基於SCOSM自適應教學模型設計論文

基於SCOSM自適應教學模型設計論文

摘 要：本論文詳細闡述了SCOSM模型的組成和構建；構建了一個能夠反映認知能力的學生模型，和一個智能的教學模型，它們能夠結合自適應引擎和教學策略一起實現知識的動態調度和教學規劃，以實現資源共享的自適應教學。

關鍵詞：可共享內容對象結構模型；學習者模型；教學模型；自適應教學系統

M模型

1.1SCOSM模型的組成

SCOSM由內容格式模型，結構層次模型，包裝交換模型和對象導航模型四部分組成。

內容格式模型描述學習內容對象的各種屬性格式，重點在於突出內容的檢索和交換的屬性，把表現形式和內容完全剝離開來。它是內容結構模型的核心，解決了創建學習內容的規範化格式問題，把學習內容格式化，並添加若干屬性，用於實現內容對象的共享和可檢索。

結構層次模型適應原始學習內容本身具有的層次性，有利於更好地組織學習內容，解決內容對象滿足不同層次的共享問題。

包裝交換模型解決了不同系統不同平台內容對象的交換和共享問題。它來自於國家教委的現代遠程教育資源建設規範，因為只有大家都遵守共同的規範才能在最大範圍內實現共享和重用。

對象導航模型重點描述內容對象之間的聯繫，分析內容對象之間鏈接關係，解決內容對象之間遍歷和“謎向”的問題，為學習者提供學習路徑的策略，滿足學習者“探索式”學習的需求。下面分別進行描述。

1．內容格式模型

有兩類內容對象，一類是ACO（Atom Content Object，原子內容對象），即不可再分的內容對象，它是學習內容的最小單位，在它的基礎上可以組合成更大粒度的內容對象。另一類是MCO（Multiple Content Object，複合內容對象），它是由原子內容對象複合而成，是學習內容的主要形式。兩類內容對象都有自己的屬性和內容數據，內容格式模型就是把學習內容格式化，並添加若干屬性，來實現內容對象的共享和檢索。

(1)複核內容對象格式描述

複合內容對象格式描述可用表1-1來表示。

表1-1 複合內容對象格式表

名稱

數據類型

大小

允許空

含義

ID

char

12

否

表示該內容對象的標識

Title

Varchar

50

否

內容對象的名稱或標題

Author

Varchar

10

否

內容對象的製作者

Date

DateTime

12

否

製作日期

Subject

Varchar

30

否

內容對象的主題

Keyword

Varchar

20

否

可用於檢索本內容對象的關鍵字集

Content

Varchar

20

是

具體組成的原子內容對象

Link

char

10

否

內容對象的相關鏈接，形成內容序列

Ref_CO

Data

10

是

要學習該內容對象所需的基礎內容對象

Difficulty

Varchar

6

否

定義該內容對象的難度

Importance

Data

6

否

級別根據不同系統自定

Mastery threshold

Varchar

8

否

掌握該內容對象的衡量標準

(2)原子內容對象格式描述

考慮到教學內容的各個環節，如：測試、掌握程度等，把它作為一個內容對象的組成部分。每個內容對象可根據實際情況擁有全部或部分屬性。

原子內容對象格式描述如圖1-1所示

圖1-1 原子內容對象內容格式模型圖

2．結構層次模型

內容對象必須以層次結構的形式來進行設計和製作，達到最大程度的重用。這裏，完整的結構層次模型可分為五個層次：素材內容，原子內容對象，複合內容對象，課和課程。它們的層次模式如圖1-2所示。

圖1-2 內容對象結構層次模型圖

(1)素材內容

主要是指組成學習內容對象的原始素材，比如文本內容，圖片，表格，聲音，視頻內容等等，是整個結構模型的最底層。

(2)原子內容對象

它是在素材內容的基礎上根據一定的教學意義把各種素材內容集成到一起而形成的內容對象。學習者可以根據自己的需求來選擇ACO來學習，也可以把ACO組合成更大的MCO或課等來學習，保證了學習形式上更大的靈活性。

(3)複合內容對象

若干個ACO可以組成更大粒度的MCO。學習者可以選擇MCO單元來整體學習，也可以選擇單個的ACO進行復習或與其它概念比較學習等。可以把學習單元或學習模塊都看作是MCO，只不過複合的層次不同，或大小粒度不同罷了。MCO不只是僅僅由ACO組成，也可以由MCO和ACO組合而成，可以進行多層的嵌套，這都是根據學習者的需求來定的。

(4)課

它的概念相當於書本中的一章或一節的知識內容，同樣是由MCO和ACO組成，從某種意義上説課和課程都是MCO，只是學習的目標層次不同，這樣劃分既方便學習者選擇學習內容，也有利於內容的共享。

(5)課程

課程的範圍更寬一些，相當於一本書或一門課的內容，比如“局域網技術和應用”就可以形成一門課程，它有具體的學習目標，測試，評估等等。

3．包裝交換模型

內容包裝交換模型的目的是定義一種能夠用來交換學習內容的標準數據結構，為學習資源的製作提供標準數據綁定的基礎，從而使學習資源可以在不同的創作工具、學習管理系統和運行環境之間互操作。這個包裝交換模型來自於國內的DLTS，其參考模型是IMS的內容包裝模型，具體的模型如圖4-3所示。

圖1-3 包裝交換模型

圖中描述的包由兩個主要元素組成：一個特定的XML文件描述了包中內容組織和資源以及由XML描述的物理文件。一旦一個包為了傳輸而被合成一個單獨文件時，將會被稱作包交換文件。

一個包代表了一組可單獨使用和可複用的學習內容對象。一個包可能是課程的一部分、一個ACO或者MCO，它是可以獨立使用的有意義單元，還可以被組合或分解成其它的包。包必須能夠獨立存在，即它包含了被單獨運行時或複用時需要的所有信息。

包並不一定要求組合成一個包交換文件。一個包不需壓縮成一個單獨文件就可以通過CD或其它可移動媒體發佈。內容清單文件和該文件所需要的XML支持文件（DTD，XDR，XSD）必須發佈在媒體的根目錄下。

4．對象導航模型

內容對象不是孤立存在的，MCO與MCO之間，ACO與ACO之間，MCO與ACO之間，或者課程、課相互之間都存在着導航關係。只討論MCO與MCO之間，ACO與ACO之間，MCO與ACO之間的導航關係。導航關係是連接與一個學習單元（ACO或MCO）相關的其他學習單元的鏈接關係，導航關係的確定在整個學習過程中具有重要的作用，因為整個學習內容的學習過程是以內容對象為基礎的，學習者以哪個內容對象作為學習的開始，按照知識的掌握程度下一步應該學習哪個內容對象，都需要導航關係做出判斷和確定。

1.2基於XML的SCOSM模型描述

1．DTD文檔約束

可以用XML來對內容對象的屬性和數據進行描述。規範的XML文檔都必須是格式良好的，下面的DTD文檔用來定義內容對象的規範和保證XML文檔的有效性。

(1)定義MCO的DTD文檔，如圖1-4所示。

圖1-4 定義MCO的DTD文件部分

(2)定義ACO的DTD文檔，如圖1-5所示。

圖1-5 定義ACO的DTD文件部分

2．內容交換模型的描述

由文件來描述內容交換模型，它包含了基本的內容包裝信息：內容對象描述，序列，和內容對象文件名。這個文件必須放在內容對象目錄的頂層，可以使用任何文本編輯器來讀取和編輯它。

3．實現SCOSM內容對象資源庫共享

內容對象資源庫，既要為自適應遠程教學系統提供學習內容，又要滿足互聯網上其他用户的檢索和交換服務，這就必須分別通過發佈引擎和交換引擎來實現，還要求資源庫必須支持XML，同時提供高效率的數據管理和檢索服務。進行數據交換或者提供給學習者學習的時候，必須按照標準的內容包裝信息才可以實現數據共享。流程如圖1-6。

圖1-6 內容資源共享流程

在服務器端，由內容對象調用接口來解析來自資源庫的內容包裝信息，加載相關內容對象，由內容對象序列控制來完成內容對象的集成、拆分，並完成學習者的內容對象序列控制。在客户端，主要完成內容對象的發佈。

2.學習者模型建模

2.1模型的建立

1．學習者模型概述

教學模塊就是根據學習者模型提供的信息，選擇適合當前學習者的教學內容、教學步驟，來實現自適應智能化遠程教學。所以學習者模型是實現自適應智能化遠程學習的核心和關鍵，它是對學習者信息的抽象描述和表示。針對不同的應用需求，學習者模型中所描述的信息有所不同。

學習者模型（Student-Model）是一種表徵學習者認知狀態的數據結構，是本教學系統進行智能化教學的依據。依據教育信息化技術標準委員會（CELTSC）制定的學習者模型規範，學習者元數據由五個部分組成：

(1)學習者基本信息：姓名、ID、密碼、性別、班級、年齡、Email；

(2)學習歷史：課程標號、瀏覽過的URL、登錄次數、學習時間、教學活動形式；

(3)學習者知識結構：課程編號、知識點編號、各知識點的認知能力情況、知識缺陷和存在問題；

(4)績效信息：各知識點的編號、測試成績；

(5)學習偏好：學習動機、認知策略、社會特徵。

2．學習者數據的初始化

學習者模型是依據學習者和系統之間的交互作用及應答歷史而形成的。本課題對學習者模型“基本信息庫”中的個人信息、學習動機、學習策略傾向等靜態信息在學習者註冊階段，通過表單問答的方式獲得，存儲在學習者基本信息庫中。

註冊成功以後，學習者每次按其ID號登錄進入本系統，不必再填表單。登錄時，學習者可以通過測試，所得的各項數據信息，經計算後得到認知能力的“初始估計值”（值域為0—1），系統將根據這個值推薦學習內容。

3．學習者模型的生成與動態更新。

課程的用户都是註冊的用户，用户第一次進入課程學習的時候要進行入門測試，獲得用户的初始知識狀態和他的某些學習風格，進入課程學習後，用户與系統的交互信息被記錄下來用以對用户模型進行維護。主要的用户交互信息記錄有：對學習單元的訪問時間與次數和單元練習記錄情況。為了能夠及時反映學習者知識能力和技能狀態的變化，可以從服務器端、客户端和代理端跟蹤、採集個體在學習過程中產生的學習行為數據。這些“學程信息”經記錄和模糊評價後，分別存儲在學習者模型庫數據庫中。其中的學習者知識結構庫、學習績效庫中的數據，可以清晰地記錄和評價學習者學習的進步。

本文采用“測試→評價→調整”的方法來實現學習者模型的動態修改，逐步逼近地實現學習者模型。

2.2模型的結構

１．學習者模型的結構

從信息處理的角度看，學習者建模的實質是分析和處理學習者的相關信息，包括模型表示和模型診斷兩個方面。模型中的信息流如圖2-1所示。

圖2-1 學習者模型的結構

學習者模型表示的方法與所學領域知識緊密相關。根據模型表示的信息與領域知識的關聯程度，可分為領域相關信息和領域無關信息兩種。在實際的自適應教學系統中，學習者模型的信息表示方法可分為定量描述和定性描述兩類。

定量描述方法量化學習者的學習行為和認知狀態，定性描述則只能給出説明性的信息描述詞句，這樣能夠較好地向用户輸出，但具有模糊性。

3教學模型

教學模塊的作用是模擬人類教師的行為，把領域知識以恰當的方式傳授給學習者。在智能教學系統中，教學模塊根據學習者模型中反映出的學習者的實際情況，選擇合適的知識傳授給學習者，監督並評價學習者的行為，應學習者的請求提供幫助和選擇糾正辦法。

教學模塊中的教學方法稱為教學策略。智能教學系統中所採用的教學策略主要有以下幾種：

1．診斷式教學策略

大多數智能教學系統採用了這種方法，其教學形式是：系統提出學習任務，對學習者的響應作出評價，並糾正學習者理解上的錯誤。

2．模擬環境式教學策略

這種方式為學習者提供一個學習環境，由學習者自己去試驗、探索，在不斷的嘗試中學習新知識，是一種反應式的方法，它鼓勵學習者糾正自身的知識錯誤。模擬環境的教學方法增加了學習者參與的機會，會極大激發學習者的學習興趣，但是它要求學習者對基本的領域知識已有所瞭解。

3．蘇格拉底式教學策略

這種教學法以問答方式問學習者問題，它鼓勵學習者推理自己懂得的東西，並藉此修正學習者的概念，達到教學目的。蘇格拉底法教學特別適合於教複雜的課題，在這些課題中各種因素交互作用，並且根據所研究的現象互相對話。

本系統教學模塊採用了幾種策略的混合，如診斷式、模擬環境式、蘇格拉底式教學策略的混合使用。

4.小結

本論文主要介紹SCOSM模型、學習者模型和教學模型的建立，以實現資源共享的自適應教學，在學習對象思想的基礎上，結合XML語言的應用，提出可共享的學習內容對象結構模型，是為了解決如何把利用面向對象的思想付諸到創建學習資源的實踐中。

參考文獻：

Changtao Qu. Towards Open Standards: the Evolution of an XML/JSP/WebDAV Based Collaborative Courseware Generating System. International Conference on Advanced Learning Technologies (IEEE ICALT 2001), 2001. 8

任慶東，蘇斐．利用XML實現異源數據庫中的數據交換．計算機應用研究，2001，18(12)：129～130