基于認知風格和學習風格的多維度自適應在線學習系統①

周萍 章偉

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?將認知風格與學習風格結合起來，提出一種基于域獨立/域依賴認知風格模型和八維度Felder-Silverman學習風格模型的自適應在線學習系統。該系統可根據學生不同的認知風格和學習風格，為其提供不同形態的學習資源和不同的學習內容，實現學習資源形式與內容的個性化自適應推送。以網絡課程的個性化自適應學習為例進行實驗，證明該系統能提高學生的學習成績，減少學生的認知負荷。研究成果可應用于網絡學習空間建設、未來智慧教育、精品課與在線開放課建設等方面。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?學習風格;認知風格;自適應學習;多維度

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）15-0004-04

信息技術不僅促進了教育的均衡發展，使個性化、自適應學習成為可能，同時也吸引了大量研究人員開發用于計算機輔助學習的技術和軟件。近年來，由于使用了超媒體和多媒體呈現，學習資源變得更加豐富和多樣。研究表明，超媒體和多媒體適合于提供個性化的學習指導與學習資源推送，其方法是根據學生的個體學習模式，相應調整學習內容的呈現方式和學習路徑。近二十年來，各種個性化、自適應的多媒體學習系統被開發出來。例如，姜強等[1]基于大數據分析，從數據與環境、關益者、方法和目標四個維度出發，構建了一個自適應在線學習分析模型。馬玉慧等人提出了一個基于認知診斷的個性化學習資源推送方法，即先實現學生內部知識結構的認知診斷，然后在認知診斷的基礎上再進行個性化學習資源的推送[2]。

雖然學生的知識水平和學習內容的難易程度是自適應展示和選擇學習內容的首要因素，但是個人偏好和學習習慣差異也是需要重點考慮的影響因素。其中，學習風格代表學生對信息的認識和處理模式，是一個與學習材料呈現相關的重要因素，而認知風格則是個體認知過程中的一個固有特征，不易改變。近十年來，研究人員不斷嘗試開發基于學習風格或認知風格的自適應學習模型，然而，這兩者很少同時被考慮在內，更不用說其他個性化因素了。

在提供有效的自適應學習模型時，必須考慮各種個性化影響因素。教育應該因材施教，也就是說，要先對學生進行診斷，判斷學生屬于哪種“材”，再根據學生不同的學習風格與認知風格，有針對性地“施教”。針對大規模在線學習情境下的“因材施教”問題，本研究基于學習者的多種個性化因素，包括學習風格和認知風格在內，提出了一套自適應學習模型，幫助學生更有效地學習，為未來智慧教育、移動互聯網在線教育相關研究提供理論基礎與技術框架。

一、預備知識

（一）學習風格與認知風格

學生的學習風格是指學生如何學習和是否喜歡學習的一種特征，是一種指導學習的方法和策略，它可以指導學生對學習的認知、語境和內容。學習風格是展示學生的學習模式、學習傾向與偏好的一個重要因素。

認知風格可以分為認知中心、人格中心和活動中心。學習風格與認知風格的關系是學習風格是認知風格的一個子集，是一種以學習活動為中心的認知風格。二者不同之處在于，認知風格是指個人在信息的組織與處理方式上的個體差異，而學習風格被認定為一種反映學習行為的潛在原因的一致性方法。此外，認知風格涉及一種認知活動，如思維、感知、記憶等，而學習風格則是學習者對包括認知、情感和心理行為在內的學習環境與學習內容的感知和互動的指標。

早期研究表明，學習風格是提供個性化學習指導或學習內容的參數之一。研究人員提出了許多學習風格理論或模型。其中，Felder和Silverman于1997年開發的Felder-Silverman學習風格模型（FSLSM）[3]被認為是最適合開發自適應學習系統的模型之一。研究人員指出，考慮到個人因素，FSLSM是開發超媒體課件的最合適衡量標準，是最適合在電子學習系統中應用的模型之一。因此，本研究將FSLSM作為開發自適應學習系統的因素。

另一方面，認知風格普遍被認為是影響學生信息搜索與加工的重要因素，也是影響用戶界面有效性和學習系統導航決策的一個重要因素。一些研究表明，在設計信息搜索界面和開發提供個性化學習指導的適應性學習系統時，考慮認知風格是有效的。多項研究成果顯示，域獨立/域依賴（FD/FI）認知風格適宜用來診斷學習行為或設計學習系統。

本文將學習風格用于處理多媒體資源（由文本、圖形和視頻組成）的呈現模式，提供個性化的學習材料和展示布局，將認知風格用于開發個性化的用戶界面和導航策略。

（二）認知負荷與多媒體學習

認知負荷被定義為特定任務強加于接受者的負載，是一種多維結構，可以通過測量精神努力和心理負荷來評估。精神努力與學習活動中使用的策略有關，心理負荷是指學習任務、學科特征和學科材料之間的相互作用，這與學生需要面對的學習內容的復雜性密切相關。為了回應大多數數字學習材料都是用多媒體開發的事實，Mayer等人于2001年提出了多媒體學習的認知理論[4]，它假設圖像和語言材料通過不同的感覺渠道（即視覺和聽覺）被學習者接受。因此，當學習者收到冗余信息、結構不良的信息或某種意義上的超量信息時，就會出現認知超載。另外，學習者的能動性與認知負荷也有顯著關系。學習能動性是決定學習是否成功的一個因素，特別是在復雜的電子學習環境中。

（三）自適應學習系統

自適應學習系統旨在為學生提供個性化的學習資源，特別是學習資源的推送和提供學生偏好的學習界面。兩種自適應學習方法可用于開發基于網絡的適應性學習系統，即“自適應呈現”，為學生提供個性化的、有針對性的學習資源以及“自適應導航”，通過建議個性化的學習路徑指導學習者找到學習內容。學者進一步證明了提供個性化呈現界面以滿足學生學習習慣的重要性。

學者已經開發了一些基于學習風格或認知風格的自適應學習系統。例如，Tseng等人[5]通過考慮學生的學習風格和學習內容的難度，提出了一個小學數學課程的自適應學習系統。Mampadi等人[6]開發了一個基于網絡的學習環境，根據學生的認知風格提供不同的用戶界面。然而，很少有研究同時基于多種學習影響因素，包括學習風格、認知風格、知識水平等，開發針對不同學習者特征的自適應學習系統。

二、具有多維度個性化準則的自適應學習系統

本文提出了一個基于認知風格與學習風格的多維度自適應學習系統。該系統由四個模塊組成：學習內容生成模塊（LCGM）、自適應呈現模塊（APM）、自適應內容模塊（ACM）和學習模塊（LM）。

（一）學習內容生成模塊（LCGM）

學習內容生成模塊用于從原始材料中提取內容，并基于“呈現布局”生成用于編寫個性化學習材料的信息塊。每個主題單元（或稱為知識塊）包含一套組件，如單元的ID、文本、圖形、舉例等。主題單元的組成分為以下六類。

（1）概念單元：包括主題單元的標題、概念ID、抽象圖標和代表性圖標。

（2）文本組件：主題單元的文本內容部分。

（3）示例組件（或案例組件）：主題單元的演示示例或案例部分。

（4）圖形組件：主題單元的圖形、圖片和照片部分。

（5）基礎組件：一門課程的主要內容包括每個主題單元或每個學習概念的標題及其相應的文本、圖片、例子、案例和練習，即上面的（1）+（2）+（3）+（4）。

（6）補充組件：補充內容包括有助于學生擴大學習范圍或更好地掌握學習內容的補充材料。

每個主題單元在選擇了適合學生類型的學習材料后，LCGM會根據學生的學習風格和認知風格組織選擇的材料，然后根據演示文稿布局框架，將組織好的學習內容以個性化方式呈現給每類學生。下圖顯示了這個框架，它包括以下幾個區域：

自適應學習系統的學習內容呈現框架

●系統保留區：該區域保留給學習系統，用于顯示課程信息、學生信息、系統狀態或系統公告。

●課程導航區：該區域包含課程單元之間的導航、針對學生個體的課程提綱、建議的課程單元學習順序等信息。

●學習內容區：該區域位于屏幕中央，用于展示組織的學習材料。

●舉例說明和補充材料區：該區域用于舉例說明或案例展示以及根據學生的個性化學習需求補充學習資源。

●學生探索區：該區域有三個可以鏈接到三種不同版本學習內容的圖標，使學生可以靈活控制自己的學習內容和學習進程。

●學習指導導航區：這個區域在屏幕的右下角，用于為不同學習風格或認知風格的學生提供與其風格相匹配的學習指導或導航功能。例如，對于域獨立型學生，提供了“下一階段”和“前一階段”按鈕，以便指導學生按照適當的順序學習課程材料。

（二）自適應展示模塊（APM）

自適應展示模塊由兩個部分組成：基于學生認知風格的版面布局策略和基于學生學習風格的教學策略。

版面布局策略的核心是，根據每個學生的認知風格調整學習內容頁面的呈現布局。為了測量學生的認知風格，本研究采用Witkin于1971年提出的群體內嵌圖形測驗法。根據該評分標準，如果學生的測試成績排名在前50%，則被確定為域獨立型（FI）認知風格，否則被歸類為域依賴型（FD）認知風格。FD學生喜歡結構化信息、推薦和權威導航，反之，FI學生喜歡自己組織課程信息。從課程導航的角度來看，設計FD學生的學習界面時要減少信息內容的顯示，避免分散他們的注意力。相反，FI學生的學習界面則可以提供更多的學習信息，幫助他們對學習資源進行全面調用。如表1所示。

（三）自適應內容模塊（ACM）

自適應內容模塊與不同學習風格學生的學習資源調整有關。由學者Felder和Soloman提出的學習風格問卷索引被嵌入學生學習風格的測量系統中。在Felder-Silverman學習風格模型中有四個維度的學習風格，如下所示：

●維度1.積極型/反思型維度：“活躍的學生”是積極的、主動的，喜歡嘗試和錯誤，更傾向于討論而不是獨立學習。反之，“反思型學生”是通過思考學習，他們在通過深入思考學習時，感覺到了快感和滿足。

●維度2.感應型/直覺型維度：感應型的學生喜歡從事實中學習，不喜歡驚喜，而且他們善于記憶，喜歡用成熟的方法解決問題，對細節很有耐心，他們往往是務實和謹慎的，不喜歡與現實世界沒有明顯聯系的課程。相反，靠直覺的學生喜歡創新，不喜歡重復做同樣的事情，他們更喜歡發現可能性和相互關聯，并且傾向于能更好地掌握新概念和新事物。

●維度3.視覺型/語言型維度：視覺型學生能夠更好地記住他們所看到的東西，如圖片、圖表、流程圖、時間線、教學視頻和演示等。而語言型學生更喜歡文字描述，從書面和語言描述中獲得更多知識。

●維度4.序列型/全局型維度：序列型學生傾向于在線性步驟中獲得對知識的理解，邏輯上，每一步的知識點遵循前一步獲得的知識點，在尋找解決方案時，傾向于遵循線性邏輯的逐步路徑。全局型學生傾向于掌控全局，一旦掌握了整體，他們往往能很快解決問題，并且傾向于在沒有看到前后知識點關聯的情況下大踏步地學習。

上述四個維度的取值都是（-11，11）區間內的整數。自適應內容模塊會根據學生在每個維度上的得分，對教學策略進行調整，以滿足學生的需要。內容調整的原則是根據FSLSM維度的特點而設計的，如下表2所示，例如，視覺型學生傾向于從形象化的材料（如圖片、圖表、視頻）中學習，而語言型學生更喜歡文檔型材料。

（四）學習模塊（LM）

學習模塊基于認知風格和學習風格，為學生提供自適應動態組織與呈現的學習內容和用戶界面。

三、系統應用實驗：計算機網絡基礎課程學習

為了評估系統的應用效果，對本校計算機網絡基礎課程的學習活動進行了實驗研究。實驗以本系統為研究平臺，選取本校2017級網絡專業的60名學生為受試者，進行該課程的“物理層”“網絡層”兩個章節，為期四周的學習實驗。學生被隨機分成實驗組和對照組兩組，各30人，兩組學生的認知能力沒有顯著差異。實驗組學生被安排使用本系統進行學習，對照組學生采用傳統學習方法和統一的學習資源及界面進行學習。實驗結果如下。

（一）學習成績

表3顯示了學習成績的統計結果。實驗結果表明，實驗組學生的學習成績明顯優于對照組，F=5.35，P<.05，表明與無差別學習方法相比，采用本文所提出的自適應學習系統對學生學習有顯著的促進作用。

*P<0.05

（二）認知負荷

認知負荷是指學習活動，如理解、推理、解決問題等，對工作記憶的需求。表4顯示兩組認知負荷評分的t檢驗結果。兩組學生在精神努力方面沒有顯著性差異，而實驗組的心理負荷明顯低于對照組，t=1.64，P<0.05。

四、結語

本文提出了一種基于學習風格和認知風格的自適應在線學習系統來適應學生的用戶界面和學習資源推送，并考慮了學習風格的全部維度。實驗結果表明，該系統能夠提高學生的學習成績，學生的心理負荷明顯降低。本研究也存在一定的局限性。首先，實驗樣本量并不大，因此不能根據一般情況推斷出研究結果。其次，本研究主要針對學習風格和認知風格在提供個性化用戶界面和學習內容方面的應用，沒有考慮其他因素，如學生的知識水平、學習材料的難度和補償適應類型等。未來將通過引入更多參數、設計更精確的實驗來擴展本系統，以控制可能影響學生學習成績的因素，為教師和研究者提供更有建設性的研究成果。

參考文獻：

[1]姜強，趙蔚，王朋嬌，等.基于大數據的個性化自適應在線學習分析模型及實現[J].中國電化教育，2015（1）：85-92.

[2]馬玉慧，王珠珠，王碩爍，等.面向智慧教育的學習分析與智能導學研究：基于 RSM 的個性化學習資源推送方法[J].電化教育研究，2018（10）：47-52，82.

[3] Felder R M， Soloman B A. Index of learning style questionnaire[DB/OL]. Retrieved from http：//www.engr.ncsu.edu/learningstyles/ilsweb.html，1997.

[4] Mayer R E. Multimedia learning [M]. New York，NY： Cambridge University press，2001.

[5] Tseng J C， Chu H C， Hwang G J， etc. Development of an adaptive learning system with two sources of personalization information [J]. Computers & Education， 2008， 51（2）： 776-786.

[6] Mampadi F， Chen S Y， Ghinea G， etc. Design of adaptive hypermedia learning systems： A cognitive style approach [J]. Computers & Education， 2011，56（4）：1003-1011.

編輯 馮永霞