網(wǎng)絡教學系統(tǒng)中的可視化學習監(jiān)控機制

1、網(wǎng)絡教學系統(tǒng)中的可視化學習監(jiān)控機制【摘要】文章基于信息可視化技術應用的視角,試圖在多維學生行為數(shù)據(jù)與學習者用戶、教師用戶之間搭起了明晰的信息反饋渠道,支持教師對遠程學習者的教學監(jiān)控以及學習者自我監(jiān)控,為提升網(wǎng)絡教學質量提供切實可行的信息可視化應用的技術思路。 【關鍵詞】網(wǎng)絡教學;學習監(jiān)控;信息可視化 【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】B 【論文編號】10098097(2010)01009204一 引言學習監(jiān)控是指針對學生學習過程的計劃、檢查、評價、反饋、控制和調節(jié)的一系列過程1,包括學生的自我學習監(jiān)控和教師對學習過程的監(jiān)控。它發(fā)生在學習過程中,以促進學習為目的,而教學管理層次的教學監(jiān)控

2、(如教師考評、教學效果評估)等不在此范圍。教育研究表明,監(jiān)控學生的學習是高質量教育的必要措施,是區(qū)分有效教學和無效教學的重要標準。越來越多的研究者已經認識到,學習監(jiān)控的缺失是造成網(wǎng)絡教學質量低、輟學率高的一個重要原因2。監(jiān)控機制的缺失可能會導致諸多網(wǎng)絡學習障礙,如,學生在課程知識空間中容易迷航;缺乏必要的反饋機制而使學習動機難以長期保持;缺乏恰當?shù)慕處熤笇У鹊?。因?遠程教育者需要尋求必要的措施來實施學習監(jiān)控,一個有效的網(wǎng)絡教學系統(tǒng)則需要提供一個支持教師和學生了解學生狀態(tài)的途徑,并可以采取恰當?shù)尼槍π缘慕虒W干預,從而監(jiān)控學生的學習過程,促進高質量的遠程學習得以發(fā)生。課堂教學中,學習監(jiān)控通過教師

3、對學生學習行為的觀察、學業(yè)結果和訪談等渠道來獲取學生學習信息、感知學習狀態(tài),然后,教師適應性調整教學策略,學生獲得反饋信息自主學習。而在網(wǎng)絡教學中,這些非正式的監(jiān)控渠道因為師生分隔而變得不太可能,因此,需要在網(wǎng)絡教學平臺中設計新的渠道來實施類似的學習監(jiān)控,這些渠道涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和挖掘、信息呈現(xiàn)等若干信息處理過程。因此,本文擬將信息處理領域內的信息可視化技術引入到網(wǎng)絡教學平臺設計中,從信息處理的視角,在多維學生行為數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡教學用戶(教師和學習者)之間搭起一個信息理解和交互的橋梁,使教師對遠程學習者的學習監(jiān)控成為可能,并且支持學習者進行自我學習監(jiān)控,為提升網(wǎng)絡教學的有效性和教學質量提供了

4、理論思路和實踐路線。二 網(wǎng)絡教學系統(tǒng)中的信息處理網(wǎng)絡教學系統(tǒng) LMS(Learning Management System)中往往匯集了大量數(shù)字化的信息資源,包括課程教學內容、課程學習的補充資源、電子郵件、聊天室、學習者信息、學習結果信息等。網(wǎng)絡教學系統(tǒng)與傳統(tǒng)面授教學系統(tǒng)最大的區(qū)別可能在于,教與學的活動都通過數(shù)字化信息流動,這些數(shù)字化信息即構成了網(wǎng)絡教學最重要的研究內容。對這些信息進行深度加工、分析、處理和呈現(xiàn),使其對教與學雙方產生作用,可能是網(wǎng)絡教學系統(tǒng)研究的一個值得探索的方向。但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡教學對 LMS 中大量數(shù)據(jù)的利用和洞察是有限的,雖然一些LMS 系統(tǒng)(如 Blackboard、We

5、bCT 等)提供了學習行為的跟蹤和諸多數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的功能,但其目的僅僅停留在計算機管理教學的層次,如統(tǒng)計學生登錄學習平臺的頻次;對用戶訪問課程的總體情況可視化呈現(xiàn);通過可視化圖表如柱狀圖、曲線圖等顯示學生學習成績等。這給網(wǎng)絡教學管理會帶來更多支持,但尚沒有深入到學習信息分析和數(shù)據(jù)挖掘層次,比如,學生對某個概念的掌握程度、知識點的難度、學生的學習障礙等,因此對教與學決策的支持相對薄弱。另一方面,就已經提供的部分數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計功能,也未能被教育者和學習者有效地運用來監(jiān)控學習,網(wǎng)絡教學系統(tǒng)更多成為一個靜態(tài)課程庫,呈現(xiàn)的是主要功能,交互、管理、反饋等功能往往作為擺設而存在。主要原因在于人力成本投入的局限

6、,例如,LMS中反映學習者學習行為的跟蹤性數(shù)據(jù)通常以日志文件、表格文件呈現(xiàn)形式,龐雜而混亂,對于教師而言太過麻煩,需要專業(yè)性的數(shù)據(jù)挖掘和分析的知識,教師很難直接利用。因此,如何增進人們(尤其是教師)對網(wǎng)絡教學中各類信息的理解?如何對這些信息進行開發(fā)、利用,使其能夠支持教學決策?情報學近年來的熱點和前沿之一的信息可視化技術則提供了洞察信息、支持決策的工具。三 信息可視化為學習監(jiān)控提供了新方法、新技術信息可視化是在計算機的協(xié)助下,對數(shù)據(jù)的可見的、交互的表示;其目的是洞察數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)知識、作出決策或解釋數(shù)據(jù),如圖 1 所示。信息可視化的關鍵是,將數(shù)據(jù)用有意義的圖形表示出來,圖形可以幫助我們思考。在這個

7、信息日益豐富的社會,可視化技術研究和應用開發(fā)已經從根本上改變了我們表示和理解大型復雜數(shù)據(jù)的方式,引導我們獲得新的洞察和有效的決策。信息可視化可用于知識發(fā)現(xiàn)、決策支持、信息理解、信息檢索、信息系統(tǒng)界面設計、數(shù)字圖書館、數(shù)據(jù)庫、文獻信息表示等。目前在如下幾個方面涌現(xiàn)了較多的應用成果:(1)數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)(KDD),即用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來存儲數(shù)據(jù),用機器學習的方法來分析和挖掘大量數(shù)據(jù)背后的知識,如油氣勘探、氣象預報、股票分析、電子商務等。(2)知識域可視化(KDVis),以可視化技術為手段,描繪某個知識領域(相互關聯(lián)的一組知識)的發(fā)展軌跡,動態(tài)形象全面展示領域知識的總體結構,揭示知識單元之間的本質

8、關系3。工具有概念圖、認知地圖、語義網(wǎng)絡等,如英語視覺化詞典 Visual Thesaurus。(3)動態(tài)知識呈現(xiàn),提供信息及其相關信息間關系的全貌,允許用戶與之交互,增進信息理解。如集成于醫(yī)學文獻數(shù)據(jù)庫MEDLINE 檢索中的 ConceptLink 系統(tǒng),集詞匯共頻、動態(tài)概念映射關聯(lián)于一體的可視化系統(tǒng),揭示數(shù)據(jù)庫文獻的內在特征,揭示某個領域的信息之間的關聯(lián)4。(4)數(shù)字圖書館,圍繞大型文檔集合的可視化應用展開,如用可視化揭示信息的分布;用可視化顯示檢索的結果;用可視化為大量的信息分類;用可視化幫助用戶瀏覽等。如美國 Berkeley 大學數(shù)字圖書館研究人員開發(fā)的文獻檢索結果可視化系統(tǒng) Ti

9、tleBars,可視化查尋條件與檢索結果之間的相關性;英國皇后圖書館(Queen Library)的圖書檢索系統(tǒng)提供與查尋條件相關詞匯的概念關系圖,引導進一步搜索5。將信息可視化技術應用到網(wǎng)絡教學領域來加強學習監(jiān)控,被認為是一種新穎的方法。網(wǎng)絡教學中的學習監(jiān)控首先依賴于對 LMS 中大量數(shù)據(jù)的洞察,教師的教學決策和學生的自我監(jiān)控都必須建立在學習狀態(tài)信息理解的基礎之上。而信息可視化技術在數(shù)據(jù)理解和洞察方面具有天然的優(yōu)勢。通過信息分析和可視化呈現(xiàn),可以支持和促進教師/學生對大量的多維的課程教學信息和學習行為信息的理解和洞察。國際上,信息可視化在網(wǎng)絡教學中的應用也是新的課題。研究者一般的結論有:信息

10、可視化技術可用來圖形化處理復雜、多維的學生行為數(shù)據(jù);可視化技術易于表現(xiàn)網(wǎng)絡教學中的社會特征,如學生與學生之間的社會性聯(lián)系、在線論壇中的交互關系;教師能夠靈活操縱可視化圖形,多側面地了解學生學習、課程方面的特征,從而了解他們的學習者以及監(jiān)控在線課堂。國際上相關研究代表性的是 CourseVis/ GISMO 系列項目6。CourseVis 是瑞士 Lugano 大學的信息技術學院研究并開發(fā)出的支持遠程教學的可視化工具7。其中信息可視化應用的方式主要表現(xiàn)在三個方面:對學生與學生、教師與學生、學生與系統(tǒng)之間的交互行為進行可視化呈現(xiàn);對學生的整體學習表現(xiàn)(過程和結果)進行可視化呈現(xiàn);對學生的行為特征進

11、行可視化揭示。GISMO 是 CourseVis 的研究繼續(xù),基本延續(xù)了前者的功能8。與前者相比最大的改進在于平臺技術上。CourseVis 是一個 WebCT 的外掛工具,而 GISMO 無縫集成于 Moodle 遠程教學平臺,為在線教學的教師和課程指導者提供操縱界面。因為 Moodle 的開源和免費特性,將可視化工具整合進網(wǎng)絡教學平臺變?yōu)榭赡?而且 GISMO 還宣稱留有 API 接口,可以整合到其他 LMS 中。GISMO 項目是直接面向網(wǎng)絡教學中的教學問題而設計的整體可視化解決方案。而信息可視化在網(wǎng)絡教學的某些具體方面也有一些應用,如InterMap 視覺呈現(xiàn)課程參與者的交互情況9;F

12、rance 等研究的學習階段的交互性活動圖表10等。事實上,可視化技術應用于社會科學領域中的很多經驗也可以給我們很多借鑒。例如,有很多研究著眼于應用 IV 技術來分析在線論壇;采用 IV 分析電子商務中的用戶行為;可視化技術管理電子郵件等等;可視化知識管理;可視化信息導航;可視化知識分類等。這些研究成果都可以為網(wǎng)絡教學中的可視化應用提供思路。四 面向學習監(jiān)控的可視化機制我們認為,信息可視化在網(wǎng)絡教學中的應用主要可以面向學習監(jiān)控,致力于建造學生、教師和課程之間的信息溝通和數(shù)據(jù)理解的諸多通道。按照這一思路,我們從教師的教學監(jiān)控和學生的自我監(jiān)控兩個方面來分析具體的需求和相應的可視化學習監(jiān)控機制,如表

13、 1 所示。1 學習者特征可視化。學習者特征可分解為認知特征、社會交往特征和行為特征等三個子特征。認知特征,通過整體的學習者學業(yè)水平、知識點粒度的掌握水平、知識單元(主題)粒度的掌握水平、學生認知難點、學習者的相互比較等來多角度來反映;社會交往特征,通過學生之間的交互行為、師生交互,學生和系統(tǒng)之間等若干交互來映射,如在討論區(qū)中的參與情況,小組協(xié)作學習中的參與情況等;行為特征,則反映學習者在網(wǎng)絡教學系統(tǒng)中的客觀活動情況,如課程參與度、學習習慣、媒體習慣、學習進度等。借助于各種可視化技術,可將各個子特征更清晰地呈現(xiàn)出來,從而可以勾勒出學習者的整體特征。其結果將為學生模型的構建提供直接依據(jù)和方式方法

14、。如圖2 可視化呈現(xiàn)了學生對各知識點的掌握水平7。 2 群體特征可視化。群體特征也可分解為認知特征、行為特征和社會交往特征等三個方面。認知特征側重從群體(或小組)認知水平的展現(xiàn),如呈現(xiàn)學生總體學業(yè)水平、各知識點學生的總體掌握水平,如圖 3 所示7,揭示的規(guī)律可指導課程開發(fā)和教學策略選擇;也可觀測到一些學習小組認知風格,用于指導小組協(xié)作學習的組織。行為特征則揭示群體行為規(guī)律,如學生群體對課程知識和課程資源的訪問情況、學生對課程網(wǎng)站的登錄情況等,揭示的規(guī)律對媒體選擇和平臺技術優(yōu)化等都有直接指導意義。社會交往是群體特征中最有活力的特征,在社會科學領域群體交互可視化越來越受到研究者關注。例如,對在線論

15、壇的可視化,用生長樹的形式展示論壇中某個話題的討論情況11;以活躍球的方式呈現(xiàn)討論區(qū)中某個話題的活躍程度以及個人參與情況等8。圖 4 呈現(xiàn)了 CourseVis 平臺討論區(qū)的可視化的界面7。呈現(xiàn)交互信息,在提高交互的有效性、增強學生的歸屬感、便于教師發(fā)現(xiàn)交互障礙等方面都有積極意義。3 課程特征可視化?；谡n程知識和資源的視角,對學習行為數(shù)據(jù)分析,得到關于課程特征的全局性認識?？煞纸鉃橹T多子特征:課程知識點難度特征、資源訪問特征、媒體使用特征等。例如,對課程某知識單元的學生訪問情況,可以反映該知識點的難度;結合學生學習成績的統(tǒng)計分析,可了解該知識點的整體掌握情況,教師據(jù)此可以進行適當?shù)慕虒W干預。

16、另外,從課程資源角度,可以了解那些課程資源更受歡迎,哪些媒體方式更容易被學生接受,可以為課程資源的開發(fā)提供參考。4 教師特征可視化。遠程教學中可以通過跟蹤教師的行為,通過教師的登錄行為、交互行為等數(shù)據(jù)的分析,了解教師的教學參與度和教學策略的有效性等內容,教師對自身特征的了解,可促進其控制教學行為,開展反思性教學,提高教學水平。5 課程知識域可視化。借鑒知識域可視化的相關研究成果,以可視化技術為手段,描繪某個知識領域(相互關聯(lián)的一組知識)的總體結構,揭示課程知識單元之間的關系。相關的方法有:概念圖、語義網(wǎng)絡、認知地圖等。例如,以樹狀圖的方式布局知識點,可縮放、折疊。點的大小表明重要程度,顏色標識

17、某學習者對此掌握的程度。點擊某個點,可直接進入該內容單元?？赡艿膽梅绞接?由教師或課程開發(fā)者預設的知識域的概念圖或語義網(wǎng)絡;動態(tài)生成的學習者動態(tài)認知地圖。每個學生的認知地圖都是不同的,可反映學生的認知路徑和認知水平。6 可視化學習導航。能將學習者已訪問的課程頁面動態(tài)生成一個圖形化的瀏覽歷史地圖,當學習者從一個課程頁面進入到另一個頁面時,系統(tǒng)會自動地將頁面添加到圖中,可以在最小的屏幕空間中顯示整個瀏覽歷史地圖。通過可視化學習導航,可以得到學習引導,避免信息迷航。具體應用方式:生成學習者自己的學習路徑;實時查看教師推薦的學習導航路徑;查看某個學習同伴(高手)的學習路徑。可參考的相關研究經驗有:M

18、aryland 大學計算機學院的 Bederson 研究的PadPrints 技術12;多倫多大學計算機系統(tǒng)研究院開發(fā)的 Hy 技術13等。需要區(qū)別的是,課程知識域可視化,往往是教師或課程開發(fā)者預設的靜態(tài)的知識語義網(wǎng)絡,對學生自主學習更具有監(jiān)控意義;而課程特征可視化是在學習經驗基礎上聚集起來的課程使用特征,從課程角度反映了學生的學習過程以及教師的教學策略的有效性,其特征對于教師教學和課程開發(fā)更具有監(jiān)控意義。五 結語總之,面向學習監(jiān)控的信息可視化設計,其最終目的在于利用可視化技術,反映遠程課堂中發(fā)生了什么,將學生學習過程呈現(xiàn)出的交往特征、認知特征、行為特征等凸顯出來,將教學過程中的課程特征、教學策略特征凸顯出來,增進教師和學生自身對學習狀態(tài)的洞察,達到學習監(jiān)控和決策支持的目的。信息可視化在網(wǎng)絡學習系統(tǒng)中應用的相關工作很多,包括信