个性化学习工具设计及应用研究

潘征宇，钟绍春，钟永江，张语函

(1.东北师范大学 理想信息技术研究院，吉林 长春 130000；2.东北师范大学 教育部数字化学习支撑技术工程研究中心，吉林 长春 130000)

个性化学习工具设计及应用研究

潘征宇1，钟绍春2，钟永江1，张语函1

(1.东北师范大学 理想信息技术研究院，吉林 长春 130000；2.东北师范大学 教育部数字化学习支撑技术工程研究中心，吉林 长春 130000)

在智慧教育的视角下，本文对目前教学活动中普遍存在的本质问题进行深入剖析，系统研究了如何让学生主动学习、个性化学习、尽可能以归纳方式学习等的途径与方法，分析了按照智慧教育开展个性化学习所需要的学习环境和支撑工具，并对个性化学习工具进行设计及应用研究。

智慧教育；个性化学习；探究学习工具

一、引言

随着信息技术在教学领域中的发展，学习空间得到拓展，学习手段不断更新，学习内容形式也更加丰富。在这种形势下，利用信息技术能够促进学生自主化、个性化学习，培养学生协作能力、创新精神，实现了教育教学资源的共享。个性化学习作为一种新的学习方式，适应了新课改的要求，为促进学生的全面发展提供了新的尝试，也为信息技术与教育教学的深度融合创造了条件。在融合的过程中，个性化学习支撑环境和支撑工具应运而生，利用探究学习工具进行教学活动，也将成为一种最有效的学习方式[1]。

二、个性化学习工具瓶颈问题及破解思路

(一)个性化学习工具的问题

1.技术主要作为老师传递知识的工具，而非学生的学习工具

信息技术目前在课堂教学中的应用形态，是以教师的教具为主，用以支撑老师的“教”，而并不是作为学生的学具，支撑学生的“学”。学生主要跟随老师的步调进行学习，这种情况高达90%以上，因此很难发挥学生的主动性和积极性。

2.资源形态不符合学生个性需求

当前现有的教学资源很少或质量不高，大多数资源是教材内容的电子化，而且以图片居多，因此整体显得陈旧、静态、枯燥、僵化，而且很难重复利用与修改，这样的资源和素材很难满足学生的个性需要。

3.技术应用过于整齐化、同一化

虽然很多老师在课堂上应用信息技术，但是这种应用主要是在班级教学，全班统一进度、统一内容、整齐划一的，因此几乎不考虑学生的个性化特点，也很难实施分层次教学和个性化学习。

4.技术应用过于预设化、顺序化

目前老师在教学过程中应用信息技术，主要是以PPT等课件为主要载体，根据需要插入动画、图片等资源，这些资源大多数是静态的，而PPT要讲授的内容和顺序也是老师提前安排好的，所以课堂基本是按照预习的过程发生，对学生个体需求关注不足[2]。

(二)个性化学习工具的破解思路

当前，在教学中应用信息技术支撑教学创新、提高教学质量和效率遇到最大的障碍是个性化学习工具制作的困难。虽然现在已经有了多种类型的教学资源库，但是教学资源库中的资源绝大多数为文本、图片、影视类等资料，而对于教学中最需要的个性化交互软件普遍匮乏，即便有多数也是按照教师自己所设定的教学思路制作的，很难通用。对教师而言，制作个性化学习软件最大的障碍主要是图形、图表、公式、符号的编辑，可交互探究环境支撑软件的制作等，而这些困难单纯通过资源库是无法解决的。

学习工具应针对师生的教育教学活动，侧重于教学方法的创新和学习活动的组织上，而不是把过多的精力投入到构建教学环境中去。应能够根据学科共性、基础性知识点的需要，为师生提供大量学科素材和基础性的教学支撑工具[3]。同时，依据学科原理建立知识点的模型，以共性规律为基准，同时以参数化设置个性化学习内容，形成专项内容学习工具，教师就可以如同搭积木一样简单操作就很容易构建、集成出交互式个性化教学课件，有效解决教师开发教学软件的困难；提供给学生个性化学习工具进行知识获取、训练提升、学习数据统计分析，以实现教师有效备课、组织课堂教学活动、对学生进行监控与评价，为学生在学习过程中能够有效开展自主学习、探究学习、训练与测试等提供有效支撑[4]。

三、个性化学习工具设计研究

很多地方在新课改的形势下，虽然提供了多媒体教学环境让学生自己学，教师也在利用教学工具软件进行教学活动，可是结果考试效果有时还不如原来的讲授式。如果把让学生自己学这件事仅仅是停留在书本基础知识上，而在解决问题的方法体系上根本没做，也没讲，尽管做了形式上的调整，但学生的能力培养以及考试成绩也还是不行的，甚至不如老师讲授式的效果好。所以，所期望的自主、个性化教学环境，一定是两个层次都做到，才真正能让学生聪明起来，智慧起来，形成综合能力。需要构建各种学习环境的资源和软件，为老师提供具有丰富资源的任务库、问题库，为学生提供发现与构想的环境、支持应用的环境、梳理知识体系的环境[5]。

(一)个性化学习工具设计原则

1.个性化原则

个性化学习作为一种信息时代的新型学习方式，既是教育活动中信息技术的功能体现，也是学习方式在新课改发展进程中的深入的、适应性的调整或改革。信息技术在对教学内容、教学方式等的重组中，也必然对教师的教法和学生的学法等产生影响，带动教育观念的变化，从而引发学习的根本性变化。个性化学习打破固有的学习内容、学习目标、学习方式的统一性，提供给学生个性的展示、养成、发展的空间，在时空上、内容上、形式上、手段上揭示了相对于传统学习方式的优势。

(1)学习不再受时空的约束，学生学习的时间、空间、学习进度等不再受限制，学生可以根据自身情况自主选择；

(2)利用信息技术，通过搜索网络空间、教学平台、教学工具、资源网站中的资源进行学习，获取的信息量远高于传统的课堂学习，学习的深度广度大大提高；

(3)学生可以选择不同形式进行学习，可以选择课堂实录或者微课等视频，可以利用学科平台推送的优质课件，学习工具进行自主学习，还可以通过互动平台进行师生、生生间的交流、协作、共享；

(4)信息技术能够提供满足学生学习需求的一切手段，可以提供学生学习新知时的问题任务驱动工具，可以提供学生学习过程中的监控检测和评价，可以提供学生学完知识后的知识梳理工具和考试系统等。

2.任务性原则

要想让学生主动学习，就是要有问题驱动，有值得让学生思考和研究的问题或完成的任务。要按照能力培养的要求，依据基本知识和解决问题的方法体系设计问题或任务，充分考虑学生兴趣、认知水平、知识水平分类、分层次设计问题或任务。但是常规条件下给学生多类别、多层次任务是不现实的，唯一的办法就是用信息技术手段，把每一类问题物化出来，呈现出来放在空间上供学生选择。

3.智能性原则

计算机软件遵循严密的运算规律和逻辑方法，为智能性设计提供了坚强的技术基础，因此在学习工具设计时，要能够根据学习者学习状态的个性化输入进行自动生成学习内容，并能记录学习者的学习状态；通过测试检验学生学习效果，并根据数据统计分析学生现有学习水平，同时自动推送提升方案与学习资源等。

(二)个性化学习工具设计依据

1.学科视角依据：学科内容是实现教学目标的知识载体，新课标要求学生了解知识的发生、发展过程，能够利用知识进行实际应用。对于大多数学生来说，很难独立完成学科内容的学习，而学科内容的重难点是一节课的重要所在，相应的作为教学过程中的重要教学环节，常规教学手段难以支撑它的实施，难以保证教学效率效果，而在学科教学过程中引入信息技术则能够有效解决此问题。学科内容包含的每类知识的学习方式有所不同，其相应能力形成的方法也有很大差异，根据不同类型学科内容的教学特点，对教学内容进行系统分类，研究每种类型内容的有效的教学过程，有针对性地设计不同的任务驱动问题和知识获取方式。以信息技术作为支撑环境对学科内容进行梳理分析，将学科内容系统地划分为不同类型的基本知识点，以知识点为基础，建立各部分知识点之间的内在联系，对比辨析相似易混的知识点，揭示知识的本质内涵，理清知识的延伸拓展，展现知识的特征意义。以分类知识点作为要素构成的学科内容，就没有教材版本的约束，可以根据不同学生各自的实际需求进行灵活调整。在学习的各个环节对相关知识点进行合理的分配重组，形成符合学生认知水平、个性特征的知识结构体系，再根据学科内容的特点选择适合的教学策略和学习工具[6]。

2.学习方式视角依据：在学习过程中，对于学生学习活动的设计应遵循学生的认知基础、认知规律，不但涉及到知识体系的完整性和具体学科内容的特殊性，而且涉及到每个学生的具体情况，过程中还包含各种学习策略和学习方法的运用。因此，个性化学习方式不是一成不变的。选择适合的学习方式才能使学习效果达到最好，这就需要分析学习过程中的各个环节、步骤、流程。在信息技术对学习过程中各个环节的支撑下，教师和学生就可以不受教学条件及个人信息化水平的限制，从而有效完成整个学习流程。信息技术为学生提供丰富的有助于知识还原、教学内容呈现及符合教学实际需要的多媒体素材(如数学现象的呈现可以运用图像绘制工具、视频、动画；数学概念和定理的分析理解可以运用文本、音视频；数学思想方法的总结可以运用文本、音视频等)。通过鲜明生动的演示，引导学生进行分析推理、对比探究、抽象概括，经历从感性到理性、具体到抽象的过程。设计个性化测试训练，让学生从理解到应用，拓展综合能力。设计学习监控评价环节，能够记录学生的学习情况，分析教学成果，并为学生提供知识梳理环境，提供能够创造和谐有趣的学习环境，调动学生学习的积极性和创造性，提高学习效率效果。

3.技术视角依据：(1)还原与形象化。信息技术的一个主要作用是能够把知识还原和形象化。对于日常生活中比较常见的内容，主要采取图片、视频、音频方式呈现；而在日常生活中不易见到或者不可见的内容，则可以采取动画演示、虚拟仿真等方式呈现；(2)操作模拟。人们学习知识最终要转化成能力，要充分发挥信息技术的操作模拟功能，为自主学习知识以及操作训练、能力培养等提供支持。讲解一些重要公式定理可以采取动画展示、交互虚拟仿真等方式；培养操作能力、探究知识内容可以采取学习工具操作、交互虚拟仿真方式；(3)体系建立。采取建立问题驱动式学习环境方式，帮助学生深化知识、建立体系。为学生以问题为主线，分别提供问题情景、知识学习、测试训练和知识拓展等相关体系化知识；(4)学生间、师生间协作交流。利用信息技术的仿真交互性，采取基于学科虚拟平台、学科平台、视频会议技术建立支撑环境，使教师和学生能够进行音频和视频等的交流；(5)资料检索。在学习过程中主要依据应用建立学习资源序，采取资料建序方式建立学科资料库，设计资源搜索引擎。实现资料的快速检索、拓展延伸，主要包括库和专题网站；(6)测试与诊断。实现基于虚拟平台实现训练与诊断，利用数据库技术建立各种错误分类及特征虚拟仿真库，建立可能的错误操作流程虚拟库，建立可监控操作过程的环境、实现智能推送资源的方式，建立个性化训练测试环境，为实时测评提供支持；(7)情景创设。情景的创设和营造是信息技术的优势之一，可以把知识内容还原为现实问题，把问题的场景再现，帮助学生理解和应用知识。对于比较容易展示的真实场景可以通过视频、音频、图片、动画等方式完成；对于不易展示的场景或无法再现的场景、微观或宏观的场景可以采取模拟方式实现。

(三)个性化学习工具主要功能模块

个性化学习工具的主要功能设计要遵循智慧学习模型，如图1所示。

图1 智慧学习模型

1.问题与任务工具

让学生主动学习，就要有问题或任务的驱动，有值得让学生思考和研究的问题或完成的任务。设计问题、任务的原则，要按照能力培养的要求，依据基本知识和解决问题的方法体系设计问题或任务，充分考虑学生兴趣、认知水平、知识水平分类、分层次设计问题或任务。但是常规条件下给学生多类别、多层次任务是不现实的，唯一的办法就是用多媒体方式，把每一类问题物化出来，呈现出来放在空间上，让孩子有选择，这就是解决办法。对信息技术的需求也是很清楚的。要做问题库，解决问题或完成任务原有知识不够，本节课知识加进去正好够，这就是基本原则。让学生会思考、会创造、变聪明、有智慧，关键是要有能培养学生会发现、会创造，聪明起来的教学模型和支撑环境[7]。

2.知识获取工具

知识主要有三种获得方式：一种是听讲接受式；第二种是自主获取式；第三种是自己解决问题过程中自己归纳、总结出知识，即探究式[8]。老师讲授也分为三种形式：第一种是结果讲授式，直接讲授知识是什么；第二种是来龙去脉讲授式，为什么要学这个知识，学这个知识能解决什么问题，然后再把知识讲出来；第三种是智慧讲授式，老师不直接讲知识，设置问题让学生自己探究、总结。目前学校绝大多数教师都采用结果讲授式。这么多年来，结果讲授式只需要黑板、粉笔就够了，对多媒体的需求仅仅是方便，提高了效率，没有多大的必要性。来龙去脉讲授式需要大量资料，需要与信息技术结合。学生把知识探究出来，没有信息技术做手段根本很难实现。

为了能够有效提高学生的自主探究能力和创新思维能力，要让学生在同一个知识点上选择不同的适合自己的获取方式——接受式、获取式、探究式，真正做到因材施教、有教无类。听讲接受的学习方式是最直接最有效的知识获取方式之一，因此，个性化学习工具设计必须要体现个性化听讲接受的知识获取方式。在设计中要尽量针对独立的知识内容片段提供微课视频资源来帮助学生实现个性化听讲。通过翻转学习、碎片化学习使学生听讲的个性化，满足学生在任意时间和地点对任何内容的听讲[9]。

教材呈现的任何知识内容，都是现实世界的符号化反映，学生理解起来非常困难，为了帮助学生更好的理解所学知识内容，就要尽量提供还原知识再现的环境，从不同侧面、不同类型给出不同程度的丰富的知识理解内容，学生在学习中才能根据自己的喜好和学习程度选择适合自己的学习案例，从而帮助学生进行个性化知识理解。

3.个性化测试与训练工具

在知识获取之后需要针对学生进行测试与训练。学生天天做试卷，无论哪一类的学生都很厌烦，所以测试要在“重质不重量”的同时做到满足个性化测试。笔者认为最有效的测试是学生的成绩在中上水平(百分制70-90分，一百五十分制在95-135分)，成绩太高没有提高的余地，成绩太低让学生失去信心，一张卷子是做不到让每个学生都得到有效测试的。要为学生提供适合的测试，成绩在中上水平，让他拥有自信，还能够发现不足，这才是有效的测试，即个性化测试，这需要借助信息化手段的介入才能做到。同时，不同的学生适合不同的知识获得方式，为学生推送的学习资源也应该是不一样的，要有满足学生个性化需求的学习资源。

为了提高学生的学习效率，就要能够有针对性地为每个学生提供个性化的学习内容，因此工具必须对学习内容进行分类，并对内容难易程度进行划分，对每个知识点建立掌握程度的需求模板，学生在进行内容学习时，将学习结果写入相应知识点的需求模板中，每个学习者都有自己个性化的学习档案，系统可以根据学习者的学习档案进行有针对性的训练和测试，保证测试的个性化才能够诊断出每个学习者的学习状况和学习程度，并根据学习者的学习程度，进一步给出知识体系梳理的学习内容和个性化提升的学习方案。

4.知识体系梳理工具

学生在整个学习过程中，必须形成一套自己比较成熟的学习方法。学习方法有很多，知识的系统化是最根本、最重要的方法，是各种方法的统帅；其它的学习方法只有在它的统领下才能充分发挥作用。知识的系统化几乎可以应用到所有的学科，并对提高和稳定学习成绩起到关键性的作用。以后完成各种工作任务也需要“系统化”的思维方式。 在今后的学习和工作中，可以在知识系统化这一成功实践的基础上，举一反三、活学活用、触类旁通。因此，在个性化工具设计时就要能够帮助学生对知识内容的结构、关系等进行梳理，全面理解知识的自身规律。

要帮助学生梳理学科知识解决问题方法体系的个性化的理解，帮助其形成个性化的体系；要帮助学生了解自己的学习程度，哪里会，哪里不会，找出薄弱环节，随时可以复习。传统手段做不到，可以借助网络学习空间，借助信息技术，提供给学生的资源中包含所学内容的相关知识体系，以树状目录形式呈现给学生，其中包含不同版本、不同难度、不同类型的知识点、背景知识、相关联知识以及典型例题等。知识的梳理既能利用工具自动生成，也可以学生手动寻找，寻找的手段与利用搜索引擎相同，让学生在做中学，尽可能用探索的方式学习，这才是真正的智慧教育。

以上功能模块，前两种工具可以针对单一知识点或某一类知识内容，后两种工具一般是针对某一教学内容的，也可以是阶段性内容。另外，还新增拓展提升工具，通过资源库的智能推送功能供学生自主选择，从而拓展学生对知识掌握的深度广度，提升学生认知水平，如图2所示。

图2 工具模块结构

(四)个性化学习工具应用效果分析

个性化学习工具适用于教师课堂授课、集体备课、学生自学、学生辅助学习等，而不只限制于教师授课用，学生利用个性化学习工具进行学习，加深了对知识的理解，大大提高学习效率。为了验证工具在学生进行个性化学习中的作用，在实验校中进行了两轮实验，一次在平行班级，一次在实验班级，学生人数共120人，通过对学生采用调查问卷的形式，针对高中数学个性化学习工具与常规教学对比以及融合教学的效果等多方面的问题设计了测试与评价，统计分析结果如下表所示。

个性化学习工具应用满意度调查表

通过测试分析，我们可以看到，从不同的侧面提出问题，都可以肯定高中数学个性化学习工具的正面效果和对提高教学质量的重大作用：

1.从学科特点的角度来看，在常规教学中对学生来说在常规教学方法下的数学学习过程中所获得的乐趣绝对逊色于学习物理、化学、生物等学科，数学课更多的感受和体验可能是抽象、单调、枯燥、繁琐。但高中数学个性化学习工具软件在数学教学活动中的介入，明显地改善了这种状况，它所彰显的强大功能和神奇魅力，必将催发出学生强烈的好奇心和求知欲，有利于促进和提升学生学习数学的兴趣和激情[10]。

2.从工具软件的操作流程来看，完全符合教材内容，遵循本节课讲授的教学规律，学生在操作过程中，很容易形成学习习惯，提高数形结合能力。工具软件的属性栏中按钮排列从上到下，标签从左到右，在前一步操作未完成前，后续按钮无法被激活，在主界面图示呈现后，属性栏辅助选项才能继续操作。

3.从软件使用情况来看，按钮简单且布局合理，方便师生操作，并能使师生迅速掌握本工具软件的操作方法；数据录入后图示区响应快速，师生在使用阶段无需等待；软件计算作图精确，可以绘制标准的点线区域等图形图像，数学形式显示标准规范；计算功能精确并且人性化，可以根据不同需要进行调整。本工具软件最大的优势还在于它是开放的，深入的，师生在应用时，可以随时调整图示区任何部分，也可以在按钮区进行任何操作，随时修改相关函数的系数、符号等。在不断修改的过程中，一道问题变成了一类或几类问题，每一次更改，会加深一次对知识点的理解，每一次变化，都让学生更加灵活地认识和掌握规律，而且即使操作错误还会有帮助提示，软件会在一定程度上引导学生进行正确的操作[11]。支撑工具融合后对高中数学中绘制图像方面问题的解决效果尤为明显。

四、结语

学生的个性化自主探究学习需要有适合的支撑环境，也就是学习资源与工具软件的深度融合，是否能够受到师生的欢迎，是否能够提高教学效率效果，关键在于工具软件的呈现形式、功能操作难易度、软件的速度与精确度、内容的合理性等，而最重要的一点是能够有效提高学生学习兴趣，提高学生创新思维能力。当前个性化学习方面已初步有了一定的成果，在未来发展过程中，无论从技术层面还是从需求层面看，都要以体现素质教育、创新能力培养为总目标，多元化、智能化、个性化必将成为未来发展的主要方向。

[1]教技[2012]5号文件,教育部关于印发《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》的通知[Z].

[2]吴华,马东艳.美国信息技术与数学课程整合的研究与启示[J].电化教育研究,2008,(4):73-76.

[3]钟绍春,钟世军,王伟,钟永江.关于深入推进基础教育信息化的思考[J].中小学信息技术教育,2009,(10):106-110.

[4]王燕玲,李广伦,张瑞玲.一种交互式关系代数学习工具设计[J].实验技术与管理,2014,(2):96-99.

[5]简婕,解月光.试论学习环境及其数字化——一种教学论的视角[J].中国电化教育,2011,(2):14-18.

[6]宗晓芳.构建数学模型追求有效课堂[J].教书育人:教师新概念,2014,(1):59-60.

[7]林育曼.任务驱动法在程序设计课程教学中的问题及对策[J].中国信息技术教育,2010,(18):12-13.

[8]赵昕.从获得知识到拥有智慧——探究式学习方式的探索与实践[J].中国数学教育:高中版,2010,(1):30-34.

[9]梁乐明,梁锦明.从资源建设到应用:微课程的现状与趋势[J].中国电化教育,2013,(8):71-76.

[10]穆肃,郭鑫.学习工具发展的“风向标”——基于对2012年TOP100学习工具变化趋势分析[J].现代远程教育研究,2014,(1):42-48.

[11]Gabriela Trindade Perry. A case study on the design of learning interfaces [J]. Computers amp; Education,2012,(9):722-731.

潘征宇：在读博士，研究方向为数字化学习环境(mikewolfpzy@sina.com)。

钟绍春：教授，博士生导师，研究方向为信息技术与学科教学融合、数字化学习环境(sczhong@sina.com)。

钟永江：教授，硕士生导师，研究方向为数字化教学资源设计与应用(494022934@qq.com)。

张语函：硕士，研究方向为数字化学习环境设计(470104931@qq.com)。

2015年4月10日

责任编辑：赵兴龙

Design and Application Research on Personalized Learning Tools

Pan Zhengyu1, Zhong Shaochun2, Zhong Yongjiang1, Zhang Yuhan1
(1.Ideal Information and Technology Institute, Northeast Normal University, Changchun Jilin 130000;2.e-Learning Support Technology Engineering Research Center of Ministry of Education, Changchun Jilin 130000)

Under the perspective of smart education, this article analyzed the essential problems commonly existing in present teaching activities; systematically studied the ways and methods of how to make the students learn actively, individually,and in the inductive approach as far as possible; systematically analyzed learning environment and support tools according to the need of personalized learning in the smart education application; and carried on the design and application research on personalized learning tools.

Smart Education; Personalized Learning; Inquiry Learning Tools

G434

A

1006—9860(2015)06—0086—06