网络环境下.ppt

网络环境下CBE研究的新课题 李克东华南师范大学教育技术研究所所长博士生导师教育部高等学校教育技术专业教学指导委员会副主任教育部教师教育信息化专家委员会副主任likd 2003 10浙江师范大学 CBE研究的基本领域 基础理论研究环境 系统 工具开发研究教学资源设计 开发研究教学应用实验研究 对CBE研究的两个影响因素 我国教育信息化的发展 网络教与学的兴起多学科的交叉渗透 我国教育信息化的新进展 1 全面开设信息技术课程2 实施校校通工程3 推进信息技术与课程教学整合4 积极开发各类教学资源5 深入开展信息技术教育应用试验研究6 大力发展与应用现代远程教育7 建立教师教育技术标准 网络学习基本模式 基于网上资源的情境探究学习基于网上资源的自主问题发现 问题探索学习基于网上资源的主题研究性学习基于网络通信的协作学习基于网站构建的任务驱动教学 多学科交叉对CBE研究的影响 当前计算机技术 信息技术 教育学 心理学 社会学 管理学 哲学的概念和方法已引入到计算机辅助教育领域中 如协同学习 知识管理 本体论 神经网络等等 这些学科的交叉 促使计算机辅助教育形成新的研究课题 CBE研究的热点课题 适应性学习研究计算机支持的协同学习研究教育知识管理方法与应用研究智能代理技术与教育应用研究本体论教育应用研究对学习理论与教学设计理论的学习研究 一 适应性学习研究 适应性学习的涵义2 目前基于Web的教学系统的基本组成3 基于Web的智能适应性教学系统的技术分类4 适应性学习研究的主要内容 1 适应性学习的涵义 适应性学习 源自AdaptiveLearning Adaptive 在工程领域常也译为 自适应 其词根是adapt 即 改编 适配 的意思 在学习过程中 个体具有各种各样的差异性 不仅表现在个人的能力 背景 学习风格 学习目标等具有差异性 另外即使是个体本身 在学习过程中 知识状态变化也在不断变化 适应性学习支持系统 adaptivelearningsystem 是指针对个体学习过程中的差异性 因人 因时 而提供适合个体特征的学习支持的学习系统 适应性学习支持系统本质上是一种个别化的学习支持系统 它能够提供一个适应用户个性化特征的用户视图 这种个性化的学习视图不仅包括个性化的资源而且包括个性化的学习过程和策略 2 目前基于Web的教学系统的基本组成 基于Web的教学系统 或支撑平台 一般都包含了下面四类功能模块 Brusilovsky 2001 1 内容呈现模块呈现教学内容 是教学系统的核心部分 2 行为部件模块包括需要学生通过 做 的方式来完成的学习任务 通常包括练习 测试 模拟 实验等 3 通讯部件模块包括支持学生与学生 学生与教师之间进行交流与沟通的通信工具 协作学习工具等 4 管理部件模块是指支持教学管理活动的功能模块 主要包括学生注册 收费等活动 现有网络教学系统的不足 目前主流的Web的学习支持系统对学生的学习支持还只是对Internet技术标准的简单运用但存在不足 网络环境下 是可以提供大量 丰富的教学资源 但梅里尔 2001 明确地指出 资源 不是教学 有效的教学环境涉及 指导学生开展合适的学习活动 引导学生学习合适的内容 帮助学生复述 编码和处理信息 监督学生的绩效 对学生的学习活动和练习给予适当的反馈 网络教学中的突出问题是缺乏学习支持 指导和交互性 以及学习材料常常是僵化的 不能完全满足使用者的不同需要 对学生真正在做什么 想什么缺乏考虑 不能随时调整教学策略和手段 BeverlyAbbey 2003 因而 学生在学习过程中容易出现注意力不集中 目标偏移 认知负载加重 孤独和无助感等问题 导致学习兴趣的减退和学习效率的降低 3 基于Web的智能适应性教学系统的技术分类 基于Web的智能适应性教学系统中的技术分为三类 Brusilovsky 1999 1 ITS技术在Web based教育系统中的运用 课程序列化 Curriculumseguencing 问题求解 Problemsolvingsupporttechnologies 2 适应性超媒体技术在web based教育系统中的运用 适应性呈现 adaptivepresentation 和适应性导航支持 adaptivenavigationsupport 3 Web环境所引发的一些新的技术 Web inspiredtechnologies 在教学系统中的运用 例如 学生模型匹配技术 studentmodelmatching 这种技术其实质是在网络环境下 许多人同时参与学习 系统可以分析同时在线的用户的状态 从而能够实现适应性对等帮助和智能的课程监控 4 适应性学习研究的主要内容 由于个体的差异性是多方面的 因此适应的功能特征也是多种多样的 适应性学习系统的研究和开发 主要研究 如何为学生提供 适应性导航支持 适应性内容呈现 适应性测试 适应性帮助 学习支持系统的结构模型 领域知识库的构造方法 用户模型的表示和用户建模方法 一个适应性学习系统的案例 一个适应性学习研究架构 二 计算机支持的协同学习研究 CSCL CSCL的含义2 CSCL学习理论基础3 CSCL研究的内容 1 CSCL的含义 计算机支持的协同学习 ComputerSupportforCollaborativeLearning CSCL 是由计算机支持的协同工作 Computer SupportedCollaborativeWork CSCW 与协同学习 CollaborativeLearning CL 的理论与方法相结合的产物 CSCL是集计算机技术 信息技术 教育学 心理学 社会学等为一体 在CSCL平台的支持下 学生们可突破地域和时间上的限制 进行同伴互教 小组讨论 小组练习 小组课题等合作性学习活动 从而使学生们获得的知识紧密地结合起来 使处于不同年龄 时间 地点的人们开展协作学习成为可能 CSCL的最终目的是学生对新知识的获取 当前 由于科学技术飞速发展 交叉学科不断涌现 CSCL的支持平台正好为跨学科 跨领域的学习提供了条件 但是 不同地点 不同文化背景的参与者在协同学习时 可能对同一问题具有不同的看法和理解 这对要求学习效果收敛的场合并不适合 为了解决此问题 本文提出了用本体来解决异构环境下的知识获取问题 并给出了相应的策略 2 CSCL学习理论基础 CSCL主要用来支持协作学习 因此它的研究必需在一定的协作学习理论的指导下进行 包括 有许多学习理论可以被CSCL借鉴 包括行为主义学习理论 认知主义学习理论 人本主义学习理论 社会文化理论 建构主义学习理论 自规范学习 技能 愿望及执行控制 导向认知 suitedcognition 认知学习 基于问题的学习 认知灵活性理论 分布式认知 所有这些理论都是基于一个假设 个体是活跃的因素 他们在一个有意义的上下文环境中主动地寻找与构建知识 计算机支持的系统是认知的工具 通过相关的技术将个体组合成以形成智慧的联合 共享学习成果 解决人类活动记忆容量的限制 7 2规则 CSCL可以作为一个构件工具提供资源并且提高个体的认知能力 3 CSCL研究的内容 协同学习环境下的教学设计研究 学习系统支撑技术研究 协同学习中协作的分析和评估研究 在这些研究中 需要充分利用了信息技术在相关领域的研究成果 如 Web技术 协同技术 人工智能 知识库和数据库技术等 CSCW 计算机支持的协同工作 多个参与者通过用户界面 如因特网浏览器访问到协同层的对象层 通过活动层完成各自的活动 如果没有本体模型的翻译会认为对方的活动是未知的而导致协同工作失败 三 教育知识管理技术及其应用研究 教育知识管理的意义2 教育知识管理的策略知识管理技术分类4 教育知识管理系统构建 1 教育知识管理的意义 教育知识管理就是运用技术工具对知识进行搜集 加工 组织 传播 共享 利用和创造 以增进教育效能的过程 教育知识管理是一种以知识为基础的体系 集人工智能 软件工程 组织流程改进 人力资源管理与组织行为概念之综合体 教育知识管理要有效地促进显性知识与隐性知识之间的相互转化 特别是促进内隐知识的外显化 2 教育知识管理的策略 分类编码策略 CodificationStrategy 个人化策略 PersonalizationStrategy 分类编码策略 CodificationStrategy 分类编码策略的特征是知识的数字化 标准化与系统化 分类编码策略的核心是计算机 将知识经过精心编码储存在数据库中 促使教育组织中的教师与学生能够方便的获取并利用这些知识 个人化策略 PersonalizationStrategy 个人化策略的主要特征通过计算机进行交互性和整合 个人化策略强调 知识与发展知识的人密不可分 知识主要通过教育组织内成员间的接触与交流实现共享 在这种教育组织中 计算机的主要作用是帮助人们交流 而不仅仅是储存知识 3 知识管理技术分类 1 知识管理技术图式 2 知识管理技术的过程分类法 3 知识特征矩阵分类法 4 层次分类法 5 技术成熟度分类法 6 知识转化技术 1 知识管理技术图式 2 知识管理技术的过程分类法 Compaq的知识管理技术分类 来源 PattiAnklam 3 知识管理技术的知识特征矩阵分类法 来源 Hahn Subrimani 4 知识管理技术的层次分类法 来源 VernaAllee 5 知识管理的技术的成熟度矩阵 来源 Gartner公司 知识管理应用的成熟度矩阵 来源 EDSGovernmentConsulting 6 知识转化技术 隐性知识到隐性知识 社会化 的转化的技术 主要有群件技术 讨论组BBS 电子社区 电子邮件 即时消息 P2P应用 专家定位系统 隐性知识到显性知识 外在化 的转化的技术 主要有搜索引擎和全文检索 商业智能BI 自助服务 文档工作流 内外网站的内容管理 数据挖掘和知识发现 4 教育知识管理系统构建 典型的知识管理系统 IBMLotus IBMLotus知识管理系统的总体框架 IBMLotus知识管理产品 IBMLotusDomino6 知识管理的基础设施 Sametime 即时交流工具 提供共享白板 共享应用和在线文档等 LotusWorkflow 工作流的建立与维护系统 通过图形界面上的鼠标点击和拖动对象 然后把流程应用到任何的Notes应用中 就可以建立工作流应用 Domino Doc 档案管理 将所有的信息按照一定的规范储存起来 以便于快捷方便的查找使用 DiscoveryServer 知识搜索和发现服务器 能对各种类型信息资源进行分类 建立知识地图K Map 便于浏览查找知识 用户可以发现人 场所和事件以及他们之间的关系 QuickPlace 即时共享工作空间 在这个空间里安全地通信 共享 管理和组织信息和文档 制定各种项目或活动的日程安排 LearningSpace 远程教学平台 提供了在线的学习环境 能够支持自学 非同步协作学习和 虚拟教室 的同步交互学习 WebSpherePortalServer IBM公司的门户产品 与其继承以创建知识门户 四 智能代理 Agent 技术及其应用研究 1 智能代理的性质2 构成代理的基本要素3 智能代理的基本结构4 智能代理在教育中的应用 1 智能代理的性质 智能代理是一个程序 它可以按照用户提供的参数 搜集用户感兴趣的信息 然后定时为用户提供相关服务 它不需要人的即时干预 可以定时完成所需功能 代理可以看作是利用传感器感知环境 并使用效应器作用于环境的任何实体 见AndreasGeyer Schulz 智能代理 智能代理的性质 Agent是一个具有自主性 社会能力 反应性和能动性等性质的基于硬件或 更经常的 基于软件的计算机系统 Wooldridge Jennings Agent为了达到一定的目标 有着自成规律地执行任务的工作模式 代理可以写为 代理 体系结构 程序 2 构成代理的基本要素 构成代理的四个要素 感知 行为 目标和环境 他们的关系如图所示 一个 代理 必须有足够的知识并且有学习能力 代理与环境的关系 智能代理基本结构 3 智能代理的基本结构 适配器模块适配器就是代理的眼睛 耳朵和手 智能代理从外界接受信息 依靠一定的智能对事件作出反应 在智能代理结构中 软件适配器对外界的接口与代理交流信息 并为智能代理启动执行传感器和效应器 有两类适配器 面向应用的适配器在含代理的某个特定应用的范围内检测事件 产生动作 这些适配器是含代理的应用程序的一部分 系统适配器提供与其它资源的连接 如文件服务 定时服务 电话服务 用户界面等 尽管智能代理资源管理器已经包括许多适配器 但任何人 包括应用开发人员 都可以利用适配器基本类型为智能代理开发新的适配器 引擎模块引擎是智能代理的 大脑 引擎的种类有很多 推论引擎 当出现某事件时 推论引擎就操纵规则集 执行复杂的符号推理 以决定对事件做何反应 触发什么动作 执行引擎 事件发生时 执行引擎就执行一个预定义程序 响应 预定义程序可以是脚本或Java程序 执行引擎只是智能代理内的一个中介 它的工作是 使用虚拟机系统支持Java 或者调用脚本语言解释系统 反射引擎的作用是检测事件 并反应出代理现有的 知识 的状态 代理要依靠多引擎的协同服务 引擎也是一个对象 任何特定的引擎都来源于引擎基类 用户也可以根据需要利用引擎基类开发新引擎 并加入到智能代理中 知识模块引擎要依靠知识表达才能工作 推论引擎的知识是这个代理的规则集 它含有参数编码和代理表述的用户意图 执行引擎的知识是包含了引擎的目标与行为的脚本和程序编码 其它形式的知识 如用户最近访问过的网址 浏览索引等 可由反射引擎来维护 也可以放入代理的知识子模块中 库模块为了便于同类引擎之间共享知识 知识以某种标准格式存储在库里 例如 想在不同的推论引擎间共享规则集 就把规则集以知识交换格式 KIF 存储在库中 每个引擎都有转换器可以使知识在库KIF标准格式和自身的优化格式之间转换 代理的库模块提供一定的安全措施防止对知识库非法的访问与修改 视图模块视图子模块通常有一个图形用户界面 GUI 使用户更易浏览和编辑其它类型的知识 智能代理的工作过程 当代理启动 与之相关的适配器就开始工作 它们的工作方式有两种 被动地等待代理感兴趣的事件 主动调查环境中是否有代理感兴趣的事件 在任一种情况下 一旦事件被检测到 适配器就调用智能代理资源管理器以启动相应的引擎 作为对事件的响应 引擎请求适配器 由事件直接引发的适配器 或与代理相关的其它适配器 完成一定的功能 如果请求的动作失败或不能完成 例如 引擎请求页面适配器分页 而操作失败了 执行请求动作的适配器就通知引擎产生了一个失败的事件 引擎用处理其它事件相同的方式处理这个事件 如 一个基于规则的推论引擎查看其规则集 看是否有任何规则 或规则组合 指出失败后应该执行的动作 4 智能代理在教育中的应用 在远程教育系统中 利用智能代理作为虚拟的教师 虚拟的学习伙伴 虚拟的实验室设备 虚拟的图书馆管理员等 可以增加教学内容的趣味性和人性化色彩 改善教学效果 在单机系统中各种软件的 帮助 也可以设计成一个人性化的角色 以比较生动的方式引导用户使用 五 本体论及其应用研究 Ontology的意义基于IEEE标准的Ontology方法3 Ontology应用领域4 Ontology的教育应用研究 1 Ontology的意义 本体论 Ontology 原是一个哲学上的概念 用于描述事物的本质 在近20年来 本体论已被计算机领域所采用 用于知识工程中的知识表达 知识共享及知识重用 Ontology作为一种概念化的说明 采用框架系统对客观存在的概念和关系的描述 它是通用意义上的 概念定义集 是关于 种类 kind 和 关系 的词汇表 这种词汇表 从知识共享的角度来说 是在各种事务代理人之间交换意见时所用到的共同语言 是本体论 ontology 本体论 原指哲学中研究世界的本原或本性的问题的部分 计算机领域中是指定义元数据及相互关系的 规范 或 信息集合 事实上 并不是任何词语都可以拿来做 元数据 的 元数据 是专指那些为实现共享目的 并具有 语义 特性的词语 因此 需要有一个规范 在学术界就沿用 本体论 或 知识本体论 一般Web上的ontology包括分类和一套推理规则 基于IEEE标准的Ontology方法 由于本体工程到目前为止仍处于相对不成熟的阶段 每一个工程拥有自己独立的方法 通常参照IEEE1074 1995标准 软件开发生命周期法 建立不同的工程方法 IEEE1074 1995标准的内容 建立软件生命周期模型 确定开发步骤及各步骤执行的先后次序 工程管理阶段 系统规划 控制 质量管理等 软件开发阶段 开发前期 环境研究 可行性研究 开发阶段 需求分析 设计 执行 开发后期 安装 操作 支持 维护 ontology集成的阶段 评价 文档 配置管理 训练 基于IEEE标准的一种本体分析方法 确定本体应用的目的和范围 根据所研究的领域或任务 建立相应的领域本体或过程本体 领域越大 所建本体越大 因此需限制研究的范围 本体分析 定义本体所有术语的意义及其之间的关系 该步骤需领域专家的参与 对该领域越了解 所建本体就越完善 本体表示 一般用语义模型表示本体 本体评价 建立本体的评价标准是清晰性 一致性 完善性 可扩展性 清晰性就是本体中的术语应被无歧义的定义 一致性指的是术语之间关系逻辑上应一致 完整性 本体中的概念及关系应是完整的 应包括该领域内所有概念 但很难达到 需不断完善 可扩展性 本体应用能够扩展 在该领域不断发展时能加入新的概念 本体的建立 对所有本体按以上标准进行检验 符合要求的以文件的形式存放 否则转 3 Ontology应用领域 Ontology可应用于许多领域 如电子工程 化学 远程教育 电子商务等 多agent系统的自动设计为了保持代理的独立性 我们坚持代理不和其他代理发生直接的数据交换和共享 那么多代理系统能有效地完成一项复杂任务 需要一组中介代理 ontology专门负责沟通代理和环境之间的信息交流 电子商务B2B 不同的企业使用的开发平台和软件系统不一定完全相同 那么B2B的通信需要通信的中介 即使在虚拟企业网络模型中 可以充当此工作 数据挖掘 由于本体有高层次的抽象概念组成 基于本体的数据挖掘可在高层次进行 产生高层次或多层次的规则 甚至在具有语义意义的规则上产生挖掘结果 4 Ontology的教育应用研究 ontology是对领域知识概念的抽象和描述 目的是为了软件共享 重用 1 可以用ontology来描述远程用户的生存 活动的环境 2 在分布系统中 把ontology充当中介的作用 负责沟通agent和环境之间的信息交流 3 针对教学系统进行设计的常用词汇表和框架 在恰当的抽象层次上给智能教育的任务加以形式化 使学习者访问教学系统发现自己的问题和不足 系统不断调整适合学习者的学习方法 即学习者和系统的角色以及智能教学过程的任务能根据实际而变化 设计Ontology 充分利用现有的教学资源使远程教育得到应有的发展 Ontology的研究方向 ontology已成为一个活跃的研究前沿 今后的工作会沿着研究和应用几个方面深入研究 1 建立评价ontology的标准 2 ontology方法学的问题 3 如何集成ontology 4 研究使远程设计具有一致性的设计工具的研究等 5 不断扩大应用领域 如何更好地引用先验知识 促进知识获取的智能化发展 六 对CBE研究有较大影响的几种教学理论 1 加涅的九段教学论2 维果茨基的 邻近发展区理论 Merrill关于学习环境的教学设计基本原理Boud Prosser关于高质量学习环境的4条原则5 活动理论 1 加涅的九段教学论 加涅认为 学习是一种内部过程 但受外部刺激或事件的影响 外部事件可以用激发 维持 促进或增强学习内在过程的种种方式加以计划和执行 这就称之为教学 加涅把那些能够明显改变学习进程的外部事件与学习过程的相互作用划分为教学的连续阶段 据此 加涅结合信息加工的逻辑列出了九大教学事件 并将其与相应的内部学习过程对应起来 如表 加涅关于教学事件与内部学习过程对应表 2 维果茨基的 邻近发展区理论 维果茨基的 邻近发展区 理论的基本观点是 在确定发展与教学的可能关系时 要使教育对学生的发展起主导和促进作用 就必须确定学生发展的两种水平 一是他已经达到的发展水平 表现为学生能够独立解决问题的智力水平 二是他可能达到的发展水平 这可能达到的发展水平便构成了知识形成的临近发展区 教学在临近发展区的内容进行 就能达到最好的效果 教学应当走在发展的前面 对教育过程而言 重要的不是着眼于学生现在已经完成的发展过程 而是关注他那些正处于形成的状态或正在发展的过程 3 Merrill关于学习环境的教学设计基本原理 通过对各种教学理论的总结和分析 梅瑞尔 Merrill 2001 提出了有效学习环境的五条教学设计基本原则 如图所示 1 问题学习应当以问题为中心 当学生从事于解决真实的问题时 有利于促进学习 因此 在教学过程中 应当 1 呈现问题或任务 作为学生学习的目标 2 重视解决问题 而不仅仅是了解和认识 3 设计一系列彼此相关且循序递进的问题 2 激发在学习过程中 应当激活原有的知识作为新知识的基础 因此在教学过程中 应当 1 引导学生回忆 关联 描述 应用与作为新知识基础的已有经验或知识 2 提供相关的经验 3 提供机会 使学生演示原有的知识或技能 4 激发 修改 调整原有的心智模式以容纳新的知识 Merrill关于学习环境的教学设计基本原理 3 演示将新的知识演示 呈现给学习者 应当 1 演示教学范例而不仅仅是告诉学习者 2 演示应当与学习目标一致 3 在演示过程中 提供相关的指导信息 引导学生注意相关信息 4 知识的多种表示的比较有利于促进学习 4 应用新知识应当得到应用 练习要与学习目标一致 对练习应当提供辅导和反馈 5 集成集成是指将新知识融入到原有的学生的知识框架上 并促使对于新知识的迁