子計畫六:建構式網路學習環境之研究

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 網路中學數學學習館–計劃六: ※

※ 建構式網路學習環境之研究

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計畫類別:□個別型計畫

□整合型計畫

計畫編號:NSC89-2511-S-009-024-執行期間:89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

計畫主持人:孫春在教授

共同主持人:袁賢銘教授

林珊如副教授

本成果報告包括以下應繳交之附件:

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位:國立交通大學資訊科學系

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國科會科教處八十九年度整合型計畫:網路中學數學學習館

子計劃六:建構式網路學習之研究

計畫編號:NSC89-2511-S-009-024-國立交通大學資訊科學系 孫春在 國立交通大學資訊科學系 袁賢銘 國立交通大學教育研究所 林珊如 關鍵詞:建構主義、學習策略、適性化網路教材、適性化學習 一、摘要 本研究的特色在於提出簡易的適性化 教材發展機制,能夠整合內容導向與存取 導向的調適技術,以支援網路高中數學學 習館的建立。在內容導向方面,學生可依 據自己的學習狀況,選擇教材的瀏覽模 式,增加使用者的學習效率。在存取導向 方面,本研究從建構主義的觀點出發,針 對學生的學習狀況給予適性化的學習路 徑。以觀念為中心的學習方式,可強化學 生觀念的建立,達到補救式教學的目標。 Abstr act

This study is to provide a user-friendly mechanism for developing adaptive course-ware for a web-based learning site for mathematics, which integrates content-based and access-based adaptation technologies. In the content-based aspect, it enables students to change the learning mode to improve their learning efficiency according to their learning status. In the access-based aspect, this study takes the viewpoint from constructivism to suggest adaptive learning paths to students according to their learning processes. The concept-centered learning style supported by this system can strengthen the establishment of concepts for students. It helps to achieve the goal of remedy learning.

二、緒論

1. 研究背景

在 1960 年代,美國伊利諾大學發展出 PLATO (Programmed Logic for Automatic

Teaching Operation)系統,首度將電腦應 用 帶 入 教 育 , 開 啟 了 電 腦 輔 助 教 學 (Computer Assisted Instruction, CAI)的發 展,一直持續到目前的網路時代。近年來 建 構 主 義 (Constructivism, Yakimovicz & Murphy, 1995)興起,認為在與外在環境的 互動過程中,個體會根據其已具有的知識 來理解週遭的環境,使得以教師為主體的 電腦輔助教學漸漸走向為以學生為主體的 電腦輔助學習(Computer Assisted Learning, CAL)。在網路非同步自訂進度學習的時 代,這項特質更為明顯。

1991 年美國 MIT 發展出第一套網路 CAI 系統:Athena,開啟了網路教學的紀 元。近年來網路技術的發達,全球資訊網 (World Wide Web, WWW)成為新世紀的媒 體寵兒。美國電腦教育家 Bork 當時預測在 西元 2000 年,各級學校課程的主要學習方 式,將是透過與電腦的互動來進行。而國 內外各項研究也都顯示出傳統的教學方式 應可經由電腦與網路輔助教學與學習所強 化(Ausserhofer, 1999)。然而,經過十年來 的發展,許多問題也漸次浮現,需要新的 思維、新的技術加以解決,才能在網路的 普及性及便利性之外,達到「有效學習」 的目標。 2. 研究動機 學生透過 WWW 瀏覽網路教材時,由 於 WWW 是由一群網頁靠著彼此錯綜複 雜的超鏈結(Hyperlinks)連在一起,所以學 生 很 容 易 會 有 迷 失 於 超 空 間 中 (Lost in Hyperspace),以及不易獲得整體資訊的概 觀等問題發生(Kristina, 1998),而過多的鏈 結結構也會給學生帶來很大的負擔(Calvi

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& Bra, 1998)。Conklin 曾指出迷失方向 (Disorientation) 和 認 知 負 荷 (Cognitive Overhead)是閱讀超媒體文件主要的兩大 問題(Wang, 1996),這在學習方面的影響尤 其顯著。 為了要解決迷失的問題,教學網站就 必須提供各種導引工具,最好能夠提供適 性化(Adaptive)的網路教材,並給予學習者 適時的輔助。Perkowitz 指出所謂適性化網 站就是網站能夠依據使用者瀏覽的行為自 動 地 改 進 網 站 的 組 織 結 構 和 呈 現 方 式 (Perkowitz & Etzioni, 1997),達到個人化的 調整目標。 測驗在學習中扮演一個很重要的角 色,近年來更有多個測驗網站問世。然而 一般電腦輔助學習系統並未將測驗與學習 有效結合。例如不能在測驗學生之後,主 動認知與瞭解學生的學習障礙,進而給予 適切的幫助,反而必須由學生自己尋找出 學習上有困難的地方。因此本研究認為電 腦及網路輔助學習應該在以下兩種形式上 加 以 補 強 : 調 適 (Adaptation) 與 補 救 (Remedy)。 本研究提出一套電腦網路輔助學習的 系統模型,以實現調適和補救的目標。本 整合計畫以高中數學為共同內容,而數學 本身重視思考及概念連結的特質,也是建 構主義所強調的特質。因此本研究以高中 數學為學習內容,發展適性與補救網站。 3. 現況與問題描述 翁秉仁(2000)評論目前在台灣所成立 的許多數學教學網站,歸納出數個現象, 其中他認為:(1) 從資訊供應者的角度來 看,份量、規模都嚴重不足。(2) 網站經 營過份重視外觀炫麗的效果,反而更突出 內容的貧乏。(3) 相當多網站的資料網頁 都是直接將文字檔擺到網路上,與一般直 接閱讀無異。整體而言,無論在內容的充 實或是教法的設計上,都有待加強。 在學習網站的設計方面,我們可參考 Andreas 提 出 的 幾 個 問 題 (Ausserhofer, 1999) : 學 習 的 複 雜 性 (Complexity of Learning) 、 互 動 性 (Interaction) 、 註 解 (Annotations)、發問(Asking Questions)、討 論 (Discussing) 、 以 及 個 別 性 (Individuality)。本研究將一一探討,尋求 適合研究目標的解決途徑,尤其以個別性 為探索重點。

Tom Creed 和 Kathryn Plank 則認為好 的教育網站不僅要有吸引學生進來學習的 特質,還需要使學生覺得網站值得他們付 出時間與努力,使他們願意繼續使用。因 此針對如何建立好的教育網站,Creed & Plank(1998)提出了設計教育網站的七個原 則:(1) 網頁的下載速度要快、(2) 網站要 能容易地瀏覽、(3) 網站要能提供最新資 訊、(4) 網站要能容易識別、(5) 網站要鼓 勵學生持續使用、(6) 網站要能幫助學生 自我學習、(7) 網站要可供列印教材內容。 除了以上的一般性問題,本研究承續 以往發展網路教材(Courseware)與學習策 略(Learning Strategy)的經驗,將各要素加 以整合,提出一個建構式的網路學習環 境,期望能有效達到下列幾個目標:具適 性化的學習環境、學習歷程的註解、智慧 型的學習輔助系統、具彈性的網路教材、 以及有效的學習策略。 三、文獻探討 建構主義已成為數理教育改革的重要 依據,民國八十二年公布的國小數學科課 程標準,更是直接依據建構主義的教學理 念。在建構主義的主張中,有三項主要觀 點:(1) 個體知識的形成是認知個體主動 的產生,而非被動的接受。(2) 個體知識 是個人經驗的合理解釋,並非代表真理的 呈現。(3) 個體知識並非一成不變,而是 會不斷地擴展和演化。 認知主義探索人類心理層面的思考過 程,以及邏輯的推理,因此適合運用在較 需高度認知的科學課程上。建構主義雖同 意認知主義的觀點,但強調知識是個體主 動的建構,因此在教學上必須以學生為主 體。在傳統課堂中,依賴教師個人的力量 實施建構主義教學有其相當困難度。因此 本研究希望從認知主義與個人建構主義的 觀點出發,利用電腦網路輔助學習的優

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勢,使認知主義與個人建構主義的教學特 色在電腦網路輔助學習的環境中得以實 現。 Collins 與 Quillian 探討人類的認知結 構,發現知識的概念會彼此互相聯繫,按 照不同層次構成一種網狀的語意網路結構 (Semantic Networks, Zeiliger, 1996),因此 需要由有層次且呈網路結構的概念彼此聯 繫,才能建構出優質化的認知結構。而數 學即包含著許許多多不同層次的概念,從 建構主義的觀點來看,學習者需要先從低 層的基礎概念開始建構自己所能接受的合 理解釋,再來學習更高深的觀念。因此, 本研究也將以觀念的建立為出發點,營造 出具個別化、適性化與補救式的電腦網路 輔助學習環境。 Perkowitz 等指出所謂適性化網站就 是網站能夠依據使用者瀏覽的行為能夠自 動 地 改 進 網 站 的 組 織 結 構 和 呈 現 方 式 (Perkowitz & Etzioni, 1997)。他們認為網站 需要調適有四個原因:(1) 不同的使用者 有不同的瀏覽目標。(2) 即使同一個使用 者在不同的時間點上也會有不同的需求。 (3) 網站隨著時間的成長與演變,其原先 的網站設計可能會變得不適當。(4) 網站 可能是針對某個目的而設計的,然而使用 者並不依循這個目的而使用該網站。 針對網站內容的多樣性以及網站需要 調適的四個原因,Mike Perkowitz 提出設 計適性化網站考量的四個方向(Perkowitz & Etizioni, 1999):調適的類型(Types of adaptation)、個人化與轉換(Customization vs. Transformation)、內容導向與存取導向 (Content-based vs. Access-based)、自動調 適的程度(Degree of automation)。 在 Brusilovsky(1996) 的研究中,他將 內容導向式的調適稱作內容呈現的調適 (Adaptive Presentation),並提出兩種調適 的技術,而存取導向式的調適他稱作導覽 支 援 的 調 適 (Adaptive Navigation Sup-port),同時他也提出五種調適的技術:直 接導覽(Direct Guidance)、鏈結適性化排序 (Adaptive sorting of links)、適性化隱藏鏈 結(Adaptive hiding of links)、鏈結適性化註

解(Adaptive annotation of links)、導覽圖調 適(Map adaptation)。 本研究實作一個適性化學習系統,將 針對高中數學教材中的所有觀念,建立出 先修關係,並針對這個先修關係,結合知 識結構與學生在觀念上的學習狀況,進而 提供教材學習的建議路徑。在導覽調適的 五種技術中,本計畫應用隱藏鏈結、提供 鏈結註解與導覽圖調適三種技術,建構出 適性化的高中數學學習環境。 四、系統架構 1. 適性化網路教材 適性化教材適合於教材前後單元之間 呼應關係明顯的學科,例如數學的許多單 元都需要應用到先前所學過的知識,並加 以融會貫通才能學好後面的單元。在傳統 教學中,學生遭遇到困難可以請教老師, 但是網路學習的環境則必須由系統主動瞭 解學生的學習狀況,進而給予調適和補救 的教材,必可減少學生網路學習上的挫折 感。 然而學習網站要達到適性化並不容 易,在過去適性化學習網站的研究中,許 多研究都顯示網路教材的編輯是最棘手的 問題(Brusilovsky, 1998)。為了實現適性化 的網路學習環境,首先必須調整現有網路 教材的呈現方式。 本研究以定義、公式、解說及例子為 適性化網路教材內容組成的主要元件。然 而由現有網路教材的文件格式 HTML 來 看,這些元件的類別並無法在 HTML 標準 的 語 法 中 呈 現 出 來 , 因 此 我 們 需 要 在 HTML 的上層架構一個處理文件內容意義 資訊的機制。 為 了 能 夠 將 元 件 類 別 的 資 訊 嵌 入 HTML 的文件格式中,本研究定義特殊的 文件標籤來代表元件的類別資訊,也就是 在網路教材的文件中,根據教材的元件屬 性 分 別 加 上 <definition> 、 <formula> 、 <content>和<example>等標籤,分別表示 為 定 義 、 公 式 、 解 說 和 例 子 , 再 以 </definition> 、 </formula> 、 </content> 和

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</example>表示元件的結尾,這種處理方 式對於數學學科內容是適當的,其他學科 內容則可就其特性加以調整。 本研究採用 XML (eXtensible Markup Language,可延伸式標注語言)自訂標籤的 精神,使教學系統能夠理解網路教材的元 件類別,透過分析網路教材的類別標籤, 將類別的屬性記錄在資料庫中,作為往後 教材變化的參考依據。若本系統將來要利 用 XML 做標準化,與其它系統結合,則 原 先 採 用 的 自 訂 標 籤 將 可 順 利 銜 接 到 XML 的標準格式。 透過這種由使用者自訂的方式,配合 採用 XML 自訂標籤形式的網路教材,可 實現以內容為導向的適性化學習環境。以 下再介紹以存取為導向的適性化學習環 境,並且採用軌跡法,由系統蒐集學習者 的學習歷程,依據學習者的學習狀況,給 予適性化的學習路徑。 2. 網路教材觀念間的鏈結關係 對於學習網站來說,由於教材之間具 有順序上的關係,一般會依照由淺入深或 由基礎到進階的難易程度來安排。因此鏈 結結構需要考量到每個單元的先修關係。 過去電腦輔助學習所提供的個別化教學通 常是依據學生的學習能力而給予不同程度 的教材,這種『因材施教』的教學模式, 雖然針對不同的學生提供個別化的學習環 境,但是在無形中卻也限制了學生學習彈 性。 觀念(Concepts)不僅是認知結構中最 重要的基礎元件,也是建構主義所強調的 知識單元,在獲取知識的過程中觀念的形 成扮演著重要的角色。因此,本研究所發 展的適性化學習系統,也以觀念的形成做 為學習的重點,強化學生觀念的建立。 單一觀念可能涵蓋在眾多教材當中。 而單一教材也可能隱含著眾多的觀念。按 照觀念的先修順序,它們彼此相互聯繫, 進而構成知識的語意網路結構。然而一般 教學網站的網路教材並沒有特別強調每個 教材所隱含的觀念單元,以及期間的關連 性。因此學生在學習的過程中,需要由自 己從教材的內容當中找出該教材所隱含的 觀念,進而建立起自己的知識。但是當學 生企圖從一堆鏈結結構中想找出與目前學 生所看的教材具有相關觀念或先修觀念的 其它教材時,又往往會陷入或迷失在超空 間中。 由於本研究的主題在於適應型的教學 網站,所以在作法上與 Brusilovsky 所提出 的 InterBook 有相似之處,即在於都採用 以 觀 念 為 主 的 學 習 策 略 (Concept-based Learning),系統依據學生所點選的學習目 標,給予合適的推薦學習路徑。而相異之 處在於本系統沿用上節實作適性化網路教 材所採用的 XML 自訂標籤的方式,透過 自訂標籤使每一份網路教材都能記錄該教 材所具備的觀念是哪些,又各需要什麼樣 的先修觀念。分析教材觀念、先後資訊即 能夠將所有在觀念上有關連性的教材都串 連起來,使學生在學習每一個教材時,都 能獲得該教材所有的相關資訊。 在觀念組織之外,接下來可以再結合 測驗系統,透過測驗得以瞭解學生在每一 個觀念上的理解程度,根據學生已學得的 知識,調整學生的個人化學習路徑。而系 統依據學生的學習狀況所給予的推薦學習 路徑,也能間接的減少學生的認知負荷。 這種結合測驗系統,依據學生的學習歷程 給 予 量 身 訂 作 的 學 習 路 徑 , 也 是 與 InterBook 最大的差別所在。 3. 學習路徑之適性化模式 導覽類型與新聞資訊類型的網站鏈 結,其結構性較弱,因此可由使用者主動 的調整,或由系統依據使用者瀏覽的行為 被動地調整,達到適應型的目的。然而以 教育為主的教學網站,尤其是數理方面的 學科,在鏈結結構上與一般類型的網站並 不一樣,屬於具順序性的星狀拓樸結構。 因此在實作適性化教學網站上,比較適合 由教學系統來調整鏈結結構,以避免產生 錯誤的瀏覽順序。 目前大部分的教學網站仍呈現點或線 的學習方式,欠缺針對某一觀念的完整結 構。針對此一缺點,我們認為先修教材的

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設計可使學生的學習可以以觀念為中心, 呈現前後相關概念,而達到一個面的學習 方式。因此本系統就以教材所需的先修觀 念及教材本身所具備的觀念為基礎,依據 學生的學習狀況來調整學習的鏈結結構, 也就是本系統所推薦的學習路徑。 因此當學生點選某教材,透過這樣的 推薦流程之後,學生可以得到一個為他量 身訂做的學習路徑。在這個學習路徑裡, 學生可以針對他所點選的這個教材,以該 教材的觀念為中心,做一個全面的學習, 時時強化概念之間的聯繫,而非只是超文 件閱讀的點線式學習。一方面,當學生在 教材內容有疑義時,不需要自己從一堆教 材鏈結中去尋找可能與該教材相關的教材 鏈結,也可避免發生迷失於超空間的狀 況。另一方面,即使缺乏教師的輔助,學 生也可以從學習路徑所推薦的教材鏈結做 課程上的複習或預習,以培養學生獨立思 考的能力。 4. 系統網站的實作 由於 Linux 在網路伺服器上具有很好 的穩定性,因此本系統是以 Linux 做為網 站 的 開 發 環 境 , 採 用 Apache Software Foundation 所開發的 Apache 1.3.12 為網站 伺服器,使用 PHP 開發整個系統所需要的 程式,GD 則是繪製學生學習歷程的繪圖 函式。而記錄教材觀念與學生的學習歷程 的後端資料庫則是採用 MySQL 3.22.23b。 雖 然 本 系 統 的 所 有 教 材 內 容 都 是 HTML 格式的檔案,但為了提供適性化的 學習環境,仍然需要存取一些教材資訊與 學生個人學習歷程的紀錄,因而需要資料 庫的配合。然而使用資料庫,最重要的是 定義所需要的表格欄位,好的表格定義能 夠減少查詢資料的次數,又能提供系統所 需要的資訊。為了實作適性化高中數學學 習系統,本研究定義了十個表格,分別用 來儲存教材資訊與學生個人學習歷程的紀 錄。 五、結論 適性化網路學習的相關研究已經進行 了一段時間,各種適性化模式與相關技術 也已發展成熟,許多研究也都證實適性化 學習的確能夠提升學習效率或增加使用者 學習的興趣(Bra, Brusilovsky, & Houben, 1999)。然而目前眾多的教學網站,仍以非 適性化學習為多。其中最主要的關鍵仍在 於適性化教材編輯的複雜度,另一個因素 則在於調適的可靠性與系統回饋的時間。 本研究提出適性化學習環境,從建構 主義的學習觀點,使學生在學習的過程 中,以所學的觀念為學習中心,透過先修 觀念的複習與後續觀念的預習,使學生能 強化觀念的建立,奠定其基本實力,進而 應付更深入的課程內容。 本網路教學系統的主要貢獻在於使用 了參考自 XML 自訂標籤的概念,簡化適 性化教材的編輯程序,透過教材元件類別 的切割,使系統很容易就可提供學生各種 不同學習模式所需要的教材內容。 本系統並且可快速地為所有網路教 材,以知識的觀念結構為主,建構出完整 的教材鏈結結構。並且透過自訂標籤的定 義,使教學系統可以快速認知教材文件的 內容組織,簡化適性化教材的編輯程序。 如此可減少教材共同編輯者之間的教材編 輯協定,以及減少教材維護所需花費的時 間,結合了內容調適與導覽調適的兩種適 性化技術,奠立一個適性化學習網站的新 模式。 就調適的技術而言,在以內容導向為 主的調適方面,本系統採用使用者自訂的 方式,透過教材元件類別的切割,過濾掉 使用者不需要的資訊內容,增加使用者的 學習效率。在以存取導向為主的調適方 面,則採用主動式的系統調適,運用導覽 調適的三種關鍵技術:適性化隱藏鏈結、 適性化鏈結註解、提供適性化學習路徑的 導覽圖調適。 六、未來展望 1. 納入更多的教育資源

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本系統在內容導向的調適上,利用 XML 自訂標籤的方式,將網路教材切割為 四個元件類別,提供使用者不同的學習模 式,但仍顯得不夠多樣性,主要是受到目 前教材內容不足的限制。由於本系統採用 的教材取自一般學習模式的教材,因此可 供變化的方式並不夠多。若能增加使用者 其它的學習風格,定義更多的自訂標籤, 透過這些自訂的標籤,都可以將所有的教 材內容包含於同一個網頁上,依據使用者 的喜好設定或系統調適,決定該給使用者 什麼樣的教材元件,以增加網路教材的彈 性與多樣性。 2. 多媒體教材的調適技術 目前在內容導向的調適技術上,仍然 以文字內容的調適最為廣泛,但這樣卻可 能忽略超媒體文件能提供多媒體教材的優 勢,因此在多媒體教材的調適技術上還有 一段努力的空間。XML 的技術目前也只針 對於文字內容,對於多媒體內容仍無法運 用 XML 自訂標籤的機制。因此若能將 XML 的機制嵌入多媒體文件中,那麼多媒 體教材也能輕易地提供使用者更多的彈性 與互動性。 3. 建立適性化網站的標準模式 建立適性化網站的標準模式是相當重 要的,因為網路最重要的優勢即在於資料 的分享。由於每個適性化網站都有其適性 化的教材資源與使用者模式,因此對於各 個同類型或不同類型的網站,應該建立一 套適性化網站的標準模式,使各地的網站 都能彼此交換教材資源。而教材資源的分 享,更可以讓每個適性化網站能彼此相互 支援所需要的適性化教材,降低每個網站 教材編輯者的負擔。 4. 網站本身也需調適 未來可引入智慧型的演算法,使網站 本身也可以不斷地學習,讓網站自己能產 生出更多調適的模式,使每一個不同的使 用者都能對應到適合自己的調適方式,如 此就更可避免調適錯誤的機會發生。 5. 引用智慧型代理人機制 引用智慧型代理人的機制,可讓調適 的機制從伺服器端轉到客戶端。由智慧型 代理人在客戶端詳實記錄使用者的相關資 訊,並依照所得到的資料建立使用者模 式,根據使用者模式再從伺服器端下載相 對應的適性化教材或下載完整的教材再由 代理人進行教材的調適。不同的代理人之 間也可以做訊息的交換,使建立的使用者 模式可以更加完整。每個使用者也可以透 過代理人找到學習上的同伴,減少網路學 習產生的孤獨感。而對伺服器端來說,利 用代理人的機制,可使系統負擔大大降 低,避免使用者因為系統負擔過大而增加 等待系統回應的時間,因而失去學習的興 趣。 七、參考文獻 翁 秉 仁 , (2000). 從 台 灣 數 學 網 站 談 起 . http://www.math.ntu.edu.tw/library/we bsite/web_00_05_19.htm

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參考文獻