基于SCOSM自適應教學模型設計論文
基于SCOSM自適應教學模型設計論文
摘 要：本論文詳細闡述了SCOSM模型的組成和構(gòu)建；構(gòu)建了一個能夠反映認知能力的學生模型，和一個智能的教學模型，它們能夠結(jié)合自適應引擎和教學策略一起實現(xiàn)知識的動態(tài)調(diào)度和教學規(guī)劃，以實現(xiàn)資源共享的自適應教學。
關鍵詞：可共享內(nèi)容對象結(jié)構(gòu)模型；學習者模型；教學模型；自適應教學系統(tǒng)
1.SCOSM模型
1.1SCOSM模型的組成
SCOSM由內(nèi)容格式模型，結(jié)構(gòu)層次模型，包裝交換模型和對象導航模型四部分組成。
內(nèi)容格式模型描述學習內(nèi)容對象的各種屬性格式，重點在于突出內(nèi)容的檢索和交換的屬性，把表現(xiàn)形式和內(nèi)容完全剝離開來。它是內(nèi)容結(jié)構(gòu)模型的核心，解決了創(chuàng)建學習內(nèi)容的規(guī)范化格式問題，把學習內(nèi)容格式化，并添加若干屬性，用于實現(xiàn)內(nèi)容對象的共享和可檢索。
結(jié)構(gòu)層次模型適應原始學習內(nèi)容本身具有的層次性，有利于更好地組織學習內(nèi)容，解決內(nèi)容對象滿足不同層次的共享問題。
包裝交換模型解決了不同系統(tǒng)不同平臺內(nèi)容對象的交換和共享問題。它來自于國家教委的現(xiàn)代遠程教育資源建設規(guī)范，因為只有大家都遵守共同的規(guī)范才能在最大范圍內(nèi)實現(xiàn)共享和重用。
對象導航模型重點描述內(nèi)容對象之間的聯(lián)系，分析內(nèi)容對象之間鏈接關系，解決內(nèi)容對象之間遍歷和“謎向”的問題，為學習者提供學習路徑的策略，滿足學習者“探索式”學習的需求。下面分別進行描述。
1．內(nèi)容格式模型
有兩類內(nèi)容對象，一類是ACO（Atom Content Object，原子內(nèi)容對象），即不可再分的內(nèi)容對象，它是學習內(nèi)容的最小單位，在它的基礎上可以組合成更大粒度的內(nèi)容對象。另一類是MCO（Multiple Content Object，復合內(nèi)容對象），它是由原子內(nèi)容對象復合而成，是學習內(nèi)容的主要形式。兩類內(nèi)容對象都有自己的屬性和內(nèi)容數(shù)據(jù)，內(nèi)容格式模型就是把學習內(nèi)容格式化，并添加若干屬性，來實現(xiàn)內(nèi)容對象的共享和檢索。
(1)復核內(nèi)容對象格式描述
復合內(nèi)容對象格式描述可用表1-1來表示。
表1-1 復合內(nèi)容對象格式表
名稱
數(shù)據(jù)類型
大小
允許空
含義
ID
char
12
否
表示該內(nèi)容對象的標識
Title
Varchar
50
否
內(nèi)容對象的名稱或標題
Author
Varchar
10
否
內(nèi)容對象的制作者
Date
DateTime
12
否
制作日期
Subject
Varchar
30
否
內(nèi)容對象的主題
Keyword
Varchar
20
否
可用于檢索本內(nèi)容對象的關鍵字集
Content
Varchar
20
是
具體組成的原子內(nèi)容對象
Link
char
10
否
內(nèi)容對象的相關鏈接，形成內(nèi)容序列
Ref_CO
Data
10
是
要學習該內(nèi)容對象所需的基礎內(nèi)容對象
Difficulty
Varchar
6
否
定義該內(nèi)容對象的難度
Importance
Data
6
否
級別根據(jù)不同系統(tǒng)自定
Mastery threshold
Varchar
8
否
掌握該內(nèi)容對象的衡量標準
(2)原子內(nèi)容對象格式描述
考慮到教學內(nèi)容的各個環(huán)節(jié)，如：測試、掌握程度等，把它作為一個內(nèi)容對象的組成部分。每個內(nèi)容對象可根據(jù)實際情況擁有全部或部分屬性。
原子內(nèi)容對象格式描述如圖1-1所示
圖1-1 原子內(nèi)容對象內(nèi)容格式模型圖
2．結(jié)構(gòu)層次模型
內(nèi)容對象必須以層次結(jié)構(gòu)的形式來進行設計和制作，達到最大程度的重用。這里，完整的結(jié)構(gòu)層次模型可分為五個層次：素材內(nèi)容，原子內(nèi)容對象，復合內(nèi)容對象，課和課程。它們的層次模式如圖1-2所示。
圖1-2 內(nèi)容對象結(jié)構(gòu)層次模型圖
(1)素材內(nèi)容
主要是指組成學習內(nèi)容對象的原始素材，比如文本內(nèi)容，圖片，表格，聲音，視頻內(nèi)容等等，是整個結(jié)構(gòu)模型的最底層。
(2)原子內(nèi)容對象
它是在素材內(nèi)容的基礎上根據(jù)一定的教學意義把各種素材內(nèi)容集成到一起而形成的內(nèi)容對象。學習者可以根據(jù)自己的需求來選擇ACO來學習，也可以把ACO組合成更大的MCO或課等來學習，保證了學習形式上更大的靈活性。
(3)復合內(nèi)容對象
若干個ACO可以組成更大粒度的MCO。學習者可以選擇MCO單元來整體學習，也可以選擇單個的ACO進行復習或與其它概念比較學習等�？梢园褜W習單元或?qū)W習模塊都看作是MCO，只不過復合的層次不同，或大小粒度不同罷了。MCO不只是僅僅由ACO組成，也可以由MCO和ACO組合而成，可以進行多層的嵌套，這都是根據(jù)學習者的需求來定的。
(4)課
它的概念相當于書本中的一章或一節(jié)的知識內(nèi)容，同樣是由MCO和ACO組成，從某種意義上說課和課程都是MCO，只是學習的目標層次不同，這樣劃分既方便學習者選擇學習內(nèi)容，也有利于內(nèi)容的共享。
(5)課程
課程的范圍更寬一些，相當于一本書或一門課的內(nèi)容，比如“局域網(wǎng)技術和應用”就可以形成一門課程，它有具體的學習目標，測試，評估等等。
3．包裝交換模型
內(nèi)容包裝交換模型的目的是定義一種能夠用來交換學習內(nèi)容的標準數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為學習資源的制作提供標準數(shù)據(jù)綁定的基礎，從而使學習資源可以在不同的創(chuàng)作工具、學習管理系統(tǒng)和運行環(huán)境之間互操作。這個包裝交換模型來自于國內(nèi)的DLTS，其參考模型是IMS的內(nèi)容包裝模型，具體的模型如圖4-3所示。
圖1-3 包裝交換模型
圖中描述的包由兩個主要元素組成：一個特定的XML文件描述了包中內(nèi)容組織和資源以及由XML描述的物理文件。一旦一個包為了傳輸而被合成一個單獨文件時，將會被稱作包交換文件。
一個包代表了一組可單獨使用和可復用的學習內(nèi)容對象。一個包可能是課程的一部分、一個ACO或者MCO，它是可以獨立使用的有意義單元，還可以被組合或分解成其它的包。包必須能夠獨立存在，即它包含了被單獨運行時或復用時需要的所有信息。
包并不一定要求組合成一個包交換文件。一個包不需壓縮成一個單獨文件就可以通過CD或其它可移動媒體發(fā)布。內(nèi)容清單文件和該文件所需要的XML支持文件（DTD，XDR，XSD）必須發(fā)布在媒體的根目錄下。
4．對象導航模型
內(nèi)容對象不是孤立存在的，MCO與MCO之間，ACO與ACO之間，MCO與ACO之間，或者課程、課相互之間都存在著導航關系。只討論MCO與MCO之間，ACO與ACO之間，MCO與ACO之間的導航關系。導航關系是連接與一個學習單元（ACO或MCO）相關的其他學習單元的鏈接關系，導航關系的確定在整個學習過程中具有重要的作用，因為整個學習內(nèi)容的學習過程是以內(nèi)容對象為基礎的，學習者以哪個內(nèi)容對象作為學習的開始，按照知識的掌握程度下一步應該學習哪個內(nèi)容對象，都需要導航關系做出判斷和確定。
1.2基于XML的SCOSM模型描述
1．DTD文檔約束
可以用XML來對內(nèi)容對象的屬性和數(shù)據(jù)進行描述。規(guī)范的XML文檔都必須是格式良好的，下面的DTD文檔用來定義內(nèi)容對象的規(guī)范和保證XML文檔的有效性。
(1)定義MCO的DTD文檔，如圖1-4所示。
圖1-4 定義MCO的DTD文件部分
(2)定義ACO的DTD文檔，如圖1-5所示。
圖1-5 定義ACO的DTD文件部分
2．內(nèi)容交換模型的描述
由dltsmanifest.xml文件來描述內(nèi)容交換模型，它包含了基本的內(nèi)容包裝信息：內(nèi)容對象描述，序列，和內(nèi)容對象文件名。這個文件必須放在內(nèi)容對象目錄的頂層，可以使用任何文本編輯器來讀取和編輯它。
3．實現(xiàn)SCOSM內(nèi)容對象資源庫共享
內(nèi)容對象資源庫，既要為自適應遠程教學系統(tǒng)提供學習內(nèi)容，又要滿足互聯(lián)網(wǎng)上其他用戶的檢索和交換服務，這就必須分別通過發(fā)布引擎和交換引擎來實現(xiàn)，還要求資源庫必須支持XML，同時提供高效率的數(shù)據(jù)管理和檢索服務。進行數(shù)據(jù)交換或者提供給學習者學習的時候，必須按照標準的內(nèi)容包裝信息才可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。流程如圖1-6。
圖1-6 內(nèi)容資源共享流程
在服務器端，由內(nèi)容對象調(diào)用接口來解析來自資源庫的內(nèi)容包裝信息，加載相關內(nèi)容對象，由內(nèi)容對象序列控制來完成內(nèi)容對象的集成、拆分，并完成學習者的內(nèi)容對象序列控制。在客戶端，主要完成內(nèi)容對象的發(fā)布。
2.學習者模型建模
2.1模型的建立
1．學習者模型概述
教學模塊就是根據(jù)學習者模型提供的信息，選擇適合當前學習者的教學內(nèi)容、教學步驟，來實現(xiàn)自適應智能化遠程教學。所以學習者模型是實現(xiàn)自適應智能化遠程學習的核心和關鍵，它是對學習者信息的抽象描述和表示。針對不同的應用需求，學習者模型中所描述的信息有所不同。
學習者模型（Student-Model）是一種表征學習者認知狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是本教學系統(tǒng)進行智能化教學的依據(jù)。依據(jù)教育信息化技術標準委員會（CELTSC）制定的學習者模型規(guī)范，學習者元數(shù)據(jù)由五個部分組成：
(1)學習者基本信息：姓名、ID、密碼、性別、班級、年齡、Email；
(2)學習歷史：課程標號、瀏覽過的URL、登錄次數(shù)、學習時間、教學活動形式；
(3)學習者知識結(jié)構(gòu)：課程編號、知識點編號、各知識點的認知能力情況、知識缺陷和存在問題；
(4)績效信息：各知識點的編號、測試成績；
(5)學習偏好：學習動機、認知策略、社會特征。
2．學習者數(shù)據(jù)的初始化
學習者模型是依據(jù)學習者和系統(tǒng)之間的交互作用及應答歷史而形成的。本課題對學習者模型“基本信息庫”中的個人信息、學習動機、學習策略傾向等靜態(tài)信息在學習者注冊階段，通過表單問答的方式獲得，存儲在學習者基本信息庫中。
注冊成功以后，學習者每次按其ID號登錄進入本系統(tǒng)，不必再填表單。登錄時，學習者可以通過測試，所得的各項數(shù)據(jù)信息，經(jīng)計算后得到認知能力的“初始估計值”（值域為0—1），系統(tǒng)將根據(jù)這個值推薦學習內(nèi)容。
3．學習者模型的生成與動態(tài)更新。
課程的用戶都是注冊的用戶，用戶第一次進入課程學習的時候要進行入門測試，獲得用戶的初始知識狀態(tài)和他的某些學習風格，進入課程學習后，用戶與系統(tǒng)的交互信息被記錄下來用以對用戶模型進行維護。主要的用戶交互信息記錄有：對學習單元的訪問時間與次數(shù)和單元練習記錄情況。為了能夠及時反映學習者知識能力和技能狀態(tài)的變化，可以從服務器端、客戶端和代理端跟蹤、采集個體在學習過程中產(chǎn)生的學習行為數(shù)據(jù)。這些“學程信息”經(jīng)記錄和模糊評價后，分別存儲在學習者模型庫數(shù)據(jù)庫中。其中的學習者知識結(jié)構(gòu)庫、學習績效庫中的數(shù)據(jù)，可以清晰地記錄和評價學習者學習的進步。
本文采用“測試→評價→調(diào)整”的方法來實現(xiàn)學習者模型的動態(tài)修改，逐步逼近地實現(xiàn)學習者模型。
2.2模型的結(jié)構(gòu)
�。保畬W習者模型的結(jié)構(gòu)
從信息處理的角度看，學習者建模的實質(zhì)是分析和處理學習者的相關信息，包括模型表示和模型診斷兩個方面。模型中的信息流如圖2-1所示。
圖2-1 學習者模型的結(jié)構(gòu)
學習者模型表示的方法與所學領域知識緊密相關。根據(jù)模型表示的信息與領域知識的關聯(lián)程度，可分為領域相關信息和領域無關信息兩種。在實際的自適應教學系統(tǒng)中，學習者模型的信息表示方法可分為定量描述和定性描述兩類。
定量描述方法量化學習者的學習行為和認知狀態(tài)，定性描述則只能給出說明性的信息描述詞句，這樣能夠較好地向用戶輸出，但具有模糊性。
3教學模型
教學模塊的作用是模擬人類教師的行為，把領域知識以恰當?shù)姆绞絺魇诮o學習者。在智能教學系統(tǒng)中，教學模塊根據(jù)學習者模型中反映出的學習者的實際情況，選擇合適的知識傳授給學習者，監(jiān)督并評價學習者的行為，應學習者的請求提供幫助和選擇糾正辦法。
教學模塊中的教學方法稱為教學策略。智能教學系統(tǒng)中所采用的教學策略主要有以下幾種：
1．診斷式教學策略
大多數(shù)智能教學系統(tǒng)采用了這種方法，其教學形式是：系統(tǒng)提出學習任務，對學習者的響應作出評價，并糾正學習者理解上的錯誤。
2．模擬環(huán)境式教學策略
這種方式為學習者提供一個學習環(huán)境，由學習者自己去試驗、探索，在不斷的嘗試中學習新知識，是一種反應式的方法，它鼓勵學習者糾正自身的知識錯誤。模擬環(huán)境的教學方法增加了學習者參與的機會，會極大激發(fā)學習者的學習興趣，但是它要求學習者對基本的領域知識已有所了解。
3．蘇格拉底式教學策略
這種教學法以問答方式問學習者問題，它鼓勵學習者推理自己懂得的東西，并借此修正學習者的概念，達到教學目的。蘇格拉底法教學特別適合于教復雜的課題，在這些課題中各種因素交互作用，并且根據(jù)所研究的現(xiàn)象互相對話。
本系統(tǒng)教學模塊采用了幾種策略的混合，如診斷式、模擬環(huán)境式、蘇格拉底式教學策略的混合使用。
4.小結(jié)
本論文主要介紹SCOSM模型、學習者模型和教學模型的建立，以實現(xiàn)資源共享的自適應教學，在學習對象思想的基礎上，結(jié)合XML語言的應用，提出可共享的學習內(nèi)容對象結(jié)構(gòu)模型，是為了解決如何把利用面向?qū)ο蟮乃枷敫吨T到創(chuàng)建學習資源的實踐中。
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