復雜性方法論在構建學習支持系統中的應用研究

【摘要】 隨著現代社會的發展，人們提出了終生學習是現代人生存的必然選擇，然而現有的“教育組織”已不能滿足發展終生學習的需要，應該創建新型的“學習組織”， 創建新型“學習組織”需要合適的學習支持系統。學習支持系統是一個復雜的巨系統，必須用復雜巨系統的方法論來構建。本文分析了現有學習支持系統的特點和復雜巨系統方法論，嘗試用復雜性方法論構建新的學習系統。

【關鍵詞】復雜性，方法論，學習支持系統

【中圖分類號】G40-032【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2007）05—0036—06

現代社會科學技術的迅猛發展形成信息和知識的爆炸式的膨脹，世界經濟全球化導致各國面臨全球性的經濟競爭和人才競爭，人口老齡化的到來使人們退休后希望學習新的知識與技能以豐富生活并能繼續從事某些力所能及的工作等等，人們提出了終生學習的思想。不少國家、地區和國際組織都在積極探索有利于人們終身學習、促進學習化社會形成的具體方略。[1]意大利羅馬召開的首屆全球終生學習大會認為現有的“教育組織”已不能滿足發展終生學習的需要，應該創建新型的“學習組織”，開展終生學習，不斷發展人們的潛能以適應21世紀的社會需要[2]，創建新型“學習組織”需要合適的學習支持系統。

一、學習支持系統的含義

對于學習支持系統，西沃特在1993年提出，“學生支持定義是一種組織形式，通過這種形式學習者可以充分利用機構的教學服務設施。該系統具有交互作用，并能夠激發學生的學習動力。” 索普（Thorpe）在2001年網絡教育日益發展的背景下也指出“學生學習支持是在學習發生前、學習過程中以及學習完成后，能夠對已知學習者或學習小組的需求做出反應的所有元素的總和。” 在英國開放大學工作多年的艾倫#8226;泰特先生對學習支持系統的解釋是。“那些與學生個體進行互動或對其做出支持的服務，無論學生是單獨學習還是小組學習。這些服務同統一形式的、不考慮學生差異和需要的服務是截然不同的。”[3]我國遠程教育專家丁興富教授在2001年從遠程教育學生支持服務的組成的角度指出“學生學習支持服務是遠程教學院校及其代表教師等為遠程學生提供的以師生或學生之間的人際面授和基于技術媒體的雙向通信交流為主的各種信息的、資源的、人員的和設施的支持服務的總和，其目的在于指導、幫助和促進學生的自主學習，提高遠程學習的質量和效果。”[4]目前還沒有一個權威的定義可以概括學習支持系統的所有內涵，學習支持系統總是在不同的學習系統中提供著不同的內容和不同程度的服務，由人、物理基礎和環境三個元素組成。而從對學習者產生支持的作用來說學生學習支持有學術性和非學術性之分，學術性支持是幫助學習者完成學業，促進學生的認知發展，它是由從專業設置、教學設計、教學過程到評價方式等等一系列直接導致學生學業水平有關的教學因素組成，非學術性支持主要是指保證學習能繼續進行下去的管理性支持和情感性支持。學術性支持是整個學生支持體系的主桿，非學術性支持對學術性支持起到輔助和促進作用。[5][6]

二、現有的學習支持系統及其特點

終身學習有三種類型，包含正規、非正規及正式的學習活動。正規學習是指學習者一生中的特定年齡段參加正規學校中由教師引導的有目的、有計劃、有組織的學習活動；非正規學習，指在正規學校教育體制以外的有組織的學習活動；非正式學習，指學習者為實現自己的理想目標或滿足自己工作生活興趣等需要而自覺進行的學習活動，每一種學習都有不同的學習支持體系。

（一）傳統學校學習支持系統

傳統的正規學校學習支持系統包括由教師、教學管理人員、學生輔導員、學習者群體組成的人的因素，還包括校舍及其它教學設施、教學儀器、設備、圖書、音像資料乃至數字化資源等物的因素，校園內師生活動形成的文化氛圍與運動節奏構成的校園文化環境有助于學生人格的塑造和成長也構成學習支持。其支持系統結構如

然而正規的學校教育由于時間和地點的限制，班級授課的手工業作坊培養模式，教學人員的數量和質量等無法真正根據學生的個別情況進行合適的學習支持，同時因為現代教育觀念與現代社會信息分布與傳遞的更加開放， 學習者有更多的機會接觸更多的信息來源， 有更多的機會進行自主信息吸收， 有更多的可能選擇適宜于自己的學習模式，所以有必要建立符合現代社會發展的學習支持系統。

（二）開放和遠程教育學習支持系統

開放和遠程教育主要是針成人學習者的學歷和非學歷繼續教育，對學生的學習支持因學校的辦學水平而參差不齊。遠程教育中的學生獲得的學習支持如圖2

開放和遠程教育由于采用工業化大生產的模式，師生時空分離，盡管對學習者的學習要求滿足了數量上的需求，在質量上還是與傳統的學校教育有一定的差距，其對學習者的學術支持主要靠學習者自己學習主講教師的課程，輔導教師作有限的輔導。而情感上和管理上的支持由于投入的人力不足難以保證，有人統計了目前遠程教育存在的主要困難為:自學效果不好(86.4%)、焦慮（不愉快）（85.4%）、學習條件不足（68.0%）、學習勁頭不足（64.1% ）。[7]為了保證質量，有的甚至采用傳統學校的教學模式，以至于我國曾有人發出電大不電，遠程不遠的感嘆。令人欣慰的是開放和遠程教育系統的許多有識之士已經意識到學習支持系統的重要性，正致力于研究和開展遠程教育系統的學習支持的構造。

（三）自主學習支持系統

目前有些專家在致力于完全基于計算機專家系統的學習支持系統的構建和開發，支持和幫助人們解答正在從事某項工作或作業時的疑難問題，這方面的研究最早源于20世紀90年代末國際上出現的電子績效支持系統， 我國高丹丹、張際平、王曉東、高宏卿、周躍良、 林秀欽等用不同的方法嘗試開發學習支持系統。目前基于計算機實現對問題理解可采用許多方法，但由于這些方法難度很大，能達到實際應用的還非常少。而且其構造主要是針對學術性支持，正如前面分析遠程教育的學習支持系統一樣，如果對學習者的情感支持和管理支持估計不足，一樣會對學習支持的效果限制。[8][9][10]

三、復雜性方法論

系統科學的先驅者貝塔朗菲20世紀40年代已經提出研究復雜性的問題，20世紀70年代以后，系統科學才真正轉向以復雜性為主要對象，試圖建立關于復雜系統的一般理論，如美國的圣菲研究所，歐洲大陸的自組織理論，英國的復雜性論壇，中國的系統學等。復雜性建立在多樣性、差異性之上，不同層次有不同的復雜性，解決復雜巨系統問題的方法論具有一定代表性的主要有錢學森提出的綜合集成法、美國霍爾的“三維結構”模式、英國的切克蘭德的“調查學習”模式等等。三維結構主要適用于解決良性結構的硬系統，而切克蘭德的“調查學習”對解決不良結構的軟系統有效，[11]我們在構建學習支持系統主要是用綜合集成法和調查學習模式。

綜合集成方法是從定性到定量綜合集成方法的簡稱，是從整體上研究和解決問題的方法，采取人機結合以人為主的思維方法和研究方式，對不同層次、不同領域的信息和知識進行綜合集成，達到對整體的定量認識。綜合集成法根據整個系統的觀測資料(統計數據和各種有關的信息資料)，建立包括大量數據的系統模型(充分利用現代數學工具和計算機的各種建模方法)，而這些模型必須建立在對系統的實際理解和經驗上，以保證模型的合理性和精度要求。通過計算機仿真、實驗和計算獲得定量結果，同時充分利用知識工程和專家系統等人工智能技術、信息技術，以人(專家體系)為主體現人機結合與融合，進行知識的綜合集成。它包括了科學的和經驗的知識、理性和感性的知識、定性和定量的知識，實現從經驗到理論、從定性到定量的優化，達到整體的認識，從而對經驗性假設的正確與否作出明確結論，這樣的結論就是現階段對客觀事物認識的科學結論。應用這個方法論研究問題時，也可以進行系統分解，在系統總體指導下進行分解，在分解后研究的基礎上，再綜合集成到整體，實現一加一大于二的涌現，達到從整體上嚴密解決問題的目的。

切克蘭德的“調查學習”方法的核心不是尋求“最優化”，而是“調查、比較”或者說是“學習”，從模型和現狀比較中，學習改善現存系統的途徑，其方法步驟可用圖3說明：首先通過調查分析，對現存的不良結構系統的現狀進行說明；其次初步弄清、改善與現狀有關的各種因素及其相互關系；接下來在不能建立數學模型的情況下，用結構模型或語言模型來描述系統的現狀；隨著分析的不斷深入和“學習”的加深，進一步用更合適的模型和方法改進上述概念模型；建立合適的概念模型后將概念模型與現狀進行比較，找出符合決策者意圖而且可行的改革途徑或方案；最后實施提出的改革方案。

四、新型學習支持系統的構建

學習是一種極其復雜的過程，不僅學習范圍廣，而且學習形式也是多樣的，對于學習的認識至今還有大量問題并不清楚，因此學習支持系統是一個復雜巨系統。學習支持系統的構造試圖根據綜合集成法、切克蘭德的“調查學習”法進行設計，遵循方便及時、功能強大、具有較強的學習功能和良好的交互協調功能的原則，構造一個人機結合系統，以人為主，人-機智能互補，有效利用智能技術以形成“人幫機、機幫人”的智能學習支持系統。

（一）學習支持系統的結構與功能

學習支持系統主要功能是使學生在實際學習過程中得到幫助，學生既可以根據自己的水平、習慣等特點，自己制定學習計劃或學習內容；可以根據自己的學習情況， 到知識庫中搜索需要的知識建構學習；可以向系統提出疑難問題，讓系統幫助解決問題或指出問題解決的線索或途徑。也可以由系統根據不同學習者的學習特征生成自主探究式、協作式、問題型、專題型、資源型、案例型等有利于學習者意義建構的不同類型的學習環境。

學習支持系統結構從大的方面來說，包括學習共同體、專家體系和機器體系。學習共同體是指一個由學習者及其助學者（包括教師、專家、輔導者等）共同構成的團體；專家體系包括學科專家、教育技術專家、心理學家、教育專家、人工智能專家等；機器體系是由計算機軟、硬件構成的計算機系統，它由在線學習系統、交流協作系統、問題解答系統、信息管理系統和智能仿真控制系統以及支持這些體系的軟件工具。其結構如圖4：

學習共同體的建立是以學習者在學習中遇到的問題，成員之間基于網絡的學習和交流活動為基礎，成員之間經常通過網絡在學習過程中進行溝通、交流，分享各種學習資源，共同完成一定的學習任務，同時學習者對共同體的歸屬感、認同感以及從其他成員身上所得到的尊重感有利于增強學習者對共同體的參與程度，維持他們持續、努力的學習活動。[12]

專家體系主要是對系統進行分析、建立與重構。學科專家為學習者提供與當前內容有關的最新信息資源，引導學生展開對此問題的進一步的探索，展示各種不同的觀點和解決問題的思想，與其他專家一起分析學習者存在的問題，設計合適的學習內容和教學策略；教育技術專家承擔學習資源的開發與傳送、學習環境的創設、學習模式的設計以及對學習過程中的各種信息的處理提供方法；心理學家分析學習中學生存在的問題，并提供學習策略和情感指導，提供符合認知規律的教學設計建議；教育專家分析系統中存在的教學問題，提出符合教學規律的教學設計建議；人工智能專家對系統進行仿真建模、智能化控制的設計和制作等，各領域專家之間通力合作，共同對系統進行綜合分析，構建人機結合的學習支持系統。

機器體系主要是作為學習共同體之間、學習者與專家系統之間、學習者與機器之間的交流平臺，為學習者的學習支持提供技術支持，作為專家系統分析的工具。在線學習系統提供必要的學習資源、認知工具和對相應教學策略和學習策略的支持，學習資源由學科專家、助學教師、學習者和教育技術專家根據學習領域共同建設，同時還能對學習過程中新產生的學習問題進行分析，及時添加和更新資源。認知工具可以是分析觀點的組織工具、表征心智模型的動態建模工具、用不同方法觀察現象的視覺工具，建立合作性知識庫的對話工具等。教學和學習策略支持是在系統中根據學習者的學習情況指導、提示和影響學習者的學習過程，幫助學習者完成自主或協作式的學習與交流；交流協作系統既可以作為一個獨立的系統也可以與在線學習系統一起作為學習共同體之間以及學習者與專家之間、專家與專家之間的交流協作工具，借助各種同步交流（在線消息、聊天室等）和異步交流（BBS、E-mail、Bulletin等）建立具有強烈歸屬感和群體規范的虛擬社區構建學習共同體。問題解答系統與交流協作系統一樣既可以單獨構成一個體系也可以與在線學習系統聯系起來，這樣既可以幫助通過這個系統進行學習的學習者解決學習過程中遇到的問題，也可以作為通過其他途徑的學習同樣領域問題的學習者遇到的疑難問題的幫助系統，它包括對問題的理解和問題的解答，這兩部分既可以由機器自動識別或者人工交流完成并建立常見問題庫和問題解答庫，對于機器無法識別和解答的問題由專家解答后添加到各自的庫中；信息管理系統對于學習者登錄信息、學習狀態信息（學習歷史、學習進度、學習傾向性）、偏好信息、學習層次、認知風格、學習能力（記憶、理解、應用、分析、綜合、評價能力）、績效信息等和學習者學習活動過程中的交互性信息、反饋性信息、自主學習活動信息進行采集、分類、組織、處理、系統建模和智能控制處理；智能仿真控制系統主要對系統進行仿真建模和進行智能控制處理，如分析學習者現有的認知結構和認知特點，了解學習者的學習能力，分析學習者的先行知識背景，分析學習者已經具備的相關學習技能，同時隨著新學習者的不斷增減變化和學習過程的變化建立動態的學生模型，根據學習者的感知、記憶、思維、推理、決策、反饋等認知特點，建構學習者的認知模型，跟蹤學生的學習過程，對學習者的學習數據不斷進行采集，對學習者的學習活動過程進行智能化監控與控制，根據學習者信息庫中的靜態信息，與智能監控系統所采集的學習者學習活動過程中的動態信息整合，利用智能代理、信息檢索、數據挖掘技術，從知識對象庫智能化地動態提取學習者學習所需的信息資源，利用學習平臺，把學習資源、效能工具、認知工具、協作交流工具和管理工具相整合，實現根據不同學習者的學習特征生成自主探究式、協作式、問題型、專題型、資源型、案例型等有利于學習者意義的建構的學習環境。

（二）學習支持系統的構建方法

學習支持系統首先由學科專家（或領域的專家）、使用該系統的教師、學習者、教育技術專家，根據學習中經常出現的問題，通過教學系統設計、快速原型法建立學習支持系統的初始模型。

然后根據學習支持系統的觀測資料(統計數據和各種有關的信息資料)，通過調查分析，對現存的不良結構系統的現狀進行說明，初步弄清、改善與現狀有關的各種因素及其相互關系，建立包括大量數據的系統模型(充分利用現代數學工具和計算機的各種建模方法)，在不能建立數學模型的情況下，用結構模型或語言模型來描述系統的現狀，隨著分析的不斷深入和“學習”的加深，進一步用更合適的模型和方法改進模型，而這些模型建立依靠專家對系統的實際理解和經驗，保證模型的合理性和精度要求。建立合適的概念模型后將概念模型與現狀進行比較，找出符合決策者意圖而且可行的改革途徑或方案，通過計算機仿真、實驗和計算獲得定量結果，同時充分利用知識工程和專家系統等人工智能技術、信息技術，以人(專家體系)為主體現人機結合與融合，進行知識的綜合集成，它利用專家的科學和經驗的知識、理性和感性的知識、定性和定量的知識，實現從經驗到理論、從定性到定量的優化，達到整體的認識，從而對經驗性假設的正確與否作出明確的判斷，給出結論與建議，最后實施提出的改革方案，進一步完善學習支持系統，構建這個系統流程如圖5。

對于構建系統一方面利用專家個人知識進行人工分析，另一方面可以用張量處理器、仿真決策集成環境、可視建模、綜合信息管理子系統等軟件來幫助專家進行系統地分析和建模。張量處理器是一個定量計算系統，具有數據分析、建模、模型管理與運行的功能，還可將計算結果用多種(表、圖、立體等)方式輸出。仿真決策集成環境可對定性的學習問題進行分析，并通過分析為學習模型進行情景設定、模型運行、評價模型、輸出結果。可視建模是模型的圖形化工具，在可視模型上可將模型用方框圖等多種方式表現出來，并和張量處理器結合完成模型從定性到定量的轉化過程，以及運行定量化的模型等。綜合信息子系統可對數據庫中的信息(包括統計信息和模型的運算結果)以多種方式輸出，并可對信息進行靜態和動態分析。

五、小結

合適的學習支持系統有利于人們終身學習、促進學習化社會形成，構建學習支持系統是一個復雜巨系統工程，現有的無論是以人為主的還是以計算機為主學習支持系統有自己的局限，我們試圖用復雜性方法論特別是綜合集成法和調查學習法來構建人機結合的學習支持系統。

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