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淺析自適應(yīng)超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)教育論文
摘要：從計算機輔助教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問題出發(fā)，提出了自適應(yīng)學(xué)習(xí)軟件的設(shè)計思想。研究以教育學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科為指導(dǎo)，從超媒體技術(shù)和自適應(yīng)方法、策略人手，以理論為指導(dǎo)設(shè)計一個軟件模型實例并在計算機上進行驗證。
關(guān)鍵詞：計算機輔助教學(xué)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)自適應(yīng)超媒體
1自適應(yīng)超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)概述
1．1自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)與自適應(yīng)超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)
自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)(adaptiveleanringsystem)，是指針對個體學(xué)習(xí)過程中的差異性(因人、因時)而提供適合個體特征的學(xué)習(xí)支持的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)本質(zhì)上是一種個別化的學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)，它能夠提供一個適應(yīng)用戶個性化特征的用戶視圖，這種個性化的學(xué)習(xí)視圖不僅包括個性化的資源而且包括個性化的學(xué)習(xí)過程和策略。由于個體的差異性是多方面的，因此適應(yīng)的功能特征也是多種多樣的，自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要研究：
①如何為學(xué)生提供：適應(yīng)性導(dǎo)航支持；適應(yīng)性內(nèi)容呈現(xiàn)；適應(yīng)性測試；適應(yīng)性幫助。
②學(xué)習(xí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型；
③領(lǐng)域知識庫的構(gòu)造方法；
④用戶模型的表示和用戶建模方法。
自適應(yīng)超媒體系統(tǒng)，指通過在用戶模型中反映用戶的某些特征，并應(yīng)用這個模型將系統(tǒng)中不同的可見方面適應(yīng)于不同用戶的所有超文本和超媒體系統(tǒng)。換句話說，這個系統(tǒng)應(yīng)該滿足3個準則…：
①是一個超文本或超媒體系統(tǒng)；
②應(yīng)該有一個用戶模型；
③使用這個用戶模型向超媒體系統(tǒng)提供自適應(yīng)性(即同一個系統(tǒng)對有著不同的用戶模型的用戶來看是不同的)。
自適應(yīng)超媒體技術(shù)適用于有著不同目標和知識水平的用戶、且用戶訪問的信息空間比較大的系統(tǒng)。這類用戶可能對展示在一個超媒體頁的不同信息片斷感興趣，可能會使用不同的鏈進行導(dǎo)航。用戶模型則是支持這種特殊性的知識結(jié)構(gòu)。自適應(yīng)超媒體系統(tǒng)有兩個關(guān)鍵技術(shù)：自適應(yīng)技術(shù)與用戶模型。自適應(yīng)技術(shù)包括自適應(yīng)展示和自適應(yīng)導(dǎo)航，自適應(yīng)展示是內(nèi)容級的自適應(yīng)；自適應(yīng)導(dǎo)航則屬于結(jié)構(gòu)級的自適應(yīng)。用戶模型是反映用戶個人特征的模塊，它考慮到的用戶特征有：用戶的知識水平、目標，背景與經(jīng)驗、偏好。其中用戶的知識水平是最重要的用戶特征，幾乎所有的自適應(yīng)展示技術(shù)將用戶的知識水平作為提供自適應(yīng)的主要依據(jù)之一。
1．2自適應(yīng)超媒體系統(tǒng)是計算機輔助教學(xué)發(fā)展的新方向
將自適應(yīng)技術(shù)與超媒體技術(shù)結(jié)合起來形成的自適應(yīng)超媒體技術(shù)是超媒體系統(tǒng)研究的新方向，可以看作是超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)與智能導(dǎo)師系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。傳統(tǒng)超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)以其圖文并茂的界面和以學(xué)生為中心的交互風(fēng)格受到廣泛的歡迎，但卻因為易造成學(xué)生迷航而受到批評；后者因其理解領(lǐng)域知識，了解學(xué)生狀態(tài)，能因材施教而倍受青睞，但枯燥呆板的界面，過多的程序控制往往無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和維持學(xué)生動機，而將兩者結(jié)合則彌補了各自的缺點，發(fā)揮了各自的長處，在技術(shù)上不但可行而且也是教學(xué)上的必要。前者更多地關(guān)注知識獲取，后者則更多的關(guān)注知識的應(yīng)用，因此自適應(yīng)超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)覆蓋了教學(xué)的全過程，這也是自適應(yīng)超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)成為研究熱點的原因之一。
自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)是知識豐富型(Knowledgerich)應(yīng)用，其設(shè)計相當(dāng)困難。雖然經(jīng)過10多年的研究已經(jīng)取得了一些成就，但直到現(xiàn)在，仍然沒有形成完整的理論與設(shè)計原理，例如如何建造理想的學(xué)生模型，有效的知識表示，如何把多媒體技術(shù)與自適應(yīng)技術(shù)結(jié)合起來等，多數(shù)學(xué)習(xí)系統(tǒng)仍然處于試驗階段，只有少數(shù)系統(tǒng)能為用戶提供自適應(yīng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。
目前普遍存在的教育軟件盡管可以滿足教學(xué)某一方面的需求，但是由于開發(fā)者缺少一定的教育教學(xué)理論使得這些教育軟件缺乏先進的教學(xué)和學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)，從而很難為教學(xué)提供完整的指導(dǎo)。為適應(yīng)教學(xué)發(fā)展的需要，就必須在現(xiàn)代教學(xué)理論的指導(dǎo)下研究并實現(xiàn)新型的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。本文在教育思想和現(xiàn)代教育技術(shù)的雙重指導(dǎo)下，設(shè)計實現(xiàn)高師計算機專業(yè)課程《計算機輔助教學(xué)與多媒體課件設(shè)計》的自適應(yīng)超媒體學(xué)習(xí)實驗系統(tǒng)，為課程學(xué)習(xí)的自適應(yīng)性和多媒體學(xué)習(xí)環(huán)境作一些嘗試，進行一些探討。
2系統(tǒng)設(shè)計思想及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．1設(shè)計思想
高等師范院校的學(xué)生，肩負著培養(yǎng)新一代的重任。為了充分發(fā)揮計算機特別是多媒體計算機輔助教學(xué)方面的優(yōu)勢，高師院校的學(xué)生不但要了解計算機應(yīng)用于教育領(lǐng)域的廣泛性，同時還要了解計算機應(yīng)用于教育領(lǐng)域的具體方面，形成應(yīng)用計算機輔助教學(xué)的意識。《計算機輔助教學(xué)與多媒體課件設(shè)計》是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要必修課程，教學(xué)計劃安排在大學(xué)本科三年級開設(shè)。本文所設(shè)計實現(xiàn)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)便是以該課程的教學(xué)內(nèi)容為藍本。
高師三年級的學(xué)生已經(jīng)有了一定的教學(xué)概念和計算機基礎(chǔ)知識，對計算機教育應(yīng)用已有了初步的認識，需要對計算機應(yīng)用于教育領(lǐng)域的具體內(nèi)容和形式加以掌握。處于這一群體的學(xué)生心理發(fā)展到相對成熟的年齡階段，能夠形成有意注意，且他們的智力水平較高，有較強的自學(xué)能力，對新鮮刺激有濃厚的興趣，喜歡輕松、活潑的學(xué)習(xí)環(huán)境。但是他們個體之間也存在著學(xué)習(xí)方式的差異：有的傾向于引導(dǎo)性的學(xué)習(xí)方式，通過逐步引導(dǎo)達到學(xué)習(xí)目標；有的傾向于建構(gòu)型或探索性的學(xué)習(xí)方式。
系統(tǒng)的設(shè)計思想是以我國傳統(tǒng)的教學(xué)模式為藍本的設(shè)計思想。教師所掌握的和學(xué)生所熟悉的教學(xué)模式是：課堂教學(xué)、作業(yè)(練習(xí))、測試、結(jié)合成績綜合評價學(xué)生，這是最普通的教學(xué)模式。在這個過程中，教師的教和學(xué)主的學(xué)，雙邊互相了解，逐步達到教學(xué)相長的目的。根據(jù)這些想法，學(xué)習(xí)系統(tǒng)模擬了一般的教學(xué)過程并增加了特定的功能：學(xué)生在學(xué)習(xí)了一定的知識后進行測試，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)成績(好、壞)，接收學(xué)生的反饋信息，并針對不同情況的學(xué)生提供下一步學(xué)習(xí)的建議和意見。對于已掌握已學(xué)知識的學(xué)生，系統(tǒng)可以提供進一步深入學(xué)習(xí)的課程；而對未掌握已學(xué)知識的學(xué)生，系統(tǒng)則建議其重修或提出相應(yīng)的教學(xué)意見，另外，針對個別有特殊性的學(xué)生系統(tǒng)還可以生成不同的教學(xué)方案，從而建立一套對不同學(xué)生因材施教的教學(xué)方法和教學(xué)策略。
教學(xué)過程的自適應(yīng)性是系統(tǒng)的特點之一，在實際教學(xué)過程中的表現(xiàn)就是因材施教。更具體地說，教學(xué)系統(tǒng)在教學(xué)過程中的自適應(yīng)性表現(xiàn)就是教學(xué)策略因人而異的適應(yīng)性調(diào)整。教學(xué)策略的調(diào)整引起教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、重組和教學(xué)策略的重新選擇，這一系列的變化是系統(tǒng)適應(yīng)實際教學(xué)過程的智能化表現(xiàn)，這一點說明了系統(tǒng)模擬教師教學(xué)活動的適應(yīng)性功能。
2．2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作流程
本文設(shè)計和實現(xiàn)的實驗性學(xué)習(xí)系統(tǒng)(CDCAI系統(tǒng))包括不同的功能模塊及其子模塊，其基本結(jié)構(gòu)如圖1：
3CDCAI系統(tǒng)的實現(xiàn)
3．1系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)
封頁：封頁是一個過渡，當(dāng)啟動系統(tǒng)時首先啟動封頁，封頁加入了畫面背景和音樂并附本學(xué)習(xí)系統(tǒng)的一些開發(fā)信息。封頁的出現(xiàn)是進入學(xué)習(xí)狀態(tài)的前奏，它使得系統(tǒng)一開始就對學(xué)習(xí)者產(chǎn)生吸引力以激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣。
主控頁面：主控頁面負責(zé)界面的控制工作，處理學(xué)生與系統(tǒng)的交互，啟動各個功能模塊，提供各功能模塊之間通訊方法。各模塊的啟動采用下拉菜單的方式出現(xiàn)，簡單明了。系統(tǒng)對學(xué)生和教師進行限定，即未登錄前兩者都為灰色，按照類型正確登錄后相對應(yīng)的菜單項變亮，且每次只能一種人員類型進行登錄。
超文本／超媒體學(xué)習(xí)頁面：在學(xué)習(xí)內(nèi)容方面系統(tǒng)采用了大量的超文本／超媒體方式，學(xué)習(xí)內(nèi)容按章、節(jié)、知識點的方式進行劃分，為防止學(xué)生迷航還設(shè)置了大量的導(dǎo)航按鈕。在學(xué)習(xí)系統(tǒng)中選擇哪些學(xué)習(xí)內(nèi)容方面也采用超文本／超媒體技術(shù)。
當(dāng)裝載本窗口時，會同時裝載超文本／超媒體。此時學(xué)習(xí)者通過目錄可以直接實現(xiàn)從一個學(xué)習(xí)主題到另一個學(xué)習(xí)主題之間的跳轉(zhuǎn)，實現(xiàn)跳躍學(xué)習(xí)。雙擊右側(cè)學(xué)習(xí)內(nèi)容則可以全屏顯示教學(xué)內(nèi)容且教學(xué)內(nèi)容也以超文本／超媒體形式出現(xiàn)。
試題管理：實驗系統(tǒng)采用非標準化考試形式。
試題種類多種多樣，沒有規(guī)范統(tǒng)一的形式，在采用計算機管理題庫時系統(tǒng)將傳統(tǒng)題目類型加以歸納、總結(jié)，按照試題類型進行管理。
3．2題庫及測試模塊實現(xiàn)
為了使題庫系統(tǒng)成為評測學(xué)生學(xué)習(xí)效果的有效評測工具，題庫中所有儲備的題目為有意義的題目，即具備一定評測能力，符合一定的參考指標。在試卷的命題過程中，針對不同的考試對象、不同階段的考試，命題難度也不同，所以在試題庫中增加難度系數(shù)，這也是幾乎每一個試題庫所要考慮的結(jié)構(gòu)。實驗系統(tǒng)中Weight就是根據(jù)題目所定義的難度系數(shù)值。難度分為標準難度和經(jīng)驗難度，經(jīng)驗難度是由教師根據(jù)題目內(nèi)容涉及面和預(yù)測答題時間等因素推測出的難度系數(shù)，該難度系數(shù)需經(jīng)過多次實際考試后與標準難度進行加權(quán)才能逐漸趨近于實際的難度系數(shù)。實驗系統(tǒng)題庫采用“難度系數(shù)”作為衡量題目難度的評測指標。這樣做的目的是更加反映出學(xué)生的真實學(xué)習(xí)水平。ScoreWeight是題目在滿分情況下同該題難度系數(shù)相乘的結(jié)果。CommenceWeight是該題目被測試并給出成績后與該題難度系數(shù)相乘的結(jié)果。
3．3自適應(yīng)學(xué)習(xí)實現(xiàn)
《計算機輔助教學(xué)與課件設(shè)計》是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，學(xué)生在實踐操作前應(yīng)該具有一定的理論基礎(chǔ)，所以本系統(tǒng)在學(xué)生學(xué)習(xí)實踐操作之前要先檢測學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識情況。我們把學(xué)生的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)程度分為5個等級(A、B、C、D、E)，A級的學(xué)生已掌握基礎(chǔ)理論知識可以直接進行實踐操作的學(xué)習(xí)；B、C兩級的學(xué)生基本掌握基礎(chǔ)理論知識，學(xué)生即可以繼續(xù)鞏固基礎(chǔ)理論知識，也可以學(xué)習(xí)實踐操作部分，系統(tǒng)提供選擇；D、E兩級的學(xué)生我們認為其基礎(chǔ)理論知識還不足以指導(dǎo)實踐操作，所以系統(tǒng)讓其繼續(xù)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識。
系統(tǒng)的自適應(yīng)性主要體現(xiàn)在：第一，當(dāng)學(xué)生登錄后學(xué)生可以根據(jù)自身的情況自主選擇入門學(xué)習(xí)的等級和內(nèi)容；第二，如果學(xué)生已經(jīng)掌握了部分知識也可以先進行測試，通過測試等級反映該生對基礎(chǔ)理論知識的掌握情況，這時系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)診斷的結(jié)果反饋給學(xué)生學(xué)習(xí)建議，推薦學(xué)習(xí)內(nèi)容，這些學(xué)習(xí)內(nèi)容是與當(dāng)前學(xué)生能力最接近的。同時系統(tǒng)將該部分知識要求掌握的要點和程度也呈現(xiàn)給學(xué)生；第三，教師可以根據(jù)不同學(xué)生的特點選取合適的教學(xué)內(nèi)容，或根據(jù)提示信息從補充知識中選取合適的教學(xué)信息，從而實現(xiàn)個別化教學(xué)。
例如，系統(tǒng)給學(xué)生反饋的知識程度信息及教師選取適合該生學(xué)習(xí)內(nèi)容的界面(圖2)。
教師根據(jù)學(xué)生的不同情況從左邊的選框中選擇出適應(yīng)性的學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過“添加”按鈕將被選擇的內(nèi)容添加進中間框中；選中中間框內(nèi)的教學(xué)內(nèi)容通②學(xué)生也可以先進行測試，通過測試反映對基過“刪除”按鈕可將該項刪除；且已選擇的內(nèi)容項不礎(chǔ)理論知識的掌握情況，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果反饋能重復(fù)被加進來；右邊框則為選擇好的教學(xué)內(nèi)容展學(xué)習(xí)建議，推薦學(xué)習(xí)內(nèi)容，呈現(xiàn)知識要點；示區(qū)。當(dāng)教師選擇好學(xué)習(xí)內(nèi)容并確定后，學(xué)生可以教師可以根據(jù)不同學(xué)生的特點選取合適的教學(xué)看到教師建議的學(xué)習(xí)內(nèi)容。內(nèi)容，或從補充知識中選取合適的教學(xué)信息，從而實現(xiàn)個別化教學(xué)。
4小結(jié)
自適應(yīng)超文本與超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在：
①開發(fā)內(nèi)容的復(fù)雜性。一個具有一定適應(yīng)性的完整學(xué)習(xí)系統(tǒng)需要涉及到學(xué)校教學(xué)的許多方面且這些方面相互交錯，互相影響，系統(tǒng)開發(fā)必須綜合考慮。
②學(xué)生的不同需求。自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)本質(zhì)上是一種個別化的學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)，因此系統(tǒng)開發(fā)時應(yīng)考慮到不同特征的用戶需求。
③技術(shù)手段。計算機輔助教學(xué)是涉及計算機技術(shù)軟硬件、通信技術(shù)、多媒體技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、教育學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，因此在開發(fā)系統(tǒng)時如何綜合掌握和運用這些技術(shù)是開發(fā)者所面臨的一個重要任務(wù)之一。
本文所研究和實現(xiàn)的“自適應(yīng)超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)(CDCAI系統(tǒng))”體現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計的思想，根據(jù)學(xué)習(xí)者可能的學(xué)習(xí)風(fēng)格設(shè)計了不同的學(xué)習(xí)方式；在學(xué)習(xí)內(nèi)容上采用了超文本／超媒體的形式，運用圖形圖像、聲音和動畫等多媒體元素構(gòu)成友好的學(xué)習(xí)界面，以利于學(xué)習(xí)者的認知建構(gòu)。
CDCAI系統(tǒng)在一定程度上體現(xiàn)了自適應(yīng)特點，基本滿足了自適應(yīng)超媒體系統(tǒng)的3個準則：是一個超文本或超媒體系統(tǒng)；有一個用戶模型；使用這個用戶模型向超媒體系統(tǒng)提供自適應(yīng)性。系統(tǒng)的自適應(yīng)性主要體現(xiàn)在：
學(xué)生登錄后可以根據(jù)自身的情況自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容；由于知識、經(jīng)驗、時間等方面的原因使得系統(tǒng)雖是一個比較完整的自適應(yīng)超文本／超媒體學(xué)習(xí)系統(tǒng)，但在自適應(yīng)性方面體現(xiàn)的還不是太多。計算機技術(shù)飛速發(fā)展，計算機輔助教學(xué)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能化方向發(fā)展。本學(xué)習(xí)系統(tǒng)尚待進一步研究的問題有：合適的教學(xué)策略；更為合理的學(xué)生模型表示方法；網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。另外，在向著智能化方向發(fā)展的同時還有更多更難的問題需要解決，如自然語言、推理技術(shù)、多媒體數(shù)據(jù)庫技術(shù)等等。
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