结合起来应用于课堂教学中，尽量帮助学习者实现有意义的接受式学习。然而我 们并不否认发现学习的优点，相对接受学习而言，发现学习更注重学生的主动性，强 调学习过程和学习方法的学习。这些也正是素质教育所强调和注重的。 奥苏贝尔认为，促进学习和防止干扰的最有效的策略是利用适当相关的、包摄性 较广的，最清晰和最稳定的引导性材料，这种引导性材料就是所谓的组织者。由于这 些组织者通常是在呈现教学内容本身之前介绍的，目的在于用它们来帮助确定意义学 习的方向，因此又被称为先行组织者。奥苏贝尔认为，先行组织者有助于学生认识到： 只有把新的学习内容的要素与已有认知结构中特别相关的部分联系起来，才能有意义 地学习新的内容。 2 1 2 2 加涅的信息加工理论 早期的学习的认知观受“信息加工”理论的影响，将学习过程类比成计算机的信 息加工过程，界定了意义的归属和表征的结构成份【辨捌( 感受登记器、短时记忆、长 时记忆、控制器、输出系统) 与认知过程( 选择性接收、监控、调节、复述、重构) 。 1 9 7 4 年，加涅根据现代信息加工理论提出了学习过程的基本模式，通过这个模式 我们可以了解，在学习时学习信息在学习者内部的主要流程1 3 1 3 2 1 。其流程图如2 1 所 示。 图2 1 加漫的学习模式 上述模式表示，来自学习者的环境中的刺激作用于他的感受器，并通过感觉登记 器进入神经系统。信息最初在感觉登记器中进行编码，最初的刺激以映像的形式保持 在感觉登记器中，保留o 2 5 2 秒。当信息进入短时记忆后它再次被编码，这里信息以 语义的形式储存下来，在短时记忆中信息保持的时间也很短，一般只保持2 5 - 2 0 秒。 但是如果学习者做了内部的复述，这样信息在短时记忆里就可以保持长一点时间，但 也不超过一分钟。经过复述、精细加工和组织编码 3 3 j 4 等，信息还可以被转移到长时 记忆中进行储存，以备日后的回忆。大部分学习理论家认为长时记忆中的储存是长久 的，而后来回忆不起来的原因是由于“提取”这些信息的困难。从短时记忆或长时记 7 桂林工学院硕士学位论文 忆中检索出来的信息通过反应发生器，反应发生器具有信息转换或动作的功能，这一 神经传导信息使效应器( 肌肉) 活动起来，产生一个影响学习者环境的操作行为。这 种操作使外部的观察者了解原先的刺激发生了作用信息得到了加工，也就是学习 者确实学了点什么。 需要指出的是：在这个信息加工过程中，“执行控制”和“期望”这两个部分非常 关键。“执行控制”是指已有的学习经验对当前学习过程的影响，“期望”是指动机系 统对学习过程的影响，整个学习过程都是在这两个部分的作用下进行的。这两个部分 也为教学设计者设计教学提供了工作线索 奥苏贝尔的有意义学习理论和加涅的信息加工学习理论代表了典型的学习认知 观。 按照学习的认知观，学习是一个主动的、积累的、建构的、诊断的、情境化的具 有目标导向的过程。学习不会自动地产生，而需要学生进行大量的、高密度的心理活 动。这些活动涉及学习者对已获得知识进行意义归属；将新知识整合到已有的知识结 构中或智力模型中。此外意义学习是有目标导向的。学习目标不同，会产生不同的意 义，因而会导致不同的学习结果。因此需要应用元认知策略进行不断地诊断，从而判 断认知活动是否有助于达到学习目标。最后学习是有情境特征的。学习不会发生在真 空中，而是发生在特定的场景中。将知识从特定情境中分解出来并迁移到其它情境中 需要学习者很大的努力。 2 1 3 人本主义学习理论 人本主义心理学是2 0 世纪五六十年代在美国兴起的一种心理学思潮，其主要代表 人物是马斯洛( a m a s l o w ) 和罗杰斯( c r r o g e r s ) 。人本主义的学习与教学观深刻地 影响了世界范围内的教育改革，是与程序教学运动、学科结构运动齐名的2 0 世纪三大 教学运动之一。 人本主义心理学家认为，要理解人的行为，就必须理解行为者所知觉的世界，即 要知道从行为者的角度来看待事物。在了解人的行为时，重要的不是外部事实，而是 事实对行为者的意义。如果要改变一个人的行为，首先必须改变他的信念和知觉。当 他看问题的方式不同时，他的行为也就不同了换言之，人本主义心理学家试图从行 为者，而不是从观察者的角度来解释和理解行为。下面介绍人本主义学习理论代表人 物罗杰斯的学习理论。 罗杰斯认为，可以把学习分成两类l 明，一类学习类似与心理学上的无意义音节的 学习。罗杰斯认为这类学习只涉及心智，是一种“在颈部以上”发生的学习。它不涉 及感情或个人意义，与完整的人无关。另一类是意义学习。所谓意义学习，不是指那 8 桂林工学院硕士学位论文 种仅仅涉及事实累积的学习，而是指一种使个体的行为、态度，个性以及在未来选择 行动方针时发生重大变化的学习。这不仅仅是一种增长知识的学习，而且是一种与每 个人各部分经验都融合在一起的学习。 罗杰斯认为，意义学习主要包括四个要素【蚓： 1 学习具有个人参与的性质，即整个人( 包括情感和认知两方面) 都投入学习活 动； 2 学习是自动自发的，即便在推动力或刺激来自外界时，但要求发现、获得、掌 握和领会的感觉是来自内部的； 3 全面发展，也就是说，它会使学生的行为、态度、人格等获得全面发展； 4 学习是由学生自我评价的，因为学生最清楚这种学习是否满足自己的需要、是 否有助于导致他想要知道的东西、是否明白自己原来不甚清楚的某些方面。 罗杰斯认为，促进学生学习的关键不在于教师的教学技巧、专业知识、课程计划、 视昕辅导材料、演示和讲解、丰富的书籍等等，而在于教师和学生之间特定的心理气 氛因素 总之，罗杰斯等人本主义心理学家从他们的自然人性论、自我实现论出发，在教 育实际中倡导以学生经验为中心的“有意义的自由学习”，对传统的教育理论造成了冲 击，推动了教育改革运动的发展。这静冲击和促进表现在：突出情感在教学中的地位 和作用，形成了一种以情感作为教学活动的基本动力的新的教学模式；以学生的“自 我”完善为核心，强调人际关系在教学过程中的重要性；把教学活动的重心从教师引 向学生，把学生的思想、情感、体验和行为看作是教学的主体，从而促进了个性化教 学的发展。 2 1 4 建构主义学习理论 建构主义学习理论是行为主义发展到认知主义以后的进一步发展。 建构主义学习理论认为人们通过个人的经历不断地建构个体对世界的认识，基于 这个假设建构主义学习理论强调培养学习者在真实的情境中进行问题解决。 建构主义对学习的理解：学习是获取知识的过程，知识不是通过教师传授得到， 而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人( 包括教师和学习伙伴) 的 帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。 认知主义学习理论进一步发展为建构主义的这种变化远比从行为主义至认知主义 的转化更具有革命性意义。因为建构主义认为世界虽然是客观的，但是对于世界的理 解和赋予意义却是由每个人自己决定的。所以建构主义提倡一个更开放的学习环境， 9 桂林工学院硕士学位论文 在这个环境中学习的方法和结果不容易被测量出来，而且每个学习者的学习方法和结 果也可能不同。 虽然建构主义学习理论和认知主义学习理论是完全不同的两个理论，但是建构主 义学习理论同认知主义学习理论却有着相似的观点。比如，它们都将人类的思维过程 和计算机对信息的加工处理进行类比；并都认为将超媒体、多媒体用于教学会收到较 好的效果。 当今建构主义者主张：学习者是以自己的经验为基础来建构现实，或者至少说是 在解释现实，学习者个人的经验世界是用他自己的头脑创建的，由于学习者的经验以 及对经验的信念不同，于是学习者对外部世界的理解也是不同的。因而，他们更关注 如何以原有的经验、心理结构和信念为基础构建知识他们强调学习的主动性、社会 性和情境性。 2 2 小结 本章详细地讲述了学习理论的四个阶段，包括行为主义学习理论、认知主义学习 理论、人本主义学习理论和构建主义学习理论，并对各个阶段出现的优点和缺点进行 了详细的分析 1 0 桂林工学院硕士学位论文 第3 章a - t - s y s t e m 领域模型构建 - t s y s t 酬自适应教学系统包括四个组成部分：领域模型、学生模型、自适应展 示模型和自适应导航模型，其中领域模型和学生模型是领域主要知识和学生的抽象表 示，而自适应展示模型和自适应导航模型是自适应教学过程的实现机制，包括自适应 展示和导航策略。 领域模型：领域模型是领域知识的教学结构，它包括领域的实体及实体间存在的 关系。同时还包含要学习的学科知识 学生模型：学生模型存储每个学生的特殊信息，为系统的教学提供学生数据。学 生模型是教学的输入，利用学生模型的信息，系统可以实现自适应教学。 自适应展示模型：自适应展示模型根据不同学生提供不同难度的教学页面。 自适应导航模型：白适应导航模型是学生在学生过程中系统给用户提供方便快捷 的导航，使得学生可以准确、快速的找到自己要学习的教学内容 3 1a - t - s y s t e m 系统模块之间的关系 该系统采用以下各模块之间的关系和结构，如图3 1 ： 图3 1 各模块之问关系和内容 j l 桂林工学院硕士学位论文 3 2 领域模型的定义 领域模型 3 7 3 8 是领域知识的教学结构，定义一个领域意味着：确定它的实体及实体 间存在的关系前者描述了要详细说明的主题相关的对象的特性，任何两个实体各自 的属性不同，后者保存这些对象间的关系。 在教学领域中，领域知识是学生要学习的知识，包括概念、理论、例题、习题等 知识。这些知识按照某种顺序排列，就形成了教学单元。应用领域模型可给学生呈现 领域知识来解答问题和解释答案、给予暗示和动态评估学习者的答案。建立领域模型 要求领域模型有良好的知识结构体系，以便于学生建构学科知识的认知体系。 3 3 领域模型的对象 一般而言领域模型中的对象由知识元素和知识之间的关系【3 9 】组成， 知识元素是从不同的实现角度对领域知识的分解。一般地，关于教学系统的知识 元素，尽管没有严格意义上的定义和区分，但仍然可以列举出常见的名字或术语：课 程、章、节、知识点、学习对象、知识对象、学习单元、练习、测试、素材、案例等。 领域知识元素之间的关系是复杂多样的需要建模的关系类型往往是根据系统的 需要而做出选择。撇开具体的领域内容，在教学系统建模中常用的元素关系i 彻有： 聚集关系：某一对象是由其他对象组成。 继承关系：也是一种泛化特化关系，表示予对象是父对象的一种特例，予对象继 承了父对象的一些特性。 关联关系：对象之间既不是构成关系，也不是继承关系，而是相互之间存在一定 的关联 依赖关系：对象之间虽然不直接关联，但是存在一定的依赖关系。 前提关系：用来描述教学内容之间的逻辑联系，如某个知识点是另外一个知识点 的逻辑前提，也可用来表示教师对教学内容呈现顺序的安排，哪个知识点先学，哪个 知识点后学等，前提关系是实现教学内容序列化的重要关系。 推导关系：推导关系表示当系统观察到用户掌握某些知识点的时候，可以推导出 用户对其他知识点的掌握情况，前提关系用来产生学习顺序，推导关系用来让系统判 定知识掌握程度，实现知识的传播。 案例关系：表示某部分内容是针对另外一部分内容的案例。 1 2 桂林工学院硕士学位论文、 扩展关系：表示某部分内容是关于另外一部分内容的扩展。 知识元素之间的关系种类越多，系统就越复杂，但其可支持的系统灵活性就越高。 3 4 领域知识的表示 所谓知识表示实质是知识的符号化，以便于计算机对知识进行存储和处理。由于 不同知识结构都有针对性与局限性。而且，有时同一领域的知识可采用不同的知识表 示方法结构来表示。因此，选定知识表示结构，应依据具体情况来选定。在实际应用 中所采用的知识表示同知识组织、知识结构和知识的使用方式密切相关。 随着知识表示研究的深入，已经提出了多种知识表示方法，常用的几种知识表示 方法1 4 1 - 4 2 】为自然语言表示法、产生式表示法、语义网络表示法、框架表示法、形式逻 辑表示法、面向对象表示法、基于范例表示法、基于r o u g hs e t 表示法、基于语言场 表示法、基于知识体表示法、神经网络表示法等等。这些表示方法都有各自优势和劣 势。例如，框架表示法较为适用，易于构成框架树，但对新的情况不易适应：产生式 表示法具有模块性、自然性、有利于表示启发式知识，但难于表达过程式知识 在解决同一问题时，不同表示方法可能产生完全不同的效果。因此，为了有效地 解决问题，必须选择合适的表示方法。对于一个知识表示方法