面向MOOC的情境仿真支持系統

余小鵬，余小高

1.武漢工程大學管理學院，湖北 武漢 430205；

2.湖北經濟學院信息管理學院，湖北 武漢 430205

MOOC（massive open online courses，MOOC）是遠程教育的最新發展，于2013年全球興起之后，MOOC模式的高校教育聯盟不斷出現。大規模、在線、開放是MOOC的顯著特點。傳統課堂教學要求師生于時空上聚在一起，這需要時間成本和資金成本，而MOOC是一種遠程教學，其泛在的學習形式、豐富的學習資源等，使MOOC成本較低廉，對學生有極大的吸引力。同時，這些優勢也有助于解決教育資源分配不均等難題，一定程度上能縮小教育差距，促進教育公平。

但是MOOC教育理念較之傳統課堂教學并沒有大的突破，反倒失去了傳統課堂教學中師生之間的面對面交互，它的教學過程缺乏情境，缺乏交互。《中國MOOC建設與發展白皮書》明確指出MOOC教學模式有待突破［1］。

1 提出問題

1.1 MOOC教學模式分析

MOOC教學模式情境缺乏。絕大多數MOOC的教學模式仍基于行為主義學習理論，提供給學生的視頻其實都是一幀一幀的靜態圖像，其教學過程缺乏情境，沒有沉浸感［2-3］；教師與學生之間的互動難以有效展開，學生很難獲取傳統課堂學習過程中的代入感［4］。情境的缺乏，非常不利于學生的參與，影響了學生對知識的理解。而絕大多數情況下小學生的學習更依賴由直接觀察所獲得的具體化經驗和理解［5］，因此情境缺乏對小學生的影響非常明顯。MOOC教學模式交互性不足，僅提供BBS、email、wiki等工具進行交互。大量課程視頻組織形式單一［6］，對創建類活動等的設計并不多［2］。學生僅能聽，不能參與到課堂中，無法參與解題等。

情境的缺乏、交互性的不足，使得當前MOOC教學模式不符合當前個性化自適應學習、智慧教育等理論的要求。

1.2 情境仿真支持系統的提出

基于建構主義的情境學習理論，強調知識與情境之間動態相互作用，具有真實性、實踐性、交互性、社會性等特點；而慕課網絡環境具有跨時空性、開放性、數字化、虛擬化等特點，為基于情境的學習活動提供了一定支撐。從情境視角對MOOC教學模式進行研究，既符合理論需求，又有一定的環境基礎。

情境仿真能有效增強MOOC教學模式的情境性與交互性［7-8］。教師要進行情境仿真，就必須掌握較為復雜的仿真技術，然而多數教師不一定能熟練掌握該技術［9-15］。教學作為目的，就有可能與作為手段的仿真技術發生沖突。同時，因為學生情境、教師情境等種種原因，即使講授相同問題，教師們對問題情境的創設也會有一定的個性化差異。因此，支持情境個性化仿真的工具就顯得十分必要。

為了彌補慕課不足，提出情境仿真支持系統C3S。該系統支持學習情境的仿真，包括問題情境、問題情境重構、教師提問等，很大程度上增強了慕課情境性與交互性，大大有利于教師的“教”，也有利于學生的“學”。

2 情境仿真支持系統C3S

2.1 功能結構

慕課的流行會致使教師陷入繁瑣的技術陷阱［9-10］，情境化要求將使該問題更加突出。情境仿真支持系統（content simulation support system，C3S）有效支持情境仿真的個性化創設，使得教師能專注于教學而避免陷入仿真技術的旋渦。其主要構成有：領域知識庫，簡單情境設計語言CS_L#，領域仿真構件列表Component_List，情境編輯模塊CS_Edit，情境執行模塊CS_Do，情境感知模塊CS_Aware等等。C3S功能結構圖如圖1所示。

圖1 C3S系統功能結構圖Fig.1 System function structure diagram of C3S

其中，領域知識庫（Domain_DB）是為了教學以及情境仿真的需要，根據一定領域知識設計而成的數據庫，包括定義、公式、理論等。例如小學數學中的解方程、分解因式、提取公因數、最小公倍數與最大公約數等。CS_L#是面向一定領域的簡單情境仿真語言，是一套簡易關鍵詞、詞法與句法的集合，采用類似C#的數據類型、詞語與句法。

Component_List是面向領域的一系列仿真構件集合，供用戶調用，由系統提供，根據Domain_DB設計而成。例如：可從小學數學的七類行程問題、六類鐘表問題中提取出主要仿真構件“行程角色”（包括人、車類）、鐘表等。Componenti包括屬性、事件與動作，可描述為：

其中Arr_List主要描述Componenti的屬性及屬性值，例如“行程角色”屬性包括行程開始時間、方向或者、速度等，鐘表屬性包括表盤、刻度的顯示，分針與時針轉動的關系，以及初始轉動速度、初始時間等。Method_List就是Componenti在情境仿真中的所應具備的動作，例如“行程角色”沿線段移動、鐘表時針與分針的轉動等。Event_List響應用戶鼠標鍵盤等交互信息，例如：鐘表初始時間設置時的按鈕點擊、方程組未知數設置時的輸入等。

情境編輯模塊CS_Edit主要用于用戶對情境的仿真進行編輯，由常用構件（例如按鈕、文本框等），領域仿真構件列表Component_List，編輯單元等構成。CS_Edit的輸出為情境仿真文件CS_File，記錄著情境的構成、布局，各構成要素的狀態、事件與動作等信息。鐘表問題的一個CS_Edit界面如圖2所示，用戶可以從工具欄中選擇“鐘表”，在編輯區進行屬性設置。

CS_File文件為XML結構，其最外層節點為CS_Form。當前節點的簡單屬性包含在節點中，子節點為其復雜屬性（property），事件（event）和方法（method），以及被包含的元素。

情境執行模塊CS_Do首先對CS_File進行詞法與句法分析，然后將CS_File轉變為C#類。構件的屬性、事件與方法對應著該類的相應項；再由相應解釋器Compiler解釋執行，實現情境仿真。

情境感知模塊CS_Aware嵌入在情境編輯模塊CS_Edit中，可以把CS_Edit中的對象Componenti設置為情境感知熱點HotSpot，然后基于HotSpot，收集用戶情境信息，為分析學生學習情況做好數據準備。

圖2 CS_Edit情境編輯界面Fig.2 Context editing interface ofCS_Edit

2.2 體系結構

C3S從情境仿真的角度對MOOC進行支持。其工作主要流程是：教師在瀏覽器端調用C3S對各類學習情境進行仿真創設，形成一系列仿真文件CS_File，嵌入到傳統課件視頻文件中，并設置其被執行機制；在學生端，由播放頁面解釋執行仿真文件，達到增強情境特征與交互性的目的。

C3S基于B/S結構，其核心部件例如知識庫、解釋器等，嵌入在Web服務器中；在瀏覽器端需要C3S插件支持，并對播放器進行擴展。C3S插件負責在教師端支持仿真創設，在學生端解釋執行仿真文件。該插件目前使用ActiveX方式實現。C3S體系結構如圖3所示。

圖3 C3S體系結構Fig.3 Architecture of C3S

3 C3S在MOOC教學模式中的應用

傳統課堂教學的主要模式往往是教師以PPT+黑板的方式授課。MOOC教學應該對更多學習情境進行支持，C3S能有效支持MOOC中的情境仿真。

調用C3S插件，在播放過程中根據時間戳等條件，使用JavaScript、Flash等停止視頻播放、調用CS_Do執行仿真文件，仿真課堂作業布置等情境。如圖4所示，視頻播放到一定時刻，可以彈出教師布置的課堂作業。學生進而進行問題情境重構與解題，之后繼續觀看慕課視頻，彼此不影響。

圖4 CSMOOCs課堂作業布置示意圖Fig.4 Sketch diagram of classroom assignment inCSMOOCs

問題情境重構支持學生對問題情境進行動畫等方式的仿真，以較為直觀的方式表達問題情境，非常有利于學生對知識的理解。圖5（a）為圖4所示數學題的情境仿真界面，圖5（b）為情境重構界面。在圖5（a）中，教師可調用CS_Edit，在工具欄中選擇構件，在編輯區進行仿真創設，生成CS_File文件。在圖5（b）中，構件相較簡單，來源于（a）生成的CS_File ，例如只有“甲車”、“乙車”與“AB兩地”等；學生可以選擇構件，重構出問題情境，其中子窗口分別是編輯窗口與仿真運行窗口。

圖5 問題情境仿真與重構界面：（a）問題情境仿真；（b）問題情境重構Fig.5 Sketch diagrams：（a）Problem context simulation interface；（b）Problem context reconstruction interface

圖6為解題仿真界面，可以把學生與圖6（a）所示的文本框、下拉框等構件的交互行為記錄下來，以感知學生“設置未知數”等題意理解方面的能力；學生可通過“選擇文本”的方式對選擇的方程組、等式或者一般計算式進行一定操作（見圖6（a））、并錄入“計算結果”，最后由系統對該結果進行自動判斷，如圖6（b）圖所示。把該過程記錄下來，可以有效感知學生解題步驟的正確性，進而分析學生對知識點的掌握程度。

圖6 解題情境與情境感知界面：（a）情境感知，（b）解題情境Fig.6 Sketch diagrams：（a）Context aware interface；（b）Solving problem context interface

解題情境提供對學生在線解題步驟的支持，調用情境感知模塊捕獲學生的答題行為，對學生答題步驟進行感知，并分析學生對知識的把握情況，有利于教師進一步作出個性化輔導。

根據上述分析，C3S能有效支持MOOC環境下更多的學習情境，增強了慕課課堂互動，使其更加接近真實課堂。

4 結 語

慕課發展非常迅猛，其低廉的教育成本、泛在的學習形式，使其得到很大程度上的認可。然而，MOOC教學模式缺乏情境、交互性不足。建構主義學習理論是慕課教學的理論基礎之一，情境學習理論是建構主義的發展。文章以情境學習理論為基礎，提出情境仿真支持系統C3S，及其在MOOC中的應用。C3S通過在課件視頻中嵌入系列情境仿真文件來支持更多的學習情境，很大程度上提高了情境性與交互性，大大有利于慕課教學質量的提高，非常有利于教育公平。

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