淺析自適應超媒體學習系統的設計與實現教育論文
淺析自適應超媒體學習系統的設計與實現教育論文
摘要：從計算機輔助教學的發展現狀及存在的主要問題出發，提出了自適應學習軟體的設計思想。研究以教育學、心理學等學科為指導，從超媒體技術和自適應方法、策略人手，以理論為指導設計一個軟體模型例項並在計算機上進行驗證。
關鍵詞：計算機輔助教學自適應學習系統自適應超媒體
1自適應超媒體學習系統概述
1．1自適應學習系統與自適應超媒體學習系統
自適應學習系統(adaptiveleanringsystem)，是指標對個體學習過程中的差異性(因人、因時)而提供適合個體特徵的學習支援的學習系統。自適應學習系統本質上是一種個別化的學習支援系統，它能夠提供一個適應使用者個性化特徵的使用者檢視，這種個性化的學習檢視不僅包括個性化的資源而且包括個性化的學習過程和策略。由於個體的差異性是多方面的，因此適應的功能特徵也是多種多樣的，自適應學習系統主要研究：
①如何為學生提供：適應性導航支援；適應性內容呈現；適應性測試；適應性幫助。
②學習系統的結構模型；
③領域知識庫的構造方法；
④使用者模型的表示和使用者建模方法。
自適應超媒體系統，指透過在使用者模型中反映使用者的某些特徵，並應用這個模型將系統中不同的可見方面適應於不同使用者的所有超文字和超媒體系統。換句話說，這個系統應該滿足3個準則…：
①是一個超文字或超媒體系統；
②應該有一個使用者模型；
③使用這個使用者模型向超媒體系統提供自適應性(即同一個系統對有著不同的使用者模型的使用者來看是不同的)。
自適應超媒體技術適用於有著不同目標和知識水平的使用者、且使用者訪問的資訊空間比較大的系統。這類使用者可能對展示在一個超媒體頁的不同資訊片斷感興趣，可能會使用不同的鏈進行導航。使用者模型則是支援這種特殊性的知識結構。自適應超媒體系統有兩個關鍵技術：自適應技術與使用者模型。自適應技術包括自適應展示和自適應導航，自適應展示是內容級的自適應；自適應導航則屬於結構級的自適應。使用者模型是反映使用者個人特徵的模組，它考慮到的使用者特徵有：使用者的知識水平、目標，背景與經驗、偏好。其中使用者的知識水平是最重要的使用者特徵，幾乎所有的自適應展示技術將使用者的知識水平作為提供自適應的主要依據之一。
1．2自適應超媒體系統是計算機輔助教學發展的新方向
將自適應技術與超媒體技術結合起來形成的自適應超媒體技術是超媒體系統研究的新方向，可以看作是超媒體學習系統與智慧導師系統相結合的產物。傳統超媒體學習系統以其圖文並茂的介面和以學生為中心的互動風格受到廣泛的歡迎，但卻因為易造成學生迷航而受到批評；後者因其理解領域知識，瞭解學生狀態，能因材施教而倍受青睞，但枯燥呆板的介面，過多的程式控制往往無法激發學生學習的主動性和維持學生動機，而將兩者結合則彌補了各自的缺點，發揮了各自的長處，在技術上不但可行而且也是教學上的必要。前者更多地關注知識獲取，後者則更多的關注知識的應用，因此自適應超媒體學習系統覆蓋了教學的全過程，這也是自適應超媒體學習系統成為研究熱點的原因之一。
自適應學習系統是知識豐富型(Knowledgerich)應用，其設計相當困難。雖然經過10多年的研究已經取得了一些成就，但直到現在，仍然沒有形成完整的理論與設計原理，例如如何建造理想的學生模型，有效的知識表示，如何把多媒體技術與自適應技術結合起來等，多數學習系統仍然處於試驗階段，只有少數系統能為使用者提供自適應的學習環境。
目前普遍存在的教育軟體儘管可以滿足教學某一方面的需求，但是由於開發者缺少一定的教育教學理論使得這些教育軟體缺乏先進的教學和學習理論指導，從而很難為教學提供完整的指導。為適應教學發展的需要，就必須在現代教學理論的指導下研究並實現新型的自適應學習系統。本文在教育思想和現代教育技術的雙重指導下，設計實現高師計算機專業課程《計算機輔助教學與多媒體課件設計》的自適應超媒體學習實驗系統，為課程學習的自適應性和多媒體學習環境作一些嘗試，進行一些探討。
2系統設計思想及系統結構
2．1設計思想
高等師範院校的學生，肩負著培養新一代的重任。為了充分發揮計算機特別是多媒體計算機輔助教學方面的優勢，高師院校的學生不但要了解計算機應用於教育領域的廣泛性，同時還要了解計算機應用於教育領域的具體方面，形成應用計算機輔助教學的意識。《計算機輔助教學與多媒體課件設計》是計算機科學與技術專業的一門重要必修課程，教學計劃安排在大學本科三年級開設。本文所設計實現的學習系統便是以該課程的教學內容為藍本。
高師三年級的學生已經有了一定的教學概念和計算機基礎知識，對計算機教育應用已有了初步的認識，需要對計算機應用於教育領域的具體內容和形式加以掌握。處於這一群體的學生心理發展到相對成熟的年齡階段，能夠形成有意注意，且他們的智力水平較高，有較強的自學能力，對新鮮刺激有濃厚的興趣，喜歡輕鬆、活潑的學習環境。但是他們個體之間也存在著學習方式的差異：有的傾向於引導性的學習方式，透過逐步引導達到學習目標；有的傾向於建構型或探索性的學習方式。
系統的設計思想是以我國傳統的教學模式為藍本的設計思想。教師所掌握的和學生所熟悉的教學模式是：課堂教學、作業(練習)、測試、結合成績綜合評價學生，這是最普通的教學模式。在這個過程中，教師的教和學主的學，雙邊互相瞭解，逐步達到教學相長的目的。根據這些想法，學習系統模擬了一般的教學過程並增加了特定的功能：學生在學習了一定的知識後進行測試，系統根據學習成績(好、壞)，接收學生的`反饋資訊，並針對不同情況的學生提供下一步學習的建議和意見。對於已掌握已學知識的學生，系統可以提供進一步深入學習的課程；而對未掌握已學知識的學生，系統則建議其重修或提出相應的教學意見，另外，針對個別有特殊性的學生系統還可以生成不同的教學方案，從而建立一套對不同學生因材施教的教學方法和教學策略。
教學過程的自適應性是系統的特點之一，在實際教學過程中的表現就是因材施教。更具體地說，教學系統在教學過程中的自適應性表現就是教學策略因人而異的適應性調整。教學策略的調整引起教學內容調整、重組和教學策略的重新選擇，這一系列的變化是系統適應實際教學過程的智慧化表現，這一點說明了系統模擬教師教學活動的適應性功能。
2．2系統的結構及工作流程
本文設計和實現的實驗性學習系統(CDCAI系統)包括不同的功能模組及其子模組，其基本結構如圖1：
3CDCAI系統的實現
3．1系統功能模組的實現
封頁：封頁是一個過渡，當啟動系統時首先啟動封頁，封頁加入了畫面背景和音樂並附本學習系統的一些開發資訊。封頁的出現是進入學習狀態的前奏，它使得系統一開始就對學習者產生吸引力以激發學習者的興趣。
主控頁面：主控頁面負責介面的控制工作，處理學生與系統的互動，啟動各個功能模組，提供各功能模組之間通訊方法。各模組的啟動採用下拉選單的方式出現，簡單明瞭。系統對學生和教師進行限定，即未登入前兩者都為灰色，按照型別正確登入後相對應的選單項變亮，且每次只能一種人員型別進行登入。
超文字／超媒體學習頁面：在學習內容方面系統採用了大量的超文字／超媒體方式，學習內容按章、節、知識點的方式進行劃分，為防止學生迷航還設定了大量的導航按鈕。在學習系統中選擇哪些學習內容方面也採用超文字／超媒體技術。
當裝載本視窗時，會同時裝載超文字／超媒體。此時學習者透過目錄可以直接實現從一個學習主題到另一個學習主題之間的跳轉，實現跳躍學習。雙擊右側學習內容則可以全屏顯示教學內容且教學內容也以超文字／超媒體形式出現。
試題管理：實驗系統採用非標準化考試形式。
試題種類多種多樣，沒有規範統一的形式，在採用計算機管理題庫時系統將傳統題目型別加以歸納、總結，按照試題型別進行管理。
3．2題庫及測試模組實現
為了使題庫系統成為評測學生學習效果的有效評測工具，題庫中所有儲備的題目為有意義的題目，即具備一定評測能力，符合一定的參考指標。在試卷的命題過程中，針對不同的考試物件、不同階段的考試，命題難度也不同，所以在試題庫中增加難度係數，這也是幾乎每一個試題庫所要考慮的結構。實驗系統中Weight就是根據題目所定義的難度係數值。難度分為標準難度和經驗難度，經驗難度是由教師根據題目內容涉及面和預測答題時間等因素推測出的難度係數，該難度係數需經過多次實際考試後與標準難度進行加權才能逐漸趨近於實際的難度係數。實驗系統題庫採用“難度係數”作為衡量題目難度的評測指標。這樣做的目的是更加反映出學生的真實學習水平。ScoreWeight是題目在滿分情況下同該題難度係數相乘的結果。CommenceWeight是該題目被測試並給出成績後與該題難度係數相乘的結果。
3．3自適應學習實現
《計算機輔助教學與課件設計》是一門理論與實踐相結合的課程，學生在實踐操作前應該具有一定的理論基礎，所以本系統在學生學習實踐操作之前要先檢測學生的基礎理論知識情況。我們把學生的基礎理論學習程度分為5個等級(A、B、C、D、E)，A級的學生已掌握基礎理論知識可以直接進行實踐操作的學習；B、C兩級的學生基本掌握基礎理論知識，學生即可以繼續鞏固基礎理論知識，也可以學習實踐操作部分，系統提供選擇；D、E兩級的學生我們認為其基礎理論知識還不足以指導實踐操作，所以系統讓其繼續學習基礎理論知識。
系統的自適應性主要體現在：第一，當學生登入後學生可以根據自身的情況自主選擇入門學習的等級和內容；第二，如果學生已經掌握了部分知識也可以先進行測試，透過測試等級反映該生對基礎理論知識的掌握情況，這時系統根據學習診斷的結果反饋給學生學習建議，推薦學習內容，這些學習內容是與當前學生能力最接近的。同時系統將該部分知識要求掌握的要點和程度也呈現給學生；第三，教師可以根據不同學生的特點選取合適的教學內容，或根據提示資訊從補充知識中選取合適的教學資訊，從而實現個別化教學。
例如，系統給學生反饋的知識程度資訊及教師選取適合該生學習內容的介面(圖2)。
教師根據學生的不同情況從左邊的選框中選擇出適應性的學習內容，透過“新增”按鈕將被選擇的內容新增進中間框中；選中中間框內的教學內容通②學生也可以先進行測試，透過測試反映對基過“刪除”按鈕可將該項刪除；且已選擇的內容項不礎理論知識的掌握情況，系統會根據學習結果反饋能重複被加進來；右邊框則為選擇好的教學內容展學習建議，推薦學習內容，呈現知識要點；示區。當教師選擇好學習內容並確定後，學生可以教師可以根據不同學生的特點選取合適的教學看到教師建議的學習內容。內容，或從補充知識中選取合適的教學資訊，從而實現個別化教學。
4小結
自適應超文字與超媒體學習系統的開發是一項複雜的系統工程，其複雜性主要體現在：
①開發內容的複雜性。一個具有一定適應性的完整學習系統需要涉及到學校教學的許多方面且這些方面相互交錯，互相影響，系統開發必須綜合考慮。
②學生的不同需求。自適應學習系統本質上是一種個別化的學習支援系統，因此係統開發時應考慮到不同特徵的使用者需求。
③技術手段。計算機輔助教學是涉及計算機技術軟硬體、通訊技術、多媒體技術、自適應技術、人工智慧技術、教育學、心理學等多學科的交叉研究領域，因此在開發系統時如何綜合掌握和運用這些技術是開發者所面臨的一個重要任務之一。
本文所研究和實現的“自適應超媒體學習系統(CDCAI系統)”體現了教學設計的思想，根據學習者可能的學習風格設計了不同的學習方式；在學習內容上採用了超文字／超媒體的形式，運用圖形影象、聲音和動畫等多媒體元素構成友好的學習介面，以利於學習者的認知建構。
CDCAI系統在一定程度上體現了自適應特點，基本滿足了自適應超媒體系統的3個準則：是一個超文字或超媒體系統；有一個使用者模型；使用這個使用者模型向超媒體系統提供自適應性。系統的自適應性主要體現在：
學生登入後可以根據自身的情況自主選擇學習內容；由於知識、經驗、時間等方面的原因使得系統雖是一個比較完整的自適應超文字／超媒體學習系統，但在自適應性方面體現的還不是太多。計算機技術飛速發展，計算機輔助教學正朝著網路化、多媒體化和智慧化方向發展。本學習系統尚待進一步研究的問題有：合適的教學策略；更為合理的學生模型表示方法；網路實現。另外，在向著智慧化方向發展的同時還有更多更難的問題需要解決，如自然語言、推理技術、多媒體資料庫技術等等。