（计算机科学与技术专业论文）基于web的学习导航系统的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 基于w e b 的教育作为现代教育理论指导下的全新教育模式，己得到广泛应用。然而 目前基于w e b 教学系统存在两类主要问题：首先系统的教学策略1 3 0 埽导航策略缺乏适应 性和针对性，第二，系统重用性和扩展性差，因此，有待进一步改进。 论文通过基于w e b 教学系统的现状研究，提出了个性化网络课程的开发平台基 于w e b 的学习导航系统。该平台采用构件结构，教学内容、学生行为和教学过程用领域 模型、学生模型和教学模型及导航模型刻画。该平台开发的网络课程能提供学习者适合他 们特征和需要的学习方式、学习内容和导航帮助。 论文的主要工作包括如下几方面： 1 分析了几种典型的教学系统的思想、功能、技术和结构，提出了网络课程的新构 思：集成智能导师系统的控制性、适应性超媒体教学系统的自主性和指导性【1 2 】【1 3 1 。 2 根据以上构想，提出了基于w e b 的学习导航系统及构件模型，研究完善了系统的 四个组成模型：学生模型，领域模型，教学模型【7 】f 1 1 埽口导航模型。其中，领域模型和学生 模型是领域知识和学生已有知识、学习能力的表示，开发网络课程时需将领域模型和学生 模型实例化；而教学模型和导航模型依赖于领域模型和学生模型，是实现个性化教学过程 的关键，己做成平台系统的内置机制。 3 探讨了基于领域知识的层次结构、课程排序技术和链接排序技术【1 2 】，应用有向无 环图1 3 9 】的拓扑排序等技术，课件动态生成和适应性学习路径导航关键技术。 4 应用面向对象的方法，设计并实现了该平台，并且应用此平台开发了计算机基 础网络课程，课程能为学生提供系统控制和自主控制两种学习方式、动态的超媒体课件 以及适应性学习路径导航。 基于w e b 的学习导航系统为个性化网络课程的开发提供了一个可用的平台，与当前 的网络课程相比，应用此平台开发的网络课程在个性策略和结构上有了较大的改进。论文 在个性化策略及实现技术、系统结构方面的研究对开发新的基于w e b 的教学系统具有重 要的实际意义。 关键词：学习系统，导航，教学模型，学生模型，领域模型，网络课程 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t b e i n gan e we d u c a t i o n a lm o d e lg u i d e db ym o d e r np e d a g o g i c a lt h e o r y ，w e b b a s e d e d u c a t i o nh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d b u tp r e s e n t l y , t h e r ea r et w om a i nc a t a l o g so fp r o b l e m si n w e b b a s e di n s t r u c t i o ns y s t e m s ：f i r s t ，p e d a g o g i c a ls t r a t e g y 3 0 1a n dn a v i g a t i o ns t r a t e g ya r el a c k o fa d a p t a b i l i t ya n dp e r t i n e n c y ；s e c o n d ，r e u s a b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t ya r ew e a k t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r y t oi m p r o v et h e s es y s t e m s ， i nt h i sp a p e r , t h ep r e s e n ts t a t u so fw e b - b a s e di n s t r u c t i o ns y s t e m sa r cr e s e a r c h e d ，t h r o u g h w h i c ht h ei n d i v i d u a lw e bc o u r s ed e v e l o p m e n tp l a t f o 广一w 曲- b a s e dl e a r n i n gn a v i g a t i o n s y s t e mi sb r o u g h to u t t h ep l a t f o r ma d o p t sc o m p o n e n ts t r u c t u r e t e a c h i n gm a t e r i a l s ，s t u d e n t s b e h a v i o ra n dt e a c h i n gp r o c e s sa l ec h a r a c t e r i z e db yd o m a i nm o d e l ，s t u d e n tm o d e la n d p e d a g o g i c a lm o d e l ，n a v i g a t i o nm o d e lc o r r e s p o n d i n g l y w e bc o u r s ed e v e l o p e db yt h ep l a t f o r m c a np r o v i d es t u d e n t sw i t hl e a r n i n gs t y l e ，l e a r n i n gm a t e r i a l sa n dn a v i g a t i o na i dw h i c hf i tt h e i r f e a t u r e sa n dn e e d s t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si ss u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h ed e s i g ni d e a ，f u n c t i o n s ，t e c h n i q u e sa n ds t r u c t u r e so fs e v e r a lc l a s s i c a li n s t r u c t i o n s y s t e m sa r ca n a l y z e d ，b a s e do nw h i c ht h en e ww e bc o u r s ei sc o n c e i v e d ：t oi n t e g r a t et h es y s t e m c o n t r o lo fa ni n t e l l i g e n tt u t o r ，t h es e l f - c o n t r o la n dg u i d a n c eo fa na d a p t i v eh y p e r m e d i a e d u c a t i o n a ls y s t e mi n t ow e bc o u r s e l l 2 1 1 1 3 】 2 a c c o r d i n gt o t h ef o r m e ri d e a s ，t h ew e b b a s e dl e a r n i n gn a v i g a t i o ns y s t e ma n di t s c o m p o n e n tm o d e la r ea d v a n c e d ，a n db e s i d e s ， f o u rc o m p o n e n t so ft h i ss y s t e m s t u d e n t m o d e l ，d o m a i nm o d e l ，p e d a g o g i c a lm o d e l 7 】【1 1 】a n dn a v i g a t i o nm o d e la r es t u d i e da n dp e r f e c t e d ， o fw h i c h , d o m a i nm o d e la n ds t u d e n tm o d e la r e r e p r e s e n t a t i o no fd o m a i nk n o w l e d g ea n d s t u d e n t s e x i s t i n gk n o w l e d g e ，l e a r n i n gc a p a b i l i t y t h e s et w om o d e l sn e e dt ob ei n s t a n t i a t e d w h i l ew e bc o u l e ei sb e i n gd e v e l o p e d p e d a g o g i c a lm o d e la n dn a v i g a t i o nm o d e l , w h i c hd e p e n d o nd o m a i nm o d e la n ds t u d e n tm o d e l ，a r et h ek e yf o rr e a l i z i n gi n d i v i d u a lt e a c h i n gp r o c e s s ，a n d h a v eb e e ns e ta st h es y s t e m si n t e r n a lm e c h a n i s m 3 k e yt e c h n i q u e sa b o u tc o u r s e w a r cg e n e r a t e dd y n a m i c a l l ya n da d a p t i v el e a r n i n gp a t h i ”j n a v i g a t i o n , w h i c ha r co l lt h eb a s i so ft h el f i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fd o m a i nk n o w l e d g e ， c u r r i c u l u ms e q u e n c i n gt e c h n o l o g ya n dl i n ks o r tt e c h n o l o g y l l 2 l ，a p p l y i n gt o p o l o g i c a ls o r t m e t h o df o rd i r e c t e da e y e l i n eg r a p h 3 9 ，a r ee x p l o r e d 4 f z ，p l o y i n go b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ，t h i sp l a t f o r mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，w h i c h w a st a k e nt od e v e l o pt h ew e bc o u r s eo f “c o m p u t e rb a s i s ”i tc a no f f e rs t u d e n t st w ol e a r n i n g s t y l e s - 一s y s t e lc o n t r o la n ds e r f - c o n t r o l ，d y n a m i c a lh y p e r m e d i ac o u r s e w a r ea n da d a p t i v e l e a r n i n gp a t hn a v i g a t i o n 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 w e b b a s e dl e a r n i n gn a v i g a t i o ns y s t e mc a ns u p p o r ta l la v a i l a b l ep l a t f o r mf o rd e v e l o p i n g i n d i v i d u a lw e bc o u i s e c o m p a r e dw i t he x i s t i n gw e bc o h t s c s ，t h ei n d i v i d u a ls t r a t e g ya n d s t r u c t u r eo fw e bc o u i s ed e v e l o p e do nt h i sp l a t f o r mh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y t h er e s e a r c ho n i n d i v i d u a ls t r a t e g y , r e a l i z i n gt e c h n o l o g ya n ds y s t e m ss t n l c t u r eh a ss i g n i f i c a n tp r a c t i c em e a n i n g f o rd e v e l o p i n gn e ww e b - b a s e di n s t r u c t i o ns y s t e m s k e y w o r d s ：l e a r n i n gs y s t e m ，n a y i g a t i o n p e d a g o g i c a im o d e i ，s t u d e n tm o d e i 。d o m a in m o d e i ，w e bc o u r s e 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 1 智能导师系统一般结构一1 3 图2 2 智能导师系统教学流程1 3 图2 3a h e s 一般结构图1 7 图2 4 适应性技术1 7 图3 1 基于w e b 的学习导航系统的b s 结构2 l 图3 2 学习导航系统的结构2 3 图3 3 领域模型的一般结构2 4 图3 4 领域模型的简单结构2 5 图3 5 添加教学节点的概念语义网结构图2 6 围3 6 学生模型的结构2 8 图3 7 学生模型2 9 图3 8 学生模型的建立过程3 0 图3 9 教学模型的结构_ 3 3 图3 1 0l n a s y s 的教学流程3 5 图3 1 1 导航模型结构图3 8 图4 1 教学单元关系图4 4 图4 2 学生模型中的知识状态图一4 6 图4 3 知识点语义关系图4 8 图5 1 l n a s y s 系统的u s e c a s e 框图一5 0 图5 2l n a s y s 系统类结构5 1 图5 3 用例c o u r s ee x p l o r i n g 的顺序图5 2 图5 4 用例c r e a t ec o u r s e 的顺序图5 3 图5 5 用例c r e a t ek n o w l e d g e 的顺序图5 4 图5 6 系统三层结构图5 5 图5 7 学习时教学单元的状态转换图5 6 图5 8 知识点关系库结构图5 7 图6 1 建立课程界面6 1 图6 2 输入章节内容界面6 2 图6 3 知识点建立的向导图6 2 图6 4 添加学科知识界面6 3 图6 5 教学单元学习界面6 3 图6 6 最佳学习路径导航界面6 4 第i v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1w e b b a s e di t s 系统中的排序技术 表2 2 应用排序技术和适应性技术的适应性超媒体教学系统 表2 3 基于w e b 教学系统中适应性超媒体和i t s 功能结合 表5 1 课程包功能表 表6 1 服务器硬件配置表 表6 2 客户端硬件配置表 1 5 一1 8 1 9 5 6 5 9 6 0 第v 页 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：基王坠! 的堂翌昱越丕魉塑盟壅皇塞毽 学位论文作者签名：二螽乏粒 日期：秽帅f 年午月；c ) 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：基王坠垒数堂盈昱越丞统啦盈窒生塞堡 学位论文作者签名：l 壤_ 埠 日期：莎一r 年毕月知日 作者指导教师签名： 刍 i 兰 日期：厂年年月夕驴日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 本章通过基于w e b 教学系统和教学系统开发的产品网络课程现状的研究分析，提 出了构造具有个性化教学过程设计能力的网络课程的开发平台的研究目标，并简要介绍了 为此展开的研究工作和解决的问题以及研究的成果。 1 1 研究背景 当前，世界各国对教育的发展给予了前所未有的关注，都力图在未来的信息社会中在 教育方面走在前列，为此世界各国都把信息技术教育应用作为教育发展的重要推动力。因 为在i n t e r n e t 上构建远程教育系统具有巨大优势，很多国家对此非常重视，投入了大量人 力物力。 根据国家教育部的调查研究【1 l 【射，日本文部省1 9 9 4 年制定了一项5 年计划，到1 9 9 9 年，日本公立小学两个人拥有一台计算机。到2 0 0 1 年所有的中学，2 0 0 3 年所有的小学将 全部上i n t e r n e t 网。1 9 9 6 年，美国就提出了“教育技术行动”( e d u c a t i o nt e c h n o l o g yi n i t i a t i v e ) 计划。从1 9 8 9 年开始，英国在全国所有高校中实施“计算机用于教学创新”( c o m p u t e r si n t e a c h i n gi n i t i a t i v e ，简称c n ) 的项目， 1 9 9 8 年英国又实旌“网上教育年”计划。德国教研 部组织实施“l e c t u r ef o r y e a r2 0 0 0 ”现代网络教育研究项目，支持研究2 1 世纪的课堂。 在国内，网络教育已经成为网络技术最重要的应用领域之一。1 9 9 9 年1 月1 3 日国务 院批转的面向2 1 世纪教育振兴行动计划，详细说明了面向2 1 世纪的“现代远程教育 工程”。1 9 9 9 年至2 0 0 0 年教育部投入3 6 亿元资金进行c e r n e t 的主干网提速、中央教育 电视台的频道改造、相关的课件开发以及西部地区远程教育等工作。另外还投资上亿进行 “网络教育关键技术和示范工程”的攻关。 在国家宏观政策的推动下，近年来现代远程教育的建设和发展呈现加速发展的势头。 至2 0 0 0 年夏，教育部已批准了湖南大学、清华大学、北京邮电大学、浙江大学等3 0 多所 远程教育试点单位，2 0 0 0 年就读人数已达到5 万人。截至1 9 9 9 年底，我国开展信息化教 育的中小学已达1 0 万所。2 0 0 2 年，全国有1 0 0 0 所中学建立了师范校园网，初步形成了为 中小学教育和家庭教育服务的虚拟“中小学教育教学网” 所有这些都表明，现化远程教育在国内外得到了高度的重视，具有强大的发展势头， 尤其是基于w e b 教育，更是成为了研究的热点。 1 1 1 基于w e b 教育的定义及结构模型 1 基于w e b 教育的定义及特点 1 9 9 7 年k h a n 将基于w e b 的教学定义为：“基于w e b 的教学是利用包含w w w 各种特 性和资源的超媒体教学程序来创造一种有意义的学习环境，在这种学习环境中学习得到促 进和支持f 3 1 。” 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在此我们将基于w e b 的教育定义为一种以i n t e r n e t 为传播媒介、采用网络传送的方式、 将教学内容以w e b 页面的形式呈现的教育方式，它是信息技术最新成果在现代教育学思想 的指导下对传统教育模式的革新，是一种全新的教育模式。相对于传统的课堂教育，基于 w e b 的教育许多特点和优势： ( 1 ) 极大地增强了教师和学生、学生和学生之间的交互性，打破了教师和学生、学生和 学生之间的相对孤立状态： 化1 学习的异步性：利用网络进行远距离教育，教与学不一定要在同一时间和同一地点 进行每个学员都可以根据自己的实际情况来确定学习时间、内容和进度，可随时 在网上下载相关学习内容或向老师和同学请教； ( 3 ) 学习信息的广泛性：网络同多媒体技术、虚拟现实技术相结合，可为学生提供多层 次、全方位的学习资源，可引导学生由被动式学习向主动式学习转变： ( 4 1 评价的及时性：通过网络上的电子题库和自动评价系统，可使学生及时得到有关自 己学习过程的反馈及有针对性的诊断，及时调整自己的学习。 特别地，基于w e b 教育的特点是教师与学习者在空间和时间上的分离，控制学生学习 意识的是学生自己，而不是远程的教师，学生与教师间依靠各种现代通讯手段进行不连续 的通信。 2 基于w e b 教育的结构模型 结构模型反映系统的研究对象及其相互之间的关系。基于w e b 的远程教育涉及教师、 学生和教学瓷源等基本对象，郑庆华等人【3 7 懈其定义为一个五元组； d l ：( t ，p ，r ，e ，m ) 其中d l 表示远程教育；t 表示教师；p 表示学生；r 表示教学资源；e 表示远程教育 系统所提供的教学和辅助教学环境；m 表示网上教学与学籍管理的政策、法规和方法。他 们将网络教育定义为教师t 和学生p 运用网络教育管理和协调策略m ，通过基于i p 网的 网络教学环境e ，实现教学资源r 的同步实时授课和异步按需点播学习的过程。 由此结构模型可知，网络教育包含三大基础：硬件、软件和网络教育资源。随着计算 机、网络和多媒体技术的快速发展，硬件、软件方面的优势将逐渐弱化，教育资源的优势 变得越来越重要，最终将成为决定网络教育成败的关键。而网络课程是其中非常重要的组 成部分，因此开发适用于网络教育的高质量的课程成了我国发展网络教育的一个非常重要 而迫切的课题 1 1 2 网络教学系统、网络课程、网络课件概述 进入二十世纪9 0 年代，网络技术的发展日新月异，开设网络教育己成为一个全球化 的大趋势，在开发网络教学产品的同时，出现了很多相互容易混淆的网络教学术语，如教 学系统、网络课程、网络课件等，在此，我们对这些名词进行界定。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 网络教学系统 教学系统是由相互作用着的教师、学生、内容与环境等空间结构性要素和目标、活动 与评价等时间进程性要素构成的特殊复合体【4 2 】。 网络教学系统是一整套提供远程教学服务的系统软件，它以网络课程为核心，在教学 管理系统的支持下，合理有效地利用学科教学资源，为实旖全方位的现代远程教学提供服 务。 教学系统开发的产品有视听教材、多媒体教材、网络课程、智能导师系统、集成化教 学系统等。 2 网络课程 网络课程( w e bc o u l s c ) 是用于网络教育的课程，首先，它是课程，其次它必须具有网络 的特点。网络课程是通过网络表现的某门学科的教学内容及实旅的教学活动的总和。它包 括两个组成部分：按一定的教学目标、教学策略组织起来的教学内容和网络教学支撑环境， 其中网络教学支撑环境特指支持网络教学的软件工具、教学资源以及在网络教学平台上实 施的教学活动1 4 “。 3 网络课件 课件( c o u r s e w a r e ) 指专门为进行教学活动而设计的计算机软件，包括用于控制和进行教 育活动的程序、帮助开发维护程序的文档资料以及帮助教师和学习者使用程序学习的课本 和练习册等【3 5 。网络课件，就是应用于网络环境的课件。 4 概念的区别 根据以上定义，我们可以区别网络教学系统、网络课程、网络课件这几个概念： ( 1 ) 网络课程不等于网络课件 课程与课件的出发点不同：课件是从教学活动出发，课程是从社会需求出发，但他们 的教育目标都是使学习者的认知结构发生一定的改变。课件主要是指教学内容，一般不包 括教学计划；课件把课程中所规定的教学内容、教学活动用软件的方式实现出来，但缺失 了很多课程的内涵，如社会需求分析、课程规划等，而这些缺失在教学中不能显现出来。 ( 2 ) 网络课程是网络教学系统开发的产品 教学系统包括教师、学生、教材、媒体等多个要素，而课程只包括教学内容与教学计 划两个要素，可见二者的内涵并不相同；而且前者的内涵要比后者的范围广。 网络课程是运用网络技术的硬件环境进行教学的载体，是远程教学资源的重要组成部 分，是开展远程教学的基本单元。网络课程在不实施教学活动的时候，它是基于计算机、 多媒体和网络技术，以学习为中心的某门课程的新型学习资源：当它运用于教学过程时， 它是依托网络课程教学系统的网络课程教学，是通过网络表现的某门学科的教学内容和教 学活动的总和，它承载着这门课程的教学内容，承担着教学实施教程中的教学组织、教学 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 策略、教学管理和教学评价等功能。 如上所述，网络课程是远程教学资源的重要组成部分，是教学系统开发的产品，教学 系统包含了网络课程。 1 i 3 基于w e b 教育对网络课程的要求 1 基于w e b 教育的学习模式 基于w e b 的教育采用的是个别化开放学习模式【”。这种模式不是把异地的学生集中起 来定时进行远程授课，而是给学生提供他们学习所需要的资源和支持，让他们进行个别化 学习，面向学生个人( 而不是班级) ，并为个人配备辅导教师。英国开放大学、法国国家远 程教育中心等西欧世界巨型开放大学均主要采用这种模式。研究者一般认为，个别化开放 学习模式更具有发展潜力。 2 。网络课程的开发要求 网络应用于教育领域，给人们提供了大量便捷的学习机会、丰富的教学环境和教学资 源，同时网络使教与学活动产生了时空的分离，教师不再是直接的教育者，也使学习活动 更加自主化、个性化，并且教育目标通过网络课程来实现，教学活动围绕着网络课程展开， 这样使得教育的适应性得阻大大加强。网络课程不仅要充分体现网络的这一特点，而且要 考虑到教育信息的传播方式发生了改变，并由此而产生的教育理念、教育模式、教学方法 等的极大改变。 因此网络课程的开发应体现以下特点： ( n 教学资源的开放性、共事性： ( 2 1 知识和信息传输的及时性、灵活性： ( 3 ) 教学过程的多元交互性，学习的个别性、协作性和自主性。 1 1 4 基于w e b 教学系统的现状分析 1 当前基于w e b 教学系统存在的问题 9 0 年代随着i n t e r n c t 的普及和w e b 技术的飞速发展，世界各国的大学和企业纷纷构造 网络教学系统实旖远程教学或培训，教育学理论、计算机技术等方面都得到了很大的提高。 在此期间，开发了许多的教学系统，如智能导师系统，适应性超媒体教学系统，网络课程 等，这些教学系统主要存在以下闻题【3 2 l ： ( 1 ) 学习控制策略单一 当前基于w e b 的教学系统对学习的控制方式不是采用程序控制就是采用学习者控制， 没有考虑学习者的个体差异，对所有学生同等对待。完全的教师控制无法发挥学生学习的 主动性，完全的学习者控制又会给一些学生带来学习任务管理上的困难以及学习效率低的 问题。因此在教学系统中，教学过程中的控制策略要因人而异、因教学目标而异，综合健 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 用这两种教学控制策略。 ( 2 ) 忽视教师的指导作用 众所周知，在学习过程中，教师可以根据自己的教学经验主动指导学生以防止学生盲 目学习。当前的w e b 教学系统，尤其是以建构主义理论【4 1 指导下的以学生为中心的教学系 统，出现了忽视教师指导作用的偏向。在这些系统中，教师担当的是素材编写者、作业批 改者和答疑者的角色，更多的情形是教师的指导和帮助作用只体现在课后的答疑过程中。 这种设计的结果是：学生的学习成为没有目标的盲目探索，讨论交流成为不着边际的漫谈， 意义建构变成事倍功半，花费很多时间，不得要领，甚至可能钻进牛角尖。 许多研究者们已意识到这一点，因此在加强教师的指导作用方面，进行了很多研究， 但这些研究主要集中在师生交互方式和同步通讯方面，而对在学习过程中怎样加强教师对 学生的指导却很少研究。到2 0 0 0 年，系统h y p e r c l a s s r o o m 是在学习过程中系统主动发现 异常学生并由教师实施主动帮助的唯一例子。它基于学生模型匹配技术，应用模糊机制识 别w e b 教室中的死锁学生以帮助他们摆脱困境1 1 2 】【1 6 1 。 f 3 1 系统的重用性和扩展性差 一个优秀教学系统的制作过程要涉及到多种学科知识和技能，需要各方面人才的共同 协作，比较耗费人力物力。系统开发小组一般由计算机专业人员、课程专家、教学设计人 员、美术人员、摄像人员等参与，资金投入大，技术要求高。当前国内教学系统的开发周 期长，软件和课程结合紧密，系统的教学方式仅适合于所选学科，且由于学习素材没有统 一的标准，因此造成了学习系统重复开发，浪费人力物力。另外普通学科教师虽拥有丰富 的教学经验和学科知识，但他们可能无法独立完成计算机系统的开发。 随着计算机技术的飞速发展，新的技术如面向对象技术、构件技术等的应用可以改善 软件系统的重用性和扩展性。如果将这些技术应用于教学系统开发，系统的结构可以得到 改善，教学的素材可以得到更广泛的应用，教学专家丰富的教学经验和学科知识就能够轻 松的转化成实际的教学成果，使更多的人得到更好的教育。 总之，解决当前w e b 教学系统教学策略单一和忽视教师指导作用的问题，有利于提高 学生的学习效率和教学质量。同时提高系统的重用性和扩展性，可使得教学专家丰富的教 学经验和学科知识被更多的人所用，从而全面提高教学质量。 2 国内网络课程的现状 网络课程的建设己引起我国教育部门和教育专家、学者的广泛关注，进行了大量的研 究、实践，并取得了一些阶段性的成果。目前己开发的网络课程种类繁多，涉及各个学科 领域，从网络课程的应用来看，主要有两种形式，一种是基于课堂的教学，网络课程只是 作为课堂教学的一种补充方式；另一种是网络课程作为整个教学过程的主要形式。 当前有很多网络课程都是将传统教育的课本简单的搬到网上，或加上少许的动画和多 媒体，或将课本改成超文本形式，而教学方式与传统的课堂教学方式相似，以知识传授为 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 主。这使得我国的网上教育很难摆脱传统教育的束缚，这是我国网上教育的最大缺陷。总 结起来，目前我国网络课程存在以下问题： ( 1 1 重教学内容呈现，轻学习环境设计 目前大部分网络课程仍强调“教”，强调知识的传授，浏览网校及网络学院，可以发现 其中大部分的课程都是文本教学材料或教师讲稿的简单呈现，学习者在学习时，只能被动 的接受教学内容或去讨论组发表自己的一些看法。归结到点，就是没有充分体现学习者 的主动性。 f 2 ) 教学内容的表现形式单一 目前大部分的网络课程都以网页形式呈现，这是符合网络教育特点的，然而目前大部 分的网页都以静态方式展现，其教学内容的呈现有三种方式：文本和静态图像，这种方式 相当于书本的搬家；p 0 w p e r p o i n t 讲稿，其做法是直接将教师的p o w e r p o i n t 演示 文件放到网上；主讲教师的讲课录像和讲稿同时呈现。 这些方式显然不符合学习者的认知规律，既没有对教育目标、教学对象、教学内容、 教学方法等进行设计，也没有对网络环境下的教学活动进行设计。心理学研究表明，学习 者注意力的保持不仅与材料的性质有关，还与材料的变化有关。 ( 3 ) 导航系统不强 互联网给学习者提供了丰富的超媒体资源，为学习者创造出了一种由他们自行控制的 学习环境，如果缺乏导航系统，就会使一些学习者迷航，从而降低学习的效率，久而久之， 会使学习者的信心受到影响。目前大多数课程的导航仅包括课程单元数、学时数、学习目 标、内容目录，很少帮助学习者了解自己的知识层次、学习进度和学习方法；没有记录学 习者的学习路径，学习者只能靠记忆来确定自己的学习位置，因此很容易迷失。 f 4 ) 缺少评价与反馈 评价与反馈是教学中不可或缺的环节。目前网络教学的评价方式仅限于教师对学习者 的评价( 作业和考试) ，评价的形式一般是客观题( 选择题、是非题) 和简答型的主观题，缺乏 基于案例和问题解决型的练习，学习者不能及时得到反馈信息，在一定程度上降低了学习 者的学习热情。 ( 5 1 缺乏教学活动设计 在学习过程中，学生是主体，教师则是教学过程的组织者、指导者，对学生的意义建 构过程起促进和帮助作用，并不只是提供教学材料。目前的网络课程仅限于教师的在线答 疑、师生讨论，缺少教师对学习者学习活动的关注和对讨论活动的组织、指导。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 5 构造网络课程开发平台 1 构建网络课程开发平台的意义 如上所述，当前基于w e b 的教学系统，存在两类主要问题，一是教学策略、导航策略 和教学内容没有适应性和针对性，二是系统缺乏重用性。其主要原因是当前缺少通用的个 性化网络课程的开发平台，并且在开发网上课程时，教师与课程开发脱节，教师主要负责 网上课程教材的编写工作，而网上课程的建设则是技术人员的事情，教师的教学经验和知 识得不到充分的体现。因此，开发一个通用的具有个性化教学过程设计能力的网络课程开 发平台可以改变网络课程的现状，从而促进网络教育的发展。在此我们将此平台定义为基 于w e b 的学习导航系统( w e b b a s e d l e a r n i n g n a v i g a t i o ns y s t e m ，l n a s y s ) 。 2 主要问题及解决途径 要开发此平台，我们必须解决三类问题：第一，系统采用什么教学策略和导航策略： 第二，教学和导航策略怎样实现：第三，系统采用什么结构实现个性化网络课程的开发。 为此，我们对计算机辅助教学( c a i ) 的发展历史进行了研究。在其发展过程中，c a i 逐步形成了自己的理论、概念、方法和技术，其中比较典型和成熟的技术有i t s ( 智能导师 系统) 技术和适应性超媒体技术。通过研究发现，如果将c a i 在教学思想、系统结构、实 现方法和技术方面的成果应用于此平台的开发，可以有效的帮助解决w e b 教学系统存在的 问题。 i t s 是应用灿技术，为学习者个别组织学习素材的c a i 系统，它强制学习者以精确的 方式学习并能为学习者提供直接导航。适应性超媒体系统以超媒体的形式组织学习素材，应 用适应性技术为学习者提供指导，并不强制学习者以他们所提供的素材组织和导航方式学 习。 通过研究，构造个性化网络课程开发平台存在的问题可以如下解决： ( 1 ) 对于学习控制策略单一的问题，可以应用i t s 对学习者的控制性，结合超媒体系 统的学生自主性，根据学生模型提供的学生信息，为不同认知风格【4 l 的学习者建议相应的 学习控制方式； ( 2 ) 利用适应性技术可阱为网络课程增加适应性导航； ( 3 ) 系统的领域模型、学生模型、教学方式采用领域无关设计，利于解决系统的重用 性和扩展性问题。 1 2 课题来源 2 0 0 1 年参与总参军队现代远程教育2 0 0 1 - - 2 0 1 0 年发展规划中第一批重点建设的 网络课程之计算机基础网络课程的开发，在开发的过程中，遇到了前述同样的 问题：没有可用的网络课程开发平台，因此网络课程的学习内容以静态超媒体页的形式呈 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 现，学习方式采用学生自主学习的方式，这样的教学策略当然缺乏适应性和针对性。应用 网络课程开发平台可以快速开发网络课程，因而能够满足人们对个性化网络课程的需要， 因此，开发一个个性化网络课程的开发平台对当前网络教育的发展具有促进作用。 1 3 研究目标 本课题的目标是建立一个网络课程的开发平台一一基于w e b 的学习导航系统 ( w e b - b a s e dl e a r n i n gn a v i g a t i o ns y s t e m ，l n a s y s ) 。通过对当前基于w e b 教学系统及以往c a i 系统和教育心理学的研究，提出个性化的教学和导航策略，建立系统的通用结构模型，并 应用结构模型设计并实现可定制的具有个性化学习和导航功能的系统l n a s y s ，然后 利用此平台，开发计算机基础网络课程，此课程能够提供个性化的学习方式、学习内 容和适应性导航支持。 l n a s y s 具有以下特点： ( 1 ) 遵循现代教学思想【2 9 l ：以学生为中心，充分发挥学生的积极性和创造性，强调教 师在学习过程的指导、促进作用，帮助学生而不是由教师代替学生完成对知识的意义建构。 ( 2 1 具有个性化的教学过程设计能力：首先，系统根据学生的知识将学生分为不同知 识水平等级，并依此学生选择不同难度的学习内容和编制学习素材：第二，为不同认知类 型的学生建议适合他们的教学方式：系统控制下的线性教学或系统指导下的自主探索学 习。 ( 3 ) 系统集中实现了系统控制性、学生自主性和教师指导性。 ( 4 ) 采用构件思想：系统由领域模型、学生模型、教学模型1 7 和导航模型组成。其中， 领域模型是领域知识的抽象表示，它将领域知识表示为类似语义网的逻辑和层次结构；学 生模型是学生的抽象表示，它将学生以个性特征和知识特征的结构表示，且学生知识特征 以覆盖模型( 与领域模型的教学单元粒相同) 表示：教学模型和导航模型依赖于领域模型和 学生模型，定义了个性化教学过程的实现机制，具体包括教学方法选择、教学内容组织及 导航帮助的实现，己做成了平台系统的内置机制。在课程网络开发时，需要将领域模型和 学生模型实例化。 1 4 展开的研究工作 本课题研究的总体技术思路是：在研究基于w e b 教学现状及c a i 系统的发展基础上， 综合c a i 系统在系统结构及实现技术方面的成果，提出个性化网络课程的开发平台 l n a - s y s 及其通用结构模型，并进行分析、设计和实现。 本课题的主要工作如下： ( 1 ) 了解计算机应用于教学的历史和现状，探讨现有教学系统的特点及不足，分析国 内外的各类c a i 系统的成果，在此基础上，总结教学系统的设计原则并提出新的网络课程 构思： 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 2 ) 学习研究教育心理学的相关理论，掌握各种教学策略和教学方法，探讨它们在w e b 教学中的应用方法，为开发平台选择适合w e b 教育特点的教学指导思想，并为此设计相适 应的教学流程； ( 3 ) 以智能导师系统和适应性超媒体教学系统为主要对象，研究比较各类c a d 系统在 思想、结构、技术等方面的特点和不足，建立学习导航系统的构件模型，定义各模型之间 的关系并对各组成模型进行完善； ( 4 1 研究系统实现的关键技术：i t s 技术、适应性超媒体技术、学生建模技术、领域建 模技术，动态超媒体课件生成技术，适应性学习路径导航技术等； ( 5 ) 学习研究系统开发、设计与实现的方法和技术，包括面向对象技术、数据库技术、 w e b 技术以及人工智能技术等： ( 6 ) 在学习研究和所建立的模型基础上， 并应用此平台开发计算机基础网络课程， 应用面向对象的方法，设计实现开发平台 最后验证系统的个性化学习环境。 1 。5 课题解决的问题 围绕开发平台的设计与实现，课题在教学策略和