植基於概念構圖的適性化學習網頁結構分析與設計

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植基於概念構圖的適性化學習網頁結構分析與設計

劉明洲、林鴻龍 國立花蓮師範學院 花蓮/臺灣 [email protected] 摘要 本文將科學學習上的概念構圖（concept map）作為學習網頁的隱喻(metaphor)，在 此基礎上，可以應用概念構圖的學習理論去 賦予網頁學習更適性化(adaptive)的機 制。文中所述重點包括 1) 學習網頁的概念 構圖隱喻，2) 學習網頁適性機制結構分 析，3) 學習網頁適性機制結構設計。本文 提出了適性學習網頁的流向走法分類、設計 以完成度一值去串接各項學習單元，並對相 關研究做出建議。在網頁學習將扮演日益重 要角色的未來，本文的探討將有助於提昇非 同步遠距教學的實施品質。 一、學習網頁的概念構圖隱喻 概念構圖是指學習者（或教學者）將教材單 元或概念，以不同的概念節點 (concept node) 及各節點間的關係連結 (relation link)加以組成。此構圖可以內隱於學習者 心中，也可以外顯地用圖示的方式表現出 來。概念構圖往往以一個或若干個「核心概 念」為主題，再與其他相關的概念節點延伸 連結，形成某一主題知識的結構圖。學習者 透過對概念圖的自我建構與組織歷程，就是 一種知識學習的過程。 概念構圖法因為符合知識表徵理論 (Anderson, 1983, 1995)﹑知識建構理論 (Duffy, Lowyck, & Jonassen, 1991)，以 及有意義學習理論 (meaningful learning) (Novak, 1990)，在科學教育及心理教育領 域應用頗為廣泛，尤其在科學教育教學﹑課 程設計以及知識評量等方面的應用效果特

別被肯定（Edmondson, 1995；Goldsmith, Johnson, & Acton, 1991;Nakhleh & Krajcik, 1994)。 類似於概念構圖由節點與連結所形成 的架構，網際網路上之網頁呈現方式，也是 由各節點之連結拓展而形成。只要加以做特 別之約束或條件限制，所涵蓋的資訊便形成 一個有組織的陳述或命題。教學內容若能經 由分析與設計而嵌入良好設計的網頁架構 中，令學習者在規劃好的路徑中進行有效的 學習，此「有效」包括具有學習成效，並且 在網頁間的連結是「連接到該去的網頁，阻 斷不該去的網頁」，此即所謂適性化學習的 精神。除了上述以符合概念構圖之預設好網 頁提供給學習者進行學習之外，即便學習者 是在開放式的全球資訊網中，學習者在不同 屬性與內涵的網頁節點瀏覽，也是在發展其 概念構圖。這二種方式都是以概念構圖的隱 喻去表徵學習網頁的架構。 在上述隱喻的前提之下，網頁的架構 方式與學習行為結合，具有下列的特點，若 能仔細加以分析、規劃、進而應用，可以發 展成較嚴謹而有效之學習系統： 1. 網頁內容為所呈現之閱讀單元，可 視為一閱讀節點。 2. 網頁內之超連結（Hyperlink），指 向特定之超媒體（Hypermedia），包 括網頁、多媒體、服務等，是一種 深入（說明）型或拓展（補充）型 的連結機制，保證閱讀者的思維連 貫。

3. 配合學習歷程中的變化，超連結也 可能指向一毫不相干的新內容，對 原先思維做一“跳離（Escape）” 的動作。當然，這種跳離，也可能 仍鎖定在某個思維空間，或某個閱 讀主題內。 4. 網頁間透過超連結形成不同緊密程 度的節點分佈拓樸(topology)，在 有限的範圍內具有較強主題意識、 自行編寫、強調特定格式及內部連 結的網頁集合，呈一較有組織的學 習環境。 5. 閱讀網頁之瀏覽軟體能針對網頁內 容提供簡單的訊息，對閱讀者而 言，強化訊息機制，豐富訊息內容， 可提供適時的線上協助，進而引導 其在正確的學習路徑上發展。 6. 在網頁內容與數目逐漸增加時，可 建立網頁或網址資料庫，加入搜尋 機制，提供主題範圍或領域範圍的 資訊擷取，使相關的學習單元能適 當的整合呈現，使學習範圍可深可 廣。 適性化是學習上的一個理想，讓系統 的流向可以依使用者的喜好、能力、或成就 等歷程而改變，提供最佳的路徑給使用者， 這也是智慧型(intelligent)教學系統的一 種理想(Brusilovvsky，1998)。欲達成全面 有效的適性化系統，有很多的探討與研究必 須投入，然首要之務，是在使用者模式（user profile）的內涵分析、格式紀錄、與應用 條件之探討。 二、學習網頁適性機制結構分析 依據對上述網頁架構特色的分析，欲實現學 習理論之網頁適性環境，本文歸納出以下條 件，這是將上述之特點再延伸功能，朝適性 化機制設計： 1. 網頁內容可視為一學習片斷或一 知識概念的呈現。透過網頁呈現次 序的設計與安排，可以提供學習者 去完成一系列認知程序。獨立的概 念尚不足以形成一具體學習單 元，事實上，學習者是經由有次序 的學習片斷重組，瞭解定義於某主 題的課程內容而達成學習的功 能。這樣的機制可由超連結串接特 定網頁節點所構成的概念構圖來 加以呈現，而這樣的超連結路徑組 合就是一段學習路徑（Learning path）。 2. 概念構圖間必須經由某節點出 發，進入另一構圖的另一節點，學 習另一個單元。透過超連結，形成 另一種學習路徑，是概念構圖內學 習路徑的延伸。 3. 隨著學習者需求的改變，可以隨時 跳離某個節點，進入另一個選定的 節點，以提供分歧式學習（Branch style learning）機制，給予學習 者較自由的非預設路徑選擇。不 過，這種機制，會明顯地使得系統 變得複雜，產生回朔（Loop back） 或跳前（Skip），無法單由預設路 徑線性前進（Linear advance）來 分析路徑。 4. 網頁須提供深入（說明）型及擴充 （補充）型的學習路徑。深入型路 徑針對某學習片斷引導進入下層 次（sub-layer）的詳細說明 （explaining），這個詳細說明亦 以一概念構圖來呈現。擴充型路徑 針對某學習片斷提供補充或進階 的內容，也可以用概念構圖來呈 現。 5. 須掌握網頁的特性，或賦予網頁充 足的定義，以滿足對各個概念或概 念構圖的規劃，追蹤、評量、記錄 等。 以上的分析賦予了學習網頁具備概念

3 S 圖二.由概念節點j產生C型分歧C1及C2走向，導引至另兩個概念流圖 j C1 C2 構圖的流向機制，接著將結合概念學習上的 不同歷程型態，定義不同的流向走法。 單一網頁提供單一概念呈現的格式， 其中包含描述部份主題內涵的各種媒體、系 統對網頁狀態或屬性的設定、學習者操控網 頁的必要控制介面等。網頁內無論是文字、 圖形、影片、音效等，都是構成學習環境 （Context）的核心因子（Core factor）， 屬於傳統教學的靜態材料，我們將它定義成 教材元件（Content component），方便掌握 及儲存。 網頁本身是一概念節點，除了是學習 者與教材的介面，也是整個適性學習流程的 停留點（Learning station），這個停留點 受到系統的充分監督，無論是此節點或其它 節點的學習活動，皆加以記錄。對某一學習 者的某次活動，累積成一學習路徑記錄 （Profile of learning path）。適性學習 系統分析學習路徑，取得學習傾向，然後據 以選擇下一個節點。 學習活動中，學習者雖然受到系統適 性機制的約束，但亦可自行設定參數，規劃 學習者的先設條件，要求系統在監督記錄進 行中必須遵循。而學習者亦可隨時依需要， 調整學習行為。換言之，系統與學習者之間 可以採相互調適（Mutual adaption）的精 神而互相調整各自的動作內涵，目的則在促 成最大學習效果。 描述某一主題的關連概念節點，可以 形成一概念構圖，小至一觀念之教導及說 明，大至某一領域之學習經驗皆屬之。由主 題概念上各節點之學習目標的逐次達成，才 能完成一課程單元的學習活動。欲達成此目 的，不同的構圖間必須提供適當的路徑，成 為構圖的出口與入口通道，引導學習者進入 下一個單元。 以上所描述之概念構圖內或構圖間的 學習路徑，乃是學習歷程的主軸（Main stream），我們將它定義成 C 型路徑 （Concept），以說明概念與概念間的學習路 由，圖一說明這樣的想法。 C 型路徑上的節點可能會延伸出其它 數個 C 型路徑的分歧，我們稱為「C 型分 歧」，它提供不同領域所發展出來的不同學 習路線。系統會根據學習者在學習路徑上的 領域傾向，判斷出適當的路徑，選擇下一個 節點，如圖二所示。 另外，針對某節點做更深入的闡釋， 即解釋型態的路徑，我們稱它為 E 型路徑 (Explanatory)。E 型路徑走向一下層的概 念構圖，這個構圖是對路徑的來源節點提供 說明，或呈現更深入的內容。當然，如果需 要，由此 E 型路徑延伸出來的構圖，可再往 下一層延伸。E 型路徑所延伸出來的概念構 圖內部仍然是 C 型路徑，但一旦說明結束， 必須由一 E 型路徑折返原被說明的節點，形 成一封閉路徑（closed path）。 針對學習內容涵蓋面的補充，亦即更

4 圖三.E型與X型路徑必須返回原延伸起始節點。節點j所延 伸出來的路徑成一封閉曲線。 j 多擴張型的知識，我們定義另一種延伸，稱 它為 X 型路徑（eXtensive），導向一用來補 充單元內容之概念構圖，呈現較進階的相關 課題。X 型路徑仍然是可再擴充，一種封閉 的路徑。圖三到圖六說明了這些不同類型路 徑或單獨、或結合、或衍生不同的運作方 式。 為了達成學習者能夠隨出隨進的分歧式學 習效果，系統必須提供一種非預設功能，由 學習者決定之跳離機制（Escape mechanism），允許跳脫所停留的節點，依學 習者的需要，進入另一個節點。依照我們的 定義，這形成一種非預設的 J 型路徑，如圖 七所示，這路徑仍然受到系統的監督與記 錄。圖八則說明了網頁學習環境可以由本文 所分析的各種類型路徑組接而成。有了這些 路徑型態的區分，才能進一步對學習系統進 行設計。 j C （C型路徑） （CC型概念流圖） 圖四.流圖C為節點j之C型路徑所導引產生，稱為 CC型流圖。 j C （E型路徑） （EC型概念流圖） j C （X型路徑） （XC型概念流圖） 圖六.流圖C為節點j之X型路徑所導引產生，稱為 XC型流圖。

5 圖七.兩概念圖Cx、Cy之間的J型路徑，由Cx上的某節點導 引至Cy上的某節點。 Cy Cx J （C型路線） （J型路線） （C型路線） （X型路線） （E型路線） 圖八.適性學習環境的各種路徑 三、學習網頁適性機制結構設計 綜合以上論述，C、E、X、J 型路徑是走向 分類（routing classification），皆是由 某一概念構圖之某一節點指向某一概念構 圖之另一節點。其中 C 走向有兩類，包括 1)同一構圖之停留點移動以及 2)下一個構 圖之導入。E、X 形走向則分別導入“解釋 型”構圖，及“擴張型”構圖。J 走向則導 向任一構圖，所謂任意進入表示可挑選任一 節點進入，這任一節點可以是整個網頁課程 的任一概念構圖上的某一節點。以下考慮學 習活動的一般流程，作為發展系統的參考： 1、 主軸以 C 型路徑為主，C 值構成一完整 概念，並導入下一構圖。依學習者的設 定，系統提供 E、X 型路徑，增強系統之 深度及廣度。 2、C、E、及 X 型之學習路徑會以完成度 （degree of completion）記錄於“個 人學習記錄”，如果檢查下一節點已經 完成，則建議改用 J 型走法，移至下一 個未完成節點。 如果要重新學習，則 須建立一個新的“個人學習記錄 （Learning profile）”，取得空白節 點記錄。 3、若使用者選擇“解釋型”及“擴張型” 之必要，則下一個 C 型走法時，必須先 做 E 型及 X 型延伸，然後回至原延伸起 始節點。 4、當完成度不佳（小於評量滿意值），做 J 型回到原節點，或回至概念構圖的入 口，重新來過。 5、當 C 型主軸為“樹狀分歧”時，即下一 個 C 型走法有多個選擇時，則統計學習 記錄之領域傾向，取得各個領域的完成 度，採最高者為下一個 C 型走法。 依以上的分析，C 型走法可說是最重 要之路由，而若考慮“樹狀分歧”，則需進 一步探討其路由之選擇，這時候應考慮因素 包括： 1、概念構圖之領域。 2、完成度。 3、個人學習記錄涵蓋範圍。 4、關鍵在對學習記錄的分析 5、當比較值相當，則使用者決定 選擇哪一條路徑。 6、當開始一個新學習記錄時，初 期的 C 型分歧選擇會成為“使 用者決定”導向之狀況。 為了分析學習傾向，針對概念及概念 構圖，我們定義了完成度。值取決於單一

（領域A） （領域B） 節點的學習評量（grading），若有 E 型或 X 型擴張，則要一併考量。而對於一構圖的完 成度，則需加入考慮各個節點的完成度。 對於單一概念節點的完成度值，可以 由以下幾個方式取得： 1. 編輯者預設完成度等級：如未完成 （=0）、部份完成（=0.5）、已完 成（=1），然後由學習者自我衡量 學習的成效，點選完成度的等級。 2. 在網頁介面中設計一完成度值的 輸入控制元件，由學習者衡量學習 成效，直接輸入值。 3. 於每個網頁學習進行中或結束時， 提供一些測驗，供學習者作答，由 系統立即針對答案的正確性，計算 出節點的值。 對於課程單元的成就評量是收集概念 構圖內各個節點完成度值，計算其算術平 均值，據以為構圖的值，即課程單元的完 成度。這種作法是考慮最小學習單元是各個 網頁節點，以節點個別的完成度來推演某節 點集合的完成度，似乎是合理的。不過，以 學習片斷透過數學方式取得大部的學習評 量，缺點是可能忽略了對學習單元的完整知 識，在各個節點的呼應評量上，略顯不足。 所以，有必要在離開一學習單元前，設計一 些涵蓋各學習片斷的評量作法，再修正各個 節點的值。 學習領域（learning domain）是適性 機制中對各種概念構圖的分類，依構圖的領 域屬性來將構圖加以群組化（grouping）。 領域屬性可由構圖的概念類型加以歸納，或 藉由系統直接設定。所謂概念類型，是指任 何可能的分類標準所得結果，如學科範疇、 困難度、完成度等等。一但領域定義清楚， 經由適當的學習記錄分析，可瞭解學習者的 領域傾向。 當學習者開始一新的學習活動時，由 於系統初始，所以 C 型路徑是探索歷程的 主軸。對於學習者而言，C 型為必選，而 E、 X 型則為選擇性之深入及拓展型走法。從完 成度來考量各類型的走法設計，以下是一些 推論與設計。 1、各節點之完成度，若無延伸之 E 或 X 型走法，則直接依該單一節點之 值來唯一決定。 2、若挑選 E 或 X 型走法，且節點存在 下層 E 型或擴充 X 型走法，則須將 下層或擴充之完成度納入考量。由 C 型路徑平面圖之分佈擴展成立 體圖，所考慮之節點，涵蓋至下層 或擴充之構圖，則節點之完成度為 y Nj = (Σjk + j ) / ( y + 1 ) （EQ-1） k=1 其中Nj為節點 j 之完成度，jk為 節點 j 經 E 型或 X 型路徑所延伸出 來之構圖上的節點 k 完成度，共有 y 個節點。j為僅考量節點 j，而 不考慮其延伸之節點完成度。

7 3、對於 C 型主幹之某概念構圖的 值，是收集該構圖上各節點之完成 度來決定，依下列計算而得： x Ci = ( ΣNj / x ) Wd （EQ-2） j=1 其中Ci為構圖 i 之完成度。Nj為 構圖 i 上節點 j 之完成度，共有 x 個節點。Wd為對 d 領域完成度之加 權。 4、C 型分歧的選擇 C 型分歧須考量涵蓋的範圍是 1) 該筆學習記錄或 2)該學習者之所 有學習記錄。決定路徑之選擇，乃 依據某項領域標準，計算各領域之 概念構圖值總合，依各領域值 總和之大小，決定所在停留節點路 由之優先次序。領域 d 的完成度 d，可由下式取得： z d = ΣCi / z （EQ-3） i=1 其中d為某領域之完成度總和， Max{d}為第一選擇。 四、結論與建議 經由以概念構圖對學習網頁做成隱喻，朝適 性化的流向作結構分析設計，本文提出以下 幾點結論與建議： 1. 本文分析設計了C、E、X、J四種類型的 走向模組，分別應用到概念主體，解釋、 擴張、及跳離的流向模式，有助於落實 將概念構圖的隱喻嵌入到學習網頁中， 設計考量上能由節點的層次提升到走向 模組的層次，使適性化學習網頁設計之 內涵更進一步被釐清。 2. 以定義之評量值--完成度，去連結不同 行徑的學習節點，是適性化學習的基本 機制，本文提出了完成度值的取得方 式，並對不同流向走法的值做了一些推 論與設計，都是寄望於為適性網頁連結 機制找到切入點。 3. 在各種流向走法方面，後續應該透過封 閉式系統去逐步驗證，畢竟適性化學習 網頁是一個理想，雖無法一蹴即及，但 從最基本的理論與最基礎的資料結構出 發、設計各型走向，是一個好的開始， 接著應該做物導設計，以逐步建置、驗 證、修正各類型內涵。 4. 相關應該配合進行的研究，最基本的有 二項，是建立適性化學習網頁所不可 缺。其一是探討單元評量的方式，尤其 值的實際計算方式，可以結合模糊評量 或灰色預測行之，以提昇評量的效率； 其二是對於學習歷程資料格式的探討， 這可以從資料結構的角度出發，從而使 學習歷程能夠被更明確而仔細的定義與 記錄。 參考資料

Anderson, J. R. (1995). Cognitive Psychology and It’s Implication. New York : Freeman and company.

Brusilovsky，P. (1998). Methods and

technologies of adaptive hypermedia. In P. Brusilovsky, A. Kobsa, & J.

Vassileva(Eds.), Adaptive Hypertext and Hypermedia. Netherlands: Kluwer Academic.

(1991). Designing Environment for Constructive learning. NATO ASI series. New York: Spring-Verlag.

Edmondson, K. (1995) Concept mapping for the development of medical curricular. Journal of Research in Science Teaching, 32, 777-793.

Goldsmith, T. E., Johnson, P. J., & Acton, W. H. (1991). Assessing structural knowledge. Journal of Educational Psychology, 83, 88-96.

Nakhleh, M. & Krajcik, J. S. (1994). Influence of levels of information as presented by different technologies on students’ understanding of acid, base, and PH concepts. Journal of Research in Science Teaching, 31, 1077-1096.

Novak, J. D. (1990). Concept Maps and Vee Diagrams: Two metacognitive tools to facilitate meaningful learning.