（计算机科学与技术专业论文）网络教学系统中自适应学习机制的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院工学学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 技术的发展，网络教学已成为一种非常重要的教学手段。现阶段网络教 学系统在动态反应学生学习过程中不断变化的认知能力和知识水平、以及学生的个性差异 等方面还存在着许多不足。因此，研究和构建能够针对个体特征引导学生学习的网络教学 系统具有十分重要的意义和价值。 论文从网络教学的教学模式和“自适应学习机制”两个方面展开研究，通过分析现 有网络教学系统在交互性、适应性、针对性和智能性等方面存在的不足，设计了一个具有 白适应学习机制的网络教学模型。该模型在评价学生学习状态的基础上，推理出适应个体 特征的教学方法和教学策略，并通过智能导航算法引导学生自适应学习，并基于该自适应 教学模型实现了原型系统。该系统具备教学内容的适应性呈现能力和适应性导航能力。论 文对系统中所采用的关键技术及功能模块设计进行了详细阐述，重点探讨了知识的表示和 知识的推理。 系统突出的特点是利用知识推理技术实现教学内容和教学策略的控制，使得教学内容 的表现和呈现次序具有自适应性，能够针对学习者实现个性化的指导。 主题词：网络教学，自适应学习，教学策略，知识表示，评价，推理 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r a c tt e c h n o l o g y ，t h ew e b - b a s e de d u c a t i o nh a sb e c o m ea k i n d o fe x t r e m e l yi m p o r t a n tt e a c h i n gm e t h o d h o w e v e r ，a tp r e s e n ts t a g e i ts t i l lh a sm a n y i n s u f f i c i e n c i e si nc o n s t a n t l yr e s p o n d i n gt h eu n c e a s i n gc h a n g e so ft h ec o g n i t i v ea b i l i t ya n dt h e i n d i v i d u a ld i f f e r e n c eo ft h es t u d e n ti nt h el e a r n i n gp r o c e s s s oi th a st h ee x t r e m e l yv i t a l s i g n i f i c a n c ea n dt h ev a l u et or e s e a r c ha n db u i l daw e b b a s e de d u c a t i o ns y s t e mt h a tc a r lg u i d e l e a r n i n gf o rs t u d e n ta c c o r d i n g t ot h ei n d i v i d u a lc h a r a c t e r i s t i c t h ep a p e rc a r r i e so u tt h er e s e a r c hi nt w oa s p e c t sa sw e b b a s e de d u c a t i o nm o d e la n d a d a p t i v el e a r n i n gm e c h a n i s m t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n s u f f i c i e n c yo ft h ee x i s t i n g w e b - b a s e d e d u c a t i o ns y s t e mi nt h ei n t e r a c t i o n ，a d a p t a t i o n ，a i m ，a n dt h ei n t e l l i g e n c e t h ew r i t e rd e s i g n e da m o d e lo fa d a p t i v et o r t u r i n gs y s t e m b a s e do nl e a r n i n g e v a l u a t i o n ，t h i sm o d e lc a ni n f e r e n c e t e a c h i n gm e t h o da n dt e a c h i n gs t r a t e g yt oa d a p ts t u d e n t sc h a r a c t e r i s t i c ，g u i d ea d a p t i v el e a r n i n g w i t ha r i t h m e t i co fi n t e l l i g e n c en a v i g a t i o n ，i m p l e m e n tap r o t o t y p eo fa d a p t i v et o r t u r i n gs y s t e m ( a t si ns h o r t ) a t sp r e l i m i n a r yr e a l i z e dt h ea d a p t w ep e r f o r m a n c ei nt h ec o k n 苫e w a r ec o n t e n t a n da d a p t i v en a v i g a t i o n t h ep a p e rh a sg i v e nam i n u t ed e s c r i p t i o nt oc m c i a lt e c h n o l o g ya n d d e s i g no f f u n c t i o nm o d u l ei na t s a t t h es a m et i m ei ts p e c i a l l yd i s c u s s e dt h er e p r e s e n t a t i o na n d i n f e r e n c eo f k n o w l e d g e t h ep r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i co fa t si su t i l i z i n gk n o w l e d g ei n f e r e n c et e c h n o l o g yt or e a l i z e t h ec o n t r o lt ot h et e a c h i n gm e t h o da n dt e a c h i n gs t r a t e g y ，i tc a u s e dt h es e q u e n c eo fp e r f o r m a n c e a n dr e p r e s e n t a t i o no ft e a c h i n gc o n t e n tt oh a v ea d a p t a t i o n , a n dc o u l dr e a l i z et h es p e c i a l i n s t r u c t i o na c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts t u d e n t k e yw o r d s ：w e b b a s e de d u c a t i o n ，a d a p t i v el e a r n i n g ，t e a c h i n gs t r a t e g y ，j ( 1 1 0 w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ，e v a l u a t i o n ，i n f e r e n c e 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 表目录 表1 1 教学系统发展阶段2 表1 2 典型的i t s 系统3 表1 3 网络教学和传统教学的比较和区别5 表4 1 学生测试成绩表2 5 表4 2 成绩对比表2 5 表6 1 学生学习表4 8 表6 。2 认知能力评价结果4 9 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 图目录 图2 1 自适应学习模型1 1 图3 1 基本网元1 6 图3 2 语义网络表示1 7 图3 3 教学知识层次模型1 8 图3 4 教学知识分层模型用例示意图1 8 图5 1 正向推理算法示意图2 9 图5 2 广度优先搜索过程框图3 0 图5 3 深度优先搜索过程框图3 2 图6 1a t s 功能模块结构图3 6 图6 2a t s 系统框架结构3 9 图6 3 系统代理类结构图4 2 图6 4 获取教学资源操作顺序图4 2 图6 5 整体工作流程图4 4 图6 6 学生模块流程图4 5 图6 7 教学模块流程图4 6 图6 8 诊断模块流程图4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师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，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：圆终熬堂丞统生自适廑堂翌扭劐数盈壅当塞盈 学位论文作者签名：! 壹查 日期：捌年z 月；一日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将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汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 豳釜筮堂歪统生宜适应堂互扭匏鲍盈窒圭塞趣 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 鲎! 垩 浮每阜 日期：圳年z 月；一日 日期：j 一6 年6 月，d 日 垦堕型堂垫垄盔堂堑茎生堕三堂堂垡丝奎 第一章绪论 随着网络技术的飞速发展，网络在教育中的应用越来越广泛，网络教学日益 成为一种非常重要的教学方式。它以互联网作为传输信息的载体，为学生的学习 创建了广阔自由的环境，提供了丰富的资源，拓延了教学时空的维度，是网络和 多媒体技术相结合的一种新型教育技术。 网络应用所具有的分布式特点和强大的交互性为自适应学习提供了技术的可 行性。但从目前的网络教学系统所发挥的作用来看，网络教学所提供的学习环境 还属于低质量的自适应学习。系统对学生的学习过程还不能有效地控制，对学习 效果不能准确地评估，不能根据学生个体动态地调整学习内容和进度，无法满足 自适应学习的基本需要。因此，如何构建一个具有自适应学习能力的网络教学系 统，以实现最优的学习，是当前网络教育研究的一个重要问题。 1 1 课题的研究背景 1 1 1 教学系统的发展回顾 自第一台计算机出现以来，计算机专家和教育专家就在研究将计算机应用于 教学领域，提高教育的质量，于是计算机辅助教学( c a d 应运而生，计算机成为 了一种教学工具。教师先利用计算机设计课件，然后对教学过程中的知识点进行 演示，这样可以使知识易于直观表现和理解。但在这种状态下的教学，仅仅是把 计算机当作教学辅助手段来加以应用，实际上并没有引起传统教学模式的变革f l 】。 直到互联网诞生以后，多媒体技术和虚拟现实技术造就了虚拟学校的产生，才真 正改变了传统的教学模式和教学环境。虚拟学校成为实施远程教学的教育机构， 是通过网络表现的某门学科的教学内容及实施的教学活动的总和。 回顾5 0 多年来教学系统的发展历程，可以将它划分为五个主要阶段，如表1 1 所示。如今计算机技术已经给教育领域带来了翻天覆地的变化。特别是近几年来， 随着i n t e m e t 的飞速发展，给教学系统的发展带来了新的生机，出现了大量基于网 络的教学系统( 以下称为网络教学系统) 。它使学习者不受时间、地点的限制， 很好地实现了实时和非实时信息交互的远程学习支持。i n t e m e t 中的网上教学、资 源共享、实时交互、超媒体等技术将给网络教学及传统教育带来新的变革1 2 1 。 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 表1 1 教学系统发展阶段 琦间、”? 藤发? 4 。1 誓”9 ：7 7 t 9 7 ”。? 概“誓”况；”。”j “： 线性程序学生可以根据程序提供的一系列步骤逐渐接近自己的学 5 0 年代 l i n e a rp r o g r a m s 习目标。 分支程序 学生可以在一定程度上决定学习的路径，从而可以有限 6 0 年代地自主选择一未知的、有用的内容进行学习，为个别化 b r a n c h i n gp r o g r a m s 教学提供了可能。 生成系统实现了教学材料自动生成，即由计算机生成问题及其解 7 0 年代 g e n e r a t i v ep r o g r a m 答，并对学生的回答做出有限的评价。 智能教学系统将人工智能技术引入教学系统，实现一个教与学的活动 8 0 年代 i t s 环境，使系统可以模仿人的部分智能行为。 基于多种媒体的人机交互、工业领域复杂过程的模拟、 多媒体智能教学系统 视频教学的出现等，使得人们对计算机教学的研究思路 9 0 年代 发生了变化。这一时期，多媒体技术、认知理论的发展， g l t s 以及关于学习过程的研究成果都对计算机化教学做出了 较大的贡献。 1 1 2 智能型网络教学系统的国内外发展状况 国外对智能型网络教学系统的研究较多，最为活跃的是美国。此外，欧洲、 日本、加拿大等国家也纷纷投入人力、物力和财力从事智能型网络教学的研究。 研究工作主要在大学和军方进行，美国一些知名的大学如：s t a n f o r d 、m i t 、 m e m p h i s 、c a m e g i e - - m e l l o n 、j o h n s - - h o p k i n s 、c a l i f o m i a 等都在进行这方面的研 究工作，开发出了一些智能相对较高的应用网络教学软件，建立了内容丰富的智 能化教育网站。美国国家科学基金会( n s f ) 资助总数达o 2 2 5 亿美元基金，用以 进行人类学习和创造性学习的智能系统( l e a r n i n ga n di n t e l l i g e n c e ) 的研究。 m e m p h i s 大学历时1 5 年开发完成的t u t o r 系统，借助于a i 、认知科学和复杂系统 的研究成果，能够实现不同学科的教学。该系统能够对学生的问题作出适当反应， 并进行提示和暗示。t u t o r 不通过多项选择就能够根据对问题的键入和口头反应进 行决策，还可以对可能产生的语法或语义不正确的语言进行解释等。表1 2 是历史 上一些典型的智能化的教学系统i 引。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 表i 2 典型的i t s 系统 i t s 名称肾”! 二交发苦i “：”。并发时间”2 教学领域一5 “ ” 关键i t s 技术 | fm”， 女 s c h o l a rc a r b o n e l l1 9 7 0地理学自然语言对话处理 w h ys t e v e n s ，c 0 l l i n s1 9 7 7 气象学对话教学 s o p h i e职o w n ，b u r t o n1 9 7 7电子学自然语言接口，黑箱法 w u s o rg o l d s t e i n1 9 7 9 游戏策略覆盖体系结构 g u i d o nc l a n c e y1 9 8 1 传染病学专家系统，白箱法 w e s t 叫r t o n1 9 8 1 游戏策略基于范例的教学、教练 b u g g yr o w n 。v a n l e i n1 9 8 2 算术不正确知识表示 d e 叫g g yb u r t o n ，v a n l e h n1 9 8 2算术 离线对话 s t e a m e rs t e v e n s ，h o l l a n 1 9 8 3 海军锅炉设计模式，智力模型 l m ss l e 洲1 9 8 4 几何学错误产生式规则 m e n 0w l f1 9 8 4气象学 编程对话管理 p r o u s t j o h n s o n 1 9 8 4 编程技术意图诊断 a c t pa n d e r s o n1 9 8 4 l i s p 语言辅导认知建模 s i e r r an l 阴n 1 9 8 7 算术错误描述 s h e r l o c kl e s g o l d ，l ( a t z1 9 9 1 电子学认知学生模型 我国智能辅助教学系统的研究起步较晚，开始的研究工作主要集中在少数大 学和研究机构里断续进行，且多为研究和演示用的系统，经过严格评测的很少。 近年来，随着i n t e r a c t 技术、多媒体技术和a i 技术的发展，很多的高校、科研机 构和一些计算机公司也都开始投入到i t s 的研发中来。 2 0 0 0 年我国教育部颁布了现代远程教育资源建设技术规范( 试行) 【4 1 ， 规范中提出远程教学平台应该具备自适应学习能力，即具有教学内容的动态适应 机制、动态导航机制和动态构建机制，协作式的问题解决机制以及自适应学习策 略选择机制。目前投入使用的上海交大网上答疑系统，它采用智能匹配和模糊模 式识别技术，对学生所提出的问题进行搜索并解答。如没有合适解答，系统将自 动把问题反馈给相应的教师、助教或专家，由教师亲自为同学答疑解惑。系统还 可以对学生在网上的学习行为进行监控、统计与分析，并据此提供合理化的学习 建议，力求做到真正的个性化学习。 1 1 3 当前网络教学系统面临的主要问题 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 目前我国的网络教育还处在起步阶段，网络教育平台的建设与理想之间还有 一定差距嘲。网络教学在迅速发展的背后也还面插着许多新的闯题，其中最主要的 就是远程教育的教学质量难以保障，集中体现在网络教学系统在以下几个方面存 在不足： ( 1 ) 缺乏动态组织教学内容的能力 现有的网络教学系统设计时只能根据历史的经验，将学习的对象分成几个类 别，并且仅仅根据这些类别粗略地设计个别化教学，不可能随时根据学生对问题 反应的实际水平去生成适合于学习者的练习或指导，因而不能真正地做到因材施 教。 ( 2 ) 缺乏决策能力 只能解决当前的问题，而面对下一步应给予怎样最为合适的指导，就无能为 力了，即只能由教师按照事先安排的学习路径进行控制。 ( 3 ) 缺乏应变能力 使用固定的教学模式、策略来设计教学过程，即一旦设计好教学模式和策略， 教学过程就无法改变。因此，系统缺乏按当前学生情况决定相应教学策略的应变 能力。 ( 4 ) 缺乏出错的诊断能力 由于系统无理解课件教学内容的能力，因而对学生的错误反应不能指示出错 的原因，并且对出错的下一步措施很难给出准确的诊断和合适的学习路径。 分析以上这些问题，其主要原因是网络教学和传统教学在教学方式上存在很 大的差异，如表1 3 所剥卅。在课堂教学的过程中，教师具有观察力、分析能力、 判断力，这使得他( 她) 们能够针对不同学生做出不同的反应。而在网络教学中， 由于系统替代了教师的大部分工作，因此它还应该具备教师的“思维、判断、推 理”能力。只有网络教学系统具有了这些智能的特性，才能根据学生的反馈信息 做出一些合理的判断和推理，以此来提高教学系统的适应性和针对性。在真正意 义上实现以学生为主体的自适应学习，更加有效地控制教学过程，确保远程教育 的教学质量。 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 表1 3 网络教学和传统教学的比较和区别 带嘲鹳8 。嘏p ， 嗡强 “+ * 。一二t 、一 淤 传统教学方式。网络教学方式”： ；比较内容、。 。 + 口“ 。；i ”i 。”一 教学地域性同一地点( 教室)教学地点分散 时间性同一时间( 同步)同步或异步 参加学习人数受限制不受限制 学习主体以教师为中心以学生为主体 学习空间班级封闭系统无限、开放系统 授课方式 固定时间上课不受时间的限制 知识接受方式被动接受知识主动接受知识 教材呈现 印刷课本，课件展示 图、文、声、视频等多媒体信息 教学进度控制教师控制 按学习者的实际情况控制学习过程 学习内容 教学大纲 动态生成，适合学习个体 学习途径堕一多元化 学习范围局限于知识的传授较广泛 学习评价体现静态的学习结果 $ 反映动态的学习过程 办学效率 低 高 学习方向教师控制 学习者自己控制 注：做 标记的为现有网络教学系统未实现的 1 2 课题的主要工作 目前国内的网络教学平台不能完全实现因材施教。其原因归纳起来主要表现 在缺乏推理机制和学生模型的支持，因此它不能根据学生的知识水平、认知特点 和理解能力去提供合适学生学习的材料，并做出针对性的指导。本论文从网络教 学的应用出发，将自适应学习机制的理论引入网络教学，给出了一个基于w e b 技 术的网络教学平台的设计方案，并介绍了实现该教学平台采用的关键技术。 概括起来，本课题主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 研究了自适应学习的相关理论，并结合国内外一些典型的适应性系统的 设计思想，构建了一个以学生“学”为主的自适应网络教学模型。 ( 2 ) 在研究推理技术和搜索策略的基础上，提出了采用基于广度优先的知识 点枝剪算法和基于深度优先的知识点遍历算法，来对知识点进行选取和对知识网 络进行遍历。设计了一个智能导航算法实现动态调整教学内容和教学序列，最大 程度上实现自适应教学。 ( 3 ) 在研究认知能力理论的基础上，提出采用模糊变换的方法构造一个评价 模型，分别对学生个体和群体进行认知能力和知识水平的评价。评价结果作为推 理的依据，成为教学策略和教学方法选择的前提条件。 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 原型。 ( 4 ) 基于j 2 e e 技术和s t r u t s 架构，设计并实现了一个自适应网络教学系统 1 3 论文的结构 本文从网络教学系统的教学模式和“自适应学习机制”两个方面展开研究。 通过分析现有各类网络教学系统的特点，尝试将“自适应学习机制”引入到网络 教学中来，实现了一个具有自适应学习能力的网络教学系统原型。它能够针对个 体特征进行有效地控制学习过程，真正体现“因材施教”。 全文共分六章，结构和内容安排如下： 第一章绪论，介绍了教学系统发展的历程以及国内外的发展现状，分析了目 前网络教学系统面临的主要问题。简单地介绍了课题的主要工作。 第二章自适应学习概述，介绍了自适应学习相关概念和研究现状。通过对自 适应学习理论的研究并结合对典型自适应学习系统的分析，提出了课题自适应设 计目标。 第三章知识表示，介绍了系统中知识的两级表示法，即教学内容采用语义网 络表示法，教学规则采用产生式的表示法。重点阐述了采用知识分层模型表示教 学知识之间的内在联系及采用产生式的表示方法描述系统中的评价规则、教学方 法规则和教学策略规则。 第四章学习评价，介绍了系统采用线性变换和模糊变换来构建一个评价模 型，实现对学生个体和群体的认知能力及知识水平能力的评价。 第五章知识推理，介绍了系统中采用的正向推理技术和搜索策略，并设计了 一个智能导航算法。 第六章a t s 的设计与实现，介绍了系统的用户需求及功能结构设计。详细论 述了采用m v c 模式设计a t s 三层结构的过程。描述了系统整体的工作流程及主 要模块的工作流程，并给出一个学习实例对系统进行测试。 第七章总结与展望，总结了全文所做的研究工作，并指出下一步的工作方向。 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 第二章自适应学习概述 自适应学习是学习者在网络教学平台的支持下，借助智能化的推理机制对大 量知识进行选择、判断和处理。在自适应学习过程中，系统能够动态生成符合学 习者个性特征的学习内容，使学习过程更具有针对性和适应性，更加符合学习者 的认知能力和学习需求。 2 1 相关概念 自适应学习就是在教师辅导和帮助下，学生在自适应学习系统中，自主地通 过与系统中的自适应测验、教学策略、教学方法、学习评估等各子系统之间的交 互，不断地获取并分析反馈信息，选择最适合自己的学习内容和学习方式，及时 地控制和调整学习过程，以达到适应个体的最优化的学习目标。 l 、个别化的学习 自适应学习更充分体现了个别化学习所体现的一种全新的理念体系。 在基于网络的自适应学习过程中，就是让网络学习内容适应每个学习者，是 完全个别化学习实现的基本要求。它包含两个方面的含义： 要有全面的学习内容供学习者选择，并要以多种方式呈现。 要求学习内容及其结构方式适应学习者进行个别化的学习，使学习者学习 不被固定的学习内容所束缚。学习者以个性要求、个性特征加入到学习群体之中， 具备自主学习和主动学习的能力。 2 、个性化的学习 自适应学习面向全体学习者，因材施教、公平对待，并强调个性的培养，从 个体发展的内部动力机制方面引导每一位学习者得到自主充分的个性化发展。 在基于网络的自适应性学习中，学习者所具有个体特征要在其学习过程的选 择上得以充分体现，即学习者可以根据自己的需求、能力、兴趣，自主地选择、 调整学习的目标、时间步骤、学习方式等，以实现个性化学习。 3 、自我监控的学习 自适应学习实质上就是学习者的自我控制和自我调节的学习，即自我监控的 学习。这种自我监控主要是借助反馈系统实现有效控制，它是为达到预定的目标， 将自身作为正在进行的实践活动过程的对象，不断地对其进行调节的过程，是个 体自我发展和自我实现的基本前提和根本保证，贯穿于自适应学习的所有活动之 中。 在基于网络的自适应学习过程中，学习主体要根据自我需要、行为绩效和外 界反应，自主地调整并确定学习目标、学习内容、学习方式，监控学习活动进行 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 的过程，并不断获取和分析反馈信息，及时调节学习的方法和手段，以获得适应 自己的最优化的个性学习。 在自适应性学习过程中，系统要充分地考虑到教学行为的个性化与学习行为 的个人化特征，提供满足学习者个性需求的教学内容和教学方式。因此，自适应 学习特征的分析和研究是构建自适应教学系统的关键。总体来说，自适应学习主 要具有以下的特征【s 】： 1 、是一种基于资源的学习 教学资源可以适应各种学习者的需要和背景进行不同的组合，也就是教学内 容的组织和呈现要与个别特征相适应。整个学习的过程是在领域知识空间中探索 及与他人协调学习的过程。 2 、学生采用主动的学习方式 学生成为了教学的主体，能够在教学系统的辅助下，自行控制学习的整个过 程，对自己的学习行为全部负责。教师作为学习的指导者、建议者、帮助者，他 主要的工作是规划教学目标、学习的辅导和咨询、教学资源的提供以及学习环境 的创建与维护。他可以作为学生的学习伙伴，与学生进行平等的讨论、交流，实 现对学生有针对性的帮助、辅导。 3 、探索式建构知识 学生通过在适应性教学环境中的探索和交互来建构自己的知识。从而进行有 效的学习，而不是主要通过教师的讲授或操练来进行学习。学生在教学环境中探 索和交互时，不仅要掌握所学的知识，更重要的是要掌握学习的方法，也就是要 进行元认知技能的训练。同时也强调知识运用能力以及与他人合作的能力。 4 、以个性化、人性化为核心特征 对个别学生来说，他的学习过程完全是个性化的，包括学习的进程、探索知 识空间的路径、学习过程中所得到的反馈信息等等。在适应性学习过程中，学生 是一个具有个性特征的学习个体，其个性在学习过程中得以充分的体现。可以说， 学生所学的知识是自己定做的产品，而不是教学工业生产线印制的众多相同产品。 5 、学习必须得到快速的反馈 在自适应学习的过程中，学习者之间的交流与讨论可以让学习者从不同角度 去认识所学的知识，丰富自己的认知结构，而且相互之间的协作，对学习热情和 积极性等方面也有良好的促进作用。因此，学习环境中具有良好的反馈系统，有 利于帮助学生做出正确的判断和决策，提高自适应学习的效率。 6 、需要高级的数字化技术及智能技术的支持 自适应性学习对教学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。这必然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。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 从上面所列自适应性学习的基本特征来看，它在本质上突破了传统学习的内 涵，它是一种全新的学习理念与学习方式，将是今后远距离教育模式发展的主要 趋势。 2 2 自适应学习的研究现状 自适应性学习研究与系统的开发，国外正处于研究热潮之中，美国国家标准 与技术委员会高技术研究项目( 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 y a d v a n c e dt e c h n o l o g yp r o g r a m ) 9 8 年资助研究的主题就是“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 ) ，共资助了十几个相关研究，投入研究资金数千万美 元。该项目研究的主要目标是 7 1 ：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最为广泛的普及，又能较 好地满足个别学习者的需求。 目前在国内，研究基于w e b 的教学系统的热潮正在兴起，但对适应个别学习 者需求的适应性教学系统的研究还是比较薄弱。 2 2 1 典型的自适应学习系统 自适应性学习系统的核心特征是提供适合个别需求的学习内容与学习环境。 它客观上要求打破教育测量、智能辅助教学及学习环境支持等方面的不连贯之处， 便测试与课程学习区分不再那么清楚，测试变得很自然，学习与计算机及通信网 络更加紧密结合。自7 0 年代以来，典型的自适应学习系统主要由如下几种。 l 、分时交互式计算机控制电视广播 美国自然科学基金在1 9 7 0 年资助研制了分时交互式计算机控制电视广播 ( t i c c i t ) 。它主要是利用计算机辅助自适应测试技术作为主要手段，试图提供 自适应教学。t i c c i t 将学习课程划分若干有层次性的单元，最顶层是课程图 ( c o u r s em a p ) ，下层是单元图( u n i tm a p ) ，每一单元都是一个系统课程，每一 课程又包括有层次结构的几个部分，每一部分涵盖单一教学目标。每一课都有一 些练习题，并将其分成简单、适中、较难三种，每一教学目标都根据g a n g e 的成 分显示理论来确定的。当学生掌握了某一课程的所有目标，就可以做这一课程的 测验。测验采用自适应的测验方法，即所有学生以不同的速度测验不同的内容。 t i c c i t 还能追踪每一个学生的进度，提供状态信息。随时让学生了解自己的进步 情况，每周还给教师提供其个人的学习总结报告。 2 、基于知识空间的超链接适应性超媒体系统 美国的v a s s i l e v a 于1 9 9 4 年提出了一种适应性超媒体系统，它可以控制新用户 合理的使用知识空间的超链接。这个系统将知识结构定义成层次性的网状超文本 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 结构，但它对用户的开放是逐步的，它能自动适应新用户和熟练用户的导航要求， 根据用户逐步增加的认知能力而适应性的扩大用户所浏览的范围，这是一个适应 性的、自我扩充的系统。 v a s s i l e v a 将它应用于一个医院的教学系统中，它将针对特定任务的领域知识 按一套固定的教学目标划分，并通过超文本链接、目标与主题链接、目标与层次 链接组织成网状的超媒体结构。通过跟踪并分析用户所执行的任务来更新用户的 认知模型，并以此为据提供适应性的导航浏览。 3 、基于用户模板适应性超媒体系统 瑞典计算机科学研究所和斯德哥尔摩大学( k a r i g r e n 等，1 9 9 4 ) 正在全国范围 内开展适应性超媒体的应用项目。该项目的核心采用基于用户模板的适应性搜索 和过滤技术。系统可以适应性地将不同用户归结到不同的知识模板中，提供给用 户最合适其特征的知识。知识模板通过观察典型的用户群体和对用户进行调查等 方式获得。采用知识模板简化复杂知识空间的构建，但也削弱了其适应的强度。 因此，它只能提供一些初级的适应性。 4 、以学生为中心的适应性超媒体学习系统 m a t h e 和c h e n ( 1 9 9 4 ) 研制了一个以学生为中心的适应性超媒体学习系统， 其适应过程的主要依据是学生在学习过程中所提供的适应信息。系统通过对话框 要求学生指明他所感兴趣的学习主题。并以此为依据，为学生的个人配置文件提 供不同的适应性。对相关的信息组织，也不必严格采用超文本结构，它不反映专 家对学生的评价，而是反映学生对相关材料发表的独立意见。系统将根据学生的 喜好做出选择，适应性地提出探索知识空间的建议。此系统不采用知识模板的方 式，而采用超文本的知识空间结构。系统的主要特点是学生根据自己的需求做出 学习内容的选择。但一般来说，学生对陌生的知识没有评价的能力，因而他的选 择并不总是对的，他要求在学习知识之前对该知识有一个大致了解。 5 、基于网络的智能学习与测验评估系统 台湾的黄国祯等于1 9 9 6 年研制了一个基于网络智能学习与测验评估系统 ( i t e s ) ，其主要功能有：允许群体测验或学生自我测验；辅助教师配置试题， 教师可以选择测验的内容，确定试题的难度、区分度，考试时间等组卷参数，通 过网络自动组成测验试卷：提供学生有关测验的评估与建议。系统不仅能提供正 确答案以供参考，而且能对测验结果进行分析，并有针对性地提出学习建议；提 供相互讨论的支持工具，学生可以通过系统提供的讨论组与其他在线的学生讨论， 通过讨论来加深对学习内容的理解。这个系统是一个初级的学习系统，但有一些 突破。首先，它集成了支持学习策略的工具其次，它利用i n t e m e t 网络使潜在的 学习群体扩大，并具有异步学习的特点。最后，它能对学生进行诊断，并能够根 据诊断结果提供给学生学习的建议。但这个系统不能称之为完整适应性学习系统。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 因为它侧重于测试，对学习支持考虑过少。 6 、虚拟学习社区的智能网络教学支撑平台 首都师范大学虚拟学习社区的智能网络教学支撑平台是一种基于网络的智能 教学系统。它可以实现由虚拟教师来指导学习者的学习，同时还可以主动推理学 习者的学习状态，推荐适合学习者学习特征的学习材料，以及帮助教师了解学生 的学习成绩、学生的认知过程和学习难点等，帮助每一位学生进行自主学习。它 是目前国内外能最好的体现学生自主学习、协作学习的网络教学环境支撑平台。 如今，它已经在北京市9 所不同层次的、具有代表性的中学实验推行并在此基 础上，承担了完成对北京市1 9 个区县1 2 0 0 名骨干教师和网管员的教育信息化技 能的一级培训工作。 2 2 2 主流自适应学习模型 自适应学习是现代教学系统中的一个新领域，它打破了传统学习的群体结构， 是一种充分地考虑学习者行为、特征的一个完全个性化的学习过程。现有主流的 自适应学习模型如图2 1 所示，它的关键环节是：学习诊断、教学内容的动态组织、 教学模式的选择 9 1 。 图2 1自适应学习模型 第l l 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 l 、学习诊断 学习诊断就是利用一些经过测量理论定制的测试练习题对学生进行测试，并 根据学生的反应情况来估测学生能力以及领域知识的掌握程度。它是系统对学习 内容进行动态组织的重要依据，它可以发生在学习开始、学习过程中或学习结束。 ( 1 ) 学习开始时测试 可以了解学生原有知识水平和认知水平，并结合学生学习过程中的历史记录， 对学生的知识水平和能力进行估测，从而根据估测结果为学习者组织、呈现与其 能力最为合适的学习内容，并给出相应的学习建议。 ( 2 ) 学习过程中进行测试( 针对性测试) 为学生发现薄弱环节并进行巩固性练习提供依据，而且练习与测试也是一种 学习手段。 ( 3 ) 学习结束时进行测试 主要是对学生学习结果的成就性检测，检测学生是否达到预期教学目标。若 已经达到，则建议学生终止学习或开始新一轮学习过程；若未达到相应的教学目 标，则建议学生进行学习补偿。 在适应性学习的过程中，学习诊断是至关重要的一环。因为它是适应性教学 系统了解学生能力、认知能力的重要依据。没有这个依据，系统根本无法了解个 别学生的学习需求，也就更谈不上适合学生要求的适应性学习了。因此，对学生 的学习诊断测试应该具有非常严格要求的，尽可能以最少的测试内容诊断出学生 的真实能力，而且在不同环境、不同时间内所诊断的结论是一致的。 2 、教学内容 教学内容的适应性呈现是指适应性教学系统根据学习诊断的结果以及学生的 学习历史记录，动态的组织呈现与学习者当前学习能力最相关的教学内容【i 叭。它 有两个含义： ( 1 ) 教学内容的选择 系统根据学习历史记录和能力估计，选择学生没有掌握或是没有学习过的教 学内容，这些内容是与当前学生能力最相接近的。教学内容的选择与组织以认知 单元为最小单元。一个认知单元就是教学目标中所规定的最小知识点，针对这个 小知识点所展开的教学内容称之为一个认知单元。每个学习阶段，可以选择一个 或几个认知单元。 ( 2 ) 教学内容的组织 系统将根据对学生估测的能力和学生的认知能力，选择最适合学习者的内容 呈现方式。在适应性教学系统中，每个认知单元的教学展开都有几种形式，有些 详细、有些简略；有些具体、有些抽象；另外，提供给学生的相关辅助材料，练 习试题都各不相同。教学内容的组织，主要以超媒体的方式进行，差别主要体现 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 在链接的层次和链接的单元上，它将根据不同能力的学生而有所不同【l “。教学内 容的动态组织，需要四个方面的支持： 对学生掌握知识能力的诊断； 对学生知识水平、认识风格与认识能力的表征； 根据学生的认知风格和学习能力不同而以不同的方式组织认知单元； 根据学生个体差别有针对性的选择教学方法，其核心内容是教学内容的组 织方式【2 1 。 3 、教学模式 教学模式是针对学生个性特点所采取的不同教学方法。同一个学生在不同时 期内所采用的教学方法可以是不同的，甚至同一学生在学习同一内容时，也可以 采取多种教学方法，各种方法各有特色，可互为补充。一般常用的三种教学模式 是传授式、探索式和协作式【l3 1 。 ( 1 ) 传授式 在我们传统教学过程中，最经典的教学模式是以教师为主，教师讲学生听， 这是一种单向沟通的教学方法。在自适应性教学系统中，同样可以实施这种传授 式教学模式，即学生通过聆听教师( 视频、音频等) 对教学内容的讲解，或者阅 读教师准备的教学材料进行学习。当学生在学习过程中遇到疑难问题时，可通过 话音网络或双向视频网络与教师进行实时交互，也可以通过电子邮件来进行异步 的交互。 ( 2 ) 探索式 在这种教学模式中，学生要解决自适应性教学系统专门为学生设计好的学科 问题。因此，系统要提供大量的、与问题相关的信息资源供学生在解决问题的过 程中查阅。另外，还设有专家负责对学生学习过程中疑难问题提供帮助，即给予 学生适当的启发或提示。这种教学模式彻底改变了传统教学过程中学生被动接受 知识的状态，而使学生处于积极主动的地位。因而，这种教学模式能够有效地激 发学生的学习兴趣和创造性。 探索教学模式要求学习系统具有四个基本要素，即问题、资料、提示和反馈。 将这四个要素组织和衔接好，便能在简单的技术背景下，达到良好的教学效果。 在教学系统中，实施这种教学模式要注意的一点就是，应防止学生产生过强的挫 折感。为此要有比较敏感的反馈系统，以便及时给予学生帮助。 ( 3 ) 协作式 协作学习与个别化学习相比，有利于促进学生高级认知能力的发展，有利于 学生健康情感的形成，因而受到广大教育工作者的普遍关注。在适应性教学系统 中，协作学习是指利用计算机网络以及多媒体等相关技术，由多个学习者针对同 一学习内容彼此交互与合作，以达到对教学内容较深刻的理解与掌握的过程。其 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院工学学位论文 基本的协作式策略有四种：竞争、协同、伙伴与角色扮演。 2 3 课题的自适应性设计目标 根据对自适应学习理论和国内外典型自适应学习系统成果的研究，结合目前 国内网络教学系统的现状，我们认为将自适应学习引入到网络教学系统中会对网 络教学产生重大的影响。于是设想构造一个自适应网络教学系统( a d a p t i v e t o r t u r i n gs y s t e m ，缩写a t s ) ，它能够根据学习者的认知能力和知识水平，动态 调整学习的内容和进度，最大程度保证学习者实现自适应学习。具体来说，a t s 要 体现自适应学习就应具备以下几个方面的特征： ( 1 ) 能够激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性、主动性和不断地提高学 生的认知能力。 ( 2 ) 能够跟踪学生的学习过程，记录学生的动态信息。 ( 3 ) 能够从知识库中选择相应的学习资源，动态生成最为合适学生个体特征 的学习内容。