（计算机软件与理论专业论文）网络教育中学习路径的研究与实现.pdf

摘要 随着网络教育的蓬勃发展，通过网络平台从事学习活动带来了传统教育所没 有的优势，然而在网络教育系统中，由于缺少教师的人为干预和指导，往往会产 生学习者控制、迷失与认知负荷这些问题，特别是在网络教育向w e bs e r v i c e s 开放式结构转化的趋势中，网络教学资源的数量之巨大、分布之广泛更增加了学 习者因缺乏引导而发生迷失的可能性。从而在这样的网络教育环境中，需要针对 网络教育应用的特点，提出完整的学习路径概念、控制方法和实现方法，引导学 习者有序地参与和教学资源有关的学习活动，达到帮助学习者解决学习迷失、接 收学习反馈、实现路径控制的目的。 本文利用学习路径表达学习者的学习流程，利用模糊p e t r i 网作为学习路径 的形式化描述手段，并结合流程描述语言b p e l 给出学习路径的实现方法，并在 此基础上，设计并实现了基于工作流的学习路径控制系统。在理论上，初步解决 了网络教育中学习流程控制缺乏定义、描述和分析的手段，在实践上，一方面提 供给教师通过搜索学习对象服务，制定带有学习路径课程的工具和平台，另一方 面在提供给学习者在参与网络教育学习活动时，根据学习路径的设计，有序调用 教学资源，实现控制自我学习的环境。 本文在分析了现有学习流程控制方案以及学习路径控制需求的基础上，提出 了基于模糊p e t r i 网的学习路径的描述、推理和验证方法。在阐明学习路径控制 系统的构造和功能后，提出了在实现过程中学习路径设计、保存、转换和运行的 方法。最后，本文基于已分析的理论和设计方法，实现了学习路径控制原型系统。 关键词：网络教育、学习路径、模糊p e t r i 网 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fe 一1 e 锄i n gs y s t e m s ，i tb r i n g su st 1 1 ea d v a j l t a g e s t n a t t r a d i t i o n a le d u c a t i o n d o e s n th a v e h o w e v e r ， t l l e e 。l e a n l i n gs y s t e m s l a c kt h e m e c h a n i s m 氨) ra c h i e v i n gt e a c h e r s i n t e r a c t i o n sa n dg u i d e ，1 e a m e r sa r ee a s l e rt o 士e e l l o s t 锄do v e r l o a dw h e nf a c i n gag r e a t 锄o u n to fe d u c a t i o n a lr e s o u r c e s i n t h l sk l n do t 1 e a m i n ge n v i r o m e n t ，i ti sn e c e s s a r yt op r o p o s e1 e 锄i n gp a ma 1 1 d 1 t sc o n t r o ja 1 1 d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，i no r d e rt oh e l pl e a h l e r st a k ep a ni n1 e a m m g a c t l v l t l e sb y s e q u e n c e ，a n da v o i dl e a m i n g l o s t t h i sp a p e ru s e sl e 眦i n gp a mt op r e s e n tl e 锄e r sl e 锄i n gp r o c e s s ，f u z z yp e t n n e ta sf o m a ld e s c r i p t i o nm e t h o do fl e 锄i n gp a t h ，锄db p e l a si m p l e m e n t a t l o no 士 l e 锄i n gp a t h t h e nw ed e s i g na n di m p l e m e n tt h ep r o c e s sc o n t r o lm o d e l l nt h e o t h i sp a p e rs 0 1 v e st h ep r o b l e m so fl a c l 【i n gl e 鲫1 i n gp r o c e s sd e f i n i t i o n ，d e s c r i p t i o na j l d a n a l v 正sm e t h o d si ne 一1 e 锄i n gs y s t e m i n p r a c t i c e ，w ep r o v l d e t e a c h e r st n e o p p o n l m i t yt os e a r c hl e 锄i n go b j e c ts e r v i c e s ，d e f i n ec o u r s e s w i t h1 e 锄m go b j e c t ，o n t h eo m e rh a n d ，w eg i v el e a m e r sa l le n v i r o m e n tw h e r et l l e y c a l lo r d e r l y1 1 o k e l e a m i n gs e r v i c e sb yt h ed e s i g n e do fl e 锄i n gp a t l l t 1 1 i sp 印e rh a sp r o p o s e dt 1 1 ed e s c r i p t i o n ，v “d a t i o n 吼dr e a s o m n gm e t h o do 士 1 e a r n i n gp a mb a s e do n 觎z yp e t r i n e t a r e ri n t r o d u c i n gm eo 略a m z a t l o na n d f u n c t i o n a l 竹o fm ep r o c e s sc o n t r 0 1s y s t e m ，w ei m p l e m e n t e d “ss y s t e mt o a c h i e v e l e a m i n gp a t hd e s i g n ，s t o r a g e ，t m s i t i o na 1 1 de x e c u t i o n k e y w 0 1 d s ：e l e a l l l i n g ，l e 锄i n gp a t h ，f u z z yp e t r in e t i i 东南大学硕士学位论文 图表索引 图2 1 学习路径的三种主要规则 图2 2 学习路径示例 图2 3 三角模糊数和梯形模糊数 图2 4 学习路径的顺序组合 图2 5 学习路径的选择组合 图3 1 简单f p r 推理实例 图3 2 复合f p r 类型 图3 3 基于模糊p e t r i 网的推理实例 图4 1 课程流程实例 图4 2 系统结构示意图 图4 3 路径生成工具与教学资源服务的交互 图4 4 模糊规则处理器工作流程 图4 5 课程启动的系统模块序列图 图5 1p n m l 层次结构 图5 2p n m l 结构的u m l 表示 图5 3p a t hg e n e r a t o r 工具的界面 图5 4b i z t a l k 中的b p e l 导入向导 图5 5 系统应用环境 图5 6 课程模板编辑界面 图5 7 学生进入网络教育系统门户界面 图5 8 学习路径控制系统的界面 表2 1 学习路径节点的状态值 表3 1 推理实例的各集合列表 表4 1 学习路径实例中库所状态描述 表4 2 学习路径实例对应的规则 表5 1p n m l 元素的x m l 定义 表5 2p n m l 中图形信息元素 表5 3 学习路径规则和b p e l 之间对应关系 表5 4 系统开发环境 v i 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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了谢意。 签名：日期：玉塑鱼生? 二、关于学位论文使用授权说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导师签 网络教育中学习路径的研究与实现 第一章绪论 本章首先简单介绍了网络教育中学习路径的研究背景，然后介绍了在网络教 育系统中已有的学习者行为控制方法及其应用情况。通过分析已有应用方法的现 状和不足之处，阐明本文的研究目标和研究内容，并在最后给出了全文的研究思 路和组织结构。 1 1 研究背景 本文以“十五”国家重大科技攻关项目“网络教育关键技术及示范工程” 中第十二个子课题网络教育系统总体设计与集成为项目背景，针对现有系统 对学习过程流程化控制的考虑和设计的不足，结合集成工作和系统调试的经验对 系统中可以改进的地方展开研究。 随着网络技术的不断发展，网络教育( e l e 锄i n g ) 在现在社会，尤其是在 现代服务业中扮演着重要的角色，教育界、企业、甚至政府机关都在逐渐关注这 种新型的教育方式。一些学者将网络教育定义为利用网络技术将各方面的专家和 人员( 包括内容设计者、教学计划制订者、多媒体技术人员、教师、培训师、数 据库管理员等) 整合到一起为学习者提供教育的形式 1 】。 网络教育既然是多种角色参与的一种教学活动，那么必然存在着一定的学习 方式。这种方式的教学活动和网络这一因素密切相关，与传统教育方式相比，有 着不可替代的技术优势，但同时也存在学习者在自主学习的环境中，容易发生迷 失的不足。本研究希望结合网络技术的优势，尽可能弥补现有网络教育中对学习 者行为控制的不足。 从现有网络教育系统优势来看，网络教育可以借助计算机多媒体创造出丰富 多彩的教学资源，可以借助网络技术的优势获取、管理分布的教学资源。目前， 集成系统中教学资源( 主要表现为教学课件) 采用国家标准，由各个资源提供者 按照标准进行封装，并提供描述信息，将教学资源上传到教学资源管理服务平台， 完成注册，该管理服务同时提供搜索功能。项目中的教学资源管理服务在课件的 标准封装、注册、搜索方面做了很好的工作，主要采取先集中上传服务器后管理 的模式。但是随着教育资源的不断丰富，集中式的管理在有效地共享和重用方面 存在一定的难度。如何在开放的环境中更有效管理分布的教学资源，一些研究者 提出了基于w e bs e r v i c e 的解决方案。 从现有网络教育系统的不足来看，学习者学习的行为在教师制定课程时很少 被考虑到，学习者很难根据一定的教学策略有序的完成学习活动。考虑其产生原 东南大学硕士学位论文 因，由于目前即使在教育资源集中管理的环境下，不同学科、同一学科不同内容 教育资源之间的关系并没有被定义和利用，因此，学习者在利用教学资源时只能 逐一的学习单个教学资源所提供的内容，学习的顺序性由学习者白行把握，容易 发生迷失。n i c o s i a 提出【1 ，“近年来，网络教育系统承诺改变人们学习的方式， 然而始终存在开放的话题，尤其使真实的网络教育环境并没有将学习活动考虑为 学习过程的一部分。因此，需要通过运用教学资源定义结构化课程和特定的学习 路径以引导学习者”，在教学资源分布的环境下，学习者如果缺乏一套在大量知 识中寻找教学资源以及组织教学资源的策略，很容易降低学习效率和学习质量， 甚至在学习的过程中迷失方向。高效率的网络教育系统需要对教学资源进行有效 的重用、组合，让学习者按照一条学习路径完成自我学习，这点正是目前大部分 网络教育系统所缺乏的方面。 归纳上面的分析，现有的网络教育系统中或多或少存在以下的一些问题： 缺乏对学习者的控制：由于网络是一个开放的环境，很容易获得各种需要的资源， 即使在这样的环境中，网络教育某种程度上还是属于一种自学的方式，传统的教 育思想认为在提供了良好的平台的基础上，学习者应该发挥主动学习的能力，采 用学习者自我控制的机制。但是s n o w 2 的研究指出，学习者必须在对自己需求 的知识有总体的了解，以及能够对这些知识做适当操作的条件下，才能充分发挥 其自我作用。所以，在学习管理过程中如果没有给学习者适当的提示和辅助信息， 往往会使学习者的学习活动发生偏离，和课程设计者的要求相差甚远。 学习者容易迷失方向：学习者在选择学习课件的过程中，往往在大量的信息 中通过关键字进行搜索，有时甚至从一个链接可以又搜索出更多链接，这种方式 很容易使学习者发生迷失现象。m a r c h i o n i n i 指出【3 ，学习者发生迷失的原因是 在学习环境中缺乏一套寻找学习资料的策略。所以一个良好的网络教育系统，必 须避免学习者发生迷失的状况。 学习者认知负荷过重：网络教育系统内的学习资源信息量是巨大的，学习者 在每一步学习活动中，都将面对“选择学什么”、“接下来学什么”等问题，面对 大量的信息将耗费很多精力去思考、判断，往往会产生认知负荷引起的心里焦虑。 心理学上的认知负荷，是指在执行某种作业的过程中，因作业特性所需要的认知 能量或认知资源过多，超出了正常负载范围。 针对提出上面的三个问题，本研究欲弥补网络教育系统的这些不足，真正发 挥网络教育的技术优势，把学习过程作为像传统教育一样的“有序的活动 ，提 供合适的学习策略，担负起教师应有的“指导”作用。为此，本研究期望在一个 以w u e bs e r v i c e s 提供学习资源的开放网络环境中，探讨如何构建并实施学习者个 人的学习路径，使得学习者可以按照课程设计者的要求有目的地、有序地安排学 习活动，并设计与实现一个开放式的架构运用于现有系统。 网络教育中学习路径的研究与实现 1 。2 研究现状 在分析了网络教育中对学习者进行学习行为控制的需求后，本章对现有网络 教育系统如何整合教学资源的现状展开研究，首先讨论现有的网络教育资源描述 标准中对资源整合的一些描述方法，接着讨论已有的一些导航方法的优缺点，然 后讨论近期利用工作流技术和p e t r i 网方法的应用情况。 1 2 1 网络教育中教学资源的标准 本文讨论的网络教育中教学资源主要是指学习对象l o ( l e 锄i n go b j e c t ) 。 比较容易得到认同的一种思想是认为l o 是构成一门学习课程的可重用的组件， 比如一份讲义、一个问题、一张试卷等等。根据i e e e 的教育技术标准委员会 l t s c ( l e a m i n gt e c l l i l o l o g ys t a n d a r d sc o m m i t t e e ) 4 盼定义： 一个l o 可以是任何实体，数字化的或者不是数字化的，可以在技术支撑的 教育中被使用或被引用。 因此，通常l 0 s 可以被分为两个大类： ( 1 ) 物理l o s ：非数字化的实体，如一本教科书或一段文字，而这类的l o s 必须具有“数字化的引用 ，比如在w 曲上我们无法获得这类物理l o s ，但可以 给出一个可以获得该l 0 s 的u r l 。 ( 2 ) 网络l o s ：直接和网络环境相关的、和w 曲环境相关的l o s ，比如可 以直接利用w e b 浏览器获得的一个对象，一副图片，一段视频等等。 本文的研究主要就是基于在现有网络教育系统中运用广泛的这一类网络 l o s ，它们都可以用元数据进行描述，并可以在网络环境中获得。这类l o s 的描 述主要建立在以下两个层次上： ( 1 ) 元数据层：由对l o 各种重要属性的描述组成( t i t l e ，l a n g u a g e ，f o r n l a t ， c o n t e x t ，l e v e l ，l e 锄i n go b j e c t i v e sa 1 1 dt y p i c a l l e 锄i n gt i m e 等) ，还有l o 之间的关系 描述( 女口r e l a t e dt o ”，“h a sp r e r e q u i s i t e ”，“p a r to f ，“d e s c r i b e db y a n d “c o n t r i b u t e d b y ”等) 。 ( 2 ) 内容结构层：主要是l o 内容的组成结构，使得在不同平台和应用程 序间的l o 交互得到方便。 下面介绍和本研究相关的一些重要的学习对象描述标准。 l 、i e e el o m i e e e 最初是由i m s 和a r i a d n e 联合起草提交给i e e e 的。这个标准主要 由以下的几个特点： 用x m ld t d s 指出了l o 元数据的语法和语义格式； 东南大学硕士学位论文 提供了较完备的描述l o 所需要的属性； 提供了一个最小属性集，用于实现对l o 的管理、定位和评估； 结合了迄今为止一些最有影响力的标准，并形成实现对l o 描述的一个 重要基础。 i e e el o m 提出了多达9 大类、7 0 多个和l o 相关的元数据元素。这9 个类 别都是可选的，但有些元素是强制的，必要的，并且提供了可扩展的自定义模式。 g e n e r a l 关于l o 的一般信息描述 l i f ec y c l e描述l 0 的历史和当前状态 m e t a m e t a d a t a 描述元数据本身的信息( 如谁在什么时候创建了该元数据) 1 b c h n i c a l描述一个l o 在技术方面的要求和特性 e d u c a t i o n a l 描述一个l o 在教育学方面的特性 m g h t s描述一个l o 在知识产权和如何使用方面的信息 r e l a t i o n描述多个l o 之间的关系 a n n o t a t i o n提供一个l o 在教学当中如何使用的备注信息 c l a s s i 矗c a t i o n 描述在一个分类系统中一个l o 是非属于某个类别 用于描述l o s 之间关系r e l a t i o n 集虽然可以在获得一个l o 时得到相关的资 源，但是这种信息缺乏灵活性，不适用于课程整合，因为在这种关系在一个课程 中被使用，也许在另一个课程中就无法适用。 2 、l m ss c o r m i m s 的元数据说明几乎完全采用了i e e el o m 中的元数据说明。由于i e e e l o m 的属性数量很多，i m s 根据不同的特性区分了两类： ( 1 )i m sc o r e ：从i e e el o m 中抽取了2 0 个基本的元素； ( 2 )i m ss t a j l d a r de x t e n s i o nl i b r a r y ：其余的l o m 中的元素； 可见，s c o i 之m ( s h a r a b l ec o u r s e w a r eo b j e c tr e f e r e n c em o d e l ) 5 】的主要贡献就 是把i e e el o m 元素映射成三种学习内容元素，期望弥补一般元数据标准和特 定内容模型之间的关系。这三类元素从低层到高层分别是： r a wm e d i a ：如组件、不完整的内容碎片； c o n t e n t ：如完整的一个单元、一个课时、一个模块； c o u r s e ：完整的一门教学课程、 总的来说，s c o i 蝴说明了一个用户如何把各个相关的l o 资源整合在一起， 用一棵课程树的形式建立一门课程；指出了内容对象的类型，在一个网络教育管 理系统中如何运行和交互的方式；什么样的内容对象可以互相交换等等问题。然 而，树型结构在分支处缺少多种方式，也缺乏控制的机制。 4 网络教育中学习路径的研究与实现 3 、c e l i s 2 0 0 1 我国成立了中国教育信息技术标准委员会( c e l t s c ) ，进行研究与制 定中国教育信息技术标准，简称c e l t s 。c e l t s 分为6 个部分，共计2 5 个子标 准。 总标准： “体系结构和参考模型”定义了教学系统的一个高层的体系结构，描述系统的 高层设计和可能的构件，是对众多教学系统的一种抽象表示的框架，并不是设计 某一个系统实现的指导方案，确定构件互操作的接口和提供的服务。 教学资源相关标准： “学习对象元数据”定义了学习对象的一个数据模型，该数据模型描述了学习 对象的属性，即元数据实例的结构。 “课件互换”和“课程编列”自下而上地定义了课件的格式、媒体组成、逻辑行 为，以及课程的编排模型和学习资源的运行环境。 “内容包装”定义了学习内容之间进行互操作所需要的数据结构以及如何对 学习内容进行统一的包装。 “练习测试互操作”规定了问题( 练习) 数据和测试数据表示的基本结构。 从根本上来讲，它是一类特殊的学习课件。通过该规范使练习和测试数据能够在 不同的学习管理系统和学习内容库之间进行交换。 c e l t s 由于是本研究基于的系统中所采用的描述标准，所以实现中依然采 用此标准。 1 2 2 网络教育中学习导航方法的研究现状 在网络教育发展的初期，对该领域影响最大的要数c b i ( c o m p m e r - b a s e d i n s t m c t i o n ) 和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 ) 。他们提出了易于获取和重用的知识 结构 6 】。很多传统c b i 和i t s 都是基于内部的知识域，像s c h o l a r 采用语义 网的方法，s o p h i e 采用基于语义的n l p 技术，g u i d o n 采用专家系统，i n t e r b o o k 采用适应化导航等技术，这些技术和系统都为e l e 锄i n g 的开放性和适应 性教学作出了贡献。表1 1 总结了一些用于课程导览技术的优缺点： 导览方式形式优点缺点 f i x e d按照固定的教学资源在预先设定的学设计复杂，难以重 n a v i g a t i o n和学习策略进行 习策略下进行，学复使用 生的学习成效可 以预见 h y p e r l i l l l (使用超链接随时调用不限制学习流程，缺乏指导，很容易 东南大学硕士学位论文 n a v i g a t i o n需要的学习资源可以自由进行迷失在超链接深 游i 中 t 0 p i cm a p使用主题地图表达学帮助学生不至于结构固定，仅能提 n a v i g a t i o n习主题，以及所有学迷失在众多的学供浏览方位，无法 习资源的学习次序习资源中体现学习策略 a d a p t i v e根据复杂的学习者模根据学习者个人设计困难，难以实 n a v i g a t i o n型和学习资源的完成 状态，即使进行适现，只有对某一特 状况进行计算合导航定领域课程比较 适合。 表1 1 课程导览技术的优缺点比较 1 2 3 基于w b r 如o w 实现学习路径的研究现状 国外的很多网络教育系统发展起步较早，参与网络教育活动的人群也非常 多，包括参与正规的大学教育、业余的、终生的、跨国教育的各种人，他们有着 差异很大的教育、文化背景，有着各种不同的学习需求和学习方式。因此，目前 面临的挑战不是如何用新的技术去重新修改已有的教育系统，而是在原有的系统 之上创建新的支持流程化学习的环境，增强学习者的学习效率，提高教学者的教 学质量。 比如，目前有许多成熟的商业产品可以用来构建网络教育系统，如l o t u s l e a r n i n gm a n a g e m e n ts y s t e m 1 1 ，w b tt o p c l a s s 1 2 ，o r a c l ei l e a r n i n g 1 3 ， b 1 a c k b o a r dl e a r n i n gs y s t e m 1 4 ，w e b c tv i s t a 1 5 但是它们都没有提供给教 师定义课程结构的功能，即使有些可以将一组教学资源组合成课程，也没有给出 设计控制教学资源的学习路径的功能。然而，一些科研机构却不断为实现学习过 程的流程化作研究。 在运用工作流技术前，出现过一些基于规则和关系的系统。c o l a b 2 5 是基 于规则的网络教育系统的代表，c o l a b 依靠规则，提供给教师通过教学资源定义 “学习路径”的机会，并提供给学生一定的学习策略。 m e d i b o o k 2 6 是基于关系的网络教育系统的代表，允许教师根据课程组件之 间的关系定义课程结构。m e d i b o o k 的基础是医学领域的形式化描述，医学概念 之间用语义关系互相关联，课程就和这些医学概念相关，课程与课程之间也有关 联关系。 真正利用现代工作流技术的网络教育系统是著名的f l e x e l 项目 2 7 。 f 1 e x e l 认为提供高质量的网络教育不是将“以教师为中心”的模式简单转变为 “以技术为中心”的模式，而是成为“以学生为中心”的模式。f 1 e x 一乩系统利 6 网络教育中学习路径的研究与实现 用工作流技术将网络教育中学习的各方面活动如学习、测验等整合在一个系统 中，形成一个完整的活动流程，并支持多种角色。一个课程可以和多种这样的活 动流程相关，学生可以选择其中一个流程。该系统已经在q u e e n s l a n d 大学进行 了部署，承担了一门研究生课程“信息技术”的教学任务，实验结果发现和其他 用传统教学模式授课的课程相比，此门课程中掉队的学生相当少。 然而，以上系统仅仅把学习过程变成一个有序的流程还是不够的，一些复杂 的“s w i t c h ”，“f o r k ”，“j o i n ”操作并没有得到支持，因此工作流技术的优势 在建立学习路径方面并没有完全发挥出来，而且也没有能够提供老师和学生的交 互过程。 1 2 4 基于p e t r i 网实现学习路径的研究现状 p e t r i 网由于在处理并发和异步方面有着很好的优势，l i u 和c h e n 提出了利 用p e t r i 网为基础的流程控制方式t e a c hn e t 1 6 ，并给出一个集成元数据描述 的l 0 s 所形成适应性导览的架构，提出了网络教育中基于高级p e t r i 网的一种聚 集l o s 的形式化方法，并认为这是在t e a c hn e t 中为学生和教师开发可视化学习 环境的基础。t e a c hn e t 随着学生状态和评估分数的不同，动态改变学习课程的 前进方向，使学习者能够对于不足的地方加以复习，若没有借助p e t r i 网的特性， 传统的课程设计方法根本无法清楚描述学生可能的动态的学习方向。总的来说， t e a c hn e t 在实现学习路径控制方面主要有三方面的特点： ( 1 ) 为知识聚集提供了形式化的方法； ( 2 ) 高级p e t r i 网的图形化表示可以支持可视化的教学环境和导览图； ( 3 ) 仿真学习环境可以支持合作学习和学习状态评估。 c h e n 1 7 也提出了利用p e t r i 网模型进行动态的可导览的学习的方法，并实 现了a n t s ( a g e n t - b a s e dn a v i g a t i o n a l t r a i n i n gs y s t e m ) 系统 1 8 帮助教师 建立课程内容，共享资源，提供学习者智能的w e b 学习环境。其主要思想是s c o r m 的顺序和导览的定义的规则太过于繁琐，教师往往难以接受，所以利用p e t r i 网模型来增加定义和编辑课程结构的灵活性，并利用此模型将课程结构重新映射 到s c o r m 的活动树结构中，减轻了教师的工作量。 k e f e r s t e i n 等人【1 9 】提出了基于p e t r 网的网络教育流程管理，包括了建模、 分析和监视网络教育流程，并提出了一种称为x m ln e t s 的高级p e t r l 网，在 x m ln e t s 中学习对象，成绩评估等系统都用x m l 表示出来。利用x m ln e t s 及 其仿真可以监视整个系统的运行性能，并调整各项性能参数，能够在实现网络教 育流程之前就部署合适的策略。 东南大学硕士学位论文 这些方法都为学习路径的描述提供了很好的基础，但是在实现方面实现流程 自动化仅仅借助p e t r i 网模型还比较困难，而且对学习者的自主行为和活动的控 制不足。 1 3 研究目标和研究内容 本研究目标首先通过模糊p e t i 网定义教学资源之间的关系形成合理的教学 路径，并加入路径控制的一些策略，利用模糊p e t r i 网的理论进行路径的推理与 验证，确保学习路径的合理性和准确性。然后将形式化描述的路径信息转化成可 执行的流程语言，并利用工作流管理系统将学习路径中提供教学资源的服务合理 组织，在学习者学习过程中能够引导学习者完成基于教育资源的学习过程。 将w r e bs e r v i c e s 技术运用于网络教育中的资源管理，元数据描述的教学资源 由分布环境下的各服务提供。 分析学习路径的组成元素，提出学习路径控制机制，将分布式环境下教学资 源有效关联组织成合适的学习路径，对学习者基于学习路径的学习活动加以控 制。 结合工作流管理，将学习路径与教学资源服务调用以及用户的交互相结合， 实现基于工作流控制的学习活动。 主要研究内容如下： 1 3 1 学习路径的分析与描述 分析学习路径的基本结构和基本组成元素，包括学习路径的节点分析和学习 者的行为分析。在基于模糊p e t r i 网理论的基础上提出学习路径的描述方法，以 及学习路径的组合描述，为推理、验证做好理论基础。 1 3 2 学习路径的推理与验证 模糊p e t r i 网本身和模糊规则密切相关，本身也具有一定的推理方法，本研 究期望将这些特性应用到学习路径的转换和推理方法中，并给出基本学习路径验 证方法，以保证设计过程中的合理性。 1 3 3 系统设计与实现 通过讨论学习路径的控制机制等方面的问题，建立学习者在学习路径导览中 进行路径前进和选择的方法，使得学习者在任何时间、任何地点，根据以往的学 网络教育中学习路径的研究与实现 习经历和知识水平，根据个人的喜好获得合适的学习资源和学习活动。设计方面 给出系统的基本结构和每个模块的功能描述；实现方面从三个角度展开，一是和 教师相关的学习路径制定相关的模块，二是和学习路径转换的相关模块，三是和 学习路径实际运行相关的模块。 根据上述研究目标和研究内容的分析，本研究所采用的思路如下： ( 1 ) 研究目前现状，结合目前的系统，以及个性化教育、适应化教育、学 习路径等研究情况，明确需要解决的问题和系统需求。 ( 2 ) 研究相关形式化理论，为学习路径的描述和控制机制的制定作准备， 并形成网络教育这种特点应用背景下学习路径的形式化表达方法。 ( 3 ) 分析系统功能，对如何产生学习路径和运行学习路径的方式展开研究， 归纳出一套实现这些功能的系统需要具有的结构和组件。 ( 4 ) 开发原型系统，根据系统的功能需求和结构分析，实际设计出一个原 型平台，提供给教师设计课程的能力，并让学习者在实际环境中根据自己的学习 状态动态改变学习路径走向。 1 4 文章结构 本文总体结构大致分为三个部分：第一部分为理论研究，主要包括第一章至 第四章；第二部分为系统实现，在第五章介绍；最后第六章总结全文。具体安排 如下： 第一章首先介绍了网络教育中学习路径研究的背景，围绕如何在课程设计和 学习过程中整合教学资源并按照一定规则进行导览这一关键问题，讨论了当前的 研究现状和存在的问题，明确了本研究需要完成的内容。 第二章首先简单分析了学习路径的概念、学习路径中的基本元素以及学习者 的行为，然后分析现有的描述方法，并基于模糊p e t r i 网给出学习路径的描述方 法，并在形式化描述的基础上提出学习路径的控制策略和组合描述。 第三章首先讨论基于模糊规则的模糊p e t r i 网的推理方法，接着给出通过模 糊规则库到学习路径的转换算法，然后给出学习路径的推理和验证方法。 第四章按照实现学习路径设计与运作的需求，给出系统的总体设计方案。 第五章系统实现从三个角度展开，一是和教师相关的学习路径制定相关的模 块，二是和学习路径转换的相关模块，三是和学习路径实际运行相关的模块。 第六章对整篇论文进行总结，并对未来工作进行展望。 9 东南大学硕士学位论文 第二章学习路径的分析与描述 要使学习者在网络教育系统中按照一定的学习路径进行流程化学习，必须先 由找出整合学习对象的方法，让课程设计者在设计课程时能够根据一定的方法制 定学习路径模板，加入适当的控制策略。所以，本文首先给出学习路径的形式化 描述方法，为后续的验证、推理和实现做好理论基础工作。 2 1 学习路径的介绍 首先，本章对学习路径的表示有个直观的介绍，并对学习路径中各元素做概 要的需求分析，确定学习路径的功能和运行机制。考虑到网络教育系统的发展趋 于引入工作流技术，以及工作流表示方法的直观性，把对学习路径的介绍和分析 表达成工作流的形式是最直观的。工作流的表达由节点和链接组成，基本元素有 参与者、行为、文档和一系列规则。在一个学习路径当中，参与者可以看作是学 生或者老师；活动可以看作是学习者对应的学习活动或者教师对应的教学活动， 比如学生下载并浏览一个学习对象，教师设定一个特定的学习对象；文档可以看 作是一系列学习资源，包括学习对象，学习者返回的评估信息，规则即是一门课 程不同组成元素之间的关系。本研究的学习路径的组成主要基于三种主要规则， 如图2 1 所示，分别表示s e q u e n c e ，a n ds p l i 饥o i n ，o rs p l i 们o i n 规则。 。a 卜叫b 卜- - 鳓 图2 1 学习路径的三种主要规则 一个学习课程模板由以上介绍的这些元素构成，学习者学习时产生的课程实 例则直接提供给学习者在学习这门课程时可能遵循的一些路径。图2 2 所示展 现了一个具有基本元素的课程模板，具有一个开始节点和一个结束节点，分别对 应学习过程的起点和终点。图中的活动表示各个学习阶段对应所需的l o ，学习 1 0 网络教育中学习路径的研究与实现 的规则表示为l ob 和l oc 的学习活动必须在完成l oa 之后，l oe 和f 需要 在完成l o a ，b ，c 之后。l ob 和c 是同步学习顺序( a n d s p l i t j o i n ) ，指两 者必须都完成，但没有先后顺序，可以同时进行，l oe 和f 是选择的学习顺序 ( 0 r s p l i t j o i n ) ，指两者选择其一完成。和l od 相关的e v a l u a t i o nd 表示为 t e s t0 b j e c t ，是对某个学习活动进行学习结果评估的对象，r e q u e s t o l l f a 订表示在 l 0d 在利用e v a l u a t i o nd 进行评估失败后的路径前进方向，最后两者本文将在 后面的章节详细讨论。 图2 - 2 学习路径示例 学习路径的设定是在定义课程模板的时候就完成的工作，包含了学习活动中 所有可能产生的流程，但是一条具体学习路径则是在学习者学习过程中实际产生 的。比如在p i c 中，不同学习者从初始节点到终止节点会经过不同的路径，可能 产生s t a r t i n g a b c d e e x a m t e r m i n a t e ，也有可能产生诸 如s t a n i n g a b c d f e x a m t e r m i n a t e 的属于自己的学习路 径。因此下面首先要定义学习路径的节点，接着对学习路径的表达方法和验证方 法做适当的设计，然后分析学习者在进行学习活动过程中所面对的问题，提出学 习路径控制的方法。 2 2 学习路径的节点分析 1 、节点的内容 在我们最常见的超文本h y p e r t e x t 中，信息的呈现方式不是像传统的书本中 那样线性的陈列，而是有节点和链接的概念，对于一个网页来说，节点就是含有 链接的文字，节点的内容可以是文本、图像、声音或者视频等，链接指可以直接 跳转到其他节点的指针，用户的整个浏览过程就可以用节点与节点的一个连接顺 序表现出一定的路径。在网络教育中，一个节点对应一个学习活动，包含学习对 象、测试评估等，因此学习路径就是在各个不同的节点上，依照链接的方式，结 合形成的一种路径，主要用来辅助教学和实现自我学习。 在采用工作流技术的网络教育系统中，往往把节点的意义提升为工作流程的 东南大学硕士学位论文 一个点，一个具体的学习活动，可能表现为浏览学习对象，进行学习评估等。而 c e l t s 认为节点是一种抽象的概念，称为学习对象，主要用来引用参考教学资 源。本研究采用c e l t s 的定义描述节点中具体的学习对象。采用c e l t s 描述节 点中学习对象有以下三方面的考虑： ( 1 ) 可描述性：学习对象的元数据描述信息可以表达教学目的、教学内容、 适应人群等信息，无论在教学者制定课程还是在学习者浏览时都可以事先获得这 些信息。 ( 2 ) 可封装性：通过压缩格式( z i p 、r a r ) 将具体资源和描述信息封装成 整体，便于在网络环境中获取和交换。 ( 3 ) 可交换性：在具有封装性的基础上，这样的学习对象具有平台无关性， 可以不同课程、不同网络教育系统中顺利交换使用。 所以唯有采用学习对象标准处理节点中的内容才能满足上面的三个要求，学 习对象就成为能够成为学习者和网络教育系统之间相互传递教学资源和信息的 节点，比如将学习内容从网络教育系统传送给学习者，或者将学习者的测验成绩 返回给网络教育系统。一个节点因此成为课程中的一个章节或是一个测验。 2 、节点的状态值 节点是学习者学习过程中和网络教育系统交互的重要资源，因此学习者对课 程的完成情况和节点的完成情况有关。考虑到不同的学生使用同一个课程模板 时，各自的学习进度和完成情况不竟相同，因此需要针对每个学习者维护各自在 某个学习节点的学习状态。本研究在节点中维护一个学习对象的学习状态值，描 述节点本身的学习情况，总分为下面六种。 p a s s e df a i l e d c o m p l e t e d 通过失败完成 u n c o m p l e t e d n o ta t t e m p t e db r o w s e d 未完成未尝试浏览 表2 1 学习路径节点的状态值 当课程设定节点中l 0 时，必须将节点的初始状态值设定为“n o ta t t e m p t e d ， 接下来，将状态值的控制权转给运行时系统，采用不同的策略决定状态值何时由 “n o ta t t e m p t e d ”转为“u n c o m p l e t e d ”，比如当系统确认学习者已经获取了l 0 之后，对应的状态值就应转为“u n c o m p l e t e d ”，或者当满足某些条件后才转变为 “u n c o m p l e t e d ”，取决于课程制定的策略，和学习者本身使用无关。 学习者在完成某个l 0 的学习后，可以将状态值改变为“c o m p l e t e d ”，关于 认定学习者完成l o 学习的条件和前提可以由系统设计时决定，在这之后，l o 可以通过测试的结果或者不需要测试的情况下转变为“p a s s e d ”，“f a i l e d ”或 1 2 网络教育中学习路径的研究与实现 “b r o w s e d ”。 具体状态值的维护方法在网络教育系统中做如下设计： 1 、当课程设定l o 时，将状态设为“n o ta t t e m p t e d ”； 2 、当学习者确定自己已经完成并请求下步学习活动时，如果节点的状态值 不是“n o ta t t e m p t e d ”或者“u n c o m p l e t e d ”时，则必须重新检验其状态。 3 、如果节点需要测试，则进行测试过程，并根据测试结果决定节点的状态 转为“p a s s e d ”或者“f a i l e d ”。 4 、如果节点需要测试，而学习者的成绩始终没有，则维持原来状态值不变。 5 、如果节点不需要测试，而学习者已经提交确定完成的请求，则状态值转 为“b r o w s e d ”。 2 3 学习者的行为分析 上文分析了学习路径的节点，那么这些节点的呈现方式、节点与节点之间的 转换方式和学习者的行为有很大的关系。学习者也应按照特定的浏览方式进行学 习对象的学习，这样的行为成为学习者导览。 b m s i l o v s k y 2 0 2 1 把网络教育系统适性化分为适性呈现和适性导览两种。 适性呈现负责将学习者要学习的内容或教材，考虑学习者的学习状况后，以一些 小单元知识组合呈现；适性导览则是根据学习者模型来调整超媒体的链接及内 容，其中又分为下列几种： 直接导览：直接给使用者一个适当的链接，而该链接所指向的网页是经由系 统评估该学习者模型所给出的，因此可以透过“下一页”或“继续 的链接， 让使用者一步一步地引导浏览整个网站。 链接适性化排序：网页中的链接会根据学习者模型而排列，将最有关的链接 呈现在最前端的链接序列中，使得使用者可以很容易地找到自己想要的学习 内容