基于学习流的智能辅助教学系统研究

本文由【中文word文档库】搜集整理。中文word文档库免费提供海量教学资料、行业资料、范文模板、应用文书、考试学习和社会经济等word文档基于学习流的智能辅助教学系统研究TheStudyofICAIBasedonLearningFlow李益才*张小真***重庆交通学院计算机系E-mail:Lycyt_1@163.com**西南师范大学计算机及信息科学学院E-mail:Zhangxz@本文以建构主义理论为基础，通过分析学生的学习环境和学习过程，结合工作流管理技术，提出了基于学习流的辅助教学系统。它阐明了学习环境、学习空间、学习活动和学习过程等一系列概念及其关系，描述了学习流的形式化模型，并在此基础上提出了基于学习流的智能辅助教学系统模型（LF_ICAI），说明了实现时的有关问题。关键词：学习环境学习空间学习活动学习流1引言随着计算机技术的发展，智能辅助教学系统的研究也在不断地深入和发展。到目前为止，已有许多的辅助教学系统投入使用，有基于Internet的网上远程教学系统，有基于WEB的课件发布系统，还有基于Multi-Agent的智能辅助教学系统等。不同的辅助教学系统，理论基础不同。基于行为主义的智能辅助教学系统强调以教师为中心，而基于认知理论的智能辅助教学系统强调以学生为中心，走了两个极端。后来出现的建构主义理论则把两者结合起来，强调学生为主体，教师为主导的学习。本文在建构理论的指导下，认真分析了学习环境和学生的学习程，结合工作流技术，提出了基于学习流的智能辅助教学系统模型，说明了系统设计实现时的有关问题。2智能辅助教学系统与学习环境建构主义强调环境和个体的相互作用，在这种相互作用下，个体通过不断的“同化”和“顺应”来建构关于环境的知识。以建构理论为指导，学生通过智能辅助教学系统进行的学习置于一个学习环境中。建构主义理论强调对该学习环境的设计。对于学习环境，有人认为：学习环境是学习者在追求学习目标和问题解决的活动中可以使用多样的工具和信息资源并相互合作和支持的场所。这种观点表明了建构主义学习环境的一些基本特征，但将学习环境定位于学习场所，未能反映建构主义学习环境的核心内容。在此，我们将学习环境作为一种支持学习者进行建构性学习的各种学习资源的组合，其形式化描述如下：定义1：学习环境[5]LE=（IB，SP，CK，P，TM）学习环境是一个五元组，包括五个要素：IB：信息库，主要为领域知识的教学材料；SP：符号簿，用于暂时记录某些知识的纸张或编辑器，用作短时加强记忆；CK：建构工具箱，包括协作、对话工具及实验、演示等；P：情境，是学习任务呈现给学习者的问题解决情境；TM：任务管理器，是学习活动的管理者。教师、学生、带有明确指导信息的课本以及计算机软件都可以充当任务管理器，在智能辅助教学系统中，任务管理器就是系统本身。学生在这种环境中学习就是指学生在任务管理器的管理下，置身于特定的、有利于对所学内容进行意义建构的情境中，利用工具箱中的工具以及符号簿，完成对教学材料的学习，即在任务管理器的管理下，在特定的情境中，通过会话、协作，完成对所呈现事物的本质、规律以及事物之间相互联系的把握，即意义建构。而智能辅助教学系统本身则是学习环境的一部分。3学习空间与学习过程如上所述，学生的学习置身于一个学习环境中，情境是学习环境的要素之一。在智能辅助教学系统中，通过多媒体或仿真技术创造一个虚拟现实的情境，利用生动、直观的形象有效激发学生的联想，唤醒长期记忆中有关的知识、经验或表象，便于学生对新知识的学习和理解。同时，为便于学生的学习，还应建立功能强大的工具箱，把情境和工具箱结合起来，引入学习空间的概念。3.1学习空间定义2：学习空间LS=（n，Mbg，App，STbg，Tl）其中：n：表示某个知识点；Mbg：相对于该知识点的背景知识；App：应用该知识点的重要案例（如关于该知识点应用的模拟、演示等）；STbg：关于学习该知识点的学生的社会文化背景知识；Tl：工具箱，包括协作、对话工具，以及其他便于学生学习的工具。从该定义可知，学习空间是学习环境的子集，它包括情境、工具箱及信息库的一部分。学习空间有五大要素：知识点，知识点的背景资料，知识点的应用个案，学生的背景知识和工具箱（其中，工具箱在多数情况下一样）。对于不同的学生，不同的知识点，学生的不同次进入该知识点的学习，其学习空间是不一样的，是跃迁的。可以这样说，学习空间是知识点和学生背景知识的一个函数，它随着学生学习进程的不同而不同，学生的学习活动就在其中得以逐步完成。学习空间是由智能辅助教学系统创建的。3.2知识关系图对学生而言，在一段时间内要对某门课程进行系统的学习，学习空间随着知识点的不同而不同。因而在考查学生的学习过程之前首先考虑一门课程中的各知识点是一种什么样的关系，它们以一种什么样的顺序呈现在学生的面前。我们以知识关系图来确定各知识点的关系。定义3：知识关系图KRG=（D，R）D={（di，wi）|i=1，2，3，……n，0<wi<=1,di∈knowlegeobject}R={（vi，vj，awi）|i，j=1，2，3，……n且i<j，0<awi<=1，vi，vj∈D}定义中，knowlegeobject是知识点集合，D是带权的知识点集合，R是知识点之间关系的集合，关系是一个三元组（vi，vj，awi），vi支持vj，awi代表支持程度。知识点关系图是一个有向无环图（DirectedAcyclineGraph图）,它有以下几个特点：（1）每一个结点代表一个知识点；（2）结点vi有指向结点vj的弧，表明知识点vi是知识点vj的前提知识点。且弧上有权（0到1之间的值），表明该前提知识点vi对知识点vj的支持程度；（3）每一个结点有一个权值（0到1之间），表明学习目标的要求，权值越大，说明要求越高。在知识点关系图中要求有向无环是合理的，一个知识点与另一个知识点不可能互为前提知识点。在一门课程中，一般有多个知识关系图，有一个关于整门课程按章节等大的自然知识点确定的知识关系图，这样的知识点称为复杂知识点。也有在一个复杂知识点内部再分成不可再分的知识点所构成的知识关系图，这样的知识点称为原子知识点。知识关系图由该门课程的教师在分析教学目标要求和该门课程体系结构的基础上确定，有了知识关系图之后，可利用“拓扑”排序（有条件的拓扑排序）或者是在教师的参与下制定学生学习该门课程的知识点序列。在制定知识序列时有一个原则，即按照临近发展原则，在一个知识点的所有前提知识点学完之后，应尽快学习该知识点。如图1所示的知识关系图就可以有多个知识点序列供学习者选择教师作参考，我们所考虑的序列有ABDFCEG或者BCEADFG等，一般不考虑ABCDEFG这样的序列。在生成学生的知识点学习序列时，根据学生的情况，如果某知识点学生已经掌握，则不考虑该知识点及其前提知识点。如图1所示，如果学生已经掌握E知识点，则生成的序列就可以是ADFG。

图1知识关系图3.3学习活动学生利用智能辅助教学系统进行学习，对某个知识点而言，有这样几种学习活动：浏览本知识点的学习目标和要求，学习本知识点的教学材料，查阅背景资料，学习应用该知识点的重要案例，与其他学生进行讨论（协作），寻求老师的帮助（答疑），练习，最后完成对本知识点的意义建构，接受系统对他学习本知识点的评价。这些学习活动的进行必须有学生的参与，学习素材的呈现及在必要时教师的帮助和同学的协作，都是在特定的学习空间中完成的。但并不是每一个学习活动都是必须的，在不同的教学方法指导下的学习活动的侧重点也不一样。如果学生经过知识点的学习就掌握了该知识点的知识，他可以直接接受系统对他的评价（评价结果记录在学生的背景知识中），以便尽快进入到下一个知识点的学习。也有例外，如果一个学生在接受评价时通不过，表明他在该知识点并未达到学习要求，则需要进行学习补偿，所谓学习补偿就是对学生比较薄弱的知识点以不同于新知识点的方式予以重新学习。可以归纳出如下两种结构来表示学习活动的变迁情况。图2学习活动变迁图图3学习补偿图在图2中，练习与评价放在一块，是指在对一些原子知识点的学习时，以学习活动中的练习的结果作为评价的依据，而不是专门设计测试评价，在对一些复杂知识点学习完成时，则常常要进行专门的测试评价，以确定学生的学习效果，同时对学生的评价也存在于学生的各种学习活动中。学习者可以在特定条件下直接接受评价，也可以在学习活动进行部分或全部之后接受评价，各种学习活动的顺序并不固定，学生完全可以根据自己的喜好来确定学习活动的顺序，对于一个知识点的学习，系统会根据教学设计方式和目的的不同，给出一个学习活动的推荐顺序。图3表示的是在评价未获通过时，进行的学习补偿，学习补偿之所以用L’来表示，意味着学习补偿的学习活动并不完全等同于以前的学习活动L。在进行学习补偿时，并不一定只对本知识点进行补偿，而是通过知识关系图，找出该知识点的前提知识点，并根据系统对学生的这一系列知识点的评价，分析出其可能薄弱的知识点（必要时在教师的参与下）。对这些知识点进行补偿性的学习。3.4学习过程我们以知识关系图为纽带，把学生的学习活动组织起来构成学生学习一门课程的学习过程。在这个学习过程中，学习素材和使用的工具来源于学习空间，学生作为学习活动的主体，教师作为参与者贯穿于学习过程的始终。以这种学习活动为基础的学习过程表现为学习、评价、再学习、再评价，如果评价通过，则进入下一知识点的学习和评价，如果评价通不过，则进入学习补偿，之后再评价这样一个不断的过程，直到达到该课程的教学要求，而整个过程则受到教师的控制和指导。学习过程如图4所示。图4基于学习活动的学习过程从图4看，好象学生的学习只是学习活动的简单重复，但实质上不是这样，因为学生通过对某个知识点的学习，并通过了该知识点的评价，则他应进入下一个知识点（根据知识点关系图所确定的）的学习，知识点不同，学习空间就不同，学生的学习活动也就不会相同。学习活动是学习过程中的一个逻辑步骤或环节，每个学习活动都包括的信息有：该学习活动的开始和结束条件，参与该学习活动的人（可能是一个学生，多个学生，学生和教师等），完成该活动所需要的资源等。对于具体的某个学生的学习而言，学习过程就是将学习活动按照学生自身的情况有选择地执行一次，在学习活动的执行过程中，学习空间随学习活动的变化而变化。4基于学习流的智能辅助教学系统模型在一个智能辅助教学系统中，如何对学习活动进行组织和管理，以及在何种条件下激活哪种学习活动是一个关键问题。对各种业务活动管理比较成熟的技术是工作流技术，一个工作流是任务、任务间关联关系以及资源等集合的组合，工作流任务对应于业务流程中逻辑上相对独立的工作步骤，而工作流管理就是在计算机辅助下对业务流程进行合理化设计、组织、集成、协调、执行和监控。在工作流中，不同的任务可能有不同的参与者。但对于学生的学习而言，作为学习活动的执行者学生以及管理者和指导者老师则贯穿于整个学习过程的始终。在智能辅助教学系统中，尽管学生的学习活动有其自身的特殊性，但也可借鉴工作流技术来实现学习活动的管理，在此引入学习流的概念。4.1学习流学习流是指根据学生的实际情况对学生的学习活动进行组织和管理。在学习过程中，两种流动关系，一种是数据流动，包括从一个学习活动到另一个学习活动的学习空间数据的变化及基于不同教学设计的知识点表现形式的变化等；另一种是控制流动，包括激活后续的哪一个学习活动，以及前一活动的结束条件、后一活动的开始条件等，它还包括控制创建后续活动的学习空间。有三种类型的控制要特别注意：=1\*GB3①控制进入新知识点的学习；=2\*GB3②控制进入评价活动；=3\*GB3③控制进入学习补偿阶段，要调用函数找出学习薄弱的知识点，并创建新的学习空间。根据以上分析，结合基于CDG图的工作流模型——Wowww![1]工作流模型的形式化描述，给出学习流模型的形式化描述如下：LF=（n，A，F）其中：n指的是针对某个特定学生的学习流名称；A指的是从学习过程中抽象出的所有学习活动的集合；F为A×A×C的一个子集，它描述的是在学习过程中的各学习活动的数据流动关系和控制流动关系，其中C代表的是一个条件，它表明在条件得以满足时，激活后续的哪个学习活动。在此形式化的定义中，A中的每一个元素ai表示一个学习活动，它由一个八元组（n，t，s，e，R，LS，O，K）来表示，其中n为学习活动的名称；t为学习活动的类型，可以分为学习本知识点，查阅知识点的背景知识，学习知识点的重要个案，与其他学生进行讨论（协作），寻求老师的帮助（对话），接受系统对他学习本知识点的评价，以及学习补偿等。s为该学习活动的开始条件，开始条件可分为三类，一类是对新知识点学习的开始条件即为前提知识点已经学完，并通过评价；一类是对同一知识点的不同种类的学习活动，这对不同的学习活动有不同的开始条件；最后一类是学习补偿的开始条件，它必须是刚刚经过评价的知识点未获通过。e为该学习活动的结束条件，除了评价活动之外，可以由学生自行终止，而评价活动的结束条件为该评价活动结束，得出通过或不通过该评价的结论。R为该学习活动参与者的集合，一般的学习活动为学习者本人，进行协作时必须有在线的其他学习该知识点的学生，寻求教师的帮助时，必须有教师的参与。LS为进行该学习活动的学习空间，进入新知识点学习必须重新生成新的学习空间，对于同一知识点的不同学习活动，学习空间可以是部分变化。O为进行该学习活动时所涉及的学习对象（学习内容）。K是一个二元组，表示所有的后继学习活动（j）及激发后继学习活动的条件。4.2基于学习流的智能辅助教学系统模型（LF_ICAI）基于上述的学习流模型，我们提出一种基于学习流的智能辅助教学系统模型，并命名为LF_ICAI，（见图5）。

图5基于学习流的智能辅助教学系统模型（LF_ICAI）下面对此模型作一简要说明。（1）资源：是指在系统执行过程中所需要的一切信息，包括知识点、知识关系图、背景知识、应用实例、学生信息等多方面的信息。（2）学习流执行服务：一次学生的学习过程，要产生一个学习流实例，需要一个学习流引擎来进行管理，多个学生通过远程登录学习，则要多个学习流引擎来管理多个学生的学习活动，学习流执行服务负责学习流引擎实例的生成、注销等管理。（3）学习流引擎：主要功能是产生一个学习流实例，负责激活学习空间代理创建相应知识点相关学习活动的学习空间，接收来自学生终端代理（Ti）的信息，与资源进行交互，并受管理与监控模块的监控。（4）学习空间代理：主要功能是根据学习流引擎的需要，为学生i的某个知识点的相关学习活动创建一个相应的学习空间，并传给学习流引擎。（5）管理与监控：主要功能是建立学生的行为心理模型，对学生的学习行为进行记录和分析，为学生的学习提供建议和评价。同时提供教师监控和管理的接口，便于教师对学生的学习流进行监控，对资源库中的资源进行更新或修改。学习活动集合所有学习活动。T1，Ti，Tj，……Tn若干学生终端代理，主要功能是完成与学生及系统的交互，收集学生的行为信息。通过LF_ICAI进行学习，学生首先登录系统，由学习流执行服务模块根据学生的具体情况创建学习流引擎，并通过查找该学生的信息，找到本次学习的起始知识点传递给学习流引擎。学习流引擎则根据知识点和学生的背景知识激活学习活动集合中的有关学习活动并调用学习空间代理创建学习空间，一并传递给该生的学生终端代理，则它完成与学生的交互。学生完成一个学习活动，则由学习流引擎根据激发后继学习活动的条件，激活相应的后继学习活动。在学生的学习过程中，学习流引擎随时修改学生背景资料。如此进行下去，直到学生退出本次学习。学习退出系统，则由学习流执行服务模块注销该工作流引擎。在整个过程中，都受到教师的管理和监控。5LF_ICAI设计和实现的有关问题LF_ICAI在进行设计和实现时，需要考虑教学设计方式、学习补偿以及在LF_ICAI中教师的主导作用和学生的主体作用的体现等问题。5.1LF_ICAI实现时可以采用的教学设计方式LF_ICAI基于建构主义的教学设计，可以采用“支架式”，“随机进入式”，“抛锚式”等多种方式。支架式教学把复杂的学习任务加以分解，把学习者的理解逐步引向深入。抛锚式教学列举关于该知识点的有感染力的真实事件或真实问题，便于学生的理解、思考和学习。随机进入式教学学生可以随意通过不同途径、不同方式进入同样教学内容的学习，从而获得对同一事物或同一问题的多方面的认识与理解。学生对各知识点的学习可以采用三种方式相结合的方式，而对于学习补偿则宜采用“抛锚式”和“随机进入式”。5.2确定学习补偿知识点学生学习某知识点是否达到预定目标是通过学习评价来实现的，评价时获得通过并不意味着学生完全掌握了该知识点的知识，只是大致体现了学生掌握该知识点的程度或概率。而众多前导知识点的学习及评价通过可能影响到后续知识点的学习，因而需借助知识关系图，结合图上的知识点权值、知识点支持度权值和学生学习知识点的评价等，采用模糊推理规则进行模糊推理，并在必要时学习教师的经验或允许教师的参与来确定学习补偿知识点。5.3学习补偿的教学设计学习补偿是对原学习过的知识点进行再学习，对学生来讲，该知识的内容学生已有一定的了解，这时就不能采用学习新知识点同样的教学设计（如“支架法”，这是学习新知识点用得较多的一种方法），而应结合该知识点的实际情况，采用“抛描法”给出一些实际的问题和适当的学习材料，让学生在解答这些问题的过程中发现事物的本质和联系，完成对该知识点的意义建构。5.4LF_ICAI中教师的主导作用和学生的主体作用LF_ICAI中，教师是不可缺少的。知识点关系图的建立、教学方式的设计都需要教师的专业知识和教学经验，对学生的评价以及确定学习补偿知识点，系统需要学习、运用教师的经验。教师在学生的学习过程中起着指导作用，是学生意义建构的帮助者和促进者。基于学习流的智能辅助教学系统是人机有效结合的整体，不是无教师参与的自动教学机器。LF_ICAI从系统设计到实施教学，教师都发挥着主导作用。学生在LF_ICAI中进行学习，处于一个内容丰富、形象生动、便于学生学习的学习空间中。对某个知识点的学习，学生可以自主地选择不同的学习活动（如学习知识点的知识、观看演示或模拟、协助、对话以及进行评价等），而系统的教学设计（支架式、抛锚式、随机进入式等）也让学生充分发挥其主观能动性和创造性，LF_ICAI充分体现了学生学习的主体地位。6结论基于学习流的智能辅助教学系统是以建构主义理论为基础，在借鉴工作流技术基础上设计出来的，该系统坚持学生的主体地位，并使教师在学生学习活动中的主导作用得到保证。在LF_ICAI中学习，即是由系统根据学生的具体情况生成一个学习流实例，来管理学生的各种学习活动，而学习流本身以及学习流运行所需的各种资源需要教师的监控和管理。学生在LF_ICAI学习可以自主选择进行各种学习活动，充分发挥学习的主观能动性。本文阐述了以建构主义为理论基础的基于学习流的辅助学习系统，提出了学习空间和学习流的概念，描述了学习流的形式化模型，并在此基础上提出了基于学习流的知识辅助教学系统模型（LF_ICAI）。本系统在实现时采用两级服务器模式——数据库服务器、应用及WEB服务器，应用程序用JAVA语言编写，使用JSP进行动态网页设计。关于LF_ICAI中学习资源的组织、学习流的控制、代理技术及模糊推理机制，另文叙述。参考文献[1]史美林等.一个基于Web的工作流管理系统——Wowww.软件学报.1999.（10）：1148-1155.[2]姜云飞.基于知识结构图的智能教学规划.计算机研究与发展.1998，（9）：787-792.[3]高婷.ICAI系统中知识框模型和推理.计算机工程与应用.2001.（15）：129-131.[4]AbbottK.R,SarinK.S,Experienceswithworkflowmanagement,ProcConferenceonComputerSupportedCooperativeWork,(1994)113-120[5]D.N.Perkins,”TechnologyMeetsConstructivism:DoTheyMakeamarriage?”,EducationalTechnology,may,1991[6]GangZhouetal.Curriculumknowledgerepresentation