适应性教育超媒体系统
---模型、方法与技术
陈品德1 李克东2
华南师范大学教育技术研究所 广东广州 510631
摘 要：适应性超媒体是一个新兴的研究领域，位于超媒体/超文本、适应性系统和智能教学系统的交叉点上。本文的目的是对这一领域的研究状况作一总结，首先，我们将回答三个重要问题：什么是适应性超媒体系统AHS(Adaptive
hypermedia system)？为什么要适应性？适应什么？然后，我们将介绍在AHS中所用到的一些方法和技术，接着是AHS的系统结构以及一些实验结论。
关键词：适应性超媒体、 网络课程、 用户模型 、适应性内容呈现、 适应性导航
1． 引言：
信息技术的发展日益改变着人们的学习方式，人们的学习方式不再局限于书本、课堂、电视、广播等传统的手段。通过Internet来学习和获取知识成为近几年来的热点，越来越多的课程通过网络来发布，Internet成为支持远程教学、终生教育、普及教育的一个重要手段。
基于Web的教育方式（Web Based Education, 简称WBE）及学习环境成为近几年来的研究热点问题。在[Brusilovsky
2001]中，虚拟校园的教学支撑环境分为四个部件组成：1、内容呈现部件（presentation），由构成该门课程的教学材料组成，是教学系统的核心；2，行为部件（Activities）,包括需要学生通过"做"的方式来完成的学习的过程，通常指练习、测试、模拟、实验等，3、通讯部件（communication）,
包括一些通讯工具，以支持学生与学生、学生与教师之间的交流与沟通，实施协作学习。4、管理部件（Administration）支持教学过程中必要的管理职能，如学生管理、课程管理等等。目前的网络教学支撑平台的研究大多围绕着上述四种部件提供相应的工具。
Brusilovsky [Brusilovsky 2001]将基于Web的网络课程的呈现方式分为两大类型：电子课本（electronic
textbook）, 就是将书本形式的课本制作成网页发布；另外一种类型称作电子展示（electronic presentation），指在网络上以线性方式呈现教学媒体的教学方式，比如讲稿、讲座、播放课堂教学的视频录像等，有些在播放录像的同时还还伴之以同步的讲稿。电子课本的创作与发布存在三种级别：基本级别（Base
level）的电子课本由静态的网页组成，包含少量的图片，提供了简单的导航按纽（如前后翻页）和内容表，创作工具采用普通的文本编辑工具（notepad）或文字处理和转换工具；成熟级别（state
of art）的电子课本在媒体内容和创作工具方面都有了较大的改进，课本里可能包含视频、音频片段、动画等多种媒体，可能用到多种商品化的创作工具，目前大量的网络课程属于这种类型；第三种属于研究级别的网络课程，大多仍处于研究阶段，或在较小的范围内使用，其创作工具也还没有商品化，研究的方向主要有：1、可重用性创作（reusability
authoring）,可重用性创作允许作者开发多种多样的内容部件，利用元数据索引，开发的内容部件可以重复使用，这种技术隐含了以数据库为核心的系统结构；2、另外一个方向其目的是为了改善教育超媒体空间（hyperspace）的组织结构,利用课程领域中的概念（知识原子）对页面（或结点）进行标识，其结果可以支持更多先进的导航机制；3、在课程中增加更多的智能成分（Intelligent
figures）；其中重要的研究方向之一提高网络课程的适应性，包括适应性的内容呈现（adaptive presentation）和适应性的导航支持（adaptive
navigation support）。关于网络课程创作与发布的详细评述可参见[Brusilovsky 2001]。
本文主要介绍处于研究级别的适应性超媒体系统AHS（Adaptive Hypermedia System）, AHS 的研究起始于80年代末九十年代初，其目的是为了提高超媒体系统的可用性，首先在传统的超媒体系统环境里（ISIS-Tutor,
ITEM/IP）[Brusilovsky 1994], 96年是一个分水岭，在这之后，研究方向转向了Web环境下的超媒体系统，且大部分是教育超媒体系统（即网络课程）([Brusilovsky
1998c] ,[Brusilovsky 1996c], [De Bra 1998], [Kay 1994], [Pilar 1998],
[Specht 1997])。本文试图就该领域的研究状况作一总结，以供从事该领域的同行们参考。以下的内容中，首先将回答为适应性是指什么？为什么要适应？适应什么？然后介绍如何适应，适应性的技术与方法，接着阐述适应性网络课程的模型与结构以及适应性网络课程的实验研究情况。
2、适应性超媒体系统（AHS）
2．1 什么是适应性超媒体系统？
在[Brusilovsky 1996a]中，Brusilovsky给出了适应性超媒体系统的一个定义：所谓的适应性超媒体（超文本）是指该超媒体系统反映了用户的某些特征，这些特征存放于用户模型中，该模型在系统的运行过程中被用来使系统的表现适应于不同的用户。即区分一个适应性超媒体（超文本），系统应该：1、是一个超媒体（超文本）系统；2、应当包含用户模型；3、系统应当利用该模型来适应于用户（即同一个系统对于不同的用户看起来是不一样的）。[Brusilovsky
1996a]区分了六种不同的适应性超媒体系统的应用领域，其中教育超媒体系统、在线信息系统、在线帮助系统是其中三种主要的超媒体应用领域。
2．2 为什么要适应性？
在超媒体系统中，系统是由结点（页面）和链组成，每个页面上包含许多链，用户通过点击其中的一个链而引出一个新的页面，传统的超媒体系统其页面的内容和链都是固定不变的，由创作人员在设计时确定。超媒体/超文本系统的主要特征是用户驱动的信息获取过程，网络课程也不例外，在网络课程的学习中，主要是以自学为主的，学生在超媒体空间中"孤独"的航行，不同于普通的线性文稿（比如课本或论文），对于作者往往以自己认为的最佳次序设定了课本的编排顺序，他对读者的阅读顺序也有预先的设定，但对于超媒体系统，读者的阅读顺序是难以事先设定。心理学研究表明，一个结点、链丰富的超媒体系统容易带来"认知过载"和"迷航"的问题。
就网络课程而言，页面表示了该课程的学习内容，一般来说超媒体空间相对较少，学生的学习目标通常是学完这些教学材料或其中的一部分，网络课程的另外一个特征是学生往往在开始的时候对该门课程的内容知之甚少，但随着学习的进行学生的知识状态变化得很快。由于不同的学生，其背景知识水平、学习习惯、和爱好都不相同，同一个页面的内容有时对于新手来说不甚清楚，需要更多一点解释，可是对于一个有经验的用户又觉得过于简单，需要更深入的了解；另一方面，对于在页面上的链，由于缺乏必要的提示信息，用户无法预知其指向的页面是否具备阅读的条件，无关的内容、丰富的链会给初学者学生带来一定的心理负担，用户需要在超媒体空间的航行中得到方向上的指引，缺乏指引，在一个小的超媒体空间里都可能迷失方向。由于无法预知链所指向的页面内容，以及避免浏览过多的不具备条件阅读的内容所带来的心理负荷，一些实验研究表明，用户往往趋向于按照目录表的结构顺序阅读，就象阅读传统线形课本一样。
适应性的超媒体系统就是为了解决上述的问题：1、同一套多媒体空间面临着大量用户使用的情形，不同的用户有不同的需求；2、在超媒体系统浏览过程中面临的导航方向问题，对这些问题的解决将使得超媒体/超文本系统变得更有用。
2．3 什么能被适应？
前面讲过，适应性超媒体系统是为了适应用户的知识水平、用户目标、背景和经验以及爱好与习惯，使得同一套超媒体空间在不同的用户面前有不同的表现形式，那么在一个超媒体系统中，什么能被适应，系统的哪些特征可以有不同的表现呢？
实际上，一个超媒体系统是有结点（页面）和链组成，每一个页面上除了内容信息外，还包括指向其它页面的链，因此能被适应的方面就是大体可分为两大类：内容级的适应性和链级的适应性，在[Brusilovsky
1996a]中，分别称之为：适应性的内容呈现（adaptive presentation）和适应性的导航支持（adaptive
navigation support），前者解决上面提到的第一个问题，后者则针对第二个问题。
3、适应性超媒体系统的方法与技术
方法是指策略和思路级，技术是指实现级，同一个方法可以不同的技术去实现，下面分别从适应性的内容呈现和适应性的导航支持两个方面来介绍。([Brusilovsky
1996a], [Brusilovsky 1998b]。
3．1适应性内容呈现的方法与技术
适应性的内容呈现是指在超媒体系统中所呈现的页面内容能够适应用户的知识水平、学习目标及其他用户特征，即不同的用户所看到的页面内容可能不一样。所采用的方法有：
附加解释（additional explanations）,它的目的是对于某个特定的概念，根据用户的知识水平隐藏一些无关的信息，例如，同一个页面，对于一个低级的用户，隐藏那些用户目前还不能理解的低层的细节，同时给予更多的解释和指导；而对于有较好知识基础的用户，可以阅读到更多深入的知识。
前提知识解释（prerequisite explanations）或比较性解释（comparative explanations）,前者利用概念之间的前提关系链，当访问某概念时，系统在该概念知识的前面插入用户还未掌握的有关前提知识；后者利用概念之间的比较关系链，当访问某概念时，用户可以得到与该概念相似的其他概念的比较性知识以比较它们之间的异同。
解释变体（explanation variant）,由于不同的用户对同一概念可能需要不同的信息，因此，系统可能对同一概念存储了几种不同的解释内容，不同类型的用户可以得到不同的解释方式。
信息排序，对页面上的信息片段进行排序，按照用户的习惯与背静知识选择不同的排序方式。
适应性内容呈现的有关实现技术分别有：
条件文本（conditional text）,这是一种简单有效的方式，利用这种技术，将页面中的内容组织成若干片段，通过插入条件语句根据用户模型有选择性的呈现某些片段。这是一种低级的技术，但是非常灵活，需要超媒体系统创作人员设置各种条件，另外，由于html语言没有设定条件语句这一功能，因此利用这种方式，系统的实现通常是页面在发布前，利用CGI程序进行预处理，执行有关的条件语句，发布到用户方页面已经是普通的html文件了；另外在页面中插入javascript语句，也能实现条件文本的作用，但创作的难度更大了。
伸缩文本（stretchtext）,意思是页面中的片段信息可以依据用户的知识状态展开和收缩，收缩时呈现成"热区"状态，其初始状态根据当时用户模型中的有关信息决定，在使用过程中用户还能主动的去收缩和展开，系统将记录下用户的操作以便下一次适应用户，即它不仅是系统适应性的（adaptive），而且还是可适应的（adaptable）。
解释变体可以用片段变体（fragment variants）或页面变体(page variants)技术来实现，页面变体相对比较简单，即同一个概念可以用不同的页面来描述；片段变体控制的粒度就更精细一些，需要用条件文本的方式选择不同的片段。
另外一种功能更强大的技术是采用基于框架的技术（frame-based）,这种方法采用框架结构来描述页面，框架的槽(slot)填充了该概念的若干片段信息、解释变体、指向其它页面的链、范例、练习等，另外还包含一些规则规定了这些信息如何呈现或以什么次序呈现。
这些方法和技术在具体的实现上可以综合使用，互相补充。
3． 2 适应性导航支持的方法与技术
适应性导航主要是为了解决用户在超媒体/超文本空间航行过程中的方向性问题，系统根据用户的知识状态，引导着用户浏览合适的页面内容，
避开当时无关的干扰信息或者在当时还不具备条件去查看的内容，以一条最合适的路径引导着用户在超媒体系统中航行。主要的方式有：直接导航（direct
guidance）,系统为每个用户推荐一条最佳的学习路径以引导着用户在超媒体空间航行。通常的方式是：当用户学完某个页面后，系统根据用户当前的知识状态，推荐一条最优的下一步的路径，以"下一步"等按纽形式指引着用户学习下一结点（页面）。当然，在网页中如果只有直接导航的话，用户对超媒体系统的浏览就失去了自由，因此这种技术一般和其他导航技术相结合。
链排序，对多个链按照重要程度排序，最合适的链排在最上面，这种方式对于信息检索系统或以目标为导向的教学系统中更为有用，如对搜索出来的多个结果或菜单中的链排序。，对上下文链则失去了作用。
链标记：根据用户的知识水平对页面上的链进行分类，分别加上不同的标记（如不同的颜色、图标、字体或字型等），不同的标记代表不同的含义，例如：用绿色代表目前适合去访问的链接；红色表示目前不太适合去访问的地方；灰色代表已经掌握的内容等。标记的产生是由AHS根据当前的用户模型状态决定，这种标记对用户下一步的行动有着指导和定向的作用。实际上，普通的浏览器默认方式就采用了链标记技术，对用户访问过的链、正在访问的链、和未访问过的链分别采用不同的颜色显示，即使这种简单的标记方式也对用户的信息浏览带来了方便。
链隐藏：根据当前用户的知识状态，系统通过这种方式对超文本空间进行适度的剪裁，例如阻止用户访问无关的内容或访问尚未具备访问条件的内容，这种方式可以进一步分为：1、隐藏链接，即锚点和周围的普通文本变成一样，没有突出显示，但链接依旧存在，熟练的用户依旧可以去访问链接的页面；2、链接失能，虽然还能看出该锚点的存在，但已失效，不能去访问原来指向的结点。3、链接删除：锚点处已变成和周围普通文本完全一致，完全不能区分开来。心理学表明，链隐藏容易形成错误的关于超媒体空间结点关系的心理模型，采用链标记技术的效果可以部分取代链隐藏的功能（例如用变暗来取代隐藏），而不会有这种副作用。
直接导航、排序、隐藏、标记是实现适应性导航支持的主要技术。大多数系统采用了其中几种方式，特别地，直接导航技术往往和其他几种方法结合使用。
4、适应性超媒体系统的结构
适应性超媒体系统是一个相对较新的研究领域，处于超媒体系统和用户模型研究的交叉点上。教育超媒体系统是其中的一个主要研究对象，大多数的适应性系统的案例都来自教育领域，96年以后主要是基于Web的教育超媒体系统（网络课程），这些系统展示了适应性超媒体系统的有关技术和应用案例([Brusilovsky
1998c] ,[Brusilovsky 1996c], [De Bra 1998], [Kay 1994], [Pilar 1998],
[Specht 1997])，它们所采取的技术和呈现的形式各有不同，但系统的组成与结构则包含着一些共同的成分。在[De Bra
1999]中，De Bra明确地提出了AHS的参考模型AHAM(图1)，在这个参考模型 中，AHS包含了这4个基本成分：领域模型DM（Domain
Model）、用户模型UM(User Model)、教学模型或适应性模型AM（teaching model , adaptation
model）、适应性引擎AE（adaptive engine）。下面分别论述之。
Fig -1 AHAM: Structure of adaptive hypermedia application
图1 AHAM：适应性超媒体系统的结构
4．1 领域模型(DM)
适应性超媒体系统的领域模型由该应用领域的概念和概念之间的关系组成。
简单的领域模型就是一些离散概念的集合。复杂的用户模型区分了不同的概念类型和不同的关系类型，这些概念相互关联构成了一个语义网络。
概念的类型及关系的类型往往因不同的系统和作者的设计选择而有所区别，在AHAM中，概念分成原子概念（atomic concept）和复合概念(composite
concept)，前者对应一个不可再分的信息片段；后者由一系列的子概念和构成复合概念的构造规则组成。这些子概念要么都是原子概念，它就是一个页面（page）；要么都是复合概念；对既有原子概念和复合概念的情形通过引如中间结点转换成上述两种情形，这样处理简化了领域模型的结构，领域模型呈现成一个树状的有向无环图，叶子结点是原子概念，非叶子结点是复合概念。
在[De Bra 1999]中，概念之间的关系包含两类，一类是反应了超文本系统之间的链的指向关系（link）; 另外一类关系反应了概念之间的内在逻辑关系，区分了两种类型：前提关系（prerequisite）和禁止关系（inhibitor）,
前者假设C1是C2的前提关系，则表明学习C2 之前先要掌握C1的内容；后者假设C4 禁止C1，表明当掌握了C4的内容之后，用户不愿再访问C1了，即表明C1相对于C4是太初级的内容了。在其它一些AHS中，概念之间的关系可能定义了"specialized_by"关系（表示后一概念是前一概念的特例）、"is_related_to"（相关）关系、"contrasts_with"（对比）关系或"part
of "关系等；进一步可以对关系附加"权值"，例如"is_prereq_of"关系附加一个"进入值"（threshold），表示只有前一概念获得一定的权值之后才能学习后一概念；所采取的领域模型越复杂，可采取的适应性技术和手段也就可以更多。
在Interbook[Brusilovsky 1998c]中，课程的结构组织成章、节、知识点的形式，对每个页面指定了其进入的前提概念集合和输出概念集合。在AHM[Pilar
1998]中，领域模型由若干概念组成，概念之间规定了前提（prerequisite）关系和进入值（即前提概念必须获得适当的分值后才能进入后面的概念），每个概念有若干个页面与其关联，每个页面为该概念贡献一定的分值。
根据页面与概念之间的关系，Brusilovsky[Brusilovsky 1996b]区分了三种AHS的组织方法：页面索引（page
indexing）
利用领域模型中的概念对页面进行索引，可以用本页面所论述的概念来索引（content-based）(ISIS-Tutor) [Brusilovsky
1994]，也可用前提概念进行索引（prerequisite-based）,另外可以用多个概念来索引，并指明各个概念的作用（如内容概念或前提概念等）（ELM-ART）[Brusilovsky
1996c]。
片段索引(fragment indexing)
片段索引是将页面上的内容分成了小的片段，对每个片段进行索引，提供了比页面索引更小粒度的索引方法，因而可支持更丰富的适应性手段，例如页面内容的适应性。
基于知识的方法（Knowledge-base Approach）
这种方法不同于前面两种，它的特征是，通常并没有一个现成的组装好的页面存在，只是用领域概念描述了该页面的结构(一套规则)，比如用框架来描述，页面的产生是根据框架内的描述在运行时刻动态产生的。这种方式提供更为灵活的描述页面内容的方法，因而支持更丰富灵活的适应性手段。
上面的三种方法并不相互矛盾，而是可以综合运用到一个系统中。
4．2 用户模型（UM）
用户模型是对用户信息的抽象描述，系统是利用用户模型中的信息来对用户表现出适应性的。在特定系统中，用户模型是根据系统的需要，有选择性描述用户的若干特征信息，在适应性超媒体系统中，需要描述的用户特征可能有：用户的知识状态、目标、背景和经历、爱好等。
在适应性教育超媒体系统中，知识状态是用户模型中重点描述的对象，通常是采取覆盖模型（overlay model），即在领域知识模型中的每个概念上附加一个权值来表示用户对该概念的掌握程度。因此，用户模型是序偶对（Concept-Value）的集合，其中Concept代表概念，Value是一个值代表掌握程度，一般地，Value可以是一个二进制值（知道、不知道），或定性描述（好、一般、差）或统计值（0~100），在一些系统中，可能有多个因素来描述一个概念，如阅读情况、练习得分情况、或能从其他概念可以推算出对的该概念的掌握情况，综合这些因素，得出该概念的整体分值[Gerhard
2001]
另外还有一种简单的描述用户知识状态的模型，叫做铅版模型（stereotype model）,它实际上是一个组用户模型，将用户分成几组。例如，某系统对用户进行分类，有两个维度，一个维度有"新手"、"初学者"、"中级"、"高级"4个值，另外一个维度有"掌握初步计算机基础知识"、"懂unix"两个值，这样就将用户分成了8种不同的类型，铅版模型同样可以用序偶对（stereotype-value）来。铅版模型比较简单，容易实现，但是适应的粒度不够细。往往将两者结合起来，铅版模型用来对覆盖模型赋初值，在系统运行过程中利用覆盖模型来表现出对用户的适应。
用户模型的维护一般是通系统记录下用户的交互经历（比如对页面的访问次数与时间，练习/测试的得分情况）来维护，显然后者更可靠些。另外还可以通过用户查看自己的模型，主动的去设置自己的有关概念的知识状态，系统的这种能力是必要的，体现了系统的可适应性（adaptable）。
用户的目标特性也可以用序偶对（goal-value），用户的其他特征可以类似地表示。
4．3 适应模型（AM）
适应模型定义了系统如何实施内容的适应性、链的适应性以及如何修改用户模型的一套规则。在适应性教育超媒体中，这些规则实际上体现了作者对课程的教学设计的思想。在许多AHS中，这些规则通常和系统的实现融合在一起，没有单独的抽取出来。
在AHAM模型中，将适应模型分离出来，在[Wu 2001]中，提出了一套独立于AHS的适应性规则描述语言，以方便创作人员进行规则的设计。
4．4 适应性引擎(AE)
DM、UM、AM构成了AHS中的存储层，是系统的数据部分，AE则对应着系统的实现，是执行部件。它的功能包括：响应用户的请求，根据用户模型选择和组装及呈现页面，执行适应性规则（体现内容及链的适应性），根据用户与系统的交互记录修改与维护用户模型等。
5、 适应性超媒体系统的实验与结论
适用性超媒体系统的实验研究仍是当前研究的一个薄弱环节，在文[Brusilovsky 1998a] [Brusilovsky 1998b]中总结了几个重要的实验研究报告。包括演示适应性内容呈现、适应性链标记和隐藏等技术的实际应用效果。
最早的研究报告是由Boyle 和Encarnaction在1994用MetaDoc系统作出的，实验的目标是比较三种形式的超文本：正常的超文本、具有伸缩功能的超文本、适应性伸缩的超文本。要求实验的对象回答5个搜索浏览问题和8个阅读理解问题，结果表明，适应性伸缩的超文本有助于阅读理解性能的提高，利用这种技术，阅读理解所需的时间明显减少，同时表明，内容适应性对用户的浏览航行无明显影响。
利用隐藏和标记技术来适应性导航的实验研究首先由Brusilovsky（1994）利用ISIS-Tutor在莫斯科国立大学进行的，实验利用了三个版本的ISIS-Tutor:
无适用功能的正常版本A, 采用链标记技术的版本B, 采用链隐藏技术的版本C。实验的结果表明，采用后两者的适应性导航技术，浏览的步数，对以前学过概念的重复阅读次数明显减少，用户通过较少的浏览步骤和访问次数可以达到同样的学习效果。
在其它的一些实验中，也得到了大致相同的结论，采用适应性技术的网络课程可以提高用户的学习效率，节省学习时间，学习过程中的方向性更明确，学生在自学过程中感觉更舒适。
6、 相关研究及发展趋势
Web技术的迅速发展，导致近几年大量的网络课程及综合性的教学支撑平台陆续出现。比如WebCT, TopClass, Learning等，国内随着网络学院的成立，也出现了一批网络课程及教学支撑平台，但这些网络课程基本上缺乏适应性的特征。一方面，是因为Web技术的迅猛发展，使得一些商用的教学支撑平台因为占领市场的需要，还未能来得及加入这一功能，另一方面也是由于适应性系统的理论与技术研究尚未成熟的缘故。
但是，自96年以后，基于适应性的超媒体教育系统逐渐增多起来，首先是和具体的课程相结合，展示出各种适应性技术的运用，如适用性内容呈现、各种适应性导航技术，特别是链标记与隐藏等技术。在近几年来，研究的方向一方面趋向于通用适用性系统框架的理论研究和形式描述（[De
Bra 1999]，[Wu 2001]，[Wu 1999a]，[Wu 1999b]），另一方面出现了一些通用性的适应性网络课程的创作工具，如Interbook[Brusilovsky
1998c], AHA[De Bra 1998], NetCoach[Gerhard 2001]等，有的接近于商品化的程度。因为篇幅的关系，关于适应性网络课程创作工具的介绍将另外撰文论述。可以预见，随着研究的进行，在不久的将来，适应性网络课程的创作工具将从研究阶段走向成熟阶段，并和教学支撑平台相结合。
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