（计算机应用技术专业论文）适应性网络教学系统的研究与实现.pdf

适应性网络教学系统的研究与实现 摘要 网络教学系统是现代信息技术综合应用的一个重要领域，也是实现教育信息化的重要 手段。近年来，网络教学系统不断涌现，但能够根据学习者知识基础和学习能力，智能、 灵活、便捷地组织和展示相适应的教学内容的教学系统尚不多见。因此，研究和构建能够 针对个体特征引导学生学习的适应性网络教学系统，真正实现因材施教，具有十分重要的 意义和价值。 论文通过分析现有网络教学系统在适应性方面存在的不足，以现代教育理论中的建构 主义理论、教学设计理论等为指导，提出了适应性网络教学系统中的适应性相关算法，设 计并最终实现了一个适应性的网络教学系统，本文的主要工作和成果如下： 1 适应性网络教学系统的适应性算法研究和设计。在分析和研究现有适应性策略及 算法的基础上，应用基于贝叶斯网络的适应性算法，设计了适应性网络教学系统的原型、 教学设计策略、适应性诊断策略、知识表示策略以及适应性导航策略等。 2 适应性网络教学系统的设计。给出适应性网络教学系统的功能模块划分设计，业 务流、数据流设计以及数据库的逻辑设计等。 3 适应性网络教学系统的实现。采用x m l 、s q ls e e r 、a s p 等技术开发了一个可 供日常教学使用的适应性网络教学系统。 本课题开发的适应性网络教学系统现已经过宁波工程学院“多媒体技术与应用”、 “计算机科学导论”、“计算机网络原理 、“面向对象程序设计等数门课程十多个班级的 近两学期的试用，系统运行稳定，各方面性能指标基本达到预期要求，有一定的适应性教 学效果，为真正实现因材施教的智能系统奠定了基础。 关键词：适应性，网络教学，贝叶斯网络，x m l r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f a d a p t i v ee l e a r n i n gs y s t e m a b s t l a c t e l e a r n m gs y s t e m ，b e m ga 铲e a tp r o d u c to fm o d e mi n f o m a t i o nt e c h n o l o g y ，i sa ni m p o r t a m m e a n s 士o rl m p l e m e n t l n ge d u c a t i o nj n f 0 哪a t j o n i z a t i o n m a n y e l e a r n j n gs y s t e m sh a v eb e e nd e v e i o p e di n r e c e n t y e a r s h o w e v e r ，m o s to ft h e ma r eu n a b l et oo r g a n i z ea n dp r e s e n te d u c a t i o nm a t e r i a l s a c c o r d i n gt oi n d i v i d u a ll e 锄e r sk n o w l e d g ea n d l e a m i n ga b i l i t y b a s e do nt h ea b o v er e a s o n i ti s e x t r e m e j yl n l p o r t a l l tt oa n a i y z ea n dc o n s t r u c ta 1 1a d a p t i v ee l e 锄i n gs y s t e mt h a ti s c a p a b i eo f g u i d i n g 咖d e n t si na c c o r d a n c ew i t ht h e i ri n d i v i d u a la p t i t l l t e g u i d e db yt 1 1 ec o n s t r u c t i o na n dd e s 细研n c i p 】e so fn l o d e me d u c a t i o n 出e o 吼t l l i sp a l ) e r p u t sf o r w 衄a na d 印t i v ea l g o r i t u 1 1f o ra d 印t i v ee l e 鲫f l i n gs y s t e m sb a l s e do nd e t a i l e dr e s e a r c h o ft h ed e f i c i e n c i e si nc u r r e n ts y s t e m s a d a p t a b i l i 妙a i l la d a p t i v ee l e 鲫1 i i 培s y s t e mi s d e s i 皿e d a n di m p l e m e n t e d t h em a i n w o r ka n d a c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf 0 1 l o w s ： 1 r e s e a r c ha n dd e s i 伊o fa d a p t i v ea l g o r i t h mf o ra d 印t i v ee l e a i t l i n g s y s t e m 1 1 1 i sp a p e r p u t sf o n a r da j la d 印t i v ea l g o r i t h mb a s e do nt h e b a y e s i 觚n e 铆o r k t h r o u g l la 1 1 a l y z i n ga 1 1 d r e s e a r c j l l n gc 硼r e n ta d a p t i v es t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m s i ti n c l u d e st h e d e s i g i l so fa d a p t i v e e l e 锄u n gs y s t e m sp r o t o 咖e ，t e a c h i n gs t r a t e g ) ，a d a p t a b i l i t yd i a g n o s i n g s t r a t e g y ，1 ( 1 1 0 w l e d g e p r e s e n t a t l o ns t r a t e g y ，a n da d a p t i v el e 啪i n gp a t hs t r a t e g y ，a n ds oo n 2 t h er e s e a r c hp r e s e n t st h ea d a p t i v ee - l e a r n i n gs y s t e md e s i g n ，i i l c l u d i n gt h ed e s i g no f s y s t e m 缸l c t i o n a lm o d e l s ，b u s i n e s sf l o w ，d a t an o w ，a j l dl o g i c a ld e s i 鲫o fd 撕b a s e 3 a d a p t i v ee - l e a r n j n gs y s t e mi m p 】锄e n t a t i o nu s i n gt e c h m q u e s1 i k ex m l ，s q ls e r v e r a s p ，j a v a s c r i p t ，锄ds oo n t 1 1 ea d 印t i v ee l e a r n j n gs y s t e mo ft h i sp 印e r h a sb e e nu 1 1 d e rt 、v o s e m e s t e r s ，t r i a lu s eo n c o u r s e sl i k e m u l t i m e d i at e c h n o l o g ) ，a n da p p l i c a t i o n ，c o m p u t e rs c i e n c eo v e n r i e w ，p 血c i p l e s o tc o m p u t e rn e t w o r k ，o b j e c t 。o r i e m e dp r o 舒锄d e s i g n i nn i n g b ou n i v e r s i t ) ro f t e c h n o l o g y 1n e s ec o u r s e sh a v ec o v e r e dm o r et h a nt e n c l a s s e sb o 也i n c l u d i n gu n d e r g r a d u a t e sa n di u f l i o r c o l l e g es t u d e n t s d 面n gt h et r i a lu s e ，t 1 1 es y s t e mh a sb e e nm n i l j n gs t e a d 订y t e s t ss h o wt h a tt h e s y s t e mh a sm e tl t se x p e c t e dp e 怕m a n c ew i t hp r e f e r a b l e a d a p t i v el e a m i n ge f | f e c t s a n df i n e s y s t e mp e 响咖a 1 1 c e t h er e s e 盯c ho ft h j sp a p e rh a sl a i dt 1 1 eb a s ef o rt m ei n t e l l e c t u a l o m i n e l e 锄m gs y s t e mt h a ti sa b i et o 硝瓷ra i li n d i v i d u a l i z e dq u a l i t ) ，e d u c a t i o nf o r e v e 巧s t u ( 1 e n t k e ，w o r d s ：a d a p t a b i l i 耽e l e a m i n g ，b a y e s i a nn e t w o r k ，x m l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 专叶 、 日期：功0 8 年f 一月乙y 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 人授权浙江工业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。 ( 请在以上相应方框内打“”) 黧r 毓燃、诫 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 网络教学概念 “网络教学( e 1 e a m i n g ，w e b b a s e dl e a r n j n g ) 是基于计算机管理的，在具有交互通信 功能的，由不同的传输网络构建的信息技术环境中，开展的所有教与学活动”【1 1 。随着信 息技术、网络技术和多媒体技术的飞速发展，网络教学逐步成为教学手段的发展趋势之一。 网络教学具有传统教学模式无可比拟的优点，创造了一种全新的教学模式，打破了传统教 学模式在时空上的限制。 在网络教学研究和应用系统开发中，适应性教学系统是受到广泛关注的。适应性教学 可以根据学生学习基础和学习能力，提供适合学生的教学内容，是满足个性化教学的有效 手段之一。发展适应性网络教学已经成为相关教育教学部门高度重视的工作。作为一个正 在发展的新生事物，适应性网络教学本身也成为是一项跨学科、富有挑战性的研究课题之 一 1 1 2 适应性网络教学系统的研究现状 适应性教学系统目前己成为国内外网络教学领域的研究热点。适应性教学系统为了提 供适应性，需要收集相关学生的信息，从而基于学生的个体特征，把适应性的内容和适应 性的导航链接呈现给该用户。g e r h a r dw 曲e r 提出使用覆盖模型( o v e r l a ym o d e l ) 进行学生 建模【2 】，覆盖模型把学生的知识看作专家知识库( 专家模块) 的一个子集，根据学生表现 与应掌握的基本内容相比较，来判断学生对知识的理解情况，从而实现向学生推荐相应的 学习内容。覆盖模型将学生要学习的领域知识及其约束关系表示成一个有向知识结构图， 学生的学习状态看作是此图的子图，学习过程看作是子图对原图的逼近过程。基于这种模 型的系统可以根据领域知识结构图和学生的知识状态图间的比较，得到学生的知识结构及 其缺陷。e l a i n ei u c h 提出的铅版模型( s t e r e o t y p em o d e l ) 【3 j 是一种简单的描述用户知识状 态的模型。它先将用户分组，利用刻板印象，为用户赋初值。如判定一个律师，他可能具 有公正的、正直的、受过良好教育的、在团体里面受人尊敬等属性，则将这些属性作为律 浙江工业大学硕士学位论文 师模型的初值。贝叶斯网络( b a y e s i a n n e t w o r k ) 是一种基于贝叶斯定理( b a y e s t h e o r e m ) 的图 形模式，它是一个有向的无回路图( d i r e c t e da c y c l i c 伊a p h ，d a g ) ， 每个节点都包含着一个 条件概率分布( c o n d i t i o n a lp r o b a b i l i t yd i s t m u t i o n ) ，而每个“有向连结”则描述各个节点之 间的因果关系【4 1 。近十余年来，贝叶斯网络作为一种强有力的不确定性知识表达与推理模 型，受到越来越多的重视，v i l l a n o 建议在教学系统应用贝叶斯网络1 5 】。适应性教学系统中 可以先应用贝叶斯网络实现课程知识体系的建构，生成通用学习路径；接着通过学习者的 用户特征文件以及贝叶斯网络推论获得节点之间的影响程度的先验概率表；最后根据学习 者能力判断算法来生成适合不同学习者的适应性学习路径，实现适应性教学。 现阶段，国外已经成功开发出s c h o l a r 、w h y 、s o p h e i 、e x c h e c k 等一些典型 的适应性教学系统【6 l 。其中s c h o l a r 系统能指导学生学习南美地理，它有两个特点：能 处理意外的学习询问和组织不同水平的教学：w h y 系统能进行降雨原因的教学，利用自 然语言来辅导学生学习气候方面的知识；s o p h e i 系统能讲授电子模拟实验技能，让学生 通过一系列的测量来诊断设备的故障；e x c h e c k 系统能提供逻辑、集合论和定理的证明 等方面的大学完整课程，系统使用方便，能进行简单的自然语言人机对话。这些系统把研 究的重点集中在学生模型与教师模型的精确表示上，系统己可以构造反映学生学习状况的 学生模型与体现教学方法与教学风格的教学模型，但由于它们大部分是单机版的操作环 境，而不是基于w 曲的，因此其用户相对较少，难以推广。 目前国内针对适应性网络教学系统的相关研究并不十分充分，己实现的具有实用价值 的适应性网络教学系统更少。北京师范大学的余胜泉、何克抗在基于i n t e m e t 网络的适 应性学习系统的研究1 7 1 一文中给出了基于i n t e m e t 适应性学习系统的结构设计，设计出的 适应性学习系统包括教学内容的适应性呈献、超媒体学习空间的适应性导航等功能，但其 并未给出学习者模型及相关适应性算法。华南师范大学的陈品德在其博士学位论文基于 w e b 的适应性学习支持系统研究中【8 1 ，提出了一套教学领域知识的组织和表示方案、用 户建模方法和体现智能适应性特征的学习支持系统结构模型，并开发了a t u t o r ( a d a p t i v e t u t o r ) 原型系统，但由于原型系统缺少评价模块，因此尚无实际课程使用该系统实现适应 性网络教学；由华东师范大学的祝智庭教授和首都师范大学的壬陆教授联合申请的教育部 科技司现代远程教育关键技术与支撑服务系统天地网结合项目个性化课件生成技术及相 关工具己于2 0 0 3 年9 月通过教育部项目验收【9 】o 该项目开发了个性化教学的多媒体课件 制作和生成工具，为不同个性特征的教师和学生进行智能化教学提供了技术手段。该项目 根据以学生为主体，教师为主导的教学理念，将数据挖掘技术、教学评价技术和主动数据 浙江工业大学硕士学位论文 库技术相结合，。形成了一个教师参与的半开放式决策支持系统，有定创新性。但该系统 中的教学策略是教师手工定制的，也没有实现个性化教学策略的自动生成；南京师范大学 的柏宏权在其博士学位论文适应性教学系统中个性化教学策略研究中【6 1 ，通过使用贝 叶斯分类器观察学生的学习行为来得到学生学习偏好，从而生成个性化的教学策略。但由 于其仅仅研究并构建了一个适应性智能教学系统原型，因此系统距离实用化尚有较长距 离。 1 1 - 3目前研究主要不足 在对国内外相关的具有适应性功能的网络教学系统进行研究后发现虽然每个产品都 在一定程度实现网络教学的相关功能，但大多数网络教学系统对适应性的支持力度不够， 具体表现如下 1 0 】【】： 1 适应性策略不完备。几乎所有已经推出的具有适应教学特点的网络教学系统，其适 应性的策略都是由学习者自己对自己的学习能力评估后，自己选择合适的教学内容。适应 性的依据是主观的，适应性教材内容也是主观的。学生自己对自己评价，很难反映学生实 际基础和能力状况。适应性本质上并没有，只是一种具有多种选择性的教学系统。 2 学习内容的个性化层次不够深入。无论是国内还是国外主办的网站，在课程和单元 层面的设计上都有个性化的设计。大部分学习环境都能为学习者提供较为丰富的学习内 容，学习者可以自由的选择学习内容。但对个性化学习的实施仅限于自由选择学习时间、 学习地点等简单的层面上，不能根据学习者个性的差异，动态的生成适合学生个性的学习 内容，并针对不同的学习者提供相应的指导。 3 大多数网络课程都限于讲授型的学习模式。这种做法忽略了学习者的情感、意志和 品质等方面的差异。 4 对学生的评价形式单一，激励机制欠缺。评价是教学中的一个重要的环节，在基于 网络的学习中也不例外。评价的目的在于判断学习者的知识成长状况，为适应学习者个性 特征提供决策。评价主要包括两个方面的内容：学习风格测量和知识状态评价。大多数网络 课程忽视了对学习者个性特征的测量，都采用成就测试，评价主要集中在书面知识的掌握， 忽视了对学生在情感体验、探究能力、协作精神等方面的测试。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 研究内容及论文组织 1 2 1 研究内容 本课题的研究内容主要包括以下三个方面： 1 、适应性网络教学系统的适应性算法研究和设计 一个适应性教学系统的关键在于适应性策略，本文在分析和研究现有适应性策略及算 法的基础上，提出了基于贝叶斯网络的适应性算法，设计了适应性网络教学系统的原型、 教学设计策略、适应性诊断策略、知识表示策略以及适应性导航策略等。 2 、适应性网络教学系统的设计 根据网络教学系统的实际需求，结合适应性要求，给出适应性网络教学系统总体设计， 包括功能模块划分设计，业务流、数据流设计以及数据库的逻辑设计等。 3 、适应性网络教学系统的实现 本课题拟采用x m l 、f l a s h 以及a s p 等技术等技术开发一个可供日常教学使用的适应 性网络教学系统，创造一个开放式教育和学生自主学习环境，实现以教师为主导，学生为 主体，系统为保障的适应性教学模式，展现适应不同学生知识结构特点的适应性教学内容。 实现后的系统希望达到以下要求： 1 规范性：教学内容建设必须符合国家教育部精品课程建设规范，符合现代网络教 学资源建设要求； 2 适应性：系统的目标是能够根据学生学习能力、自身知识结构缺陷及学习内容选 择，智能、灵活、便捷地组织、生成、展示适应性的教学内容，真正实现个性化、 适应性教学； 3 实用性：系统的目标应该是减轻教师的教学管理工作量，培养和增强学生的学习 兴趣。 4 安全性：系统要实现基于角色的访问控制，防止非法用户的侵入。用户申请某种 服务时，必须经过身份验证和权限控制两级合法性检查，用户对数据库的访问权 限也受到系统的控制，充分保证系统运行时的安全性； 5 易维护性。一个交互性强的适应性网络教学系统的复杂性可想而知，因此在设计 系统时应充分考虑它的运行、管理和维护问题，尽可能的实现运行速度快、管理 方便、维护容易的目标； 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 论文的结构安排 本论文共分为六章，各章安排如下： 第1 章：绪论。介绍适应性网络教学系统的概念、研究现状及研究内容。 第2 章：理论基础及相关技术。介绍相关的理论依据及技术手段，重点介绍现有的适 应性策略或算法。 第3 章：适应性算法的设计。本部分在分析和研究现有适应性策略及算法的基础上， 提出了基于贝叶斯网络的适应性算法，给出了适应性网络教学系统的原型、 教学设计策略、适应性诊断策略、知识表示策略以及适应性导航策略等的设 计。 第4 章：适应性教学系统的设计。本部分根据网络教学系统的实际需求，结合适应性 要求，给出适应性网络教学系统总体设计，包括功能模块划分设计，业务流、 数据流设计以及数据库的逻辑设计等。 第5 章：适应性教学系统的实现。本课题采用x m l 、f l a s h 以及a s p 等技术等技术开 发一个可供日常教学使用的适应性网络教学系统，本部分详细描述了包括学 生学习系统、教师工作系统的适应性网络教学系统的运行环境、用户界面以 及系统使用情况等内容。 第6 章：总结与展望。对本课题的研究成果进行了总结，并且对下一步的工作进行了 展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章理论基础及相关技术 2 1 适应性网络教学的理论基础 2 1 1 建构主义理论 从认知科学的现代研究角度，教学理论模型经历了3 个发展阶段：行为主义理论、认 知主义理论和建构主义理论】。行为主义理论建立在“刺激反应联结 基础上，认为反应 ( 行为) 是刺激的函数，并通过正、负强化建立起反应( 行为) 与刺激间的固定关系。其 本质是强调外部刺激，而将学习体视为黑盒，完全排除学习体的主观能动。认知主义理论 认为世界是由客观实体及其特征、客观实体问的关系构成，强调学习体内部的认知过程， 即学习体针对来自于外部客观世界的信息，其内部是一个信息加工处理过程，最终形成概 念、知识。外界仅仅是通过多元化信息表达，以激励学习体的学习兴趣和动机。其本质是 强调学习体自身的主观能动性，而忽视或淡化外部，尤其是教师主体的主观能动性。建构 主义理论是认知主义理论的理性发展，从认识论的角度科学地研究学习的整体过程。一方 面突出学习体的主观能动性，强调学习体本身的整体性认知结构，特别是学习体己有的认 知结构( 经验和知识) 在新的学习过程中的重要作用( 主动知识建构) 。另一方面，又强 调教师主体在学习体自主学习过程中所起的主导作用，即如何发现各学习个体的已有认知 结构，并据此采用适当的方法和手段，有目的地帮助每一个学习个体的主动建构，并针对 不同的学习体采用不同的教学策略。 从目前各类教学系统的所依据的教学理论上看，我们可以将它们划分为三个阶段：第 一代教学系统以行为主义理论为指导，“题库”、“习题训练 是它的主要特征和核心内容； 第二代教学系统则以认知理论为指导，主要内容包括大量的复习和辅导；第三代教学系统 以建构主义理论思想为指导，注重交流与协作，注重教学情境的设计，强调学习者主体性 和创造性的发挥( 见表2 1 ) u 1 1 。 本课题所研究、开发的网络教学系统以建构主义理论思想为指导，注重交流与协作， 注重教学情境的设计，强调学习者主体性和创造性的发挥，强调“适应性网络教学。 浙江工业大学硕士学位论文 表2 1 三个阶段教学系统的比较 第一代第二代第三代 教学理论 行为主义认知理论 建构主义理论 教育指导思想应试教育应试教育向素质教育素质教育，以全面提 过渡高学生素质为目的， 以“快乐”和“高效” 为教学过程的原则 教学原则以操作训练为中心，以教为中心，重在教以学为中心，重在学 重在刺激、呈现和训授与辅导 习 练 计算机的作用数据处理工具和存储教与学的辅助工具，认知工具和学习情境 工具，电子黑板是知识的载体 教学方法呈现、刺激、反应、知识结构、认知结构、探索、发现、情境创 强化 指导、教授设、协作、会话、人 机交互、意义构建、 游戏 表现形式习题训练型复习辅导型主动参与型 2 1 2 个性化教学理论 个性化教学的思想，最早可以追溯到我国春秋时期的孔子的“因材施教”，自古以来 它就是一条重要的教学原则【1 2 】。所谓“材”，是指学生之间的个体差异，“因材施教”就是 根据学习者之间个性心理特点及知识、能力表现从实际出发，采取不同的途径、措施和方 法进行教育和教学。“因材施教”就是个性化教学理念的实际应用。 个性化教学作为一种新的教学观，是伴随着近些年来教育改革的发展，针对传统教育 大统一的弊端提出来的，它是以学习者原有的知识经验和个性特征为基础，以学习者内在 需求为核心，以每个学生能力与个性的自由、充分、和谐发展为目标而实施的教学活动。 本课题的研究目标就是要开发一个实用的网络教学系统来开展个性化教学。这种个性 化教学方式体现了许多不同于传统教学的特性，如目标制定的多元性、学习的自主性、学 习过程的独特性、反馈的及时性与技术的支撑性等。 ( 1 ) 目标的多元性。每个学生都拥有多种独立的智能，这些智能的组合分配对于每 个学生来说都是不同的，因此当我们来考核教学目标的达成情况时，不能用一个僵死的统 一标准来衡量，而允许有不同的标准。网络环境下的教学设计根据每个学生的学业基础水 平、学习特点制定合理的学习目标，当一个学习阶段结束，目标达成之后，学生又进入另 一个学习过程，不停的循环过程促使学生在某一目标领域达到最大限度的发展。因此，在 网络环境下的教学设计活动中，学生的学习目标可以是“量身定制”且动态发展的。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 学习的自主性。在网络环境下的教学设计强调学生是学习活动的主体，学生学 习的效果取决于学生的学习方式与参与教学活动的程度。传统教学设计一般都由教师完， 成，对于学生来说设计教学的过程是一个“黑箱”。然而，网络的介入将改变这种局面。 学习主要是学生自己的事情，教师主要是以帮助者、咨询者与指导者的身份出现在教育活 动领域。 ( 3 ) 学习的独特性。学生学习目标的多元性以及学习过程的自主化，决定了每个学 生进行的学习都是带有个人特质的学习。学生可以根据自己的喜好、周围的社会环境等选 择最佳的学习方式。自我设计是人的创造本能，个体趋向于按照自己的理想的方式来安排 学习、生活。自我设计下的学习折射出多元化的设计理念，充分体现学生个性特点。 ( 4 ) 反馈的及时性。传统教学设计对学生学习结果的反馈与评价一般主要以知识理 解与否为标准。而且处于技术落后和工作强度等原因，反馈一般是滞后的。网络环境下的 教学设计则可以充分借助于网络技术，系统或教师可根据收集的“实时”信息及时为学生 的学习做出评价和反馈，学生能及时了解自己的学习情况，调整自己的学习方式，从而达 到更好的学习效果。 ( 5 ) 技术的支撑性。网络环境下的教学设计强调充分利用信息技术手段进行基于问 题、基于资源、基于合作、基于研究等方面的学习，通过网络使学生在合适的情境中主动 建构知识。 2 1 3 教学设计理论 教学设计是运用系统方法分析教学问题和确定教学目标，建立解决教学问题的策略方 案、试行解决方案、评价试行结果和对方案进行修改的过程【12 1 。它以优化教学效果为目的， 以学习理论、教学理论和传播学为理论基础。 教学设计综合了教学过程中教学目标、教学内容、教学对象、教学策略、教学媒体、 教学评价等在内的诸多基本要素，并运用系统方法对教学过程加以模块化。我国教育心理 学家邵瑞珍等从现代教育技术学的角度对完整的教学过程进行了分析，这一过程也可以看 作是教学设计的过程( 见图2 1 ) 【1 1 1 。 2 1 4 交互理论 交互理论指出学习是交流与合作的过程，教育者与学习者的互动是教育工程的基本特 征，是教学过程中不可缺少的环节【1 1 1 。教学过程中，交互不仅发生在学习者和知识传递者 之间，更发生在学习者与知识本体之间以及相关学习者之间。 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 教学设计模式图 杜威是最早提出积极的经验学习和合作的经验学习这样的概念【j i 】，几乎在一百年后才 有了应用和实现这种教育思想的工具和媒体计算机网络。在杜威的理论中，“交互性 和连贯性”是有效的教学与学习的核心要素，交互性突出了学习过程中的对话和交互的重 要性，连贯性强调了个体学习者必须被视为关键性的设计要素。也就是说，我们所设计的 教学必须让每个学生都能够有效地建立起自己的知识体系，并为他们提供资源和指导。 虽然交互对于教学如此重要，但在网络教学中不能滥用交互，过多的交互会对教学造 成干扰。因此，如何使用交互、设置交互、组织交互要有一定的目的性和计划性，只有对 交互进行科学合理的设计，才能使教学过程中各个教学要素之间的信息交流更加富有成 效，提高网络教学的效率。本课题“适应性网络教学系统交互功能的设计遵循了以下原 则： 1 主体性原则：“学习者为主体，教师为引导是整个系统交互设计的核心指导思想， 始终把学习者放在交互主体的位置上，把教师作为交互的引导者。在进行交互设计时，以 让学习者获得最好的交互效果而服务为基本原则，所有交互设计都具有实际的意义。 2 适应性原则：我们结合交互媒体类型( 课程电子教案、与课程相关的各类多媒体 一0 一 浙江工业大学硕士学位论文 资料、论坛、各类测试等) 、交互类型( 学习者教师交互、学习者内容交互、学习者学习 者交互) 、课程性质( 理论为主、实践为主、理论实践并重) ，为不同类型的学习者设计所 适用的交互方式，教师引导程度不尽相同。 3 。目的性原则：从学习者的角度看，交互增强了他们在网络教学环境中的参与感和 现实感；从教师的角度来看，设计交互的目的是为了掌握学习者的动态，更好地为教学服 务；从技术人员的角度看，交互设计是为了推动网络教学的人性化。 4 简约性原则：在设计交互时，尽量简化媒体技术的复杂程度，尽可能选用一些较 为简单、普遍的技术手段。本课题选用了目前广泛应用的f l a l s h 技术作为交互媒体技术的 基础，使网络环境下的交互变得简洁明了，屏蔽了系统的技术复杂性，降低对使用者的技 术要求，保证了网络教学交互的良好效果。 5 导航清晰原则：导航设计是交互设计不可或缺的一个环节。本课题采用了知识导 航设计策略，保证了导航的清晰，有效防止了学习者出现“信息迷航”。 6 开放性原则：网络教学模式必须是开放的、个性化的及动态增长的。基于开放性， 允许不同的教学主体或学习主体将其有效的教学模式、教学方法、学习策略及认知结构等 加入系统，以便其它主体共享，从而使教学资源随着应用的发展而动态增长。 2 2 贝叶斯网络 近十余年来，贝叶斯网络( b a y e s i a nn e m o r k ) 作为一种强有力的不确定性知识表达与推 理模型，受到越来越多的重视。适应性教学系统中可以先应用贝叶斯网络实现课程知识体 系的建构，生成通用学习路径；接着通过学习者的用户特征文件以及贝叶斯网络推论获得 节点之间的影响程度的先验概率表；最后根据学习者能力判断算法来生成适合不同学习者 的适应性学习路径，实现适应性教学。 贝叶斯网络是一种基于贝叶斯定理( b a y e s t h e o r e m ) 的图形模式，是一种非常强大的知 识表现方法和推论工具。它是一个有向的无回路图( d i r e c t e da c y c l i cg r a p h ，d a g ) ，每个节 点都包含着一个条件概率分布( c o n d i t i o n a lp r o b a b i l i 够d i s t r i b u t i o n ) ，而每个“有向连结 则 描述各个节点之间的因果关烈1 3 1 。 定义 贝叶斯网络是一种图形结构，其特点如下所述【1 4 】。 - 此图形是一个有向的无回路图( d i r e c t e da c y c l i cg r a p h ，d a g ) 。 在图形中，每个节点都代表着一个随机变量( m d o mv 撕a b l e ) 。 一1 0 一 浙江工业大学硕士学位论文 一 当“有向连结”二_ 一x 指到y ，表示x 会影响y 。 图2 - 2 是一个有名的贝叶斯网络范例( 洒水系统，t h es p r i n k l e rn e t w o r k ) 【4 】a 在贝叶斯 网络中有两个最重要的概念：“条件独立性( c o n d i t i o n a l i n d e p e n d e n c e ) 和“贝叶斯定理”。 圈 图2 2 洒水系统 2 2 1 条件独立性 定义 给定随机变量集合z ，如果随机变量集合x 的概率分布不受随机变量集合y 取值的影响，则称随机变量集合x 条件独立于变量集合y 【1 4 1 ，记着： o r v 孓l t ) kz 1 p 岱= x y = y hz = z = p ( ，x = x z = z j pp ( y z ) = p0 ( z ) 在b a y e s i a i l 网络中的任一节点而，在给定其父节点的情况下，条件独立于任何x ，的 非子孙节点集合，即： p ( x i a ( x ) p n r e m s ( x i ) ) = p ( x i p n r e n t s ( x 1 ) ) 其中：p 甜e m s ( x ) 表示x i 的所有父节点a ( x - ) 表示任一x t 的菲子孙节点集合。 因此在图2 3 的情形下，c 和a 是条件独立的，即： p ( c a b ) = p ( c b ) 浙江工业大学硕士学位论文 c b 伊o 图2 3 条件独立性 由上述所知，在贝叶斯网络中，每个节点都代表着一个随机变量，而这些随机变量为 联合概率分布( j o i n tp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n ) ： p 向。，列2 兀p 伍，l 尸甜p 玎豳俐 ，= l 其中：p q r e n t s ( x ) 是x t 的所有父节点o 2 2 2 贝叶斯定理 贝叶斯定理的描述如下： 假设s ，品是样本空间s 的分割，且有一个事件e ，则在e 发生的情况下( 图2 4 ) ， s i 发生的概率可以表示为【1 4 】： 图2 4 概率样本空间 删习2 警 一p ( e i s ) 尸( s ) 尸( es ) p ( s ) - 尸例： 事前概率( p r i o rp r o b a b i l i 够) - 尸俾i 剐：样本概率( s a m p l ep r o b a b i l i t ) ，) 尸儡i 习：事后概率( p o s t e r i o rp r o b a b i l i t ) ，) 由于贝叶斯定理可以结合事前概率即经验值与样本概率，因而和传统的统计方法来比 较，贝叶斯定理能有效的利用有限的样本信息。并且由于引入了经验值，所以在分析数据 时不需太多的样本信息就可以得到理想的统计数值。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 3 贝叶斯网络的推论 “推论”是贝叶斯网络最主要的用途。当贝叶斯网络的结构及概率参数学习完成之后， 接着以己知的变量为证据来推论其它的变量的概率值。 图2 5 为“计算机网络原理 这门课程部分知识点的贝叶斯网络图，图中各个随机变 量和值的定义如表2 2 所示： p ( i l ) = 0 2 p ( t l l i l ) = 0 6 5 p ( t l i i 2 ) = o 0 5 p ( c l i t l ，u 1 ) = 0 8 5 p ( c l l t l ，u 2 ) = 0 7 p ( c l i t 2 ，u 1 ) = o 5 p ( c l l t 2 ，u 2 ) = o 0 5 图2 5 范例 表2 2 定义 o 7 o 0 l p ( s l i u l ) = 0 8 p ( s l l u 2 ) = 0 0 0 1 变量值定义 l l掌握i p 的知识 口 1 2 不掌握i p 的知识 t l掌握t c p 的知识 t c p t 2 不掌握t c p 的知识 u l 掌握u d p 的知识 u d p u 2不掌握u d p 的知识 c 1 掌握c o n n e c t i o n 的知识 c o n n e c t i o n c 2 不掌握c o r u l e c t i o n 的知识 s l 掌握s n m p 的知识 s n m p s 2不掌握s n 脚的知识 若当某学生掌握了s n m p 的知识，那他掌握u d p 的知识的概率有多大? 尸两li u j = d 8 尸凸l l u = 0 d d ， 一1 3 浙江工业大学硕士学位论文 上面式子是由图2 5 得知，并假设从以前的经验知道每1 0 0 0 人中，就会有5 个人掌 握u d p 知识。 p ( u l ) = o 0 0 5 而我们要推论他掌握u d p 的知识的概率多大，在这里我们可以很简单的用贝叶斯定 理来做推论。 p m i x 一 p ( s liu 1 ) p ( u 1 ) p ( s liu 1 ) p ( u 1 ) + p ( s l u 2 ) p ( u2 ) 一 ( 0 8 ) ( o 0 0 5 ) ( o 8 ) ( 0 0 0 5 ) + ( 0 0 0 1 ) ( 0 9 9 5 ) = d 8 0 1 由上面可知，他得到他掌握u d p 的知识的概率为o 8 0 l 。 2 3 实现系统所涉及的相关技术 2 3 1x m l 技术 l 是e x t e n s i b l em a r k u pl a l l g u a g e ( 可扩展标记语言) 的缩写，) a l 是目前w e b 上普遍使用的超文本标记语言h t m l 的下一代，它实际上是一种用于自定义特定的数据标 记语言的元语言( m e t al a j l g u a g e ) 【15 1 。1 9 9 8 年2 月，万维网协会w 3 c ( w 硎dw d ew 曲 c o n s o r t i u m ) 发布了x m l l 0 规范并正式推荐使用【1 6 】。 x m l 在标准通用标记语言s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k e dl a n g u a g e ) 基础上， 去掉语法定义部分，适当简化文件类型描述d t d ( d o c u m e n tt y p ed e f i l l i t i o n ) 部分，并增加 了部分互联网的特殊成分，因此x m l 基本上是s g m l 的一个子集。同时因为x m l 也有 d t d ，所以x m l 可以作为派生其他标记语言的元语言。w 3 c 组织制定x m l 标准的初衷 是定义一种互联网上交换数据的标准，其目的在于使得在w 曲上能以现有超文本标记语言 h t m l 的方式提供、接收和处理通用的s g 池成为可能。x m l 的设计既考虑了实现的方 便性，同时也顾及了与s g m l 和h t m l 的互操作性。在w 3 c 的推动下，x m l 正以其自 身的优势，逐渐成为网络世界的“国际语言”。 浙江工业大学硕士学位论文 x m l 的应用将大量运算负荷分布在客户端，即客户可根据自己的需求选择和制作不同 的应用程序以处理数据，而服务器只须发出同一个x m l 文件，就可将处理数据的主动权 交给客户，服务器所作的只是尽可能完善、准确地将数据封装进x m l 文件中。x m l 的自 解释性使客户端在收到数据的同时也理解数据的逻辑结构与含义，从而使更广泛、通用的 分布式计算成为可能。因此采用x m l 技术能够有效降低服务器负载，提高同时在线服务 用户数量【1 7 】。 x m l 提供了一种结构化的数据表示方式，使得用户界面独立于结构化数据。x m l 文 档结构可以进行任意复杂的层次嵌套，甚至能表示面向对象的等级层次。x m l 具有很强的 描述能力，x m l 定义了应用间传递数据的结构，而且这种结构的描述是一种简单的、能够 用通用编辑器读取的文本。利用这种机制，我们可以制定底层数据交换的规范，然后在此 基础上开发整个系统的各个模块，而各模块之间传输的数据将是规范的符合既定规则的数 据【1 8 】。本课题拟采用x m l 作为网络教学所涉及的异构数据源的中介数据格式，如图2 6 所示。 网络教学所涉及的异构数据源大体上可以分三种：x m l 纯文本文档，关系型数据库， 其他各种应用数据( 如：声音、图形、图像、视频、动画等多媒体文件、w w w 上的h t m l 文件等其他格式的文件等) 【1 9 】【2 0 】【2 1 1 。通过x m 集成异构数据源时，数据的存取机制如图 2 7 所示。 对于x m l 文档，可以通过d o m ( d o c 啪e n t o b j e c tm