（计算机应用技术专业论文）pbl的学习模型研究.pdf

中文摘要 p b l 的学习模型研究 学科专业：计算机应用技术研究方向：人工智能与计算机辅助教学 指导教师：周竹荣副教授研究生：何文孝 中文摘要 随着信息化技术、计算机网络技术的不断发展和先进的教学模式的出现，智 能计算机辅助教育也不断的得到的发展。p b l 作为一种先进的教学模式，已广泛 应用于教育领域。如何利用计算机和网络技术把这种教学模式应用到当今正蓬勃 发展的网络教学中，已成为目前研究的热点领域。计算机支持的p b l 系统就是 该领域研究的一个重要分支。而在该系统中，对其重要部分p b l 学习空间的学 习模型的研究对实现计算机支持的p b l 具有重要意义。 论文阐述了计算机支持p b l 系统，对该系统结构中的一个重要部分p b l 学 习模型进行了细致的研究。根据p b l 学习过程的特点，把p b l 学习模型划分成 了三个功能相对独立，又相互联系的子空间：问题空间、信息空间和答案空间。 对p b l 学习空间的研究，主要有：( 1 ) 描述了c s p b l 系统中p b l 学习模型划 分后的模型。( 2 ) 对相关内容进行形式化方面的研究。( 3 ) 对p b l 学习过程中 在各子空间产生的数据库利用x m l 进行表示和处理。( 4 ) 利用个体学生在p b l 学习过程中形成对目标问题的答案树来综合形成学习小组对目标问题求解的整 个答案树。( 5 ) 设计了问题库操作平台和信息交互操作平台。 通过对计算机支持p b l 系统中p b l 学习空间模型划分的研究，对真正实现 计算机支持p b l ，增强学生的学习兴趣，提高学生的学习效率和问题求解能力， 有一定的理论意义和实践意义。 关键字：p b l ，学习模型，问题，信息，答案树 a b s t r a c t s t u d y o fp b l s l e a r n i n g m o d e l m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ys p e c i a l t y ：a i & c a i s u p e r v i s o r ：p r o f z h o uz h u r o n g a u t h o r ：h ew e n x i a o a b s t r a c t w i t ht 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 y , i n t e r a c tt e c h n o l o g ya n d a d v a n c e d t e a c h i n gp a t t e r n s , i n t e l l i g e n tc o m p u t e r - a i d e d i n s t r u c t i o n d e v e l o p s c o n t i n u o u s l y p r o b l e m - b a s e dl e a r n i n gi sa p p l i e dt oe d u c a t i o n a r e ab r o a d l yw h i c hi sa l 【i n do fi n s t r u c t i o np a r c r n s i ti sah o t s p o th o wa p p l i e st h ei n s t r u c t i o np a t t e r nt o n e t w o r k - i n s t r u c t i o nb yu s i n gc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y c o m p u t e rs u p p o r t e d p r o b l e m - b a s e dl e a r n i n gs y s t e m i so n eo ft h e i m p o r t a n t b r a n c h e s o f i n t e l l i g e n t c o m p u t e r - a i d e di n s t r u c t i o n r e s e a r c h i n gi nl e a r n i n gs p a c eo fp b l i ss i g n i f i c a n tt o r e a i i z i n gc o m p u t e rs u p p o r t e dp r o b l e m - b a s e dl e a r n i n gs y s t e m t h i sp a p e r e x p a t i a t e sc o m p u t e r - s u p p o r t e dp b ls y s t e ma n di n v e s t i g a t e s p b l l e a r n i n gs p a c e ，w h i c h i sa n i m p o r t a n tp a r t o ft h e s y s t e m a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h el e a r n i n gp r o c e s so fp b l ，t h i sp a p e rd i v i d e st h el e a r n i n gs p a c e i n t ot h r e es p a c e s t h et h r e es p a c e sa r ep r o b l e ms p a c e ，i n f o r m a t i o ns p a c e ，a n da n s w e r s p a c e t h e yn o to n l yf u n c t i o ni n d e p e n d e n t l y , b u ta l s oi n t e r a c t t h er e s e a r c ho f t h e t h r e es p a c e so fp b li n c l u d e st h ed e s c r i p t i o no ft h em o d e lo ft h et h r e es p a c e si nt h e p b l s y s t e m ，t h ef o r m a l i z e dd e s c r i p t i o no f t h e c o n t e n t so f t h em o d e l ，t h ep r e s e n t a t i o n a n dp r o c e s s i n go fl e a r n i n gs p a c e sd a t a b a s ew i t hx i v l li nt h ep b ll e a r n i n gp r o c e s s ， t h e g e n e r a t i o n o fl e a r n i n g g r o u p s a n s w e r - t r e et o g o a l - p r o b l e m f r o mi n d i v i d u a l s t u d e n t s a n s w e r - t r e e ，a n dd e s i g n i n gp r o b l e m d a t a b a s ep l a t f o r m a n di n t e r a c t i v e i n f o r m a t i o n p l a t f o r m t h i s p a p e r m a i n t a i n st h a tt h ed i v i s i o no fl e a r n i n gs p a c e c a n p r o m o t et h e r e a l i z a t i o no fc o m p u t e rs u p p o r t e dp b l ，e n h a n c es t u d e n t s i n t e r e s t i n l e a r n i n g ， i m p r o v e t h e i rl e a r n i n ge f f i c i e n c y , a n dp r o m o t et h e i ra b i l i t yt os o l v ep r o b l e m s k e yw o r d s ：p b l ，l e a r n i n gs p a c e ，p r o b l e m ，i n f o r m a t i o n ，a n s w e r t r e e 2 - 第一章前言 1 1 论文的研究背景 第一章前言 基于问题学习( p r o b l e m - b a s e dl e a r n i n g ，p b l ) 是近年来受到广泛关注的一种教学模式， 它强调把学习设置到复杂的，有意义的问题情境中，通过让学习者在解决真实性问题时进 行协作，并学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。对 p b l 的河题求解过程，实际就是在解决某个问题的同时努力获得与该问题相关的信息， 让它成为以后解决该问题或类似问题的直接知识。 把问题解决作为学校一种新的教学模式，是美国数学教师协会1 9 8 0 年关于行动的议 程文件正式提出的。相对于知识的获取和记忆而言，现代学习理论把“问题解决”视为知 识的应用。综合地、创造性地应用已有的知识去解决那些非单纯练习性的问题，意味着在“学 中干( d o i n gb yl e a r n i n g ) ”和“做中学( 1 e a r n i n gb yd o i n g ) ，这本身就是一种最好的研究性学 习活动。 p b l 作为一种先进的教学方法，最早起源于国外的医学教育。p b l 最早应用于二十世 纪六十年代加拿大麦克马斯特大学的医学课程，随后延伸到美国和澳大利亚一些大学医学 课程中。文献【1 】研究结果表明：p b l 能够增强学生对知识的记忆保持；促进学生对新问题 的概念迁移；提高学生的综合运用能力与自主学习能力。目前p b l 已作为一种学习策略得 到世界卫生组织和世界医学教育组织的认可。p b l 广泛应用于包括大众医学、护理学、药 学、兽医学等在内的医学教育领域，成为美、英、加拿大、澳大利亚，甚至中东和亚洲国 家医学教育领域的必不可少的一种教学方法。不仅如此，p b l 还拓展到法律、工程学、教 育、社会研究等其他专业的教育领域中。九十年代中期以后，它被移植到美国幼儿园、小 学和中学的各个年级，并取得了成功。 随着计算机网络技术的不断发展p b l 在智能计算机辅助教育中越来越得到世界各国 的重视。文献 2 】申就对在p b l 中，如何j f 用面向对象技术对协作问题求解的进行分析，并 建立了一个面向对象协作分析框架( o c a f ) 。文献【3 】对怎样利用分布式环境在p b l 中进 行分布式协作学习和问题求解，进行了理论探讨和分析。文献【4 】针对p b l 建立了一个开放 建模环境m c 3 进行协作问题求解，提出了活动空间和协作单元的概念。文献【5 提出了p b l 协议的概念，并利用该协议在虚拟的p b l 学习环境中，引导和控制学生的问题求解和学习。 因此，如何把这种先进的教学模式，与计算机网络技术，在智能计算机辅助教育中有 机的结合起来，更好地为人们服务，已经成教育工作者和计算机工作者紧迫的任务和热点 研究方向。 3 第一章 前言 1 2p b l 的研究现状及存在的问题 近年来，基于问题学习已经成为智能计算机辅助教育领域的一个研究热点。p b l 的研 究主要集中在三个大的方向：理论研究、教学实验应用和计算机支持的p b l 。 ( 1 ) p b l 的理论研究。主要是从教育学和教育技术的角度对p b l 的理论进行了系统 的研究。如：与传统教学学习模式进行比较，讨论了网络教育中p b l 的学习模式【6 】；对 p b l 的学习目标，学习效果进行了分析和评价【7 】；对在p b l 中师生角色及关系的改变进 行了探讨，分析了这种改变对教学和学习的有益促进。在p b l 中，教师的角色发生了很大 的变化，教师不仅仅是知识的传授者，而且是学生发展的促进者、指导者、学习者和合作 者等。而且学生角色也随之被赋予了不同的意义，学生不只是学习者，还是合作者和研究 者【8 】。 ( 2 ) p b l 的教学实验应用。把p b l 的教学学习模式应用到实际教学和相关应用中， 如在临床医学教学上的应用就比较成熟【9 】；在日常教学中如何把p b l 思想融入课件的设 计中 】o 】；把在医学方面比较成熟的经验怎样充分应用到其它的具有实验教学的课程中击， 如化学、生物等课程f 1 1 】。 ( 3 ) 计算机支持的p b l 。充分利用当今迅速发展的计算机网络技术来支持p b l 。主 要从以下几个方面进行了研究： ( a ) 计算机支持p b l 的模型的建立。如文献【2 】利用面向对象技术建立的o c a f 模型； 文献【4 】建立的开放建模环境；文献【3 】，利用面向对象和a g e n t 技术分析和建立一个基于 w e b 的p b l 模型，以期实现在小组中进行学习：利用计算机网络技术对p b l 虚拟学习环 境进行建模。在虚拟学习环境中有许多支持以学习者为中心的模型，比如，c s i l e ，c n b ， w e b - s m i l e 。和b e l v e d e r e 1 2 。 ( b ) 计算机支持p b l 工具的研究。如文献【1 2 】【1 4 】。 ( c ) p b l 的结构化研究。如文献【1 3 】对p b l 的学习过程采用结构化的可计算的方式 进行了描述；文献【5 】提出了p b l 协议和学习协作等概念对p b l 的结构化进行了规范化描 述；文献【1 4 】讨论了充分利用网络技术和协作学习实现p b l 中的结构化组或群组的学习。 ( d ) p b l 学习空间的研究。文献 1 5 日j j 确提出了在p b l 学习空间中进行层设计的思 想它把p b l 学习空间分成了信息空间和问题空间，并简要描述了每个子空间在计算机支 持p b l 学习环境中的重要作用；文献【4 】针对p b l 建立了一个开放模型环境m c 3 进行协作 问题求解提出了活动空问和协作单元的概念；文献 1 6 1 在阐述在p b l 学习过程如何帮助 学生获得最多知识时，论述了工作空间和资源空间及两者之问的关系；文献f 1 7 】在对p b l 学习过程中进行分析时，提出了三个阶段：问题、学习、解决。而文献【1 8 】从软件工程的 角度分析问题求解过程时，定义了问题空间和求解空间，并阐述了问题空间分析，求解空 问设计，及怎样有效实现两空间的转换。 在计算机支持p b l 方面，本文主要对p b l 学习空间的学习模型的研究，对更好实现 计算机支持p b l 也有着重要的意义。但是，目前对计算机支持p b l 学习空间的学习模型 4 第一章前言 的研究主要存在如下一些问题； ( 1 ) p b l 学习空问的学习模型的研究还停留在起步阶段。文献h 5 】对p b l 的学习空 问的学习模型设计提出了进行划分的一个重要思想，但只做了简短说明，未进行深入研究。 部分文献虽然在对计算机支持的协作学习系统方面的研究，用到了该思想却又未明确提 出来进行系统的研究，如文献【2 】【3 】。 ( 2 ) p b l 学习空间的学习模型研究主要针对的是教育技术方向的描述，如文献 【1 9 2 0 。由于p b l 现在在智能计算机辅助教育方面有着熏要的影响，如果仅局限于教育 技术方向的研究是远远不够的。 ( 3 ) 缺乏对整个p b l 学习环境在计算机支持下的有效理解和描述。如：怎样从计算 机技术的角度对p b l 学习空同的学习模型进行建立；如何对建立的模型进行详细分析并形 式化：如何有效的对相关数据和信息进行表示，从而达到充分发挥计算机技术在p b l 学习 环境中的重要作用。 1 3 论文研究的内容 在信息化、智能化快速发展的今天，智能计算机辆助教学也随着先进的教学模式、计 算机网络技术和人工智能的不断发展而同步发展。在p b l 学习过程中，首先从问题出发， 并始终以问题为中心进行学习，学习过程实际就是针对一个相关问飚，获取与问题相关的 信息并得到问题答案的过程，从而既进行了有效的学习，又形成了目标问题的多种求解路 径。在p b l 的学习过程中，怎样充分发挥计算机网络技术和人工智能在p b l 中的重要作 用，就必须对计算机支持的p b l 进行更深入的研究。而计算机支持p b l 学习环境中学习 空间的学习模型设计正是本文要研究的内容之一。为了解决在p b l 学习环境中学习空间的 学习空问的学习模型研究中出现的问题，本文做了如下研究： ( 1 ) 根据p b l 已有的研究思想，对p b l 学习环境中学习空间的学习模型进行更深入 的研究。建立p b l 的学习空间模型，即把p b l 的学习空间分成了三个既相互独立又相互 联系的予空间：信息空间( i n f o r m a t i o ns p a c e ) 、问题空间( p r o b l e ms p a c e ) 和答案空间 ( a n s w e rs p a c e ) 。 ( 2 ) 在问题空问里，对问飚空同韵特征、定义，问题库的生成及表示问题求解状态 进行了研究。首先描述p b l 学习环境问题空间的特征。给出问题空间的相关定义和问题空 间的形式化描述，然后依据问题分解策略和领域知识对目标问题进行有效而有适当的分解， 从而形成问题求解的问题库。摄后对在p b l 学习环境中问题的求解状态进行了模型化描 述。 ( 3 ) 在信息空间里，对信息的传递、信息的分类、信息的表示进行了研究。主要对信 息在p b l 学习环境和传统教学环境中豹传递进行了比较；对信息进行有效的分类，并对每 类信息进行了形式化的描述；对信息用半结构化数据库( x m l 数据库) 进行表示。 ( 4 ) 在答案空间里，对答案空间的定义，答案树及答案路径进行了研究。主要是对计 第一章前言 算机支持p b l 系统学习空间的答案空间进行描述，每个学生在问题求解过程中形成答案 树，根据每个学生求解形成的答案树形成整个学习环境的答案树，从而生成该目标问题求 解的整个答案路径。 1 4 论文的研究意义及创新 随着计算机网络技术和信息化教育的不断发展，如何利用传统的先进教育模式和计算 机网络技术，来实现智能化的计算机辅助教育，成为人们研究的热点。不管哪种先进的教 育模式要实现对计算机的支持。重要的是要解决把该理念转换成为一种适合计算机操纵的 语言来进行表述，为计算机支持该模式做好理论准备。对于p b l 而言，人们己做了部分模 拟试验和部分理论分析不过都仅仅局限于某个特定的环境和要求【9 】【2 2 。但要适应当今 计算机网络技术的发展，进行整体而有系统的分析，还不多见，特别是要适应如今的多种 异构计算机网络的需要。故本文对p b l 的学习模型研究有如下意义： ( 1 ) 更有利于在网络环境下计算机支持p b l 学习环境的建立。 ( 2 ) 有利于实现学生在学习时信息的交流，有利于信息获取多样化，从而增强学生的 学习兴趣。 ( 3 ) 有利于老师对p b l 中学生学习情况的较全面的掌握，对促进学生的学习具有积 极的意义。 ( 4 ) 有利于提高计算机支持的p b l 的灵活性和适应性，提高学生的学习效率和求解 能力。 论文研究的创新有： ( 1 ) 对c s p b l 中原有学习空间设计进行了改进，建立了p b l 的学习空间模型。 ( 2 ) 对p b l 学习空间分别进行了形式化的描述，并对数据库及相关信息用x m l 进 行表示。 ( 3 ) 利用个体答案树，生成整体答案树。 1 5 本文结构 论文的第一章介绍研究背景、研究现状、研究内容及研究的意义。第二章介绍了论文 进行研究的相关理论、技术基础。第三章对p b l 学习空间模型进行了研究。第四章对p b l 学习空间模型中的问题空间进行了分析。第五章对p b l 学习空间模型中的信息空间进行了 分析。第六章对p b l 学习空间模型中的答案空间进行了分析。第七章利用j a v a 技术建立 p b l 学习空间的部分操作界面。第八章对p b l 学习空间模型进行综述，并对研究工作进行 总结和展望。最后是论文的参考文献。 6 - 第二章相关理论 第二章相关理论 2 1 p b l ( p r o b l e m b a s e dl e a r n i n g ) 2 1 1 问题的定义 在认识基于问题的学习之前，必须对问题这一概念有清楚的了解。对于什么是问题， 主要有以下几种认识： ( 1 ) 问题就是有一个目标。但是不能马上知道怎样达到这个目标 1 7 。 ( z ) w e l l - d e f i n e dp r o b l e m s ：就是所提供的问题情境和目标状态是清楚的。它有唯 一的方法或一个有限的，可定义范围的方法 7 。 ( 3 ) i l l - d e f i n e d p r o b l e m s ：就是为问题提供的许多情况和目标状态是未知的，模糊 的，情境非常易变的。它经常有若干正确的方法 7 。 ( 4 ) 问题是一种情境，它具有三个主要组成部分：当前状态；目标状态：从当 前状态到目标状态进行转化的一系列操作 9 。在这个情境中，某个人希望达到一定目标， 但又不可能很容易的成功，要达到目标，往往有多种方案可供选择。 ( 5 ) 乔纳森认为 2 1 ，问题有两个主要特征；第一，问题是某种情境下的未知实体， 在目标状态与当前状态之间要存在一定的差异。第二，所寻找的或解决的那些来知的东西 要有一定的探寻价值。 本文对基于问题学习中的问题定义如下： 定义2 - 1 问题是一种情境，也必须是劣构( i 1 1 一d e f i n e d ) 的，必须付出一定的努力 才能达到预期的目标，且达到目标的方式和途径可以有多种。当然，这个问题是针对学生 丽言而非相对教师来说的。 其一般的形式化定义如下【2 9 ： 已知a 满足妒，( a ) 伊2 ( a ) 妒。( a ) 求解x 满足矿。( x ) y2 ( x ) 。( x ) 注：( 1 ) p 。( a ) 一- - 寸y j ( x ) 即从原始信息要经过多次推导才能到达目标。 ( 2 ) a 是一组已知要求，x 是一组待求目标。 2 1 2p b l ( p r o b l e m - b a s e dl e a r n i n g ) 的定义 基于问题的学习或译为问题本位学习，这是近年来受到广泛关注的一种先进教学模式。 对于什么是p b l ，有以下几种代表性的定义： ( 1 ) s t e p h e na n dg a l l a g h e r 2 2 ： 基于问题的学习，就是对学生进行任何教学之前，提供一个“劣构”问题。在整个学 ， 第二章相关理论 习过程中，要求学生对问题进行深入探究，找到问题之间的联系，剖解问题的复杂性，运 用知识形成问题的解决方案。 ( 2 ) d o n a l dr w o o d s 1 6 ： p b l 就是一种以问题驱动学习的学习环境，即，在学生学习知识这前，先给他们一个 问题。提出问题是为了让学生发现在解决某个问题之前必需学习一些新知识。 ( 3 ) m a y o ，d o n n e l l y ，n a s h ，& s e h w a r t z 1 7 ： 基于问题的学习是这样一种教学策略：在学生学习知识和发展问题解决能力过程中， 为他们创设有意义的，情境化的，真实世界情境，并为他们提供资源，给予引导和指导。 ( 4 ) h o w a r db a r r o w sa n da n nk e l s o n 2 3 ： p b l 既是一种课程，也是一个过程：说它是一种课程，是指它由经过仔细选择精心设 计的问题组成，而这些问题是学习者在获得批判性知识，熟练的问题解决能力，自主学习 策略以及团队合作参与能力所需要的，说它是一个过程，是指它是遵循普遍采用的用以解 决问题或应对生活和事业所遇挑战的系统方法。 ( 5 ) c o l l e e nb r o w n 2 4 ： 实质上，基于问题的学习是指通过引入“真实生活”情境或案例学习，使学生参与学 习课程的一种方法。这种真实情境或案例学习要求学生运用手头的主题内容和方法来探究 问题的解决答案。 本文对基于问题学习的定义如下： 定义2 - 2基于问题的学习是指把学习设置到复杂的，有意义的问题情境中，通过让 学生合作解决真实性问题，来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，并 发展自主学习和终生学习的能力。 网络环境下计算机支持的p b l 是应用网络的强大功能为学习者提供更为优越的学习环 境，共同合作有效地解决问题的一种学习模式。此法在教师指导下，以问题为引导，学生 自学讨论为主体，突破了传统的教学模式和陈旧的教育思想。 2 1 3p b l 的基本要素 p b l 是强调学生通过积极的对问题探寻而进行学习的教学方法。p b l 主要有以下三个基 本的要素 2 5 ： ( ”学习用例。学习用例是基于问题学习的核心。任何学习用例的来源不仅仅局限 于任何一个方面。它可能来自教师、报刊杂志、课本、相关著作或者网络等。然而，一个 好的学习用例的重要特征是该用例能够顺利进行。当学生通过该学 - 3 用例进行学习时，他 们能期望从中发现任何相关的信息，这些信息能帮助他们理解这个学习用例。学习用例不 是每个都有一个解决方案，因此，问题求解并不是基于问题学习的最终目的。相反，学习 用例被作为了学习的一个媒介，学 - 3 知识和获得问题求解技能才是这些用例的晟终目的。 ( 2 ) 以学生为中心的学习。在小组中，读一个“情景”或案例，小组成员识别出情 景内在的“事实一( 他们知道什么) 。然后，他们提 d t 他们的“思想”假设或想法一 关于他们认为这些事实为什么联系的想法。下一步，他们识别出他们的“学习需要”一 8 第二章相关理论 一他们需要学什么来证明他们的想法是否正确。学生然后去查找各种各样的学习资源， 比如网络、图书馆、当地的实验室、老师或这个领域的专家，以获得需要的信息。他们也 可以使用有用的资源来设计实验或活动以检测他们的想法。 p b l 中的老师成为小组中促进学生学习的帮助者。例如，老师介绍各种高效利用学习资 源的策略。他们的部分角色是实施正面的反馈策略，产生小组的交互技能，鼓励协作。p b l 老师作为促进者要有好的提问技巧。当学生学习他们的案例时，教师的一个重要的任务是使 用问题帮助学生。 ( 3 ) 小组协作学习。理论上，p b l 学生在小组内工作。理想组的大小为5 到7 人。p b l 中的协作学习特别重要。由于p b l 教师是一个辅助者而不再是讲师或信息发布者，学生对他 们自己的学习负责。在一个小组中，每一个对他的小组成员的成功学习都负有责任。当在学 习案例中识别出学习需要时，每一个成员将得到一个基本问题，并成为这些问题的“主人”。 在学习过程中，他们将帮助他们的队友理解他们在哪里学习他们的信息。学习什么信息，怎 么学习这些信息。p b l 学生逐渐成为公认的有技巧的交流者，因为他们必须与他们的队友连 续的交流他们学到的知识。每一个小组成员对他的小组的成功负责，这样他们也成为公认的 更主动的学习者，他们分担队友同等的压力给p b l 学生更多的激励。 2 1 4p b l 的过程 图2 - 1 显示了p b l 学习过程的一般流程图 5 。该过程中的每个阶段对以学习为目标的 河题求解过程都是极其重要的。 图2 - 1p b l 的学习过程 学生对老师提供的单元问题进行思考，并产生一些初步的想法。通过与教师和同学的 交流、讨论，利用自己已掌握信息。来推导求解该问题的学习需要，如需要对自己的哪些 想法进行证明，求精和抛弃等。然后组织这些认为对求解问题和学习需要的信息，再去探 寻与这些学习需要相关的学习资源，如向教师、同学请教，主动去图书馆、网络查找等， 并产生一些对问题求解的新信息。利用这些信息再对我们的求解想法进行测试，如果是好 - 9 - 圃占卤矗 一 墨三兰塑鲞里望 的想法，就对问题进行求解，产生答案路径结束学习；如果是不正确的想法，就应该拒 绝它；如果是不成熟的想法，如还需要修改或求精，就重新组织这些想法，进行下一轮的 循环。 2 1 5 计算机支持的p b l ( c s p b l ) 过去，p b l 的实施主要靠通过纸张或人与人之间直接的交流方式进行的。而现在，随 着电子信息技术和计算机网络技术的不断发展，计算机支持的p b l 学习环境正在蓬勃发展。 例如：多媒体能使学生的p b l 的学习材料非常真实的显现出来：数据库系统及文档的创建 能使在p b l 学习过程中相关的内容记录并存储起来；网络使远距离的人们在学习小组中进 行p b l 学习提供了解决的办法。 在p b l 的学习过程中，教师的协助指导、学生学习过程的相关信息等都是一个重要的 因素。而传统的p b l 教师的指导、学生的学习大多是在教室内完成。他们只能通过当面 交谈、笔记等方式进行。为了让学生、教师的信息得到有效的组织，有效的利用，我们就 应该采用计算机支持的p b l ( c o m p u t e rs u p p o r tp r o b l e m b a s e dl e a r n i n g ，c s p b l ) 来对 整个p b l 学习过程进行记录和评价。计算机支持的p b l 系统框架结构如图2 - 2 所示【2 6 ； c p b 】 评 镬器 价 模 块 图2 - 2c s p b l 系统结构 在该系统框架结构中，内框虚线部分为p b l 学习空间，其外面有教师模块、学生模块、 协作模块和评价模块。教师模块根据自己拥有的知识库和学生的相应情况对目标问题进行 分解，形成问题库。学生模块利用已有的学习资源或者其他的信息对问题库中的相应问题 进行处理，并形成相应的学习记录。协作模块支持在p b l 学习过程中教师之间、学生之间、 教师与学生之间的协作学习与求解。评价模块根据学生和教师在p b l 的学习过程和求解过 程中的表现给予一定的评价。 在计算机支持p b l 系统中，其p b l 学习空间部分显得尤其重要，它直接关系着学生在 p b l 的学习过程成败的关键。而系统结构对这部分的处理却又显得相对比较简单，不足以 1 0 一一一一 一 箜三里塑差堡丝 表现整个p b l 学习过程中的学习和求解，也对外部的各个模块的支持程度不高。 因此，本文将着重对计算机支持p b l 系统的p b l 学习空间部分进行较为详实的研究和 实践。 2 2 x m l x m l 代袭可扩展标记语言。它是一种把数据表示为一个文本字符串的语言，这个文本 字符还包括用于描述数据的散布的“标记”。标记提供一种机制来给文档添加元内容和结构 信息。元素是x m l 的基本的组成部分。元素可以包含嵌套在其中的其他元素叫做子元素。 一个文档由一个单一的最外面的( 或最高级的) 元素组成，它包含其他元素和“”或字符 数据，并且每个子元素可以包禽其他带字符的“子元素的子元素”，等等。 x m l 可以用来在w e b 上的应用之间或应用与应用之间交换数据，具有集成数据和文档 的能力。x 6 i l 是用一种灵活的可扩展的表示来实现内容通信，具有相当的表现力和可扩展 性。如：x m l 可以获取在应用之间交换的信息的类型；x 4 l 文档可以被剪裁咀适合特殊的需 求；x 4 l 解析器与其他的能用工具已经比较成熟。当需要在应用程序之间交换数据叉要进 行表现，特别在数据结构发生变化时，建议使用捌l 2 7 。 捌l 数据库是一个礼文档的集合，这些文档是持久的并且是可以操作的。3 0 j t l 文档趋 向于面向文档处理。或趋向面向数据处理。) a 儿数据库与应用程序之间和在多应用程序之 间进行数据交换是很有用的。处理控制可以被表示为飙l ，或者被单独定义。x m l 数据库的 结构比关系型数据库中使用的关系更有表现力，因为它可以包含其他元素、变化顺序和属 性的数量，并且可以包含具有相同元素类型的多个元素，使得它更加容易表示复杂的数据。 由于现在大多计算机支持的学习系统都是基于w e b ，利用网络技术实现的，所以在p b l 学习过程中，我们把所产生的蹦l 文档保存在一个x m l 数据库中存放在w e b 服务器上。 构成整个w e b 数据库系统，而在l 数据库中x 虬文档作为整个文档或部分文档都是可用。 w e b 数据库系统提供对x 札文档和文档片段的直接访问，并且提供对文档和文档片段的交 叉查询。当从一个具有复杂层次关系的领域中获得相关数据时使用x 札数据库特别合适 2 8 。 x m l 具有扩展性、简单性、开放性、互操作性、多国语言通用性等一系列特点。它可 以描述具有图或树结构的数据，还可以自定义煳l 的d t d 和x s l ，以确定文档的格式和显 示。随着i n t e r n e t 的高速发展，糊l 已经逐渐成为信息交换和数据表示的标准 2 7 。 本文利用x m l 自身的结构和特点，在计算机支持p b l 学习空间中，对问题空间中的问 题库和信息空间中的数据库用x 扎进行表示，以便于实验部分好利用j a v a 的d o m 技术对其 进行处理和应用。 第三章p b l 学习空间模型 第三章p b l 学习空间模型 要实现计算机支持的p b l ，对p b l 学习过程的整个学习空间的学习模型的理解是至关 重要的。对于要实现计算机支持的p b l ，本身就是一个复杂的问题。将个复杂的问题分 解成若干个容易处理的子问题，采用“分而治之”的策略逐个加以解决，是计算机领域常 用的手段。故本文对前面已有c s p b l 中的p b l 学习空间的学习模型进行了划分。此时，前 面所述的c s p b l 系统结构如图3 - i 所示： c s ib l i p b l 学习空间；一 评；网h 竺竺卜 价 l 扁司| h 圈一 模 块 ：l 一： 图3 - ic s p b l 系统结构 3 1 学习空间的划分 对计算机支持的p b l 系统的学习空问，本文将对其划分为相对独立又相互联系的三个 子空间；问题空间( p r o b l e ms p a c e ) 、信息空间( i n f o r m a t i o ns p a c e ) 、答案空间( a n s w e r s p a c e ) 。对该学习空间模型的提出，主要从以下几个方面考虑： 3 1 1 划分的必要性 分解是在日常生活中解决问题的一种常用方法，也是计算机领域进行问题求解的一种 重要方法。计算机支持的p b l 学习过程的整个学习空间进行划分，对p b l 的计算机实现和 学生的学习会有很大的益处。 ( 1 ) 各子空间相对独立。把p b l 的学习空间，划分成几个相对独立的空间，每个空间 完成自身确定的功能，易于理解。 ( 2 ) 灵活性好。当利用计算机支持p b l 的学习过程中，如果我们有什么改变的话，可 以适时的找到需要改变的是哪一个子空间，而用不着对整个系统进行没必要的修改，易于 1 2 - 第三章p b l 学习空间模型 操作。 ( 3 ) 结构上可分割开。各子空间都可采用晟适合该子空间的技术米实现该子空间的功 能。让计算机在处理一个问题时，降低整个问题的复杂度，易于实现。 ( 4 ) 易于教师对学生的学习情况的掌握。对p b l 学习空间划分后，教师需要对学生哪 些方面进行了解和掌握，只要在相应的子空间获取数据即可。 3 1 2 划分的可行性 实际上，可把上章所述的p b l 过程分为功能明确的三个阶段：问题、学习和求解( 5 。 问题阶段正是p b l 学习的开始，它包括对目标问题的理解、分解，通过考虑问题的各 个方面，联系相关的领域知识，明确目标问题的组成、环境和边界等。学习阶段是学生根 据相关问题的理解，去寻找与问题相关的信息需求，组织信息资源，共享信息，从而获得 求解相关问题的知识。求解阶段是利用学生对相关问题求解学习所掌握的知识对问题进 行分析用自己的求解方法来解决该问题。 这三个阶段，对p b l 学习过程的功能进行了明确的划分。由于这三个阶段具有相对独 立的功能，所以就可以把p b l 学习过程的这三个阶段划分三个相应的子空问来实现。 3 1 3 划分的原则 对计算机支持p b l 系统的学习空间进行划分，本文遵守以下几个主要原则： ( 1 ) 每个子空间的功能要明确且相对独立。 这一点在划分可行性一节的描述中，p b l 的整个过程已充分体现。 ( 2 ) 子空间接口耍清晰，尽量减少跨越接口的通信量。 这将在本章的子空间的接口描述一节中体现出来。 ( 3 ) 子空间的划分要适中且能充分体现出p b l 的思想。 若太少，则子空间功能划分不明确，多种功能混杂在一个子空间，造成该子空问太复 杂。若太多，又过于复杂。文献 1 5 提到了对p b l 学习空间划分的概念和划分对计算机支 持的重要性。它把p b l 划分成了问题空问和信息空间，但是仅提到划分的概念，未做任何 深入研究。如果划分成两个子空间，本文认为划分太少，因为它仅仅强调了学习，没有充 分体现出与学习相关的其他功能。而本文的划分成三个子空间，不仅仅只是学习，而且还 要通过求解问题，利用学习的知识，对问题进行解决，形成自己的求解路径，从而达到巩 固学生的学习的目的。因此对p b l 学习空间模型的划分为三个子空间不仅可培养学生的学 习能力，还可培养学生在学习的同时，提高自己分析问题、综合信息、解决问题的能力。 3 2p b l 学习空间模型形式化描述 根据对学习模型的提出一节的阐述，下面给出计算机支持p b l 学习空闯模型各子空间 1 3 苎三兰翌! 堂翌窒旦堇型 的详细结构。如图3 - 2 所示： 图3 - 2 p b l 学习空间模型( l s p b n l s p b l = ( p r o b l e m s p a c e ，i n f o r m a t i o n s p a c e ，a n s w e r s p a c e ) l s p b l ：表示c s p b l 系统中p b l 学习空间模型。 p r o b l e m s p a c e ：表示l s p b l 中的问题空间。 i n f o r m a t i o n s p a c e ：表示l s p b l 中的信息空间。 a n s w e r s p a c e ；表示l s p b l 中的答案空间。 下面给出l s p b l 三个子空间的顶层形式化描述： ( 1 ) 问题空间可以形式化为： 3 d o m a i n ，d s 。( d s ，i ( d s 2 ( d s i ( g o a l p r o b l e m ) ) ) ) p r o b l e m d b 表示存在领域知识，应用分解策略对某问题进行逐步分解，形成空间中的重要部分一 一子问题库。d s t ( ) 表示对问题的分解策略谓词，g o a l p r o b l e m 表示目标问题，p r o b l e m d b 表示问题库，d o m a i n 表示领域知识。 1 4 ( 2 ) 信息空间可以形式化为： v p i ，a n a l y s e ( i n t e r i n f ，o u t i n f ) + k n o w l e d g e 表示针对任一问题的求解进行学习而获得的内部信息和外部信息，综合分析形成求解 该问题的知识。其中，a n a l y s e ( ) 表示谓词命令，i n t e r i o f 表示内部信息，o u t i n f 表示外 部信息，k n o w l e d g e 表示知识。 ( 3 ) 答案空间可以形式化为： v s t u d e n ti m e t h o d i ( g o a l p r o b l e m ) a 凡 表示对某一学生i ，对目标问题利用自己的方法i 进行求解，形成自己的答案树i 。其 中，m e t h o d t 表示谓词，a t t 表示学生i 的答案树i 。 这三个子空间的具体的形式化描述在本文的后面三章将阐述。 3 3 各子空间的功能描述 在p b l 学习空间模型的划分中实际就是以p b l 学习过程各阶段的功能作为划分的基 础。这三个子空间的功能简述如下： 问题空间对p b l 中的学生来说是相当重要的。因为每个问题的困惑正是学生学习的指 导者，也正是学生需要进行学习的目标，是促使学生进行学习的强大动力，能充分体现学 生理解问题的能力。问题空间实现的功能有： ( 1 ) 问题识别、分解。对目标问题根据p b l 中问题的定义进行识别，对有助于学生进行 效学习的目标问题根据问题分解策略进行适当的分解，形成目标问题的与或树，生成问题 库。 ( 2 ) 对学生的学习实旆管理和控制。在p b l 学习过程中，当小组进行学习时，实现对小 组学生的问题求解状态进行有效的管理和控制。例如：当学生在解决一个问题时，如果该 问题没有解决那么教师就应限制他去解决该问题的父f 引蘧等，从而避免学生在学习时的 随意性和盲目性。 信息空间是学生在清楚自已学习和求解的目标之后，通过多种渠道获取相关问题信息 并进行学习，从而掌握问题求解知识的一个重要空间。在该空间中，与学生相关的信息能 充分体现学生在求解问题时的自主学习能力和汲取知识的能力。信息空间实现的功能有： ( 1 ) 实现信息交互。在信息空间里，学生充