智慧學習視角下個性化在線學習系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

吳洪艷

(華南師范大學 教育信息技術(shù)學院，廣東 廣州 510631)

智慧學習視角下個性化在線學習系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

吳洪艷

(華南師范大學 教育信息技術(shù)學院，廣東 廣州 510631)

智慧學習是當代教育信息化的新發(fā)展，個性化在線學習系統(tǒng)是實現(xiàn)智慧學習的一種有效途徑。從智慧學習視角出發(fā)，依托學習分析技術(shù)，構(gòu)建云環(huán)境下的個性化在線學習系統(tǒng)，以實現(xiàn)技術(shù)與教學的深度融合，實現(xiàn)因材施教。該文在智慧學習、學習分析技術(shù)等理論與方法基礎(chǔ)上，探討了利用學習分析技術(shù)實現(xiàn)個性化學習的思路；進而闡述了系統(tǒng)功能架構(gòu)，實現(xiàn)目標及相應(yīng)的技術(shù)方法；構(gòu)建了能分析學習者學習行為和知識狀態(tài)，按需推送合適的學習資源，并提供適時的學習干預(yù)的個性化在線學習系統(tǒng)；并以大學《C語言課程設(shè)計》為案例，評估系統(tǒng)效用。

智慧學習；智慧學習環(huán)境；個性化學習；學習分析

一、引言

在先進的信息技術(shù)的推動下，教育信息化發(fā)展到一個新階段，提出了智慧教育新理念。智慧教育已成為許多國家教育發(fā)展的戰(zhàn)略目標，我國也不例外；無論政府層面還是企業(yè)、教育工作者都對其高度重視，智慧教育已在我國中小學教育活動中開展。在智慧教育理念推動下，促進了學習方式的變革，從數(shù)字化學習、移動學習向智慧學習轉(zhuǎn)變。“2015年的地平線報告(New Media Consortium)”提出了適應(yīng)性學習技術(shù)(軟件或平臺)及個性化學習是未來3-5年采用的技術(shù)和需要解決的挑戰(zhàn)，智慧學習為實現(xiàn)個性化學習提供新思路。在云計算、學習分析等技術(shù)支撐下，構(gòu)建智慧的學習環(huán)境有重要意義。本文從智慧學習視角出發(fā)，設(shè)計以學習者為中心的個性化、自適應(yīng)的智慧學習系統(tǒng)，為智慧學習活動的開展提供支持，促進學習者智慧發(fā)展。

二、理論與方法

(一)智慧學習及智慧學習環(huán)境

賀斌認為，“智慧學習是一種學習者自我指導(dǎo)的、以學習者為中心、具有完整學習體驗的新型學習范式。[1]”智慧學習是在智慧的學習環(huán)境中靈活自如地開展學習活動，學習者能方便地獲取需要的、適合的資源，同伴間或者師生間能流暢地交互，能有效地全面發(fā)展個人潛能。所以智慧學習離不開智慧的、智能化的學習環(huán)境。馬來西亞學者Chin闡明“利用信息技術(shù)，以學生為中心的智慧學習環(huán)境，能夠適應(yīng)學習者的學習風格、學習能力，支持學習者發(fā)展，支持終身學習。[2]”黃榮懷從“感知情景、辨識特征，推送內(nèi)容，跟蹤過程、評測成果等方面，闡述了智慧學習環(huán)境是高效的學習活動空間。[3]”

綜合以上觀點，本文認為，智慧學習環(huán)境是在云計算、分析技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)支持下，能動態(tài)識別學習者個性特征(學習風格、認知能力、學習態(tài)度等)，適應(yīng)性地推薦個性化的學習資源及路徑，動態(tài)分析過程數(shù)據(jù)，綜合評價學習成果，支持靈活的、互動的學習空間或場所。

智慧學習環(huán)境包含以下特征：

(1)泛在性、無縫性。智慧學習環(huán)境支持不同終端的無縫接入，無縫獲取資源與服務(wù)；不同終端設(shè)備數(shù)據(jù)同步，可以無縫轉(zhuǎn)移；支持靈活的按需開展學習。

(2)感知性。感知性是智慧學習環(huán)境的必需特征，通過情景感知獲得物理位置信息；學習者特征信息(學習風格、偏好)；學習者認知狀態(tài)(學習基礎(chǔ)、掌握的知識等)；學習過程與環(huán)境的交互信息；依據(jù)感知數(shù)據(jù)智能化、適應(yīng)性、個性化地呈現(xiàn)學習資源與個性化、多元化地評價學習結(jié)果。

(3)個性化、適應(yīng)性。智慧學習的目標是實現(xiàn)學習者個性化的、智慧化的發(fā)展，實現(xiàn)因材施教。個性化教與學才能促進學習者學習智慧的發(fā)展，智慧學習環(huán)境的個性化支持與服務(wù)為個性化學習提供了實現(xiàn)支撐。通過對學習者的學習過程靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)的跟蹤、記錄，獲得學習者特征模型，推薦適合的學習需求。按需推送滿足了學習者個性化差異，實現(xiàn)了匹配學習者特點的適應(yīng)性。推送內(nèi)容可以是學習資源、學習路徑、學習服務(wù)、學習朋友圈。

(4)多向交互性。智慧學習環(huán)境支持多向、流暢的交互工具。生生之間、師生之間的便利的互動交流，提升學習積極性，教師適當?shù)馗深A(yù)指導(dǎo)，避免學習的挫敗感，促進深層認知發(fā)展。

(二)個性化學習的演進

個性化學習是依據(jù)學習者的差異性，以采取靈活方式滿足學習者需求的學習[4]。在先進的技術(shù)支持下，學習者能以喜歡的方式，獲得滿意的學習資源。信息技術(shù)的推動下，個性化學習在其發(fā)展進程中不同階段有不同的內(nèi)涵。從20世紀70年代開始，個性化學習研究經(jīng)歷了從智能導(dǎo)學系統(tǒng)、適應(yīng)性超媒體系統(tǒng)到適應(yīng)性學習系統(tǒng)的發(fā)展歷程。隨著移動網(wǎng)絡(luò)的普及，個性化學習拓展到移動設(shè)備上進行應(yīng)用。不同時期國內(nèi)外學者開展了模型構(gòu)建、系統(tǒng)應(yīng)用等研究工作。陳仕品博士[5]從認知狀態(tài)、學習風格兩個維度入手，構(gòu)建了新的學生模型；并進而提出了適應(yīng)性的教學內(nèi)容組織模型，使之適應(yīng)個性差異特征。姜強博士[6]在其論文中從模型構(gòu)建、教學實踐兩大層面進行了系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了個性化學習資源、內(nèi)容序列推薦。

根據(jù)學習者的個性需求，為其提供智能化的、適合其個人的學習支持與服務(wù)。個性化、智能性、適應(yīng)性正是智慧學習環(huán)境的基本特征。智慧學習環(huán)境為個性化學習開辟了新天地，使個性化學習發(fā)展到了新階段。

(三)學習分析技術(shù)

教育信息化使在線學習系統(tǒng)(或平臺)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，同時存在個性化學習發(fā)展的訴求，使得學習分析技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用。學習分析的本質(zhì)是利用技術(shù)獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，進行干預(yù)，提高學與教的成效[7]。學習分析包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、學生學習、聽眾反饋、干預(yù)五個要素[8]。

智慧學習環(huán)境要實現(xiàn)學習情境識別，基于個性差異推送資源， 提供個性化的學習體驗、學習服務(wù)及學習診斷，多元化學習評價等目的，關(guān)鍵是要記錄學習過程數(shù)據(jù)，分析挖掘，預(yù)測及評估。因此分析學習數(shù)據(jù)是必不可少的步驟。

對智慧學習環(huán)境中的隱性和顯性數(shù)據(jù)進行深層分析，一方面可以識別學習者的學習行為模式及趨勢(知識水平和認知能力)，定制個性化的學習方案，促進智慧教學；另一方面跟蹤學習者與資源、工具的交互數(shù)據(jù)，為不同的學習者按需推送資源，促進個性化發(fā)展。

學習分析技術(shù)剛剛起步，國外有美國普渡大學的Signals系統(tǒng)，能記錄、跟蹤學生學習行為，識別學習等級，自動提示反饋信息[9]。由澳大利亞Wollongong等學校共同開發(fā)的SNAPP軟件，可以收集、分析學生的在線時間、下載次數(shù)、發(fā)表帖子數(shù)、互動頻次等數(shù)據(jù)，確定學習者的行為模式，評估學生的學習網(wǎng)絡(luò)并分析其對學習的影響，這些分析結(jié)果可以用于調(diào)整教學為學習者提供指導(dǎo)，提高其學習能力[10]。國內(nèi)的姜強利用大數(shù)據(jù)學習分析模型，分析學習者的學習過程和情境，發(fā)現(xiàn)個性需求和能力狀態(tài)，提供個性化自適應(yīng)學習[11]。

三、基于學習分析技術(shù)的個性化在線學習系統(tǒng)設(shè)計

(一)系統(tǒng)功能架構(gòu)

在前文所介紹的智慧學習環(huán)境的理論和學習分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了云環(huán)境下基于學習分析技術(shù)的個性化在線學習系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，采集、分析學習過程數(shù)據(jù)，解決智能化、個性化服務(wù)支持機制，以期構(gòu)建能滿足學習者個性化特征的學習環(huán)境和學習資源，同時有助于教育者了解學習過程，實施指導(dǎo)、教學干預(yù)(如下頁圖1所示)。

云架構(gòu)減輕了終端設(shè)備的配置要求，強大的計算、存儲功能在云端進行。學習資源存儲在云端，提升了其功能共享程度和服務(wù)質(zhì)量水準。個性化在線學習系統(tǒng)的資源是通過云端獲取的。該系統(tǒng)包含以下幾部分：

1.云設(shè)施及服務(wù)

通過硬件的虛擬化和云基礎(chǔ)服務(wù)技術(shù)，加強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲、處理能力，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。學習者描述數(shù)據(jù)庫、學習過程數(shù)據(jù)庫、課程數(shù)據(jù)庫、學習資源數(shù)據(jù)庫都存儲在云端。

2.分析應(yīng)用層

個性化學習是智慧學習環(huán)境的基本特征。所以基于學習分析技術(shù)記錄、分析學習過程數(shù)據(jù)是必不可少的條件。通過分析學習者與在線學習系統(tǒng)的交互的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)，如個人姓名、班級、媒體偏好、知識點排列的線性與非線性等，建立學習者模型，該模型用于系統(tǒng)適合學習者的學習資源媒體類型以及課程學習順序，對有相同學習者模型學習者聚類分組，形成同伴關(guān)系；通過記錄、跟蹤學習者花費的學習時間、習題測試完成情況等數(shù)據(jù)建立學習者知識模型，該模型用于預(yù)測并反饋學習效果，并自動推送合適的學習內(nèi)容；通過一段時間學習相關(guān)數(shù)據(jù)的趨勢分析，教師掌握學習者學習情況，調(diào)整教學策略，實施教學干預(yù)。

圖1 基于學習分析技術(shù)的個性化在線學習系統(tǒng)架構(gòu)

通過學習數(shù)據(jù)分析，掌握學習者的需求及學習規(guī)律，為不同的學習者推薦適合的學習資源、學習路徑，建立個性化的學習環(huán)境；同時教師根據(jù)學習分析結(jié)果預(yù)測教學效果，從而進行教學干預(yù)，優(yōu)化學習過程，促進個體智慧發(fā)展。行政管理者依據(jù)線下分析結(jié)果，改善教學計劃等。 所有分析可進行可視化顯示，通過可視化顯示，學習者了解個人學習進度、知識掌握情況；教師掌握學習狀態(tài)及教學效果。管理者掌握課程發(fā)展趨勢，對危險的學習者發(fā)出預(yù)警。

3.交互管理層

系統(tǒng)用戶的管理分三類：一類是學習者，是資源的使用者；另一類是資源的開發(fā)者，如教師；第三類是系統(tǒng)管理者，負責系統(tǒng)的維護與管理。所有使用者連接系統(tǒng)于交互界面。

(二)系統(tǒng)目標及實現(xiàn)技術(shù)方法

對學習者而言，系統(tǒng)實現(xiàn)的目標就是個性化、適應(yīng)性。能依據(jù)學習者特征，如學習風格、認知能力、興趣偏好等適應(yīng)性、個性化地推送學習內(nèi)容、路徑。對教師而言，系統(tǒng)能分析學習者學習過程信息，實施干預(yù)。目標的實現(xiàn)依賴學習分析技術(shù)。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，建立動態(tài)學習者特征模型；通過難易等級不同的測試題獲取學習者的認知水平；利用數(shù)據(jù)挖掘的聚類方法形成同伴關(guān)系；利用協(xié)同過濾推薦技術(shù)，依據(jù)學習者特征模型實現(xiàn)推送學習資源、路徑等；利用可視化技術(shù)，使學習者了解學習進度、學習狀態(tài)；利用多元統(tǒng)計學的因子分析和相關(guān)分析，確定影響學習績效的因素。

(三)系統(tǒng)的運行流程

學習者學習流程如圖2所示。首次登錄后，完成所羅門學習風格測量表，形成個人學習風格，學習過程中，通過學習行為分析動態(tài)調(diào)整學習風格；學習風格、測評結(jié)果存放在個人檔案袋中；依據(jù)學習風格及測評結(jié)果推薦個性化學習內(nèi)容，開始在線學習；結(jié)合學習時間與測評結(jié)果給予反饋，警示學習者；學習結(jié)束后進行測評，結(jié)果存放檔案袋中。

教師管理流程如圖3所示。教師登錄后，可以上傳學習資源，可以查看學習者檔案袋信息，通過學習數(shù)據(jù)分析，了解學習過程、學習狀態(tài)，適時調(diào)整教學計劃，進行教學干預(yù)。

圖2 學習者學習流程圖

圖3 教師管理流程圖

四、基于學習分析技術(shù)的個性化在線學習系統(tǒng)應(yīng)用案例

(一)案例研究

以大學《C語言課程設(shè)計》課程為例，開展基于學習分析技術(shù)的個性化在線學習系統(tǒng)應(yīng)用研究，選取嶺南師范學院電子技術(shù)專業(yè)2011級的全體35名學生作為研究對象。該課程共有八章內(nèi)容，第一、二章內(nèi)容采用課堂教學，第三至八章內(nèi)容應(yīng)用基于學習分析技術(shù)的個性化在線學習系統(tǒng)，并輔以課堂指導(dǎo)。系統(tǒng)根據(jù)學習風格，推送學習序列。如某個學生的學習風格是序列式的、按部就班地開展學習，則系統(tǒng)左側(cè)給出知識樹，點擊進入；同時知識點界面的右上角有調(diào)節(jié)箭頭，指向前項知識或后項知識，如圖4所示。

圖4 學習內(nèi)容導(dǎo)航

利用學習分析技術(shù)反饋學習進度，使學生掌握自己的學習狀態(tài)，認清目前學習情況，激發(fā)學習動機，規(guī)劃未來學習計劃。圖5表示某一名學生學習第三章內(nèi)容的學習進度。學生學習每章內(nèi)容后完成進行習題測試，進行其用時時間和得分情況可視化反饋。通過反饋學生可以了解哪一部分知識還沒有完全掌握，需要進一步復(fù)習與鞏固，同時明確自己的學習效率。教師根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以掌握每個學生的學習情況，進行有針對性的指導(dǎo)。圖6表示某一名學生所學過的章節(jié)測試結(jié)果。

圖5 學習進度可視化

圖6 測試水平可視化

(二)效果分析

當學生學完《C語言課程設(shè)計》第一、二章內(nèi)容后對全體35名學生進行前測,學完第三、四章內(nèi)容進行后測。同時設(shè)計兩份難度一致的測試卷用來前、后測。采用Excel2010工具對兩次測試成績進行t檢驗。t檢驗結(jié)果可以看出，前測平均成績71.8,后測平均成績81.3，顯著概率p=0＜0.05，表示前后測平均成績差異顯著。試驗結(jié)果表明，應(yīng)用基于學習分析技術(shù)的個性化在線學習系統(tǒng)后，提高了學生的學習質(zhì)量。

同時采用問卷法主要從學習興趣與動機、學習資源適用性、學習有效性、系統(tǒng)認可度等方面對全體38名同學進行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如圖7所示。

圖7 問卷調(diào)查結(jié)果

調(diào)查結(jié)果表明，90%(很滿意和基本滿意)的學生認為學習系統(tǒng)能促使他們主動學習，因為系統(tǒng)能提供個性化的用戶界面，帶給他們新鮮感；92%的學生喜歡系統(tǒng)提供的學習資源，因為系統(tǒng)根據(jù)學生的學習風格動態(tài)推送學習內(nèi)容，呈現(xiàn)不同的學習路徑，學生還是喜歡按照推薦的路徑學習；86%的學生認為系統(tǒng)導(dǎo)航清晰，可以方便找到學習內(nèi)容；90%的學生認為提高學習效率，節(jié)省了學習時間；94%的學生認為系統(tǒng)按需提供學習內(nèi)容，并將學習進度、學習狀態(tài)可視化呈現(xiàn)，有利于個性化導(dǎo)學，學生課前利用系統(tǒng)進行預(yù)習，課后進行復(fù)習，使課上、課下學習貫通，有利于提高學習能力；94%的學生認為除了系統(tǒng)有利于學生個性化學習外，教師還適時給以教學反饋，督促完成學習計劃，滿意這種學習方式。

五、結(jié)束語

智慧學習是信息化高端形態(tài)下新的學習方式，是必然的發(fā)展趨勢。構(gòu)建智慧學習環(huán)境讓學習者主動地、有效地投入學習，獲得智慧發(fā)展，是教育研究者重點關(guān)注的問題。個性化、自適應(yīng)學習系統(tǒng)是實現(xiàn)智慧學習環(huán)境的一種有效途徑。在學習分析技術(shù)支持下，本文所提出的個性化在線學習系統(tǒng)能夠分析學習者學習行為，了解學習狀態(tài)，給予適當?shù)姆答伕深A(yù)；實現(xiàn)了智能化的、適應(yīng)性的學習資源的推送。研究數(shù)據(jù)表明，學生更喜歡利用這樣的系統(tǒng)來學習，充滿樂趣，他們很容易獲得需要的知識，從而提高學習效果。基于學習分析技術(shù)，設(shè)計更加完善，更加個性化、自適應(yīng)的學習系統(tǒng)是我們今后努力的方向。

[1]賀斌.智慧學習：內(nèi)涵、演進與趨向——學習者的視角[J].電化教育研究,2013,(11):24-33.

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[3]黃榮懷,楊俊鋒,胡永斌.從數(shù)字學習環(huán)境到智慧學習環(huán)境——學習環(huán)境的變革與趨勢[J].開放教育研究,2012,(1):75-84.

[4]鄭云翔. 信息技術(shù)環(huán)境下大學生個性化學習的研究[J].中國電化教育,2014,(7):126-132.

[5]陳仕品.適應(yīng)性學習支持系統(tǒng)的學生模型研究[D].金華：浙江師范大學,2009.

[6]姜強.自適應(yīng)學習系統(tǒng)支持模型與實現(xiàn)機制研究[D].長春：東北師范大學,2012.

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[11]姜強,趙蔚等.基于大數(shù)據(jù)的個性化自適應(yīng)在線學習分析模型及實現(xiàn)[J].中國電化教育,2015,(1):85-92.

吳洪艷：副教授，博士，研究方向為教育信息化、個性化學習(wuhongyan70@qq.com)。

2015年4月7日

責任編輯：宋靈青

Research on Personalized Learning System under the Perspective of Smart Learning

Wu Hongyan
(School of Educational Information Technology, South China Normal University, Guangzhou Guangdong 510631)

Smart learning is the new demands of contemporary education informationize. The personalized learning system is to implement a way to learn wisdom. Learn from smart learning perspective, relying on learning analysis technology, build a cloud environment personalized learning system, in order to realize the depth of the technology and teaching integration, realize to teach student in accordance of their aptitude. Based on the theory and methods of smart learning, learning analysis technology, the thesis discusses the idea of realizing the personalized learning; Then elaborated the system function structure, achieve the goal and the corresponding technical methods; It build the personalized learning system which can analysis the state of learners’ learning behavior and knowledge, according to the need to push the appropriate learning resources, and provide timely intervention. And in the final section, introduces the application of “C language program design” as a case.

Smart Learning; Smart Environment; Personalized Learning; Learning Analytics

G434

A

1006—9860(2015)06—0127—05

* 本文系中國博士后科學基金項目“云計算環(huán)境下個性化學習服務(wù)系統(tǒng)研究”(項目編號：2013M540658)階段性成果。