（计算机应用技术专业论文）贝叶斯网络在适应性教学系统中的应用研究.pdf

太原理t 大学硕士研魅学位做 r 7 8 85 7 贝叶斯网络在适应性教学系统中的应用研究 摘要 近年来，网络教学平台不断涌现，但许多网络教学平台的 个性化教学并不能令人满意，教学质量不高。这样，网上适应 性教学就成为现代远程教学发展的必然趋势，而其中学生模型 作为适应性教学系统的组成部分，对开展适应性的教学起着重 要的作用。因此，在远程教育领域，研究如何设计和利用学生 模型来实现远程教学的个性化和适应性有着重要的意义。 教学资源的适应性组织是进行适应性网络教学的关键内 容，适应性教学系统要求根据学生模型进行适应性教学资源的 组织。经过研究认为，根据适应性教学的需要定义教学资源有 利于教学资源的适应性组织，是网络教学系统中实现适应性教 学的一种可行的途径。同时，适应性教学系统要求能够准确的 评估学生所学内容的认知状态，根据学生的认知状态组织适应 性的教学资源，即学生模型中应当包含学生对于所学教学内容 的认知状态。基于上述分析，本文将教学资源融合到学生模型 中，并将学生模型分为与领域知识( 教学资源) 相关模型和与 领域知识无关模型，而由于学生学习过程存在大量的不确定性 因素和不确定性信息，在学生模型的构建过程中，将考虑寻求 一种能够处理不确定性知识的模型及方法。 贝叶斯网络是目前不确定知识表达和推理领域最有效的理 论模型之一，适用于0 i 确定性和概率性的知识表达和推理。它 用一种基于网络结构的有向图描述，能进行双向并行推理，并 能综合先验信息和后验数据，使推理结果更为准确可信。因此， t 太原理丁大学硕士研究生学位论文 将贝叶斯网络应用于适应性教学系统中将是非常有价值的。 本文以教育学的建构主义理论为指导，首先介绍了贝叶斯 网络的基础理论，接着运用贝叶斯网络构建了学生模型：描述 了建立模型的详细设计过程，包括领域知识拓扑图的建立、条 件概率表的学习算法、证据信息的获得以及证据在网络中的传 播算法，并对贝叶斯网络学生模型的知识表达方法进行了研究， 在对学生认知能力的诊断过程中，运用模糊算法实现对学生认 知能力的诊断及评估，根据评估结果使得贝叶斯网络获得证据 信息。最后，基于上述设计思想实现了一个实验系统以验证教 学资源适应性组织功能。实验表明，基于贝叶斯网络构建的适 应性教学系统能够有效地提供适应性的网络教学资源，从而有 助于实现网络教学平台的适应性学习。 关键词：远程教学，适应性教学，学生模型，贝叶斯网络应用 太原理工大学硕士研究生学位论文 b a y e s i a nn e t l w o r k s a p p u c a t l 0 nr e s e a r c h i na d a p l ：f 气b i l i t yt e a c h i n gs y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sn e t w o r kt e a c h i n g p l a t f o r mi n c r e a s i n g l ye m e r g e ， b u tt h e p e r s o n a l i z a t i o nt e a c h i n g o f m a n yn e t w o r kt e a c h i n g p l a t f o r m sc a nn o tb e e np r o v e ns a t i s f a c t o r ya n dn e t w o r kt e a c h i n g q u a l i t y i sn o th i g h n e t w o r ka d a p t a b i l i t y t e a c h i n gb e c o m e st h e i n e v i t a b l e t e n d e n c y o fm o d e r nr e m o t e t e a c h i n gd e v e l o p m e n t ， s t u d e n tm o d e lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ea st h ec o m p o s i t i o np a r to f a d a p t a b i l i t yt e a c h i n gs y s t e mf o rd e v e l o p i n g t h e t e a c h i n g o f a d a p t a b i l i t y t h e r e f o r e r e s e a r c hh o wt o d e s i g na n du s es t u d e n t m o d e lt or e a l i z et h e p e r s o n a l i z a t i o n o fr e m o t e t e a c h i n g w i t h a d a p t a b i l i t y , h a si m p o r t a n tm e a n i n gf o r t h e r e s e a r c ho fr e m o t e e d u c a t i o n a lf i e l d t h ea d a p t a b i l i t y o r g a n i z a t i o n o ft e a c h i n gr e s o u r c ei st h e c r u c i a lc o n t e n tt h a tc a r r i e so u t a d a p t a b i l i t y n e t w o r kt e a c h i n g ， a d a p t a b i l i t yt e a c h i n gs y s t e mn e e dt oo r g a n i z ea d a p t a b i l i t yt e a c h i n g r e s o u r c ea c c o r d i n gt os t u d e n tm o d e l ，t h r o u g hr e s e a r c ht h i n k st h a t d e f i n i t i o n o f t e a c h i n g r e s o u r c e a c c o r d i n g t ot h en e e d so f a d a p t a b i l i t yt e a c h i n gi sh e l p f u lf o rt h ea d a p t a b i l i t yo r g a n i z a t i o no f t e a c h i n gr e s o u r c e ，t h a ti sf e a s i b l ec h a n n e ls ot h a tn e t w o r kt e a c h i n g r e a l i z e sak i n do f a d a p t a b i l i t yt e a c h i n g ；a t t h es a m et i m e ， i i i 奎垦墨王查兰堡主塑窒兰堂垡堡奎 a d a p t a b i l i t yt e a c h i n gs y s t e mn e e da c c u r a t e l ye v a l u a t ec o g n i t i v e s t a t ea b o u tt h ec o n t e n tt h a ts t u d e n th a v es t u d i e d ，s y s t e mo r g a n i z e t h et e a c h i n gc o n t e n to fa d a p t a b i l i t ya c c o r d i n gt os t u d e n t sc o g n i t i v e s t a t e ，s os t u d e n tm o d e ls h o u l dc o n t a i ns t u d e n t sc o g n i t i v es t a t e a b o u ts t u d y i n gc o n t e n t t h e r e f o r et h i sp a p e rj o i n st e a c h i n gr e s o u r c e a n ds t u d e n tm o d e l ，s t u d e n tm o d e li sf i n a l l yd i v i d e di n t ot h em o d e l r e l a t e dt of i e l d k n o w l e d g e ( t e a c h i n gr e s o u r c e ) a n dt h e m o d e l u n c o n c e r n e dw i t hf i e l d k n o w l e d g e s i n c et h e r e i s p l e n t y o f u n c e r t a i n t y f a c t o ra n du n c e r t a i n t yi n f o r m a t i o n d u r i n g s t u d e n t l e a r n i n gc o u r s e ，f o rb u i l d i n gm o d e lt h i sp a p e ri sc o n s i d e r e dt os e e k ak i n d o fm e t h o da n dt h em o d e lt h a tc a nh a n d l e u n c e r t a i n t y k n o w l e d g e b a y e s i a nn e t w o r k i sn o wt h em o s te f f e c t i v eo n eo ft h e o r y m o d e li nu n c e r t a i n t yk n o w l e d g ee x p r e s s i o na n dt h ei n f e r e n c ef i e l d ， a n da p p l i e st ou n c e r t a i n t y , p r o b a b i l i t yk n o w l e d g ee x p r e s s i o na n d i n f e r e n c e ，i ti st h a tak i n do fd i g r a p hb a s e do nn e t w o r ks t r u c t u r e ， c a nc a r r yo u tt w o w a y p a r a l l e li n f e r e n c e ，a n d c a ns y n t h e s i z e e m p i r i c a lp r i o ri n f o r m a t i o na n dp o s t e r i o rd a t a ，m a k ei n f e r e n c e r e s u l tm o r ea c c u r a t ea n dc r e d i b l e t h e r e f o r eb a y e s i a nn e t w o r k s a p p l i c a t i o ni na d a p t a b i l i t yt e a c h i n gs y s t e mh a si m p o r t a n tm e a n i n g t h i s p a p e r w i t h p e d a g o g yt h e o r y h a v ef i r s ti n t r o d u c e d b a y e s i a nn e t w o r kt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，t h e n u t i l i z eb a y e s i a n n e t w o r ki ob u i l ds t u d e n tm o d e l ：h a v ed e s c r i b e dt h ec o u r s eo f m o d e l sd e t a i l e d d e s i g n ，i n c l u d e t h e e s t a b l i s h i n g o fd o m a i n k n o w l e d g eg r a p h ，t h el e a r n i n ga l g o r i t h mo fc o n d i t i o np r o b a b i l i t y t a b l e ，e v i d e n c ei n f o r m a t i o ng e t t i n ga sw e l la se v i d e n c es p r e a d i n g a l g o r i t h m i n n e t w o r k ，t h ek n o w l e d g ee x p r e s s i o n m e t h o do f b a y e s i a nn e t w o r ki ns t u d e n tm o d e lh a v ea l s ob e e ns t u d i e d d u r i n g s t u d e n t sc o g n i t i v ed i a g n o s i sp r o c e s s ，w i t hv a g u ea l g o r i t h mr e a l i z e i v 奎堕堡三盔堂堕主堑塞笙堂堡鲨苎 t h ed i a g n o s i so fa b i l i t ya n de v a l u a t i o n ，a n de v a l u a t i n gr e s u l tm a k e b a y e s i a nn e t w o r kg e te v i d e n c ei n f o r m a t i o n f i n a l l y ，a ne x p e r i m e n t s y s t e mb a s e do n a b o v e m e n t i o n e dt h o u g h th a sb e e nd e s i g n e dt o v e r i f yt e a c h i n g r e s o u r c e a d a p t a b i l i t yo r g a n i z a t i o n f u n c t i o n e x p e r i m e n ts h o w s ，t h ea d a p t a b i l i t yt e a c h i n gs y s t e m b a s e do n b a y e s i a nn e t w o r k c a no f f e rt h en e t w o r kt e a c h i n gr e s o u r c eo f a d a p t a b i l i t y , i sh e l p f u l t or e a l i z et h e a d a p t a b i l i t yl e a r n i n g o f n e t w o r kt e a c h i n gp l a t f o r m k e yw o r d s ：r e m o t et e a c h i n g ，a d a p t a b i l i t yt e a c h i n g ，s t u d e n t m o d e l ，b a y e s i a nn e t w o r k sa p p l i c a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章课题的研究背景与现状 信息技术的迅猛发展为人们的学习和教育方式带来了一场革命，如今 人们已不再局限于仅通过书本、课堂、电视、广播等传统的媒体手段获取 知识，i n t e r a e t 的普遍推广和广泛应用使之作为一种全新的学习手段而引起 了人们的广泛关注。目前越来越多的课程和教育资源是通过网络发布的， i n t e m e t 已成为支持远程教学、终生教育、普及教育的一个重要手段，这也 使得基于i n t e m e t 的教育方式及学习环境成为近几年来的研究热点问题。 1 1 远程教学的发展 计算机用于教育领域是从本世纪五十年代的线性程序开始的，该程序 提供了一系列步骤使学生逐渐接近学习目标。六十年代该领域的主要特点 是引入了分支程序的概念，学生能够在一定程度上决定学习的路径，从而 在一定限度内可以自主选择一些未知的、有用的部分进行学习。七十年代 的进展之一是实现了教学材料的自动生成，习惯上称为生成系统，即由计 算机自身生成问题及其解答，并对学生的回答做出有限的评价。也是在七 十年代，由于人工智能技术的发展和专家系统的成熟，智能教学系统 i t s ( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ) 作为一个新的概念开始形成。进入九十年代 以后，i t s 的研究思路发生了一些变化，一部分研究工作集中到了计算机 能够实现、容易取得进展的方面，如图像界面的工作、工业领域复杂工程 的模拟、视频教学工作等。到了九十年代后期，尤其是进入本世纪以来， 出于网络的兴起，基于i n t e m e t 的现代远程教育得到了巨大的发展和应用。 现代远程教育( m o d e md i s t a n c ee d u c a t i o n ) 的特征是：以计算机网络、 卫星通讯和广播电视为主要传输方式，以数字技术、智能技术和多媒体技 术为主要技术手段，以网络学校为主要办学形式，可便捷地进行实时、双 向交流，更好地实现优质教育资源共享。利用远程教育，广大受教育者可 突破传统教育在教育资源( 师资、教材、实验和演示设备等) 和教育方法( 统 一进度、集中式和单向传授等) 方面的限制，使得优质教育资源和教育方法 太原理工大学硕士研究生学位论文 的共事流动不受时问和空间的约束，而且受教育者可以根据自己的业务水 平和时间情况安排自己的学习计划和学习进度，实现传统教育无法做到的 “个性化教育”； 同时，教学过程中充分利用文本、图形、图像、音频 和动画等多种媒体进行交互，从而激发学生学习兴趣，提高教育质量。因 此，现代远程教育为普及教育、实施继续教育和岗位培训提供了一种十分 有效的手段。 目前。许多西方国家在远程教学方面投入了大量的人力和物力。在网 络教育应用的理论基础、课程开发、教学设计、虚拟大学等多方面反映了 这一领域的研究进展。如美国马里兰州大学马里兰远程教育学院将远程教 育的模型总结为三大类：分布式教室、独立式学习、开放式学习；又如在 美国1 9 9 7 年对全国高等教育院校开展远距离教育的分析报告中指出，截 至1 9 9 5 年秋天，有1 3 的院校已开展了远程教育，另外1 4 的院校计划将 在随后3 年内开展远程教育，当年共开设了2 5 7 3 0 门不同的远距离教学课 程，并为选课的本科生或研究生提供学位或结业证书。国内的网络教学平 台也如雨后春笋般不断涌现，1 9 9 8 年9 月1 1 日，教育部决定正式启动国 家现代远程教育工程，清华大学、浙江大学、北京邮电大学和湖南大学等 高技首批进行试点。至今教育部正式批准进行现代远程教育试点的高校已 超过7 0 余所。网络教学己经成为我国一支重要的教学力量。 1 2 远程教学需要解决的问题 基于计算机网络的现代远程教育依托于网络环境，教学资源、学习资 源、管理资源分布在不同的物理环境中，教学模式、教学过程、教学方法 与传统教育相比发生了很大变革，这也给网络教学平台开展教学造成了一 定困难。从目前网络教学平台的教学内容组织即资源组织的角度看，其不 足之处主要有【1 j ： ( 1 ) 网络教学系统的资源呈现形式多以静态网页为主，简单实现了教 材的电子化教学内容千篇一律，也缺少必要的交互，不能充分调动学生 的学习主动性。 ( 2 ) 网络教学系统缺少适应性和针对性，教学材料和教学过程方案千 篇一律，不能根据不同的学生选取不同的教学内容，实施有针对性的教学， 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 不能很好地实现个性化教学和因材施教的方针。 ( 3 ) 网络教学个性化研究的重点放在了整个教学环节中教学这个环节 上，对提高教学系统的交互性、个性化生成学习路径的研究也做了不少， 但对教学资源的个性化组织的研究还不够。 尽管产生这些问题的原因是多方面的，但其主要原因在于，尽管网络 教学系统替代了教师的一些工作，但教学系统还不具备教师的一些能力 ( 如观察力、分析能力、判断能力等) 。只有解决好了这一矛盾，才能够提 高教学系统的适应性和针对性：而提高网络教学系统的智能性是解决这一 矛盾的有效途径。网络教学系统的智能是指使教学系统具有人类的“思维、 判断、推理”能力，在教学过程中，网络教学系统能够根据学生的反馈信 息，对学生的学习情况和个性特征做出正确的判断，并基于这些判断做出 一些适合学生的决定和动作。所以，适应性远程教育已成为现代远程教学 发展的新趋势。 1 3 远程教育质的飞跃一一适应性学习 远程教育系统应转变为在教学目标的指导下，适应学生学习需求的适 应性教学系统。适应性教学系统主要由“知识媒体”所组成，它可以为远 程学习提供更优越的基础条件，使其更简单、更高效、更具有个性化的特 征。在这种适应性教学系统支持下的学习，称之为适应性学习。在这种学 习方式下，学习是借助自身原有的知识经验，通过与适应性学习系统进行 交互活动来获取知识和获得能力的过程。在这个过程中，系统可以在学生 的学习状态和对知识的掌握程度方面对学生进行评价，为学生提供学习内 容，制订学习计划，选择学习策略，并控制整个学习过程。同时学生也能 够自我组织，对学习进行自我评估。适应性学习充分地考虑到教学行为的 个性化与学习行为的个性化特征，打破了传统学习群体的结构，把学生作 为个体，置于更为个性化的情景之中。这种学习须具备如下主要特征【2 】： 1 是一种基于资源的学习。教学资源( 包括文本、图像、声音、视频、 c a i 软件等) 可以适应各种学生的需要和背景进行不同的组合，也就是教学 内容的组织和呈现与个别特征相适应：整个学习的过程是在网上探索及与 他人协同学习的过程。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 。是主动而非被动的学习方式。系统根据学生的学习状态和学习背景 对学生进行评估，组织、制订学习计划，提供适应的学习内容，并能控制 整个学习过程。同时，学生也有很大的自主性，可以自己设置并执行学习 计划。教师只是学习的指导者、建议者，他们的主要工作是教学目标的制 订、学习的辅导和咨询，教学资源的组织和编辑、学习环境的创设与维护。 3 是知识的自我建构。学生通过在适应性学习环境中的探索和交互来 建构自己的知识，从而提高学习效率，而不是主要通过教师的讲授或操练 与练习来进行学习。学生在探索和交互时，不仅要掌握所学的知识，更要 掌握学习的方法，也就是要进行认知技能的训练。同时也强调知识的运用 能力以及与他人合作的能力。 4 以学生的个别化、人性化为核心特征。对某个学生来说，他的学习 过程完全是个性化的，包括学习的进程、探索知识空问的路径、学习过程 中所得到的反馈信息等等。适应性学习中，学生是具有自己独特个性的个 体，而不是完全同步的群体中没有个性的一分子。通过学习过程中的选择， 其个性得以充分的体现。 5 学习必须得到快速的反馈，包括从指导教师和学习同伴之间得到的 反馈。适应性学习是一种自主的、个性化的学习，但它不是一种完全独立 的学习，它需要学习环境中有组织良好的反馈系统，以帮助学生做出自主 决策。学生之间的交流与讨论也是必不可少的。这可以让学生从不同角度 去认识所学的知识，丰富自己的认知结构。 6 需要高级的数字化技术及智能技术的支持。适应性学习对学习环境 的要求可归纳为：丰富的媒体表现形式、良好的适应性、敏感的反馈系统、 便捷快速的通信等。适应性学习要求在学习环境中广泛应用多媒体、人工 智能、网络通信等高新技术。 从上面所列适应性学习的基本特征来看，它在本质上突破了传统远程 学习的内涵，是一种全新的学习理念与学习方式，是今后远程教育模式发 展的大趋势。 1 4 基于w e b 的适应性教学系统简介 最近几年已经应用到实践中去的计算机辅助学习的两种主要的方 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 法：教学超媒体和智能教学。教学超媒体系统是教学材料以超媒体形式呈 现的基于w e b 的教学系统，因而，它支持对于教学材料的自由的探索，用 户对于学习过程有充分的控制权( 用户驱动的学习过程) 。但是这种超媒 体系统缺乏很好的导航工具( 导航迷失方向) ，使用户常常面临无法链接 到相关信息等问题。 智能教学系统是支持用户通过系统的动态性适应个体用户特征来获 取知识，系统能够直接给用户以引导，适应用户的知识水平，但是用户可 能对整个学习过程有很少或根本没有控制权( 系统驱动的学习过程) ，智 能教学系统最大的缺点是导航缺乏灵活性，用户不能直接影响学习过程。 一种新的方法，适应性超媒体变得很流行，它是基于传统超媒体呈现 和智能教学成分的升级版本，并且被广泛应用。这种综合的系统继承了超 媒体的自由导航和智能教学的适应性和导航性特征这两种系统的优点f 9 1 。 因此，基于w e b 的适应性教学系统( a d a p t i v ee d u c a t i o n a ls y s t e m ，a e s ) 并不是一个全新的、单一种类的系统。基于w e b 的a e s 来自于早期两种 系统：智能教学系统( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ，i t s ) 和适应性超媒体 系统( a d a p t i v eh y p e r m e d i as y s t e m s ，a h s ) 。传统上，在智能教学系统研究领 域开发适应性的教育系统产生问题，i t s 运用关于知识域、教学战略和学 生的知识来支持灵活多变的个性化学习和教学，适应性是任何i t s 重要的 目标特征。适应性超媒体是一个比较新的研究领域。适应性超媒体系统根 据用户模型的特征提供给用户适应性的内容和超媒体链接。教育是适应性 超媒体主要的应用领域，许多的适应性教学系统早在网络产生以前就已建 立。从一个系统的观点来看目前基于w e b 的a e s 能被看作是i t s 或适应 性超媒体系统在网上的运行。尽管如此，网上的内容给这些系统的设计和 运行提出了一系列挑战。很多单机版的i t s 运用适应性超媒体，而几乎所 有的基于w e b 的a e s 能够被归类为i t s 和适应性超媒体系统的组合，它 是对w e b 上超文本特征的冲击。 目前有人把已存在的基于w e b 的适应性系统分为三组：适应性信息系 统，该系统能够给网上用户提供个性化的信息，例如a v a n t i 或者p u s h ； 适应性过滤系统，该系统能够帮助用户在庞大的信息资源中发现想要获得 的内容，例如i f w e b 或者w e bt a g g e r ；适应性教学系统( a e s ) 。a l e s 是一 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 个最大的分组：己存在的基于w e b 的适应性系统有多于一半是a e s ，a e s 的创建者能够借助在早期i t s 系统和适应性超媒体系统中已经用过的和改 进的技术( 或某一成分) ，大量存在的基于w e b 的a e s 例如e l m a r t ， c a i a t ，w i t s 是建立在早期单机版的i t s 系统的基础上。 基于w e b 的a e s 是己存在的基于w e b 的适应性系统的一种，万维网 的出现被认为是发展和测试各种适应性应用的好的平台。一方面，它是挑 战：为了给各种类型的用户提供服务，基于w e b 的系统必须具有适应性， 而不是早期的没有针对性的系统，其次它具有吸引力：w e b 给复杂的基于 a i 适应性系统一个绝好的机会满足多种类型的用户。当一个适应性系统被 安装在性能好的服务器上，大量的用户能够通过价格低廉的计算机进行连 接。w e b 用户也能够帮助解决一些评估问题，因为对于基于w e b 的适应性 系统所有关于用户接口的数据能被记录到中央服务器用于综合分析。 1 5 国内外相关领域研究现状 适应性教学系统目前已成为国内外研究的热点。美国国家标准与技术 协会高技术研究项目( n a t i o n a li n s t i t u t es t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g ya d v a n c e d t e c h n o l o g yp r o g r a m ) 9 8 年资助研究项目的主题就是“适应性学习系统” ( a d a p t i v el e a r n i n gs y s t e m ) ，主要目标是：加速部署以网络为中心，基于 w e b 的学习系统，加快建设全国性的学习基础设施，使得教育与培训既 能得以最广泛的普及，又能精确地满足个别教育者与学生的需求。自2 0 世纪7 0 年代以来，典型的适应性学习系统主要有：美国自然基金在1 9 7 0 年资助研制了t i c c i t ( t i m e s h a r e di n t e r a c t i v ec o m p u t e r - c o n t r o l l e d i n f o r m a t i o nt e l e v i s i o n ，分时交互性计算机控制电视广播) ，主要利用计算机 辅助自适应测试( c a t ) ，试图提供适应性教学；k n o w l e d g eb a s e ds y s t e m ， k b s ( h t t p ：w w w k b s u n i h a n n o v e l d e ) 提出a d a p t i v eh y p e r b o o ks y s t e m ，可以 根掘用户提供不同的知识的超连接：瑞典计算机科学研究所和斯德哥尔 摩大学( k a r l g r e n 等，1 9 9 8 ) 1 拘适应性超媒体应用项目，核心采用基于用户 模板的适应性搜索和过滤技术，将不同用户归结到不同的知识模板中，提 供最适应用户特征的知识：上海交通大学的远程教育研究中一t l , 正研究基 于w e b 的个性化远程教育模型。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 适应性教学系统为了提供适应性，需要收集关于学生的信息，基于学 生的个体特征，系统从而把适应性的内容和适应性的导航链接呈现给该用 户。学生模型中存储关于个体学生的信息，因此学生模型作为适应性教学 系统的组成部分，对开展适应性的教学起着重要的作用。 学生学习过程中存在大量的不确定性因素和不确定性信息，目前越来 越多的适应性教学系统已经运用数字技术来进行不确定性的管理， v i l l a n o i3 】首先建议应用贝叶斯网络到教学系统，j a m e s o n l 4 】回顾了在教学系 统中管理不确定性的几个框架，包括b a y e s i a nn e t s 、d e m p s t e rs h a f e rt h e o r y o fe v i d e n c e 、f u z z yn e t w o r k s 。p e a r l 5 j 提出了用贝叶斯网络有比其他两种框 架更好的优点。以下为利用贝叶斯网络建立适应性教学系统的例子： 1 ) o l a e o l a e 是一物理学教学系统，它的目的是对学生所学物理知识域的知 识状态做可靠的评估，但它不支持交互式教学。当学生解决了某一物理问 题后，通过观察学生输入的相关公式来构建贝叶斯网络，然后推理学生对 于某一具体的物理规则的知识状态。每一规则在贝叶斯网络里用节点表 示，它是具有二元值的变量。系统在初始问题解决图的基础上根据具体的 教学问题自动构建贝叶斯网络；这个图用多种方法表示，它可能是将规则 应用到实际的问题，也可能是为了产生中间结果而应用这一规则。问题解 决图建立在对问题的描述和问题解决过程的认知模型基础之上。 根据学生所键入的物理公式产生的贝叶斯网络模型反映了学生对于 某具体物理规则的掌握程度，观测到学生的行为之后，证据信息在网络 中进行传播，改变了学生对规则掌握的信度。 o l a e 的特征是运用两种类型的贝叶斯网络，它包括( 1 ) 来源于原 始网络的规则节点表示贝叶斯网络的掌握结果；( 2 ) 其它节点表示学生的 掌握程度，这些节点将随着问题解决行为的解释自动更新，接下来它们影 响解释过程的其它方面，依赖于它们被如何定义，例如，如果学生的某一 行为被暗示他已经精通了运动学，和运动学规则联系的其他规则的概率将 增长。 2 ) p o l a ：从知识跟踪到模块跟踪 p o l a 建立在o l a e 技术基础上，o l a e 系统执行过程为：当学生至 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 少完成一个物理问题以后才被调用，这种回顾诊断称为知识跟踪，而p o l a 被设计为模块跟踪。它在学生解决问题的过程中能够被重复调用，p o l a 的基本任务是决定学生按照哪一条路径去解决问题，以及当前应该应用哪 一条规则。这产生了两个问题：或者运用学生已经用过的规则；或者选取 学生选择的解决路径中还没有运用的规则。最后c o n a t i 采用了一种相对简 单的战略：p o l a 逐步去构建贝叶斯网络：当学生执行了某一观测行为后 添加节点到网络，因为有学生操作的证掘，任何时候贝叶斯网络的节点仅 仅涉及规则应用。 3 ) e p i - u m o d 该系统包括一个建立在贝叶斯网络基础上的模板用户模型。它用独立 的贝叶斯网络表示每一个模板，不同的用户被归结到不同的知识模板中， 提供最适应用户特征的知识，不同的模板中知识项之间的条件依赖不同， 模板中的属性表示用户掌握某一具体概念的状态。 4 、h y d r i v e 该系统为一水力学教学系统，它重点考虑理解和错误发现战略而非用 户的最佳行为。系统运用个学习者所需能力的分层模型来对所有的应用 场景构建贝叶斯网络，这个贝叶斯网络是局部更新。 以上可以看到，o l a e p o l a 所选择的构建贝叶斯网络方法目标集中 在支持学生解决问题方面，p o l a 运用很小的网络作为认知解决战略而非 知识评估，o l a e 虽然提供认知评估，m a r t i n 和v a n l e h n l6 】详细的阐述了 v i l l a n o 的评估并不能够精确的评价学生不理解那些知识点，也不能够定位 那些知识内容应该被教，同时它不支持交互式教学，同样，对于e p i u m o d 和h y d r i v e ：e p i u m o d 设计贝叶斯网络专门为某类用户，这使它的应 用具有局限性；h y d r l v e 没有考虑最佳行为，而且仅仅能够更新贝叶斯 网络的某一部分。 本文的目标是帮助学生导航教学材料，它适应于不同的用户，通过对 学生的认知能力进行诊断，运用信号灯标记知识项状态，同时考虑学习目 标与教学请求，产生知识项序列反映了教学次序。在设计与实现适应性教 学系统过程中，考虑到网络教学作为一个综合性的活动要实现适应性的教 学，任何一方面的自适应调整都是必要的。教学资源包括教学的具体内容、 教学策略、学生特点等与教学有关的各种信息。高质量的教学内容必然是 r 太原理工大学硕士研究生学位论文 针对学生特点的适应性资源，适应性的教学资源还必须配合适应性教学策 略的开展，因而教学资源的适应性组织不是孤立的，是和适应性教学策略 相结合进行的。所以网络教学必须是依托适应性的教学资源，按照适应性 的教学策略开展的。 1 6 论文的研究内容、工作及其意义 从教学环节来看，一个完整教学过程应包含教学和复习、测试和评价 等环节，无论哪个环节，都需要在学生的实际情况的基础上灵活应用教学 策略，呈现具体教学内容，都涉及教学资源的组织。因此，开展适应性的 网络教学活动，首先是网络教学资源的自适应组织。而教学资源的自适应 组织要考虑学生模型中学生对于学习内容的认知水平，基于这一认识，本 文把教学策略和教学资源同学生模型进行整合，利用贝叶斯网络构建学生 模型，对学生认知能力进行诊断，通过贝叶斯网络的推理机制更新网络结 点的认知状态，从而实现适应性教学目的。 论文主要的研究工作是： ( 1 ) 利用贝叶斯网络设计学生模型，并且将学生模型融合到适应性 学习环境中，给不同的用户提供适应性的支持； ( 2 ) 确定学生模型中那些特征被需要用来评估学生学习行为，运用 评估算法评估这些特征，为贝叶斯网络学生模型提供证据信息，进而利用 贝叶斯网络的推理机制更新学生的认知状态： ( 3 ) 设计并实现一个实验系统a e s 以验证基于上述设计思想的可行 性。 论文的研究意义主要是： ( 1 ) 给出了利用贝叶斯网络进行学生模型的设计过程。对适应性教 学系统中的资源定义和学生信息描述进行有益探索，探索自适应组织教学 资源的应用与实现。 ( 2 ) 给出了网络适应性教学系统中自适应进行教学资源适应性组织 的一种方法，对提高网络教学系统的适应性提供了有益的实践。 ( 3 ) 这些方法也可以应用于互联网应用的其他方面。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章适应性教学系统理论基础 本章主要介绍适应性教学系统的理论基础，包括学习理论基础、适应 性教学系统的相关概念以及贝叶斯网络理论，通过分析说明运用贝叶斯网 绍构建适应性教学系统中学生模型的可行性，为下一章学生模型的设计奠 定基础。 2 1 学习理论基础 随着认知科学的研究与发展，人们对学习以及学习过程的认识也不断 发展，出现了三种主要的学习理论学派，即：行为主义、认知主义和建构 主义。 2 1 1 行为主义 行为主义派主张心理学只研究外显行为，反对研究意识和内部心理 过程。他们把个体行为归结为个体适应外部环境的反应系统，即所谓“刺 激反应f s 一鼬”系统，学习的起因被认为是对外部刺激的反应，但是他 们不关心刺激所引起的内部- t l , 理过程，认为学习与内部，i i , 理过程无关，因 此，只要控 | h l j , t 激就能控制行为和预测行为，从而也能控制和预测学习效 果。这就是行为主义学习理论的基本观点，根据这种观点，人类学习过程 被解释为被动地接受外界刺激的过程，而教师的任务只是提供外部刺激。 即向学生灌输知识；学生的任务则是接受外界刺激，即理解和吸收教师传 授的知识。这种理论基础反应在教学中，就是教学过程绝对地以教师为中 心，教师通过讲授、板书、及其他教学媒体的辅助，把教学内容传递给学 生或灌输给学生。 2 1 ，2 认知主义 认知主义【1 l 学习理论的基本观点是：入的认知不是外界直接给予的， 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 而是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果f 内部心理过程包 括态度、需要、兴趣和爱好以及原有的认知结构及过去的知识与经验1 ，学 习过程是每个人根据自己的态度、需要、兴趣和爱好，利用过去的知识经 验对当前外界刺激主动做出的有选择的信息加工过程。教师的任务不是简 单地向学生灌输知识，而是首先要激发学生的学习兴趣和学习动机，然后 再将当前的教学内容与学生原有认知结构有机地联系起来，学生不再是外 界刺激的被动“接受器”，而是主动对外界刺激所提供信息进行选择性加 工的主体。 2 1 3 建构主义 建构主义( c o n s t m c t i o n i s m 掣是认知心理学派中的一个分支。建构主义 学习理论认为：学习过程是人的认知思维活动主动建构的过程，是人们通 过原有的知识经验与外界环境进行交互活动以获取、建构新知识的过程。 知识不是通过教师讲授得到的，而是学生在一定的情景即社会文化背景 下，借助其他辅助手段( 包括与教师和学习伙伴的协商以及其他学习工 具) ，利用必要的学习材料，通过意义建构的方式而获得的。学生不是知 识的被动接受者，而是知识的主动建构者。外界施加的信息只有通过学生 的主动建构才能变成自身的知识。教师不再是教学内容的传递者，而是教 学活动的组织者，从以教授知识为主变为以指导、帮助学生的学习为主； 学生也不再是教学内容的被动接受者，而是知识的主动获取与建构者。教 学过程不再是一个同步的，而是一个异步的、发散式的思维过程，不同的 学生沿着不同的学习路径，完全可以建构出相同的意义。 学习理论的发展，不是一种替代的发展关系，而是继承、扬弃和发展 的关系，行为主义强调客观刺激，认知主义强调主体的原有认知结构，而 建构主义则强调知识在具体环境中的建构过程和建构结果。它们都有合理 的、科学的一面，同样也有局限性的一面，并不是无论什么环境、什么情 况下只适用于一种学习理论。教与学是一个复杂的过程，任何将这个过程 单一化或简单化的倾向都是错误的，不同的学习理论，在不同阶段、不同 的学习环境下，都是一种互相补充的关系，而不是一种相互排斥的关系。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 适应性教学系统( a d a p t i v ee d u c a t i o n a ls y s t e m ) 适应性教学系统( a e s ) 【7 】是以建构主义学习理论为基础，强调每个学 生的个性化的学习，核心特征是提供适合个别需求的学习内容和学习环境 的支持。它在本质上突破了传统远程学习的内涵，是一种全新的学习理念 与学习方式，是今后远程教育模式发展的大趋势。适应性学习模式的关键 环节是：学习内容的动态组织、学习策略、学习诊断。( 如图2 1 ) 达到目标要求，继续学习 图2 1 适应性教学模式 f i g 2 1a d a p t a b i l i t yt e a c h i n gp a t t e r n ( 1 ) 学习内容的动