（计算机应用技术专业论文）基于工作流网的学习流建模研究与实现.pdf

硕士学位论文 摘要 基于工作流的在线学习强调利用已有的i t 基础设施来实现对学习过程的管 理，而对学习过程中学习活动的支持仍由学习管理系统( l m sl e a m i n g m 觚a g e m e ms y s t c m s ) 来完成。然而，要对学习过程进行管理，首先要对学习过 程本身进行形式化的描述如果采用现有的标准对学习过程建模，很难对学习过 程进行完整而便利的描述。此外，这些模型还存在一个共同的缺点，缺乏严格的 形式化定义，很难支持对学习过程的正确性的分析与验证。 针对现状，本文通过分析工作流建模、学习活动建模和工作流网建模，提出 一种基于工作流网的学习流模型。此模型采用双层建模方案，即流程逻辑层和流 程描述层。在流程描述层将工作流管理联盟提出的x p d l 标准与i m s 提出的l d ( l e 啪i n g d e s i g n ) 规范相结合，形成学习流模型。学习流模型以x p d l 为基础， 保留其中参与交互的基础元素，同时结合i m sl d 的部分学习领域元素，既保持 了x p d l 原有的灵活路由结构，又能完整的描述学习活动，适合于学习过程建模。 在流程逻辑层则采用扩展的p e t r i 网一工作流网，由于p e t r i 网具有严格的形式化 定义，可以利用它来保证流程模型的严密性，并实现对学习流程的有效性、正确 性分析验证此外，完成从流程逻辑层到流程描述层的映射。流程逻辑层保证所 建学习流模型的正确性、有效性，流程描述层则保证对所建学习流模型的完整性 和灵活性。 最后，为了验证学习流模型的合理性和可行性，本文设计并实现了一套学习 流建模工具w b l f m m a k e r 。通过与其它建模方法的比较分析发现，它既能较 完整有效的描述学习流程，又能保证所建流程模型具有严格的形式化定义，支持 对学习流程的分析与验证 关键词：在线学习；工作流；学习流；工作流网；学习设计 a b s t r a c t w b r k n o w - b a s e de - l e a m i n ge m p h a s i z e so nu t i l i z i n gt h ei ti n f h s t 九l c t l l r et 0 m 蚰a g el e 啪i n gp r o c e s s e s l e 啪i n gt i v i t i e so fl e 枷i n gp r o c e s s e sa r e s t i l l s u p p o n e db yl m s ( l e 锄i n gm a n a g e m e n ts y s t e m s ) h o w e v e r i no f d e ft om a n a g e l e 锄i n gp r o c e s s e s ，f o f m a l i z e dd e s c r i p t i o nf o rl e a m i n gp r o c e s s e si s q u i r e d g i v e n a d o p tt h ee x i s t i n gs t 姐d a r df o fm o d e l i n gt h el e a m i n gp m c e s s ，i ti sd i 腼c u l tt od e s c r i p t t t 怆l e a m i n gp r o c e s sc o m p l e t e l ya n de x p e d i e m l y i na d d i t i o n ，t h e s em o d e l ss t i l le x i s ta c o m m o nw e a k n e s s t h a tt h e s em o d e l si a c ks t f i c tf o m a ld e f i n i t i o n s s oi ti sd i 伍c u l tt o s u p p o r tt h e 锄“y s i s 锄dv a l i d i t yo nc o r r e c t n e s so fp r o c e s s r e s p o n d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，t h i sp 印e rp u r p o s e daw f - n e tb a s e d l e a m i n g f l o wm o d e i ( w b l f m ) o nt h eb a s i so fw o r k n o w m o d e l i n 岛l e a m i n g t i v i t ym o d e l i n g 如dw f - n c tm o d e i i n g t h em o d e la d o p t at w ol a y e r sm o d e l i n g p c e p t t h et 、v ot a y e r s 盯ep r o c e s sd e s c r i p t i v el a y e ra n dp r o c e s sl o g i c a ll a y e r o nt h e p r o c e s sd e s c r i p t i v el a y e f ，al e 啪i n g f l o wm o d e l i sp u tf o n 盯d o nt h eb 髂i so f c o m b i n i n g t h ex p d l p u r p o s e db yw f m c 蚰dl dp u r p o s e db yi m s t h e l e a r n i n g n o wm o d e lt a k ex p d l 船t h ef o u n d a t i o n ，托s e r v i n gb 勰a li n t e r a c t i v e e l e m e n t ，姐dc o m b i n i n gp a r to fl e a m i n gd o m a n i a l e l e m e n to ft h ci m sl d 砒t h e s a m et i m c i tc a ne i t h e rk e e pf c a s i b l er o u t es t m c t u r eo fx p d l ，o rd e s c r i p tl e 蛐i n g a c t i v i t yc o m p l e t e l y s o “i ss u i t e df o rt h el e a r n i n g p r o c e s sm o d e l i n g w f - n e t ，a c x t e n d e dp e t r i l ，i sa d o p t c di nt h ep r o c e s si o g i c a l l a y e r a st h ep e t r i th a v er i g i d f o f n l a i i 2 e dd c f i n i t i o n ，m a tc a nb eu t i l i z e dt og u a f a n t e et h ee x a c t 鹏s so ft h ep r o c e s s m o d e l ，柚ds u p p o r tt h e 蚰a l y s e so nc o r r c c t n e s sa n dv a l i d i t yo fp r o c e s s m o o v e r ， m a p p i n g 丘o mp r o c e s si o g i c a li a y e r t op r o c e s sd e s c r i p t i v cl a y e ri sa c c o m p l i s h e d p r o c e s sl o g i c a ll a y e rg 岫r a n t e et h ec o r r e c t n e s so fl e 锄i n g n o wm o d e l ，a n dp r o c e s s d e s c f i p t i v el a y e rm a i m e n a n c et h ei n t e g r a l i t y 蚰dn e x i b i l i t yo fl e a m i n g n o wm o d e l a “a s t ，i no r d e rt op r o v et h er a t i o n a l i t y 姐df e a s i b i l i t yo ft h el e a m i n g n o w m o d e l ，t h i sp a p e rd e s i g n s 柚dr e a l i z e sal e a m i n g n o wm o d e l i n gt o o l - w b l f mm a k e r a r e rc o m p a r i n gi tw i t ho t h e rm o d e l i n gm e t h o d ，t h er c s u l t si n d i c a t et h a tt h ew b l f m n o to n i yh a sar i g i df b m a l i z e dd e f i n i t i o na sw e l l 硒d e p i c tl e a r n i n gp r o c e s si n t e 舒a l i t y ， b u ta l s oi ts u p p o n s t h e 锄a l y s i sa n dv a i i d a t i o no fl e a m i n gp r o c e s s k e yw o r d o ：e - i e a r n i n g ；w o r k n o w ；l e a r n i n g f l o w ；w f - n e t ；l e a r n i n gd e s i g n 硕士学位论文 插图索引 图2 1 学习设计的概念模型9 图2 2l d 的树型图l l 图2 3 过程定义元模型1 3 图2 4x p d l 元模型1 5 图3 1 学习过程概念模型2 3 图3 2 学习单元元素展开图2 6 图3 3 学习过程元素展开图2 7 图3 4 活动元素展开图2 8 图3 5 贩子活动元素展开图2 8 图3 6 支持活动元素展开图2 9 图3 7 学习环境元素展开图3 0 图3 8 转移信息元素展开图3 0 图3 9w b l f m 的模型图3 3 图3 1 0w b l f m 网的可达树3 9 图4 1w b l f m m a k e r 体系结构图4 2 图4 2 建模监视组件的类图4 3 图4 3 建模监视过程序列图4 4 图4 4 弧对象的合法性验证图4 5 图4 5w f 二n d 网验证分析组件类图4 5 图4 6 工作流网模型生成类图4 7 图4 7 学习流模型生成类图4 8 图4 8 模型元素写入过程序列图5 l 图4 9 系统主界面5 5 图4 1 0 学习过程设计器主界面5 6 图4 1 l 属性设置窗口5 6 图5 1 参与者定义窗口6 0 图5 2 学习内容定义窗口6 l 图5 3 学习环境定义窗口6 3 图5 4 相关数据定义窗口6 4 图5 5 学习过程总体流程图6 6 图5 6 各小组申办准备工作6 7 图5 7 各小组代言人陈述6 7 m 图5 8 使用工作流建模工具的学习流程模型6 8 图5 9 使用学习设计建模工具的学习流程模型6 9 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 附表索引 x m l 元素展开图说明2 5 原子活动的l f d l 映射3 4 连接弧的l f d l 映射3 4 库所的l f d l 映射3 4 块活动的l f d l 映射3 5 参与者描述表5 9 学习内容引用表6 0 服务工具列表6 2 学习环境列表6 2 相关数据列表6 3 学习活动列表6 4 w b l f m 与其它建模技术比较7 l v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名：焦套龋挎日期：“年j 1 月刊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名脚作者签名式捌l i l 7 翩鹕2 郜弛 日期：2 l 砖年1 1 月工1 日 日期：z 伊i ，年j 1 月捌日 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第l 章绪论 传统的c i e a m i n g 技术以学习对象为中心。国际上各大标准化组织也针对学习 对象各自提出自己的学习资源元数据标准，最有影响力的如i e e el t s c ( l e 啪i n gt c c h n o l o g ys t 蚰d a r d sc o m m i t t e e ：学习技术标准委员会) 提出的l o m ( l e 锄i n go b j e c tm e t a d a t a ：学习对象元数据) 模型【l 】，美国a d l 研究机构提出 的s c 0 r m ( s h 盯a b l ec o n t e n t r e f c n c em o d e l ：可共享内容对象参考模型) 等【2 1 。 这些规范和标准有一个共同点：以所学的内容，即学习对象为中心【3 l ，基于 这些规范所构造的学习系统是一种人与学习内容的交互模型，而不是人与人之间 的交互模型。这些规范和标准大多局限于追踪单一学习模式，仅仅提供一些简单 的资源排序及学习内容的描述，并不支持多角色的协作学习和多种教学模式的应 用，缺乏对教学方法、策略、目标和教学活动的统一描述【4 l 。使得基于e 1 e a m i n g 的学习变成了对学习对象的遍历过程，变成了使用者与所学对象的交互。而实际 学习过程中人与人的交流、协作不能很好地体现出来，这与现实中多角色互动的 教学实践相去甚远同时也不利于指导者表现其各具特色的教学模式1 5 】。而应用 这些规范和标准所构建的e - l e 蛐i n g 平台，只能以一种固定的教学模式再现课程。 而在教学模式日益增多的情况下，对每一种教学模式分别进行平台实现，其效率 与效益都是极低的。 荷兰开放大学( o p e nu n i v e 娼i t yo f t h en e t h e r l 锄d s ) 的k o p e r 等人总结了当前教 育实践的需求以及学习技术的研究现状，提出以学习活动为中心的观点，即将以 学习内容为中心的模式演化为以学习活动为中心的模式，从而使得学习者除了被 动的接受学习内容外，他们还可以自由选择学习内容，指导者也可以以学习活动 为中心，灵活安排学习者的活动路径，而学习对象只是学习活动进行中所要引用 的资源，从而实施多种教学模式。k o p e r 与o l i v i e r 所建议的学习设计( l d ：l e a m i n g d e s i g n ) 规范【6 j 得到了i m s 的采纳，并于2 0 0 3 年2 月1 3 日公开发布了学习设计规范 1 o 版本【。i m s 的学习设计规范是建立在荷兰开放大学的教育建模语言( e m l ： e d u c a t i o n a lm o d e i i n gl 柚g u a g e ) 基础上的，整合和扩展了i m s 现有的相关规范。 工作流是一类能够完全或者部分自动执行的业务过程，它根据一系列规则， 使文档、信息或任务能够在不同的执行者之间传递与执行。工作流管理系统则是 一个软件系统，它完成工作流的定义和管理，并按照在计算机中预先定义好的工 作流逻辑推进工作流实例的执行1 3 】。通过系统的集成管理。工作流技术有效地把 人、信息和应用工具合理地组织起来，将工作活动分解成良好的任务、角色、规则 和过程来进行监控，从而提高系统的组织水平和工作效率。将工作流技术引入e l e a m i n g 系统，使学习者的整个学习过程在工作流管理系统的管理、监控和调度 下执行，可以为用户提供一个个性化的、应用和资源相集成的学习环境。s 锄 a d k i n s 在a s t d ( 美国训练发展协会) 的网上杂志中，就认为基于工作流的在线学 习( w o r k n o w b a s e de l e a r n i n g ) 是新一代的学习技术【”。 尽管现有的e 1 e 锄i n g 产品提供了功能强大的支持工具以实现课程管理，但 是它们中的大多数依然是任务导向的而非面向过程的管理【l 。工具的设计仅仅 是按学习内容编排学习者的学习路径，而不支持对学习者学习过程的统一管理， 忽视对学生个性化的学习过程的支持和管理。为解决存在的这些缺陷，需要工作 流技术的支持。、7 矾【l ( m 等人用工作流的概念来透视教育，将教育过程看作是一个包 含多类个体。通过一系列包括访问、创建、教授或操纵学习资源的工作流程组成 的过程，进而引入教育流( e d u c a t i o n w o r k n o w ) 1 1 l 的概念。教育流的概念是将工作 流技术有效应用到学习过程管理的关键。在分布合作学习环境中，学习者和指导者 需要一些协同和通信手段去协调他们共同的活动，指导者还需要灵活的过程支持 来描述学习材料和学习活动的大致顺序【l ”。 工作流模型的建立是工作流技术应用的基础，工作流管理联盟( w f m c ： w o r k n o wm 她a g e m e n tc o a l i t i o n ) 在2 0 0 2 年发布了基于x m l 的流程定义语言 ( x p d l ：x m lb a s e dp r o c e s sd e s c r i p t i o nl 孤g u a g e ) 标准【1 3 】。然而，对学习过程的管 理需要对学习过程进行追踪、执行和监控。这就需要确定一个学习过程的语义规 范，提供记录学习者的学习过程的捕捉、存储和分析机制。我们可以在对学习流 程建模的基础上，利用工作流技术及其相关描述语言来提供这种机制。要利用工 作流技术实现对e l e 枷i n g 中学习活动的执行和协调，就必须对学习流程建模并 进行形式化描述，建立计算机可理解的学习流程模型。因为工作流参考模型是对 各个具体领域业务过程的抽象，它没有涉及到学习领域的特征，也不可能涉及到。 因此将工作流管理整合到e l e a m i n g 环境中需要对传统的w f m s 在工作流模型建 立阶段针对e l e a m i n g 环境进行扩展l ”j 。 虽然i m sl d 规范也能对学习流程进行建模，由于和现有的w f m c 规范不兼 容，因此所建流程不能由w f m s 自动执行。 此外，无论是l d 还是x p d l 标准的重点放在语法而不是语义上，它们定义的都 是流程模型的存储形式，缺乏严密的定义，很难支持对流程正确性、有效性的分 析验证。在建模的语义层次上，如文献【1 5 1 7 】所阐述，p e t r i 网是一个比较理想的建 模工具。但目前市场上采用p e t r i 网作为建模工具的工作流产品仅有少数几种，在数 量及市场占有率上远不如其它建模方法。其原因有：1 基于p e t r i 网的流程模型过于 复杂，容易导致状态爆炸的问题。2 目前基于p e t r i 网的流程建模往往采用面向过程 和非模块化设计，软件可维护性差，缺少对重用以及流程动态变化性的支持。3 过于 2 硕士学位论文 追求理论的先进性。没有考虑和已有标准的映射，缺乏实用性和可用性v 雅d e r a a l s t 等人提出了基于p e t r i 网的工作流建模的概念和方法【1 6 】，被称为工作流网 ( w o r k f l o w n e t ) ，在工作流领域得到了广泛的应用。 综合以上分析，本文综合工作流模型、学习活动模型和工作流网模型提出一 种基于工作流网的学习流模型( w f n e tb 嬲e dl e 锄i n g f l o wm o d e l ：w b l f m ) 。 此模型分为两层，流程描述层和流程逻辑层。流程描述层将w f m c 的x p d l 标准 与i m s 提出的l d ( l e a m i n g d e s i g n ) 规范相结合，以x p d l 为基础，保持了x p d l 中活动、转移等基本元素，引入i m sl d 的部分静态元素，对x p d l 标准进行扩 展，使之能正确有效的描述学习活动，适合于学习过程建模，同时又能将学习流 程整合到工作流管理系统中去。在流程逻辑层则采用工作流网，用工作流网的相 关理论来保证流程模型的严密性，并实现对学习流程的有效性、正确性分析验证。 为了印证w b l f m 模型的合理性和可行性，本文设计并实现了一套基于 w b l f m 的学习流建模工具一w b l f m m a k e r 。通过与其它建模方法的比较分析发 现，它既能较完整的描述学习流程，又能保证所建流程模型具有严格的形式化定 义，支持对流程的分析与验证。因此w b l f m 的提出既具有理论价值，又具有实 际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 学习活动建模研究现状 在e i e 锄i n g 领域，传统的e 1 e 啪i n g 系统都是以学习对象为中心的，对学习 活动的研究比较少，学习系统的建模是对学习活动中的内容、结构和过程的模型 化表示现有的学习系统，往往是针对某一具体的学习活动进行模拟。近十年来， 由于基于网络的远程教育的开展，大量的教学服务是通过信息技术来提供支持， 因而对通用的学习系统元模型的研究越来越受到人们的重视。对学习过程的建模 的难点在于：由于学习过程的复杂性，是否存在一种元学习模型，利用它可以描 述不同类型的学习过程。m e r r i u 的教学事务理论、e m l 教育建模语言及学习设 计规范是关于学习系统形式化建模的研究成果之一。 1 教学事务理论( i t t ) m e r r i l l 是著名的教学设计专家，也是加涅条件学习理论的追随者，在2 0 世 纪8 0 年代提出著名的成分显示理论( c d t ，c o m p o n e m d i s p l a y t h e o f y ) 但成分显 示理论和其它教学设计理论类似，都是基于传统的师生面对面的教学环境当 m e r r i n 致力于开发计算机支持下的教学系统时，发现以前的教学设计理论都不够 精细而无法实现自动化教学设计( 教学设计专家系统) ，为此，在2 0 世纪9 0 年代 初，开始进行第二代教学设计理论的研究( i d 2 ) ，其目的是研究一套能够明确表 示知识结构和教学策略的规范，从而支持有效的教学系统和教学环境的开发。 m e r r m 领导的第二代教学设计理论称作教学事务理论( i t t ， i n s t m c t i o n a l t r a n s a c t i o nt h e o r y ) 【埔l ，它从计算机应用系统的角度分析教学系统，在该理论 中，学习的内容( 知识对象) 映射为数据，教学策略映射为算法，达到某种学习 目标而必需的教学交互活动称作一个教学事务，套用关于程序的定义；程序= 算 法+ 数据结构，教学系统软件就可以认为是：教学系统( 程序) = 教学策略( 算 法) + 知识对象( 数据结构) 。m e f r i u 领导的i d 2 研究组首先明确地将教学系统 中的活动( 应用领域) 映射到计算机系统( 解决领域) 的处理过程中，深入研究 了教学系统模型，总结了1 3 种教学事务和4 种知识对象，为自动化教学系统( 教 学专家系统) 的研究做出了开创性的工作。但m e r r i l l 领导的i d 2 研究组没有建立 起一套对教学系统的形式化描述方法，i d 2 较多的是一种设想，难以遵循。由于 i d 2 研究于2 0 世纪9 0 年代初，当时i n t e m e t 还未盛行，所以其i t t 教学模型明 显是针对单机教学软件，缺乏对通信工具( 入一入交互) 作用的描述，而现在， 人一人交互是远程学习支持中非常重要的因素。 2 i m s l d 规范 i m s 的学习设计规范是建立在荷兰开放大学的教育建模语言( e m l ) 基础上 的，e m l 是2 0 世纪9 0 年代末出现的一种用于开发高质量e 1 e 盯n i n g 应用产品的 新技术。比如用于开发e - i e a m i n g 的课程和教学仓作工具( a u t h o r i n gt o o l s ) 。在短 短的几年时间里，e m l 大量的、有效的实践使之脱颖而出。根据c e n i s s s w s i t ( 2 0 0 2 ) 对e m l s 的初步统计【1 9 】，目前已有3 0 余种e m l s 。广泛使用的有 o u n l - e m l ，p a l o ，c d f ，l m m l ，t c a c h m l ，t a r g e t e 锄，t m l n e t q u e s t 等。由荷兰 开放大学研发的o u n l e m l 最具代表性和推广性。2 0 0 3 年2 月，它被i m s 作为 学习设计( l e a m i n gd e s i g n ) 规范的基础，它整合和扩展了i m s 现有的相关规范。 以前的学习技术规范，都是以学习对象为中心，大多局限于追踪个别化学习， 仅仅允许一些简单的资源排序及学习内容的描述，并不支持多角色的协作学习和 大量教学模式的应用，缺乏对教学方法、策略、目标和教学活动的统一描述。 学习设计规范以学习活动为中心，提供了一种描述方法，说明学习者在学习 环境中，以一定的顺序进行学习活动以达到预定的学习目标，它能够模拟多角色 的教与学过程，也支持个别化的学习进程和大量在线教学模式的应用。学习设计 以一种灵活通用的语言对教学模式进行完整、抽象和方便的形式化描述，同时包 括电子邮件、讨论或者公告等特定的服务，尤其在针对学习活动的描述中，将活 动与活动的组织架构相分离，进而与角色和资源相分离，提高可重用性。遵循学 习设计规范的系统则能够理解这些描述，保证学习资源在学习活动层上的高度共 享和重用。 4 硕士学位论文 1 2 2 工作流在e - l e 踟i n g 中的应用研究现状 1 工作流技术在e - l e a r n j n g 中的应用 基于工作流的e l e a m i n g ( w o r k n o w - b 嬲e de - l e 锄i n g ) 是将工作流程同e l e 啪i n g 结合起来，着重强调利用已有的i t 基础设施，将学习流程整合到现有的工 作流程当中。利用工作流管理软件来实现对流程的管理，学习的支持是由学习管理 系统来完成。悉尼大学的j i t t 项目是基于工作流的数字化学习理念的案例该项 目为解决刚进入组织的新手，面对大量的培训内容，存在的信息过载问题提出了 一个基于工作流的实时的培训系统j 1 1 v r 。该系统中活动引擎( 工作流引擎) 由传统 工作流和教学策略两部分组成。前者通过业务流程，实现文档按工作流程及时传 递后者同学习模型一起用来根据文档同用户的相关性及重要程度来处理文档传 递的优先权【加】。 2 工作流技术应用于学习资源开发 学习资源的开发是一个典型的群体协作的过程，涉及到多种人员、多种协作活 动和大量的学习资源。并且，学习资源的开发流程比较规则。工作流技术能较好 地完成对这种群体协作过程的管理和监控，所以工作流技术在该领域的应用比较 广泛和成熟。b 姗d o n - h a l l 的研究报告中指出：提供工作流工具，管理学习内容的 开发过程，使得多个开发者，在群体环境下进行内容创建，已经是学习内容管理 系统l c m s 的一个常见功能【2 1 1 。该类研究主要集中在工作流技术管理的学习资源 的协同开发，例如c e m t 项目1 2 2 】就是利用工作流技术构建的一个网络多媒体文档 的协同编著系统。 3 工作流技术用于e l e a r n i g 支撑系统 工作流技术除了可以管理和协调学生之问，学生与老师之间的协作，监控个 体与群体的行为，还可以管理信息与知识的共享1 2 3 1 ，能显著地提高e 1 e 姗i n g 环境 的性能。工作流技术用于e l e a m i n g 支撑系统中的研究有以下项目值得关注： 1 ) f l e x - e l 项目 f l e x - e l ( f l e x i b l cc - l e a m i n g ) 项目是澳大利亚昆士兰大学计算机科学与电子 工程学院和分布式系统技术中心联合开发的。目的是提供一个结合工作流技术和 c l e 啪i n g 的柔性e l e 啪i n g 环境( f l e x e l ) i “】。f i e x e l 中工作流技术主要用来 管理学生学习与教师评价的协作式学习过程。教师开发以教程为中心的学习过程， 并可以监控学生的学习，而学生按照自己的进度进行学习。f l e x - e l 系统提供了一 个学习过程模型工具f l o w - m a k e ，用于对课程活动及相关的角色的划分与定义。 f l e x - e l 利用内置的工作流管理功能来协调学习的进度。每个课程都和一个或多个 用来定义课程活动的工作流过程模板联系在一起。学生通过选择课程过程模板来 实现按自己的学习路径进行学习吲。 2 ) t e a m 项目 t e a m ( t e 锄w o f ka p p l i c a t i o n sm a 蚰g e ) 项目是巴西p u c r i o 和l n c c 联合开 发的。他们将工作流技术、可重用学习对象( r l o ) 和w w w 技术结合，提出了工 作流管理支持的l m s 的参考模型，以期构建一个相互协作与交互的c l e a m i n g 环 境。在随后的研究中，引入了网格计算( g r i d ) 技术。使用工作流技术能有效缝提 高c l e a m i n g 环境的协作水平、重用学习对象，进而降低开发成本。网格提供了强 大计算能力，利用w 曲s e r v i c e 作为通讯基础设施，提出了一个基于工作流的学习 管理系统t e a m 。他们认为，网格计算可以提供一个整合w f m s 和e - l e 锄i n g 的合 适的基础设施。l m s 可作为构建在网格上的一种应用。t e a m 目前主要还是一个 工作流技术与学习对象相结合的l m s 。在这里，网格主要提供流程仿真需要的密 集计算的能力。对于网格环境下的基于工作流的l m s 处于预想阶段。 综上所述，这个领域以往的研究重点是对现有e l e a m i n g 系统存在的缺陷进 行分析，强调工作流技术对提高e l e a m i n g 环境的协作水平，实施多种教学模式； 强调提供一个更具有灵活性、效率更高的学习环境。但大部分研究工作集中在对 某门具体课程的应用上，主要是对工作流技术与e l e a m i n g 整合方法进行探索。对 于如何提供抽象机制去描述各类不同的学习活动，进而将学习流程的管理整合到 工作流管理系统中去，这类研究目前还很初步。 因此，研究如何将学习流程整合到现有的工作流管理系统中去，服从工作流 管理系统的统一安排、调度，具有很大的现实意义。在这种设想下，现有的工作 流管理系统是管理机构，负责各种业务流程的管理、调度，而现有的l m s 则作为 一种专业服务机构，即专门为学习流程所涉及的学习活动提供工具、资源等服务。 然而要将学习流程整合到现有的工作流管理系统中去，首先要对学习流程进行形 式化描述，只有先进行学习流程的建模，才有将学习流程整合到现有的工作流管 理系统的可能性，因此学习流程的建模具有很强的现实意义；而利用工作流网的 相关理论来保证流程模型的严密性，并实现对学习流程的有效性、正确性分析验 证，又使得本课题的研究具有一定的理论价值。 1 3 本文所做的主要工作 本文主要工作包括以下几个部分： ( 1 ) 研究将学习流程建模整合到工作流管理系统中去，提出实施学习流模型 的双层建模方案。 ( 2 ) 流程描述层将w f m c 的工作流模型x p d l 标准与学习设计规范相结合， 以x p d l 的基本元素为主，结合i m sl d 的部分领域实体，提出一种学习流模型， 给出了一种以x m l 形式描述的学习流描述语言( l f d l ：l e 啪i n g f l o wd e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 。 ( 3 ) 在流程逻辑层则采用扩展的工作流网，用工作流网的相关理论来保证流 程模型的严密性，并实现对学习流程的有效性、正确性分析验证。 ( 4 ) 为了印证所提出的基于工作流网的学习流模型的合理性和可行性，本文 6 硕士学位论文 设计并实现了一套学习流建模工具w b l f m m a k e r 。通过与其它建模方法的比 较分析，发现它既能较完整的描述学习流程。又具备良好的兼容性，同时还能保 证所建流程模型具有严格的形式化定义，支持对流程的分析与验证 1 4 论文结构 全文主要包含以下五大章节： 第一章绪论 简要介绍了e 1 e a r n i n g 技术的发展现状，分析了以学习对象 为中心向以学习活动为中心发展的研究应用趋势；分析工作流技术在e 1 e a m i n g 中的研究现状，阐述将学习流程整合于工作流管理系统中的研究切入点是对学习 流程进行建模，并要保证其与现有工作流标准的兼容性。最后，介绍了本文所做 的主要工作。 第二章标准及理论综述分析了l d 规范，阐述了l d 规范特点的优势及 其存在的缺点分析了x p d l 标准后，阐述了使用x p d l 为学习活动建模的存在 缺点，提出用扩展x p d l 为学习流建模。分析p e t r i 网的基本概念及其特点，p e t r i 网用于工作流建模的基本思想以及存在的缺点，阐述了将工作流网运用在学习流 建模中的理由。 第三章学习流模型w b l f m基于双层建模思想提出了一种学习流模型： w b l f m 。首先阐述流程描述层，提出学习流描述语言( l f d l ) ，重点介绍它的 概念模型和信息模型。在流程逻辑层给出了工作流网与l f d l 动态元素之间的映 射关系，从结构分析和性能分析两方面阐述了w b l f m 的分析方法 第四章w b l f m - m a l 【e r 的设计与实现从系统体系结构、系统组件设计、 系统文件设计、关键算法设计及界面接口设计五个方面给出了基于w b l f m 的建 模工具w b l f m m a k e r 的设计与实现。 第五章学习流建模实例及比较利用建模工具w b l f m m a k e r 完成了一 个实际学习流程的建模，并将该模型分别与基于x p d l 的工作流建模工具和基于 i m sl d 的学习设计建模工具进行比较，在此基础上分析了w b l f m m a k e r 的特 点 最后是结束语，总结本文工作，并展望下一步工作 7 2 1 引言 第2 章标准及理论综述 本文提出的学习流模型w b l f m 在流程描述层采用i m sl d 规范与x p d l 标 准相结合的方式，以x p d l 标准为主，对它进行扩展，在流程逻辑层采用的是扩 展的工作流网进行建模。本章在分析l d 规范、x p d l 标准和工作流网的理论后， 分析其优缺点，阐述了采用这种选择的原因。 2 2i m sl d 规范分析 i m s 的学习设计规范是建立在荷兰开放大学的教育建模语言基础上的，将其 作适当简化，并将其x m l 绑定规范与现有规范( i m s 内容包装规范，i m sq t i ， i m s 能力定义规范和i m s 简单序列规范等) 相兼容，学习设计规范定位为包含 这些规范的容器框架。该规范包含了三个文件：i m s 学习设计信息模型【2 “，i m s 学习设计x m l 绑定2 7 1 ，i m s 学习设计最佳实践和实现指南【2 8 】三个文档组成。 i m s 学习设计工作组的关键任务是：开发一个框架以支持教学多样性和教学革 新，同时促进e l e a m i n g 材料的交换和互操作。学习设计规范最终通过定义一 种元语言，并利用该元语言来描述在学习单元中不同的角色按照一定的顺序执行 不同的活动来进行学习设计。 通过采用元语言，一方面规范了学习设计的方法，同时由于采用规定的少量 术语( 元语言) 和规范化的描述方法( x m l 文档) ，从而实现机器可读成为可能， 导致单一解释引擎的实现。 2 2 1l d 的概念模型分析 概念模型用于描述学习设计模型中的基本概念及概念问的关系，在学习设计 规范中使用了u m l 图来表述它的概念模型。 如图2 1 所示，学习设计规范的核心概念是：无论在何种教学模式中，一个 人都会扮演一个角色( 这个角色通常是学生或者教师) ，然后根据各自的角色在 环境中进行学习活动或支持活动。同时生成活动的结果，其中环境包括适当的学 习对象和进行活动时所使用的服务。在学习设计中，角色在何时进行何种活动是 由方法或通知决定的。 l d 中主要概念描述如下： 8 硕士学位论文 圉2 1 学习设计的概念模型 1 方法( m e t h o d ) 是为了使学习者达到特定的学习目标而设计出来的一组教学方案，同时也规 定了学习者能够使用该方法的先决条件。方法的描述采用了戏剧的术语，一个方 法包含一个或多个剧本，如果含有多个剧本则各剧本并行执行；一个剧本包含一 个或多个幂，有多个幕时各幕顺序执行；一个幕又可以包含一个或多个角色分配， 如果有多个角色分配时，各个角色分配并行执行。另外，角色分配只能包含一个 角色和一个活动( 或活动结构) ，说明该角色进行的活动，这在图中没有显示出 来。 2 角色( r o i e ) 学习设计规定一个人被赋予角色后才能参与活动图中明确定义的角色有两 种：学习者和教师。其实每种角色还可以包含子角色，但是规范中没有定义子角 色名称的术语，面是让学习设计者自己命名。例如协作学习的设计方案中，可能 就会将学习者定义成各种子角色让他们分别承担。 3 活动( a c i i v i t y ) 活动是一个很重要的元素，是角色与环境的连接。它包括学习活动和支持活 动两种，学习活动是以文本或多媒体的形式说明学习者如何进行活动来达到预定 的学习目标，而支持活动规定了教学支持角色所进行的活动，以保证学习活动的 顺利进行。多个相关的活动可以组合成一个活动结构，它可以是顺序结构或者是 选择结构，前者的角色按预先定义的顺序来完成结构中不同的活动；后者的角色 可以任选一定数量的活动，这个数量是预先规定的。 9 4 环境( e n v i r o m e n t ) 环境由学习对象和服务组成。这里的学习对象是指在学习活动和支持活动中 使用的可重用的和可寻址的数字或非数字资源，例如w e b 页