黃昌勤，王希哲，張冬冬，梅曉勇，周宇文

(華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)研究與實(shí)踐*

黃昌勤，王希哲，張冬冬，梅曉勇，周宇文

(華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

研究性學(xué)習(xí)對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力至關(guān)重要，空間化設(shè)置的虛擬學(xué)習(xí)云環(huán)境能在學(xué)習(xí)資源與服務(wù)的動(dòng)態(tài)供給、便捷交互上提供支持，為研究性學(xué)習(xí)實(shí)踐提供了新的途徑。以促進(jìn)研究性學(xué)習(xí)與學(xué)習(xí)云空間深度融合為目標(biāo)，對(duì)學(xué)習(xí)云空間支持下研究性學(xué)習(xí)各要素進(jìn)行適配分析，提出了學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)。為了促進(jìn)學(xué)習(xí)者交互學(xué)習(xí)的主題管控和目標(biāo)的快速達(dá)成，以構(gòu)建語(yǔ)義相似度計(jì)算方法為基礎(chǔ)，提出了一種思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制；依托Cloudstack，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了以云空間為基礎(chǔ)的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)，完成了交互協(xié)作學(xué)習(xí)與思維智能導(dǎo)引的有效結(jié)合。基于學(xué)習(xí)案例進(jìn)行應(yīng)用效果測(cè)試，結(jié)果顯示該研究能較好地提高研究性學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果。

學(xué)習(xí)云空間；研究性學(xué)習(xí)；語(yǔ)義Web；思維發(fā)散與聚集

一、引言

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代背景下互聯(lián)網(wǎng)成為教育信息化的主戰(zhàn)場(chǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)終身學(xué)習(xí)、建設(shè)學(xué)習(xí)型社會(huì)是未來(lái)趨勢(shì)[1]。學(xué)習(xí)云空間是國(guó)家教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容──“三通兩平臺(tái)”中的核心內(nèi)容，它基于開放式的云計(jì)算架構(gòu)，以教師、學(xué)生為共建共享的主體，匯聚教與學(xué)相關(guān)信息、資源和服務(wù)，為用戶提供一站式交互學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)虛擬空間，將有效滿足學(xué)生的自主學(xué)習(xí)以及教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)需求，提升教與學(xué)、學(xué)與學(xué)的有效互動(dòng)，促進(jìn)教學(xué)方式的變革。

研究性學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者在教師指導(dǎo)下，從自然、社會(huì)和生活中選擇和確定專題進(jìn)行研究，并在研究過程中主動(dòng)地獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)和解決問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要手段[2]。在傳統(tǒng)教學(xué)條件下，研究性學(xué)習(xí)的廣泛開展面臨著諸多問題，如資源不足、探究活動(dòng)受時(shí)空限制等[3]。學(xué)習(xí)云空間基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)環(huán)境的空間化配置，能夠最大化提供資源和服務(wù)共享、促進(jìn)活動(dòng)交互與行為協(xié)作，這與研究性學(xué)習(xí)開放性、自主性、協(xié)作性等需求不謀而合，也因此為學(xué)習(xí)云空間與研究性學(xué)習(xí)的深入融合、研究性學(xué)習(xí)效果提升帶來(lái)了新的契機(jī)。

近幾年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的提出與發(fā)展，一些研究者開始關(guān)注并利用學(xué)習(xí)空間進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐探索。應(yīng)用研究主要集中于將學(xué)習(xí)空間應(yīng)用于智慧校園建設(shè)[4]、個(gè)人學(xué)習(xí)環(huán)境[5]、學(xué)科課程教學(xué)[6]、資源建設(shè)[7]和教師專業(yè)化發(fā)展[8]等方面，這些研究表明：網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間在一定程度上能夠有效帶動(dòng)教育教學(xué)變革，促進(jìn)教學(xué)效果提升。目前，尚缺乏學(xué)習(xí)云空間的應(yīng)用性研究成果，未見研究性學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)云空間深度融合的探討。本文擬從學(xué)習(xí)云空間中的研究性學(xué)習(xí)要素適配分析、學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用等方面展開研究，以期提供可行的技術(shù)方案，促進(jìn)研究性學(xué)習(xí)理論與實(shí)踐發(fā)展。

二、學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)要素適配分析

黃榮懷教授認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的研究性學(xué)習(xí)包含三個(gè)要素：網(wǎng)上資源、工具軟件與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[9]。這三個(gè)要素為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的研究性學(xué)習(xí)提供了重要條件。學(xué)習(xí)云空間中的網(wǎng)上資源涵蓋空間內(nèi)外的內(nèi)容性資源、過程性資源等；工具軟件也理所當(dāng)然地拓展為各類功能性應(yīng)用服務(wù)，如交流服務(wù)、協(xié)作工具、空間配置服務(wù)、空間內(nèi)外的推送服務(wù)等；網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)則是學(xué)習(xí)云平臺(tái)，云平臺(tái)的開放共享特性、虛擬空間的便捷化資源配置及學(xué)習(xí)協(xié)作支持，將給研究性學(xué)習(xí)提供更好的環(huán)境適配。為了使研究性學(xué)習(xí)與學(xué)習(xí)云空間的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行更深層次地融合，更好地促進(jìn)研究性學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效率，本研究根據(jù)研究性學(xué)習(xí)的應(yīng)用需求，對(duì)學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)的三個(gè)要素進(jìn)行適配性分析。

(一)云空間中的學(xué)習(xí)資源適配性

云計(jì)算及其思想在學(xué)習(xí)領(lǐng)域的應(yīng)用促進(jìn)了云學(xué)習(xí)時(shí)代的到來(lái)。云空間通過云計(jì)算技術(shù)虛擬化并統(tǒng)一管理資源，實(shí)現(xiàn)研究性學(xué)習(xí)資源的最大化共享和應(yīng)用。通過將學(xué)習(xí)資源部署于“云”加“端”，允許學(xué)習(xí)者能夠以普適方式按需調(diào)用學(xué)習(xí)資源，為學(xué)習(xí)者構(gòu)建了一個(gè)資料豐富、應(yīng)用便捷的個(gè)人(或群體)學(xué)習(xí)場(chǎng)所，有利于從資源供給角度支持學(xué)習(xí)者個(gè)體和群體開展學(xué)習(xí)探究，并促進(jìn)資源演進(jìn)與發(fā)展。同時(shí)，云空間的空間化設(shè)置，有力地支持學(xué)習(xí)者按照自己的需求配備個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源，并使其得到動(dòng)態(tài)化的集中與高效管理。

云計(jì)算“資源共享、集中服務(wù)”的核心理念，一方面使得云空間能夠提供近似無(wú)限的學(xué)習(xí)資源，另一方面也導(dǎo)致云空間中的研究性學(xué)習(xí)面臨著信息過載問題。海量資源環(huán)境下，學(xué)習(xí)資源匹配率和利用率較低，學(xué)習(xí)者難以找到與其學(xué)習(xí)需求相適應(yīng)的學(xué)習(xí)資源。究其原因，主要是學(xué)習(xí)資源組織跟傳統(tǒng)組織方式一樣，停留在語(yǔ)法層面，缺乏語(yǔ)義的表征和組織，過程性資源缺乏動(dòng)態(tài)化匯集和知識(shí)化處理機(jī)制。為了更好地滿足研究性學(xué)習(xí)需求，尤其主題性資源共享的需求，使學(xué)習(xí)資源最大限度為學(xué)習(xí)服務(wù)，本研究認(rèn)為語(yǔ)義化組織管理是提升云空間資源應(yīng)用適配性的必然趨勢(shì)，即利用本體語(yǔ)義技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)云空間的信息資源進(jìn)行組織，并建立與之匹配的學(xué)習(xí)資源知識(shí)服務(wù)體系，從語(yǔ)義智能角度促進(jìn)海量資源查找與應(yīng)用效率。

(二)云空間中應(yīng)用服務(wù)適配性

云空間將所有的可用應(yīng)用服務(wù)(含工具)集中于一個(gè)云平臺(tái)之上，在平臺(tái)的統(tǒng)一管理和調(diào)配下，給用戶提供研究性學(xué)習(xí)所需要的各種學(xué)習(xí)功能服務(wù)。一方面，所有的應(yīng)用服務(wù)發(fā)布并托管在云中心，其數(shù)量與規(guī)模是巨大的，而且云服務(wù)的虛擬化將促進(jìn)應(yīng)用功能的泛在化與服務(wù)可用性，上述服務(wù)理念與機(jī)制，可保證在研究性學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)者需要的應(yīng)用服務(wù)隨時(shí)隨地得到滿足。另一方面，云計(jì)算中服務(wù)可動(dòng)態(tài)調(diào)度，營(yíng)運(yùn)模式受益市場(chǎng)機(jī)制，這使得應(yīng)用服務(wù)能在優(yōu)勝劣汰中演化與更替，促進(jìn)了應(yīng)用服務(wù)的質(zhì)量提升。同時(shí)，在空間內(nèi)，基本服務(wù)(含工具)可個(gè)性化配置，將有利于功能服務(wù)便捷化。顯然，上述基礎(chǔ)設(shè)施特點(diǎn)可極大促進(jìn)研究性學(xué)習(xí)的功能服務(wù)效率和效果。

相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，云空間中應(yīng)用服務(wù)的管理、演進(jìn)與可配置特點(diǎn)，將給研究性學(xué)習(xí)帶來(lái)良好的功能服務(wù)支持。同時(shí)，由于研究性學(xué)習(xí)過程往往需要多重功能支持，目前的云空間尚不能主動(dòng)“適配”多業(yè)務(wù)活動(dòng)需求，缺乏應(yīng)用服務(wù)動(dòng)態(tài)支持機(jī)制。具體而言，研究性學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化且具有一定的時(shí)間階段性，不同的學(xué)習(xí)階段學(xué)習(xí)者需要的應(yīng)用服務(wù)也不同。因此，主動(dòng)服務(wù)是學(xué)習(xí)云空間尚待適配的核心所在。本研究認(rèn)為：在開放的學(xué)習(xí)云空間環(huán)境中，可通過對(duì)應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行準(zhǔn)確描述并設(shè)計(jì)匹配、觸發(fā)與實(shí)施機(jī)制，使研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的支持功能需求能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)、判別并進(jìn)行組合服務(wù)，進(jìn)而為不同狀態(tài)下的學(xué)習(xí)者提供相適應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)支持，以滿足研究性學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)教學(xué)需求。

(三)云空間的學(xué)習(xí)平臺(tái)適配性

云計(jì)算具有可伸縮、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，通過虛擬化技術(shù)，云空間可以實(shí)現(xiàn)國(guó)家、省、市、區(qū)等行政單位的區(qū)域空間互聯(lián)，形成一個(gè)個(gè)相互分離同時(shí)又相互聯(lián)通的空間集群，并實(shí)現(xiàn)空間之間的信息流動(dòng)。一方面，云空間的空間化設(shè)置為用戶提供了一個(gè)相對(duì)私密的、具有個(gè)人化特征的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者的研究性學(xué)習(xí)的開展提供可感知便利虛擬場(chǎng)所；另一方面云計(jì)算技術(shù)使得云空間得以自擴(kuò)展、可伸縮，而且運(yùn)營(yíng)成本低，從而體現(xiàn)出云空間的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和開放性，使得研究性學(xué)習(xí)具有良好的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)。

與此同時(shí)，云空間不是專門為研究性學(xué)習(xí)而定制的環(huán)境平臺(tái)，在研究主題的導(dǎo)向與把控上還存在不足。在研究性學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)往往是以小組為單位、圍繞研究主題進(jìn)行研究探討為主，學(xué)習(xí)者對(duì)研究性學(xué)習(xí)主題的把控直接影響達(dá)成最終研究目標(biāo)的快慢。研究性學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者不可避免會(huì)出現(xiàn)研究思路不清晰，研究主題偏離等現(xiàn)象。為此，研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)該提供主題引導(dǎo)式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行研究主題管控。

通過云空間的學(xué)習(xí)資源、應(yīng)用服務(wù)及平臺(tái)的適配性分析，不難發(fā)現(xiàn)：在學(xué)習(xí)云空間中展開研究性學(xué)習(xí)，存在資源與功能服務(wù)的高效組織與應(yīng)用、研究主題的引導(dǎo)與管控等瓶頸。由此我們認(rèn)為，基于語(yǔ)義化思想進(jìn)行主題資源組織管理、適配服務(wù)的動(dòng)態(tài)組織與查找，建立自適應(yīng)機(jī)制保障研究性主題波動(dòng)是當(dāng)前急需解決的三個(gè)核心問題。鑒于學(xué)習(xí)云空間能對(duì)研究性學(xué)習(xí)提供良好的技術(shù)支持，本文將充分利用云計(jì)算技術(shù)和虛擬空間設(shè)計(jì)完成研究性學(xué)習(xí)的系統(tǒng)架構(gòu)，并解決基于研究主題的思維“收放”保障問題。語(yǔ)義化主題資源的動(dòng)態(tài)組織查找的研究成果已申請(qǐng)國(guó)家專利[10]，故在此不再贅述。

三、學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)架構(gòu)

學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者在教師指導(dǎo)下，充分利用學(xué)習(xí)云空間的交互協(xié)作和資源共享技術(shù)，將社交支持環(huán)境作為最基本的學(xué)習(xí)環(huán)境，圍繞探究主題展開的學(xué)習(xí)活動(dòng)。本研究結(jié)合學(xué)習(xí)云空間和研究性學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)由云平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施層、空間支持層、核心功能層和交互應(yīng)用層等組成，如圖1所示。

系統(tǒng)以云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為硬件基礎(chǔ)，通過虛擬化技術(shù)以及服務(wù)、資源的管理與運(yùn)營(yíng)為云空間提供可靠性高、定制性強(qiáng)、規(guī)?；⒖蓴U(kuò)展的服務(wù)保障。空間支持層向下與云基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)接，空間資源配置為學(xué)習(xí)云空間提供所需的資源；空間交互支持保障了用戶交互與學(xué)習(xí)活動(dòng)的有效開展；空間I/O為空間之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了高效、統(tǒng)一的解決方案?？臻g支持層上層是空間基礎(chǔ)之上的空間服務(wù)，包括有學(xué)習(xí)資源的語(yǔ)義組織、融合與主動(dòng)化的服務(wù)機(jī)制構(gòu)建、在交互過程中的過程性資源形成以及學(xué)習(xí)云空間中主題導(dǎo)向性的環(huán)境支持。

核心功能層描述了系統(tǒng)提供的支撐研究性學(xué)習(xí)中教與學(xué)過程的業(yè)務(wù)功能，包括語(yǔ)義化資源的查找、基于主題的思維保障機(jī)制、學(xué)習(xí)過程的記錄與知識(shí)提取等?；谝陨虾诵墓δ?，學(xué)習(xí)者和教師可利用云空間中的資源、工具和伙伴、空間外的關(guān)注內(nèi)容等，編制學(xué)習(xí)方案并設(shè)置教學(xué)測(cè)評(píng)指標(biāo)。系統(tǒng)清晰呈現(xiàn)學(xué)習(xí)過程，用戶的過程性資源也儲(chǔ)存于個(gè)人空間中，為系統(tǒng)的知識(shí)提取和經(jīng)驗(yàn)推薦提供基礎(chǔ)。

圖1 學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)

(二)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于研究性學(xué)習(xí)的需求分析，將學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為個(gè)人信息中心、小組協(xié)作中心、討論交流中心、空間配置中心和學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)中心五個(gè)學(xué)習(xí)模塊。

1.個(gè)人信息中心

個(gè)人信息中心是學(xué)習(xí)者的個(gè)人信息中心，展現(xiàn)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)特征信息和學(xué)習(xí)過程資料，包括個(gè)人研究主題、所在小組的研究主題、研究主題狀態(tài)、系統(tǒng)推薦研究主題、研究進(jìn)度、個(gè)人研究過程軌跡等學(xué)習(xí)信息。根據(jù)該模塊學(xué)習(xí)者可以及時(shí)了解到自己的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，通過系統(tǒng)推薦的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行研究主題與研究?jī)?nèi)容的調(diào)整。教師通過該模塊可以實(shí)時(shí)地觀察各個(gè)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)特征，從而對(duì)其學(xué)習(xí)過程和研究方向進(jìn)行指導(dǎo)和干預(yù)。

2.小組協(xié)作中心

小組協(xié)作中心用于支持小組的研究性學(xué)習(xí)協(xié)作活動(dòng)，包括研究性學(xué)習(xí)小組的形成與管理、小組研究主題的選擇與管理、研究性學(xué)習(xí)過程的開展與管理、研究性學(xué)習(xí)資源的創(chuàng)建與管理等協(xié)作活動(dòng)。在小組協(xié)作中心，小組成員首先確定共同的研究主題，繼而圍繞該研究主題制定該主題下的研究?jī)?nèi)容、研究方法、任務(wù)分配和研究進(jìn)度等具體實(shí)施細(xì)節(jié)。小組在協(xié)作過程中產(chǎn)生的協(xié)作信息基于本體進(jìn)行語(yǔ)義化組織，因此系統(tǒng)可以對(duì)小組的研究?jī)?nèi)容借助本體邏輯推理進(jìn)行知識(shí)提取和記錄，為系統(tǒng)的語(yǔ)義化資源查找以及智能化的主題引導(dǎo)提供核心支持。

3.討論交流中心

討論交流中心為教師和學(xué)生提供了答疑解惑、經(jīng)驗(yàn)分享的環(huán)境，交流發(fā)生在學(xué)生與學(xué)生、教師與學(xué)生之間，交流方式包括同步交流和異步交流。通過交互過程促進(jìn)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的傳遞，系統(tǒng)根據(jù)交互活動(dòng)信息等交互數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析及學(xué)生學(xué)習(xí)特征提取，同時(shí)對(duì)各用戶之間的交互活動(dòng)進(jìn)行管理，促進(jìn)交互活動(dòng)向有深度、有價(jià)值方向發(fā)展。教師在師生交互中能夠掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和問題，從而及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)。

4.空間配置中心

空間配置中心主要是為學(xué)生提供個(gè)性化的空間配置方案。配置內(nèi)容包括兩個(gè)方面：一是空間內(nèi)部的設(shè)置，包括學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)工具、學(xué)習(xí)群組等方面的配備，類似在物理空間內(nèi)的實(shí)體放置與環(huán)境參數(shù)設(shè)定。一般而言，學(xué)生會(huì)在學(xué)習(xí)活動(dòng)展開前(或過程中)根據(jù)自己的偏好和當(dāng)前的任務(wù)，“放置”自己感興趣的學(xué)習(xí)資源與工具，并對(duì)關(guān)注的群組情況進(jìn)行個(gè)性化設(shè)定。二是空間內(nèi)外的交互配置，包括應(yīng)用服務(wù)獲取、關(guān)注主題訂閱與資源推送、關(guān)注用戶設(shè)定等，用于學(xué)生對(duì)于空間外信息內(nèi)容的交流和獲取方式進(jìn)行配置。通過空間配置中心，學(xué)生能夠獲取更加符合個(gè)人學(xué)習(xí)需求的個(gè)人學(xué)習(xí)空間。

5.學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)中心

學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)中心采用更加多元化、更注重過程的測(cè)評(píng)方式，測(cè)評(píng)涵蓋總結(jié)性測(cè)評(píng)與形成性測(cè)評(píng)兩種。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)過程的記錄數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)者的研究性學(xué)習(xí)結(jié)果，參考研究性學(xué)習(xí)評(píng)測(cè)指標(biāo)實(shí)施總結(jié)性測(cè)評(píng)。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的學(xué)習(xí)信息，包括學(xué)習(xí)資源、討論交流內(nèi)容、協(xié)作成果等過程性材料都是形成性測(cè)評(píng)的數(shù)據(jù)處理來(lái)源，從而使得研究性學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)更加公正準(zhǔn)確。

四、基于研究性主題的思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制

研究性學(xué)習(xí)在本質(zhì)上是基于研究主題展開的學(xué)習(xí)形式，學(xué)習(xí)者通常圍繞其所在小組的研究主題，以協(xié)作學(xué)習(xí)的形式進(jìn)行主題相關(guān)的活動(dòng)探究與知識(shí)建構(gòu)。由于教師等指導(dǎo)性資源有限、學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊、學(xué)習(xí)資源泛濫等原因，學(xué)習(xí)者圍繞小組研究主題進(jìn)行高效探究并非易事。為了確保學(xué)習(xí)者有條不紊且高效地進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，除充分發(fā)揮教師的個(gè)性化引導(dǎo)外，還可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者研究主題的智能化引導(dǎo)，而后者具有良好的普適性和經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)專門的智能化引導(dǎo)機(jī)制，一方面防止學(xué)習(xí)者研究思維過于聚集，避免學(xué)習(xí)者研究思路封閉與研究?jī)?nèi)容過于單一；另一方面也防止學(xué)習(xí)者研究思維過于發(fā)散而偏離小組研究主題，避免小組研究活動(dòng)因主題不一致而無(wú)法聚焦研究目標(biāo)?；谝陨辖虒W(xué)需求和學(xué)習(xí)云空間的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，本文提出了基于語(yǔ)義Web的思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制。

(一)基于語(yǔ)義的思維發(fā)散與聚集判定方法

語(yǔ)義Web技術(shù)力圖借助本體語(yǔ)義學(xué)方法，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)上原有的信息表示和獲取方式，使得計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)“理解”Web語(yǔ)義，并為實(shí)現(xiàn)智能化的Web應(yīng)用提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)?；谥黝}的思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制擬借助語(yǔ)義Web來(lái)優(yōu)化學(xué)習(xí)云空間中的信息組織方式，通過計(jì)算學(xué)習(xí)者當(dāng)前的活動(dòng)主題與小組研究主題的語(yǔ)義相似度，并依據(jù)思維發(fā)散與聚集引導(dǎo)方式判斷方法，判斷學(xué)習(xí)者當(dāng)前研究主題與小組研究主題之間是否存在偏離或過于靠攏而無(wú)法發(fā)散的現(xiàn)象。為更好地表征基于研究性學(xué)習(xí)主題的思維發(fā)散與保障機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理，本研究建構(gòu)了該機(jī)制的實(shí)現(xiàn)流程，如圖2所示。

圖2 保障機(jī)制實(shí)現(xiàn)流程圖

(二)主題語(yǔ)義相似度計(jì)算

為了便于闡述思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制的內(nèi)在實(shí)現(xiàn)機(jī)理，定義如下術(shù)語(yǔ)與計(jì)算公式：

定義1(主題) 主要內(nèi)容的簡(jiǎn)略概括，一個(gè)主題用一個(gè)關(guān)鍵字來(lái)表示。

定義2(主題集)包含一個(gè)或多個(gè)主題，由一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵詞組成。

定義3(主題語(yǔ)義相似度) 主題關(guān)鍵詞之間的意義相似程度，用數(shù)字值表征。

借鑒文獻(xiàn)[11]的計(jì)算方法，本文中主題語(yǔ)義相似度擬基于關(guān)鍵詞詞語(yǔ)間意義距離進(jìn)行度量。兩個(gè)主題關(guān)鍵詞K1和K2的主題語(yǔ)義相似度記為Sim(K1,K2)，其關(guān)鍵詞詞語(yǔ)K1，K2間的距離記為Dis(K1,K2)。相關(guān)計(jì)算公式如公式(1)和公式(2)所示。

上述公式中，K1，K2所在本體層次表示為L(zhǎng)1，L2，α用做一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，代表Sim(K1,K2)=0.5時(shí)的Dis(K1,K2)，一般α＞0。

(三)研究思維的主題智能導(dǎo)引

假設(shè)學(xué)習(xí)者S當(dāng)前的研究主題集TS有m個(gè)主題關(guān)鍵詞，則TS={KS1,KS2,……KSm}。學(xué)習(xí)者S所在小組G的研究主題集TG有n個(gè)主題關(guān)鍵詞，則TG={ KG1,KG2,……KGn}。Pd0和Pr0分別表示兩個(gè)詞語(yǔ)間完全相關(guān)與完全不相關(guān)的語(yǔ)義閾值，W(KSx)和 V(KSx)分別表示學(xué)習(xí)者S當(dāng)前的研究主題集中的主題關(guān)鍵詞KSx相對(duì)于小組研究主題是否發(fā)散和是否聚集的函數(shù)，Y(S)是學(xué)習(xí)者S是否需要進(jìn)行思維聚集或發(fā)散調(diào)整的函數(shù)，三個(gè)函數(shù)的計(jì)算方法如公式(3)(4)(5)所示。

顯然，W(KSx)是一個(gè)邏輯值，真假代表了學(xué)習(xí)者當(dāng)前的主題關(guān)鍵詞KSx與小組主題相似性是否超過上限閾值Pd0。

其中V(KSx)也是一個(gè)邏輯值，真假代表了學(xué)習(xí)者當(dāng)前的主題關(guān)鍵詞KSx與小組主題相似性是否低于下限閾值Pr0。

其中，| |是邏輯值向代數(shù)值的轉(zhuǎn)換運(yùn)算符；λd

和λr都是百分比例值，是根據(jù)探究性任務(wù)需求而設(shè)定的總體主題聚焦度，它代表學(xué)習(xí)者交互的主題關(guān)鍵詞在語(yǔ)義上聚焦研究小組中各主題的比例。當(dāng)Y(S) =1時(shí)，該學(xué)習(xí)者研究思路過窄，缺乏思維發(fā)散，系統(tǒng)為其推薦多條有利于思維發(fā)散的學(xué)習(xí)活動(dòng)建議；當(dāng)Y(S)=-1時(shí)，該學(xué)習(xí)者研究思路已經(jīng)偏離小組研究主題，不利于小組一致目標(biāo)的達(dá)成，系統(tǒng)為其推薦多條有利于思維聚集的學(xué)習(xí)活動(dòng)建議；當(dāng)Y(S)=0時(shí)，學(xué)習(xí)者研究思路既不偏離也不缺乏發(fā)散，系統(tǒng)不進(jìn)行思維發(fā)散或聚集導(dǎo)引。

五、研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(一)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述的功能設(shè)計(jì)，本研究對(duì)研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行了功能實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)基于Cloudstack建構(gòu)私有云，并開發(fā)各系統(tǒng)功能。根據(jù)系統(tǒng)主要學(xué)習(xí)模塊——小組協(xié)作中心的設(shè)計(jì)要求，開發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)展示、學(xué)習(xí)資源匯聚、各種交互提交請(qǐng)求(消息、通知)等功能，并關(guān)聯(lián)討論交流、學(xué)習(xí)評(píng)測(cè)，其實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)活動(dòng)主界面、個(gè)人空間界面如圖3和如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)首頁(yè)界面圖

圖4 個(gè)人空間的資源展示界面

在圖3中，活動(dòng)界面呈現(xiàn)了研究性學(xué)習(xí)協(xié)作時(shí)的主題內(nèi)容。同時(shí)，它展示了消息、通知、文章、提問、投票等不同類型信息的發(fā)布情況，當(dāng)“提問”轉(zhuǎn)入即時(shí)交互方式時(shí)，便可切換到即時(shí)討論交流；用戶可以查看好友或?qū)W習(xí)組動(dòng)態(tài)，可以參與評(píng)論、轉(zhuǎn)發(fā)、點(diǎn)贊、收藏等交互活動(dòng)，也可以添加好友、選擇課程等。圖4展示了個(gè)人空間的資源中心，包括用戶上傳與收藏的資源，這些資源中相對(duì)固定部分受控于空間配置的設(shè)定。資源信息描述了資源類型、資源名、資源上傳時(shí)間、資源的下載和收藏次數(shù)及用戶信息。用戶可以直接將資源共享給用戶或小組，也可將資源設(shè)置為可供他人開放訪問。

(二)思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制實(shí)現(xiàn)

基于主題的思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制將借助語(yǔ)義Web技術(shù)，改進(jìn)學(xué)習(xí)云空間中的學(xué)習(xí)信息組織方式，通過計(jì)算學(xué)習(xí)者當(dāng)前研究主題與小組研究主題間基于語(yǔ)義匹配的主題相似度，并依據(jù)思維發(fā)散與聚集引導(dǎo)判斷方法，判斷學(xué)習(xí)者當(dāng)前研究主題是否偏離小組研究主題或過于靠攏小組研究主題而缺乏發(fā)散。為了支持基于語(yǔ)義匹配的主題相似度計(jì)算，系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)資源、交互內(nèi)容需要建立語(yǔ)義描述，即運(yùn)用語(yǔ)義Web構(gòu)建學(xué)習(xí)資源本體。為了突出研究可操作性，本研究以“教育技術(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)課程”為示例，選擇“教育技術(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)”作為語(yǔ)義體系中的領(lǐng)域本體基礎(chǔ)。借助于Protégé實(shí)現(xiàn)本體建模，完成本體可視化建構(gòu)后，在具體應(yīng)用中可直接運(yùn)用語(yǔ)義Web已有體系對(duì)本體知識(shí)進(jìn)行推理等，建構(gòu)的部分本體情況如圖5所示。

圖5 知識(shí)點(diǎn)——“建構(gòu)主義”子本體建模圖示例

根據(jù)研究性主題的思維發(fā)散與聚集保障需求，基于“教育技術(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)”本體和Jena的OWL推理機(jī)，使用Reasoner類創(chuàng)建實(shí)例并與課程本體捆綁，最終完成基于推理的語(yǔ)義相似度計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)研究思維主題的智能導(dǎo)引，如圖6所示。

圖6 思維發(fā)散與聚集保障支持實(shí)現(xiàn)

學(xué)習(xí)過程一旦滿足前述觸發(fā)條件，便即時(shí)啟動(dòng)主題保障機(jī)制。圖6展示了啟動(dòng)主題思維發(fā)散與聚集保障支持后的具體界面，其中，“學(xué)習(xí)活動(dòng)”等主題語(yǔ)義距離圖可視化地呈現(xiàn)了某位學(xué)習(xí)者的研究主題與小組研究主題“學(xué)習(xí)理論”等主題關(guān)鍵詞的語(yǔ)義關(guān)系。同時(shí)，通過對(duì)其主題聚集度與發(fā)散度的計(jì)算與判斷，系統(tǒng)為偏離或過于靠攏研究主題的學(xué)習(xí)者提供了思維導(dǎo)引方面的建議。

六、研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為了檢驗(yàn)該學(xué)習(xí)云空間的應(yīng)用效果以及基于主題的思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制的有效性，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)施了一系列實(shí)驗(yàn)。以“教育技術(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)”這門課程為例，選取某大學(xué)某學(xué)院同年級(jí)的35名本科生進(jìn)行了為期12周的基于學(xué)習(xí)云空間的研究性學(xué)習(xí)。將這35名學(xué)生以3-4人為單位隨機(jī)分為10個(gè)小組，每個(gè)小組進(jìn)一步分為A組、B組。其中A組有5個(gè)小組，B組有5個(gè)小組。A組、B組的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)均使用學(xué)習(xí)云空間，但系統(tǒng)功能略有不同。A組使用不提供基于主題的思維保障機(jī)制的的學(xué)習(xí)云空間；B組使用帶有基于主題的思維保障機(jī)制的學(xué)習(xí)云空間。

為了了解學(xué)習(xí)云空間的應(yīng)用評(píng)價(jià)，我們通過問卷調(diào)查的方式調(diào)查了B組學(xué)生用學(xué)習(xí)云空間進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)時(shí)的滿意度，調(diào)查結(jié)果如下表所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出：該研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)在有用性、易用性和相關(guān)性三個(gè)維度上得到了學(xué)生比較高的認(rèn)可度。從有用性角度看，大部分學(xué)習(xí)者認(rèn)為系統(tǒng)能夠建構(gòu)個(gè)性化的個(gè)人學(xué)習(xí)空間，能夠有效展開研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，有助于任務(wù)探究并完成學(xué)習(xí)目標(biāo)；從易用性角度來(lái)看，大部分學(xué)習(xí)者認(rèn)為該系統(tǒng)便于構(gòu)建個(gè)人學(xué)習(xí)空間，便于快速找到資源或服務(wù)，并且能夠方便地進(jìn)行交流和協(xié)作；從相關(guān)性角度看，一半以上的學(xué)習(xí)者認(rèn)為系統(tǒng)沒有分散自己的注意力，大部分學(xué)習(xí)者認(rèn)為該系統(tǒng)激發(fā)了研究性學(xué)習(xí)興趣。可見，該系統(tǒng)對(duì)個(gè)人學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建、學(xué)習(xí)資源獲取、協(xié)作交互的開展等方面具有積極作用，有助于學(xué)習(xí)者更加順利地開展研究性學(xué)習(xí)。

調(diào)查問卷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

續(xù)表

為了檢驗(yàn)基于研究性學(xué)習(xí)主題的思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制能否有效促進(jìn)教學(xué)，我們對(duì)A組和B組學(xué)生的研究進(jìn)度進(jìn)行定期量化。依據(jù)小組研究性學(xué)習(xí)開題方案時(shí)間表，通過學(xué)生自評(píng)和教師評(píng)價(jià)的方式，每隔兩周對(duì)小組的階段性學(xué)習(xí)情況進(jìn)行目標(biāo)到達(dá)程度估算，A組和B組中各小組的平均進(jìn)度對(duì)比如圖7所示。

圖7 分組學(xué)習(xí)進(jìn)度對(duì)比圖

根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)，A組學(xué)生和B組學(xué)生在前幾周的進(jìn)度基本上保持持平狀態(tài)；到后期，A組進(jìn)度比較緩慢，而B組進(jìn)度保持平穩(wěn)加快狀態(tài)。其原因是，在研究性學(xué)習(xí)起初，系統(tǒng)中學(xué)生的學(xué)習(xí)信息太少導(dǎo)致思維引導(dǎo)不夠精準(zhǔn)甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。隨著后期參考數(shù)據(jù)增加，系統(tǒng)為B組提供精確判斷，學(xué)生在系統(tǒng)引導(dǎo)下，明確自己的研究方向，“走彎路”“做無(wú)用功”的情況越來(lái)越少。但是，系統(tǒng)的主題引導(dǎo)對(duì)于學(xué)生進(jìn)度具有時(shí)間上的延遲，因此直到第7周，B組學(xué)生在進(jìn)度上才表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，但是此后，B組進(jìn)度一直比A組領(lǐng)先且比較快地接近完成狀態(tài)。而A組在學(xué)習(xí)之初研究思路明確，與B組學(xué)生研究進(jìn)度相差無(wú)幾，在某些時(shí)間段甚至更快，但隨著研究逐漸深入，小組研究會(huì)出現(xiàn)主題偏離、方向不一致等問題，導(dǎo)致研究進(jìn)展緩慢，部分小組甚至出現(xiàn)最終沒有完全完成學(xué)習(xí)任務(wù)的情況。

綜上所述，云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)能在研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)中，便捷地提供資源共享并有效支持師生交互和學(xué)生協(xié)作，能夠有效保障學(xué)習(xí)者對(duì)研究主題的管控以及研究目標(biāo)的達(dá)成。

七、結(jié)束語(yǔ)

學(xué)習(xí)云空間為研究性學(xué)習(xí)提供泛在資源共享、即時(shí)交互的開放協(xié)作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如何將學(xué)習(xí)云空間與研究性學(xué)習(xí)進(jìn)行深度融合具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本研究對(duì)學(xué)習(xí)云空間中研究性學(xué)習(xí)各要素進(jìn)行適配性分析，構(gòu)建了學(xué)習(xí)云空間支持下的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)，并針對(duì)學(xué)習(xí)云空間中研究性學(xué)習(xí)主題管控的困難，提出語(yǔ)義Web技術(shù)支持下基于研究性學(xué)習(xí)主題的思維發(fā)散與聚集保障機(jī)制，最后基于Cloudstack建構(gòu)私有云，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于學(xué)習(xí)云空間的研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)?；诎咐膽?yīng)用實(shí)踐表明，該研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)在支持個(gè)人學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建、交互協(xié)作和資源共享等方面具有較好的效果，能有效保障學(xué)習(xí)者對(duì)研究主題的管控與研究目標(biāo)的達(dá)成。本研究有效了拓展云平臺(tái)下網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的理論與實(shí)踐，促進(jìn)了研究性學(xué)習(xí)研究與發(fā)展。目前，本研究中仍然存在一些不足之處：運(yùn)用的語(yǔ)義Web方法僅限于教育技術(shù)學(xué)領(lǐng)域知識(shí)體系，而未對(duì)其他領(lǐng)域進(jìn)行驗(yàn)證。研究性學(xué)習(xí)的智能導(dǎo)引也涉及眾多技術(shù)問題，后續(xù)需進(jìn)一步深入研究。

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黃昌勤：教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)新技術(shù)及其教育應(yīng)用、教育信息化工程(cqhuang@scnu.edu.cn)。

2015年4月15日

責(zé)任編輯：趙興龍

Research on Inquiry-based Learning and Its Implementation in the Learning Space in Cloud Environments

Huang Changqin,Wang Xizhe,Zhang Dongdong,Mei Xiaoyong,Zhou Yuwen
(School of Information Technology in Education,South China Normal University,Guangzhou Guangdong 510631)

Inquiry-based learning is essential for developing creative and practical ability,learning space in cloud environments brings a new way to inquiry-based learning implementation due to its dynamic provision of resource and service,friendly interaction,and space setting.Aiming at promoting deep integration of inquiry-based learning and learning cloud space,this paper analyzes the characteristics of inquiry-based learning in the learning cloud space,and an inquiry-based learning system architecture with the technical support of learning cloud space is proposed.For the better control of themes in the interaction and achieving learning objectives for learners,a method of calculating the semantic similarity of inquiry themes is designed,and the mechanism of thinking divergence and aggregation has been constructed.On the basis of Cloudstack,the inquiry-based learning system has been designed and implemented to get the effective combination of interaction,exploration and intelligent thinking guidance.Finally,a case of course learning is put into practice,the experiment result shows that the research can improve inquiry-based learning.

Learning Cloud Space; Inquiry-based Learning; Semantic Web; Thinking Divergent and Aggregation

G434

A

1006—9860(2015)08—0021—08

* 本文受國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題“基于教育云空間的學(xué)習(xí)賦能技術(shù)研究”(課題編號(hào)：2013BAH72B01)資助。