自适应学习系统中学习者模型与教学模型研究

【摘要】：自适应学习系统能够依据学习者的多种特点和行为倾向为学习者提供适应性学习内容及导航功能,采用个性化教学策略为学习者推荐个性化学习路径和学习资源,以满足学习者的个性化需求。自适应学习系统的研究在大学或研究机构取得了丰硕的成果,在自适应学习系统参考模型、领域知识模型、学习者模型、教学模型、系统应用等方面形成了一定的理论技术基础。随着学习分析技术、大数据等相关领域的发展,在线教育机构运用机构拥有的丰富教育资源及先进的自适应技术开发了较为成熟的自适应学习平台,为探索实用性的、突破性的技术理论提供了发展平台。本研究以项目反应理论、社会比较理论和元认知理论为自适应学习系统设计的理论指导,完成了面向学习体验的自适应学习系统框架设计,在构建领域知识模型基础上,重点对该框架中的两大核心组件:学习者模型和教学模型进行了深入研究,并从元认知学习体验、社会比较学习体验、学习行为分析和主观评价四方面进行评价。研究内容主要包括以下四部分:(1)自适应学习系统框架设计和领域知识模型构建。本研究将美国匹兹堡大学信息科学学院Brusilovsky教授提出的自适应教育超媒体通用模型作为自适应学习系统框架设计的参考模型,完成了面向学习体验的自适应学习系统的框架设计。该系统包含五个主要组件:领域知识模型、学习者模型、教学模型、界面模块和自适应引擎。领域知识模型是自适应学习系统的根基。本研究以初中数学为例勾画出领域知识模型结构图,依据CELTS-3.1学习对象元数据规范设置领域知识元素的属性,依据领域知识模型结构图和领域知识元素属性设置情况,从学科、课程和学习对象三部分出发,设计领域知识模型参考规范,依据领域知识模型参考规范构建领域知识模型。(2)学习者模型构建及可视化。依据领域知识模型中领域知识元素结构和学习者对文本、视频及测试题的响应结果,采用覆盖建模技术和数据驱动技术对学习者模型中的知识状态、知识水平、学习行为及其它个性特征进行构建和实时更新。在学习者模型构建和实时更新过程中,知识点和知识单元知识水平估计是学习者模型构建的一个重点,一是依据学习者对测试题的响应,采用初始值个性化Rasch模型对知识点知识水平进行估计,二是依据知识单元和知识单元、知识单元和知识点之间的关联关系,采用权重算法对知识单元知识水平进行计算。学习者模型可视化是学习者模型构建的另一个研究重点,一是设计并开发基于思维导图的开放性学习者模型MindOLM,将学习者模型中的课程知识状态以思维导图的形式呈现出学习者的学习进展,二是设计并开发基于表格的开放性社会学习者模型TableOSLM,将学习者本人、学习同伴的学习者模型中的课程知识状态以表格的形式呈现出学习者本人、组和学习同伴的学习进展。(3)教学模型设计。教学模型在设计思想上强调学习者对系统的适应性和系统对学习者的适应性,设计了学习者驱动和系统驱动两种教学策略。学习者驱动教学策略强调学习者在学习过程中的自主权,由学习者本人规划自己的学习路径,并依据学习者的自主选择,呈现学习者偏爱的知识点、学习对象(文本、视频、测试题)、错题回顾、学习同伴及其它学习内容。系统驱动教学策略侧重系统对学习者的自适应及系统的智能性,依据学习者当前知识点知识水平和学习行为数据,为学习者规划学习路径,推荐合适的知识点、学习对象、回顾的学习对象(文本、错题)、学习同伴及其它学习内容。(4)实现机制和评价研究。实现机制从系统和学习者两个角度,设计系统架构流程和学习者学习流程,并给出核心技术实现源代码。在评价过程中,以六年级和初一学生作为研究对象,设计由元认知学习体验、社会比较学习体验、学习行为分析和主观评价四个评价维度构成的评价模型,评价结果表明:MindOLM、TableOSLM和教学策略能够很好地引发学习者在元认知方面的学习体验;TableOSLM对学习者在比较方式、自我完善和社会比较学习体验三方面都具有较高的影响;学习行为分析结果表明六年级学生在没有经历关于知识点正式学习的情况下,通过学习系统所提供的学习对象和学习帮助,最终实现和初一学生在完成知识点数量和知识水平上无显著差异的学习效果,这说明平台有利于培养学习者的自主学习能力;主观评价调查问卷结果显示,学习者对自适应学习系统在有用性、易用性和满意度三个方面都表现出较高的认可度。本研究的创新之处主要体现在知识点知识水平估计、学习者模型可视化视图和教学策略三方面。其一,知识点知识水平估计依据基于初始值个性化Rasch模型难度和知识水平估计的实验结论,利用学习者的前测数据对Rasch模型中知识点知识水平初始值设置进行优化,实现初始值个性化Rasch模型对知识点知识水平的更准确估计。其二,学习者模型可视化视图,一是采用思维导图和五角星组合可视化形式开放学习者模型,激发学习者运用自我反思和学习规划元认知技能,引发元认知学习体验,二是采用表格和五角星组合可视化形式开放学习者模型,在学习规划和自我反思两个维度上引发学习者在元认知方面的学习体验,在比较方式和自我完善两个维度上引发学习者在社会比较方面的学习体验。其三,所设计的学习者驱动和系统驱动两种教学策略能够在自我反思和寻求学习帮助两个维度上引发学习者在元认知方面的学习体验。