面向自適應學習系統的開放學習者模型研究

王洪江 黃潔

面向自適應學習系統的開放學習者模型研究

王洪江 黃潔

（華南師范大學 教育信息技術學院，廣東 廣州 510000）

自適應學習系統能夠為學習者提供個性化學習環境，其最核心的部分是學習者模型，傳統的學習者模型雖然種類豐富，但局限于對個人信息的收集，而開放學習者模型允許學習者訪問系統對自己的評價信息，有利于自適應學習系統個性化的實現以及學習者模型的優化，開放學習者模型已成為自適應學習系統中學習者模型研究的重要方向。本文分析總結了開放學習者模型的研究意義、內容及應用現狀，提出了未來研究方向，為開放學習者模型的進一步研究提供參考。

自適應學習系統；學習者模型；開放學習者模型

一、自適應學習系統

自適應學習（Adaptive Learning）是學習者通過思考和操作主動發現和獲取知識、技能的一種學習形式，學習者可以自主監控學習過程，根據自己的實際需求，自主選擇最適合自己的學習內容和學習策略[1]。在信息技術不斷發展的今天，學習資源日漸豐富，但學習者卻往往迷失在信息的海洋之中，而自適應學習系統可以為學習者提供個性化的在線學習環境，根據每個學習者不同的特征給學習者提供個性化的學習支持，比如推送個性化的學習資源、提供個性化的學習指導、推送個性化的學習策略和學習路徑等。

自適應學習系統的前身是適應性超媒體系統（Adaptive Hypermedia System，簡稱AHS），布魯希洛夫斯基對適應性超媒體系統的定義是：用戶模型記錄了用戶的某些特征信息，在運行過程中根據用戶模型適應于不同用戶的系統[2]。經過不斷地發展，今天的自適應學習系統已經具備了更加人性化的功能，同時也出現了多種多樣的類型和不同的名稱與概念，比如“基于Web的適應性學習系統（Web-based Adaptive Learning System）”“基于Web 的智能學習系統（Web-based Intelligence Learning System）”“基于Web的適應性導學系統（Web-based Adaptive Tutoring System）”“適應性學習支持系統（Adaptive Learning Support System）”等，而目前最被普遍接受的一種概念是自適應學習系統。自適應學習系統由幾個重要的模塊組成，分別是學習者模型、領域知識模型、適應性引擎[3]。自適應學習系統的核心工作原理是，依據從學習者模型中獲取的相關信息，根據適應性引擎提供的規則，從領域知識模型中提取學習對象，通過某種方式呈現給學習者，滿足學習者個性化的學習需求。在這些模塊中，學習者模型是最為重要和根本的模塊，它包含學習者的基本信息、學習目標、學習風格、背景知識、知識狀態、學習經歷、學習動機等個人信息，它是學習者特征的抽象表示，是自適應學習系統幫助學習者實現個性化學習的關鍵。自適應系統通過學習者模型在一定程度上適應學習者的個性特征。

二、學習者模型的分類

學習者模型是真實世界中的學習者映射在自適應學習系統中的邏輯實體，是學習者個性特征的抽象表示。學習者模型建模已經被廣泛應用于幫助學生學習和幫助自適應學習系統做出決定。通常學習者模型的要素是學習者個性特征中與學習相關的子集，需要考慮諸多因素。學習者模型根據不同的分類標準可以分成很多類型。按照學習者模型不同的建模方法，如表1所示，學習者模型主要可以分為以下幾類。

表1 按建模方法分類的學習者模型

三、開放學習者模型

盡管傳統學習者模型的建模方法多種多樣，但是方法和思路都太局限于對個人信息的收集，沒有考慮到學習的社會性和學習者與模型的交互作用，存在很多缺陷。傳統的學習者模型大多是封閉的，是一個“黑匣子”系統，雖然自適應學習系統仍然可以了解學習者的很多特性，但是學習者本身卻無法了解模型中的內容，無法了解系統對學習者做了哪些個性特征的采集，更不了解這些數據是否符合學習者的自身情況。按照模型的內容是否開放，學習者模型可以分為封閉學習者模型和開放學習者模型[4]。封閉學習者模型中的內容對學習者不開放，學生看不到學習者模型中的內容；而開放學習者模型中的內容則對學習者開放，學習者可以看到學習者模型中的內容。

構建開放學習者模型是非常有必要的，它可以讓學習者在學習過程中準確了解自己的知識狀態、學習進展、學習績效。英國伯明翰大學蘇珊·布爾對開放學習者模型的定義是：學習者可以自主控制學習系統，個人學習信息以可視化的方式呈現，并遵照學習者的意愿選擇是否分享，以此促進學習者的自我監控和反思[5]。

（一）開放學習者模型的對象及意義

對學習者模型自身來說，開放后能提高模型的準確性，增加學習者對學習系統的了解和信任。學習者的認知與學習系統的內容表述可能存在差異，學習者查看開放學習者模型中的內容有利于消除錯誤認識，了解系統的內容和原理，增加對自適應學習系統的信任，提高學習積極性。

開放學習者模型的對象除了學習者還包括學習同伴、教師、父母等，其意義如表2所示。

表2 開放學習者模型的對象及意義

1.對學習者開放的意義

學習者通過查看開放學習者模型里的內容，培養關注自身學習目標、學習狀態、學習過程的習慣，讓學習者逐漸培養起自主學習的意識，逐漸成為一個具有獨立自主學習意識的主動學習者。

學習者模型里的信息對學生可見，能夠提高學生對自己在相應知識領域中優勢和劣勢的認識，并且由此使得他們發展出更有效的學習方式。一方面，系統可以調整它的教學行為以提供個性化學習環境,這些行為可能包括個性化的問題選擇、個性化的指導和反饋以及更新學習者模型；另一方面，學生可以通過查看開放學習者模型的內容來反思他們的學習過程，并且通過用系統評估他們的學習水平來提高他們的元認知技能。蘇珊·布爾等指出開放學習者模型在促進元認知活動、鼓勵學習者的獨立性、促進合作和競爭、增加學習者對學習系統的了解和信任這四個領域有很大貢獻，但不僅僅局限于這些領域[6]。開放學習者模型能充分調動學習者的自覺性和主動性，讓學習者不斷摸索如何學習，能培養出獨立、自主、高效的學習者。

開放學習者模型的出現，為促進學生元認知能力的發展提供了一種新的手段。根據美國心理學家弗拉維爾的觀點，元認知由兩部分構成：一是元認知知識，正確認識到自身的能力、興趣偏好以及認知缺陷等，清楚自己與他人之間的各種認知差異；二是元認知監控，是指學習者對自己的認知過程的認知，在認知過程中自主監控、評估、調節自己的認知活動[7]。元認知不僅影響學習者的認知過程，還會影響學習者個人的問題解決能力、智力發展和社會交往等方面，幫助學生提高元認知水平不僅能夠提高學習者的學習能力，教會學習者如何學習，同時還能促進學習者的智力和問題解決能力的發展，因此在自適應學習系統中幫助學習者提高元認知能力非常重要[8]。開放學習者模型向學習者個人呈現有關學習狀態方面的信息能夠幫助學習者了解自己當前的學習狀態，還能夠促進學習者的元認知水平的發展，幫助學習者實現學習中的自我監控以及知識的主動建構。臺灣的研究者實施了一個實驗，對比系統控制的自適應學習系統、用戶控制自適應學習系統和協商自適應學習系統，結果顯示擁有開放學習者模型的協商自適應學習系統促進了學習者正確的自我評價，提高了元認知能力。

2.對學習同伴開放的意義

學習者可以查看學習同伴的學習情況，和其他人的學習表現進行比較，學習同伴通常是匿名的，除非學習同伴選擇顯示真實用戶名。學習者可以查看比自己知識水平高的人，以他們為學習目標；也可以查看比自己知識水平低的人，這樣可以讓學習者意識到自己比想象中表現得好，增加他們的自信心。通過對學習者學習的成就和遇到的困難進行匹配，相同學習水平的可以分組共同學習；不同的學習者之間也可以協作，克服了某些困難的學習者可以幫助沒解決困難的學習者，實現互助學習過程。對學習同伴開放學習者模型里的內容，可以培養學習者的協作意識和競爭意識。

（二）開放學習者模型的內容

開放學習者模型的內容主要有學習者的信息和與知識相關的學習內容信息。表3呈現了部分具體內容。

表3 開放學習者模型的內容

（三）開放學習者模型的呈現形式

開放學習者模型允許用戶（學生、教師、同伴以及其他在教學過程中的相關人員）以容易理解的方式查看學習者模型內容[9]。為了保證用戶能夠對學習者模型的信息產生正確行為反應，就必須關注呈現形式的可理解性。學習者模型的數據通過為了支持學習者的個性化學習而專門設計的界面展現給用戶，不需查看系統背后的規則和理解復雜的知識表現形式。

開放學習者模型目前存在的呈現形式多種多樣，最簡單的方式是文字描述，其他復雜的方式有技能表、概念表、概念圖、餅圖、層級圖、樹狀圖、雷達圖、標簽云等。

技能表可以簡單、直觀地表現學習者知識掌握情況。技能表被證明在幫助學生提高元認知技能方面很有用。例如SQL-Tutor技能表用三種顏色表示學生理解正確的、理解錯誤的以及未學的內容。但是作為一個學習者模型的最簡單的表現形式，技能表包含的信息很有限。

概念圖可以呈現概念間關系，由方形標簽表示概念，其間的關系以含有連接詞的箭頭表示，箭頭的方向表示發展的層次，連接詞通常有“引發”“導致”“需要”“提供”等。 它可以幫助學習者快速了解知識間的層級關系與知識之間的聯系，并且為學習者呈現出已有知識、新學知識、未學知識，可以為學習者提供學習決策。

樹狀圖使得開放學習者模型和信息可視化能以一個創新的方式融合，可以給學生展示與其相關的信息和隱含的數據，這種呈現方式簡單、準確，使得學習者可以更好地理解開放學習者模型。例如：來自奧地利的孔普和塞福特等人開發的MyExperiences開放學習者模型，就是一個基于樹狀圖的開放學習者模型，模型中的學生知識水平可以基于用戶交互來進行評測，稱為知識指示事件（Knowledge Indicating Events），這種方式可以提高開放學習者模型的可理解性和準確性。

不同的自適應學習系統運用了不同的表示方法，這些表示方法各有其重點與細節特征。目前研究者為開放學習者模型開發了多種多樣的表現形式，而研究結果顯示有多種表現形式的開放學習者模型是更有效的，因為它支持個性化選擇和不同的學習目的。目前的趨勢是多種呈現形式類型結合，以更加生動全面的形式來進行展現，這樣更利于學習者的理解。例如：Maths Island Tutor包含多種類型的外部表現形式，它的呈現形式從簡單的文字描述到復雜的表示方式，包括概念圖和樹狀圖等；EER-Tutor有很多開放學習者模型表現形式可以在特定時間展示給學生，研究者利用眼動儀測試各種方式的停留時間，包括技能表、雷達圖、標簽云、概念層級圖、概念表、樹狀圖等。

四、開放學習者模型應用現狀

（一）用于測試的開放學習者模型

美國匹茨堡大學的布魯希洛夫斯基等人對有開放學習者模型的個性化考試工具KnowledgeZoom進行應用實驗，它可以生成挑戰性問題縮短學生達到學習目標的路徑，該考試工具的測試內容針對Java編程，結果顯示工具能吸引學生注意力，并且學生認為它在檢驗自己的Java知識水平和揭示知識缺口方面非常有幫助。

福蒂斯·拉薩里尼和西米恩·雷塔利對CosyQTI的應用進行了研究，該系統是一個開放的自適應測試系統，它依據學習者先前積累的知識和學習過程進行自適應，開放學習者模型的內容是以文字和圖形模式的形式呈現的。學習同伴有匿名權限，好友學習者是實名權限。學習者可以得知自己的學習成就和困難，同時可以通過同伴協作認識到模型中的迷思概念。教師可以通過研究開放學習者模型來得知學生隱藏的問題，以此為依據調整教學策略、開展教學。研發者可以修改特定的學習者模型要素，創建更合適的學習者模型。學習者可以與系統協商來形成更合適的測試順序。可視化地展示測試路徑、結果對自適應考試和最終評估都有很大意義。細致分析學習者的表現對學習者和教師都非常有益，并且教師和學生更喜歡文字信息，因為他們覺得信息量更豐富[10]。

（二）可協商的開放學習者模型

基于協商的自適應系統可以支持個性化自適應學習路徑，通過系統協商來達成。可協商開放學習者模型的工作原理是系統推薦自適應選擇，同時學生也提交自己的自適應偏好，當學生偏好和系統推薦發生矛盾的時候，學生和系統經過協商來達成一致。臺灣的研究者開發并應用了包含開放學習者模型的可協商自適應學習系統。研究提出了將基于協商的方法、適應性（系統控制的自適應）和可變性（用戶控制的自適應）理念結合創建的自適應學習系統。系統提供可變的框架、工具、選擇，自適應的內容包括學習內容的順序、學習績效評價、學習步調、情境、任務難度。研究者對69名報了計算機編程課的大學生進行了實驗，初步證據顯示協商自適應學習系統提高了學生的學習效果。用戶控制學習系統不適合自我評價準確度較差和選擇不合適學習內容的學生，而協商自適應學習系統可以用來幫助訓練學生學習時做出合適改變[11]。開放學習者模型的本質是學生知識評價系統，學習系統據此提供學習指導。

該實驗表明，開放學習者模型具有以下優點：一是能提高模型準確性；二是能提高學生學習自主性，獨立學習意識和反思、自主評價、元認知能力。雖然學生喜歡控制他們的教育選擇，但是常常無法做出正確選擇。尤其是新手學生和元認知技能低下的學生。該實驗同樣暴露出開放學習者模型存在的平衡問題，學生需要兩種元認知來決定自適應學習路徑：對當前內容理解的自我評價以及選擇合適學習內容的規則。過高的開放度會導致元認知技能低下學生因自我認知不足、缺乏自控力等原因無法進行有效的學習，同時可能使得學習系統對該學生的學習評價和學習推薦更加不準確。

（三）促進學習的開放學習者模型

英國的研究者安東尼婭·米特羅維奇和布倫特·馬丁對SQL-Tutor系統進行了應用研究，評估開放學習者模型的效果。雖然沒有發現成績有顯著性差異，但是仍然有令人鼓舞的結果：實驗組的低水平學習者與控制組的低水平學習者相比較，成績明顯更高；實驗組的高水平學習者比控制組高水平學習者放棄的問題更少，并且根據系統的不同建議，對下一步學習有更強烈的觀念。這些結論顯示了開放學習者模型可以提高低水平學生的表現，提高高水平學習者的自信，使得高水平學習者敢于挑戰問題和更信賴自己的能力。實驗組的學生都查看了模型，這說明他們覺得查看模型對學習有益，學生只能夠查看，不能質疑或者更改模型。作者認為更復雜的模型會更為有效。

英國格拉斯哥大學的研究者對混合學習環境中開放學習者模型的效果進行了探究，在課堂學習和在線學習管理系統（Moodle）結合的混合學習環境下進行實驗，發現通過具有責任感和自我評價的方式了解自己，是學習者順利完成學習的關鍵所在[12]。雖然目前大部分的開放學習者模型還較為簡單，但已經在提高學生的成績方面表現出了優勢。

五、未來的研究問題

（一）開放學習者模型的平衡問題

馬博特·安德魯和蘇珊·布爾最早提出開放學習者模型的一個重要研究問題是應該允許學生有多大的控制權，伴隨的研究是如何最佳化支持和平衡學習者和開放學習者模型之間的協商和讓步。如何開發出更適合的協商策略一直是研究難點。協商模型的重點是協商什么以及如何協商，由沖突計算機制和沖突解決機制組成。研究者可以研究不同的協商模型，采取不同的協商策略；研究適合不同學生的沖突計算機制和沖突解決機制，有利于提高開放學習者模型的準確性、有效性以及學生對學習者模型的信任。

（二）開放學習者模型的呈現問題

開放學習者模型的信息數據組織和呈現方式至關重要。信息的呈現方式對學生的學習有一定的影響，合理設計呈現方式能夠提高學生的學習效率[13]。只有用戶能夠理解并且做出反應，自適應學習系統才能進行更加合理的推薦。研究者目前正在探索更加直觀、準確的表現形式，采用眼動儀、問卷調查等方式研究學習者對不同表現形式的理解程度以及不同表現形式對學習者學習效率的影響。由于研究結果受多種因素影響，探索出哪種表現形式最有利于學生的理解和知識水平的提高是一個很有挑戰性的研究課題。

六、結語

開放學習者模型是目前學習者模型的重要發展領域。開放學習者模型的應用效果驗證是研究熱點，同時也是研究難點。開放學習者模型可以與多種學科進行結合，目前很多研究集中在計算機類科目，而其他科目的學習和應用同樣值得探索。開放學習者模型可以在不同的教學環境下發揮作用。提高開放學習者模型的社會性也是未來研究的一個方向，即研究同伴之間如何合作與討論，探索新的協作方式以及新的應用模式等。國內對開放學習者模型的系統研究還比較少，未來應當結合我國的實際情況，借鑒國外對開放學習者模型的研究方法與成果，展開適合國內教育環境的相關研究與探索，促進學習者的元認知水平和學習水平的提高。

參考文獻

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[13]陳靜,蘭國帥,張一春.圖文聲信息不同呈現方式對學生學習效果影響的實證研究[J].數字教育,2016,2(3)，47-54.

(責任編輯 孫震華)

Research on Open Learner Model for Adaptive Learning System:Current Situation and Problems

WANG Hongjiang, HUANG Jie
(School of Information Technology in Education, South China Normal University, Guangzhou, Guangdong, China 510000)

The adaptive learning system can provide learners with a personalized learning environment.The core of the system is the learner model.Although the traditional learner model is rich in varieties,it is limited to the collection of personal information.However,the open learner model allows learners to visit their own evaluation information given by the system,which is conducive to the adaptive learning system to achieve personalization and learner model optimization.The open learner model has become an important direction of the learner model research for the adaptive learning system.This paper analyzes and summarizes the research significance,content and application status of the open learner model.It puts forward future research directions,and offers references for further studies on the open learner model.

adaptive learning system;learner model;open learner model

G4

A

2096-0069（2017）02-0023-06

2017-01-08

王洪江（1977— ），男，浙江紹興人，華南師范大學教育信息技術學院副研究員，研究方向為在線教學研究、自適應學習技術研究；

黃潔（1993— ），女，江蘇海門人，華南師范大學教育信息技術學院碩士研究生，研究方向為計算機網絡與教育應用。