基于概念图的一体化移动学习系统设计及其实证研究

房邵敏+李浩君

摘 要：移动学习有效性一直是移动学习领域的研究热点。本文针对目前移动学习系统只注重于移动学习资源设计而缺乏对移动学习过程监督问题，以移动学习有效性提升为目标，提出了基于概念图的移动学习资源设计、概念导航和评估反馈机制的移动学习系统，并开展面向《计算机网络原理》课程内容学习的实证研究。实验结果表明，加入了评估反馈机制的一体化移动学习系统能进一步优化学习者的学习过程，形成一种新的学习路径，提升移动学习者的学习效率。

关键词：移动学习；概念图；一体化；有效学习

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）15-0087-06

一、引言

移动学习是数字化学习领域的一种新型学习方式，为学习者提供了更适宜的移动性和碎片化的学习环境。随着信息技术的高速发展，移动学习模式不断发生变革，其主要表现已从促进学习的发生转向改善学习的有效性。新的学习模式表现为利用不同的学习主题抽取知识体系中没有直接逻辑关系的片段化知识单元作为学习内容，使学习者利用碎片化的学习时间，使用便携式移动学习工具实现自适应的学习方式。移动学习目前处于知识体系化建设阶段，需要经过聚焦学习受众共性特点、聚焦学习微众兴趣点和聚焦学习个体特性三个时期的发展过程，旨在关注移动学习的有效性。[1]

当前从技术层面对移动学习有效性问题解决展开了深入研究和探讨。首先利用技术可以在师生之间传递或交换信息和知识，发挥其多向交换学习信息和资源的功能，实现导学者的资源推送和学习者的请求响应，形成移动学习的互动过程。其次，学习者可以把技术作为提供情感和元认知引导的智慧伙伴，根据差异化的移动终端满足不同学习者的个性化需求，营造良好的学习体验，最终实现自适应学习。[2]与此同时，欲评价信息技术在移动学习应用中的有效性，还应回归教育的逻辑，着眼于促进学习者的意义建构与自适应学习过程。如何把技术作为学习工具应用于移动学习可以因人而异。移动学习服务中有认知服务和技能服务。[3]一方面认知论认为知识的习得主要来自学习者内在的心智活动，因而导学者需协助学习者进行信息编码、组织、整合。技术可用以呈现适合心智模式的媒体信息，协助学习者组织概念架构。另一方面，建构论则认为学习者可以基于先前经验而建构新的理解，因而导学者要提供脚手架以协助学习者建构意义，技术用以作为心智工具，引导学习者自主学习、合作探究，形成自适应学习过程。[4]由此可知，信息技术的发展使移动学习的服务内容和发送发生了很大的变化，更加凸显了学习过程中关于移动学习有效性问题研究的重要性。

二、研究现状

近年来对移动学习系统的研究主要从移动学习系统的构建和移动学习系统设计及应用两方面展开。Qing Tan等人提出了在恰当的时间和位置，通过恰当的移动设备为恰当的学习者提供恰当的学习内容的5R自适应框架，利用这一元架构并基于位置感知技术开发移动学习系统，进一步发展了自适应移动学习。[5]杨超等人设计并开发了一种基于移动短信服务的课程内容学习平台，学习者利用手机短信发送问题并接收问题的答案。[6]张豪锋等人设计了基于二维码技术的移动学习系统，利用该移动学习系统达到合作学习、跟踪学习者学习进度与成效的目的，从而获得学习反馈并提升学习者学习成效。[7]李云飞等人基于上海交通大学自主研发的移动学习系统提出了若干个学习模式，同时针对学习活动中存在沟通渠道、沟通方式和沟通环境等方面的问题，提出了多人语音视频通信、学习者状态识别和完善移动学习社区的解决方案。[8]

随着信息技术在移动学习领域应用研究的不断深入，引发了研究者對移动学习有效性的思考。目前有研究针对移动学习有效性的问题，从多个学习因素展开分析，以期把移动学习的应用重新回归到促进学习者有意义学习的初衷上。Robert Power提出了“协作性情境活动移动学习”这一术语，它整合于构建学习理论和分析框架，为移动学习教学设计提供了新角度的教学设计、反思性的实践和评价。这种有效的移动学习设计是指可以为学习者提供协作学习的机会，提供真实情境下的学习活动，提供沉浸式的有意义的学习机会。[9]在移动学习有效性研究中，徐冰指出应重视学习动机、学习目标和多元评价这些因素对移动学习者有效学习的促进作用，导学者通过开发符合学习者特征的学习资源和学习活动来激发学习动机，学习者根据个人学习目标和学习过程监控形成合理的学习计划，不同维度的评价能促进学习资源和学习活动的进一步优化。[10]Rogers等人认为在学习环境和学习活动中，学习材料占据很重要的地位。有效的学习材料需要遵循包含学习理论、学习指标、学习方式和学习偏好在内的教学系统设计原则。把学习材料的各种信息放在元数据中，信息系统可利用元数据、合理的教学方法和教学系统设计原则，把可重用学习对象重新整合形成有效的学习材料。而知识管理又可以把可重用学习对象、教学系统设计和元数据全部结合起来形成学习模型，利用该学习模型可以在各种具体的学习环境中开发有效的学习材料。[11]

在教学过程中梳理新旧知识的认知结构能帮助学习者形成有意义的学习，诺瓦克等人指出概念图作为一个知识组织工具，能帮助学习者组织各类学科的知识，概念图不仅能够帮助学习者改进各学科的学习，还能达到有意义学习的元认知目标。[12]随着计算机技术应用的普及，概念图已进入计算机时代。研究发现，相比传统的教学工具，概念图能有效提高导学者的教学效率。[13]Korganci等人在研究中发现，通过在学习过程中构建概念图，能有效确定概念之间的关系，概念图的使用能提高学习者对概念的理解和记忆能力，有助于培养学习者的逻辑思维、创造性思维和批判性思维。[14]通过以上不难发现概念图在教学中发挥着重要作用，包括知识的建构和组织、教学工具的开发和教学效果的改善。移动学习由于学习地点移动性和学习时间碎片化等特征需要学习者能快速聚焦到片段化的学习资源上，而这可以由概念图理论来辅助实现。

目前移动学习研究工作正如火如荼开展着，然而对移动学习有效性研究方面文献较少。因此，本文在传统的基于片段式学习资源的移动学习系统基础上，加入了概念导航和评估反馈功能维度，形成了移动学习系统的资源设计、学习导航和评估反馈三个功能维度，提出了基于概念图的一体化移动学习系统，深入阐述系统设计理论，最后采用实证研究思想，对《计算机网络原理》课程中“计算机网络体系”部分学习内容进行实证研究，对该移动学习系统支持下的学习效果有效性展开实证研究和数据分析，探析实证研究所得结果的原因。

三、基于概念图的一体化移动学习系统设计

1.一体化移动学习系统设计

本文从学习资源设计和学习过程管理角度来研究提升移动学习效率的策略，以概念图理论应用为核心，阐述基于概念图的移动学习资源设计、学习过程概念导航以及阶段结果评估反馈的移动学习服务支持系统，从而对学习过程不断进行优化和和改善。移动学习资源设计以资源知识间的内在联系为基础，突出移动资源片段化和微型化特点；导学者将系统性的知识内容按照知识点分解成若干个片段资源，概念图能帮助学习者形成一个概念网络，在片段化学习的过程中把握各知识点之间的联系。由于学习者在移动学习过程中缺少导学者的帮助，因此在自主学习的过程中更需要概念导航。导学者可以采用概念图向学习者展示课程的知识结构，让学习者判断自己当前的学习定位。学习者在学习的过程中可以把概念图当做导航工具，自主选择学习进度和路径，还可以通过跟踪学习路径掌握学习者学习进度。概念导航就是在教学中起引导作用，使学习者在学习过程中，能够有目的、有针对性、有序地进行。学习者在完成阶段学习内容之后要进行评估和反馈，学习者可以有效地创建和修改概念图，系统在评估和反馈的过程中，不仅可以为学习者提供补充材料进行自我校正，而且也为导学者推荐个性化学习资源和学习路径提供依据。基于概念图的一体化移动学习系统框架如图1所示。

2.基于概念图的移动学习资源设计

基于概念图的移动学习资源设计主要包括需求分析、概念图设计、片段式资源设计和资源呈现设计四个部分。移动学习并不适合承载所有学习内容的学习方式，研究发现移动学习更适用于逻辑简单、内容单元零碎的学习内容。只有选择合适的学习资源才能真正有效地促进移动学习者的学习。在需求分析的基础上，利用概念图可以得到学习内容所涵盖的知识结构。通过确定中心主题，列出与主题相关的概念，梳理概念层次关系，设计对应的案例资源，形成资源概念图体系，每个知识点对应一个片段式主题，生成初始化学习资源库。最后，根据学习资源的需求选择媒体呈现方式，利用概念图收集、整理和制作各学习主题的数字资源，基于概念图的移动学习资源设计如图2所示。[15]

3.基于概念图的移动学习导航设计

学习者在接触新的学习单元时通常对学习内容缺乏系统性的认知，而导学者可以通过概念图将学习资源结构化地呈现在学习系统中，使学习者在丰富的片段化学习资源中有清晰的导航作为学习引导。通过学习导航工具，学习者可以根据自己的学习兴趣、学习风格和学习认知掌握学习进度和学习路径。系统利用概念导航方式，形成学习者的学习路径，监督学习者的学习过程，记录学习者的学习特征、学习时间、完成进度和掌握程度等因素，为导学者改进学习资源、学习活动和学习管理等提供参考信息，基于概念图的移动学习导航设计如图3所示。

4.基于概念图的移动学习评估反馈设计

学习者在完成自主学习之后，系统会提供一套基于概念图的习题测试，导学者可以根据测试结果推断学习者掌握知识的情况、学习者理解和运用概念的能力以及学习者搜集和整理学习资源的能力，并针对学习者掌握欠缺的知识点提供相应的补充材料。为了了解学习者内在的思维过程及其元认知水平，系统会提供学习者自主创建概念图的工具，学习者根据不同的测试结果决定是否开展进一步的学习，概念图节点填写不准确说明学习者需要提升知识的储备并加深对概念的理解，概念图链接填写有误说明学习者需要进一步理解各节点之间的联系，加强知识体系结构的整体把握。导学者通过观察学习者建构概念图的过程做出及时的诊断，学习者的测试结果为导学者提供了优化学习资源和资源重组的依据。学习者在创建和修改概念图的过程中开展与其他学习者的交流和沟通，促进了学习者间的协作性学习，提高其认知水平和知识建构能力，基于概念图的移动学习评估反馈设计如图4所示。

在基于概念图的一体化移动学习系统中，导学者首先通过构建概念图，将学习资源知识点分成若干个子知识点，每个子知识点与一个片段式学习主题相对应，然后收集和整理不同情境下各学习主题的相关资料，作为片段式移动学习资源设计机制的资源数据库。学习者完成自主学习后，由学習者构建概念图，系统根据与导学者构建的概念图的对照自动进行反馈，从而提供评价学习者建构能力的依据。从导学者角度出发，学习者在完成学习后会接收基于概念图的单元测试来评估学习者知识点的掌握能力。如果学习者的测试分数低于60分，说明系统提供的教学资源不符合学习者需求，需要进一步优化片段化学习资源，把系统提供的学习者概念图和测试结果的评估反馈给导学者，并作为新的学习情境依据，从而实现移动学习资源的优化。如果学习者的测试分数高于60分，系统会自动优化学习者的概念图，通过对照导学者的概念图隐藏已经掌握的知识点，让学习者继续学习未掌握的知识点。基于评估反馈，学习者可以根据自己的学习习惯掌握学习过程，形成学习者个性化学习路径，导学者则可以实时监控学习者的学习路径，实现在不同环境中开展有效移动学习，移动学习系统工作流程如图5所示。

四、实证研究

1.系统实现

基于概念图的一体化移动学习系统的开发环境是Windows 7操作系统，系统采用C/S模式结构，服务器端采用JSP语言和MySQL数据库实现一体化移动学习后台管理系统；客户端程序运行在Android智能手机上，在Eclipse集成开发环境中配置Android SDK以及ADT插件，使用Java语言编写完成一体化移动学习系统客户端程序功能。

2.实验设计

（1）实验对象

实验的被测对象共有54名，来自某高校大学三年级同一专业学习者，随机被分配为实验组和对照组。学习内容为《计算机网络原理》课程中“计算机网络体系”部分内容，网络体系结构的概念图如图6所示。实验组和对照组分别采用不同的学习方式开展学习。实验组的学习者使用一体化移动学习系统开展学习，而对照组的学习者在学习过程中使用基于传统移动学习系统开展学习。

（2）实验流程（见图7）

实验步骤包括三个阶段，分别是前测、移动学习系统自主学习、后测和问卷调查。在实验的第一阶段，所有学习者进行了《计算机网络原理》中网络体系结构这一单元的前测，测试时间为30分钟。在第二阶段，分别指导两个小组展开各自的学习任务，然后进行长达60分钟的学习活动。在这个学习活动期间，实验组的学习者使用一体化移动学习系统进行学习。而对照组是利用传统移动学习系统开展相同学习内容的学习。在实验的最后一个阶段，两组学习者都要完成《计算机网络原理》中网络体系结构这一单元的后测，实验组的学习者要进行学习满意度的问卷调查。

3.数据分析

（1）一体化移动学习系统满意度调查结果分析

为了测试实验组学习者对一体化移动学习系统使用的满意度，通过设计问卷调查并分析调查结果，以此来评价一体化移动学习系统的可行性。实验组的27名学习者都参加了本次的问卷调查活动，收到有效调查问卷27份，分析结果如表1所示。

从表1可知，由于一体化移动学习系统中加入了反馈评估功能，92.6%的学习者能在完成学习测试后得到反馈提示和补充材料，根据学习者的个人完成情况有针对性地纠正学习者对概念的理解。77.8%的学习者在学习体验过程中可以快速接收系统所反馈的信息。一体化移动学习系统克服传统移动学习系统缺少人机互动的缺点，以人为本，加入了多个交互环节，74.1%的学习者明显感到一体化移动学习系统更具有交互性；81.5%的学习者认为这种良好的交互体验更能激发学习兴趣和动力，并且有70.4%的学习者在使用一体化移动学习系统之后更加喜欢计算机网络课程的学习了。利用一体化移动学习系统能提高学习者的学习效率和学习兴趣，因此有92.6%的学习者希望把该学习系统应用于其他的学习课程，并且有96.3%的学习者愿意向其他同学推荐一体化移动学习系统。基于上述问卷调查分析，可以认为一体化移动学习系统具有一定的可行性和研究价值。

（2）学习效果分析

在实验组的学习活动中，因为在移动学习系统中加入了概念导航和评估反馈功能，学习者可以根据系统提供的反馈信息和概念图的引导开展循环有效的学习。而控制组使用的是传统的基于片段化学习资源的移动学习系统，遵循单一学习路径对系统提供的资源开展学习。

在进行实验之前，为了解实验组和对照组之间存在的先前知识水平的差异，分别对两组进行前测，两组前测的统计数据如表2所示。

控制组前测平均分数和后测平均分数分别是41.85分和63.00分，而实验组前测成绩和后测成绩的平均分数分别是42.59分和88.78分，说明两组学习者在经过学习后成绩均有提高。同时，前测两组的Sig值为0.726而后测Sig值为0.000，表明实验组和控制组在前测阶段的平均值无明显差异，但是在后测阶段两组平均值之间存在显著差异。实验组在使用一体化移动学习系统学习后，对网络体系结构这一单元的测试成绩明显高于控制组，达到了更好的学习效果。

对两组前后测进行配对样本检验之后得到表3和表4，统计结果表明在学习活动之后，虽然控制组和实验组的学习成绩都有明显的提高，但是实验组的前后测的成绩差异明显高于控制组，代表一体化移动学习系统的学习效果高于传统移动学习系统，更有助于提高学习者的学习成绩。因此一体化移动学习系统更适合移动情境下的有效学习，学习者在移动情境下开展基于概念图的一体化移动学习，系统学习效率会更高。

五、讨论

本研究针对移动学习有效性的考虑，对传统移动学习系统进行优化设计，利用概念图理论，开展一体化移动学习系统设计工作，使移动学习资源循环优化，培养学习者高水平的知识建构能力，形成一种有效的学习路径。

从实证研究得到的数据分析中可知，一体化移动学习系统中的评估环节符合学习者的认知规律。单元测试可以巩固学习者所学知识，学习者通过测试结果可以快速纠正错误的概念理解，而测试评估有助于导学者跟进学习者知识点掌握的进度，诊断被学习者误解的概念，及时调整教学策略。自主构建概念图并根据反馈反复修正的这一环节是学习者头脑中关于知识结构的再现过程，可以达到知识重构效果，强化学习者建构能力，从而促进学习者学习能力的有效提升。

问卷调查结果显示，相比基于传统移动学习系统，学习者对一体化移动学习系统的学习兴趣更大。学习者和学习系统的交互，学习者和导学者之间的交流，使学习者更加自主地掌控学习过程。导学者根据各类反饋信息优化资源设计，提高片段式资源质量，体现系统个性化和适应性的特点，而学习者可以自主选择适合自己的学习资源，从而形成符合学习者特征的个性化学习路线，改善学习质量，优化学习过程，最终实现自适应学习。

本研究中所体现的学习者之间、学习者和学习系统、学习者和导学者这三种交互关系，以及交互过程中所产生的反馈信息，衍生出了生态型移动学习系统的理念，通过学习者的自适应学习、移动学习系统的内部反馈和导学者资源优化设计三个环节形成的良性循环系统，可以让一体化移动学习系统满足不同学习情境的需求，使学生产生对自适应学习系统的信任。

六、结束语

本研究探讨了基于概念图的一体化移动学习系统设计及实证研究。实验结果表明，基于概念图的一体化移动学习系统在提高学习者学习成绩方面比基于传统移动学习系统有更显著的效果，并且大部分学习者对一体化移动学习系统有较高的满意度。本研究强调在学习《计算机网络原理》课程网络体系结构知识内容时提供概念图的重要性，设计了利用评估反馈理念改善移动学习有效性机制，并阐述了该模式在提高学习者学习成绩和学习系统满意度方面存在的潜力。本研究的局限性在于一体化移动学习系统中判断学习者知识理解程度的方法比较单一，为了更好地掌握学习者的学习进度，需要结合更多的学习因素来设计个性化路径。因此，我们未来要做的研究就是进一步优化一体化移动学习系统中的评价方法。

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（编辑：王天鹏）