基于主题图的网络课程知识个性化导航*
2016-10-13刘清堂田恩舜
黄 焕 刘清堂 田恩舜
基于主题图的网络课程知识个性化导航*
黄 焕1刘清堂2田恩舜1
（1．中南民族大学教育学院，湖北武汉 430074；2．华中师范大学教育信息技术学院，湖北武汉 430079）
当前，我国的网络课程建设已取得较大成绩，但也存在大部分网络课程难以有效支持学习者的自主探究式学习，缺乏面向学习者认知支持的策略和方法。文章提出了一个基于主题图的网络课程知识组织模型和一种基于学习者知识状态模型的个性化导航方法，并以“Java程序设计”网络课程为例进行了实证研究。基于主题图的网络课程知识组织模型能深入揭示、表示各知识单元之间的复杂关系，为知识导航服务奠定了良好的基础；基于学习者知识状态模型的个性化导航方法则动态地记录了学习者的知识状态，并以图结构形式向学习者提供个性化的知识导航服务，能够在一定程度上预防学习者出现迷航问题，更适合引导学习者的自主探究式学习。
网络课程；主题图；知识导航
引言
随着信息技术的发展及其在教育领域的应用，网络学习已成为当前一种非常重要的学习方式。网络课程是支撑网络学习的一种重要的、基本的学习资源，其质量好坏直接影响着网络学习的效果和发展。近年来，我国的网络课程建设已取得较大的成绩，相关的研究成果也层出不穷。然而，网络课程在快速发展的同时也暴露出诸多问题，出现了“教师难于选材，学生难于自学”的尴尬局面，致使网络课程建设陷入了一个“瓶颈期”[1]。
在诸多问题之中，一个突出的问题就是现有的大部分网络课程难以有效支持学习者的自主探究式学习。其主要原因在于，现有的大部分网络课程主要是面向资源的，而不是面向认知的[2]；注重对单一资源的设计，为学习者提供的是一个集合式的知识资源库，较少考虑知识单元之间的逻辑关系，缺乏能够支持自主探究式学习的导航形式，导致学习者学习网络课程时感觉比较枯燥。少数网络课程虽然考虑了知识内容的分解与组织，但只是使用超媒体技术对教材内容进行简单的“搬家”，而没有从认知的视角组织知识并给出个性化的导航。
学习导航的目的是为了帮助学习者更有效地学习，避免学习过程中出现迷航，以达到快速掌握知识的目的[3]。一个精心设计的导航可以为用户创建一个熟悉的空间，以便能在其中自由穿行浏览而不会出现“迷航（Disorientation）”和“认知负荷（Overload）”的问题，从而使预订的任务变得容易完成[4]。现有的网络课程主要使用超媒体技术对课程内容进行组织，使用“目录树”实现课程内容的导航。这种课程内容组织与导航方法难以明确揭示知识对象之间的横向关联，不能有效支持学习者的自主探究式学习。
一主题图与网络课程内容导航
主题图是一种用于描述信息资源的知识结构的数据格式，它在信息资源的上层构建了一个结构化的语义网，描述主题之间的关系及主题与具体资源的联系[5]。主题图已于1999年通过了ISO认证，并于2000年成为了一项国际标准（ISO/IEC 13250）。该标准定义了主题图的概念、数据模型和XML语法规范——XML Topic Maps（简称XTM）[6]。主题图的核心内容可概括为：
1 三个基本概念
主题图的三个基本概念包括主题（Topic）、关联（Association）、资源指引（Occurrence）。①主题是现实事物的形式化描述，可以是表示任何事物的名词，如“三国演义”、“罗贯中”等。主题可以有其特定的类型，如“罗贯中”的类型是“作者”。②关联描述了主题之间的语义关系，如“三国演义”与“罗贯中”之间是“写作”关系。关联将涉及的主题作为它的成员，并标明主题在其中扮演的角色。关联也可以有其特定的类型，通过关联类型可以将主题图中给定的主题按照关联类型进行聚合。③资源指引标明了与某一主题相关的一个或多个信息资源。这种信息资源可以独立于主题图之外，也可以包含在主题图之内。
2 两个层次
主题图的两个层次是指信息资源层和知识网络层，二者既相互独立，又彼此联系。①信息资源层由各种与主题相关的信息资源实体组成。这些信息资源可以是存在于主题图之内的一个文本片断，也可以是存在于主题图之外的一个文档、图片、视频、音频等。②知识网络层描述了领域内的主题以及它们之间的关系，是对领域知识的一种结构化描述。在主题图的三个核心元素中，资源指引是信息资源层和知识网络层之间的纽带。
3 一个数据模型
三个核心概念和两个层次构成了主题图的数据模型，如图1所示。
图1 主题图的数据模型
从主题图的数据模型可以看出，将主题图应用于网络课程知识组织与导航具有独特的优势。主题图的知识层能够深入地表征各种知识对象以及它们之间的复杂关系，为个性化、智能化的知识服务奠定了基础[7]。更为重要的是，在知识层的基础上使用知识地图的导航方式，能够有效地引导、支持学习者的自主探究式学习。此外，主题图建立了知识资源与知识主题之间的联系，学习者可以据此快速、准确地找到相关的知识资源。
二基于主题图的网络课程知识组织
网络课程学习导航是建立在课程内容知识组织上的一项学习支持服务，因此，一个优秀的学习导航系统必须建立在一个合理的知识组织模型之上。知识组织的目标就是要用一定的方法把知识客体中的知识因子和知识关联揭示出来，以便人们认识、理解和接受。
1 网络课程的知识组织模型
网络课程知识组织应该遵循学习者的认知发展规律，其知识结构应该与专家的认知结构尽可能保持一致，这样才能像“专家”一样高效地引导学习者的自主探究式学习。
目前，大部分网络课程基本上都采用了类似于教材目录的方式来组织课程知识，而且将学习资源与知识表示连为一体。这种知识组织方式能够清晰地表示课程知识的层次结构，学习者可以通过超文本链接定位到任意一个章节。但是，这种知识组织方式没有深入到知识点层次，没有挖掘并表示各知识点和概念之间的联系。而且，由于学习资源与知识表示没有分开，所以这种知识组织方式的灵活性较差，且难以修改，学习资源也难以实现共享复用。
基于皮亚杰的认知发展理论和布鲁纳的结构主义教学理论，美国著名认知心理学家奥苏贝尔创造性地提出了有意义学习理论，强调在知识的组织编排上要遵循“不断分化”和“融会贯通”的原则——“不断分化”要求知识的组织与呈现应该遵循从整体到部分、从一般到具体的顺序；“融会贯通”要求知识的组织与呈现应该注意相关知识点的联系与区别，消除新知识与已有知识之间的矛盾与混淆。这两条原则建立在人类认知发展规律的基础上，也同样适合于网络课程内容的知识组织。
根据奥苏贝尔的“不断分化”和“融会贯通”原则，在“目录式”知识组织的基础上，本研究将网络课程的知识组织设计为一个具有四层结构的逻辑模型（如图2所示）——在纵向上，该模型遵循“不断分化”的原则，将网络课程知识依次表示为章、节、知识点、学习资源等四层，清晰地表示了课程知识的层次结构；在横向上，该模型遵循“融会贯通”的原则，在知识点层上明确标明了知识点之间的类属、包含、相关等三种关系。
图2 网络课程的知识组织模型
2 基于主题图的网络课程知识组织实现
通过比较主题图的数据模型和网络课程的知识组织模型，可以看出：主题图技术能够较好地实现网络课程的知识组织，清晰揭示知识之间的横向和纵向联系。据此，可以使用XTM语法实现网络课程的知识表示与组织。
（1）知识主题的描述
在网络课程的知识组织模型中，主要存在三种类型的知识单元：章、节和知识点。这三种知识单元可用主题图中的三类主题与之对应。在XTM中，主题使用
（2）知识主题间关系的描述
在网络课程的知识组织模型中，主要定义了三种关系：包含、顺序和相关。在主题图中，可以分别定义三种关系类型来与之对应。XTM使用
（3）相关学习资源的描述
在网络课程的知识组织模型中，还需要描述与某一知识主题相关的学习资源。XTM使用
三网络课程知识的个性化导航
从建构主义的视角来说，学习内容导航是一种典型的学习支架，对于引导学习者的自主探究式学习具有重要作用。现有的网络课程使用类似于教材目录的方式结合内外部链接来实现学习内容导航，学习者经常要在多层、交互联系的各个页面之间频繁跳转，致使学习内容在学习者头脑中的意义建构的整体性不强。而且，这种导航方式缺乏个性化，不能根据学习者的知识状态变化为学习者提供动态的引导和提示。据此，本研究在基于主题图的知识组织模型的基础上，提出了一种个性化、图形化的导航方式。
1 学习者知识状态建模
为了向学习者提供个性化的学习导航，必须构建一个动态的学习者模型，用以存储学习者的知识状态信息。学习者模型是学习者的个体特征在计算机系统中的一种抽象表示，代表了学习系统所理解的“学习者”[8]。在众多的个体特征中，最重要的是学习者的知识状态，它指明了学习者哪些知识没有掌握、哪些知识已经掌握了、掌握到了什么程度，是网络课程为学习者提供个性化导航的重要依据。
目前，表征学习者知识状态信息的学习者模型主要有：铅板模型、覆盖模型、约束模型和贝叶斯网络模型等[9]。在这些模型中，覆盖模型被认为是迄今最有效的一种知识状态建模方法，也是当前使用最多的一种方法。该模型将学习者拥有的知识看作是领域知识的一个子集，学习者的学习目标是逐渐的逼近和覆盖领域知识的集合。该模型通常采用“键—值”对的数据结构来实现，即给每个领域知识概念分配一个权值，用以表示学习者对该领域概念的掌握程度，这个值可以是离散的、连续的或是一个多维向量。据此，本研究使用二值离散覆盖模型，来表示学习者对网络课程中某一个知识点是否已经掌握。
结合XTM的语法规范，可以通过定义一种主题来表示学习者、定义学习者与知识点之间的一种关系来表示学习者是否掌握了该知识点，从而实现学习者的知识状态建模[10]。例如，表征学习者“小明”掌握了知识点“勾股定理”的XTM语法为：
在上述代码中，首先用
2 网络课程知识的个性化导航
在传统的网络课程中，目录树在学习导航中起到了非常重要的作用，它清晰地揭示了知识间的纵向关系，能够使学习者快速、准确地定位到想要到达的章节。在基于主题图的网络课程知识组织模型中，定义了章和节两种知识主题，并使用“包含”关系指明了二者的层级关系，因此依然可以提取出各章、节形成一个目录树，来实现知识的纵向导航。
目录树导航虽然能够较好地实现网络课程在章、节层面上的导航，然而无法深入到知识点层次，不能揭示知识点之间的横向和纵向关联。在基于主题图的网络课程知识组织模型中，还定义了知识点以及知识点之间的类属、包含、相关等关系。为了向学习者呈现知识点之间的逻辑关联，实现知识点层次上的学习导航服务，可以使用图结构来表征知识点形成的网状结构。图结构中的每一个节点表示一个知识点，节点之间的弧表示知识点之间的关系。图结构具有非线性和连续性等特征，更加接近知识的逻辑结构和人类的思维方式。因此，知识点的图结构导航能够较好地支持学习者的自主探究式学习。
此外，学习者知识状态模型记录了学习者已经掌握了哪些知识点，据此可以在网络课程的知识点图结构导航中标识出学习者已经掌握的知识点，并根据知识点之间的逻辑关系向学习者推荐下一步应该学习的知识点，从而实现知识点层次上的个性化导航服务。
在上述研究的基础上，本研究以“Java程序设计”网络课程为例，在主题图工具集Ontopia的基础上实现了基于主题图的网络课程知识组织与个性化导航服务，如图3所示。具体来说，当学习者选择“课程内容”时，网络课程为学习者提供章、节的目录式导航；当学习者继续选择某一节时，网络课程以图结构形式向学习者提供知识点的学习导航。知识点的图结构导航采用不同的颜色，来标识学习者已经掌握的知识点和知识点之间的不同关系。当学习者选择某一个具体的知识点时，网络课程进一步向学习者展示该知识点的内容描述、相关资源、相关讨论和练习测验。学习者通过一个知识点的练习测验后，该知识点的状态将变为“已掌握”。
图3 “Java程序设计”网络课程的学习内容导航服务
四总结与展望
学习导航是网络课程需要提供的一项非常重要的学习支持服务，它就像一个“支架”引导着学习者的自主探究式学习，并直接关系到网络课程的学习结果。传统的网络课程使用超链接技术来组织课程知识，采用类似目录的方式结合内外部链接来实现网络课程知识的学习导航，这种知识组织与学习导航方式使学习者对课程知识建构的整体性不强，且容易导致“迷航”，同时也缺乏个性化。针对这些问题，本研究提出了一个基于主题图的网络课程知识组织模型和一种基于学习者知识状态模型的个性化导航方法。这种网络课程知识组织模型和知识导航方法能够深入到知识点层次，揭示知识点之间的复杂关系，避免学习者出现迷航问题，更适合引导、支持学习者的自主探究式学习。
然而，网络课程的知识组织与导航是一个复杂的问题，它涉及心理学、教育学、知识工程、计算机科学等多方面的知识；知识的结构也非常复杂，本研究提出的知识组织模型还不能完全揭示知识的复杂性。因此，有必要从不同的角度定义知识点之间的关系，并在知识点学习导航中提供多种视图，以满足不同个性的学习者的需要——这些问题，将是笔者下一步的研究方向。
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编辑：小米
A Topic Map-based Personalized Navigation for Online Courses Knowledge
HUANG Huan1LIU Qing-tang2TIAN En-shun1
The current construction of online courses in our country has made great achievement. But most of online courses still have the problems that the learners’ exploratory self-learning was not supported and the strategy, method oriented for learners’ cognitive support were absent. This paper proposed an online course knowledge organization model based on topic map, and a personalized navigation method based on students’ knowledge state model. The paper also carried out demonstration research by taking the course of “Java Program Design” for example. The constructed model can effectively reveal and represent the complicated relationship between each knowledge unit, and establish a good foundation for the knowledge navigation service. The constructed method could dynamically record the learners’ knowledge state, provide personalized knowledge navigation service to learners using the form of graph structure, prevent the disorientation problem in learning and was more suitable to guide exploratory self-learning.
online courses; topic maps; knowledge navigation
G40-057
A
1009—8097（2016）09—0099—07
10.3969/j.issn.1009-8097.2016.09.015
本文为中南民族大学基本科研业务费专项资金项目“基于主题图的网络课程知识组织与个性化导航研究”（项目编号：CSQ15016）的阶段性研究成果，并受国家自然科学基金“面向Web信息的知识融合关键技术研究”（项目编号：61272205）、湖北省教育科学规划研究一般项目“思维导图与课程教学整合对大学生创新思维的影响”（项目编号：2015GB025）资助。
黄焕，讲师，博士，研究方向为知识挖掘与服务、教育数据挖掘，邮箱为hbdx_hh@163.com。
2015年11月2日
