面向学习活动课程群ＩＣＡＩ系统的构建

马晓绛　刘　昊　袁德明

摘 要:为了在ICAI系统中充分表达现代教学设计理念和有效控制教学活动,提高系统的有效性、智能性和教学性,在研究IMS LD规范的基础上,设计了面向学习活动的课程群ICAI系统。首先,根据岗位能力目标要求按课程群、岗位能力和知识点三个层次来确定课程群知识,并将其加工成可用知识资源;其次,利用支持学习设计规范的知识库管理器对所确定的知识资源按教师的教学设计思想进行组织和包装,逐步建立课程群知识库;然后,通过教学推理机为学习者提供所需的课程群知识;最后由学习设计解析工具来控制完成相应的学习活动,以实现教学目标。这种设计方法不仅简便有效,还能充分发挥教师自身的教学优势和贯彻落实教师的教学理念。

关键词:教育信息化 课程群 面向学习活动 教学系统设计

中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1673-8454(2009)13-0059-05

一、引言

长期以来,e-Learning系统一直是以学习对象为中心,根据不同情况对学习内容进行整合而形成的。像IEEE LOM、IMS CP、IMS QTI以及ADL SCORM等技术规范所关注的对象都是由单个学生来接受的学习内容。这些技术规范虽然支持学习对象的可重用和共享,但它们并不能直接导致学习的有效性,不能充分发挥信息技术的潜能,更不能充分体现新的学习理念和学习方法。

2003年2月,IMS Global Learning Consortium(IMS全球学习联盟)发布的学习设计规范(IMS Learning Design Specification,简称IMS LD)正在逐渐改变着以学习对象为中心整合e-Learning系统的现状,一种面向学习活动的研究途径应运而生,利用学习设计规范不仅能有效地组织学习对象,而且能很好地落实先进的教学设计理念和教学方法。[1][2]相对以学习对象为中心的技术标准,IMS-LD在整合已有诸多标准的基础上提出了一个相对高层的且能表达教师教学思想的技术框架。它不仅支持教学方法的重用和共享,还支持带有相同角色或不同角色的多人合作学习,它不仅能根据个人特点和具体情况调整学习内容,还能调整学习活动,从而达到支持个性化教学的目的。

二、基本概念和相关定义

1.学习对象的概念

从构建课程群和教学实际出发,文中把学习对象定义为基于单一学习目标,建立在教学内容、教学设计和教学活动基础上以元数据标识的可获取、可交互、可重用的独立教学构件。

这个定义给出了学习对象的基本组成要素,包括学习目标、教学内容、教学设计、练习、学习评估和元数据。学习目标用于指明通过学习对象能使学习者达到何种程度和获取哪些成果;教学内容用于指明通过学习对象为了实现其学习目标要求而提供的所有可获取的静态或动态的学习资源;教学设计用于指明学习角色、教学情境、教学方法等,为学习者提供学习指导;练习是指围绕教学目标而设置的必要的训练活动;学习评估指用于检测学习者对教学内容掌握程度而设置的考核活动;元数据用来标识和描述该学习对象的属性信息。

2.学习设计规范的核心概念和基本原理

在学习设计规范中,无论采用何种教学模式,每个人都必须承担一个角色(或学生或教师),然后根据各自的角色在环境中进行学习活动或支持活动,同时生成活动的结果。因此在学习设计中包含了许多诸如角色、方法、活动和环境等重要元素。

学习设计的结果是一个规范的XML文档,学习设计文档实施结构分为A、B、C三个级别,C级为最高级,它包含了IMS LD规范中的全部元素,B级LD文档不含“通知”属性,A级LD文档不含“通知”、“属性”和“条件”元素。

学习设计规范中的主要概念及其与现实场景中各事物间的映射关系,如表1所示。

3.课程群及其相关定义

(1)课程及课程群的概念

关于课程的概念,不同的课程观有着不同的理解。后现代课程观认为:课程是一个开放的系统,教学过程不仅是教师传授知识的过程,而且是师生在互动过程中探索未知,构建他们自已的课程,并使师生共同得到发展。在美国的《新教育百科辞典》中把课程解释为:“课程系指在教师指导下学习者学习活动的总体。”其中包含了教育目标、教学内容、教学活动以及教学评价等概念。在我国的《现代汉语辞海》中把课程解释为“学校教学的科目和进程”。

文献3中指出:课程群是将相互联系紧密或具有相似性的几门课程根据需要重新整合而形成一个具有相对独立性和完整性的课程,进而解决教学过程中学科门类过多、过细的问题。这里引入课程群概念有区分传统课程(包括传统网络课程)的含义。传统课程是由单门课程按着学科体系分章节构成的;而课程群则是由多门课程按着职业岗位能力要求重新整合产生的新课程,每个岗位能力所对应的知识集合是由几门课程中的相关知识交叉聚合在一起的,具有相对的独立性和完整性。这种新课程是专门针对岗位能力形成的,它打破了学科界限。

在网络学习环境中,可以将课程群的概念范围界定为由教师、学生、教学资源和环境四要素构成的互动系统。在这个系统中,教师的主要作用是创设资源和环境并指导学生学习;学生主要是利用资源和环境来构建知识,其构建过程是学生自主完成的或在教师指导下的自主行为。如果将教师的教学设计也作为共享资源存在并提供给学习者,不仅可以提高系统的智能性,还可以使更多的学习者通过网络来接受名师的指点,既可节省教学成本,又能提高教学质量。

根据上述分析,文中把针对岗位能力目标而围绕所需教学资源和环境开展的一系列活动的过程总和称为课程群(或课程)。而在这个活动过程中所涉及的各种教学资源信息就是所谓的课程群知识。课程群知识的表现形式有静态和动态之分,也有显性和隐性之分,无论是哪种表现形式必须能以有效的形式编码表示,才能成为课程群中的有用知识。

(2)课程群知识的分层结构

根据生成课程群的方法,课程群知识具有典型的层次特征,采用分层方法能够很好地反映课程群知识的结构。文中把课程群知识分为课程群层、岗位能力层和知识点层,并把每一层知识都看成是学习对象。课程群层的学习对象元素包括:课程群能力目标、课程群元数据、岗位能力(1-m)、教学重点、认知水平、教学设计、课程群练习和课程群评估;岗位能力层的学习对象元素包括:岗位能力目标、岗位能力元数据、知识点(1-n)、教学重点、认知水平、教学设计、能力训练和能力评估;知识点是具有原子特性的不可分单元,是最小学习对象。一个知识点就是一个围绕某个岗位能力中单项子能力目标设计的一系列学习素材和学习活动的集合,其元素包括知识点能力目标(即单项子能力目标)、知识点元数据、学习素材(1-k)、教学重点、认知水平、教学设计、知识点的练习和评估。

将课程群模块化,把课程群中的知识点定义为最小学习对象,课程群和岗位能力定义为复合学习对象,这样可以利用学习对象的重用性高、互操作性好等特性来提高课程群知识的可重用性、易组合性和互操作性。利用课程群资源库中各种学习对象的不同组合来满足不同岗位能力对知识的需求,极大丰富了教学系统的内容。

(3)知识点的大小界定

对于教学系统而言,关于知识点的大小问题一直都是学习对象的研究者们重点探讨的问题,至今也只是一些经验性结果。文中结合课堂教学实际,把对知识点的学习时间限制在35~45分钟之内(即1节课)。另根据来自认知心理学的7±2法则把知识点中学习素材的数量限制在9个以内。[4]在设计知识点时,要充分考虑时间上(40±5分钟)和空间上(7±2个)的限制,对于超过上限的知识点必须将其再分解成若干小知识点,对于低于下限的知识点必须再聚合若干学习素材,以满足知识点的时空要求。

对于教学设计者来讲,可以先根据学习者特征预测出该学习者对当前学习内容的认知结构,并据此对欲呈现的内容预先进行分组。分组的方法可以是空间分组或时间分组,也可以根据有关概念进行语义分组。无论如何分组,均要保证每个知识点在时间上和空间上的要求。

三、课程群ICAI系统设计思想

为了避免重复开发,防止资源浪费,提高系统质量,在课程群ICAI(智能计算机辅助教学)系统设计过程中,采用IMS LD规范来构建课程群知识库,把岗位能力所涉及的知识点和相应的学习素材均作为对象分层进行管理,这些对象的隶属关系如图1所示。这样有利于教师和系统设计师们协同开发和利用教学系统资源,有利于对岗位能力(培养方案)、知识点(教学大纲)和学习素材(教学内容)的设计描述。这些对象可以被拷贝、传输、共享和重用。借助LD集成工具,教师可以按着教学过程和教学策略灵活地将学习素材组织成一个知识点,可以由若干知识点再构成满足某项能力要求的更大的知识单元。教师在整个系统开发过程中集中精力策划教学内容组织方法和落实教学设计策略即可。IMS LD规范为这种系统设计思想提供了一个可行性的技术框架,能够正确、有效地将教学设计思路运用学习设计文档表现出来。

四、课程群ICAI系统结构框架

基于上述设计思想,课程群ICAI系统结构与教师的备课、授课过程十分相似,其结构框架如图2所示。整个系统分课程群知识库、教学推理机、知识库管理器、管理维护视图和教学视图五个模块。课程群知识库中存储着大量的教学所需知识信息(即教材)和所涉及的教学对象(即学习者)的学习状态信息;教学推理机(即教师备课)能够根据教学目标要求,结合学习者的当前学习状况和知识水平,有针对性地组织教学方案,完成教学设计;教学视图(即教学实施)是按教学设计思路呈现教学内容的模块,当学习者提出教学请求后,系统就会通过分析判断为其选择适当的教学内容与教学方法对其进行有针对性的教学;知识库管理器是用于管理、维护和更新课程群知识库的开发平台,教学者通过知识库管理器可以创建和修改教学资源库、教学策略库、学习单元库和学习者库中的元数据;管理维护视图是为教学者提供的操作控制界面。

1.课程群知识库及其创建方法

课程群知识库是ICAI系统实现的核心模块,它直接影响着知识库中数据的准确性和一致性,影响着教学推理机的推理效果。知识库中的知识都是经过必要的加工处理后的可用信息,并以元数据格式按学习设计规范要求表示的。[5]文献5中给出了以元数据驱动构建ICAI知识库的过程。课程群知识库包括教学资源库、教学策略库、学习单元库和学习者库。

(1)教学资源库

教学资源描述的是具体的学习素材,如网页、PPT文档、Word文档、图表、动画、视频等,即教学素材。教学资源库的建立需要经过两个阶段,首先选择相应开发工具(如Dreamweaver、PowerPoint)来加工制作学习对象;然后再运用支持学习设计规范的工具(如Reload Editor)对其进行包装。

(2)教学策略库

教学策略描述的是具体的知识点和引用相关素材的学习活动过程,突出展现了学习活动的条件和方法。它为教学推理机正确地组织教学提供了判断依据。学习设计规范以活动为中心,一系列学习活动的控制过程是通过活动结构实现的,可以是顺序式结构,也可以是选择式结构。在建立教学策略库时,针对每个知识点的学习,都要明确何人何时采用何种活动结构进行学习,才能达到知识点的教学目标。

这种以学习活动为核心的ICAI系统能很好地实现教师的教育理念和教学方法,教师可以把针对同一个知识点学习的各种不同的教学策略和教学流程存放到教学策略库中,以满足不同学习者的学习要求。由于教学资源库和教学策略库在物理逻辑上是独立相关的,所以对素材的更新不会影响教学策略库,对同一素材增添不同的教学策略也不会影响教学资源库,但必须保证教学资源库与教学策略库之间逻辑映射关系的正确性。

(3)学习单元库

学习单元描述的是具体的岗位能力(或子能力)和所需知识点的结构信息。每个岗位能力(或子能力)对应一个学习单元,每个学习单元又包含若干知识点。学习单元是一个根据内容包装规范包装起来的可共享、可重用的相对独立的教学内容,即常说的小课件。[6]

学习单元本身蕴含了课件的特征,它是因某种教学需要利用学习设计规范设计的相对独立的教学组件。网络教学中,一个完整的学习单元就是一个包交换文件,其中包括XML格式的学习内容清单(由元数据、学习设计和知识目录组成)和物理文件(实际的物理资源,如HTML文件、媒体文件、活动描述文档、其他物理文件等)。

(4)学习者库

学习者是课程群知识库所面对的教学对象,即学生。对学习者的描述是依据学习者模型规范实现的,学习者库中记录了学生的基本信息、认知能力、知识水平、学习状态、考核结果等数据,是ICAI系统对学生的学习进行监控、个性化、评价和选择教学策略的重要依据。[7]

在ICAI系统设计过程中,通过将学习者库中的数据与学习设计中使用的“属性”元素建立逻辑关系来提供必要的教学反馈信息,从而达到有效控制学习活动的目的。例如,设置File型变量用于接收学生完成的作业,设置Integer型变量用于保存学生的成绩,设置Boolean型变量用于控制学生进入下一阶段学习等。

2.教学推理机原理

教学推理机由知识搜索器和教案生成器两部分组成。知识搜索器负责检索符合学习者学习要求的知识信息,并根据学习者的当前学习状态和认知能力进行决策响应,其工作原理为:1)由学习者提出教学请求(如给出所需求的能力标题或知识标题);2)对学习者的历史记录信息进行比对分析确定学习者当前的学习状态,接着选择适合当前学习者的教学策略;3)检索与教学策略相对应的教学资源或学习单元。

教案生成器负责处理和封装知识搜索器决策的结果,最后生成一个电子教案,如图3所示即是其生成的电子教案元数据模板。

3.知识库管理器

知识库管理器主要用于管理和维护整个ICAI系统知识库,它由知识编辑器和知识再生器两部分组成。教学者根据培养方案、课程群性质、岗位能力要求及其他特定需求,运用知识编辑器可以完成对各种知识库的更新、删除和查询等操作。知识再生器可以帮助教学者在已有知识的基础上生成满足特定要求的新知识,以提高知识创作的效率。知识库中的知识表示均是依据学习设计规范以XML文档形式保存的,在创建知识库的过程中需要检查验证各种知识库间知识表示的正确性、一致性、有效性和冗余性。

在面向学习活动的ICAI系统中,知识库管理器是利用现有的工具软件实现的。这里采用LD Editor工具来实现知识编辑器的功能,采用LD再生器工具来解决ICAI系统中知识的再生问题。LD Editor和LD再生器能有效地创建知识库所需的知识,并按学习设计规范对知识进行正确的包装,同时,对其进行正确性、一致性和有效性检验。

依据学习设计规范包装的知识资源文件可以在不同的管理系统中进行交换,不受其内部学习资源的具体内容和格式的限制,并以.zip压缩文件的形式进行传递。

4.视图管理

课程群ICAI系统提供了两类视图,一是管理维护视图,它是教学者与知识库管理器间的交互界面,教学者通过它操纵控制知识库管理器以完成对课程群知识库实施的各种操作;二是教学视图,它是学习者与教学推理机间的交互界面,学习者通过它可以达到学习课程群知识库中知识的目的。

由于知识库中的知识都是以一个XML文档格式呈现的,所以通过构造一个具有一致性的解析器(或发布引擎),就可以将所需的知识按特定风格展现在教学响应界面上。最典型的响应界面就是通用的HTML网页。在ICAI系统中,通过对教学推理机生成的教案进行解析处理,生成可以在IE浏览器中浏览的网页,为学习者提供了一个通用友好的教学视图,其中,对学习设计文档的解析处理是借助LD Player工具实现的。

五、结束语

利用上述方案开发ICAI系统,教师仅需掌握相应工具(如LD Editor、LD Player、Word、PowerPoint等)的使用方法,就可以根据自己的教学设计来开发学习设计文档,创建课程群知识库,完成一个以学习活动为核心的课程群ICAI教学系统。

目前,支持学习设计规范的开发平台很少,文中提及的LD Editor和LD Player是由Reload公司发布的学习设计工具,其功能比较完善。在ICAI系统结构中,知识编辑器借用了LD Editor工具,知识解析工具借用了LD Player,而知识再生器和教学推理机是根据ICAI系统设计要求自行设计的。

在学习设计中,知识资源的开发过程与教师的教学设计思想有机结合,知识的呈现方式(LD文档或LD组件)不仅能够充分表达教师的教学意图,还可以引导他们专心组织和设计学习活动,从而减少了知识资源开发的盲目性,提高了整个系统开发和应用的合理性与有效性。同时,学习设计规范所具有的良好性质也能充分体现在课程群知识库中。

依据学习设计规范来实现面向学习活动的课程群ICAI系统是一种全新的设计与开发理念,也是重要的发展方向,它必将受到广大教育工作者的重视和欢迎。

参考文献:

[1] IMS Global Learning Consortium. Learning Design Speci-fication[EB/OL]. http://www.imsglobal.org/learningdesign, 2007-03-07.

[2]袁德明, 马晓绛, 陆祥翠. 学习设计规范应用研究[J].徐州建筑职业技术学院学报,2007, 7(4):1-5.

[3]袁德明.混沌式教学设计与实践[J].中国教育信息化, 2007, (15):66-68.

[4] E.R.Hilgard, R.L.Atkinson, R.C.At kinson. 心理学导论[M].北京: 北京大学出版社,1987:210-220.

[5]袁德明.以元数据驱动构建ICAI知识库的方案[J]. 中国教育信息化, 2007(23): 57-59.

[6] CELTS-9.1(CD2.0). 内容包装:信息模型规范[EB/OL]. http://www.celtsc.edu.cn, 2004-03-23.

[7] CELTS-11. 学习者模型规范[EB/OL]. http://www.celtsc.edu.cn, 2004-03-23.