泛在學習中自適應學習管理系統設計

[摘要]泛在學習的目的更加傾向于培養學生的興趣，根據學生的興趣進行自愿的自主探究的學習。根據泛在學習的特點，分析了現有的自適應模型同時結合實際情況，提出了泛在學習自適應模塊的設計方案。該設計方案主要是體現個性化的學習，根據不同的學習者的學習興趣，系統會提供相應的學習資料，滿足學習者不同的學習要求。

[關鍵詞]泛在學習；自適應；模塊設計；個性化學習

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097(2011)06-0129-05

一 泛在學習的意義和特點

1 泛在學習的意義

泛在學習是基于泛在技術的一種學習形式。教育的泛在(u-Learning)指的是智能化和網絡化跟教育有關的物理空間中的機關和事物，從而使學習者隨時隨地，不受資源的限制，使用任何終端機器進行學習的教育環境就叫做泛在教育環境。泛在技術意指計算機技術鑲嵌在日常生活中，讓計算機從人們的關注視野中消失，讓人們更加關注任務本身而不是分散注意力在計算機或計算機技術的使用上。現在我們處于一個學習型社會，她對人們提出了更高的要求。為了跟上時代的步伐，更多的學習者對學習有了更高的需求，他們希望可以隨時隨地根據自己的需求來開展學習活動。泛在學習很好的符合了學習者們的這個需求，學習者可以隨時隨地的獲取學習資源進行學習。從泛在學習的本質上看，泛在學習是人類對學習自由的一種追求。在開放的社會里，越來越多的人有自己獨特的需求，也期望學習過程能夠自由的進行組合從而符合自己的獨特的學習風格。泛在學習將學習資源進行分割，形成一個一個的學習元，讓學習者可以自由的使用。

2 泛在學習的特點

從以上概念我們可以看到泛在學習的根本特征：泛在學習是以人為中心的，以學習任務本身為焦點的學習。技術可以支持學習，但是技術不能干擾學習。在泛在學習環境中，學習是一種自然而然的行為。學習者可以積極主動地進行學習，并且可以得到相應的學習支持。泛在學習意味著任何人，在任何地方，任何時間都可能獲得自己所學要的學習信息和學習支持，從而輕松愉悅地完成學習任務。

泛在學習的主要特征包括：

(1)永久性(Permanency)：學習者可以將每天的學習進度記錄下來，在不刪除的情況下，學習者永遠也不會失去學習進度。

(2)易獲取性(Accessibility)：整個學習過程是學生自主控制的，學習者可以隨時隨地獲取文檔、數據或者視頻資源。

(3)即時性(Immediacy)：無論學習者身處何地，他們都能即時獲取信息，這為學習者即時解決問題提供了便利。

(4)交互性(Interactivity)：通過同步或異步的交流方式，學習者可以與專家、教師或者學習伙伴進行交互。

(5)教學活動的真實性(Situating of instructionalactivities)：學習可以真實地融入我們的日常生活，我們面臨的問題或習得的知識是自然世界里真實可信的。

(6)適應性(Adaptability)：學習者可以在合適的地點以合適的方式獲得正確的信息。

(7)協作性(Collaborative)：學習者可以在計算機支持的泛在協作學習(Ubiquitous CSCL)環境中實現社會知識建構和共享的社會認知過程。

二 自適應學習管理及其意義

1 自適應的意義

自適應是指處理和分析過程中，根據處理數據的數據特征自動調整處理方法、處理順序、處理參數、邊界條件或約束條件，使其與所處理數據的統計分布特征、結構特征相適應，以取得最佳的處理效果。自適應系統最開始是應用在機械學里面的，是要機械自動適應環境的變化，根據環境的變化做成相應的變化，使機械的效率一直處于最優的狀態。這一概念后來引入到計算機學科，在計算機學科中，我們可以通過算法，再依據統計數據，來對軟件系統進行修改，使軟件的計算結果根據不同的實際情況進行相應的改變。

2 泛在學習中的自適應

在普適計算環境中，人們可以無障礙地享用任何計算能力和信息資源。在教育領域中具體的表現就是通過移動平臺終端獲取學習資源。但是根據泛在學習的特點我們可以看到這種資源的獲取存在一個很大的缺陷。學習者在獲取資源的時候會有大量的噪音返回，影響了學習者的學習。因此我們需要一個自適應系統，根據學習者所處的環境幫助學習者選取合適的學習資源。自適應性的目的是為了提高學習者的效率，學習者對系統了解得越多，并且系統對學習者分析得越透徹，自適應性就越好，學習效率就越高，為使學習者及其環境適合隨時隨地學習，自適應系統需要為興趣不同的學習者提供不同的需求。現階段的泛在學習資源一般采取平臺式的管理方式，即是學習者登錄一個平臺，然后根據平臺給出的資源開始學習。這種學習方式對學習者的限制還是很大的，學習者不能根據自己所處的實際環境來進行學習活動。所以說現在在泛在學習中，自適應系統的應用處于空白階段。雖然已經有學者提出了自適應機制，這種自適應機制能夠自動檢測環境的變化動態的改變系統的狀態，但是卻沒有相應的自適應模型來支持這種機制。

3 自適應管理研究現狀

自適應系統產生于工科，因此現階段計算機方面的自適應管理系統大多數都是在計算機工程學中進行研究。自適應管理系統在教育中的應用幾乎是一個空白狀態。在計算機相關學科方面，對自適應管理系統的研究一般集中在算法的優化上。在計算機輔助教育方面，自適應管理系統還沒有涉及到，但是相關領域(如教學管理輔助領域)還是有所涉及的，有學者已經開始注意成績錄入系統的自適應。這是一個很好的現象，從教育管理輔助開始慢慢的就會向教學輔助方面發展。

三 自適應學習管理系統設計

泛在技術為泛在學習提供了一個很好的技術基礎，但是泛在學習要發揮良好的效果還需要更多的技術進行支持。為了將計算機或軟件對學習的影響降到最低的程度，需要自適應技術的配合。學習者在使用學習系統的時候，自適應系統會根據學習者的使用情況和習慣更改學習系統的參數，使學習系統提供給學習者的學習資料更加符合學習者的個性。這樣學習者在學習的時候就可以減少對系統的關注。為了更好的實現泛在學習，作者設計了以下這個自適應學習系統。

1 互助部分的設計

此系統分為兩個主要部分：有一個是互助部分，一個是學習部分。在互助部分，它的主要功能是提問和回答。在日常的學習和生活中學習者經常會遇到問題一時解決不了，那么這個時候學習者就可以登錄系統進行身份識別之后，進入到互助部分尋求幫助。例如：學習者走在路上看見路邊有一種開著漂亮花朵的植物，想知道這種植物的名字和相關的一些特性。這個時候，學習者就可以利用手機或者是其他的移動設備給這株植物拍照，上傳到提問部分。之后其他的學習者或者教師看到提問可以進行回答，學習者再根據這些回答進行信息的篩選，提取有用信息之后再進行自主的學習。

提問部分是學習者根據自身的知識儲備情況，對問題進行自主選擇回答。初次登陸系統，系統會請求學習者填寫自己擅長的知識領域，之后系統會根據學習者常瀏覽的問題、常回答的問題和回答正確率進行數據統計，然后記錄到個人數據庫中。自適應搜索引擎再根據個人數據庫中的記錄，在學習者下次登陸界面時，自動提供給學習者感興趣的問題。

2 學習部分的設計

學習部分是整個系統的關鍵部分。學習者初次登陸學習部分，是不需要選擇學習起點的。學習者根據自己的興趣選擇相關的學習內容進行學習就可以了。當按照上圖的流程進行學習的時候，如果有突發情況的出現而使得學習者不得不中斷學習時，系統自動記錄下這個學習點。下次學習者再登陸時，學習者可以選擇這一個被記錄的學習點，也可以重新開始一個新的學習。

在學習起點確定該之后，是整個系統中最關鍵的部分一一自適應搜索引擎。自適應搜索引擎會根據學習者的個性化特征搜索出適合學習者當時所處環境的學習資料。學習者再根據自己的情況選擇學習內容進行學習。學習者在學習進行的任何一個環節都可以中斷學習，系統會對學習者的學習時間進行統計，并且記錄中斷點。如果學習者完成了或者進入了練習階段，系統會對練習的正確率進行統計，并且告知學習者(如學習者全部完成則立即將結果反饋給學習者；如果練習中斷了，那么結果在學習起點確定的部分保留，當學習者下次登陸時，系統會提示學習者查看聯系檢測結果)。

自適應搜索引擎包括四個模塊，分別為：學習環境、設備、學習者、學習材料呈現方式。其中前三個部分是必須由學習者進行選擇確定的，最后一項學習者可以自主選擇也可以由系統選擇。為了清楚自適應搜索引擎的層次關系，引擎用xml標記語言進行書寫，如圖2。

(1)學習環境模塊設計

學習環境包含四個方面的內容：干擾情況、學習時間、條件限制和學習伙伴。圖3顯示了每一個因素包含的具體內容。環境寬容度意指周圍的人群對學習者學習的支持狀況。如：學習者大聲朗讀，周圍人群是否有意見。環境的穩定度意指學習者所處的環境的一個穩定情況的持續狀況。如：學習者在公交車上，那么這個環境的穩定度就很低。學習者可能隨時都會顛簸，光線也可能時明時暗。所有的這樣因素都對學習者產生很大的影響，自適應搜索引擎要把這些因素都考慮進去。如：在環境穩定度低的情況下，自適應搜索引擎應該提供音頻的學習材料，而不是對環境要求很高的文本材料，并且學習材料的難度也要相應的降低。

(2)自適應搜索引擎設備

設備指的是學習者在進行泛在學習時所使用的學習設備。主要考慮以下幾種設備：筆記本電腦、智能手機、PDA、網絡學習機。當學習者使用的是筆記本電腦時，可以提供給學習者更多種類的學習材料。但是當學習者使用的是手機，那么應該盡量避免提供視頻等學習材料。因為手機的處理速度比較慢，并且屏幕也比較小，視頻處理起來相對比較困難，視頻所顯示的細節也不容易注意到。當然隨著科技的發展，這種差距會越來越小，之后需要考慮的是如何使學習材料在不同的設備上都能取得很到的呈現效果。

(3)學習者模塊設計

學習者模塊主要包括四部分：認知部分、情感部分、生理傾向部分和情緒狀態部分。前面三個部分是在初次登陸系統時，系統提供相應的測試題給學習者，以全面了解學習者的個性，方面系統全面的了解學習者。在做完這些測試之后，學習者在以后使用系統時不需要再做測試。第四個部分在初次登陸系統時，系統也會給出一套測試題進行測試。在之后的學習中，學習者可以根據實際情況選擇情緒狀態。如：學習者一般在中午進行學習時情緒都比較穩定，系統將提供比較復雜的學習資料。當某天學習者因為特殊情況，中午的情緒比較浮躁。那么在登陸系統之后，學習者可以自己進入到設定部分，將情緒狀態設定為浮躁，這樣系統就會提供比較簡單的學習材料。從下圖可以看出，認知部分主要考察的是學習者的辨識、歸類、認知加工和記憶過程。學習者分析是針對不同學生進行學習資源及其呈現方式選擇的依據之一，包括兩方面的內容：學習準備分析和學習風格分析。在泛在學習中，學習者分析也從學習準備和學習風格這兩方面出發，了解學習者的特征，并把學習者特征作為選擇學習內容和相應呈現方式的一個標準。需要注意，在移動學習中學習者有不同于普通學習者的特點：移動學習者是利用空閑時間進行學習，時間短暫且零散；由于外界因素的影響，學習過程可能隨時中斷，學習者的情緒也會有較大波動。

(4)學習材料呈現及其組合形式設計

學習材料呈現方式的選擇非常重要，根據不同學習者的個性和學習特征、具體情境，選擇恰當的呈現方式具有重要作用。不同呈現方式會產生不同的學習效果，比如純文本形式，用于概念性知識的呈現會更容易使人理解；比如多媒體形式(包括視頻、圖像)，能使抽象知識可視化。考慮到泛在學習的特殊性，及學習時間零散和短暫，所以所有的學習材料都是以一個小片段為單位的。方便學習者進行微學習和碎片學習，使學習者盡量可以在一次學習中學完系統提供的材料。這些學習材料主要有以下幾種呈現方式：

文本形式：文本形式的材料可以做成txt文本形式，方便知識點的介紹等，也可以制作成E-book的超文本形式，方便講解相互之間有聯系的知識點。

電子詞典：將有關定律、概念、名詞解釋、知識背景等內容做成一個存儲庫，可供學習者隨時查閱。

電子教案及課件：將知識點的關鍵部分進行整理并且配上相應的注釋等內容，做成PPT的形式、Web的形式或者是其他更為方便的形式。

視頻：學習材料由教師講授然后制作成視頻的形式，或者是一些包含知識的視頻。

音頻：以聲音形式呈現的學習材料。比如詩歌朗誦等。

圖片：能夠說明知識的圖片。如碳在自然中的循環圖。

學習者在進行泛在學習的時候，自身的情況、外在的環境會影響學習的效果。學習材料的難易程度和呈現方式也會不同程度地左右學習者學習的興趣和積極性。因此根據學習者特點、外在環境、設備特征和學習材料的組合，將學習材料匹配出能使學習效果最優的呈現方式。引擎根據學習者學習興趣和時間要求等方面從學習資源庫中選擇相應內容并結合學習設備以最優的呈現方式呈現給學習者。當然，學習者也可以自己選擇學習資源和呈現方式。學習者學完一個知識點可根據需要選擇下一個知識點，也可以在學習進行的任意環節斷開與自適應引擎的連接；自適應引擎保存學習者的個人學習記錄，學習者下次學習時只需要做出簡單的選擇便可開始新的內容學習。

四 小結

現代社會對人才的要求越來越高，人們為了順應時代的發展需要進行隨時隨地、終身化的學習。在技術高速發展的今天，教育也越來越重視個性化的學習方式。為了實現個性化的教學和泛在學習，這就需要建立起內容模塊化的電子學習資源庫，建立起暢通無阻的信息網絡，設計出不同學習資源的呈現組合方式，以滿足學習者不同的學習需要。本文所探討的泛在學習自適應系統正是具備上述學習支持功能的系統雛形，但是系統中的自適應搜索引擎還只是作者的理論設想并未進行技術實現。因此相應的后續研究還是很艱巨的，需要不同方面的專家進行努力，但是作者相信系統的實現將對泛在學習產生很大的影響。