自适应学习系统设计与实现

自 适 应 学 习 系 统 设 计 与 实 现 汇 报 内 容l 引 言l 自 适 应 学 习 系 统 设 计l 自 适 应 学 习 系 统 实 现 一 、 引 言l 自 适 应 超 媒 体 系 统 定 义 (Brusilovsky, 1996) hypertext and hypermedia systems which reflect some features of the user in the user model and apply this model to adapt various visible aspects of the system to the user. In other words, the system should satisfy three criteria: l it should be a hypertext or hypermedia system l it should have a user model l it should be able to adapt the hypermedia using this model l 其 他 自 适 应 学 习 系 统 定 义l attempt to be different for different students and groups of students l attempt to be more adaptive by building a model of the goals, preferences, knowledge and performance of each individual student (user/learner model) and using this model throughout the interaction with the student in order to adapt to the needs of that student 一 种 通 用 的 自 适 应 学 习 系 统 模 型 美 国 匹 兹 堡 大 学 信 息 科 学 学 院 的 Peter Brusilovsky提 出 了 一 个 自 适 应 学 习 系 统 （ 也 称 为AEHS， Adaptive Educational hypermedia systems） 的 通 用 模 型 。 自 适 应 学 习 系 统 通 用 模 型 AEHS包 含 四 个 主 要 组 件 ：l 领 域 模 型 （ Domain Model） ， 描 述 领 域 知 识 结 构 ， 包括 概 念 和 概 念 间 的 联 系 ；l 学 生 模 型 （ Student Model） ， 也 称 为 用 户 模 型 （ UM，User Model） ， 代 表 学 生 特 征 ， 描 述 每 一 用 户 的 知 识 、倾 向 及 兴 趣 爱 好 等 信 息 ；l 教 育 学 模 型 （ Pedagogical Model） ， 定 义 了 根 据 学 生模 型 中 的 信 息 访 问 领 域 模 型 各 个 部 分 的 规 则 ；l 自 适 应 引 擎 （ Adaptive Engine） ， 是 创 建 和 更 新 领 域概 念 及 链 接 的 全 部 软 件 环 境 ， 使 用 其 他 模 型 中 的 信 息 对学 习 者 进 行 个 性 化 的 选 择 、 注 释 和 呈 现 学 习 内 容 ； l 接 口 模 块 （ Interface Module） ， 代 表 并 定 义 了 用 户 与自 适 应 学 习 系 统 间 的 交 互 。 研 究 现 状l 自 适 应 学 习 系 统 主 要 参 考 模 型 （ 黄 伯 平 、 赵 蔚 等 . 自 适 应 学 习 系 统 参 考 模 型 比 较 分 析 研 究 . 中 国 电 化 教 育 J， 2009， (8):97-101.）l AHAM（ 自 适 应 超 媒 体 应 用 模 型 ）l 典 型 系 统 有 AHA! l LAOS（ Layered WWW AHS Authoring Model）l 典 型 系 统 有 MOT（ My Online Teacher） l XAHM （ XML 自 适 应 超 媒 体 模 型 ）l 典 型 系 统 有 DISASl WebML， 是 一 种 可 视 化 语 言 ， 用 于 具 体 说 明 Web应用 程 序 的 内 容 结 构 和 内 容 组 织 呈 现 并 将 其 转 化 为 超文 本 形 式 。 l 典 型 系 统 有 CMS（ Conference Management System） 研 究 现 状l 从 学 习 风 格 角 度 考 虑 l 基 于 蚁 群 算 法 ACS l 基 于 关 联 规 则 挖 掘 算 法 IDEAL l 基 于 Felder-Silverman（ 菲 尔 德 希 尔 佛 曼 ） 学 习风 格 模 型 CS388、 Tangow、 MANIC、MASPLANG、 LSAS等l 基 于 Honey & Mumford（ 哈 尼 芝 福 ） 学 习 风 格模 型 INSPIRE l 从 认 知 水 平 角 度 考 虑 l 基 于 遗 传 算 法 PELS l 基 于 关 联 规 则 算 法 ELM-ART 我 们 的 研 究l 在 用 户 模 型 中 主 要 考 虑 学 习 风 格 和 认 知 水 平 。l 研 发 了 SAELS（ Semantic Adaptive E-learning System） 。l 该 系 统 引 入 本 体 ， 能 对 学 习 资 源 进 行 语 义 描 述 ，对 学 习 风 格 、 认 知 水 平 进 行 语 义 诊 断 ， 使 学 习资 源 和 学 习 路 径 根 据 学 习 者 模 型 动 态 呈 现 ， 实现 了 资 源 共 享 、 重 用 和 个 性 化 推 荐 。l 实 现 学 习 者 适 应 系 统 和 系 统 适 应 学 习 者 的 双 向适 应 。 二 、 自 适 应 学 习 系 统 设 计 1.自 适 应 学 习 系 统 参 考 模 型 l 用 户 模 型 （ User Model） 和 学 习 行 为（ Learning Behaviors）l 用 户 模 型 描 述 用 户 的 个 体 特 征 ， 如 学 习 者 基 本 信 息描 述 （ 姓 名 、 性 别 、 出 生 日 期 、 电 话 、 电 子 邮 件 、受 教 育 水 平 、 职 业 等 ） 、 学 习 风 格 、 认 知 水 平 和 兴趣 偏 好 等 。 l 学 习 行 为 记 录 了 学 习 者 的 学 习 历 史 过 程 （ 如 学 习 者访 问 学 习 资 源 的 媒 体 类 型 、 学 习 时 间 、 访 问 次 数等 ） ， 系 统 可 以 根 据 用 户 的 学 习 历 史 记 录 不 断 的 更新 用 户 模 型 。 l 领 域 模 型 （ Domain Model） l 描 述 领 域 知 识 的 结 构 ， 包 括 概 念 和 概 念 间 的 联 系 ，每 个 概 念 可 以 有 不 同 的 属 性 ， 具 有 相 同 属 性 的 概 念可 以 是 不 同 的 数 据 类 型 。 概 念 间 的 联 系 是 联 系 两 个或 更 多 概 念 的 对 象 ， 具 有 唯 一 标 识 值 和 属 性 。 l 自 适 应 模 型 （ Adaptation Model） l 定 义 了 如 何 根 据 用 户 模 型 中 的 信 息 访 问 领 域 模 型 各个 部 分 ， 产 生 自 适 应 动 作 ， 以 及 如 何 修 改 用 户 模 型的 一 套 规 则 ， 这 些 规 则 体 现 出 对 课 程 的 教 学 设 计 的思 想 。l 自 适 应 引 擎 （ Adaptive Engine） l 对 应 着 系 统 的 实 现 ， 执 行 适 应 性 规 则 ， 根 据 用 户 模型 选 择 、 组 装 和 呈 现 页 面 ， 实 现 根 据 用 户 学 习 行 为历 史 记 录 修 改 与 维 护 用 户 模 型 等 。 l 呈 现 模 型 （ Presentation Model） 系 统 根 据 用 户 模 型 、 领 域 模 型 、 自 适 应 模 型 通 过自 适 应 引 擎 实 现 内 容 、 导 航 和 学 习 活 动 序 列 等 三 方 面的 适 应 性 显 示 。l 内 容 显 示l 系 统 根 据 用 户 的 学 习 风 格 呈 现 出 不 同 媒 体 类 型 （ 如 视 频 、图 片 、 文 本 等 ） 。l 系 统 根 据 用 户 的 学 习 风 格 呈 现 出 不 同 事 实 或 抽 象 等 特 性 的学 习 内 容 。 l 导 航 ： 系 统 根 据 学 习 风 格 、 认 知 水 平 划 分 为 全 局 性 导航 和 局 部 性 导 航 。 l 全 局 性 导 航 主 要 由 领 域 知 识 树 形 结 构 来 呈 现 ， 通 过 树 形 结构 可 以 显 示 出 课 程 的 完 整 知 识 体 系 ， 并 通 过 学 习 状 态 标 记显 示 出 当 前 学 习 者 对 知 识 的 掌 握 状 态 。l 局 部 导 航 为 学 习 者 提 供 了 知 识 概 念 图 ， 能 够 清 楚 的 展 现 当前 知 识 点 的 相 关 知 识 、 先 前 知 识 、 后 向 知 识 。 l 呈 现 模 型 （ Presentation Model）l 学 习 活 动 序 列 ： 系 统 根 据 学 习 者 的 学 习 风 格 适 应 推荐 学 习 序 列 。l 如 对 于 活 跃 型 学 习 者 ， 则 系 统 推 荐 学 习 活 动 序 列 是 ： 参与 讨 论 （ 必 选 ） 阅 读 学 习 材 料 （ 推 荐 ） 个 案 研 究（ 推 荐 ） 做 练 习 （ 必 选 ） 完 成 测 试 （ 必 选 ） ；l 对 于 沉 思 型 学 习 者 ， 则 系 统 推 荐 学 习 活 动 序 列 是 ： 阅 读学 习 材 料 （ 必 选 ） 个 案 研 究 （ 必 选 ） 参 与 讨 论 （ 推荐 ） 做 练 习 （ 必 选 ） 完 成 测 试 （ 必 选 ） 。 2. 用 户 模 型 构 建l 国 际 上 最 为 重 要 的 用 户 建 模 标 准 是 IMS LIP和IEEE PAPI。l 国 内 用 户 建 模 标 准 是 教 育 部 教 育 信 息 化 技 术 标准 委 员 会 在 CELTS中 定 义 的 学 习 者 模 型CELTS-11、 学 生 身 份 标 识 CELTS-13和 学 力定 义 规 范 CELTS-14。l 本 系 统 依 据 IEEE PAPI和 CELTS-11。 用 户 模 型 的 组 成 部 分类 别 组 成 部 分学 生 描 述 姓 名 、 性 别 、 出 生 日 期 、 电 话 、 电 子 邮 件 、 受 教 育 水 平 、职 业学 习 风 格 信 息 加 工 （ 活 跃 /沉 思 ） 、 感 知 （ 感 悟 /直 觉 ） 、 信 息 输 入（ 视 觉 /言 语 ） 、 内 容 理 解 （ 序 列 /综 合 )认 知 水 平 背 景 知 识 、 知 识 熟 练 程 度 、 认 知 能 力 （ 识 记 、 理 解 、 应用 、 分 析 、 综 合 、 评 价 ）兴 趣 偏 好 偏 好 资 源 类 型 （ 图 像 、 动 画 、 音 频 /视 频 、 文 本 ） 、 偏 好资 源 时 间 、 参 与 讨 论 主 题 、 关 注 知 识 点学 习 历 史 学 习 路 径 、 学 习 资 源 类 型 、 停 留 时 间 、 浏 览 次 数 、 练 习 次 数 学 习 风 格l Felder-Silverman学 习 风 格 模 型 （ 由 Felder和Soloman开 发 了 此 学 习 风 格 的 量 表 ， 称 为 所 罗 门学 习 风 格 量 表 ） ；l 用 于 系 统 前 测 推 断 用 户 学 习 风 格 ， 现 已 得 到 越 来越 多 研 究 者 的 认 可 ；l 大 量 实 验 数 据 表 明 ， 其 在 网 络 教 学 环 境 下 具 有 良好 的 适 用 性 和 信 效 度 。 Felder-Silverman学 习 风 格 模 型l 4个 组 维 度 8种 类 型 信 息 加 工 （ 活 跃 /沉 思 ） 感 知 （ 感 悟 /直 觉 ） 信 息 输 入 （ 视 觉 /言 语 ） 内 容 理 解 （ 序 列 /综 合 ) 学 习 风 格 确 定 及 更 新 过 程l 依 据 所 罗 门 学 习 风 格 量 表 ， 在 注 册 系 统 时 测 试得 出 一 个 初 始 的 用 户 学 习 风 格 ；l 经 过 一 段 时 间 的 学 习 ， 通 过 挖 掘 学 习 行 为 模 式再 对 系 统 中 的 用 户 学 习 风 格 进 行 更 新 直 至 符 合真 实 的 用 户 学 习 风 格 ；l 根 据 不 同 类 型 的 学 习 风 格 ， 适 应 性 地 向 用 户 推荐 最 佳 学 习 活 动 序 列 和 学 习 资 源 。 l 本 系 统 依 据 不 同 类 型 的 学 习 风 格 呈 现 不 同 的l 学 习 活 动 序 列 l 学 习 资 源 媒 体 类 型 l 学 习 资 源 抽 象 程 度 l 学 习 过 程 行 为 模 式 用 户 模 型 本 体 概 念 模 型 参 考 规 范 l 学 习 风 格 与 活 动 序 列 l 是 指 为 达 到 学 习 目 标 ， 系 统 能 根 据 用 户 的 个 性 差 异呈 现 出 一 套 切 实 可 行 的 学 习 方 案 ， 这 个 学 习 方 案 整合 了 学 习 目 标 、 学 习 任 务 、 操 作 步 骤 、 交 互 形 式 、评 价 机 制 等 。l 学 习 风 格 与 媒 体 类 型l 媒 体 类 型 是 指 用 于 描 述 用 户 选 择 资 源 媒 体 格 式 时 的倾 向 。 l 学 习 风 格 与 抽 象 程 度 l 抽 象 程 度 是 指 用 于 描 述 用 户 选 择 学 习 事 实 、 结 构 化 、有 序 化 的 知 识 或 是 选 择 新 概 念 抽 象 知 识l 学 习 风 格 与 行 为 模 式 l 登 陆 系 统 （ 登 陆 次 数 、 登 陆 总 时 间 ）l 访 问 论 坛 （ 访 问 次 数 、 访 问 时 间 、 发 帖 量 、 读 贴 量 ）l 测 试 系 统 （ 单 次 测 试 所 用 时 间 、 单 次 测 试 预 设 时 间 ）l 学 习 资 源 （ 媒 体 类 型 、 抽 象 系 数 、 学 习 次 数 、 实 际 学习 时 间 、 学 习 预 设 时 间 ） l 更 新 用 户 模 型 中 的 学 习 风 格 直 至 使 其 符 合 真 实 的 学 习者 学 习 风 格 认 知 水 平l 认 知 水 平 的 估 算 主 要 通 过 学 生 的 练 习 测 验 记 录估 算 出 学 生 对 某 一 知 识 点 的 掌 握 情 况 ， 然 后 系统 根 据 用 户 的 认 知 水 平 不 同 推 荐 相 应 层 次 的 知识 资 源 ， 从 而 制 定 更 加 个 性 化 的 学 习 过 程 和 学习 目 标 。l 从 两 个 维 度 出 题 ： 概 念 知 识 理 解 等 级 （ C） 、难 度 级 别 （ D） 。l 采 用 概 念 累 积 计 分 法 估 算 学 生 认 知 水 平 。 问 题 (Q) 概 念 累 积 计 分 参 考 值识 记 （ 1 ） 领 会 （ 2 ） 运 用 （ 3 ）难 度级 别 回 答正 确 难 度级 别 回 答正 确 难 度级 别 回 答正 确问 题 1 0 .8 0 .8 0 .3 问 题 2 0 .9 0 .5 0 .2问 题 3 0 .8 0 .3 0 .1平 均 难 度 级 别（ arank） 0 .8 3 0 .5 3 0 .2实 际 累 积 计 分（ rscore） 3 4 3参 考 值 （ rvalue） 3 6 9理 解 等 级 (C) 3.领 域 模 型 构 建l 依 据 Dublin Core和 IEEE LOM两 大 元 数 据 标准 ；l 从 章 、 节 、 知 识 点 和 学 习 对 象 四 部 分 设 计 领 域模 型 ；l 学 习 对 象 本 体 描 述 知 识 点 的 各 种 属 性 映 射 实 体 ，包 括 与 用 户 模 型 相 匹 配 的 媒 体 类 型 、 抽 象 系 数 、活 动 序 列 、 呈 现 顺 序 等 属 性 。 领 域 模 型 的 设 计 规 范 三 、 系 统 的 实 现l 核 心 技 术l JAVA+SQLServer技 术l 本 体 技 术 系统的主界面图 平 台 网 址 ： http:/59.73.198.233:9000/sals/ 活 跃 型 与 沉 思 型 更 多 影 响 的 是 学 习 者 的 学 习 活 动 序 列 活 跃 型 学 习 活 动 序 列 沉 思 型 学 习 活 动 序 列 视 觉 型 与 言 语 型 更 多 影 响 的 是 学 习 资 源 的 媒 体 类 型 言 语 型 学 习 资 源 视 觉 型 学 习 资 源 查 看 知 识 点 的 前 项 知 识 点 、 后 向 知 识 点 和 相 关 知 识 点 采 用 JAVA的 开 源 类 库 JFreeChart实 现 对 学 习 者 学 习 过 程 中 学 习行 为 （ 包 括 访 问 学 习 对 象 媒 体 类 型 和 时 间 ） 进 行 实 施 动 态 监 控 总 结l 自 适 应 学 习 系 统 能 够 为 学 习 者 提 供 个 性 化 的 学习 服 务 ， 根 据 学 习 者 特 征 ， 采 取 相 应 的 学 习 策略 ， 推 荐 个 性 化 的 学 习 资 源 和 学 习 路 径 。l 本 研 究 实 现 了 以 本 体 技 术 为 核 心 ， 以 用 户 模 型为 依 据 的 个 性 化 学 习 资 源 和 学 习 路 径 推 荐 ， 真正 实 现 了 学 习 的 个 性 化 。 l 进 一 步 工 作 进 行 实 证 研 究 ， 检 验 系 统 推 荐 的 最 佳 学 习 路径 和 适 应 性 学 习 内 容 的 信 度 和 效 度 ， 进 一 步修 正 系 统 ， 使 系 统 趋 于 完 善 。 发 表 相 关 论 文 及 获 奖1. 基 于 用 户 模 型 的 个 性 化 本 体 学 习 资 源 推 荐 研 究 .中 国 电 化 教 育 ， 2010(5).2. 基 于 Felder-Silverman量 表 用 户 学 习 风 格 模 型 的 修 正 研 究 .现 代 远 距 离 教 育 ， 2010(1).3. 自 适 应 学 习 系 统 参 考 模 型 比 较 分 析 研 究 .中 国 电 化 教 育 ， 2009(8). 4. 语 义 网 自 适 应 学 习 系 统 中 领 域 本 体 的 构 建 .吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 ),2008(9).5. 基 于 语 义 网 的 自 适 应 学 习 系 统 中 用 户 模 型 的 研 究 .开 放 教 育 研 究 ， 2008(4). 6. 基 于 认 知 风 格 的 Web数 据 挖 掘 构 建 学 生 模 型 .现 代 远 距 离 教 育 ， 2008(2) .7.基 于 Web的 自 适 应 教 育 超 媒 体 系 统 现 状 及 前 景 分 析 .中 国 电 化 教 育 ， 2007(3) . 8. Pedagogical Strategy Model in Adaptive Learning System Focusing on Learning Styles. Edutainment 2010:International Conference on E-learning and Games. Changchun China,2010.8. (EI)9. SOA Solution of Adaptive Learning System in Semantic Learning Web. Proceedings of 2009 International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering. Wuhan China,2009.12. (EI)10. Student Model in Adaptive Learning System Based on Semantic Web. Proceedings of the First International Workshop on Education Technology and Computer Science, IEEE Computer Society. Wuhan China,2009.3. (EI)11.指 导 硕 士 学 位 论 文 语 义 网 环 境 下 的 自 适 应 学 习 系 统 中 用 户 模 型 的 研 究 ， 获 吉 林 省 优 秀硕 士 学 位 论 文 （ 2010） ， 吉 林 省 学 位 委 员 会 .