趙學(xué)孔 徐曉東 龍世榮
【摘要】
以用戶需求為中心的個(gè)性化學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建是e-Learning未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),也是當(dāng)前遠(yuǎn)程教育及智慧教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。針對(duì)個(gè)性化e-Learning學(xué)習(xí)環(huán)境的“適應(yīng)性”問(wèn)題,從用戶認(rèn)知水平維度切入,利用鄰近區(qū)用戶群(鄰居用戶)相似性規(guī)則提出了一種Web環(huán)境下個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑生成的協(xié)同推薦機(jī)制,并通過(guò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、路徑提取及算法設(shè)計(jì)四個(gè)方面重點(diǎn)剖析了自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)(Adaptive Learning System,ALS)協(xié)同推薦機(jī)制的技術(shù)解決方案,通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施以及數(shù)據(jù)分析對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,本研究成果在一定程度上能夠向日標(biāo)用戶推薦較理想的學(xué)習(xí)路徑,有效改善推薦資源的精準(zhǔn)度,進(jìn)而提高用戶學(xué)習(xí)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。
【關(guān)鍵詞】個(gè)性化學(xué)習(xí);協(xié)同推薦;學(xué)習(xí)路徑;自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)
【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-458 x(2017)05-0024-11
以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)迅猛發(fā)展催生了教育手段與學(xué)習(xí)方式的深度變革。作為互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代的衍生物及一種重要學(xué)習(xí)方式,e-Learning環(huán)境下的個(gè)性化學(xué)習(xí)因其強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程中的個(gè)體差異性需求,倡導(dǎo)“以學(xué)習(xí)者為中心”的教學(xué)理念而備受關(guān)注,成為遠(yuǎn)程教育及智慧教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。美國(guó)新媒體聯(lián)盟(NMC)在((2016版地平線報(bào)告》中預(yù)言,基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)的個(gè)性化學(xué)習(xí)成為e-Learning未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)(L·約翰遜,等,2016,PP.1-36)。緊跟時(shí)代發(fā)展步伐,201 2年教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(201 1-2020年)》中明確提出:“推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合,建設(shè)智能化教學(xué)環(huán)境,提供優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和軟件工具……創(chuàng)新信息化教學(xué)與學(xué)習(xí)方式,為每一名學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化學(xué)習(xí)的信息環(huán)境和服務(wù)?!?016年6月,教育部發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中再次強(qiáng)調(diào):“要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個(gè)性化、終身化的教育體系……建立線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式,為全民學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)提供方便、靈活、個(gè)性化的學(xué)習(xí)條件?!庇纱?,個(gè)性化學(xué)習(xí)成為教育方式變革的重點(diǎn)之一,探索及構(gòu)建滿足用戶個(gè)性化學(xué)習(xí)支持服務(wù)與環(huán)境成為當(dāng)前迫切而重要的研究主題。本研究針對(duì)當(dāng)前個(gè)性化e-Learning學(xué)習(xí)系統(tǒng)的“適應(yīng)性”問(wèn)題,即如何向不同用戶高效、精準(zhǔn)地推薦適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)資源,嘗試從學(xué)習(xí)者認(rèn)知水平維度切入,提出一種Web環(huán)境下個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑動(dòng)態(tài)生成的解決方案及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線,以期為相關(guān)研究提供參考。
一、相關(guān)研究進(jìn)展
個(gè)性化學(xué)習(xí)(Personalized Learning)是一種針對(duì)學(xué)習(xí)者個(gè)體差異性而開(kāi)展的滿足其個(gè)性化需求的學(xué)習(xí)方式。李克東(2014)將其定義為:以學(xué)習(xí)者個(gè)性差異為基礎(chǔ),針對(duì)學(xué)習(xí)者的個(gè)性特點(diǎn)和發(fā)展?jié)撃芏扇§`活、適當(dāng)?shù)姆椒?、手段、?nèi)容、評(píng)價(jià)方式等滿足學(xué)習(xí)者個(gè)性需求,使其各方面獲得充分、自由、和諧發(fā)展,以促進(jìn)個(gè)體發(fā)展為目標(biāo)的學(xué)習(xí)范式。顯然,學(xué)習(xí)者的個(gè)體差異(如學(xué)習(xí)偏好、專業(yè)背景、認(rèn)知水平等)呈多樣化,其心智發(fā)展過(guò)程與學(xué)習(xí)路徑也復(fù)雜多樣,是構(gòu)建個(gè)性化學(xué)習(xí)支持環(huán)境的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),信息技術(shù)高速發(fā)展引發(fā)了學(xué)習(xí)方式、認(rèn)知思維模式、交流互動(dòng)方式的變革,知識(shí)可視化、學(xué)習(xí)分析、大數(shù)據(jù)挖掘、電子書(shū)包以及各種智能移動(dòng)終端等的出現(xiàn),為大規(guī)模開(kāi)展個(gè)性化學(xué)習(xí)提供契機(jī),個(gè)性化學(xué)習(xí)成為信息時(shí)代教育發(fā)展的重要特征。受技術(shù)熱潮的影響,當(dāng)前關(guān)于個(gè)性化學(xué)習(xí)的研究逐漸由“概念—內(nèi)涵—模式”理論層面傾向于“機(jī)制—模型—系統(tǒng)”技術(shù)實(shí)踐層面,技術(shù)支持下的個(gè)性化學(xué)習(xí)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。典型的研究成果包括:
1.個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)適應(yīng)性機(jī)制與策略
英國(guó)教育技術(shù)與通信技術(shù)局(Becta,2008)在《利用技術(shù):新一代學(xué)習(xí)(2008-2014)》中提出了基于協(xié)作與互動(dòng)機(jī)制建立一套支持個(gè)性化學(xué)習(xí)活動(dòng)的個(gè)人在線學(xué)習(xí)空間,通過(guò)為學(xué)習(xí)者提供差異化課程和學(xué)習(xí)經(jīng)歷、可定制的響應(yīng)性評(píng)價(jià)機(jī)制滿足學(xué)生個(gè)性化需求;美國(guó)加州大學(xué)利用QSP(Quality School Port-folio)項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的在線決策支持工具采集學(xué)生成長(zhǎng)記錄,并以此分析學(xué)生行為和確定個(gè)性化學(xué)習(xí)需求(Eva,et al.,2009);卡斯特羅等人以數(shù)據(jù)挖掘?yàn)橐暯钦撌隽薳-Learning個(gè)性化學(xué)習(xí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)策略(Castro,et al.,2007);趙蔚等(2010)提出了基于Web數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的個(gè)性化e-Learning推薦機(jī)制解決方案。
2.個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型構(gòu)建
史爾赤等人(Shishehchi,et al.,2014)通過(guò)本體技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者及學(xué)習(xí)資源進(jìn)行建模,利用語(yǔ)義關(guān)系實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)個(gè)性化推薦效果;王等人(Wang,et al.,2013)基于學(xué)習(xí)者的特征模型對(duì)課程架構(gòu)與內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)記,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)功能;陳敏和余勝泉等人(2011)以“學(xué)習(xí)元”平臺(tái)為例,通過(guò)對(duì)用戶興趣、學(xué)習(xí)偏好和領(lǐng)域知識(shí)建模,提出了一種個(gè)性化內(nèi)容推薦模型;張劍平等(2010,p.36)詳細(xì)闡述了知識(shí)可視化、學(xué)生模型、學(xué)習(xí)能力評(píng)估與適應(yīng)性測(cè)試等,為適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了參考借鑒;姜強(qiáng)等(2016)對(duì)e-Learning環(huán)境中用戶的學(xué)習(xí)風(fēng)格模型進(jìn)行了分析,并構(gòu)建了適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)用戶模型。
3個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
美國(guó)Knewton公司基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了在線學(xué)習(xí)平臺(tái)“Knewton”,利用分析引擎判斷學(xué)生當(dāng)前學(xué)習(xí)狀態(tài),為學(xué)生提供個(gè)性化課程指導(dǎo)(Kame-netz,2013);愛(ài)爾蘭都柏林大學(xué)的歐文博士(Ow-en,2008)將學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行了元數(shù)據(jù)標(biāo)記,并利用規(guī)則引擎實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)ApeLS;韓國(guó)慶熙大學(xué)的曾等人(Jeong,et al.,2013)基于學(xué)習(xí)者偏好和能力水平開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)教育超媒體系統(tǒng)AEHS,該系統(tǒng)可按照知識(shí)難度水平呈現(xiàn)各種媒體資源;楊現(xiàn)民等(2013)將語(yǔ)義本體技術(shù)引入學(xué)習(xí)資源的組建過(guò)程,并以此開(kāi)發(fā)了學(xué)習(xí)元平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了資源內(nèi)容的持續(xù)進(jìn)化,且在一定程度上支持個(gè)性化學(xué)習(xí)功能。
縱觀上述研究,國(guó)外眾多研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者以及商業(yè)公司等在個(gè)性化學(xué)習(xí)領(lǐng)域研究中開(kāi)展了大量的理論與實(shí)踐探索,以不同的視角設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多種具有一定“適應(yīng)性”的學(xué)習(xí)系統(tǒng)原型,取得初步成效;國(guó)內(nèi)的研究者也進(jìn)行了大膽的嘗試,但實(shí)踐性研究成果相對(duì)較少。比較發(fā)現(xiàn),上述研究成果就其內(nèi)容或所采用的技術(shù)來(lái)分析具有一定的相通性與延續(xù)性,主要集中在適應(yīng)性機(jī)制、系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)挖掘、語(yǔ)義本體、推薦策略等方面。這些成果為今后的實(shí)踐研究提供了寶貴的參考借鑒。同時(shí)也不難發(fā)現(xiàn),目前關(guān)于個(gè)性化學(xué)習(xí)的技術(shù)支持環(huán)境,仍處于探索階段,多數(shù)研究者通過(guò)開(kāi)發(fā)適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)(或智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng))為個(gè)性化學(xué)習(xí)提供技術(shù)解決方案,但所設(shè)計(jì)的模型或開(kāi)發(fā)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)仍處于原型階段,其滿足學(xué)習(xí)者個(gè)性需求的“適應(yīng)性”效果并非理想,還需要進(jìn)一步研究。在此基礎(chǔ)上,本研究試圖探索如何通過(guò)生成最優(yōu)個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑來(lái)改進(jìn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的“適應(yīng)性”。受當(dāng)前相關(guān)推薦技術(shù)的啟發(fā),從學(xué)習(xí)者認(rèn)知水平維度切入,進(jìn)行實(shí)時(shí)建模與分析,基于鄰居用戶群相似性規(guī)則,提出一種個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑動(dòng)態(tài)生成解決方案——協(xié)同推薦機(jī)制,并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了ALS原型系統(tǒng)。
二、協(xié)同推薦及其支持下的ALS系統(tǒng)解決方案
(一)協(xié)同推薦機(jī)制
個(gè)性化學(xué)習(xí)是一種極其復(fù)雜的學(xué)習(xí)體驗(yàn),其學(xué)習(xí)軌跡不僅受學(xué)習(xí)者問(wèn)的差異性特征影響,同時(shí)也因?qū)W習(xí)者個(gè)體內(nèi)在的動(dòng)態(tài)發(fā)展因素(如認(rèn)知水平等)的改變而修正,如何讓支持個(gè)性化學(xué)習(xí)的系統(tǒng)在深入“理解”當(dāng)前學(xué)習(xí)者個(gè)性需求的基礎(chǔ)上做出適當(dāng)?shù)摹巴评怼?,并以此為學(xué)習(xí)者推薦適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)資源,一直是充滿挑戰(zhàn)的話題。然而,在電子商務(wù)領(lǐng)域,許多知名的電商平臺(tái)通過(guò)對(duì)海量用戶購(gòu)買(mǎi)習(xí)慣、反饋評(píng)價(jià)等信息進(jìn)行分析,采用相關(guān)推薦技術(shù)向用戶推薦商品,取得了顯著的成效,例如亞馬遜平臺(tái)每年利用推薦技術(shù)獲得巨額收益;國(guó)內(nèi)淘寶、京東等知名電商平臺(tái)也正在向該方向擴(kuò)展業(yè)務(wù)。關(guān)于推薦模式,目前常見(jiàn)的有協(xié)同過(guò)濾推薦、關(guān)聯(lián)規(guī)則推薦、基于內(nèi)容推薦以及混合式推薦四種。其中,協(xié)同過(guò)濾推薦是應(yīng)用較成熟的一種模式,采用該模式的推薦系統(tǒng)有Amazon、MovieFinder、CDNow等(陳雅茜,劉韜,2014)。受此啟發(fā),本研究嘗試將協(xié)同過(guò)濾推薦原理遷移到學(xué)習(xí)系統(tǒng)中,并從學(xué)習(xí)者及其個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑的角度提出一種協(xié)同推薦機(jī)制。
協(xié)同推薦,從本質(zhì)上說(shuō),是系統(tǒng)針對(duì)當(dāng)前用戶的個(gè)性需求而采取的一種篩選、重組、呈現(xiàn)資源的技術(shù)解決方案,其策略在于“協(xié)同”,成效在于“推薦”。在個(gè)性化學(xué)習(xí)中,系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)者個(gè)性需求的深入理解至關(guān)重要,直接影響最終資源的推薦質(zhì)量,而協(xié)同策略在此扮演了重要角色。協(xié)同的本質(zhì)源于協(xié)作互助,在此特指將系統(tǒng)中其他用戶的數(shù)據(jù)信息作為參考并以此為目標(biāo)對(duì)用戶狀態(tài)做出合理的判斷推理。推薦是系統(tǒng)在相關(guān)程序算法的作用下為用戶呈現(xiàn)適當(dāng)?shù)馁Y源,是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、適應(yīng)性學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵。由此,本研究提出的個(gè)性化學(xué)習(xí)協(xié)同推薦機(jī)制的設(shè)計(jì)思想是:以協(xié)同過(guò)濾推薦技術(shù)為基礎(chǔ),首先利用模型分析工具對(duì)目標(biāo)用戶分別從認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)路徑兩個(gè)維度進(jìn)行建模分析,然后參考用戶群相似性規(guī)則篩選學(xué)習(xí)路徑序列,并采用AprioriAll算法從學(xué)習(xí)路徑序列中提取路徑共同體,進(jìn)而生成最優(yōu)路徑資源項(xiàng)序列,最后通過(guò)預(yù)處理組件將資源項(xiàng)序列轉(zhuǎn)換生成最終資源列表個(gè)性化推薦給用戶。圖1是該推薦機(jī)制的實(shí)現(xiàn)機(jī)理的一個(gè)示例。
由上分析,個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)協(xié)同推薦機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要涉及三個(gè)過(guò)程:①系統(tǒng)建模。從認(rèn)知水平及學(xué)習(xí)路徑兩個(gè)基本維度構(gòu)建用戶模型,基于學(xué)習(xí)策略構(gòu)建資源內(nèi)容模型。②獲取鄰居用戶。以認(rèn)知水平作為判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)用戶模型進(jìn)行分析,并從用戶群中篩選相似性用戶作為當(dāng)前用戶的鄰居用戶。③產(chǎn)生推薦路徑。利用相關(guān)算法從鄰居用戶的學(xué)習(xí)路徑中挖掘最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑,并將轉(zhuǎn)換后的資源序列推薦給目標(biāo)用戶。為了進(jìn)一步探索協(xié)同推薦機(jī)制及其支持下的個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案,我們嘗試構(gòu)建了ALS原型系統(tǒng)及其具體實(shí)現(xiàn)方法。
(二)ALS系統(tǒng)模型構(gòu)建
1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
ALS,即自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)(亦稱適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)),它是一種針對(duì)學(xué)習(xí)者的個(gè)體特征差異(如年齡、性別、專業(yè)背景、認(rèn)知水平等)動(dòng)態(tài)提供個(gè)性化學(xué)習(xí)支持服務(wù)的系統(tǒng)(趙學(xué)孔,等,2015)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)需要,ALS用戶角色應(yīng)該包括學(xué)習(xí)者和管理者(可由教師兼任)?;诖耍鶚?gòu)建的ALS主要提供在線個(gè)性化學(xué)習(xí)和資源管理兩大功能模塊,其總體架構(gòu)如圖2所示。其中,學(xué)習(xí)單元測(cè)評(píng)用于診斷學(xué)習(xí)者當(dāng)前的認(rèn)知水平,主要借助習(xí)題測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn);學(xué)習(xí)者建模組件負(fù)責(zé)測(cè)驗(yàn)成績(jī)與認(rèn)知水平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,以此動(dòng)態(tài)完善用戶模型;記錄器用于實(shí)時(shí)記錄學(xué)習(xí)者訪問(wèn)的頁(yè)面信息;協(xié)同推薦模塊作為系統(tǒng)的核心部件,主要完成用戶模型分析、學(xué)習(xí)記錄提取、推薦知識(shí)項(xiàng)序列、知識(shí)序列預(yù)處理等一系列工作過(guò)程,進(jìn)而向用戶推薦個(gè)性化學(xué)習(xí)資源;系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括用戶模型、學(xué)習(xí)記錄、學(xué)習(xí)策略以及學(xué)習(xí)資源數(shù)據(jù)庫(kù),用戶模型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)用戶的特征信息,學(xué)習(xí)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)用戶的學(xué)習(xí)歷史記錄信息,學(xué)習(xí)策略數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)學(xué)習(xí)資源的關(guān)系信息(如章節(jié)項(xiàng)關(guān)系、知識(shí)項(xiàng)的前驅(qū)后繼關(guān)系等)、學(xué)習(xí)資源數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)資源的實(shí)體信息。
如圖2所示,ALS的工作過(guò)程大致描述如下:①學(xué)習(xí)者登錄ALS系統(tǒng)后,首先通過(guò)測(cè)試題對(duì)其當(dāng)前認(rèn)知水平進(jìn)行診斷,并利用建模組件將測(cè)試成績(jī)記錄在用戶模型數(shù)據(jù)中。②學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中,系統(tǒng)利用模型分析工具獲取學(xué)習(xí)者當(dāng)前的認(rèn)知水平信息,然后從鄰居用戶群中提取學(xué)習(xí)記錄集并以此產(chǎn)生推薦知識(shí)項(xiàng)序列(即學(xué)習(xí)路徑),最后利用預(yù)處理組件將最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑與實(shí)體資源建立映射關(guān)系,將個(gè)性化資源列表推薦給目標(biāo)用戶。學(xué)習(xí)者則在相關(guān)學(xué)習(xí)工具的支持下,借助Web瀏覽器完成在線學(xué)習(xí)。同時(shí),記錄器實(shí)時(shí)捕獲學(xué)習(xí)者訪問(wèn)頁(yè)面的序列、內(nèi)容、訪問(wèn)時(shí)間等信息,隨時(shí)更新學(xué)習(xí)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)。③學(xué)習(xí)者每學(xué)完一個(gè)知識(shí)單元都需要進(jìn)行單元測(cè)試練習(xí),系統(tǒng)將其測(cè)驗(yàn)成績(jī)作為當(dāng)前認(rèn)知水平,然后利用建模組件更新用戶模型信息,為后續(xù)推薦服務(wù)提供數(shù)據(jù)參考。④資源管理者登錄系統(tǒng)后,通過(guò)管理功能實(shí)時(shí)更新學(xué)習(xí)資源信息,如上傳和編輯資源、修改學(xué)習(xí)資源的策略關(guān)系等。
2系統(tǒng)建模
(1)用戶模型。學(xué)習(xí)者是ALS系統(tǒng)的主體使用者,同時(shí)也是系統(tǒng)的個(gè)性化推薦服務(wù)對(duì)象,因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先不能忽視學(xué)習(xí)者用戶的主體地位。ALS協(xié)同推薦實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是在分析目標(biāo)用戶模型的基礎(chǔ)上獲取鄰居用戶的學(xué)習(xí)路徑,并以此提取最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑。可以說(shuō),ALS推薦內(nèi)容的精準(zhǔn)度在很大程度上受用戶模型的影響。在本系統(tǒng)中,用戶建模組件通過(guò)實(shí)時(shí)采集處理學(xué)習(xí)者個(gè)性化信息來(lái)修正用戶模型。為了能夠真實(shí)地反映學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài),主要從認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)記錄兩個(gè)維度建構(gòu)用戶模型,具體表示方法如下: