基于主題圖的網絡課程知識個性化導航*

黃 煥 劉清堂 田恩舜

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基于主題圖的網絡課程知識個性化導航*

黃 煥1劉清堂2田恩舜1

（1．中南民族大學教育學院，湖北武漢 430074；2．華中師范大學教育信息技術學院，湖北武漢 430079）

當前，我國的網絡課程建設已取得較大成績，但也存在大部分網絡課程難以有效支持學習者的自主探究式學習，缺乏面向學習者認知支持的策略和方法。文章提出了一個基于主題圖的網絡課程知識組織模型和一種基于學習者知識狀態模型的個性化導航方法，并以“Java程序設計”網絡課程為例進行了實證研究。基于主題圖的網絡課程知識組織模型能深入揭示、表示各知識單元之間的復雜關系，為知識導航服務奠定了良好的基礎；基于學習者知識狀態模型的個性化導航方法則動態地記錄了學習者的知識狀態，并以圖結構形式向學習者提供個性化的知識導航服務，能夠在一定程度上預防學習者出現迷航問題，更適合引導學習者的自主探究式學習。

網絡課程；主題圖；知識導航

引言

隨著信息技術的發展及其在教育領域的應用，網絡學習已成為當前一種非常重要的學習方式。網絡課程是支撐網絡學習的一種重要的、基本的學習資源，其質量好壞直接影響著網絡學習的效果和發展。近年來，我國的網絡課程建設已取得較大的成績，相關的研究成果也層出不窮。然而，網絡課程在快速發展的同時也暴露出諸多問題，出現了“教師難于選材，學生難于自學”的尷尬局面，致使網絡課程建設陷入了一個“瓶頸期”[1]。

在諸多問題之中，一個突出的問題就是現有的大部分網絡課程難以有效支持學習者的自主探究式學習。其主要原因在于，現有的大部分網絡課程主要是面向資源的，而不是面向認知的[2]；注重對單一資源的設計，為學習者提供的是一個集合式的知識資源庫，較少考慮知識單元之間的邏輯關系，缺乏能夠支持自主探究式學習的導航形式，導致學習者學習網絡課程時感覺比較枯燥。少數網絡課程雖然考慮了知識內容的分解與組織，但只是使用超媒體技術對教材內容進行簡單的“搬家”，而沒有從認知的視角組織知識并給出個性化的導航。

學習導航的目的是為了幫助學習者更有效地學習，避免學習過程中出現迷航，以達到快速掌握知識的目的[3]。一個精心設計的導航可以為用戶創建一個熟悉的空間，以便能在其中自由穿行瀏覽而不會出現“迷航（Disorientation）”和“認知負荷（Overload）”的問題，從而使預訂的任務變得容易完成[4]。現有的網絡課程主要使用超媒體技術對課程內容進行組織，使用“目錄樹”實現課程內容的導航。這種課程內容組織與導航方法難以明確揭示知識對象之間的橫向關聯，不能有效支持學習者的自主探究式學習。

一主題圖與網絡課程內容導航

主題圖是一種用于描述信息資源的知識結構的數據格式，它在信息資源的上層構建了一個結構化的語義網，描述主題之間的關系及主題與具體資源的聯系[5]。主題圖已于1999年通過了ISO認證，并于2000年成為了一項國際標準（ISO/IEC 13250）。該標準定義了主題圖的概念、數據模型和XML語法規范——XML Topic Maps（簡稱XTM）[6]。主題圖的核心內容可概括為：

1 三個基本概念

主題圖的三個基本概念包括主題（Topic）、關聯（Association）、資源指引（Occurrence）。①主題是現實事物的形式化描述，可以是表示任何事物的名詞，如“三國演義”、“羅貫中”等。主題可以有其特定的類型，如“羅貫中”的類型是“作者”。②關聯描述了主題之間的語義關系，如“三國演義”與“羅貫中”之間是“寫作”關系。關聯將涉及的主題作為它的成員，并標明主題在其中扮演的角色。關聯也可以有其特定的類型，通過關聯類型可以將主題圖中給定的主題按照關聯類型進行聚合。③資源指引標明了與某一主題相關的一個或多個信息資源。這種信息資源可以獨立于主題圖之外，也可以包含在主題圖之內。

2 兩個層次

主題圖的兩個層次是指信息資源層和知識網絡層，二者既相互獨立，又彼此聯系。①信息資源層由各種與主題相關的信息資源實體組成。這些信息資源可以是存在于主題圖之內的一個文本片斷，也可以是存在于主題圖之外的一個文檔、圖片、視頻、音頻等。②知識網絡層描述了領域內的主題以及它們之間的關系，是對領域知識的一種結構化描述。在主題圖的三個核心元素中，資源指引是信息資源層和知識網絡層之間的紐帶。

3 一個數據模型

三個核心概念和兩個層次構成了主題圖的數據模型，如圖1所示。

圖1 主題圖的數據模型

從主題圖的數據模型可以看出，將主題圖應用于網絡課程知識組織與導航具有獨特的優勢。主題圖的知識層能夠深入地表征各種知識對象以及它們之間的復雜關系，為個性化、智能化的知識服務奠定了基礎[7]。更為重要的是，在知識層的基礎上使用知識地圖的導航方式，能夠有效地引導、支持學習者的自主探究式學習。此外，主題圖建立了知識資源與知識主題之間的聯系，學習者可以據此快速、準確地找到相關的知識資源。

二基于主題圖的網絡課程知識組織

網絡課程學習導航是建立在課程內容知識組織上的一項學習支持服務，因此，一個優秀的學習導航系統必須建立在一個合理的知識組織模型之上。知識組織的目標就是要用一定的方法把知識客體中的知識因子和知識關聯揭示出來，以便人們認識、理解和接受。

1 網絡課程的知識組織模型

網絡課程知識組織應該遵循學習者的認知發展規律，其知識結構應該與專家的認知結構盡可能保持一致，這樣才能像“專家”一樣高效地引導學習者的自主探究式學習。

目前，大部分網絡課程基本上都采用了類似于教材目錄的方式來組織課程知識，而且將學習資源與知識表示連為一體。這種知識組織方式能夠清晰地表示課程知識的層次結構，學習者可以通過超文本鏈接定位到任意一個章節。但是，這種知識組織方式沒有深入到知識點層次，沒有挖掘并表示各知識點和概念之間的聯系。而且，由于學習資源與知識表示沒有分開，所以這種知識組織方式的靈活性較差，且難以修改，學習資源也難以實現共享復用。

基于皮亞杰的認知發展理論和布魯納的結構主義教學理論，美國著名認知心理學家奧蘇貝爾創造性地提出了有意義學習理論，強調在知識的組織編排上要遵循“不斷分化”和“融會貫通”的原則——“不斷分化”要求知識的組織與呈現應該遵循從整體到部分、從一般到具體的順序；“融會貫通”要求知識的組織與呈現應該注意相關知識點的聯系與區別，消除新知識與已有知識之間的矛盾與混淆。這兩條原則建立在人類認知發展規律的基礎上，也同樣適合于網絡課程內容的知識組織。

根據奧蘇貝爾的“不斷分化”和“融會貫通”原則，在“目錄式”知識組織的基礎上，本研究將網絡課程的知識組織設計為一個具有四層結構的邏輯模型（如圖2所示）——在縱向上，該模型遵循“不斷分化”的原則，將網絡課程知識依次表示為章、節、知識點、學習資源等四層，清晰地表示了課程知識的層次結構；在橫向上，該模型遵循“融會貫通”的原則，在知識點層上明確標明了知識點之間的類屬、包含、相關等三種關系。

圖2 網絡課程的知識組織模型

2 基于主題圖的網絡課程知識組織實現

通過比較主題圖的數據模型和網絡課程的知識組織模型，可以看出：主題圖技術能夠較好地實現網絡課程的知識組織，清晰揭示知識之間的橫向和縱向聯系。據此，可以使用XTM語法實現網絡課程的知識表示與組織。

（1）知識主題的描述

在網絡課程的知識組織模型中，主要存在三種類型的知識單元：章、節和知識點。這三種知識單元可用主題圖中的三類主題與之對應。在XTM中，主題使用元素來定義，主題的類型也被定義為主題，一個主題屬于某一類型通過元素來實現。

（2）知識主題間關系的描述

在網絡課程的知識組織模型中，主要定義了三種關系：包含、順序和相關。在主題圖中，可以分別定義三種關系類型來與之對應。XTM使用元素來描述主題之間的關系。一個主題關系通常涉及兩個主題，每個主題在其中扮演著不同的角色。關系類型和主題的角色在XTM中都以主題的形式定義。一個關系屬于哪種類型也使用元素來描述，主題的角色則使用元素來描述。

（3）相關學習資源的描述

在網絡課程的知識組織模型中，還需要描述與某一知識主題相關的學習資源。XTM使用元素來指明與某一主題相關聯的資源實體的位置，它是元素的一個子元素。資源實體也可以有不同的類型，如圖片、視頻、試卷、講稿等，也是使用元素來描述。主題圖中存在兩種形式的資源：內部資源和外部資源。其中，內部資源使用元素來直接描述資源的內容，外部資源則使用元素來指明資源實體的位置。

三網絡課程知識的個性化導航

從建構主義的視角來說，學習內容導航是一種典型的學習支架，對于引導學習者的自主探究式學習具有重要作用。現有的網絡課程使用類似于教材目錄的方式結合內外部鏈接來實現學習內容導航，學習者經常要在多層、交互聯系的各個頁面之間頻繁跳轉，致使學習內容在學習者頭腦中的意義建構的整體性不強。而且，這種導航方式缺乏個性化，不能根據學習者的知識狀態變化為學習者提供動態的引導和提示。據此，本研究在基于主題圖的知識組織模型的基礎上，提出了一種個性化、圖形化的導航方式。

1 學習者知識狀態建模

為了向學習者提供個性化的學習導航，必須構建一個動態的學習者模型，用以存儲學習者的知識狀態信息。學習者模型是學習者的個體特征在計算機系統中的一種抽象表示，代表了學習系統所理解的“學習者”[8]。在眾多的個體特征中，最重要的是學習者的知識狀態，它指明了學習者哪些知識沒有掌握、哪些知識已經掌握了、掌握到了什么程度，是網絡課程為學習者提供個性化導航的重要依據。

目前，表征學習者知識狀態信息的學習者模型主要有：鉛板模型、覆蓋模型、約束模型和貝葉斯網絡模型等[9]。在這些模型中，覆蓋模型被認為是迄今最有效的一種知識狀態建模方法，也是當前使用最多的一種方法。該模型將學習者擁有的知識看作是領域知識的一個子集，學習者的學習目標是逐漸的逼近和覆蓋領域知識的集合。該模型通常采用“鍵—值”對的數據結構來實現，即給每個領域知識概念分配一個權值，用以表示學習者對該領域概念的掌握程度，這個值可以是離散的、連續的或是一個多維向量。據此，本研究使用二值離散覆蓋模型，來表示學習者對網絡課程中某一個知識點是否已經掌握。

結合XTM的語法規范，可以通過定義一種主題來表示學習者、定義學習者與知識點之間的一種關系來表示學習者是否掌握了該知識點，從而實現學習者的知識狀態建模[10]。例如，表征學習者“小明”掌握了知識點“勾股定理”的XTM語法為：

在上述代碼中，首先用元素定義了一種關系“掌握”，然后使用元素定義了“掌握”關系的一個實例，表示學習者“小明”已經掌握了“勾股定理”這個知識點。如果某一學習者與某一知識點之間不存在“掌握”關系，則代表該學習者沒有掌握該知識點，還需要進一步學習。學習者是否已經掌握了該知識點，取決于他在學習該知識點后回答相關練習題的準確率。

2 網絡課程知識的個性化導航

在傳統的網絡課程中，目錄樹在學習導航中起到了非常重要的作用，它清晰地揭示了知識間的縱向關系，能夠使學習者快速、準確地定位到想要到達的章節。在基于主題圖的網絡課程知識組織模型中，定義了章和節兩種知識主題，并使用“包含”關系指明了二者的層級關系，因此依然可以提取出各章、節形成一個目錄樹，來實現知識的縱向導航。

目錄樹導航雖然能夠較好地實現網絡課程在章、節層面上的導航，然而無法深入到知識點層次，不能揭示知識點之間的橫向和縱向關聯。在基于主題圖的網絡課程知識組織模型中，還定義了知識點以及知識點之間的類屬、包含、相關等關系。為了向學習者呈現知識點之間的邏輯關聯，實現知識點層次上的學習導航服務，可以使用圖結構來表征知識點形成的網狀結構。圖結構中的每一個節點表示一個知識點，節點之間的弧表示知識點之間的關系。圖結構具有非線性和連續性等特征，更加接近知識的邏輯結構和人類的思維方式。因此，知識點的圖結構導航能夠較好地支持學習者的自主探究式學習。

此外，學習者知識狀態模型記錄了學習者已經掌握了哪些知識點，據此可以在網絡課程的知識點圖結構導航中標識出學習者已經掌握的知識點，并根據知識點之間的邏輯關系向學習者推薦下一步應該學習的知識點，從而實現知識點層次上的個性化導航服務。

在上述研究的基礎上，本研究以“Java程序設計”網絡課程為例，在主題圖工具集Ontopia的基礎上實現了基于主題圖的網絡課程知識組織與個性化導航服務，如圖3所示。具體來說，當學習者選擇“課程內容”時，網絡課程為學習者提供章、節的目錄式導航；當學習者繼續選擇某一節時，網絡課程以圖結構形式向學習者提供知識點的學習導航。知識點的圖結構導航采用不同的顏色，來標識學習者已經掌握的知識點和知識點之間的不同關系。當學習者選擇某一個具體的知識點時，網絡課程進一步向學習者展示該知識點的內容描述、相關資源、相關討論和練習測驗。學習者通過一個知識點的練習測驗后，該知識點的狀態將變為“已掌握”。

圖3 “Java程序設計”網絡課程的學習內容導航服務

四總結與展望

學習導航是網絡課程需要提供的一項非常重要的學習支持服務，它就像一個“支架”引導著學習者的自主探究式學習，并直接關系到網絡課程的學習結果。傳統的網絡課程使用超鏈接技術來組織課程知識，采用類似目錄的方式結合內外部鏈接來實現網絡課程知識的學習導航，這種知識組織與學習導航方式使學習者對課程知識建構的整體性不強，且容易導致“迷航”，同時也缺乏個性化。針對這些問題，本研究提出了一個基于主題圖的網絡課程知識組織模型和一種基于學習者知識狀態模型的個性化導航方法。這種網絡課程知識組織模型和知識導航方法能夠深入到知識點層次，揭示知識點之間的復雜關系，避免學習者出現迷航問題，更適合引導、支持學習者的自主探究式學習。

然而，網絡課程的知識組織與導航是一個復雜的問題，它涉及心理學、教育學、知識工程、計算機科學等多方面的知識；知識的結構也非常復雜，本研究提出的知識組織模型還不能完全揭示知識的復雜性。因此，有必要從不同的角度定義知識點之間的關系，并在知識點學習導航中提供多種視圖，以滿足不同個性的學習者的需要——這些問題，將是筆者下一步的研究方向。

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編輯：小米

A Topic Map-based Personalized Navigation for Online Courses Knowledge

HUANG Huan1LIU Qing-tang2TIAN En-shun1

The current construction of online courses in our country has made great achievement. But most of online courses still have the problems that the learners’ exploratory self-learning was not supported and the strategy, method oriented for learners’ cognitive support were absent. This paper proposed an online course knowledge organization model based on topic map, and a personalized navigation method based on students’ knowledge state model. The paper also carried out demonstration research by taking the course of “Java Program Design” for example. The constructed model can effectively reveal and represent the complicated relationship between each knowledge unit, and establish a good foundation for the knowledge navigation service. The constructed method could dynamically record the learners’ knowledge state, provide personalized knowledge navigation service to learners using the form of graph structure, prevent the disorientation problem in learning and was more suitable to guide exploratory self-learning.

online courses; topic maps; knowledge navigation

G40-057

A

1009—8097（2016）09—0099—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.09.015

本文為中南民族大學基本科研業務費專項資金項目“基于主題圖的網絡課程知識組織與個性化導航研究”（項目編號：CSQ15016）的階段性研究成果，并受國家自然科學基金“面向Web信息的知識融合關鍵技術研究”（項目編號：61272205）、湖北省教育科學規劃研究一般項目“思維導圖與課程教學整合對大學生創新思維的影響”（項目編號：2015GB025）資助。

黃煥，講師，博士，研究方向為知識挖掘與服務、教育數據挖掘，郵箱為hbdx_hh@163.com。

2015年11月2日