利用lms绘制知识地图的算法研究

利用lms绘制知识地图的算法研究

随着电子学习的深入，3d技术在网络课程建设、自主学习管理和导航系统方面发挥着越来越重要的作用。然而,在主流的教学服务平台(也叫学习管理系统,LearningManagementSystem,简称为LMS)中,把可视化功能集成于LMS系统之内的技术方案尚少,限制了LMS的效用。因此,在LMS的开发中,如何才能把可视化的功能集成到LMS中,使之便捷地为一线教师提供服务,尚需进行深入的探索。一、知识可视化和学习进步可视化的概念1.信息可视化的提出所谓可视化就是利用计算机支撑的、交互的、对抽象数据的可视化表示,来增强人们对这些抽象信息的认知。可视化在不同领域的发展形成多个不同的分支,其中信息可视化和知识可视化分别是可视化在信息科学领域、教育学及心理学领域的独立发展。“信息可视化”这一术语最早出现在1989年G.Rob-ertson、S.Card与J.Mackinlay的论文中。在IEEE信息可视化(InformationVisualization)的专题网站上,认为信息可视化不仅仅是一个计算机方法,更是一个过程,它将信息转换成视觉形式,使人们便于观察、浏览、理解,更容易被他人感知并吸纳。知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域,它应用视觉表征手段促进群体知识的传播和创新,其主要思路是借助于各种工具,以图式、动画等形式表现知识或知识之间的关系,从而促进学习者在已有知识结构的基础上,快速厘清知识点之间的逻辑关系,并实现有意义建构。2.基于知识地图的导向性学习随着e-Learning的普及,网络学习资源建设已成为学习支持的基本手段。在这个过程中,一方面,为了呈现知识点之间的逻辑关系,知识地图、概念地图、知识网络图等概念喷薄而出,与其配套的MindManager等工具在网络学习资源开发过程中被广泛地应用。基于知识地图的导航体系,对于引导学习者更好地理解知识体系、“随机进入”各知识点并开展学习都发挥了重要作用。另一方面,各种类型的知识以图片、微视频、动画的方式呈现在屏幕上,以直观形象引导学习者思考,对提高学习效率也有重要意义。3.基于知识地图的学习进度可视化在实际的教学活动中,笔者发现:学习者对各先序知识的掌握程度、是否存在被遗漏的先序知识,对学习者进入下一环节的学习至关重要。凡是先序知识薄弱,甚至遗漏先序知识点的学习者,在后序的学习中,常常出现反应迟钝、理解不充分等问题,严重地影响他们对后序知识点的理解。与此同时,多数学习者并不能清晰、准确地评价自己的学习情况,经常会想当然地认为自己已熟练掌握了某一知识点,而事实上则不然。从主流LMS的功能和应用状况看,目前尚缺乏真正面向学习者的、实时地反映学习者进度情况的LMS平台。通过CNKI,发现与此相关的研究,主要集中于以下几个领域:(1)基于数据挖掘和数据推送技术的个性化学习的研究,比如何玲、高林琪的“网络环境中学习资料的个性化推荐方法”,程琳等人的“基于知识点对象的个性化学习系统实施”;(2)针对学生“电子档案袋”的相关研究,比如,王春岩的“自主学习模式中学习者档案的建立”。尽管这些研究都从不同的视角关注了学习者的学习情况,但多数仍停留在理论研究层面,或者以数据挖掘理论为指导,对已有的数据实施分析,尚未真正地把学习进度可视化与LMS融为一体,没有解决向学习者实时反馈学习进度的问题。因此,借助项目管理学中“任务分解”和“进度计划”的概念,依托信息技术的手段,以知识网络图呈现学习活动中的关键步骤及其相互关系,在知识网络图上标注出每个学习者对各知识点的掌握程度,使学习者在登录LMS后就能一目了然地看到自己的学习情况,及时地发现存在问题的薄弱环节并拿出补救措施,将是很有价值的,这就是学习进度可视化的概念。学习进度可视化,是面向单个学习者个体,直观地标注学习者学习进度的一种技术,它建立在知识地图的基础上,利用对知识地图中相关知识点的标注,反映学习者的学习水平。在此方案中,教师可以通过知识地图内的结点及其联系表达学习活动中的关键步骤及其相互关系,学习者则可以通过自己在各知识点上的表现来查看自己处于学习进程中的哪个阶段,尚有哪些不足。从教学实践看,如果能够在LMS中设计出学习进度自动跟踪功能,使学习者随时掌握自己的学习情况,充分地了解自己对各个知识点的掌握程度,就能引导学习者根据自己的学习进度制定出个性化的学习方案,对于学习者的个性化学习、自主学习,意义重大。二、在学习资源方面的应用对知识可视化的理论研究已经非常深入,其相关工具和理论成果在网络学习资源的建设中也发挥着巨大的作用,特别是在学习资源导航、复杂知识呈现等领域都表现卓越。然而,调研当前主流的LMS,却发现普遍缺少对知识可视化的直接支持,对于一线教师来讲,要在LMS中直接创建知识地图是非常困难的。1.建设学习平台自1998年北京师范大学开始借助LMS平台开展信息技术课教学以来,笔者所在的团队使用过6个LMS,包括了北京师范大学教育技术学院开发的“WebCL”“下一代教师教育平台”,清华大学教育技术研究所开发的“北师大计算机教学服务系统”,以及国外的产品“BlackBoard”等,这些平台都没有为一线教师提供动态创建知识地图的功能。在这些平台中,一线教师只能把制作好的知识地图、图像和视频作为资源打包上传,上传后的资源被线性依次排列,无法体现资源之间的立体联接关系,也无法按照教师的要求重组资源体系。从笔者应用LMS组织教学的实践看,尽管在许多网络课程中都用过知识地图,但这些知识地图要么是静态图片,要么是由MindManager等工具直接生成的静态网页,当这些图片或者静态网页被打包上传到LMS中的特定位置后,是不允许一线教师利用LMS直接修改的。不可否认,这种模式的知识地图确实在教学过程中发挥了巨大作用。然而,由于知识地图是静态的,普通一线教师不能根据自己的需求随时调整,束缚了一线教师的创新性和个性化教学的开展。2.国内学术期刊的研究现状从LMS平台建设与应用的情况来看,对网络学习资源建设的研究很多,但针对学习者学习进度管理的研究却很少,能够利用LMS直接跟踪学习者学习进度的研究也很少。通过CNKI检索国内学术期刊,尚没有以“学习进度可视化”为关键字的学术论文,但以“学习资源建设”为关键字的学术论文有172篇,以“学习资源”为关键字的学术论文则达到了7000多篇。另外,为更好地服务北京师范大学计算机公共课,笔者团队曾调研了10多个主流的LMS,也没有发现提供学习进度可视化功能的LMS。另一方面,进度可视化的概念及技术在项目管理学、工程学等学科中都得到了非常广泛的应用。因此,在LMS建设和教学组织中,借鉴教育技术的相关理论和项目管理学的方法,引入学习进度可视化的概念,无疑是可行的,也是很有意义的。三、动态更新知识地图为使一线教师也能利用LMS便捷地创建知识地图,建立各个知识点到相关资源和素材的链接,应该由LMS向一线教师提供动态建立、修改知识地图的功能,并能够根据每个学习者的阅读情况、作业情况分别标注其学习进度。1.操作技术如果允许一线教师动态地生成知识地图,就应在LMS中提供一种操作技术,保证一线教师能够便捷地向LMS中输入知识点,并说明各知识点之间的关系,然后利用编程语言把这种关系图示化。为此,必须开发新的数据结构和应用程序。(1)资源信息的生成所有的LMS都是基于后台关系数据库的,因此,为了能够存储知识地图信息,需要在数据库中添加数据表,以便保存结点信息、结点之间的关系信息和结点的附加资源信息。在这个数据结构中,至少需要包括以下3张数据表(如表1、表2、表3所示)。表1中,“知识结点ID”是自增量种子变量,充当本表的主键。表2中,“资源ID”是自增量种子变量,充当本表的主键,而“知识结点ID”是外键,说明本资源隶属于哪个知识结点。在上述三张表中,对于知识点之间的层次联系,可直接由“知识节点表”内4个级别的序号来体现。除了层次关系之外,在某些知识点之间还可能存在跨层次的关联,则需由“知识结点关联表”负责登记。(2)基于目录结构的知识地图输入由于课程中知识点之间的联系多数表现为层次关系(即树状关系),因此在为教师提供知识地图输入界面时,可借助于类似目录结构的方式输入新结点,如图1所示。在图1所示的界面中,单击某个按钮,就会在对应的位置出现文本框,此时教师可直接在文本框中输入新知识点的名称。(3)直接将资源发至lms服务器中单击图1中3级结点或4级结点后面的超链接“附加资源”,可得到如图2所示的操作界面。此时,教师可直接把资源上传到LMS服务器中并把新资源链接到该知识结点之中。在每个知识结点之下,可以附加5类学习资源,分别是网页类资源(mht文档)、微视频资源和单选测评题、简单操作题、综合应用题。(4)以各控制区域为单位的认识算法基于表1、表2、表3的数据结构,可以用下页图3所示的方式呈现出知识地图。为了实现这种显示效果,采用了“从底向上,逐步综合”的绘制策略。首先,在最右侧列中依次输出第4级结点及内容;然后,根据4级结点的位置与隶属关系确定3级结点的垂直位置。也就是说,对3级结点来讲,先从它所管辖的首个4级结点到最后一个4级结点做垂线,这条垂线的中点纵坐标就是此3级结点的纵坐标。依此类推,2级结点的纵坐标由它所辖的多个3级结点的垂直位置决定。同理,也能计算出每个1级结点的坐标位置。根据前述思路可知,在绘制知识地图的过程中,计算各个结点坐标位置的基本算法如下:首先,计算结点的横坐标。结点的横坐标,主要由结点级别决定。假设每个结点占据宽度为200px的空间,那么其中160px用于描述结点,40p用于间隔。所以,整个模块的起始横坐标(即模块名的X坐标)为0;第1级结点的x坐标为200,……。其次,计算结点的纵坐标。结点的纵坐标,主要由它所管辖的下级结点的位置来确定,计算公式如下:待定位置结点的纵坐标(y)=(所管辖的首个下级结点的纵坐标+所管辖的最末下级结点的纵坐标)/2。2.在lms中，实现可渗透性的假设为了能标注学习者的学习状况,需要解决两个问题:衡量学习者对某个知识点的掌握程度;在知识地图中标注出学习者对知识点的掌握情况。(1)lms自动记录数字视频技术在教学过程中的成绩体现要评价学习者对知识点的掌握程度,可从学习者“阅读教学资料时段、观看微视频的时段、单选题的正确率、简单操作题成绩、综合操作题的成绩”等5个方面来体现。为了做到这一点,在学习者利用LMS阅读教学资料或者观看微视频时,必须由LMS自动记录学习者每次点击链接的情况。为了能及时地反馈学习者对知识点的掌握程度,学习者应该主动完成每个知识点下的单选题、简单操作题和综合操作题,并由LMS和教师把单选题、操作题的得分情况记录到后台数据库中。(2)检索获取学习进度在每个学习者登录LMS并浏览知识地图时,应能看到自己在各个知识点处的学习进度。为此,在LMS绘制知识地图时,需要检索“学习进度数据表”,获取该学生在各个知识点上的学习情况,并根据检索结果,以不同饱和度的颜色在各个图例底部绘制一组小矩形块,分别填充不同饱和度的色彩,从而反应学习者对该知识点中不同类型内容的学习水平。3.张平的学习情况为了表现动态知识地图和进度标注的最终效果,图4给出了学生“张平”在访问Photoshop“画图技术”模块时的学生视图。在图4所示的学生视图下,4级结点后面的“文字”“视频”“单选题”“操作题”“综合题”都附带超级链接,链着相应的资源,而且在这些超级链接区块中,其背景色的饱和度体现了“张平”对该内容的学习情况。另外,在每个3级结点和2级结点下部,都有5个小矩形块,每个小矩形块对应一类学习内容,其背景色的饱和度越大,表示“张平”对该知识点中相应内容的学习越充分,掌握得越好。在图4中,由教师制作的知识地图和反映学习者学习情况的标注被有机地结合起来,使学习者在打开某一模块后,能够直观地看到该模块中各知识点之间的逻辑关系,而且通过知识点图例底部的标记色,了解自己在各个知识点上的学习情况。在这个过程中,知识地图呈现了学习活动中的关键环节,是面向全体用户的,而针对知识点的标记则是面向当前访问者的,是个性化的图形,能够帮助当前学习者了解哪个知识点是薄弱的,哪些知识点是遗漏了的,促使学习者查漏补缺,完善自己的知识结构。四、对基本技术方案的反思和优化1.动态知识地图的运行过程中出现的问题依据预定的设计思路,笔者基于ASP.NET技术,在教学服务器上利用C#语言进行了动态知识地图和学习进度可视化功能的开发。然而,当完成了动态知识地图的开发,试运行时却发现了一系列的具体问题。(1)在系统运行时,动态知识地图的生成速度较慢,导致系统的并发处理能力降低。当多名学习者共同访问动态知识地图时,LMS的响应时间过长。(2)由于每个知识结点的绘制位置都是在绘制过程中自动计算并生成的,并没有在LMS中留下数据记录。那么在标记学习者的学习进度时,常常难以找到准确的绘图位置,导致进度标记与知识点图例的错位。2.改进措施(1)创建知识地图在LMS中,知识地图中的知识点是由教师创建并负责管理的,与知识点相关的资源也由教师提供。如果教师没有修改知识地图中的内容,各个学习者看到的知识地图应该是相同的。因此,可把计算知识点显示位置的工作放在教师创建知识地图的阶段。由于学习者访问知识地图的次数远远多于教师修改知识地图的次数,所以,改进方案能避免对知识点坐