基于SCOSM自适应教学模型设计

摘　要：本论文详细阐述了SCOSM模型的组成和构建；构建了一个能够反映认知能力的学生模型，和一个智能的教学模型，它们能够结合自适应引擎和教学策略一起实现知识的动态调度和教学规划，以实现资源共享的自适应教学。

关键词：可共享内容对象结构模型；学习者模型；教学模型；自适应教学系统
模型
1.1SCOSM模型的组成
　　SCOSM由内容格式模型，结构层次模型，包装交换模型和对象导航模型四部分组成。
　　内容格式模型描述学习内容对象的各种属性格式，重点在于突出内容的检索和交换的属性，把表现形式和内容完全剥离开来。它是内容结构模型的核心，解决了创建学习内容的规范化格式问题，把学习内容格式化，并添加若干属性，用于实现内容对象的共享和可检索。
　　结构层次模型适应原始学习内容本身具有的层次性，有利于更好地组织学习内容，解决内容对象满足不同层次的共享问题。
　　包装交换模型解决了不同系统不同平台内容对象的交换和共享问题。它来自于国家教委的现代远程教育资源建设规范，因为只有大家都遵守共同的规范才能在最大范围内实现共享和重用。
　　对象导航模型重点描述内容对象之间的联系，分析内容对象之间链接关系，解决内容对象之间遍历和“谜向”的问题，为学习者提供学习路径的策略，满足学习者“探索式”学习的需求。下面分别进行描述。
　　1．内容格式模型
　　有两类内容对象，一类是ACO（Atom Content Object，原子内容对象），即不可再分的内容对象，它是学习内容的最小单位，在它的基础上可以组合成更大粒度的内容对象。另一类是MCO（Multiple Content Object，复合内容对象），它是由原子内容对象复合而成，是学习内容的主要形式。两类内容对象都有自己的属性和内容数据，内容格式模型就是把学习内容格式化，并添加若干属性，来实现内容对象的共享和检索。
　　(1)复核内容对象格式描述
　　复合内容对象格式描述可用表1-1来表示。

表1-1 复合内容对象格式表
名称	数据类型	大小	允许空	含义
ID	char	12	否	表示该内容对象的标识
Title	Varchar	50	否	内容对象的名称或标题
Author	Varchar	10	否	内容对象的制作者
Date	DateTime	12	否	制作日期
Subject	Varchar	30	否	内容对象的主题
Keyword	Varchar	20	否	可用于检索本内容对象的关键字集
Content	Varchar	20	是	具体组成的原子内容对象
Link	char	10	否	内容对象的相关链接，形成内容序列
Ref_CO	Data	10	是	要学习该内容对象所需的基础内容对象
Difficulty	Varchar	6	否	定义该内容对象的难度
Importance	Data	6	否	级别根据不同系统自定
Mastery threshold	Varchar	8	否	掌握该内容对象的衡量标准

　　(2)原子内容对象格式描述
　　考虑到教学内容的各个环节，如：测试、掌握程度等，把它作为一个内容对象的组成部分。每个内容对象可根据实际情况拥有全部或部分属性。
　　原子内容对象格式描述如图1-1所示

    图1-1 原子内容对象内容格式模型图
　　2．结构层次模型
　　内容对象必须以层次结构的形式来进行设计和制作，达到最大程度的重用。这里，完整的结构层次模型可分为五个层次：素材内容，原子内容对象，复合内容对象，课和课程。它们的层次模式如图1-2所示。

　　图1-2 内容对象结构层次模型图
　　(1)素材内容
　　主要是指组成学习内容对象的原始素材，比如文本内容，图片，表格，声音，视频内容等等，是整个结构模型的最底层。
　　(2)原子内容对象
　　它是在素材内容的基础上根据一定的教学意义把各种素材内容集成到一起而形成的内容对象。学习者可以根据自己的需求来选择ACO来学习，也可以把ACO组合成更大的MCO或课等来学习，保证了学习形式上更大的灵活性。
　　(3)复合内容对象
　　若干个ACO可以组成更大粒度的MCO。学习者可以选择MCO单元来整体学习，也可以选择单个的ACO进行复习或与其它概念比较学习等。可以把学习单元或学习模块都看作是MCO，只不过复合的层次不同，或大小粒度不同罢了。MCO不只是仅仅由ACO组成，也可以由MCO和ACO组合而成，可以进行多层的嵌套，这都是根据学习者的需求来定的。
　　(4)课
　　它的概念相当于书本中的一章或一节的知识内容，同样是由MCO和ACO组成，从某种意义上说课和课程都是MCO，只是学习的目标层次不同，这样划分既方便学习者选择学习内容，也有利于内容的共享。
　　(5)课程
　　课程的范围更宽一些，相当于一本书或一门课的内容，比如“局域网技术和应用”就可以形成一门课程，它有具体的学习目标，测试，评估等等。
　　3．包装交换模型
　　内容包装交换模型的目的是定义一种能够用来交换学习内容的标准数据结构，为学习资源的制作提供标准数据绑定的基础，从而使学习资源可以在不同的创作工具、学习管理系统和运行环境之间互操作。这个包装交换模型来自于国内的DLTS，其参考模型是IMS的内容包装模型，具体的模型如图4-3所示。

    图1-3 包装交换模型
　　图中描述的包由两个主要元素组成：一个特定的XML文件描述了包中内容组织和资源以及由XML描述的物理文件。一旦一个包为了传输而被合成一个单独文件时，将会被称作包交换文件。
　　一个包代表了一组可单独使用和可复用的学习内容对象。一个包可能是课程的一部分、一个ACO或者MCO，它是可以独立使用的有意义单元，还可以被组合或分解成其它的包。包必须能够独立存在，即它包含了被单独运行时或复用时需要的所有信息。
　　包并不一定要求组合成一个包交换文件。一个包不需压缩成一个单独文件就可以通过CD或其它可移动媒体发布。内容清单文件和该文件所需要的XML支持文件（DTD，XDR，XSD）必须发布在媒体的根目录下。
　　4．对象导航模型
　　内容对象不是孤立存在的，MCO与MCO之间，ACO与ACO之间，MCO与ACO之间，或者课程、课相互之间都存在着导航关系。只讨论MCO与MCO之间，ACO与ACO之间，MCO与ACO之间的导航关系。导航关系是连接与一个学习单元（ACO或MCO）相关的其他学习单元的链接关系，导航关系的确定在整个学习过程中具有重要的作用，因为整个学习内容的学习过程是以内容对象为基础的，学习者以哪个内容对象作为学习的开始，按照知识的掌握程度下一步应该学习哪个内容对象，都需要导航关系做出判断和确定。
1.2基于XML的SCOSM模型描述
　　1．DTD文档约束
　　可以用XML来对内容对象的属性和数据进行描述。规范的XML文档都必须是格式良好的，下面的DTD文 档用来定义内容对象的规范和保证XML文档的有效性。
　　(1)定义MCO的DTD文档，如图1-4所示。

　　图1-4 定义MCO的DTD文件部分
　　(2)定义ACO的DTD文档，如图1-5所示。

　　图1-5 定义ACO的DTD文件部分
　　2．内容交换模型的描述
　　由文件来描述内容交换模型，它包含了基本的内容包装信息：内容对象描述，序列，和内容对象文件名。这个文件必须放在内容对象目录的顶层，可以使用任何文本编辑器来读取和编辑它。
　　3．实现SCOSM内容对象资源库共享
　　内容对象资源库，既要为自适应远程教学系统提供学习内容，又要满足互联网上其他用户的检索和交换服务，这就必须分别通过发布引擎和交换引擎来实现，还要求资源库必须支持XML，同时提供高效率的数据管理和检索服务。进行数据交换或者提供给学习者学习的时候，必须按照标准的内容包装信息才可以实现数据共享。流程如图1-6。

    图1-6 内容资源共享流程
　　在服务器端，由内容对象调用接口来解析来自资源库的内容包装信息，加载相关内容对象，由内容对象序列控制来完成内容对象的集成、拆分，并完成学习者的内容对象序列控制。在客户端，主要完成内容对象的发布。
2.学习者模型建模
2.1模型的建立
　　1．学习者模型概述
　　教学模块就是根据学习者模型提供的信息，选择适合当前学习者的教学内容、教学步骤，来实现自适应智能化远程教学。所以学习者模型是实现自适应智能化远程学习的核心和关键，它是对学习者信息的抽象描述和表示。针对不同的应用需求，学习者模型中所描述的信息有所不同。
　　学习者模型（Student-Model）是一种表征学习者认知状态的数据结构，是本教学系统进行智能化教学的依据。依据教育信息化技术标准委员会（CELTSC）制定的学习者模型规范，学习者元数据由五个部分组成：
　　(1)学习者基本信息：姓名、ID、密码、性别、班级、年龄、Email；
　　(2)学习历史：课程标号、浏览过的URL、登录次数、学习时间、教学活动形式；
　　(3)学习者知识结构：课程编号、知识点编号、各知识点的认知能力情况、知识缺陷和存在问题；
　　(4)绩效信息：各知识点的编号、测试成绩；
　　(5)学习偏好：学习动机、认知策略、社会特征。
　　2．学习者数据的初始化
　　学习者模型是依据学习者和系统之间的交互作用及应答历史而形成的。本课题对学习者模型“基本信息库”中的个人信息、学习动机、学习策略倾向等静态信息在学习者注册阶段，通过表单问答的方式获得，存储在学习者基本信息库中。
　　注册成功以后，学习者每次按其ID号登录进入本系统，不必再填表单。登录时，学习者可以通过测试，所得的各项数据信息，经计算后得到认知能力的“初始估计值”（值域为0—1），系统将根据这个值推荐学习内容。
　　3．学习者模型的生成与动态更新。
　　课程的用户都是注册的用户，用户第一次进入课程学习的时候要进行入门测试，获得用户的初始知识状态和他的某些学习风格，进入课程学习后，用户与系统的交互信息被记录下来用以对用户模型进行维护。主要的用户交互信息记录有：对学习单元的访问时间与次数和单元练习记录情况。为了能够及时反映学习者知识能力和技能状态的变化，可以从服务器端、客户端和代理端跟踪、采集个体在学习过程中产生的学习行为数据。这些“学程信息”经记录和模糊评价后，分别存储在学习者模型库数据库中。其中的学习者知识结构库、学习绩效库中的数据，可以清晰地记录和评价学习者学习的进步。
　　本文采用“测试→评价→调整”的方法来实现学习者模型的动态修改，逐步逼近地实现学习者模型。
2.2模型的结构
　　１．学习者模型的结构
　　从信息处理的角度看，学习者建模的实质是分析和处理学习者的相关信息，包括模型表示和模型诊断两个方面。模型中的信息流如图2-1所示。

    图2-1 学习者模型的结构
　　学习者模型表示的方法与所学领域知识紧密相关。根据模型表示的信息与领域知识的关联程度，可分为领域相关信息和领域无关信息两种。在实际的自适应教学系统中，学习者模型的信息表示方法可分为定量描述和定性描述两类。
　　定量描述方法量化学习者的学习行为和认知状态，定性描述则只能给出说明性的信息描述词句，这样能够较好地向用户输出，但具有模糊性。
3教学模型
　　教学模块的作用是模拟人类教师的行为，把领域知识以恰当的方式传授给学习者。在智能教学系统中，教学模块根据学习者模型中反映出的学习者的实际情况，选择合适的知识传授给学习者，监督并评价学习者的行为，应学习者的请求提供帮助和选择纠正办法。
　　教学模块中的教学方法称为教学策略。智能教学系统中所采用的教学策略主要有以下几种：
　　1．诊断式教学策略
　　大多数智能教学系统采用了这种方法，其教学形式是：系统提出学习任务，对学习者的响应作出评价，并纠正学习者理解上的错误。
　　2．模拟环境式教学策略
　　这种方式为学习者提供一个学习环境，由学习者自己去试验、探索，在不断的尝试中学习新知识，是一种反应式的方法，它鼓励学习者纠正自身的知识错误。模拟环境的教学方法增加了学习者参与的机会，会极大激发学习者的学习兴趣，但是它要求学习者对基本的领域知识已有所了解。
　　3．苏格拉底式教学策略
　　这种教学法以问答方式问学习者问题，它鼓励学习者推理自己懂得的东西，并借此修正学习者的概念，达到教学目的。苏格拉底法教学特别适合于教复杂的课题，在这些课题中各种因素交互作用，并且根据所研究的现象互相对话。
　　本系统教学模块采用了几种策略的混合，如诊断式、模拟环境式、苏格拉底式教学策略的混合使用。
4.小结
　　本论文主要介绍SCOSM模型、学习者模型和教学模型的建立，以实现资源共享的自适应教学，在学习对象思想的基础上，结合XML语言的应用，提出可共享的学习内容对象结构模型，是为了解决如何把利用面向对象的思想付诸到创建学习资源的实践中。
参考文献：
Changtao Qu. Towards Open Standards: the Evolution of an XML/JSP/WebDAV Based Collaborative Courseware Generating System. International Conference on Advanced Learning Te chnologies (IEEE ICALT 2001), 2001. 8
任庆东，苏斐．利用XML实现异源数据库中的数据交换．计算机应用研究，2001，18(12)：129～130

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