實體聯系模型理論在學習環境設計中的應用及啟示

【摘要】文章從實體聯系模型理論出發，論述了實體聯系模型理論在計算機支持的學習環境中的應用，從中得出在計算機支持的學習環境中，該理論的應用特點及有關啟示，為相關設計及其研究提供思路。

【關鍵詞】實體聯系模型；計算機支持的學習環境；設計

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A【論文編號】1009—8097（2011）03—0040—06

一 引言

實體聯系模型（Entity-relationship Model，簡稱ERM）是計算機軟件工程領域用于表達數據信息的一種方法。其宗旨是通過具有特定意義的圖形來標識數據或信息的集合，通過這種信息集合圖式來表征信息系統及其特點。1976年，EMR由科學家陳品山首次提出[1]，該理論的提出對統一數據表達方式起到了開創性的作用，被廣泛應用于計算機系統和軟件設計領域。在后來的發展中，出現了多種基于該理論的相關設計，如IDEF1X（Integration Definition for Information Modeling），UML（Unified Modeling Language）等重要的信息模型工具等[2]。隨著教育技術的發展，此類數據表達方式也逐漸滲透至計算機技術支持的學習環境的設計中，成為學習科學領域中概念或概念系統學習的有力工具。文章通過對ERM理論的剖析，從學習科學的研究視角，通過引證和分析ERM 理論在基于計算機技術的學習環境中的應用，總結特點，給予啟示，為相關研究提供借鑒。

二 ERM理論基本涵義

ERM作為數據信息系統的一種表達方式，其表現形式為一種圖示模型，這種圖示既包含了所要表達系統的各個要素，還呈現各要素之間的關系，并在計算機編程語言的幫助下，要素之間的關系能夠實現動態模擬。依據ERM理論形成的圖示稱為ER圖示。ER圖示的基本要素是實體（entity）、實體屬性（attribute）以及實體聯系（relationship）[3]。從語義學角度來講，實體主要指具體的對象，一般為名詞，如人、事件、概念、方法等。如在科學學習中，實體往往可以指科學概念、理論以及現象等科學學習的研究對象。屬性則是用于描述實體本質或特性，可以是文字，也可以為數字。在ER圖示中，實體的屬性需最能體現實體的特點，實體與實體之間根據屬性進行區別。聯系表示不同實體之間的關系，以動詞居多，如空氣污染與尾氣排放的關系為“增加”。在ERM理論基礎上形成的其他設計語言主要是在要素數量及要素標識方面呈現一定的差異，其核心觀點則與ERM并無實質區別。ER圖示中，用矩形表示實體框，實體名稱置于矩形中，用橢圓形表示屬性框，屬性名稱置于屬性框中，該實體可以對應的若干屬性，n個屬性，則對應n個橢圓。直線連接實體框及其對應的屬性框，直線上的菱形為實體與實體之間的關系標識。以空氣污染概念系統為例，若以空氣污染和汽車為實體，則可以得到以下ER圖示。

在后來的設計語言中，如IDEF1X圖示中，則將實體名稱至于矩形框外，屬性名稱置于矩形框內，分特殊屬性和一般屬性，一般屬性和特殊屬性之間用直線隔開；在UML圖示中，直接將實體名稱與屬性名稱置于同一個矩形框內，而實體與屬性之間用直線隔開。以空氣污染概念系統為例，分別如下圖所示：

ER圖示實際上是對所研究對象系統要素及其結構的一種表達，在學習領域，這種以文字和圖形為主要標識的抽象表達方式能夠比較直觀地體現學習者對于某一概念系統的理解程度，如常用的概念圖，即以實體、直線和文字的形式對概念系統進行了直觀的表達。研究表明，通過設計基于計算機技術的學習環境，ER圖示可以為學生呈現、修改、反思以及評價概念系統模型提供支持，也能夠為教師審視和評價學生學習結果提供依據[4]。

三 計算機支持的學習環境中實體聯系模型理論的應用分析

在學習科學領域，計算機模型的學習研究是重要的內容，計算機模型主要是通過計算機平臺，基于相應的軟件或程序而建立的模型，學習者可以對建構的模型進行測試和修改，從而實現在更高層次的認知水平完成對所學知識的建構與理解[5]。在當前研究中，借助計算機技術實現的模型中，主要有具體模擬和抽象模擬兩種方法，具體模擬主要是指借助動畫、圖片等對一定形狀的實體按比例進行呈現的方法，如Netlogo中對化學分子微觀運動的模擬[6]，Co-Lab中對實驗裝置的模擬[7]，還有大量借助flash或Java技術實現的實物動態模擬軟件。抽象模擬主要是以符號、文字以及數字等按照一定方式進行呈現的模擬方法[8]，如STELLA中stock-flow圖示對對象及其變量關系的定量模擬[9]，Simquest對科學概念與概念之間關系的動態模擬[10]。因此，在基于計算機模型的學習環境中，實體聯系模型理論的應用在一定程度上使得抽象模擬有了更進一步的發展，為學生學習提供了更為有利的支持，尤其是在學生概念系統的建構和完善方面。

1 體現認知匹配度要求的ModelingSpace

ModelingSpace是由希臘派圖拉斯大學開發的一款支持多種類型模型建構的計算機學習平臺[11]。其主要特點是為中學生提供基于模型建構的可視化合作學習平臺，支持多種學科知識的教學，尤其是科學知識的教學，在歐洲學術界已有諸多研究報告。ModelingSpace中模型主要分為兩種：一種為實體聯系模型，另一種為實體聯系模型關系所對應的圖表模型。ModelingSpace界面如下圖所示：

ModelingSpace自帶兩種類型的實體標識：框圖式（抽象圖示）和圖片式（具體圖示），框圖式實體構成的模型就是常見的概念圖，圖片式實體構成的模型則為如圖4所示。在圖片下方為對應實體的屬性，如圖中木桶對應的屬性為“水的體積”，時鐘對應的屬性為“時間”；在描述聯系時，主要為實體與實體間屬性的關系，該軟件提供了三種，一種為文字表述式，主要用于概念圖的建構；一種為半定量式，主要用于定義常見簡單趨勢關系，在定義關系時，可以從軟件中選擇如↑↑、↑↓、↑#8596;、↑↑、↑↓等符號，選擇“↑↑”，表示水的體積隨時間的增加而增加，選擇“↑↓”表示水的體積隨時間的增加而減少。最后一種為定量關系，軟件提供了多種類型的數學函數式及其圖示用于學生選擇所要定義的屬性間關系。定量和半定量關系的描述中，軟件提供了表格、柱形圖以及折線圖來動態模擬所建構的模型關系。

可見，ModelingSpace為學生的概念學習提供了多種基于認知適應性方面的支持，且注重借助不同類型的模型來促進學生對于概念的深度理解。在關于實體聯系模型理論的應用中，考慮到使用對象認知能力的特異性[13]，采用分類建構的思想，即將實體標識和實體關系按照抽象程度進行分類以適合不同年齡段學生的學習需求。從抽象圖示到具體圖示，從文字表述到半定量的關系模擬，再從半定量關系模擬到定量關系模擬，符合并體現了當前基于模型學習理論研究中，關于針對不同認知水平的學習對象采用漸進式建模（progressing modeling）的重要思想，為容納不同認知水平對象的學習提供了幫助[14]。

2 遵循漸進建模思想的Belvedere

Belvedere是美國匹茲堡大學開發的一款主要用于支持學生科學探究學習的軟件[15]，其核心功能是幫助中學生通過共享平臺建構科學探究圖示，圖示由規定的不同標識組成，呈現了科學探究相關假設、數據及其相互關系，即在Belvedere建構的模型中，實體主要為假設和數據，與概念圖類似的是，實體不帶屬性，只關注實體與實體之間的聯系。實體與實體之間的聯系用三種符號進行表達：“+”，“-”，“？”，其中“+”表示數據支持假設，“-”表示數據不支持假設，“？”表示數據與假設之間無聯系。Belvedere還提供了三種方式的建模界面，其中兩種與概念圖類似，稱為簡單模型和概念圖，第三種為假設——數據模型圖，也就是文章需重點探討的實體聯系模型的應用圖示，其具體的呈現界面如下圖所示[16]。

從上圖可知，Belvedere使用了抽象模擬的方法，借助不同形狀的框圖表示不同類型的實體，其中圓角矩形表示科學探究中提出的假設，矩形表示探究所得數據或依據。“+”，“-”，“？”只用于表示假設和數據的關系。虛線框用來填寫備注內容。與ModelingSpace相比，Belvedere在模型表達方面，功能較為單一：一為概念圖，二為探究假設與數據關系圖。圖示較為抽象，但隱含在圖示背后的內容則包括學生對科學探究及本質的認識以及對探究主題中相關概念的認識和理解，較為完善地體現了學生對科學探究及其概念系統的認知過程，成為教師評價學生科學探究結果的有力依據。這樣的應用體現了基于實體聯系模型理論的軟件設計中的一種演繹特點，即擴張實體所代表的語義外延，將其衍生至為學科方法或過程學習提供模型，而不是僅局限于概念及其系統的模型，且刪減了實體聯系模型關于實體屬性描述以及定量關系的動態模擬。從軟件提供的整體學習環境來看，簡單模型界面為學生建構相關概念及簡單聯系提供了支持，概念圖是在簡單模型基礎上增加了對概念實體之間關系的文字描述，假設-數據模型則是從更為抽象地角度建立了科學探究及其概念系統的關系圖。與Modelingspace類似，Belvedere從更為簡便地角度說明了漸進式建模的思想，其遵循從簡單到復雜的模型表達方式，且以定性模擬為主，可以為中低年級學生科學學習提供支持。

3 體現合作建模觀點的Cool Modes

Cool Modes是由德國杜伊斯堡埃森大學開發的一款結合多種類型的模型工具，支持學生通過合作與交流來共同建構科學模型的學習環境。其模型工具包括手寫、概念圖以及存量-流量模型（stock-flow model），存量-流量模型是系統動力學主要模型方法。在Cool Modes學習環境中，允許多個學生共享一個模型建構界面，且可以選用不同的工具對模型進行表達。這樣的設計也體現了由簡單到抽象模型工具的逐級應用，其中存量-流量模型體現了實體聯系模型的基本雛形，是一種較為抽象的模型表達工具，對學生的認知能力提出了更高的要求。其界面如下圖所示[17]：

如圖，Cool Modes中模型的構成主要是兩個要素：節點（node）和連線（edges）。節點分三種：用于儲存數值的存量（矩形）、表示固定值的常數（圓形）以及用于控制存量之間流量和計算中間結果的變化率。變化率的顏色為深綠色表示其主要用于控制流量，若為淺綠色，則其主要用于計算相互作用的結果。連線分為2種，若使用“flowedge”表示某一存量的數值按照一定的變化率或比例向另一存量轉移。“infoedge”用來表示各量之間的關聯，不會出現量的變化。因此，從實體聯系模型理論的角度來看，Cool Modes模型中存量相當于實體聯系模型中的實體，而變化率以及常量相當于實體的屬性，而這些屬性均用一定的數值來表示，連線是用以表示實體與實體，實體及其屬性之間的關系，且不同的連線表示了不同的關系。在完成模型的同時，軟件提供了圖表進行模型的動態實時模擬，其他學生可以用手寫筆對模型提出意見，體現了合作建構的觀點。雖然存量-流量模型從更為抽象地角度闡述了對象及其變量之間的關系，由于使用對象認知水平的限制，在中學階段并未普遍使用[18]，即使使用也局限于數學及物理等學科。為解決這一問題，拓展軟件的使用范圍，Cool Modes向更為人性化和具體化的方向發展，尤其是在實體標識的設計上，新版的軟件更容易為低年級學生所接受[19]。

4 實施程序化建模的Model-it

Model-it是一款由美國密歇根大學開發的用于科學學習的模型建構工具，其特點是設置程序化的建模步驟支持學生對科學概念、現象等進行模型建構，并借助圖像對其中的關系進行驗證以進一步完善模型，同時幫助學生對科學現象進行預測和解釋，加深對科學概念的認知。Model-it程序化建模步驟包括：計劃（plan）-建構（build）-測試（test），該步驟的設計為學生提供了模型建構的基本思路，其模型也體現了實體聯系模型的應用思路，如下圖所示[20]：

Model-it主界面主要分2個部分，左側為建模指令區，右側為模型建構區，根據建模指令區域的按鈕，進行模型建構。在計劃階段，學生對研究對象進行創建，不同的科學主題，model-it提供了不同的圖片，供學生選取，選擇對象后，可以對對象特征進行描述，并確定與對象相關的屬性，該屬性有文本變量和數值變量兩種，其中對于數值變量的描述，軟件提供了兩種方式：數值范圍（如50-100）和文字描述（如低，中，高），而不進行賦值。在確定了對象及其屬性后，建模階段則主要是建立對象與對象間其變量之間的關系，在變量關系的界定中，軟件提供了簡單趨勢變化的描述，如A變量增加，則B變量可以選擇增加一點、增加很多、不變、減少等關于變化程度的選項。這種關系的描述會在測試階段由動態實時線性變化圖來表征，通過變化圖，來對比預期的結果，如與預期不符，就需對模型進行修改和再測試。

因此，Model-it中關于概念系統模型建構的思想繼承了實體聯系模型的觀點，即以科學學習的概念對象為實體，每個實體對應一定個數的屬性，不同實體的屬性之間可以建立簡單的數學關系，這種關系主要用于描述變化趨勢，因此，從嚴格意義上講，Model-it模型屬于定性模型的范疇[21]。相關研究表明，Model-it這種以圖片為實體標識，對變化趨勢進行簡單定性表述的方式，以及將建模方式程序化的設計，不但使得中低年級學生易于掌握和使用，還能促進學生認知方法的學習，如分析、推理、演繹等[22]。

四 結論與啟示

以上基于實體聯系模型理論的分析，對學習科學領域中，計算機支持的建模工具中實體聯系模型理論的使用特點進行了分析和討論，這也是當前實體聯系模型應用的典型實例，其共性是保留了實體聯系模型理論的基本要素，不同點是在保留要素的基礎上，對模型進行了語義及其形式上的拓展，使得不同的模型工具具有不同的使用對象，支持不同學習能力的發展。針對上述分析，本文得出以下幾點啟示：

1 模型工具的漸進式設計

從漸進式設計的角度來看，上述學習環境通過不同的設計角度體現了漸進建模的思想。ModelingSpace中通過對實體關系從定性、半定量再到定量的漸進式設計，為學生概念理解提供了從具體到抽象關系的認知過程；Belvedere將三個不同難度操作水平的模型工具整合到一個學習環境中，使用了從簡單的關系圖、到需用文字標記關系的概念圖、再到需用標識符對科學探究中的假設和數據概念進行界定的設計思路；Cool Modes使用了簡單手寫，概念圖繪制以及復雜系統中存量-流量模型工具，學習者依據不同的使用習慣和認知水平可以選用或結合使用其中的工具；Model-it則是通過設置程序化的建模步驟，通過反復測試和修改的過程，使得所建模型逐漸完善，是認知程序上的漸進設計。因此，從這些設計思路可以看出，模型工具的漸進式設計以綜合體現不同難度操作水平的建模工具為主要特點，在實體標識、實體聯系的標識設計方面也體現了從具體到抽象的分類思路，使得相同的建模工具因實體標識和聯系標識的不同，可以形成不同抽象程度的模型，為教師評價學生概念的認知水平提供了有力的依據。

2 模型要素表達方式的多樣化

以上學習環境的主要模型界面均使用了實體聯系模型的思想，將實體、屬性以及聯系進行了不同形式的展現，且在某些程度上對實體概念及其屬性進行了拓展。Belvedere和Cool Modes以不同形狀的框圖結合文字對模型要素進行表征，考慮到使用對象認知水平的差異，Model-it和ModelingSpace采用建立專題資料庫的方式，為學習者提供相應的圖片來標識模型中的實體。除了用文字來表達實體屬性的關系外，Belvedere采用符號來標識實體的關聯程度，Cool Modes使用不同粗細的箭頭符號來標識實體及屬性的關系，Model-it則將屬性關系隱含在屬性框中，通過實時模擬才得出，Modeling Space使用了三種不同類型的關系標識和兩種不同類型的屬性標識，使得模型建構工具的選擇性更為靈活，可以面向多種不同層次學習水平的學習者。因此，從這些模型要素表達方式的設計來看，絕大多數是從簡便、直觀易于掌握的觀點出發，以具有一定意義和不同抽象程度的符號來表征關系，體現了模型要素表達多樣化的總體趨勢。

3 建模方式的輔助設計

從上述設計，還可以看出，各種學習環境代表的模型意義已經有所拓展，不再停留于簡單描述概念系統中各概念之間關系，而是結合了其他工具對模型進行檢測和修改，以輔助完成更為精確的概念模型。這些工具包括提供圖表進行實時模擬、實時對話框以及實時合作建模和手寫平臺。如，在Model-it、Cool Modes以及ModelingSpace中，均提供了實時線性圖來表征實體屬性間的數理關系；在Cool Modes中，為學生設計的手寫平臺還可用于學生合作建模時進行實時交流；在ModelingSpace和Belvedere則均提供了標簽備注，ModelingSpace還有學生交流日志記錄建模活動，這些輔助設計，不但為模型的建構和完善提供了支持，也為教師評價提供了依據。

參考文獻

[1] Chen， P. P. S.The entity-relationship model-toward a unified view of data[J]. ACM Transactions on Database Systems，1976， (1):9-36.

[2] Hay，D. C.A comparison of data modeling techniques[EB/OL]. .

[3] Shoval，P， Danoch，R.， Balabam， M.Hierarchical entity-relationship diagrams:the model， method of creation and experimental evaluation[J].Requirements Enginering，2004，9 (4): 217-228.

[4] Avourisa，N.，Dimitracopouloub，A.， Komisc，V.On analysis of collaborative problem solving:an object-oriented approach[J]. Computers in Human Behavior，2003， (2): 147-167.

[5] 張寶輝，鄧峰，李佳.計算機模型建構與學習者為中心的科學學習的研究進展及啟示[J].課程.教材.教法，2008，(8):87-91.

[6] NetLogo Models Library: Sample Models/Chemistry Physics/Chemical Reactions[EB/OL].

[7] Co-Lab，an integrated environment[EB/OL].

[8] Bell，T.，Urhahne，D.，Schanze，S.， Ploetzner，R.Collaborative Inquiry Learning:Models，tools，and challenges[J].International Journal of Science Education，2009，32(3): 49-377.

[9] STELLA， Systems Thinking for Education and Research [EB/OL].

[10] SimQuest: An alternative way of learning[EB/OL].

[11] Avouris，N.，Margaritis，M.，Komis，V.，Saez，A.， Meléndez，R. Modelingspace:interaction design and architecture of a collaborative modeling enviroment[Z].Presentation for Comodeseminar，Patras，December 2005.

[12] Dimitracopoulou，A.Modelling activities in schools with a collaborative technology-based learning environment: Scenarios of use in secondary education[Z].ICTs in Education，Nicosia，14-15 Dec 2002.

[13] Wu Hsin-Kai.Modelling a complex system:using novice-expert analysis for developing an effective technology-enhanced learning environment[J].International Journal of Science Education，2010，32(2):195-219.

[14] Schwarz，C.V.，Reiser，B. J.， Davis，E.A.， Kenyon， L.， Achér， A.， Fortus， D.，et al. Developing a learning progression for scientific modeling:Making scientific modeling accessible and meaningful for learners[J].Journal of Research in Science Teaching，2009，46(6): 632-654.

[15] Laboratory for Interactive Learning Technologies， Belvedere [EB/OL].

[16] Belvedere4.1， Software for constructing and reflecting on diagrams of one's ideas[EB/OL].

[17] Bollen， L.，Hoppe，H. U.，Milrad，M.， Pinkwart，N. Collaborative modeling in group learning environments[R].In P. Davidsen et al.，ed.，Proceedings of the 20th International Conference of the System Dynamics Society (SDS).Palermo， Italy，System Dynamics Society. 2002.

[18] Reimann，P.，Thompson， K.， Weinel， M. Collaborative learning by modelling:Observations in an online setting[Z]. Proceedings ascilite Singapore 2007.

[19] Cool Modes[EB/OL].

[20] Model-It， Feature in Visual Map[EB/OL].

[21] BaoHui Zhang，Xiufeng Liu， Joseph S. Krajcik. Expert models and modeling processes associated with a computer-modeling tool[J].Science Education，2006，90(4): 579-604.

[22] Stratford，S.J.， Krajcik， J.，Soloway，E.Secondary students' dynamic modeling processes: analyzing， reasoning about， synthesizing， and testing models of stream ecosystems[J].Journal of Science Education and Technology， 1998， 7(3):215-234.

The Application and Enlightenment of Researches on ERM in the Design Learning Environment

SUN Dan-er

(National Institute of Education， Nanyang Technological University 637616， Singapore)

Abstract: From views on the ERM theory， the applications of ERM in the learning environment supported by computer technology are illustrated in this paper. Conclusions are drawn to provide ideas for the relevant design and its research in the field of learning software development.

Keywords: entity-relationship model; computer-supported learning environments; design