馬曉絳　劉　昊　袁德明

摘 要:為了在ICAI系統(tǒng)中充分表達現(xiàn)代教學設計理念和有效控制教學活動,提高系統(tǒng)的有效性、智能性和教學性,在研究IMS LD規(guī)范的基礎上,設計了面向學習活動的課程群ICAI系統(tǒng)。首先,根據(jù)崗位能力目標要求按課程群、崗位能力和知識點三個層次來確定課程群知識,并將其加工成可用知識資源;其次,利用支持學習設計規(guī)范的知識庫管理器對所確定的知識資源按教師的教學設計思想進行組織和包裝,逐步建立課程群知識庫;然后,通過教學推理機為學習者提供所需的課程群知識;最后由學習設計解析工具來控制完成相應的學習活動,以實現(xiàn)教學目標。這種設計方法不僅簡便有效,還能充分發(fā)揮教師自身的教學優(yōu)勢和貫徹落實教師的教學理念。

關鍵詞:教育信息化 課程群 面向學習活動 教學系統(tǒng)設計

中圖分類號:G434 文獻標識碼:A 文章編號:1673-8454(2009)13-0059-05

一、引言

長期以來,e-Learning系統(tǒng)一直是以學習對象為中心,根據(jù)不同情況對學習內(nèi)容進行整合而形成的。像IEEE LOM、IMS CP、IMS QTI以及ADL SCORM等技術規(guī)范所關注的對象都是由單個學生來接受的學習內(nèi)容。這些技術規(guī)范雖然支持學習對象的可重用和共享,但它們并不能直接導致學習的有效性,不能充分發(fā)揮信息技術的潛能,更不能充分體現(xiàn)新的學習理念和學習方法。

2003年2月,IMS Global Learning Consortium(IMS全球學習聯(lián)盟)發(fā)布的學習設計規(guī)范(IMS Learning Design Specification,簡稱IMS LD)正在逐漸改變著以學習對象為中心整合e-Learning系統(tǒng)的現(xiàn)狀,一種面向學習活動的研究途徑應運而生,利用學習設計規(guī)范不僅能有效地組織學習對象,而且能很好地落實先進的教學設計理念和教學方法。[1][2]相對以學習對象為中心的技術標準,IMS-LD在整合已有諸多標準的基礎上提出了一個相對高層的且能表達教師教學思想的技術框架。它不僅支持教學方法的重用和共享,還支持帶有相同角色或不同角色的多人合作學習,它不僅能根據(jù)個人特點和具體情況調(diào)整學習內(nèi)容,還能調(diào)整學習活動,從而達到支持個性化教學的目的。

二、基本概念和相關定義

1.學習對象的概念

從構建課程群和教學實際出發(fā),文中把學習對象定義為基于單一學習目標,建立在教學內(nèi)容、教學設計和教學活動基礎上以元數(shù)據(jù)標識的可獲取、可交互、可重用的獨立教學構件。

這個定義給出了學習對象的基本組成要素,包括學習目標、教學內(nèi)容、教學設計、練習、學習評估和元數(shù)據(jù)。學習目標用于指明通過學習對象能使學習者達到何種程度和獲取哪些成果;教學內(nèi)容用于指明通過學習對象為了實現(xiàn)其學習目標要求而提供的所有可獲取的靜態(tài)或動態(tài)的學習資源;教學設計用于指明學習角色、教學情境、教學方法等,為學習者提供學習指導;練習是指圍繞教學目標而設置的必要的訓練活動;學習評估指用于檢測學習者對教學內(nèi)容掌握程度而設置的考核活動;元數(shù)據(jù)用來標識和描述該學習對象的屬性信息。

2.學習設計規(guī)范的核心概念和基本原理

在學習設計規(guī)范中,無論采用何種教學模式,每個人都必須承擔一個角色(或學生或教師),然后根據(jù)各自的角色在環(huán)境中進行學習活動或支持活動,同時生成活動的結果。因此在學習設計中包含了許多諸如角色、方法、活動和環(huán)境等重要元素。

學習設計的結果是一個規(guī)范的XML文檔,學習設計文檔實施結構分為A、B、C三個級別,C級為最高級,它包含了IMS LD規(guī)范中的全部元素,B級LD文檔不含“通知”屬性,A級LD文檔不含“通知”、“屬性”和“條件”元素。

學習設計規(guī)范中的主要概念及其與現(xiàn)實場景中各事物間的映射關系,如表1所示。

3.課程群及其相關定義

(1)課程及課程群的概念

關于課程的概念,不同的課程觀有著不同的理解。后現(xiàn)代課程觀認為:課程是一個開放的系統(tǒng),教學過程不僅是教師傳授知識的過程,而且是師生在互動過程中探索未知,構建他們自已的課程,并使師生共同得到發(fā)展。在美國的《新教育百科辭典》中把課程解釋為:“課程系指在教師指導下學習者學習活動的總體。”其中包含了教育目標、教學內(nèi)容、教學活動以及教學評價等概念。在我國的《現(xiàn)代漢語辭?！分邪颜n程解釋為“學校教學的科目和進程”。

文獻3中指出:課程群是將相互聯(lián)系緊密或具有相似性的幾門課程根據(jù)需要重新整合而形成一個具有相對獨立性和完整性的課程,進而解決教學過程中學科門類過多、過細的問題。這里引入課程群概念有區(qū)分傳統(tǒng)課程(包括傳統(tǒng)網(wǎng)絡課程)的含義。傳統(tǒng)課程是由單門課程按著學科體系分章節(jié)構成的;而課程群則是由多門課程按著職業(yè)崗位能力要求重新整合產(chǎn)生的新課程,每個崗位能力所對應的知識集合是由幾門課程中的相關知識交叉聚合在一起的,具有相對的獨立性和完整性。這種新課程是專門針對崗位能力形成的,它打破了學科界限。

在網(wǎng)絡學習環(huán)境中,可以將課程群的概念范圍界定為由教師、學生、教學資源和環(huán)境四要素構成的互動系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中,教師的主要作用是創(chuàng)設資源和環(huán)境并指導學生學習;學生主要是利用資源和環(huán)境來構建知識,其構建過程是學生自主完成的或在教師指導下的自主行為。如果將教師的教學設計也作為共享資源存在并提供給學習者,不僅可以提高系統(tǒng)的智能性,還可以使更多的學習者通過網(wǎng)絡來接受名師的指點,既可節(jié)省教學成本,又能提高教學質量。

根據(jù)上述分析,文中把針對崗位能力目標而圍繞所需教學資源和環(huán)境開展的一系列活動的過程總和稱為課程群(或課程)。而在這個活動過程中所涉及的各種教學資源信息就是所謂的課程群知識。課程群知識的表現(xiàn)形式有靜態(tài)和動態(tài)之分,也有顯性和隱性之分,無論是哪種表現(xiàn)形式必須能以有效的形式編碼表示,才能成為課程群中的有用知識。

(2)課程群知識的分層結構

根據(jù)生成課程群的方法,課程群知識具有典型的層次特征,采用分層方法能夠很好地反映課程群知識的結構。文中把課程群知識分為課程群層、崗位能力層和知識點層,并把每一層知識都看成是學習對象。課程群層的學習對象元素包括:課程群能力目標、課程群元數(shù)據(jù)、崗位能力(1-m)、教學重點、認知水平、教學設計、課程群練習和課程群評估;崗位能力層的學習對象元素包括:崗位能力目標、崗位能力元數(shù)據(jù)、知識點(1-n)、教學重點、認知水平、教學設計、能力訓練和能力評估;知識點是具有原子特性的不可分單元,是最小學習對象。一個知識點就是一個圍繞某個崗位能力中單項子能力目標設計的一系列學習素材和學習活動的集合,其元素包括知識點能力目標(即單項子能力目標)、知識點元數(shù)據(jù)、學習素材(1-k)、教學重點、認知水平、教學設計、知識點的練習和評估。

將課程群模塊化,把課程群中的知識點定義為最小學習對象,課程群和崗位能力定義為復合學習對象,這樣可以利用學習對象的重用性高、互操作性好等特性來提高課程群知識的可重用性、易組合性和互操作性。利用課程群資源庫中各種學習對象的不同組合來滿足不同崗位能力對知識的需求,極大豐富了教學系統(tǒng)的內(nèi)容。

(3)知識點的大小界定

對于教學系統(tǒng)而言,關于知識點的大小問題一直都是學習對象的研究者們重點探討的問題,至今也只是一些經(jīng)驗性結果。文中結合課堂教學實際,把對知識點的學習時間限制在35~45分鐘之內(nèi)(即1節(jié)課)。另根據(jù)來自認知心理學的7±2法則把知識點中學習素材的數(shù)量限制在9個以內(nèi)。[4]在設計知識點時,要充分考慮時間上(40±5分鐘)和空間上(7±2個)的限制,對于超過上限的知識點必須將其再分解成若干小知識點,對于低于下限的知識點必須再聚合若干學習素材,以滿足知識點的時空要求。

對于教學設計者來講,可以先根據(jù)學習者特征預測出該學習者對當前學習內(nèi)容的認知結構,并據(jù)此對欲呈現(xiàn)的內(nèi)容預先進行分組。分組的方法可以是空間分組或時間分組,也可以根據(jù)有關概念進行語義分組。無論如何分組,均要保證每個知識點在時間上和空間上的要求。

三、課程群ICAI系統(tǒng)設計思想

為了避免重復開發(fā),防止資源浪費,提高系統(tǒng)質量,在課程群ICAI(智能計算機輔助教學)系統(tǒng)設計過程中,采用IMS LD規(guī)范來構建課程群知識庫,把崗位能力所涉及的知識點和相應的學習素材均作為對象分層進行管理,這些對象的隸屬關系如圖1所示。這樣有利于教師和系統(tǒng)設計師們協(xié)同開發(fā)和利用教學系統(tǒng)資源,有利于對崗位能力(培養(yǎng)方案)、知識點(教學大綱)和學習素材(教學內(nèi)容)的設計描述。這些對象可以被拷貝、傳輸、共享和重用。借助LD集成工具,教師可以按著教學過程和教學策略靈活地將學習素材組織成一個知識點,可以由若干知識點再構成滿足某項能力要求的更大的知識單元。教師在整個系統(tǒng)開發(fā)過程中集中精力策劃教學內(nèi)容組織方法和落實教學設計策略即可。IMS LD規(guī)范為這種系統(tǒng)設計思想提供了一個可行性的技術框架,能夠正確、有效地將教學設計思路運用學習設計文檔表現(xiàn)出來。

四、課程群ICAI系統(tǒng)結構框架

基于上述設計思想,課程群ICAI系統(tǒng)結構與教師的備課、授課過程十分相似,其結構框架如圖2所示。整個系統(tǒng)分課程群知識庫、教學推理機、知識庫管理器、管理維護視圖和教學視圖五個模塊。課程群知識庫中存儲著大量的教學所需知識信息(即教材)和所涉及的教學對象(即學習者)的學習狀態(tài)信息;教學推理機(即教師備課)能夠根據(jù)教學目標要求,結合學習者的當前學習狀況和知識水平,有針對性地組織教學方案,完成教學設計;教學視圖(即教學實施)是按教學設計思路呈現(xiàn)教學內(nèi)容的模塊,當學習者提出教學請求后,系統(tǒng)就會通過分析判斷為其選擇適當?shù)慕虒W內(nèi)容與教學方法對其進行有針對性的教學;知識庫管理器是用于管理、維護和更新課程群知識庫的開發(fā)平臺,教學者通過知識庫管理器可以創(chuàng)建和修改教學資源庫、教學策略庫、學習單元庫和學習者庫中的元數(shù)據(jù);管理維護視圖是為教學者提供的操作控制界面。

1.課程群知識庫及其創(chuàng)建方法

課程群知識庫是ICAI系統(tǒng)實現(xiàn)的核心模塊,它直接影響著知識庫中數(shù)據(jù)的準確性和一致性,影響著教學推理機的推理效果。知識庫中的知識都是經(jīng)過必要的加工處理后的可用信息,并以元數(shù)據(jù)格式按學習設計規(guī)范要求表示的。[5]文獻5中給出了以元數(shù)據(jù)驅動構建ICAI知識庫的過程。課程群知識庫包括教學資源庫、教學策略庫、學習單元庫和學習者庫。

(1)教學資源庫

教學資源描述的是具體的學習素材,如網(wǎng)頁、PPT文檔、Word文檔、圖表、動畫、視頻等,即教學素材。教學資源庫的建立需要經(jīng)過兩個階段,首先選擇相應開發(fā)工具(如Dreamweaver、PowerPoint)來加工制作學習對象;然后再運用支持學習設計規(guī)范的工具(如Reload Editor)對其進行包裝。

(2)教學策略庫

教學策略描述的是具體的知識點和引用相關素材的學習活動過程,突出展現(xiàn)了學習活動的條件和方法。它為教學推理機正確地組織教學提供了判斷依據(jù)。學習設計規(guī)范以活動為中心,一系列學習活動的控制過程是通過活動結構實現(xiàn)的,可以是順序式結構,也可以是選擇式結構。在建立教學策略庫時,針對每個知識點的學習,都要明確何人何時采用何種活動結構進行學習,才能達到知識點的教學目標。

這種以學習活動為核心的ICAI系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)教師的教育理念和教學方法,教師可以把針對同一個知識點學習的各種不同的教學策略和教學流程存放到教學策略庫中,以滿足不同學習者的學習要求。由于教學資源庫和教學策略庫在物理邏輯上是獨立相關的,所以對素材的更新不會影響教學策略庫,對同一素材增添不同的教學策略也不會影響教學資源庫,但必須保證教學資源庫與教學策略庫之間邏輯映射關系的正確性。

(3)學習單元庫

學習單元描述的是具體的崗位能力(或子能力)和所需知識點的結構信息。每個崗位能力(或子能力)對應一個學習單元,每個學習單元又包含若干知識點。學習單元是一個根據(jù)內(nèi)容包裝規(guī)范包裝起來的可共享、可重用的相對獨立的教學內(nèi)容,即常說的小課件。[6]

學習單元本身蘊含了課件的特征,它是因某種教學需要利用學習設計規(guī)范設計的相對獨立的教學組件。網(wǎng)絡教學中,一個完整的學習單元就是一個包交換文件,其中包括XML格式的學習內(nèi)容清單(由元數(shù)據(jù)、學習設計和知識目錄組成)和物理文件(實際的物理資源,如HTML文件、媒體文件、活動描述文檔、其他物理文件等)。

(4)學習者庫

學習者是課程群知識庫所面對的教學對象,即學生。對學習者的描述是依據(jù)學習者模型規(guī)范實現(xiàn)的,學習者庫中記錄了學生的基本信息、認知能力、知識水平、學習狀態(tài)、考核結果等數(shù)據(jù),是ICAI系統(tǒng)對學生的學習進行監(jiān)控、個性化、評價和選擇教學策略的重要依據(jù)。[7]

在ICAI系統(tǒng)設計過程中,通過將學習者庫中的數(shù)據(jù)與學習設計中使用的“屬性”元素建立邏輯關系來提供必要的教學反饋信息,從而達到有效控制學習活動的目的。例如,設置File型變量用于接收學生完成的作業(yè),設置Integer型變量用于保存學生的成績,設置Boolean型變量用于控制學生進入下一階段學習等。

2.教學推理機原理

教學推理機由知識搜索器和教案生成器兩部分組成。知識搜索器負責檢索符合學習者學習要求的知識信息,并根據(jù)學習者的當前學習狀態(tài)和認知能力進行決策響應,其工作原理為:1)由學習者提出教學請求(如給出所需求的能力標題或知識標題);2)對學習者的歷史記錄信息進行比對分析確定學習者當前的學習狀態(tài),接著選擇適合當前學習者的教學策略;3)檢索與教學策略相對應的教學資源或學習單元。

教案生成器負責處理和封裝知識搜索器決策的結果,最后生成一個電子教案,如圖3所示即是其生成的電子教案元數(shù)據(jù)模板。

3.知識庫管理器

知識庫管理器主要用于管理和維護整個ICAI系統(tǒng)知識庫,它由知識編輯器和知識再生器兩部分組成。教學者根據(jù)培養(yǎng)方案、課程群性質、崗位能力要求及其他特定需求,運用知識編輯器可以完成對各種知識庫的更新、刪除和查詢等操作。知識再生器可以幫助教學者在已有知識的基礎上生成滿足特定要求的新知識,以提高知識創(chuàng)作的效率。知識庫中的知識表示均是依據(jù)學習設計規(guī)范以XML文檔形式保存的,在創(chuàng)建知識庫的過程中需要檢查驗證各種知識庫間知識表示的正確性、一致性、有效性和冗余性。

在面向學習活動的ICAI系統(tǒng)中,知識庫管理器是利用現(xiàn)有的工具軟件實現(xiàn)的。這里采用LD Editor工具來實現(xiàn)知識編輯器的功能,采用LD再生器工具來解決ICAI系統(tǒng)中知識的再生問題。LD Editor和LD再生器能有效地創(chuàng)建知識庫所需的知識,并按學習設計規(guī)范對知識進行正確的包裝,同時,對其進行正確性、一致性和有效性檢驗。

依據(jù)學習設計規(guī)范包裝的知識資源文件可以在不同的管理系統(tǒng)中進行交換,不受其內(nèi)部學習資源的具體內(nèi)容和格式的限制,并以.zip壓縮文件的形式進行傳遞。

4.視圖管理

課程群ICAI系統(tǒng)提供了兩類視圖,一是管理維護視圖,它是教學者與知識庫管理器間的交互界面,教學者通過它操縱控制知識庫管理器以完成對課程群知識庫實施的各種操作;二是教學視圖,它是學習者與教學推理機間的交互界面,學習者通過它可以達到學習課程群知識庫中知識的目的。

由于知識庫中的知識都是以一個XML文檔格式呈現(xiàn)的,所以通過構造一個具有一致性的解析器(或發(fā)布引擎),就可以將所需的知識按特定風格展現(xiàn)在教學響應界面上。最典型的響應界面就是通用的HTML網(wǎng)頁。在ICAI系統(tǒng)中,通過對教學推理機生成的教案進行解析處理,生成可以在IE瀏覽器中瀏覽的網(wǎng)頁,為學習者提供了一個通用友好的教學視圖,其中,對學習設計文檔的解析處理是借助LD Player工具實現(xiàn)的。

五、結束語

利用上述方案開發(fā)ICAI系統(tǒng),教師僅需掌握相應工具(如LD Editor、LD Player、Word、PowerPoint等)的使用方法,就可以根據(jù)自己的教學設計來開發(fā)學習設計文檔,創(chuàng)建課程群知識庫,完成一個以學習活動為核心的課程群ICAI教學系統(tǒng)。

目前,支持學習設計規(guī)范的開發(fā)平臺很少,文中提及的LD Editor和LD Player是由Reload公司發(fā)布的學習設計工具,其功能比較完善。在ICAI系統(tǒng)結構中,知識編輯器借用了LD Editor工具,知識解析工具借用了LD Player,而知識再生器和教學推理機是根據(jù)ICAI系統(tǒng)設計要求自行設計的。

在學習設計中,知識資源的開發(fā)過程與教師的教學設計思想有機結合,知識的呈現(xiàn)方式(LD文檔或LD組件)不僅能夠充分表達教師的教學意圖,還可以引導他們專心組織和設計學習活動,從而減少了知識資源開發(fā)的盲目性,提高了整個系統(tǒng)開發(fā)和應用的合理性與有效性。同時,學習設計規(guī)范所具有的良好性質也能充分體現(xiàn)在課程群知識庫中。

依據(jù)學習設計規(guī)范來實現(xiàn)面向學習活動的課程群ICAI系統(tǒng)是一種全新的設計與開發(fā)理念,也是重要的發(fā)展方向,它必將受到廣大教育工作者的重視和歡迎。

參考文獻:

[1] IMS Global Learning Consortium. Learning Design Speci-fication[EB/OL]. http://www.imsglobal.org/learningdesign, 2007-03-07.

[2]袁德明, 馬曉絳, 陸祥翠. 學習設計規(guī)范應用研究[J].徐州建筑職業(yè)技術學院學報,2007, 7(4):1-5.

[3]袁德明.混沌式教學設計與實踐[J].中國教育信息化, 2007, (15):66-68.

[4] E.R.Hilgard, R.L.Atkinson, R.C.At kinson. 心理學導論[M].北京: 北京大學出版社,1987:210-220.

[5]袁德明.以元數(shù)據(jù)驅動構建ICAI知識庫的方案[J]. 中國教育信息化, 2007(23): 57-59.

[6] CELTS-9.1(CD2.0). 內(nèi)容包裝:信息模型規(guī)范[EB/OL]. http://www.celtsc.edu.cn, 2004-03-23.

[7] CELTS-11. 學習者模型規(guī)范[EB/OL]. http://www.celtsc.edu.cn, 2004-03-23.