（计算机软件与理论专业论文）基于笔交互的协同概念构图系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 概念图是一种简单高效的信息加工和呈现方法。现今，概念图作为知识组织 和表示的工具，被广泛应用在教学领域。随着网络和信息技术的发展，计算机支 持的协同学习( c s c l ) 在计算机支持的协同工作( c s c w ) 基础上，将协作学习融入 其中，成为一种有效的学习手段，越来越受到人们的重视。因此，开发支持网络 环境下的群体通过概念图进行协同学习的系统，可以满足c s c l 环境下的群体进行 协同信息加工的需求。现有协同概念构图系统的主要问题在于两个方面：其一是 在建模上缺乏对模糊信息的支持，不适合群体在协同构图阶段稍纵即逝想法的表 达；其二是在交互方式上缺乏自然性，设计者的思路常常会被频繁的菜单选择、 按钮操作和键盘命令输入所打断，影响了设计意图的自然流露，不能很好地支持 协同构图过程。本文以建立一个实时协作、交互自然、高效实用的协同概念构图 系统为目标，主要进行了以下工作： 1 、从国内外协同概念构图系统研究现状出发，深入分析它们在概念构图过 程中存在的问题，提出将笔式用户界面交互隐喻引入到协同概念构图系统。 2 、通过分析概念图设计任务和交互特点，结合手势设计和手势识别技术， 设计实现了一个笔式概念图工具。该工具不仅能够对概念图图元识别，而且还支 持用户使用一些惯用的手势命令对概念图进行编辑。 3 、面向协同概念构图过程，在分布式认知理论和以用户为中心的设计思想 指导下，提出了一个符合认知特点的协作用户界面设计模型。在此基础上，实现 了一个基于笔交互的协同概念构图系统。该系统建立起多用户之间的图形数据和 交谈感知能力，满足了协同学习系统中协同感知的需要。 实验证明，本文所开发的原型系统，不但具有接近自然的笔交互功能，而 且符合人们视、听、说的自然交互习惯，对于一些试图改善协同工作环境的系 统开发具有借鉴意义。 关键词：c s c l ；概念图；笔式用户界面；手势；分布式认知 本文受到国家8 6 3 高技术项目( 2 0 0 6 a a 0 1 2 3 2 8 ) 和中科院计算机科学国家重点实验室 开放基金( s y s k f 0 7 0 4 ) 资助 a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fap e n - b a s e dc o l l a b o r a t i v e c o n c e p tm a p p i n gs y s t e m 一一一一 一 a b s t r a c t c o n c e p tm 印i sac o n v e n i e n t ，e f f e c t i v ea p p r o a c ht oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n d p r e s e n t a t i o n n o w a d a y s ，嬲t h et o o lf o rk n o w l e d g eo r g a n i z a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n ， c o n c e p tm 印h a sb e e na l r e a d yw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fe d u c a t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c s c lh a sb e e nc o m b i n e dt h e c o l l a b o r a t i v el e a r n i n gb a s e do nt h et h e o r yo fc o m p u t e rs u p p o r tc o l l a b o r a t i v ew o r k ( c s c w ) ，w h i c hb e c o m e sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ho fl e a m i n ga n do b t a i n st h ea t t e n t i o n f r o mm o r ea n dm o r ep e o p l e t h e r e f o r e ，i no r d e rt om e e tt h ed e m a n dt h a tt h eg r o u p u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fc s c l g o e so nt h ec o l l a b o r a t i v ep r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o n ， 、 i t i sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h ec o l l a b o r a t i v ec o n c e p tm a p p i n gs y s t e mw h i c hc a n s u p p o r tt h eg r o u pt oe d i tt h ec o n c e p tm 印c o l l a b o r a t i v e l y t h em a i np r o b l e mo ft h ec u r r e n tc o l l a b o r a t i v ec o n c e p tm a p p i n g s y s t e ml i e si n t w oa s p e c t s ：o n ei ss h o r to fs u p p o r t i n gt h ef u z z yi n f o r m a t i o n s o ，i ti sn o ts u i t a b l ef o r t h eg r o u pt oe x p r e s st h e i ri d e a si nc o n c e p tm a p p i n gs t a g e t h eo t h e ri sl a c ko fn a t u r a l i n t e r a c t i v em o d e ，b e c a u s et h ei d e ao fd e s i g n e r si so f t e ni n t e r r u p t e db yf r e q u e n tc h o i c e o fm e n u ，o p e r a t i o no nb u t t o na n dk e y b o a r di n p u to fw o r d s t h i sp a p e ri sa i m e dt o d e v e l o pac o l l a b o r a t i v ec o n c e p tm a p p i n gs y s t e m ，w h i c hc a ns u p p o r tn a t u r a l ，e f f i c i e n t a n dr e a l t i m ei n t e r a c t i o n 1 b e g i n n i n gf r o mt h ep r e s e n tr e s e a r c hb a c k g r o u n do fc o l l a b o r a t i v ec o n c e p t m a p p i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，b ya n a l y z i n gd e e p l yt h ei s s u e si nc o n c e p tm a p d e s i g np r o c e s s ，t h ea u t h o rp r o p o s e st h ea p p l i c a t i o no fp e n b a s e du s e ri n t e r f a c e s m e t a p h o rt ot h ec o l l a b o r a t i v ec o n c e p tm a p p i n gs y s t e m 2 b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n c e p tm a pd e s i g nt a s k ，c o m b i n i n gt h e g e s t u r ei n t e r a c t i o nt e c h n i q u ei nt h i sp a p e r ，ap e n b a s e dc o n c e p tm a pt o o l i s i i d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h et o o lc a nn o to n l yr e c o g n i z et h eg e o m e t r yo fa c o n c e p tm a p ，b u ta l s os u p p o r tu s e r st oe d i ti tb ys o m ec o m m o nc o m m a n dg e s t u r e s 3 u n d e rt h eg u i d a n c eo fd i s t r i b u t e dc o g n i t i o na n du s e r - c e n t e r e dd e s i g n m e t h o d o l o g y , t h ed e s i g nm o d e lo fac o l l a b o r a t i v eu s e ri n t e r f a c e si sp u t f o r w a r d ，w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t hh u m a n sc o g n i t i o n o nt h i sb a s i s ，ap e n - b a s e d c o l l a b o r a t i o nc o n c e p tm a p p i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e d t h es y s t e mh a se f f e c t i v e l y i n t e g r a t e dp e ni n t e r a c t i v et e c h n o l o g yi n t ot h ec o l l a b o r a t i o nc o n c e p tm a p p i n gs y s t e m ， w h i c hh a se s t a b l i s h e dt h ec a p a b i l i t i e so fg r a p h i ca n dc o m m u n i c a t i o na w a r e n e s s ，a n d f u l f i l l e dt h en e e do fc o l l a b o r a t i o na w a r e n e s so fc o l l a b o r a t i v el e a m i n g t h ee x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a tt h ep r o t o t y p es y s t e mi sn o to n l yc l o s et on a t u r a l i n t e r a c t i o n , b u ta l s oi si na c c o r dw i t ht h ei n t e r a c t i v eh a b i t sf o rw a t c h i n g ，l i s t e n i n g a n ds p e a k i n g s o ，i ti sm e a n i n g f u lf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mw h i c ha t t e m p t s t oi m p r o v ec o l l a b o r a t i o nw o r ke n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：c s c l ；c o n c e p tm a p ；p e n - b a s e du s e ri n t e r f a c e ；g e s t u r e ；d i s t r i b u t e d c o i t i o n i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权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。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北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。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 墓篷 指导教师签名： 垡蒸= 学位论文作者签名： ，盎：颦 指导教师签名： 善冱= 知孵年f 月) g 日c ：哪年g 月，百日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明；所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北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。 学位论文作者虢森哥、 2 耐年多月馏目 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论弟一旱珀下匕 概念图( c o n c e p tm a p ) 是美国c o m e l l 大学的n o v a k 根据a u s u b e l 有意义学 习理论提出的一种教学技术【1 】。它由表示概念的节点和表示概念与概念之间关系 的连接线段组成，是一种能形象表达概念之间关系的图形技术。概念图在很多领 域中都有广泛的应用。因为它具有清晰反映概念层次关系、体现知识系统的特点， 所以非常适合在协作学习中使用。计算机和通信技术相融合产生的计算机网络， 大大缩小了时间和空间对人类活动的限制，有效地促进了人类社会群体间有目的 交互和协作，进一步扩大了信息技术的应用领域。在这样一种社会和技术背景下， 计算机支持的协同工作应运而生。计算机支持的协同工作 ( c o m p u t e r - s u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v e w o r k ，c s c w ) 是指利用多媒体计算机技术 和通信技术建立的一个协作工作环境，在此环境中，处于不同地域的一个群体为 实现共同的目标而快速高效的完成任务【2 】。计算机支持的协同学习 ( c o m p u t e r - s u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v e l e a r n i n g ，c s c l ) 在c s c w 的基础上，将协 作学习等方面的教育理论融入其中，成为一个研究领域，越来越受到人们的重视。 它突破了时间和空间的限制，使多个学习者在网络构成的协同学习环境进行学 习，以共同达到对学习内容的理解和掌握。 协同概念构图在概念图和c s c l 相互作用的基础上发展起来，是概念图应用 于协作学习的重要形式。c s c l 环境下的群体能够通过有效的合作机制，积极参 与到利用概念图进行的协作学习中，在学习的过程中，既能做出自己的贡献，又 能体现出小组协作的效果。在国内外，已经有一些协同概念构图软件供我们使用。 但是，它们大都基于桌面隐喻，使用w i m p ( w i n d o w ，i c o n ，m e n u ，p o i n td e v i c e ) 范式的界面，这对于群体构图来说在建模和交互方式上都存在一定不足。因此， 我们有必要开发一套自然、高效、实用的计算机支持的协同概念构图系统，满足 c s c l 环境下群体协作构建概念图的需要。 从计算机诞生之时，人机交互的研究就已经开始，经过了几十年发展，已经 取得了重大的成果。在传统软件系统中，人们需要按照机器的方式去操作，这显 第一章绪论 然是不合适的。随着人机交互学科理论和技术的不断发展，越来越多的研究者认 为，人应该成为人机系统的中心，未来的机器应该按照人的习惯和爱好决定自己 的工作方式【3 】。交互式系统的发展趋势也逐渐从“以机器为中心”，转移到“以人 为中心”、人机和谐交互”上来。新一代用户界面和交互方式的发展将是建立“人 机和谐”的交互环境，通过不断增加交互系统的灵活性，减轻人们在交互过程中 的认知负担，使得用户与系统的交互更加有效。笔式用户界面的出现使人们有了 一种“返朴归真”的感觉。首先，人同计算机之间的交互方式不再模拟桌面环境， 而是模拟人在纸笔环境下进行交互。在这种交互环境下，笔易于控制，使用方便， 而且这种交互方式也符合人们长期以来形成的工作习惯。其次，在笔式用户界面 中，人们追求的是一种自然、隐式的交互方式，用户同计算机交互时关注的是交 互任务本身，而不是如何来执行交互任务，这种方式能极大地提高人机交互的效 率。因此，笔式交互( p e n - b a s e di n t e r a c t i o n ) 正以其自然、高效、表达能力强等 特点成为新一代人机交互的核心之一。 本文从国内外协同概念构图系统研究现状出发，通过深入分析它们在概念构 图过程中存在的问题，提出将笔式用户界面交互隐喻引入到协同概念构图系统， 设计实现了一个符合认知特点的基于笔交互的协同概念构图系统。该系统解决了 多人协同工作中协同感知问题，同时又符合人们视、听、说、写的自然交互习惯， 对于概念图在我国的推广应用和一些试图改善协同工作环境的系统开发具有一 定意义。 1 2 研究的现状及不足 今天的计算正在逐步成为一种无处不在的现象，计算机不再是那种封闭的单 主机设备。相反，各种基于计算机的系统已经出现在人们日常工作和生活中。 无处不在的计算使用户正在或已经将其作为一种工具，用于执行、简化或支持他 们的任务。为此，用户必须与计算机通信他们的任务需求。一个可用的计算机系 统必须对用户的交互提供方便、有效、令人满意的支持。在这里，一个系统的可 用性可被广义地理解为“易于使用”( e a s y t ou s e ) ，即使用时不再引起用户的注意。 一个可用的系统应使得用户能够集中在其任务上，无须准备和过多地学习( r e a d y 2 第一章绪论 t ou s e ) 工具的使用。计算机支持的协同通信同样也不例外。协同通信需要多用 户共享外部表示。该外部表示既是思维表达的介质，又是他人学习和理解的媒介， 其形式和内容是影响可用性的重要因素。虽然计算机工具克服了传统工具无法对 信息进行处理的问题，但引入的新问题是其交互范式和采用的隐喻无法满足人们 进行思维交流的需要。基于桌面隐喻的范式源于文件管理隐喻，其目的在于信息 管理而并非通信。 目前，在一些国家已经开展了协同概念构图方面的研究，但是在国内对这方 面的研究还比较少，还没有正式可用的系统| o 下面所举的例子均是近年来国内外 开展研究的协同概念构图软件系统。 由希腊政府部分资助的m o d e l sc r e a t o r 是一个支持不同模式表达的学习环 境，整合了包括概念图在内的多种动态模型，可以满足多种学科交叉建模的要求， 它不仅可以作为单机学习环境，也可以通过同步或者异步的交互作为协作建模的 环境【4 1 。 在m o d e l sc r e a t o r 基础上，由i s t 部分资助研发了m o d e l l i n gs p a c e 5 1 。该软 件可以对科学思想、情景、概念作多媒体的描述，允许设计、测试、检验模型， 提供了多种构建工具及支持学生协作的功能。另外，它还提供特殊的教师支持工 具，帮助老师管理与学生的交互，分析交互的内容。 日本茨城大学人文学院的合作概念图软件系统，提供了快速选择概念，标签 模板、删除操作等快速操作的功能，而且能够通过不同的鼠标标志和颜色区分出 不同的学习者【6 1 。 台湾资讯教育研究所邱琼慧教授等研究的合作概念图系统，在基本的概念图 制作界面中加入了实时交流的功能，提供了快速输入和在线文本聊天的功能。 香港浸会大学研究的合作概念图系统，为了加强协作功能，根据协作学习的 原理，增添了视频等功能。除此之外还增加了资源库和概念库，给学生提供了更 多的参考案例【7 1 。 通过研究发现这些协同概念构图系统主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 交互方式不自然，效率低下。它们大多都是基于桌面隐喻的图形用户 界面，采用鼠标和键盘作为输入方式。学习者在学习过程中思路就常常会被频繁 的菜单选择、按钮操作和键盘输入命令打断，使其无法专心思考，而且对于那些 3 第一章绪论 不熟悉这种交互方式的人来说，需要花费大量的时间去学习它。这些都不利于概 念图的推广和应用。 ( 2 ) 缺乏对模糊信息的支持。概念图在c s c l 中既是一种学习的策略，又 是一种表达思想的载体。用户在协同交流的过程中，需要的是简单轻松地记录下 他们对于图形的构想，并不需要指定所画图形的尺寸。现有的协同概念构图系统， 要求用户绘图时输入的是精确信息，这样就需要用户将模糊信息转化成精确信息 才能绘制，不利于学习效率的提高。 ( 3 ) 缺乏对协同构图过程的支持。用户在协同构图、交流的过程中，每一 个细节都可能激发其进一步的思考，促使其灵感的产生。现有的协同概念构图软 件只能在用户对所绘制对象形成比较清晰的概念时使用，只是用户阶段性成果的 记录工具，不能提供对整个构图过程的支持。 ( 4 ) 对于共享信息的实时协同操作支持不够，过分注重了“以机器为中心”。 我们倡导的计算机支持的协同交流系统应当是“以人为中心”。只有给学习者提供 较大的自由度，符合人们看、听、说、写的自然交互习惯，才能使处于不同地点 进行协同学习活动的学习者实时地感知到其他学习者的状态和活动，使他们的操 作能够通过网络传输在其他学习者的界面上得以再现，从而实现_ 致性和协同 性。 ( 5 ) 现有的协同概念构图系统虽然完善了概念图制作和协作等功能，但是 关于学习者如何进行概念建构，如何进行多样性的讨论，使用什么样的协作机制 等方面的研究很少。目前的协同概念构图系统，对于概念图的制作一般都是采用 “轮流构图”方式，即学生轮流控制鼠标来操作概念图，但是效果并不是很好。每 个学习者都直接在概念图上发表意见，很容易导致学习者总体思维的混乱。 1 3 本文主要工作 通过以上分析可以看出，现有的协同概念构图系统在实际应用性和可用性等 方面都存在不足。对于以上几个主要问题的思考与解决正是本课题研究意义所 在。本文旨在研究实现一个实时协作、交互自然、高效实用的协同概念构图系统 ( c o l l a b o r a t i v ec o n c e p tm a p p i n gs y s t e m ，c c m s 卜基于笔交互的协同概念构图 4 第一章绪论 系统，简称基于笔交互的c c m s 系统。本文工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过研究概念图的含义和作用，以及目前c s c l 所面临的问题，将概 念图和协同学习结合起来，建立了一种新的、适合于学习者交流合作的学习策略 - 协同概念构图。 ( 2 ) 通过对协同概念构图任务特点的分析，将笔交互技术引入到协同概念 构图中，使学习者更加自然、有效地进行交互。 ( 3 ) 通过对手势设计原则和手势识别算法的研究，在中科院p i b g 工具箱 的基础上，设计实现了一个笔式概念图工具。该工具不但能够对概念图图元对象 进行识别，而且还支持用户使用一套高效、易记的手势编辑概念图。 ( 4 ) 面向协同概念构图过程，在分布式认知理论和以用户为中心的设计思 想指导下，提出了一个符合认知特点的协作用户界面设计模型。进而，在单机版 笔式概念构图的基础上，设计开发了一个基于笔交互的c c m s 系统，该系统初步 解决了多人协同工作中协同感知问题，且符合人们日常生活中视、说、听、写的 自然交互习惯。 ( 5 ) 基于笔交互的c c m s 系统采用“组长主持”和“轮流构图”相结合的协作 机制。对于某个主题概念图的构建，由组长主持，j 、组进行讨论，共同协商，针 对个人不同意见，组员轮流构图。这样，不但能够体现小组成员间的和谐协作， 更能够体现小组整体水平。 本文课题来源于国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划项目“虚拟现实中的多通道 融合技术( 2 0 0 3 a a 4 1 1 3 3 0 ) ”。本文研究力求从以上几个方面完成，但是由于该项 目受到人员、时间和研究水平等因素的限制，无法做到将各方面内容都深入展开 并在原型系统中实践，只是在维持整个理论研究体系的基础上，尽可能的将更多 内容结合到原型系统中。 1 4 本文的组织 本文共分为七章来描述主要研究内容： 第一章绪论 介绍了本文研究背景、研究意义和现有协同概念构图系统研究现状及不足， 5 第一章绪论 给出了本文所做工作和组织结构。 第二章相关理论及技术研究 首先介绍了协同概念构图的理论基础：概念图和c s c l ，然后阐述了概念图 和c s c l 结合的意义。最后介绍了笔式用户界面的相关理论和笔式用户界面下的 交互技术。 第三章基于笔交互的c c m s 系统的设计方法和理论框架 给出了基于笔交互的c c m s 系统的设计方法和理论框架：以用户为中心的 交互式设计方法和分布式认知理论。 第四章基于笔交互的c c m s 系统的分析与设计 通过对基于笔交互的c c m s 系统的目标分析，给出了系统的体系架构、功 能组成、交互方式和工作流程。 第五章基于笔交互的c c m s 系统的实现 首先详细叙述了基于笔交互的c c m s 系统实现的基础笔式概念图工具 的技术实现，并通过用户评估实验分析了其可用性。然后详细介绍了基于笔交互 的c c m s 系统各功能模块的设计与实现。 第六章基于笔交互的c c m s 系统的实验 模拟学习小组举行一次实时协同概念构图交流会议，验证了基于笔交互的 c c m s 系统的实用性。 第七章结束语 主要讲述论文的工作成果及以后工作的展望。 1 5 本章小结 本章介绍了本文研究课题的背景、研究意义和协同概念构图系统的研究现状 及不足，给出了论文所做的主要工作和组织结构。 6 第二章相关理论及技术研究 2 1 概念图 第二章相关理论及技术研究 概念图最早是在6 0 年代由美国康奈尔大学的n o v a k 教授根据奥苏贝尔的有 意义学习理论提出的一种教学技术。随后，概念图被运用于教学中，并取得了较 好的效果。目前，概念图已成为西方国家科学课程教与学中探讨的一个热点。 2 1 1 概念图的含义和组成 概念图又被称为概念构图或者概念地图，通常是将某一主题的有关概念置于 圆圈或方框中，然后再通过连线将相关的概念和命题连接，这样就形成了关于该 主题的概念网络。通过这个网络可以形象地说明概念之间的关系，从而表征学习 者对于特定概念的理解。概念图作为一个图表，由四个要素组成：概念、命题、 交叉连接和层级结构。概念是指某一领域中，因具有共同特征而被组织在一起的 特定事物，是被感知到的事物的规则属性，通常有特定的名称和符号。命题是一 个有意义、有真假值的句子，是对事物现象、结构和规则的陈述。在概念图中， 一个命题是由两个概念和连接两个概念之间的关系共同组成的。交叉连接表示不 伺知识领域概念之间的相互关系。层次结构是概念的展现方式。一般情况下，一 般性的、概念性较强的概念置于概念图的项层，而从属于它的概念在该概念之下。 如图2 1 所示是一个关于蒸发的概念图【8 】。 图2 1 关于蒸发的概念图咖 7 第二章相关理论及技术研究 2 1 2 概念图的作用 概念图是一种促进知识建构的学习策略。概念图与人类认知结构中表征、组 织、贮存知识的方式吻合，是一种有层次的意义网络。概念图以逻辑的方式去组 织信息，能形象地展示和说明概念的含义以及概念间的意义连接，而且图形本身 比文字、语言更具有形象性，运用概念图能够有效地改变学生的学习认知方式， 使学生不是靠死记硬背来处理新学概念，而是通过分析概念之间的关系，来加以 理解与记忆。建构主义认为要进行有意义的学习就要将新学习的知识和旧知识建 立联系，通过同化和顺化过程实现认知结构的发展。制作概念图可以把这个过程 清晰地展现出来，使学生看到概念之间的联系。绘制一个概念图就相当于经历一 次头脑风暴。学习者可以在制图过程中形成一种自己的认知、组织模式。这种模 式通过视觉的形式来表征知识，有利于学习者把握某个知识领域的全貌，将新旧 知识联系起来，融会贯通。研究表明，经常绘制概念图或者观看概念图的学生， 在知识保持时间、知识面、思维活跃等方面都要比没有进行过概念图方面训练的 学生表现出色。 概念图是一种评价的工具。因为概念图最初的目的就是测试学生已经具备的 知识，所以概念图可以作为一种评价的工具，通过它可以检测出学生的知识结构 以及学生对知识间相互关系的理解情况。理想的办法是，我们可以给学生一系列 他们学过的相关概念，让他们就这些概念来制作概念图。学生绘制的概念图可以 表达出他们正确的或错误的理解。通过概念图可以清楚被学生误解的概念，可以 揭示出哪些学生理解了概念的意义，哪些学生还没有理解，进而就可以根据不同 情况给学生提出不足和建设性的建议。 概念图是一种教与学的策略。概念图作为一种教的策略，可以帮助学习者建 立起新学习的知识和旧知识之间的联系，有效地改变学生的认知方式。在教学中， 使用概念图进行交流，可以很直观、清楚地了解对方的主要观点。如果师生共同 制作概念图，可以形成良好的师生关系，有助于切实提高教师的教学效果。概念 图作为一种学的策略，能够促进学生有意义的学习，有助于培养学生的逻辑思维 和创造性思维，使学生在正确理解的基础上建立整合的、结构化的知识，能够形 象、直观地展现概念间的内在关系。 第二章相关理论及技术研究 2 2 计算机支持的协同学习( c s c l ) 计算机支持的协同学习( c s c l ) 在继承了c s c w 的理论和技术的基础上发 展起来，是一种有效的学习手段，是c s c w 观念和技术在教育领域的一种应用。 下面将从c s c w 与c s c l 的区别和c s c l 的特点两方面对c s c l 进行介绍。 2 2 1c s o w 与c s c l i n t e r a c t 的建立大大加速了信息技术向纵深发展，传统单一信息媒体的信息 交互方式已远远无法满足信息时代人们的需求，信息共享和人与人之间的合作越 来越重要。在这样的一种社会和技术背景下，计算机支持的协同工作( c s c w ) 应运而生。与传统软件系统不同的是，c s c w 突破了传统的计算机应用概念，为 时空上相互隔离的人们提供了面对面和你见即我见的多媒体协同工作环境，向人 们提供了一种全新的交流与工作模式。c s c w 体现并符合信息时代人们工作的群 体性、交互性、分布性和协同性特征。多年来，随着研究的深入和广泛的应用， c s c w 已经为全球的工业，企业带来了巨大的效益。正因为如此，其研究也日益 成为信息技术领域研究的热点之一。 c s c l 是指利用计算机网络以及多媒体等相关技术，多个学习者针对同一学 习内容彼此交互和协作，以达到对学习内容深刻理解和掌握的目的。在计算机支 持的协作学习环境里，分布在不同地理位置的学习者在讨论、协作、交流的基础 上进行协作学习，不但极大促进了学习的社会化，而且加强了协作性，提高了协 作的效率。 c s c w 与c s c l 相比，c s c w 是c s c l 的理论基础，c s c l 中许多理论和 工具均是最初出现在c s c w 领域中，c s c w 相对于c s c l 更加成熟，因此c s c l 需要从c s c w 的研究领域不断借鉴。c s c l 和c s c w 最明显的区别是二者的目 的不同，c s c w 的目的是促进群体沟通、提高工作效率；c s c l 的目的是帮助和支 持学生有效地协作学习。c s c w 支持协作的意图是完成一个共同的目标，在该过 程中学习也可以作为一个结果发生，但这种学习是偶发的，没有明确的教学目标。 而作为通过c s c l 进行的小组协作，其目标就是学会【9 】o 9 第二章相关理论及技术研究 2 2 2c s c l 的特点 c s c l 是计算机支持的协同工作( c s c w ) 和协同学习( c l ) 两种理论与方 法相结合的产物。协同学习( c l ) 是一种通过小组团队的形式组织学生进行学 习的策略。c s c l 是c l 的一个子集，包含着协作学习的相关理念。在c s c l 中， 学习者可能身处不同的地域，需要通过计算机网络进行沟通和交流，以此来完成 共同的学习目标。一个c s c l 要解决的是如何让学习者进行必要的交互以及如何 在交互的基础上进一步实现协作学习的问题。因此，c s c l 系统应具有交互性和 协作性的特点1 0 1 。 ( 1 ) 交互性 协作小组学习的过程中，要顺利完成学习任务，成员之间需要进行基本的交 互，并避免、解决冲突。在c s c l 中，具有多种交互形式，包括面对面、文字、 图像、视频媒体和程序软件等，保证了学习者之间进行有效协作必要的交互。 计算机及网络作为一种交流媒介，它不像空气那样整个是透明的，而是在不 透明中分布着透明的通道，无论是学生与学生还是学生与教师进行交谈或者“书 写”交流，都是连接不同交互通道的过程。这就意味着c s c l 环境下的交互具有 间接性、片面性。在学习者面对面交流时，首先，处于同一立体空间里，“你见 即我见”，“我见即你见”；其次，一举手一抬足不仅能产生微妙的体会，同时对 对方的言行和周围环境的影响也是“尽收眼底”。尽管现有的c s c l 系统支持工作 空间共享，努力实现“你见即我见”，“你见即我想你见”，实现一个节点对公共工 作空间信息的变动也能在其他节点上反映出来，但是在调动学习者的情感、思维、 感官而全身心投入方面仍有待进一步探讨。另外，在多人交互的c s c l 中，如何 克服以计算机屏幕的有限视区展现现实视域空间中无限内涵的极大困难，也是 c s c l 研究的重要课题。尽管c s c l 的交互是间接的，但是它也具有一些面对面 交互所无法达到的效果。例如匿名交互效果，公共交互的私有通道等。 利用c s c l 的交互性，在设计人人交互界面时必须根据学习者的偏好和协 作活动的需要，为协作者提供随之变化的交互工具和交互命令集，并选择适合于 协作者交互活动的界面呈现形式，为充分发挥交互性和协作性创造条件。 ( 2 ) 协作性 l o 第二章相关理论及技术研究 c s c l 的交互是实现最终协作学习的必要条件，要使学习者产生协作学习 行为，必须提供协作的机制，例如，支持共享信息，支持共享活动，提供角色扮 演，支持学习者的创造行为等等。总而言之，在c s c l 中，协作质量的不断提高， 需要各个个体积极创建共享知识。只有通过集体努力，才能使协作小组摆脱困难， 使协作小组及个人共同获得成功。r o s e h d l e 认为这是一种协作技术，其目的是 建立共同的观察、经历和理解方式。实质上，协作技术要解决的问题是采用何种 方法使协作学习的成员共同体产生有意义的认知和技能，使共同体发生转变，进 而改变共同体中的各个成员。目前c s c l 中经常采用的协作有模拟情景、设置问 题、事例等，这些协作技术与计算机相关技术有机的融合起来，共同提供协作的 必要条件，以实现有效协作。 2 3 概念图和c s c l 结合的意义 c s c l 目的是支持和帮助学习者有效的学习，它的目标是学会，所以学习 能否成功取决于能不能发挥每个学习者的主动性，使每个学习者都能够积极地参 与n d , 组团体中去。传统的c s c l 系统存在以下不足： ( 1 ) 一些交互工具，如b b s 等，使学习者“只见树木，不见森林”，缺乏一 些科学手段来对那些零碎、分散的观点进行归类整理。 ( 2 ) 在小组讨论的时候，每个人阐述自己的观点时，不可避免地产生矛盾 和冲突，缺乏一种可以协调学习者不同观点的工具。 ( 3 ) 交互是异步，缺乏实时的效果，学习者的学习积极性无法充分发挥。 ( 4 ) 缺乏良好的评价方法，不能很好对学习者掌握的知识进行及时地反馈。 针对这些问题，可以通过协作组织概念图的方式进行学习。首先，概念图作 为一种知识可视化的工具，可以协调学习者之间不同观点，相对准确地提取知识 的关键点和知识之间的关系，来提高大家对知识的共同理解和认识。其次，概念 图作为一种学习评价的工具，可以反馈出学习者对知识的掌握情况。 计算机支持的协作学习( c s c l ) 已成为网络学习、远程学习的有效模式。 根据协同学习的特点，学习者的学习内容和学习目标是共同的，在同一个架构中 绘制，可以减少单个学习者的工作量和复杂度，而且学习者的学习方式是互助的， 第二章相关理论及技术研究 每个人根据自己对知识的理解提炼发表观点，对目标概念图进行补充、修正和完 善，可以克服个人理解上的片面性和局限性。 因此，协同概念构图的过程体现了一个学习小组协作理解问题的过程，它集 体之所长，补个人之所缺，使整个协作学习过程通过有效的组织达到完美的组合。 这种独特的过程不但能够提高学习者有意义学习、合作、创造等能力，而且还体 现出多人协作的成果。 2 4 笔式用户界面 从计算机诞生之时，人机交互的研究就已经开始，经过几十年的发展，已经 取得重大的成果。随着计算机技术的进步和用户需求的日益提高，用户界面是计 算机科学一个不可回避的问题。用户界面发展至今，其形态已经发生了重大的变 化，从早期的批处理方式、命令行界面、菜单界面到现在成为主流的图形用户界 面，以及目前研究的笔式用户晃面，多通道用户界面。用户界面正逐渐向着更加 自然、个性、智能化的方向发展。笔式用户界面是一种基于纸一笔隐喻的用户界 面。它秉承了纸笔交互的优点，与基于桌面隐喻的界面技术相比，在表达力、灵 活性和易用性等方面都有更大的优势。纸笔所具有的各种独一无二的物理特性以 及人们长时间使用所形成的认知习惯和社会影响，使得笔式用户界面的研究非常 有意义。 2 4 1 笔式用户界面的发展历史 笔式用户界面最早出现在1 9 6 3 年，s u t h e r l a n d l 拘s k e t c h p a d 】是第一个笔式用 户界面系统，该系统使用光笔在阴极射线管( c r t ) 显示器上指点和标记图形。随 后r a n d 公司开展了相应的工作，他们较多地关注手写体和图形的识别【l2 1 。但此 后，随着7 0 年代中期光栅显示器的流行和鼠标被广泛接受，笔式用户界面逐渐被 人们遗忘，此后便是图形用户界面的统治时期。 到了8 0 年代后期和9 0 年代初，计算机网络的发展使得分布式计算机成为可 能。伴随着移动式计算设备的发展，以笔交互为特征的笔式计算环境和个人数字 助理迅速发展，笔式交互的便携性和易于接受性使它成为这个领域的主流交互方 第二章相关理论及技术研究 式，于是笔式用户界面的研究又重新受到人们的重视。 从国外来看，在美国，m r r 的多模式界面a g e n t s 项目包含了研究智能笔 技术的内容，该项目将智能笔技术和其他多模式输入技术，例如语音识别和表情 识别等结合起来，以提高用户界面的交互效率和自然性。m i t 的舭实验室对以 勾画( s k e t c h ) 为特征的笔式用户界面进行了大量研究，在机械设计和物理仿真等 应用领域设计实现了笔交互系统，例如a s s i s t t l 3 1 。 华盛顿大学成立了专门的笔式计算实验室，研究内容包括笔式输入装置的结 构和分类，笔式输入操作的评估，以及笔式用户界面。约翰霍普金斯的应用研究 实验室正在开发一个基于智能笔的病历管理系统。该系统目标是让医生和护士都 能通过一个笔式输入的掌上电脑输入和查询病人的病理情况，以适应医生移动办 公的需要。 加拿大多伦多大学的“h a p t i cr e s e a r c hg r o u p 把笔式输入作为重要研究方向 之一。从理论到实践都取得了多项成果。他们开发的新型c a d 绘图系统，改变 了传统的单手握笔或鼠标的输入模式，采用两手操作：左手拿十字光标器操作在 显示器上表示的、透明且可移动的菜单，右手拿笔选择菜单或绘图。这种模式更 加体现出其自然性。 在欧洲，由欧共体支持的e s p r i t ( 欧洲高技术研究计划) 的m i a m i 研究项目， 围绕综合处理通过不同通道获得的信息问题开展研究，其研究领域包括语音识 别、笔式输入、手写体。 在日本，不但许多大公司如w a c o m 、t o s h i b a 、h i t a c h i 、n e c 、s o n y 等纷 纷投资研究开发笔式输入技术，而且包括东京电机大学人机交互实验室在内的几 所大学近年也一直关注笔输入的研究。 从国内来看，诸多研究机构也从笔交互的模型和体系结构、识别算法等不同 角度对笔式用户界面进行研究。如中国科学院软件研究所的人机交互与智能信息 处理实验室在笔的字处理、概念设计和交互平台等方面进行了研究：北京大学在 笔的多通道应用方面进行了探索；北师大心理系和中科院心理所在笔交互的认知 机理和实验评估方面开展了工作；中科院自动化所和清华大学等单位在识别算法 和笔的无处不在计算等方面进行了许多深入的研究；南京大学、西北工业大学等 单位在草图识别方面做了大量的研究；微软中国研究院在基于t a b l e t 的计算设备 第二章相关理论及技术研究 上进行了大量的笔式用户界面研究；微软公司在其t a b l e tp c 计算平台上设计开 发基于笔的用户界面软件，同时进行了笔交互