ＵＭＬ在教學設計中的應用研究

【摘要】本文借助于系統工程的思想和方法，使用UML視圖對教學設計進行了描述和表示，為教學設計的理論研究與實踐提供了新的理論框架和建模方法。

【關鍵詞】教學設計，UML視圖，系統建模方法

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2006）05—0051—06

一、引言

教學設計（ID：Instructional Design）的研究與發展可謂歷史久遠。教學設計理論與實踐發展至今，新的理論與方法層出不窮。但是，目前教學設計理論正面臨著新的挑戰。在指導具體的教學實踐方面，教學設計理論尚沒有發揮出應有的作用，分析其根源，自身理論存在重大缺陷是主要方面^[1]。正如布里格斯(Briggs)所指出的那樣:“從學習者和學習領域兩個角度來看，教學設計都存在隱患，即訓練計劃太局限。我們應該在學科間聯系及人類發展的大方向指導下，重新進行理論、研究與實踐的合理性評判^[2]?！?/p>

肯普（J.E.Kemp）認為^[3]:教學設計就是運用系統方法分析研究教學過程中相互聯系的各部分的問題和需求，在連續模式中確立解決它們的方法與步驟，然后評價教學成果的系統計劃過程。事實上，教學設計從其誕生之初就一直堅持將系統觀點作為自身研究的主要思維方式，著眼于全局性、聯系性、動態性、開放性、不確定性、復雜性的軟系統思維逐漸成為新一代教學設計創新的主要思維方法^[4]。

筆者認為，現代教學設計理論應著手于研究既方便教師使用又能準確診斷教學問題的方法和工具。良構的教學設計理論與方法應能對教學現象具有較強的解釋能力，能提供發現教學問題、分析教學問題和解決教學問題的方法。當前的教學設計研究中盡管有許多不同的理論都試圖對教學活動的構建方法和步驟進行闡述和改進，每種教學理論或模型都采用了不同的表示方法，他們之間至少在形式上缺少關聯與溝通，還可能導致在相同的語境下造成對語義理解的不同。簡而言之，ID領域缺少一種在系統工程方法指導下的定義良好的建模與表示方法，這成為我們在教學設計研究中不得不面對和需要解決的問題。

UML（統一建模語言，Unified Modeling Language）是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的可視化建模語言。本文試圖采用面向對象的教學設計方法，借助UML所定義的一套規范科學的描述語言，將其用于描述教學需求模型、教學系統要素及其聯系、教學過程模型設計，以新的視角和方法對教學設計進行審視，完成教學設計的建模。解決傳統教學系統設計中缺乏的方法指導和具體的建模過程，使構建和設計教學系統變得更為規范，更容易理解與實施。

二、教學設計中的UML視圖體系

要完整地描述一個系統，通常的做法是用一組視圖反映系統的各個方面，視圖是觀察一個系統的視角，是對系統的模型在某方面的投影。UML為此定義了一個概念“視圖”，注重于描述系統的某個方面。UML的每個視圖由一組圖組成，視圖是圖的協作，各視圖在靜態和動態方面表示了系統的模型，圖中包含了強調系統中某一方面的信息^[5]。

按照面向對象的設計原則，教學設計宜采用以需求為驅動的建模方法，即所有一切從學習需求分析出發，以滿足學習需求為目標。經過分析，我們提出教學設計的UML視圖體系，如表1所示。教學需求分析主要包括UML用例視圖和類圖，主要用以實現ID需求的獲?。唤虒W設計視圖包括運用UML的活動圖、序列圖等視圖模型，以反應ID的業務邏輯與規則。

三、教學設計的需求分析

教學需求分析是教學設計的基礎。教學需求分析階段主要解決教學設計系統應該“做什么”，即提供教學系統的功能性描述，而“如何去做”的問題留待教學設計過程中去解決。

長期以來，在教學分析中，人們根據典型的使用情景來了解需求。但是，這些使用情景是非正式的，雖然經常使用，卻難以建立規范的和形式化的文擋。在面向對象的教學設計表1教學設計的UML視圖體系中，可以采用UML用例（use case）驅動的建模方法，用用例來捕獲教學的需求，通過用例建模，描述對系統感興趣的角色及其對系統（用例）的功能要求。用例模型描述的是參與者（Actor）所理解的系統功能。主要包括教學用例模型，用以實現教學需求的獲取，從而捕捉需求并幫助確定規范，這種技術是十分有效的。

用例建模的最主要功能就是用來表達系統的功能性需求或行為。用例簡單地描述了系統的參與者是誰，以及參與者要求系統所具備的動作，一旦收集到了這些信息，就可以將其變為用例圖。用例圖包含了系統、參與者、用例以及關系等元素。用例圖把這些元素（或組件）包含在一個系統中，或者是多個系統中（一個系統可能會有多個子系統）。 用例分析的步驟主要有：找出系統中的參與者；確定每一個參與者所期望的系統行為；把系統行為命名為用例；細化每個用例，確定用例間的關系；編制每一個用例的腳本；創建用例圖。創建用例模型是一個迭代的過程，不要指望一次就能得到合理的模型。

圖1所示的用例圖是從需求分析的視角，給出了以教師為主導、以學生為主體的“雙主體”教學系統模型，綜合體現了了以“教”為中心的教學設計和以“學”為中心的教學系統設計思想。前者強調教師在教學過程中的指導作用，后者強調了學習者在學習過程中的主動性和建構性。圖1中用陰影部分表示的是基本用例，箭頭指向的是包含用例，指出了用例間的關系，表明一個用例可以使用另一個用例。例如“需求分析”用例包含“教學需要分析”與“學習者需求分析”兩個用例。

用例圖只是簡單地用圖描述了一下系統，但對于每個用例，我們還需要有詳細的說明，這樣就可以讓別人對這個系統有一個更加詳細的了解，這時就需要寫用例描述（或稱用例腳本），可以用自然語言來描述參與者與系統交互時雙方的行為。每個用例都應提供用例描述，它的一般結構是^[6]：

簡要描述：對用例的角色、目的的簡要描述；例如“教學需求分析”涉及的角色主要是教師、學生與教學內容，用例的目的是分析教學問題、教學需求，分析后，明確解決教學問題的目標是什么。

前置條件：執行用例之前系統必須要處于的狀態，或者要滿足的條件。例如對于“教學需求分析”用例，設計者應了解學生當前的學習狀態、學生的學習風格，學生目前所具備的學習行為能力。當然，教師應具備的素養與知識背景也是應考慮的因素。

基本事件流：描述該用例的基本流程，指每個流程都“正?！边\作時所發生的事情。例如對于“教學需求分析”用例的基本流程是，找出學生現有狀況（具備的知識、能力、態度等方面）與教學目標（課程標準）之間的差距，從而確定教學中存在的問題。

后置條件：用例一旦執行后系統所處的狀態。例如“教學需求分析”要達到所期待的教學（學習）目標，該目標能引發學生什么樣的學習行為，這些學習行為需要什么樣的支持。

用例主要反映參與者與系統交互時的功能需求，但往往會引用概念性模型中描述的類實體。例如，“教學需求分析”用例包括了“教師”和“學生”等概念，這是應該由概念性模型捕捉的一種信息，在對象世界中，它是通過UML類的概念模型建模的。

四、教學系統組成要素的概念模型：角色、活動與環境

傳統的教學設計理論認為構成教學系統結構由教師、學生、教材和教學媒體四個要素組成，它簡化了教學系統要素及其之間的關系，構筑了封閉的理論框架，不利于教學設計者創造性的發揮。現代教學設計理論應該反映要素之間各種關聯關系，要揭示使要素發生關聯的原因，以構筑開放的理論框架。

從教學設計理論的發展來看，要構建現代教學系統組成要素的結構模型，它不僅能反映出傳統的以教師為中心的教學模式(簡稱為“教師中心模式”)、基于建構主義的以學生為中心的教學模式(簡稱“學生中心模式”)，又能反映出發揮教師主導作用和充分體現學生認知主體作用的教學模式(簡稱“雙主模式”)特征。這與前面所述的教學系統用例模型應是吻合的。

1、教學設計系統要素的概念模型

借助于UML類圖表示方法，我們給出了UML語義下的教學系統組成要素及其相互關系的概念模型，如圖2所示，包括了角色、活動與環境三個主要元素，方法、結果兩個元素與前三者有語義上的聯系。

教學設計系統要素概念模型的基本思想是：無論在何種教學模式中，一個人都會承擔一個角色（這個角色通常是學習者或者教師），然后在方法的指導下，通過執行活動，角色在適合的環境中進行學習，同時生成活動的結果。角色、活動和環境之間構成了類的關聯結構。2．教學系統組成要素模型的概念分析

①角色

教學設計系統中明確定義的角色有兩種：學習者（獲取知識和技能的個體）和教師，這是一種繼承結構（圖中用三角符號表示）。每種角色還可以包含子角色。例如協作學習的設計方案中，可能就會將學習者定義成各種子角色讓他們分別承擔。建構主義倡導的教學是教師指導下的以“學生”為中心的學習，它強調以學生為中心，學生是信息加工的主體，是知識意義的主動建構者，教師則是教學過程的組織者、指導者，教師要對學生的意義建構過程起促進和幫助作用。

②活動

教學以活動的形態存在。作為任何教學活動及其過程，必需并承載著全部教學性質的各實體要素，以及其各自基本特質、相互之間的內在聯系及演變過程。

教學活動是由教師與學生角色之間交互作用而形成的動態過程。事實上，只要是有教師參與的教學活動，就存在對教學活動進程的控制與優化問題，也就是存在教學模式設計問題。教學系統更加關注教學活動的生成性，這包括學生知識（觀點）的生成性和教學過程的生成性。

教學活動包括學習活動和支持活動，它們與活動要素之間構成了聚合結構（圖中用菱形表示）。學習活動是指學習

者以及與之相關的學習群體（包括學習伙伴和教師等）為了完成特定的學習目標而進行的操作總和。學習活動的設計是教學設計的核心內容。其中學生的活動是核心，包括個體活動和群體活動，教師的教學活動要圍繞學生的學習活動而展開。支持活動規定了教學支持角色所進行的活動，可理解為促進教師完成教學行為和促進學習者完成學習行為而進行的支持性、服務性、指導性的活動總和。

③環境

教學，從其本質上來說是一種環境的創造，即教學環境的創造^[7]。環境生來就是面向鼓勵和促進學習的，其目的就是促使有效學習活動的發生。學習環境是學習者學習行為的容器，也就是說我們希望學習者能產生什么樣的學習行為，得到什么樣的學習成果，都是在一定的環境下來考慮的。環境是對學習行為的支持。

在教學系統組成要素的結構框架中，環境由學習對象和服務組成，構成類的聚合結構。學習對象（Learning Object）是在學習技術標準化過程中出現的一新概念，同時也是許多己出臺的標準和規范中（如IMS和SCORM等）中的核心概念。學習對象是一種學習資源的組織形式。IEEE LTSC為學習對象下的標準定義是^[8]：“學習對象是在技術支持的學習中使用，重用和參考的數字或非數字實體”。IEEE LTSC同時也列舉了一些“學習對象”例子，如學習內容，教學內容，多媒體內容，教學軟件，交互軟件工具。服務則是用來支持教學過程的各種工具。例如聊天室、論壇、郵件等，這些工具是由學習環境提供的。服務可分為郵件服務、監控服務和索引搜索服務等。

環境設計相對于傳統的教學設計是一種嶄新的觀念，無論是以“教為中心”的教學環境設計，還是以“學為中心”的學習環境設計，教學系統的環境設計都是重要的內容。所依據的研究方法論也從一般系統論走向復雜系統科學^[9]。

④方法

教師和學生作為教學中的實體要素，不斷的表達自己也不斷的維持整個的教學活動，此時教學方案就在各個教學要素的相互作用之中產生了。這里所指的方法是與教學目標相一致的教學策略與方法，當然還要考慮與使用這種方法的教學手段與約束條件。方法與角色和過程這兩個要素相關聯，也就意味著師生應用在教學策略與方法的指導下開展教學活動。

⑤結果與評價

結果是教學活動或學習活動中所產生的交付物，包括學習的成績、作業、進度、報告等成果。結果是活動和環境這兩個要素關聯的產物，意味著在教學活動結果還可以作為教學評價的主要內容與教學目標是否成功的參照。教學目標的確定不是為了限制學習者的活動，而是在于聯接學習環境中的各個子系統，對學習者的問題解決進行導航，使學習者有限的認知資源聚焦于主要任務，激勵各種社會性的協作，調動各種可利用的資源支持。

五、教學模式中對象間交互的表示——順序圖的使用

在現代教學過程中，教師、學習者、教學資源等對象之間存在某種動態的交互關系，以及他們之間的信息傳遞關系，傳統的教學模式設計并沒有提供成熟的有關交互的規范化描述，使得教學模式設計無法清楚地描述這一過程。使用順序圖是解決這一問題的途徑。

建模順序圖（Sequence Diagram）有許多理由，在本文圖1中的任何用例（及用例腳本）事件流程都可以使用了順序圖（或活動圖）來描述。順序圖可以用來描述對象之間動態的交互關系，著重體現對象間的交互行為、消息傳遞及時間順序。圖3表示了一個在網絡學習環境下課堂教學過程的設計步驟，描述了教師讓學生通過使用教學資源進行自主學習，體現了教師、學生及其教學資源三者之間的事件交互順序和通信過程。

六、教學過程模型的構建

在傳統教學設計發展的不同時期都提出了許多不同的ID模型或模式，如肯普（J. E. Kemp）模型，狄克-柯瑞（Dick Carey）的系統方法模式，蘭達（Landa）的算法/啟發式教學設計模式，瑞奇魯斯（Reigeluth）的精細化模式，梅里爾（m.d. merrill）的成分顯示論和Keller的動機設計模式等等^[10]。這些模型從不同的教學理論與角度試圖為教學設計過程和活動進行描述和改進，為教學設計過程提供一系列的基本步驟，并運用這些步驟進行教學設計。

縱觀所提出的種種教學設計模型，盡管教學設計過程分成諸多要素之間在復雜度和詳細化（粒度的大小）方面存在著差異，但是如果我們仔細分析我們不難發現，各種ID過程模型表面上的差異下面實際存在著一個基本事實，就是其過程的基本組成階段大體是一致的。這些公共的階段可以概括為：分析（Analyze）、Design（設計）、實施（Implementation）和評價（Evaluation）四個階段。我們可以將其稱為傳統教學設計的公共過程模式，它概括代表了諸多典型教學設計模型的一般性特征，盡管每個過程模型都試圖在這個框架上增加點或改變點什么，它們無非是傳統ID公共過程模式的衍生、變形與增刪。已有許多文獻對此做了詳盡論述，這里不再贅述。

雖然建構主義的教學模式還尚為全面取代傳統的教學模式而成為主宰性的教學設計理論框架，但其教學設計理念與實踐得到越來越多的研究者認同，發展趨勢可謂方興未艾。建構主義教學設計特別強調學習環境設計，建構主義的學習環境是基于技術的、促進學習者有意義學習的支持條件，是學習者可以協同工作和相互支持的場所。Willis認為，建構主義教學設計模式各有長處，各有適用面。Willis提出了另一種新型的建構主義教學模式──R2D2模式^[11]。R2D2模式為”A Recursive and Reflective Design ad Development”的縮寫，意為“遞歸-反思性設計與開發。該模式主要由定義（Define)，設計（Desdign），開發（Development）與擴散（Disseminate）幾個部分組成。關注的是探討普遍性的建構主義教學設計指導原則，以幫助理解教學設計開發環境。因為各種具體的教學設計情境不同，R2D2模式不主張提倡特定詳盡的教學設計規則，而是主張以彈性的指導原則來引領教學設計工作。

R2D2模式與傳統的教學設計模式最大的不同在于兩點，這兩點影響整個教學設計過程。第一是遞歸（Recursive），與傳統教學設計過程的線性階段的遞進不同，在R2D2模式中，同樣的問題或許在整個設計過程中的每個階段要多次地強調與反復，第二是反思性（Reflective）原則，必須對教學設計過程進行不斷地反思，有助于進一步明確設計/操作的走向。反思性原則要求教學的參與者（設計者和實踐者）擔任雙重角色，即要設計，又要參與和實施，并擔任評價。Willis認為遞歸、反思和參與原則這三項彈性的指導原則一般性的原理，已廣泛應用于其它領域，也可以有效地支持建構主義教學設計模式的創建。

然而Willis的論文中并沒有給出R2D2模式的視圖模型，這不能不說是一個遺憾。作者這里用工程化的遞歸方法和UML活動視圖反映了R2D2教學設計模式（如圖4和圖5所示），以幫助人們理解建構主義教學設計模式，也較好地反映了R2D2的基本特征。R2D2視圖表達了一個重要思想：對于一個教學設計而言，不管選擇什么過程模型，所有的階段-----定義、設計、開發和擴散-----在某個階段內部的級別上都是同時存在的，或者說，問題循環解決過程可以應用于過程模式本身的不同級別上，這就是遞歸的特征。

七、結語

在教學設計領域中，不少研究者指出應進行基于本土的教學設計理論與實踐的創新，這無疑是有識之見。UML是一種建模語言，它獨立于過程，利于UML建模時，可適用于許多領域的建模過程。有見于此，本文借助于UML視圖，采用系統化的思想，從新的視角對教學設計進行了統一的和規范的表示，并賦予了新的語義。將UML引入教學設計是一次嶄新的嘗試，筆者希望據此提供一個基于UML教學設計的參考框架，為教學設計理論與實踐提供了一個新的研究進路，為現代教學設計理論研究與實踐提供了新的建模方法，并為這一目標的實現做出有意義地探索。

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參考文獻

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[11]Willis. J. The Maturing of Constructivist Instruc-tional Design:Some basic Principles That Can Guide Practice[J]，Educational Technology，40(1-2)，2000.

The Application Research in the Instructional Design with UML

Jiang Zhi

Jimei University， Xiamen Fujian， 361021

Abstract: This paper with the aid of the systematic theory and method，use UML diagram to unify and describe for Instructional Design， and offered the new theory frame and modeling method on theoretical research and practice for instructional designed.

Keyword: Instructional design，UML diagram， systematic modeling methods

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文