在线学习系统:个性化认知结构的构建.pdf
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1、2023年第3期(总第12 4期)文章编号:10 0 3-6 18 0(2 0 2 3)0 3-0 0 35-0 6牡丹江师范学院学报(自然科学版)Journal of Mudanjiang Normal UniversityNo.3,2023Total No.124在线学习系统:个性化认知结构的构建沈林豪,唐海*,李贵荣,许睿(湖北汽车工业学院电气与信息工程学院,湖北十堰442 0 0 2)摘要:提出个性化认知结构的构建方法,为学习者主动推送合适的学习目标,形式化定义静态学科知识结构,通过属性扩展的方式表示学习者的认知结构;根据知识点前后有序、由易到难的特点和规律,对个性化认知结构进行层次划
2、分;综合分析认知结构中节点的层次信息和关联强度,提出节点之间的学习影响程度计算方法,计算结果按照新知识点可学习期望值排序,循序渐进地为学习者主动推送合适的新知识点:关键词:在线学习;个性化;认知结构中图分类号TP391Construction of Personalized Cognitive Structure文献标志码AOnline Learning System:SHEN Linhao,TANG Hai*,LI Guirong,XU Rui(College of Electrical&Information,Hubei University of Automotive Technolog
3、y,Shiyan 442002,China)Abstract:Propose the construction method of personalized cognitive structure to activelypush appropriate learning objectives for learners.Formally define the static subject knowl-edge structure,and express the cognitive structure of learners through attribute expansion;accordin
4、g to the characteristics and rules of orderly knowledge points,from easy to diffi-cult,the personalized cognitive structure is divided into levels;by comprehensively analyzing the hierarchical information and correlation strength of nodes in the cognitive structure,a calculation method for the degre
5、e of learning influence between nodes is proposed.Thecalculation results are sorted according to the learnable expected value of new knowledgepoints,and appropriate new knowledge points are actively pushed for learners step by step.Key words:Online learing;personalized;cognitive structur收稿日期:2 0 2 2
6、-10-11基金项目:2 0 2 0 湖北省教育规划重点课题(2 0 2 0 GA045);中国高等教育学会高等教育科学研究十三五规划课题2 0 18 年度教育信息化专项课题(2 0 18 XXHYB15)作者简介:沈林豪(1996-),男,湖北咸宁人.硕士,主要从事人工智能研究;唐海(197 5-),男(回族),湖北襄阳人.副教授,博士,主要从事人工智能、知识工程研究;李贵荣(197 4-),男,湖北宜昌人.讲师,硕士,主要从事人工智能研究;许睿(1994-),男,湖北仙桃人.硕士,主要从事人工智能研究。通讯作者:唐海352023年个性化教学是网络教学实施的核心之一,也是网络教学发展的目标之
7、一,【1北京师范大学国际合作项目AI Teacher把个性化教学和个性化学习内容生成作为核心研究内容2,教育环境中的个性化需要对学习者和学习目标有一定程度的了解,优秀的系统应该以学习者为中心,主动提供智能化、个性化的服务,减少用户不必要的学习负担.人们尝试构建个性化、智能化的网络教学系统,其中的关键问题在于个人的学习情况在网络学习系统中的表示及准确的量化分析.根据奥苏贝尔的有意义接受理论,不受学习者原有认知结构影响的学习是不存在的3,通常情况下学习并不是止步不前的,学习者的认知能力也在不断发生变化,这要求个性化学习系统也必须是实时动态更新的.学习情况纷繁复杂,影响学习效率的因素众多,比如性格偏
8、好、理解能力、知识基础、学习场景等,个人的认知结构是影响学习效率的最重要的因素.【4认知结构是一种语义框架,是个人已经具备的知识的内容和组织方式,用以感知、处理外界信息以及进行推理活动,学习就是新旧知识间建立各种关联的过程.5本文以建构主义学习理论为指导,为在线学习系统构建学习者个性化认知结构,提出相应算法,循序渐进地为学习者推送合适的新知识点,提高在线学习效率.1认知结构的形式化表示学习者拥有的知识多种多样,若构建学习者完整认知结构,数据量会非常庞大,学习新知识时,通常是以新知识所在学科范围为界限,把学习者的认知结构按照学科来划分,可以有效降低运算维度,减轻系统负担,提高运行效率,1.1学科
9、知识结构的形式化定义学科知识的组织形式通常是有序的多个章节,每个章节由若干知识点构成,知识点是有前后顺序的,是相互关联并相互影响的.周东波等从认知过程出发分析了学科知识结构,阐明认知过程与地理空间认知过程的层次相似性,运用地理空间化方法建立学科知识结构.6 李艳燕等分析了面向智慧教育的学科知识图谱构建、应用以及面临的挑战.7 牛建军等对知网文献进行统计分析,揭示其研究发展的内在规律,构建知识图谱进行分析。8 对知识及知识点之间的关系作形式化定义,然后在此基础上度量知识点之间的关联和影响.定义1元知识点.不能再分割的知识点,比如中学物理中质量、距离、时间等.定义2 复合知识点.由某些相关知识点构
10、成的知识点.比如加速度、能量、动量等是复合知识点.元知识点和复合知识点统称为知识点.定义3前导关系.对于学科全体知识点集合,假定t,E,t,E,序偶(t,t)表示在学会t,之后才允许学习t.若存在tr,使得 t,t)与(t,t)同时满足,则称序偶 t,t)为祖孙前导关系,即 ti,t)ERcc.反之,若不存在t,使得tst.)与(t,)同时满足,则称序偶(t,)为父子前导关系,即(t,t)ERpc.定义4前导知识点集.若有知识点集T二Z,对于Vt,ET,3t,E,使得 t,t)成立,则称T为t,的前导知识点集,记为P(t).若(t,t)ERpc,则称T为t,的1级前导知识点集,记为1.P(t)
11、;若 t,t)ERcc,那么,称T为t,的k级前导知识点集,记为k_P(t).其中,k为t,和t,之间最短路径长度.定义5后继知识点集.若存在集合T二,对于Vt;ET,3t,E,使序偶 ti,t)成立,则称T为t,的后继知识点集,记为St).若(t,t)ERpc,那么,称T为t的1级后继知识点集;若(ti,t)ERc c,则称T为t的36牡丹江师范学院学报(自然科学版)第3期2023年k级后继知识点集,其中,k为t,和t,之间最短路径长度.认知结构作为知识点及其关联,本质上是一种知识的有向图表示形式,知识点作为图的节点,关系作为有向图的边,以有向图的形式表示学习者认知结构中已有知识以及相互关系
12、并定义.定义6 知识点序列图.知识点序列图是一个DAG(Directed acyclicgraph)G=(V,E,R),V和E分别是图中节点和边的集合,R是知识点之间直接关系构成的序列,表示学习的方向和路径.1.2个性化认知结构的定义知识点序列图以学科知识结构为内容构建.学科知识结构是十分稳定的,短时间内不会发生大的变化,这种稳定性对于领域专家构建知识点序列图非常有利.学习并不是止步不前的,个人的认知能力也不是一成不变,所以认知结构需要不断更新.对知识点序列图中节点和节点之间的关系以语义框架形式表示,使认知结构的构建符合个性化学习的要求.9定义7 个性化认知结构PCS(Pe r s o n a
13、 l i z e d c o g n i t i v e s t r u c t u r e)是以学科知识点序列图为基础,通过为节点和节点之间关系设置属性构成的知识框架,学习者的动态变化可以通过各个属性值实时更新来实现.节点的语义框架属性包括:节点名称,通常是学科知识术语或概念名称.认知层级,按照布卢姆的教育目标分类法,将认知领域的目标分为六个层级,即记忆、理解、应用、分析、综合和评价.通过这种方式对节点进行划分,使系统明了学习者掌握该知识点所应达到的认知层级,由领域专家根据教学大纲的相关要求给出.习题集,围绕本知识点,按照认知层级的要求所生成的习题集,用于练习和测试.评分标准,对习题集中的各
14、习题给出一个标准答案,包括得分点和分值。成绩,完成习题后的得分情况,随着学习过程的进行,每一次测试得分会不断发生变化可学习值,当知识点的前导知识的成绩加权平均值不小于此阈值才建议学习该知识点,用于指导学习进程(权值的计算在第三节阐述).可通过阈值,当知识点测试成绩不小于该阈值才建议离开本知识点,用于指导学习进程。节点之间关系的语义框架设置以下两个属性:关系名称,用于节点之间关系的简要概括.比如熊猫“是一种”哺乳动物,它“吃”竹子等.影响程度,是指人们在学习过程中,其已有知识的掌握情况对新知识的学习会有多少影响.知识点之间影响程度如何表示和计算是个性化在线学习系统的重点和难点.知识点序列图的每一
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