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东北大学硕士学位论文 摘要 网络课程中自适应学习技术的研究 摘要 信息技术突飞猛进地发展和计算机网络地日益普及，给现代教育技术带来了千 载难逢的发展机遇。现代教育理论与信息技术的融合，促使了现代远程教育的产生 和发展。现代远程教育以计算机网络( 以及卫星数字通讯) 技术为支撑，利用计算 机、通讯和多媒体等技术和现代教育理论，把教与学有效地结合起来，把各种教育 资源有效地利用起来。在现代远程教育工程中，网络课程建设是基础，资源建设是 核心，教学应用是目的。 首先，本文综述了网络课程的定义和缺点，在此基础上提出了自适应学习技术， 叙述了自适应学习技术的概念和优点。其次，本文介绍并扩展了信任向量理论，介 绍了a h p ( a n a l y t i c a lh i e r a r c h y p r o c e s s ) 方法。再次，本文在国内外对学习对象元 数据研究的基础上提出了一个学习对象模型，并在常规学习资源组织和管理方法基 础上使用学习对象统一了课程结构和学习资源，讨论了查找学习对象的方法。然后， 本文基于常用的学习者模型和心理学、教育学相关理论，提出了一个包括学习者评 价信息和学习者个性特征信息的学习者模型，使用扩展的信任向量理论和a h p 方法 提出了学习者认知能力、难度掌握能力、学习成绩、学习能力等学习评价信息，提 出了学习者偏爱的学习素材、偏爱的学习时间等学习者个性特征的定量计算方法。 最后，本文依据上述理论研究，设计并实现了一个自适应学习系统。 关键词：网络课程；自适应；学习对象模型：学习者模型 东北大学硕士学位论文a b s t r a e t r e s e a r c ho ns e l f - a d a p t i v el e a r n i n g t e c h n o l o g y i ne l e a r n i n g a b s t r a c t m o d e r ne d u c a t i o nt e c h n o l o g yg a i n sc h a n c eo fd e v e l o p m e n tt h a tn e v e re x i s t e d b e f o r ed u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ed a i l yp r e v a l e n c e o fc o m p u t e rn e t 、o r k s t h ec o m b i n i n go fm o d e r ne d u c a t i o nt h e o r ya n di n f o r m a t i o n t e e h n o l o g y , g i v eb i r t ht oa n db o o s tm o d e md i s t a n c ee d u c a t i o nw h i c hi sf o u n do n c o m p u t e rn e t w o r k s m o d e r nd i s t a n c ee d u c a t i o n ，w h i c hm a k e su s eo fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dm o d e r ne d u c a t i o n t h e o r y , e f f e c t i v e l yc o m b i n e st e a c h i n ga n dl e a r n i n g ，a n de f f e c t i v e l yu t i l i z e se d u c a t i o n r e s o u r c e s e l e a r n i n gl a y st h ef o u n d a t i o no f m o d e md i s t a n c ee d u c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ed e f i n i t i o na n dt h ed e f e c to fe l e a r n i n gi sd e s c r i b e d ，s e l f - a d a p t i v e l e a r n i n gi si n t r o d u c e dd u et ot h ed e f e c to fo r d i n a r ye - l e a r n i n g b e l i e fv e c t o rt h e o r yi s i n t r o d u c e da n de x t e n d e d a n da h p ( a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ) m e t h o di si n t r o d u c e d an e wl e a r n i n go b j e c tm o d e l ，w h i c hu n i f i e sc o u r s es t r u c t u r ea n dl e a r n i n gr e s o u r c e ，i s g i v e nb a s e do nc u r r e n tr e s e a r c ho nl e a r n i n go b j e c tm c t a d a t a al e a r n e rm o d e l ，c o n t a i n i n g l e a r n i n ga s s e s s m e n ti n f o r m a t i o na n dl e a r n e rp e r s o n a l i 哆i n f o r m a t i o n ，i sd e f i n e db a s e do n s o m es t a n d a r d sa n dr e s e a r c hp a p e r s b a s e do ne x t e n d e db e l i e fv e c t o rt h e o r ya n da h p m e t h o d ，l e a r n e r sl e a r n i n ga s s e s s m e n ti n f o r m a t i o n ，s u c ha sc o g n i z a t i o na b i l i t y , d i f f i c u l t y c o m m a n d i n ga b i l i t y , l e a r n i n ga b i l i t ya n dl e a r n i n ga c h i e v e m e n t si sc a l c u l a t e d ，a sw e l la s l e a r n e r sp e r s o n a l i t yi n f o r m a t i o n ，s u c ha sp r e f e r r e dl e a r n i n gm a t e r i a l ，p r e f e r r e dl e a r n i n g t i m e as e l f - a d a p t i v es y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h ee n da c c o r d i n gt ot h e r e s e a r c ha b o v e k e yw o r d s ：e l e a r n i n g ；s e l f - a d a p t i v e ；l e a r n i n go b j e c tm o d e l ；l e a r n e rm o d e l 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：家雷己、 签字日期： 7 。6 耷爿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即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磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否则视为同意) 学位论文作者签名：摩每皂， 签字日期：7 。略f 月 导师签名：差王砚 ， o 签字日期：“b 却mn b 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 信息技术突飞猛进的发展和计算机网络的日益普及，给现代教育技术带来了千 载难逢的发展机遇。现代教育理论与信息技术的融合，促使了现代远程教育地产生 和发展。现代远程教育以计算机网络( 以及卫星数字通讯) 技术为支撑，利用计算 机、通讯和多媒体等技术和现代教育理论，把教与学有效地结合起来，把各种教育 资源有效地利用起来。现代远程教育具有时空自由、资源共享、系统开放、便于协 作等优点【。 现代远程教育正在世界范围内轰轰烈烈地开展。高校方面，一些高校已经开展 了远程网络教育，不管是青年学生还是在职工作人员都可以接受远程网络教育；企 业方面，一些大企业尤其是跨国公司的员工培训学习课程都采用远程网络教育的方 式。 在现代远程教育工程中，网络建设是基础，资源建设是核心，教学应用是目的。 2 0 0 0 年，高教司下发了“关于实施新世纪高等教育教学改革的通知”( 教高 2 0 0 0 1 l 号) 。通知中明确了现代远程教育资源建设的内容包括网络课程建设、素材库建设、 远程教学试点、教学支撑平台、现代远程教育管理系统及信息网站建设、远程教育 工作者培训、现代远程教育研究和法规建设等。网络课程是网络教学的基本单元， 也是网络教学的重大支持条件。因此，资源建设工作的重点是网络课程建设，网络 课程建设是核心中的核心。 但是由于网络课程建设也有不足之处，为了提高网络课程的教学效果，需要系 统具有一定的商业智能，能够察觉学习者的共性和个性、优势和不足之处，因此自 适应学习技术被提出，并运用于网络课程中。 1 1 网络课程 白适应学习技术的提出就是为了解决现阶段网络课程建设中忽视学习者的个性 和主体地位，导致学习者学习积极性低，主动性不高。因此，我们首先了解一下什 么是网络课程和网络课程有什么缺点。 1 1 1 网络课程的定义 国际上，现代远程教育的研究人员常提到e l e a r n i n g 。e - l e a r n i n g 已有几十年的 发展历史。计算机发明之后，教育工作者就看到了使用计算机教学的潜在可能；随 东北大学硕士学位论文第一章绪论 着i n t e r n e t 的迅速普及，e - l e a r n i n g 也取得了爆炸式的发展。许多人以不同的方式给 e 1 e a r n i n g 下了定义。现将e 1 e a r n i n g 的定义归纳如下： ( 1 ) e 1 e a r n i n g 是与信息、通信、教育和培训相关的学习活动【2 】【3 】； ( 2 ) e l e a r n i n g 向学习者提供多媒体学习素材的方式有因特网、局域网、 c d - r o m 、d v d 、通讯卫星、广播电台和电视，其中通过因特网、局域网由w e b 浏览器展现是主要方式； ( 3 ) e 1 e a r n i n g 的目的是给学习者提供所需的知识和技能； ( 4 ) e - l e a m i n g 涵盖了包括基于w e b 的学习、基于计算机的学习、虚拟教室和 数字协作在内的广泛的学习活动。 与e - l e a r n i n g 相似的概念还有o n l i n el e a r n i n g 、w e b b a s e dl e a r n i n g 、i n t e m e t - b a s e t r a i n i n g 、w e b - b a s e dt r a i n i n g 等。 我国高等教育司指出，网络课程是“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，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”【4 】。这是我国教育工作者多年实践的高度总结， 也正在指导着我国网络课程开发的实践。 1 1 2 网络课程存在的问题 网络课程是。个新生事物，网络课程的开发时间短，实践经验少，人才和技术 的储备不充分，也存在一些问题，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 注重内容呈现，忽略远程教育的教学设计，特别是教学活动和教学环境 设计 网络课程具有教与学时空分离的特点，学习者是认知的主体，学习过程就是积 极参与、主动选择、意义建构的过程。现阶段的网络课程多数都比较注重教学内容 的呈现，轻视学习环境与学习活动的设计，互动性差，情趣性差，对于建构主义要 求的研究性自主学习、情境学习、协作学习等的组织和实施手段更是匮乏【5 】。这样 大大降低了网络课程的有效使用，使网络课程的许多内在的优势得不到充分发挥， 从而直接影响教学实际效果。 ( 2 ) 教学环境中人工智能的使用水平不高 一个优秀的人工智能教学环境设计体现在以下几个方面：对学习者的知识结 构、学习能力、学习偏好、认知特点的动态了解；根据对学习者的了解，采取自适 应的教学方法，动态呈现符合学习者特点的学习素材给学习者；对学习者学习状况 的管理、跟踪、统计和分析：对学习者学习前、学习过程中、学习之后给出相应的 评价，对教师教学风格、教学态度、教学能力的评价：允许学习者用自然语言与计 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 算机对话【5 】。 ( 3 ) 教学评价的方式单一 评价与反馈是教学设计中必不可少的环节。目前网络课程的评价仅限于教师对 学习者的评价，很少有系统对教师、教学资源和学习者的评价。对学习者的评价形 式也多为作业和考试。 ( 4 ) 对自适应学习、个性化学习的支持力度不够 目前的网络课程提供了对不同的学习者可以根据自己的情况灵活安排学习时 间的支持，提供了对个别学习者答疑的支持。但是每个学习者的学习水平、学习能 力、知识结构、认知特点、学习偏好都是不一样的，目前的网络课程基本上没有体 现学习者的自适应特征，对自适应学习、个性化学习的支持还需加强。 1 2 网络课程中的自适应学习 网络课程的教学是在网络上实施的，它可以接纳不同年龄、不同身份、不同文 化背景、不同地域、不同知识水平、不同学习能力、不同知识结构、不同认知特点 的学习者。在网络课程的学习过程中，学习者只有根据自己的特点学习，才能收到 更好的学习效果。目前，国外已经开展了一系列与网络课程学习方式和学习效果有 关的心理因素研究。r a s m u s s e n 和d a v i d s o n 的研究表明：适应学习者学习特点的学 习素材能够很好的帮助学习者实现自适应学习，提高学习效果和学习成绩。 1 2 1 自适应学习的提出 当前网络课程考虑到学习者在时间、地点和学习进度上的不同特点，具有一定 的自适应学习特点，但总体上对自适应学习的支持不充分，表现在以下方面： ( 1 ) 学习内容的组织固定，没有体现学习者的知识结构和学习水平 大多数网络课程内容都是按教学单元固定组织的，某些学习者已经学习过的教 学单元，学习者也得重新学习，而有些学习者不具备的背景知识，课程中未能指出。 碰到此类问题时，学习者沮丧的心情，可想而知，这会影响学习者的学习情趣，进 而影响到学习效果和学习成绩。 ( 2 ) 学习内容的呈现呆板，没有考虑学习者的学习偏好和认知倾向 网络课程内容的呈现上已经有音频、视频、网页、p p t 等多种形式，使学习者 的多个感官同时接受信息，在一定程度上提高了学习者的学习效果。尽管如此，但 是学习者的感官能力是不一样地。有些学习者习惯于阅读文本素材，有些学习者习 惯于看视频，有些学习者习惯于听讲。若某种呈现方式是学习者不习惯的，他的学 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 习效果就会受到较大的影响。 ( 3 ) 学习活动的设计不灵活，没有考虑学习者的认知特点和学习能力 目前网络课程的学习活动主要是学习者看视频、读网页、问问题、做作业。这 些学习活动在一定程度上帮助了学习者掌握知识和技能，但是有些学习者善于探索、 发现问题，有些学习者喜欢协作、交流，有些学习者善于反思、总结。只有体现他 们这些不同的认知特点，才能更好发挥他们的学习特长，提高他们的学习效果。对 于学习能力比较强的学习者，也没有必要强迫他们必须参与这么多的学习活动，这 样很容易使他们产生抵触情绪。 ( 4 ) 学习评价的形式单一，不能动态反映学习者的学习状态 评价形式单一，没有学习者学习前的诊断性评价和学习过程的形成性评价，只 有通过作业和考试得出的总结性评价。 1 2 2 自适应学习的概念 在网络教学中，自适应与各种不同系统的特点和性能有关。“如果是自适应的， 它能够监视学习环境，监视学习者的学习活动，基于特定范围的模型解释学习活动， 依据学习活动推测学习者的需求和喜好，并用相关的模型表现出来，最后基于对学 习者和学习对象的认识，动态的推进学习过程。【6 】，自适应的学习行为可分为：自 适应交互，自适应课程传递、内容发现和集成，自适应协作支持。 个性化是指“个体在群体中发展自己的个性，使个性形成自适应的过程或行为” 【7 1 。 个性化学习是指“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 的需求为核心，以学习者能力与个性的自由、充分、和谐发展为目标而实施的 学习活动【7 】”。 “个性化学习是具有或体现学习者个性的学习如在学习目标、学习内容、 学习方式、学习手段、学习风格、学习策略等方面充分体现个人的特色和特长。它 是一种以承认学习者在社会背景、智能背景、态度价值、情感和生理等方面存在差 异为前提，努力使学习者的个性特征与学习环境之间达到一种平衡，使学习者的素 质得到全面提升，培养具有完善个性的人的学习理念【引。” 网络课程中的个性化学习就是在网络教学环境中进行的个性化学习。网络课程 中的自适应学习与个性化学习是相似的，两者都以学习者需求作为出发点，在学习 过程中，系统都会根据学习者的知识结构和特点，提供最适合的学习内容。不同的 是个性化学习更加强调学习过程中学习者主动选择学习素材；而自适应学习更加强 调系统对学习者的适应，根据学习者的情况，动态组织学习素材，安排学习活动。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 自适应学习的优点 ( 1 ) 优化教学 这是自适应学习的最大优点。系统能够以恰当方式呈现给学习者恰当的学习内 容，这样学习者可以花最少的时间获得最大的学习效果，实现教与学的优化。 ( 2 ) 及时反馈学习者的学习状态 自适应网络学习中，系统监视学习者的学习活动，分析学习者的学习需求和学 习偏好，并利用学习者的学习信息指导呈现给学习者的学习内容和学习素材。教师 可以随时看到每个学习者的状态，并给予学习者有针对性的指导。 ( 3 ) 有利于学习者的充分发展 学习者可以根据自己的学习偏好、学习能力、认知特点、兴趣和爱好等选择学 习内容，制定学习计划f 。系统本身也会针对学习者的需要，提供个性化的认知工 具、合适的学习资源等等，使学习者的个性在学习过程中得到充分地体现，有利于 激发学习者的学习热情和学习兴趣，从而有利于学习者的充分发展。 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 构建统一的学习对象模型 归纳了学习对象的定义和特点，介绍了国内外学习对象元数据的研究现状，讨 论了学习内容的组织方式，研究了学习内容应包括的学习资源，提出了一个学习对 象模型。该学习对象模型统一了课程结构和学习内容，为自适应学习的导航提供了 支持。 ( 2 ) 构建学习者模型 讨论了学习者模型应包括的信息：个人信息、状态信息、学习进度信息、学习 评价信息、个性特征信息，使用扩展的信任向量，研究了学习者认知能力、难度掌 握能力、学习能力、学习成绩、偏爱的学习对象呈现形式、偏爱的学习时间等学习 评价。 ( 3 ) 分析自适应学习系统 通过上述对学习对象模型、学习者模型和学习评价的研究，使用用例，总体分 析了系统的功能，识别并分析了主要业务类及其层次结构关系。 ( 4 ) 设计自适应学习系统 在对自适应学习系统详细分析的基础上，设计了系统的体系结构、界面、类及 动态交互。 ( 5 ) 实现自适应学习系统 气 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在n e t 环境下，实现了实现自适应学习系统，并在实际的网络课程中使用。 1 4 本文的组织结构 第一章，首先介绍了网络课程的概念和内涵、现阶段存在的问题。然后引出了 自适应学习技术，介绍自适应学习技术的概念和优点。 第二章，首先介绍了信任向量的概念、升降级规则和数值化，并在此基础上扩 展了信任向量，然后介绍了层次分析法。 第三章，首先归纳了学习对象的定义和特点，介绍了国内外学习对象元数据的 研究现状，讨论了学习内容的组织方式，研究了学习内容应包括的学习资源，提出 了一个学习对象模型，然后讨论了学习者模型应包括的信息。使用扩展的信任向量， 研究了评价学习者认知能力、难度掌握能力、学习能力、学习成绩的方法，研究了 评价学习者偏爱的学习对象呈现形式、偏爱的学习时间等个性特征的方法。 第四章，首先根据第三章的理论研究，使用用例，总体上分析了自适应学习系 统。然后识别了自适应学习系统中主要的业务类，并对业务类的属性、职责和层次 结构进行了分析。 第五章，首先使用三层架构思想，设计了自适应学习系统的体系结构。然后在 第四章分析的业务类的层次结构中加入必要的抽象类等，把这些业务类分解到业务 层和数据访问层。最后给出了学习者学习概念和试题时主要业务类的序列图。 第六章，介绍了系统的实现环境和系统在网络课程中的使用。 第七章，总结本文所作的工作，展望以后的工作。 6 东北大学硕士学位论文第二章信任向量和层次分析法的研究 第二章信任向量和层次分析法的研究 学习者在学习过程中并不是绝对处在某一阶段，而只是处在一个确定阶段的可 能性比较大。为了表示学习者处在一个确定阶段的可能性，我们引入了信任向量【9 1 。 为了确定学习评价信息的学习能力中时间、认知和难度这三个要素的权重，我们在 此介绍用于决策中的层次分析法。 2 1 信任向量 信任向量( b e l i e f v e c t o r ) 表示的理论依据是模糊分布。1 9 9 5 年，d e n i s ew - g u r e r ， m a r i ed e s j a r d i n s 和m a r ks c h l a g e r ，提出了信任向量的概念，并使用信任向量表示学 习者的学习状态和学习状态的转换。 2 1 1 信任向量的概念 每个向量由数个分量组成，这些分量之和为1 ，每个分量的值表示学习者个性 特征是某分类的概率。我们假设学习者对知识的掌握由低到高分为七个级别，向量 ( o0 1 50 2 00 2 50 2 0o 1 50 0 5 ) 表示学习者对知识的掌握不会处在第一级别，有 ：1 5 的可能性处在第二级别，有2 0 的可能性处在第三级别，有2 5 的可能性处在 第四级别，有2 0 的可能性处在第五级别，有1 5 的可能性处在第六级别，有5 的可能性处在第七级别。向量( 10 0 0 00o ) 表示学习者对知识的掌握绝对处在第 一级别，这是学习者对知识掌握的最低级别。向量( 0000001 ) 表示学习者对知 识的掌握绝对处在第七级别，这是学习者对知识掌握的最高级别。 2 1 2 信任向量的升级和降级规则 由于学习者对知识的掌握能力是由低级逐渐向高级发展的，为了动态表示学习 者的知识掌握能力，信任向量应具有升级和降级规h u t l 0 】： 升级规则： p 。= 只一p ，c + p t l c ( 2 - 1 ) 降级规则： p 。= p ，一p f c - t - p f + l c ( 2 - 2 ) 其中c 是一个控制更新速率的常量，p ，是信任向量的第i 个分量值( i 是1 到7 的整 数) 。当i = 1 时，p f - l 为0 ；当i = 7 时，p i + 1 = o 。 7 东北大学硕士学位论文第二章信任向量和层次分析法的研究 评估学习者第i 级别的知识掌握能力时，若学习者通过了评估，说明学习者已 经掌握了该级别的知识，信任向量中处于i 之前的所有分量值使用升级规则，处于 i 之后的所有分量值使用降级规则，然后评估学习者知识掌握能力是否在第i + 1 级 别。否则，我们认为学习者知识掌握能力低于第i 级别。信任向量中处于i 之前的 所有分量值使用降级规则，处于i 之后的所有分量值使用升级规则，然后评估学习 者知识掌握能力是否在第i 1 级别。信任向量第i 个分量值为( i i ) ： l 一p ， ( 2 - 3 ) ， 2 1 3 信任向量的数值化 学习者掌握知识的能力从一个级别到另一个级别的变化不是连续的，不能较客 观准确地反映学习者知识掌握能力的增长。我们使用下述规则计算学习者知识掌握 能力 1 0 】： 上 b k = 概 ( 2 - 4 ) i = i 其中b k 是学习者的信任知识掌握能力值( b e l i e f k n o w l e d g e ) ，i 是学习者知识掌握 能力信任向量的索引，p ，是学习者知识掌握能力信任向量的第i 个分量值。 学习者最差的知识掌握能力信任向量( 100000o ) 对应的信任知识掌握能力 值为1 ，学习者最好的知识掌握能力信任向量( 00 0 00 0i ) 对应的信任知识掌握 能力值为7 。因此学习者信任知识掌握能力值的取值范围是b k 1 ，7 】口向量( 0o 1 5 o 2 00 2 5o 2 0o 1 50 0 5 ) 的学习者信任知识掌握能力值为b k = 0 + 1 + 0 1 5 2 + 0 2 0 * 3 + 0 2 5 * 4 + 0 2 0 * 5 + 0 1 5 4 6 + 0 0 5 + 7 = 4 】5 。 2 1 4 信任向量的扩展 上述信任向量较好的表示了学习者的知识掌握能力及其变化规律，但是学习者 的知识掌握能力是从第一级开始的，因此在评估学习者是否掌握了第一级的知识时， 即使学习者没有学习过第一级的评估，也认为学习者掌握了第一级的知识。 因此，针对这个问题，我们对信任向量进行了如下扩展：增加没有掌握任何知 识级别，知识掌握能力信任向量的索引最小值由1 变为0 。相应的学习者信任知识 掌握能力最小值也由l 变为0 。公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中i 的取值范围变为0 到7 的 整数，公式( 2 4 ) 变为： 7 b k = 弛 ( 2 - 5 ) i = 0 8 东北大学硕士学位论文第二章信任向量和层次分析法的研究 其中b k 【o ，7 】。 学习者开始学习之前，扩展的信任向量( 1000000o ) 表示学习者知识掌握 能力级别为没有掌握任何知识，知识掌握能力值为0 ，这更符合人们的知识掌握规 律。 2 2 层次分析法 2 2 1 层次分析法简介 层次分析法( a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p 法) 是美国著名运筹学家 t l 萨蒂( s a a t y ) 于2 0 世纪7 0 年代，在为美国国防部研究“根据各个工业部门 对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时，应用网络系统理论和多目标综合 评价方法，提出的一种层次权重决策分析方法。 这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行 深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、 多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。这种方法尤其适合于对 决策结果难于直接准确计量，结构较为复杂，决策准则较多且不易量化的决策问题 【1 1 】【1 2 l 。 该方法自1 9 8 2 年被介绍到我国以来，以其定性与定量相结合地处理各种决策 因素的特点，以及其系统灵活简洁的优点，迅速地在我国社会经济各个领域内，如 能源系统分析、城市规划、经济管理、科研评价等，得到了广泛的重视和应用。它 充分利用人的分析、判断和综合能力，将定性分析和定量分析相结合，具有高度的 有效性、可靠性、简明性和广泛的适用性。 层次分析法的基本思路是先分解后综合。整理和综合人们的主观判断，使定性 分析与定量分析有机结合，实现定量化决策。首先将所要分析的问题层次化，根据 问题的性质和要达到的总目标，将问题分解成不同的组成因素，按照因素间的相互 关系及隶属关系，将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层分析结构模型，最终 归结为最低层( 方案、措旄、指标等) 相对于最高层( 总目标) 相对重要程度的权 值或相对优劣次序的问题。 2 2 2 层次分析法的基本步骤 层次分析法的基本步骤如下： ( 1 ) 将复杂问题概念化，找出研究对象所涉及的主要因素； ( 2 ) 分析各因素的关联、隶属关系，构建有序的阶梯层次结构模型 9 东北大学硕士学位论文第二章信任向量和层次分析法的研究 ( 3 ) 同一层次的各因素对于上一层次中某一准则的相对重要性进行两两比较， 建立判断矩阵； ( 4 ) 由判断矩阵计算被比较因素对上一层该准则的相对权重，并进行一致性 检验； ( 5 ) 计算各层次相对于系统总目标合成权重，进行层次总排序； ( 6 ) 分析灵敏度，校验判断矩阵。 2 2 3 应用层次分析法的注意事项 如果所选的要素不合理，其含义混淆不清，或要素问的关系不正确，都会降低 a h p 法的结果质量，甚至导致a h p 法决策失败。为保证递阶层次结构的合理性， 需把握以下原则： ( 1 ) 分解简化问题时把握主要因素，不漏不多； ( 2 ) 注意相比较元素之间的强度关系，相差太悬殊的要素不能在同一层次比 较。 一l o 东北大学硕士学位论文 第三章自适应学习的相关理论研究 第三章自适应学习的相关理论研究 世界各国在发展现代远程教育时深刻认识到，学习资源的可共享性和复用性对 于网络远程教育的实用性和经济性具有决定性意义。目前，虽然网络技术已为教育 资源在低水平上的自治与共享( 例如通过h t t p 和h t m l ) 、学习活动的合作( 例 如通过各种通信工具) 提供了基本技术条件，但是允许教学资源在课程知识和教学 管理水平进行交换的标准却没有很好地认定，因此妨碍了教学资源的大范围共享与 交流【1 1 。 有鉴于此，国际上已有不少国家和组织致力于远程教育技术标准的研究。在美 国有航空工业计算机辅助训练委员会( a i c c ) 最早提出的计算机管理教学标准；美 国国防部提出的可共享课程对象参照模型( s c o r m ) ；i m s 全球学习联盟提出的学 习系统技术规范。在欧洲方面，有a r i a d n e ( 欧洲远程教育多媒体制作与销售网 联盟) ，p r o m e t e u s ( 促进欧洲社会教育和培训中使用多媒体工程) ，c e n i s s ( 欧 洲标准委员会信息社会标准化系统) 等组织进行多媒体和远程教学技术标准的研 究、国际合作及本土化工作。目前在国际电气和电子工程师协会学习技术标准委员 会( 简称i e e el t s c ) 的主持下，若干个工作小组正开展网络远程教育技术标准的 制定和修订工作，将形成i e e e l 4 8 4 标准。国际标准化组织i s o 于1 9 9 9 年成立了一 个j t c l s c 3 6 委员会，专门从事学习、教育、培训技术标准的征集、修订和批准工 作，目前已有美国、英国、德国、日本、乌克兰等国提交了标准议案。世界上许多 国家十分霞视教育技术国际标准的采用，组织力量参与国际标准制定与本土化工作， 其中法国、德国、西班牙已完成了部分i e e e l t s c 标准的本土化工作，荷兰、希腊、 意大利等国家即将推出他们的教育技术标准草案。美国i m s 全球学习联盟从1 9 9 9 年开始在美国、英国、欧洲、澳大利亚和新加坡等国家推广i e e el t c s 的标准并收 集各地的反馈结果以丰富和完善标准【l 】。我国现代远程教育起步虽晚，发展却是迅 速的。由于我国没有制定关于网络远程教育技术的标准，各网络教育系统的资源自 成体系，无法实现有效交流和共享，造成大量低水平的重复性开发工作，不但带来 人力物力的浪费，而且将无法与国际上教育体系相沟通。在国外现代远程教育技术 标准的研究已有丰硕的成果，我国又迫切需要规范现代远程教育建设的情况下，我 们引进国外的相关标准，并根据国内教育实际情况添加和修改部分标准，最终形成 了有中国特色的现代远程教育标准体系( d i s t a n c el e a r n i n gt e c h n o l o g ys t a n d a r d s ， 简称d l t s ) 。 在本章中我们将参照国内外的一些标准，定义一个学习对象模型、一个学习者 1 1 东北大学项士学位论文第三章自适应学习的相关理论研究 模型和学习评价方法。 3 1 学习对象模型的研究 “学习对象”一词最早出现在1 9 9 4 年c e d m a ( c o m p u t e r e d u c a t i o n m a n a g e m e n t a s s o c i a t i o n ) 协会会长h w a y n eh o d n i n s 的论文“l e a r n i n g a r c h i t e c t u r e s ，a p i s ，a n d l e a r n i n go b j e c t s ”中。2 0 0 0 年，他负责领导的i e e ep1 4 8 4 学习对象元数据工作小 组正式采用了“l e a r n i n go b j e c t ”一词来描述学习资源构件。 3 1 1 学习对象的定义 i e e el t s c 学习对象元数据工作小组在2 0 0 0 年提出了学习对象的定义：“学习 对象是任意的实体，可以是数字化的，也可以是非数字化的，可以在技术支持的学 习期间使用、重用或引用。技术支持的学习例子包括：基于计算机的培训系统、交 互式学习环境、计算机辅助的智能教育系统、远程学习系统、协同学习环境等等。 学习对象的例子包括：多媒体内容、教育性内容、学习目标、教育型软件和软件工 具，以及在技术支持的学习期间所涉及的人、组织和事件等等。” 这个定义太泛化以至于不能把学习对象和其他学习资源有效的区分，于是就出 现了更具体化的学习对象定义。 学习对象是r 任何具有可重用性并用来支持学习的数字化资源【1 3 l ”。 “一个学习对象是可重用的在线学习资源，它可以是一个a p p l e t 、动画、文本 块、视频流或其他形式等【1 4 】。” “一个学习对象是一个小型、可重用的数字化构件，它能够由计算机软件、学 习助手或学习者自己选者性的单独或组合应用，以满足学习或绩效支持的个别化需 要【15 1 。” 总之，学习对象包括一切用于学习、教育或培训的实体。 3 1 2 学习对象元数据标准 学习对象的标准化在学习技术标准化工作中占有重要的地位。现将国内外学习 对象元数据标准介绍如下： ( 1 ) d c m i d u b l i nc o r em e t a d a t ai n i t i a t i v e ( 简称d c m i ) 是一个致力于促进互操作元数据 标准广泛使用的国际性组织。为了描述资源，该组织开发了专业化的词汇。正是这 些词汇使得更加智能的信息发现系统变得可能1 6 】。d c m i 标准通用、简洁，得到了 其他元数据标准的广泛支持。d u b l i n c o r e 规定了基于w e b 的资源的1 5 个属性元素： 1 2 东北大学硕士学位论文第三章自适应学习的相关理论研究 标题、创建者、主题、描述、出版者、贡献人、日期类型、格式、标识符、源信息、 语言、关联、覆盖范围、权限。 ( 2 ) i m sl r m 、i e e el t s cl o m & c e l t s 一3 1 全球学习盟( i m s ) 致力于发展和推广网络学习活动的开放技术标准，主要制 定教育内容在线发布的一些标准，包括存放和使用教学内容、教学进度跟踪、学习 程度报告、交换学习者记录等等。i e e el t s c 致力于促进学习资源的开发、使用、 维护和互通。起初i m s 与a r i a d n e 联合向i e e e l t s c 提交了学习对象元数据规范。 此规范构成了i e e el t s c1 2 工作组的学习对象元数据( l o m ) 标准草案基础。2 0 0 2 年i e e e l t s c l o m 成为正式标准以后，i m s 学习资源元数据( l r m ) 基于i e e e l t s c l o m 开发两者的学习对象元数据是异曲同工的。我国的c e l t s - 3 1 学习对象元数据 是以i e e el t s cl o m 为基础制定的。这三个标准主要规范了九个方面的信息：通 用信息、生存周期、数据描述信息、技术信息、教育信息、价值信息、关联信息、 注释信息、归类信息。 3 1 3 建立学习对象模型 本小节我们参照当今国内外的学习对象元数据标准1 6 1 1 7 】 18 】【1 9 】，从中提取必要 的元数据，建立学习对象模型。学习对象的元数据如下：名称、标志符、描述、目 标、难度、素材、格式、大小、位置内容、时间、原子、必学。 3 1 4 学习内容的统一 我们定义一门课程由概念、试题、试卷、问题、课件、案例、文献、陈述性文本等 学习内容组成；课程与概念、试题、试卷、问题、课件、案例、文献、陈述性文本之间 的关系有包含关系、需要关系。我们把课程与概念、试题、试卷、问题、课件、案例、 文献、陈述性文本都当作学习对象。因此学习对象之间的关系也有包含、需要关系。 图2 3 统一的学习对象 f i g 2 3 u n i f i e dl e a r n i n go b j e c t 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章自适应学习的相关理论研究 3 2 学习者模型的研究 每个学习者的知识背景、学习经验、学习能力、学习偏好、学习习惯、认知特 点、学习时间和地点的安排都是不一样的，自适应学习就是要根据每个学习者的这 些差异来为每个学习者提供个性化的学习内容和学习活动。建立一个能够能反映学 习者个性特征的学习者模型是自适应学习的关键。学习者模型是对学习者信息的抽 象和描述，可以根据学习者的学习情况动态地修改，能比较准确地反映出学习者的 知识背景、学习经验、学习能力、学习偏好、学习习惯、认知特点、学习时间等特 征。下面我们将建立学习者模型来描述学习者在网络课程学习过程中的共性和特性。 根据学习者模型表示方法的不同，目前常见的学习者模型有3 种： ( 1 ) 覆盖模型 它把学习者学习的知识描述成领域知识模块中专业知识的一个子集。基于覆 盖模型的系统只能描述学习者知道什么、不知道什么。基于行为主义学习理论的 智能教学系统的学习者模型就是覆盖模型。它的特点是，只考虑学习者做题的对 错，如果在学习某一个学习对象时，做题的正确率低于一定的比例( 比如6 0 ) 就让学习者重复学习该学习对象。由于没有对学习者所犯的错误进行分析，所以 没法给出有针对性的学习指导，学习者简单重复学习的后果往往是错误的重犯l 由于根本不知道错误的原因，自然找不到解决的办法。这样不断循环的后果往往 就是学习者对学习失去兴趣，对自己失去信心。 ( 2 ) 偏差模型 它是通过把学习者学习的错误概念，表示为领域专家知识的偏差而获得学习者 行为的学习者模型。为了克服覆盖模型的不足，有经验的教师对学习者所犯的错误 进行分析、总结，对照正确的解题方法，得出不同的错误类型所对应的缺陷。这样， 学习者只要针对相应的薄弱环节再学习，从而学习就更有针对性，学习效果自然就 会比较好。基于这种教学活动的智能教学系统的学习者模型就是偏差模型。一般来 说，偏差模型刻画了学习者常犯的错误、掌握知识过程中的错误行为。 ( 3 ) 认知型模型 它是基于美国著名心理学家布卢姆的认知理论建立起来的学习者模型，主要反 映学习者认知能力。要了解学习者的认知能力和认知过程，以及学习者的认知能力 在学习过程中的作用，就需要建立认知模型。多年来人们一直致力于人类认知过程 的研究，尽管取得了一些成绩，但人类的认知过程是一个十分复杂的问题，因此要 建立理想的认知模型在现阶段只是一个理想。目前认知模型主要刻画学习者的认知 能力。 1 4 东北大学硕士学位论文第三章自适应学习的相关理论研究 上述的学习者模型主要反映学习者的学习基础、认知能力，但对于影响学习的 心理因素都没有涉及到。众所周知，学习过程是一个十分复杂的过程，既涉及认知 因素，也涉及情感因素。因此，为了实现对教学过程的优化，真正提高学习的质量 与效率，必须既研究认知因素对学习过程的影响，又研究情感因素对学习过程的影 响。我们参考国内外一些标准，综合考虑上述三种学习者模型的优点，选择一些与 自适应学习有关的信息建立学习者信息模型【2 0 】【2 1 】【2 2 】【2 3 1 。 3 2 1 个人信息 个人信息是主要与个人有关的信息。这类信息一般与学习系统或者学习过程没 有直接联系，部分信息属于保密的个人隐私。这部分信息不改动或很少改动，主要 包括以下信息：真实姓名、登陆名、电话、手机、电子邮件、地址、国籍、民族、 籍贯、出生地、出生日期、性别、身份证号、政治面貌、职业、学历。 3 2 2 学习者状态信息 学习者状态信息是学习者登陆系统学习的起止时间、是否在线、是否毕业、登 陆i p 、等历史记录。这部分信息