面向E--Learning的适应性学习路径推荐研究--以初中物理课程为例

摘要

随着信息技术在教育领域的不断渗透，E-Learning在全球教育领域已得到广泛应用。然而，我国现有的E-Learning系统仍然存在诸多问题，主要表现为当前的E-Learning教学系统缺乏适应性的决策和应变能力、缺乏对学生学习过程的有效诊断与评估能力，为此，研究者们开展了对适应性学习支持系统的研究。本研究的适应性学习路径推荐系统是适应性学习支持系统的一种具体实现方式。构建适应性学习路径推荐系统能够较好地解决“学习迷航”和“认知超载”等问题，并且能有效破解学习者对资源需求的动态性和个性化与系统教学资源的静态化之间的矛盾，以及系统总体资源的无限性与学习者个体对资源需求的有限性之间的矛盾。 当前学界对适应性学习路径推荐系统方面的研究已取得了一定成果，但还存在一些不足，主要表现在:大多数系统以提高系统的智能为目的而忽略了学习者在学习过程中的主观能动性，对学习者的个性化特征掌握不够全面准确;系统向学习者推荐的适应性学习路径精确度不高;缺乏科学合理的领域知识构建模型，且各系统资源共享性不高;成功的适应性学习路径推荐系统案例较少;对系统应用效果的评价研究不够全面深入。针对上述问题，本文以初中物理课程为例对实现适应性学习路径推荐系统的几个关键问题进行了深入研究，并初步取得了如下研究成果: 一、基于本体技术构建了初中物理学科领域本体。通过对领域知识模型构建方法的比较分析，采用本体技术对领域知识模型进行了构建。首先通过对各类本体构建方法进行比较，选取七步法和领域本体构建原型模型作为借鉴，结合初中物理学科的特点，提出了初中物理学科领域本体的构建方案。然后通过分析人教版《初中物理》教材、《初中物理知识清单》、《义务教育物理课程标准(2011年版)》以及从权威网站上获取的有关初中物理学科的教学资源，采用自动提取和人工提取相结合的方法获取了本体术语和本体术语关系。在本体术语的提取上，重点探索了基于词频分布变化和信息熵的本体术语自动提取方法，且通过实验验证了该方法的有效性。在本体关系的标注上，针对不同的术语关系采用了不同的标注方法。最后通过编码工具对本体进行了编码存储，从而完成初中物理学科领域本体库的构建。该本体库是本适应性学习路径推荐系统的关键组件，是生成适应性学习路径的重要基础。 二、基于情境感知构建了学习者模型，探索了基于该模型的适应性学习路径推荐实现机制并设计了应用案例。对适应性学习路径推荐系统的情境要素进行了全面分析，构建了基于情境感知的学习者模型(CALM)及学习情境本体模型，并详细阐述了基于CALM的适应性学习路径推荐模型框架及推荐机制和实现过程，最后设计了一个基于情境感知的学习者模型在适应性学习路径推荐系统中的应用案例。 三、设计并实现了适应性学习路径推荐系统。基于初中物理课程设计并实现了适应性学习路径推荐系统，本系统能够依据学习者的个性化特征为其推荐适应性的学习路径以及与学习路径中各知识点相匹配的学习资源。系统的核心功能包括:适应性学习路径推荐、学习资源推荐、适应性测试、学习数据分析以及学习行为记录等。本系统除了通过机器为学生提供个性化的学习服务之外，还增加了教师干预模块，其目的在于一方面教师可以根据其教学经验以及对其组内学生基本情况的掌握来调整系统为学生推荐的学习路径和学习资源，以更好的满足学生个性化的学习需求，从而进一步提高适应性学习路径推荐系统的准确性和服务质量。另一方面，教师可以通过系统数据更好的了解组内学生的学习情况，从而有效促进其课堂教学。 四、对适应性学习路径推荐系统应用效果进行了评价。基于技术接受模型并结合理论探索以及系统设计与实现的目的提出了适应性学习路径推荐系统的评价指标体系。为了全面客观的对本系统的应用效果进行评价，本研究基于该评价指标体系从主观评价和客观评价的视角，分别从用户过程和用户体验两个方面开展了评价研究。数据结果表明本系统的整体应用效果良好，且两种评价方式的结论能够相互印证。通过对数据进行差异分析、相关性分析以及回归分析，探索影响学习者使用本系统的关键因素以及各因素间的相互影响程度，为积极改进本系统的使用以及构建其他适应性学习支持系统提供了参考依据。 本研究立足于为学习者提供适应性的学习支持服务，并提高适应性学习路径推荐系统的个性化服务质量和水平，从而有效促进学习者的个性化教育。其创新之处在于:基于情境感知构建了学习者模型，探索了基于该模型的适应性学习路径推荐实现机制;设计并实现了具有双向适应性的学习路径推荐系统，且增加了教师干预模块;提出了适应性学习路径推荐系统应用效果评价指标体系，并基于该指标体系对系统的应用效果进行了评价研究。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．1．1时代背景

1．1．2政策背景

1．2问题提出

1．3研究价值

1．4概念界定

1．4．1本体技术相关概念阐释

1．4．2适应性学习路径

1．4．3情境和情境感知概述

1．5研究内容与方法

1．5．1研究目标与内容

1．5．2研究方法

1．6论文结构

1．6．1论文的研究思路

1．6．2论文的结构安撵

本章小结

2文献综述

2．1适应性学习支持系统相关研究

2．1．1典型的适应性学习支持系统概述

2．1．2适应性学习支持系统应用效果评价相关研究

2．1．3适应性学习支持系统相关研究述评

2．2适应性学习路径推荐系统核心模块相关研究

2．2．1领域知识模型相关研究及述评

2．2．2学习者模型相关研究及述评

2．2．3适应性学习路径推荐算法相关研究及述评

2．3本体构建方法相关研究

2．3．1常用的本体构建方法

2．3．2本体构建方法述评

2．4本体术语提取方法相关研究

2．4．1基于规则的本体术语提取方法

2．4．2基于统计的本体术语提取方法

2．4．3基于混合方法的本体术语提取

2．4．4本体术语提取方法述评

2．5术语关系标注方法相关研究

2．5．1有监督机器学习的方法

2．5．2无监督机器学习的方法

2．5．3术语关系标注方法述评

本章小结

3学科领域本体构建研究

3．1本体术语提取方法研究

3．1．1基于词频分布变化与信息熵的方法

3．1．2本体术语的人工提取方法

3．2本体术语关系标注方法研究

3．2．1基于组合多策略的方法

3．2．2本体术语关系的人工标注

3．3本体的形式化编码研究

3．3．1本体的描述语言

3．3．2本体的编码工具

3．3．3本体的编码存储

3．4初中物理学科领域本体库构建

3．4．1初中物理学科领域本体库的构建方案

3．4．2初中物理学科领域本体构建基础

3．4．3初中物理学科领域本体术语提取

3．4．4初中物理学科领域本体术语关系标注

3．4．5本体的编码过程

3．4．6确认与评估

本章小结

4基于情境感知的学习者模型构建研究

4．1基于情境感知的学习者模型

4．1．1学习者情境

4．1．2环境情境

4．1．3应用情境

4．2基于CALM的适应性学习路径推荐模型框架

4．2．1情境获取模块

4．2．2情境推理模块

4．2．3情境信息更新合成模块

4．2．4规则匹配模块

4．2．5学习路径生成模块

4．2．6学习路径推荐呈现模块

4．2．7实现过程

4．3基于情境感知的学习者模型本体构建

4．3．1构建目的

4．3．2情境本体术语

4．3．3定义类和层次

4．3．4形式化编码

4．4基于CALM的适应性学习路径推荐机制及其实现

4．4．1情境信息获取

4．4．2情境推理

4．4．3情境信息更新合成

4．4．4适应性学习路径推荐匹配算法

4．5基于情境感知的学习者模型在适应性学习路径推荐中的应用案例

本章小结

5适应性学习路径推荐系统设计与实现

5．1适应性学习路径推荐系统的设计

5．1．1系统设计目标

5．1．2系统功能框架

5．1．3系统运行流程

5．1．4关系对象模型

5．2系统数据库设计

5．2．1学习模块和学习目标的对象模型及关系

5．2．2学习目标和知识点的对象模型及关系

5．2．3与学习路径相关的对象模型及关系

5．2．4学习者的对象模型

5．2．5学习资源的对象模型

5．2．6评测题的对象模型

5．2．7学习者行为记录的对象模型

5．3适应性学习路径推荐系统的实现

5．3．1适应性学习路径推荐

5．3．2适应性学习资源推荐

5．3．3适应性测试实现

5．3．4学习数据分析

5．3．5学习行为记录

5．4系统开发主要技术介绍

5．4．1系统开发环境

5．4．2系统架构设计

本章小结

6适应性学习路径推荐系统应用效果评价研究

6．1应用效果评价框架

6．1．1评价的理论基础

6．1．2应用效果评价指标体系

6．2基于用户体验的评价

6．2．1基于用户体验的评价框架

6．2．2数据的收集

6．2．3问卷的信度和效度分析

6．2．4调查结果及分析

6．2．5结论与建议

6．3基于用户过程的评价

6．3．1基于用户过程的评价框架

6．3．2实现方法及结果分析

本章小结

7总结与展望

7．1研究成果

7．2研究创新

7．3研究不足与展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得成果

致谢