面向個性化教學流程的虛擬學習環境模型研究*

聞立鵬，錢福東，邱飛岳

（浙江工業大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310014）

面向個性化教學流程的虛擬學習環境模型研究*

聞立鵬，錢福東，邱飛岳

（浙江工業大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310014）

本文描述了實際教學過程中教師與學生的個性化需求，分析了當前國內外開發的用于個性化教學的虛擬學習環境的模型和功能及其優、缺點。然后基于計算機語義網絡和本體論的理論和技術，創建了一個虛擬學習環境模型以更好地支持教育者與學習者在創建和執行教學流程時所出現的各種需求，并對此模型進行了實驗。

個性化教學；虛擬學習環境模型；語義網絡；本體論

一、引言

在實際教學過程中，不同的學習者往往會有不同的知識背景、學習目的、學習內容、學習時間、學習速度、對知識的掌握程度、學習和考試的結果等。另一方面，不同的教師針對不同的學習者會采用不同的教學內容、教學進度等。所有這些實際需求決定了教學流程的個性化特征。虛擬學習環境（Virtual Learning Environments，簡稱VLEs）是一種基于網絡的教育學習環境，其目的是在虛擬世界中模擬和改善現有的教學機制，如在網絡中支持各種各樣的教學目標、對象、流程和內容，并根據教師和學生的要求對它們進行集成和控制，即教學流程的個性化創建和執行。[1][2]本文力求對現有的虛擬學習環境模型進行歸納和改良，以使教師和學生的個性化教學需求得到更有力的支撐，從而更有效地幫助學習者理解和運用各種知識和技能，以進一步優化教學效率。

二、國內外研究現狀分析

國內外專家已經設計實現了眾多虛擬學習環境模型，并在實踐中不斷地改進。它們使用方便并提供了一系列教學工具，在一定程度上滿足了教學雙方的需求。[3]現將部分虛擬學習環境的功能進行比較，如表所示。

我國在虛擬學習環境方面的研究已取得顯著成果。例如，中國科學院計算技術研究所智能信息處理重點實驗室與云南師范大學計算機中心等部門聯合研發了一個基于Web的教學系統形式化模型。[3]該模型采用本體理論和技術（Ontology）來描繪領域知識的各項屬性，從而提高了教學資源的重用和共享程度。

國外在虛擬學習環境方面的研究已經過多年的持續發展，目前已有眾多虛擬學習平臺被開發和應用，并得到了作為使用方的院校、企業和其他組織的好評。例如，澳大利亞麥考瑞大學的麥考瑞杰卓越電子學習中心等單位開發出來的一個基于Java的學習軟件:學習活動管理系統 （LAMS，Learning Activity Management System）。 目前，該系統已經在美國、英國、德國、阿根廷、澳大利亞、新西蘭等很多國家的大學及中學中廣泛應用。

現有虛擬學習環境存在一些缺點與不足。通過詳細分析國內外一系列虛擬學習環境模型，筆者發現現有虛擬學習環境能夠在創建教學流程中支持一些個性化需求，如學習單元選擇、學習小組創建、學習順序確定和學習單元刪除等，但是支持的程度還存在較大不足且確定學習單元執行條件和學習單元上鎖/解鎖等功能尚未實現。創建教學流程所涉及的一系列功能應被視為一個整體，只有支持所有這些功能才能高效實現個性化創建教學流程。只支持部分功能或是對某一功能的簡單支持都會降低教師和學生個性化教與學的能力。教師和學生不能根據各自的情況來協商確定學習單元的執行條件，同時教師也不能通過上鎖/解鎖功能來有效地控制學習順序以及相應的執行條件，這將影響教師和學生的教學積極性，大幅降低教與學的效率。

另一方面，現有的虛擬學習環境不能在執行過程中支持刪除學習單元、重修指定學習單元、增加學習單元、重新確定執行條件、重新確定學習順序、重新確定指導教師和學習單元上鎖/解鎖等功能。由此教師不能根據實際教學情況靈活改變教學內容和控制教學進程；學生不能根據執行過程中自身新出現的情況來靈活調整相關教學流程。

表 虛擬學習環境所支持的功能一覽

三、個性化虛擬學習環境模型設計

針對教育者和學習者兩種對象，以及創建教學過程和執行教學流程兩個階段，通過深入分析兩種對象在兩個階段的個性化需求，創建如圖1所示的虛擬學習環境模型。

1.創建教學流程

課程選擇：顯示課程信息，提供各種課程讓學習者按照相關教學要求及自身需求選擇。

確定指導教師：根據所顯示的教師信息、學生的自身需求以及教師的實際情況，學習者和教育者協商確定教師人選。

選擇學習單元：在教師的指導下，學習者根據教學的要求以及自身知識水平來確定相關學習單元。

確定學習順序：學習者根據教學的要求、自身知識水平和學習習慣等，與教師協商確定學習順序。

確定學習單元執行條件：教師根據教學大綱的要求、學生的知識水平、學習能力和學生的個人意見等情況，確定每一個學習單元的執行條件。

學習單元上鎖/解鎖：教師對學習單元進行上鎖和解鎖，以確保學生滿足相關學習單元執行條件，從而高效地完成既定的教學計劃。

組建學習小組：學習小組是學習的基本單位，小組成員可以通過協作共同提高學習效率。學習者在教師的指導下，通過相互之間的協商加入已有學習小組或組建新的學習小組。

刪除學習單元：教師和學生通過協商刪除某些學習單元，以達到優化教學內容的目的。

2.執行教學流程

刪除學習單元：根據學習者和教育者在執行教學流程中出現的新情況，教師和學生通過協商來刪除相關學習單元。

增加學習單元：在實際執行教學流程中，根據教師對學生實際學習情況的判斷以及學生自身所出現的新的實際需求，教育者與學習者協商確定增加新的學習單元。

重建學習小組：在共同學習一段時間后，部分小組成員可能會因為各種原因請求與某個或一些學習者分開，學習者和教育者可以協商確定建立新的學習小組，也可把相關學習者轉入其他已有的學習小組。

重新確定指導教師：在教學執行過程中，部分學習者可能會出現要求更換指導教師的情況，教師也可能由于某些原因不便再指導這名或這些學生。在此情況下，教師與學生可以通過協商，來重新確定相關指導教師。

重修指定學習單元：在學生沒有達到教學目標，不能通過考試等情況下，教師可以通過上鎖/解鎖功能讓其重學某個或某些單元的知識，以達到相關教學要求。

重新確定執行條件：根據教育者和學習者所出現的新情況和新要求，教師和學生協商確定某些學習單元新的執行條件。

重新確定學習順序：通過一段時間的學習，已有的學習順序可能不能適應學生個人學習情況的變化，教學流程也可能由于添加或刪除某些學習單元而需重新設置學習順序，教師和學生可通過協商改變原有的學習順序。

學習單元上鎖/解鎖：根據教學流程執行過程中，教育者和學習者所出現的新情況，如學習單元、學習順序、執行條件的變化，教師需要重新對相關學習單元進行上鎖和解鎖控制。

3.數據存儲

語義本體庫：語義網絡使用XML來定義定制的文檔標簽格式以及用RDF的靈活性來表達數據，并用本體的網絡語言OWL來描述文檔中的術語的相關語義信息和它們之間的關系。語義本體庫存儲了以上文本信息，以及所形成的框架語義信息、本體框架結構、本體關系、查詢公式和本體匹配規則等，并最終通過它們完成信息更新，推理和描述。

實體信息庫：可以存儲和更新學習者、指導教師、學習單元及控制信息、學習順序和學習小組等各個部分的具體數據，以供系統提取使用。如學習單元實體信息庫，該庫存儲了學習單元的名稱、來源、知識點內容、控制信息、創建時間和創建人等具體信息。

四、系統實現

首先，學生A注冊登錄虛擬學習環境系統，以“Java程序設計教程”第六章為例，開始創建個性化教學流程：

第一步，點擊課程選擇按鈕，系統自動顯示課程列表。單擊課程對象，學生可以在信息顯示欄查看相關課程信息，點擊選擇要求學習的課程“Java程序設計教程”。

第二步，點擊確定指導教師按鈕，系統自動顯示教師列表，單擊教師對象后可以在信息欄查看教師信息以進行選擇。在教師登錄確定同意后，雙方正式確定指導教師和學習者的關系；若教師不同意，則學生將重新選擇。

第三步，在確定了指導教師A后，學生和教師通過協商確定需要學習的學習單元（LearningUnit，下文簡稱LU）。通過E-mail通信，學生提出“LU1面向對象技術的編程特點”的知識已經掌握，教師考察同意后LU1不被選入。點擊選擇學習單元按鈕，選擇LU2至LU8共七個學習單元作為學習對象。

第四步，指導教師和學生協商確定LU的學習順序。在LU的創建中，創建者已經考慮該章學習的一般流程，即從LU1到LU8的學習順序。指導教師和學生通過在線聊天工具討論后發現該流程也適合本次學習，于是決定按一般學習順序進行學習，結果如圖2所示。

第五步，教師在考慮學生的情況和意見后，根據大綱要求和實際情況確定LU執行的條件。該門課作為學生的專業課學習，學生必須熟練掌握知識方可進行下一個LU的學習。單擊LU，教師在信息欄中輸入執行條件完成設置。

第六步，教師要控制教學流程按計劃進行，需要對流程所包括的LU上鎖。只有在教師確認相關條件滿足時（如較好完成了前幾個LU），才會打開下一個LU。點擊學習單元上鎖/解鎖按鈕，然后單擊對應的LU，在信息欄中完成上鎖和解鎖設置。

第七步，在指導教師的推薦和建議下，學生和學生之間協商組建學習小組，或加入已有的學習小組，以便進行小組學習。點擊組建學習小組按鈕，已有學習小組的信息將在界面上顯示。單擊小組對象，可以在信息欄中查看小組信息，然后通過E-mail和留言板與小組創建者通信，請求加入。若小組創建者同意，則加入小組；不同意，則重新進行選擇。另外，也可以單擊創建學習小組按鈕，給學習者發送E-mail，邀請他們加入小組共同學習。

在創建過程中，教師和學生可以協商確定刪除某些LU，優化調整后最終完成教學流程的創建。

在執行教學流程過程中，教育者和學習者根據自身情況的變化，會產生新的需求，相關情況描述如下：

在課余時間，學習者通過自學掌握了LU4，發送E-mail與指導教師溝通并由教師考察通過后，決定刪除LU4。單擊LU4，再點擊垃圾桶，即可刪除。

在完成前兩個單元的學習后，教師發現學生并沒有熟練掌握這兩個單元的知識，于是決定增加一個練習單元在LU3之后。單擊增加學習單元按鈕，選擇LU9練習單元。點擊確定后，練習單元出現在教學流程中，拖放在LU3后增加LU就完成了，結果如圖3所示。

在完成LU4后，教師和學生發現對方的教學方法和學習方法并不能很好地配合，學習效果不夠理想。雙方通過E-mail交流后決定由學生通過重新確定指導教師功能，重新選擇新的指導教師進行其余LU的學習。新的指導教師與學生進行在線交流討論，決定改變學習的順序，交換LU5與LU6的位置，并重新設置各個LU的執行條件。點擊重新確定學習順序按鈕，拖動兩個LU交換位置，完成箭頭的指向。然后點擊重新確定執行條件按鈕，單擊LU，在相應的信息欄中修改執行條件。

在執行過程中，學習者完成了LU5的學習后，教師發現學生其實并沒有很好地掌握LU3的知識。通過點擊重修指定學習單元按鈕，給LU9和LU5上鎖，讓其重新進行LU3的學習。

學習過程中，若學習者之間出現矛盾或不能很好地協作學習，通過E-mail通信獲得指導教師同意后，學習者可以要求退組并重新組建學習小組。點擊重建學習小組按鈕，單擊退出小組按鈕后可以組建新的小組或加入別的小組。

五、結束語

如何最大程度地支持個性化教與學是教育技術學研究的前沿熱點之一?，F有的虛擬學習環境在滿足教師和學生的個性化需求方面存在較大不足，從而難以支持用戶靈活地設計和執行符合自身情況的教學流程。鑒于此，本文對如何個性化地創建教學流程及其執行過程中的個性化控制給出了一個解決方案，在一定程度上滿足了教育者和學習者的實際需求。當然，我們的研究工作還存在一些不足。例如，在這個模型中教師的任務繁重而教師資源是有限的，如何用人工智能的理論和技術來幫助教師高效地完成相關工作將作為今后研究的一個主要課題。

[1]Yufang Cheng,Jun Yea.Exploring the social competence of students with autism spectrum conditions in a collaborative virtual learning environment-The pilot study[J].Computers&Education,2010,54（4）:1068-1077.

[2]LipengWen,ChrisJesshope.AGeneralLearningManagement System Based on Schema-Driven Methodology[A];Proceedings of the4th IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies[C].Joensuu,Finland,2004:633-635.

[3]李志平,劉敏昆,孫瑜.基于Web的智能教學系統研究[J].計算機工程與應用,2006（2）:208-210.

（編輯：楊馥紅）

G434

A

1673-8454（2010）19-0063-04

*本課題是浙江省教育科學規劃研究課題（項目編號：SCG22），并受2009年浙江省教育廳科研項目資助（項目編號：Y200908675）。