面向个性化教学流程的虚拟学习环境模型研究*

闻立鹏，钱福东，邱飞岳

（浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江 杭州 310014）

面向个性化教学流程的虚拟学习环境模型研究*

闻立鹏，钱福东，邱飞岳

（浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江 杭州 310014）

本文描述了实际教学过程中教师与学生的个性化需求，分析了当前国内外开发的用于个性化教学的虚拟学习环境的模型和功能及其优、缺点。然后基于计算机语义网络和本体论的理论和技术，创建了一个虚拟学习环境模型以更好地支持教育者与学习者在创建和执行教学流程时所出现的各种需求，并对此模型进行了实验。

个性化教学；虚拟学习环境模型；语义网络；本体论

一、引言

在实际教学过程中，不同的学习者往往会有不同的知识背景、学习目的、学习内容、学习时间、学习速度、对知识的掌握程度、学习和考试的结果等。另一方面，不同的教师针对不同的学习者会采用不同的教学内容、教学进度等。所有这些实际需求决定了教学流程的个性化特征。虚拟学习环境（Virtual Learning Environments，简称VLEs）是一种基于网络的教育学习环境，其目的是在虚拟世界中模拟和改善现有的教学机制，如在网络中支持各种各样的教学目标、对象、流程和内容，并根据教师和学生的要求对它们进行集成和控制，即教学流程的个性化创建和执行。[1][2]本文力求对现有的虚拟学习环境模型进行归纳和改良，以使教师和学生的个性化教学需求得到更有力的支撑，从而更有效地帮助学习者理解和运用各种知识和技能，以进一步优化教学效率。

二、国内外研究现状分析

国内外专家已经设计实现了众多虚拟学习环境模型，并在实践中不断地改进。它们使用方便并提供了一系列教学工具，在一定程度上满足了教学双方的需求。[3]现将部分虚拟学习环境的功能进行比较，如表所示。

我国在虚拟学习环境方面的研究已取得显著成果。例如，中国科学院计算技术研究所智能信息处理重点实验室与云南师范大学计算机中心等部门联合研发了一个基于Web的教学系统形式化模型。[3]该模型采用本体理论和技术（Ontology）来描绘领域知识的各项属性，从而提高了教学资源的重用和共享程度。

国外在虚拟学习环境方面的研究已经过多年的持续发展，目前已有众多虚拟学习平台被开发和应用，并得到了作为使用方的院校、企业和其他组织的好评。例如，澳大利亚麦考瑞大学的麦考瑞杰卓越电子学习中心等单位开发出来的一个基于Java的学习软件:学习活动管理系统 （LAMS，Learning Activity Management System）。 目前，该系统已经在美国、英国、德国、阿根廷、澳大利亚、新西兰等很多国家的大学及中学中广泛应用。

现有虚拟学习环境存在一些缺点与不足。通过详细分析国内外一系列虚拟学习环境模型，笔者发现现有虚拟学习环境能够在创建教学流程中支持一些个性化需求，如学习单元选择、学习小组创建、学习顺序确定和学习单元删除等，但是支持的程度还存在较大不足且确定学习单元执行条件和学习单元上锁/解锁等功能尚未实现。创建教学流程所涉及的一系列功能应被视为一个整体，只有支持所有这些功能才能高效实现个性化创建教学流程。只支持部分功能或是对某一功能的简单支持都会降低教师和学生个性化教与学的能力。教师和学生不能根据各自的情况来协商确定学习单元的执行条件，同时教师也不能通过上锁/解锁功能来有效地控制学习顺序以及相应的执行条件，这将影响教师和学生的教学积极性，大幅降低教与学的效率。

另一方面，现有的虚拟学习环境不能在执行过程中支持删除学习单元、重修指定学习单元、增加学习单元、重新确定执行条件、重新确定学习顺序、重新确定指导教师和学习单元上锁/解锁等功能。由此教师不能根据实际教学情况灵活改变教学内容和控制教学进程；学生不能根据执行过程中自身新出现的情况来灵活调整相关教学流程。

表 虚拟学习环境所支持的功能一览

三、个性化虚拟学习环境模型设计

针对教育者和学习者两种对象，以及创建教学过程和执行教学流程两个阶段，通过深入分析两种对象在两个阶段的个性化需求，创建如图1所示的虚拟学习环境模型。

1.创建教学流程

课程选择：显示课程信息，提供各种课程让学习者按照相关教学要求及自身需求选择。

确定指导教师：根据所显示的教师信息、学生的自身需求以及教师的实际情况，学习者和教育者协商确定教师人选。

选择学习单元：在教师的指导下，学习者根据教学的要求以及自身知识水平来确定相关学习单元。

确定学习顺序：学习者根据教学的要求、自身知识水平和学习习惯等，与教师协商确定学习顺序。

确定学习单元执行条件：教师根据教学大纲的要求、学生的知识水平、学习能力和学生的个人意见等情况，确定每一个学习单元的执行条件。

学习单元上锁/解锁：教师对学习单元进行上锁和解锁，以确保学生满足相关学习单元执行条件，从而高效地完成既定的教学计划。

组建学习小组：学习小组是学习的基本单位，小组成员可以通过协作共同提高学习效率。学习者在教师的指导下，通过相互之间的协商加入已有学习小组或组建新的学习小组。

删除学习单元：教师和学生通过协商删除某些学习单元，以达到优化教学内容的目的。

2.执行教学流程

删除学习单元：根据学习者和教育者在执行教学流程中出现的新情况，教师和学生通过协商来删除相关学习单元。

增加学习单元：在实际执行教学流程中，根据教师对学生实际学习情况的判断以及学生自身所出现的新的实际需求，教育者与学习者协商确定增加新的学习单元。

重建学习小组：在共同学习一段时间后，部分小组成员可能会因为各种原因请求与某个或一些学习者分开，学习者和教育者可以协商确定建立新的学习小组，也可把相关学习者转入其他已有的学习小组。

重新确定指导教师：在教学执行过程中，部分学习者可能会出现要求更换指导教师的情况，教师也可能由于某些原因不便再指导这名或这些学生。在此情况下，教师与学生可以通过协商，来重新确定相关指导教师。

重修指定学习单元：在学生没有达到教学目标，不能通过考试等情况下，教师可以通过上锁/解锁功能让其重学某个或某些单元的知识，以达到相关教学要求。

重新确定执行条件：根据教育者和学习者所出现的新情况和新要求，教师和学生协商确定某些学习单元新的执行条件。

重新确定学习顺序：通过一段时间的学习，已有的学习顺序可能不能适应学生个人学习情况的变化，教学流程也可能由于添加或删除某些学习单元而需重新设置学习顺序，教师和学生可通过协商改变原有的学习顺序。

学习单元上锁/解锁：根据教学流程执行过程中，教育者和学习者所出现的新情况，如学习单元、学习顺序、执行条件的变化，教师需要重新对相关学习单元进行上锁和解锁控制。

3.数据存储

语义本体库：语义网络使用XML来定义定制的文档标签格式以及用RDF的灵活性来表达数据，并用本体的网络语言OWL来描述文档中的术语的相关语义信息和它们之间的关系。语义本体库存储了以上文本信息，以及所形成的框架语义信息、本体框架结构、本体关系、查询公式和本体匹配规则等，并最终通过它们完成信息更新，推理和描述。

实体信息库：可以存储和更新学习者、指导教师、学习单元及控制信息、学习顺序和学习小组等各个部分的具体数据，以供系统提取使用。如学习单元实体信息库，该库存储了学习单元的名称、来源、知识点内容、控制信息、创建时间和创建人等具体信息。

四、系统实现

首先，学生A注册登录虚拟学习环境系统，以“Java程序设计教程”第六章为例，开始创建个性化教学流程：

第一步，点击课程选择按钮，系统自动显示课程列表。单击课程对象，学生可以在信息显示栏查看相关课程信息，点击选择要求学习的课程“Java程序设计教程”。

第二步，点击确定指导教师按钮，系统自动显示教师列表，单击教师对象后可以在信息栏查看教师信息以进行选择。在教师登录确定同意后，双方正式确定指导教师和学习者的关系；若教师不同意，则学生将重新选择。

第三步，在确定了指导教师A后，学生和教师通过协商确定需要学习的学习单元（LearningUnit，下文简称LU）。通过E-mail通信，学生提出“LU1面向对象技术的编程特点”的知识已经掌握，教师考察同意后LU1不被选入。点击选择学习单元按钮，选择LU2至LU8共七个学习单元作为学习对象。

第四步，指导教师和学生协商确定LU的学习顺序。在LU的创建中，创建者已经考虑该章学习的一般流程，即从LU1到LU8的学习顺序。指导教师和学生通过在线聊天工具讨论后发现该流程也适合本次学习，于是决定按一般学习顺序进行学习，结果如图2所示。

第五步，教师在考虑学生的情况和意见后，根据大纲要求和实际情况确定LU执行的条件。该门课作为学生的专业课学习，学生必须熟练掌握知识方可进行下一个LU的学习。单击LU，教师在信息栏中输入执行条件完成设置。

第六步，教师要控制教学流程按计划进行，需要对流程所包括的LU上锁。只有在教师确认相关条件满足时（如较好完成了前几个LU），才会打开下一个LU。点击学习单元上锁/解锁按钮，然后单击对应的LU，在信息栏中完成上锁和解锁设置。

第七步，在指导教师的推荐和建议下，学生和学生之间协商组建学习小组，或加入已有的学习小组，以便进行小组学习。点击组建学习小组按钮，已有学习小组的信息将在界面上显示。单击小组对象，可以在信息栏中查看小组信息，然后通过E-mail和留言板与小组创建者通信，请求加入。若小组创建者同意，则加入小组；不同意，则重新进行选择。另外，也可以单击创建学习小组按钮，给学习者发送E-mail，邀请他们加入小组共同学习。

在创建过程中，教师和学生可以协商确定删除某些LU，优化调整后最终完成教学流程的创建。

在执行教学流程过程中，教育者和学习者根据自身情况的变化，会产生新的需求，相关情况描述如下：

在课余时间，学习者通过自学掌握了LU4，发送E-mail与指导教师沟通并由教师考察通过后，决定删除LU4。单击LU4，再点击垃圾桶，即可删除。

在完成前两个单元的学习后，教师发现学生并没有熟练掌握这两个单元的知识，于是决定增加一个练习单元在LU3之后。单击增加学习单元按钮，选择LU9练习单元。点击确定后，练习单元出现在教学流程中，拖放在LU3后增加LU就完成了，结果如图3所示。

在完成LU4后，教师和学生发现对方的教学方法和学习方法并不能很好地配合，学习效果不够理想。双方通过E-mail交流后决定由学生通过重新确定指导教师功能，重新选择新的指导教师进行其余LU的学习。新的指导教师与学生进行在线交流讨论，决定改变学习的顺序，交换LU5与LU6的位置，并重新设置各个LU的执行条件。点击重新确定学习顺序按钮，拖动两个LU交换位置，完成箭头的指向。然后点击重新确定执行条件按钮，单击LU，在相应的信息栏中修改执行条件。

在执行过程中，学习者完成了LU5的学习后，教师发现学生其实并没有很好地掌握LU3的知识。通过点击重修指定学习单元按钮，给LU9和LU5上锁，让其重新进行LU3的学习。

学习过程中，若学习者之间出现矛盾或不能很好地协作学习，通过E-mail通信获得指导教师同意后，学习者可以要求退组并重新组建学习小组。点击重建学习小组按钮，单击退出小组按钮后可以组建新的小组或加入别的小组。

五、结束语

如何最大程度地支持个性化教与学是教育技术学研究的前沿热点之一。现有的虚拟学习环境在满足教师和学生的个性化需求方面存在较大不足，从而难以支持用户灵活地设计和执行符合自身情况的教学流程。鉴于此，本文对如何个性化地创建教学流程及其执行过程中的个性化控制给出了一个解决方案，在一定程度上满足了教育者和学习者的实际需求。当然，我们的研究工作还存在一些不足。例如，在这个模型中教师的任务繁重而教师资源是有限的，如何用人工智能的理论和技术来帮助教师高效地完成相关工作将作为今后研究的一个主要课题。

[1]Yufang Cheng,Jun Yea.Exploring the social competence of students with autism spectrum conditions in a collaborative virtual learning environment-The pilot study[J].Computers&Education,2010,54（4）:1068-1077.

[2]LipengWen,ChrisJesshope.AGeneralLearningManagement System Based on Schema-Driven Methodology[A];Proceedings of the4th IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies[C].Joensuu,Finland,2004:633-635.

[3]李志平,刘敏昆,孙瑜.基于Web的智能教学系统研究[J].计算机工程与应用,2006（2）:208-210.

（编辑：杨馥红）

G434

A

1673-8454（2010）19-0063-04

*本课题是浙江省教育科学规划研究课题（项目编号：SCG22），并受2009年浙江省教育厅科研项目资助（项目编号：Y200908675）。