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本文由《開放教育研究》雜誌授權發布
作者：王珏、解月光
摘要
在智慧學習環境中，對學生進行適應性診斷與反饋的效度，取決於學習者模型的精準程度。文章以前概念為切入點，從認知發展角度描述學習者學習過程，並以此為依據構建基於前概念理論的精準學習者模型（ABP學習者模型），用於指導研究人員認知學習者特徵以及對學習者進行數位化建模。ABP模型要素分為認知、能力、體驗三方面，包括前概念要素、科學概念要素、認知能力要素、元認知能力要素、感官要素等，建立並描述了要素間關係。依據該模型，研究者能夠診斷學習者的具體認知狀態、相關前概念與能力缺失，分析其原因及推薦相應學習資源與學習路徑，進而提高智慧學習環境對學習者進行診斷與反饋的精準程度。
關鍵詞：智慧學習環境；個性化學習；學習者模型；ABP學習者模型；前概念
一、問題提出
當前，大數據、「網際網路＋」、可穿戴設備等信息技術新概念的出現，不斷促進學習理念、教與學方式的革新，教育信息化的推進逐步從宏觀建設走向微觀設計，相應的智慧學習環境研究成為熱點（黃榮懷等，2012）。在智慧學習環境中對學習者的特質、學習狀況進行診斷和監控，挖掘學習者的學習需求，進而提供適應性的學習反饋，有助於實現學習者個性化發展。智慧學習環境適應性功能的實現基礎，是構建適切的學習者模型。本研究聚焦學習者微觀認知過程的精準學習者模型樣態，以期提高智慧學習環境對學習者個性化學習支持的效度。
（一）學習者模型界定
本文的「學習者模型」不同於常見的計算機研究領域的內涵，而是從智化設計角度展開論述的認知模型。它是描述學習者的認知發展過程，解釋學習者認知機理的抽象理論模型，用於指導研究人員認識學習者特徵和進行數位化建模。構建學習者模型是對智慧學習環境中的學習者進行針對性地抽象建模，其模型包含哪些學習者屬性，取決於建模的目的，即實現智慧學習環境預設的學習目標，需要了解學習者的哪些特性。
1.學習者模型是智慧學習環境智能化的起點
智慧學習環境能根據對學習者的診斷結果，進行智能地、適應性地提供學習支持反饋。其中的診斷模塊、適應性模塊功能的實現都基於學習者模型對現實世界學習主體建模的診斷結果，是智慧學習環境實現適應性功能進行診斷與反饋的起點。
2.學習者模型構建從智化設計方面展開論述
學習者模型分三個方面（Brusilovsky et al.2007），即智化設計（nature）、建模（structure and represent）和實現（user modeling approaches）。智化設計涉及學習者的本質，即學習者在學習活動和外界環境交互過程中心理特徵的變化及其相互關係究竟是怎樣的，即學習者建模的目標是什麼。建模涉及綜合考慮學習理論和建模理論，考慮如何將智化設計層思考的結果通過計算機表示和建模。實現方面涉及應用哪些具體方法，將學習者模型的設想通過數位化手段開發出來。本文從智化設計展開討論，從教育技術研究角度闡述精準學習者模型的功能、特點及構建的理論依據和方法。
3.學習者模型是開發智慧學習環境中數位化學習者模型的理論依據
學習者模型，是計算機和學習者之間的橋梁，是開發智慧環境中數位化學習者模型的指南。研究者依據學習者模型理解學習者的屬性特徵，構建數位化的計算機模型。
（二）學習者模型存在的問題
目前，學習者模型主要有靜態模型和動態模型兩種構建方式（何克抗，2017）。
靜態模型，是在學習者進入學習環境之前就已經建好的學習者模型，一般使用鉛版模型方法進行表徵，這種方法是通過將學習者依據預先設計的類別如性別、能力、興趣愛好等特質進行歸類。動態模型，是捕捉學習者與智慧學習環境交互中產生的信息，隨時更新學習者模型，以進行適應性反饋。
動態模型的表徵方法有覆蓋模型方法、賦值模型方法、貝葉斯模型方法等。覆蓋模型方法通過建立與學習內容相關的概念、技能、錯誤的領域知識集合，然後將學習者目前掌握的概念、技能、錯誤作為領域知識子集的方法將學習者表徵出來。賦值模型方法一般依據項目反映原理估算學習者的能力水平，以及通過心理學量表判斷學習者的認知風格、認知偏好，將診斷結論賦值表徵學習者的水平（塗東波，2012）。貝葉斯模型方法通過建立學習內容項之間的因果關係，依據診斷的信息，推斷學習者對知識的掌握程度等。
當研究者以提高智慧學習環境的效度為目標，以「精準」作為學習者模型構建的價值時，可以發現靜態模型和動態模型及其表徵方法都存在不足。
1.要素間關係的描述不夠精準
計算機建模的重點是通過信息化技術對模型的各要素進行表徵，不涉及對模型間各要素的關係進行探討。這就帶來了一個問題，即現有的學習者模型中，關於能力、學習者體驗的要素都不能和確定的、可測的認知要素建立對應關係；只能以項目反映理論為依據，通過心理測量方法，對學習者特質進行宏觀的分類、估算及賦值，無法得到確切的診斷結論。同時，學習者模型各要素之間沒有建立對應關係，只能從多個方面分別設計支持學習者個性化學習的反饋規則。這些從不同角度著眼的反饋規則可能會互相衝突，其精準程度一定弱於多個層面綜合的、系統的設計反饋規則。
2.信息表徵不夠精準
鉛版模型方法只能對學習者進行分類，精準程度無法保障。賦值模型方法利用數學手段從宏觀角度描述學習者水平，不能解釋學習者的具體認知狀態，不能對學習者的具體行為作出解釋。由於沒有建立模型要素間關係，覆蓋模型方法與貝葉斯模型方法同樣只能表徵學習者學習進度、知識掌握程度、能力水平，不能解釋學習行為背後的原因。從認知過程的微觀角度看，學習者在學習不同內容時，體現的心理特徵變化是不同的。如果只追求抽取普適的學習者特徵，就會脫離學習者真實的認知過程，忽略學習者學習過程中要解決的問題。
本研究在靜態模型和動態模型的基礎上，從廣度與深度兩個層面增強學習者模型的精準程度。模型綜合考慮學習者與學習內容兩個方面，探究學習者學習時的特徵變化，拓寬學習者模型的廣度；同時，描述學習者在具體學習過程中面臨的問題，解釋其出現的原因，拓寬學習者模型的深度，以期使智慧學習環境做出更適切的學習支持。
二、精準學習者模型的理論假設
精準學習者模型作為描述學習者在智慧學習環境中的認知過程，解釋學習者的學習機理，其本質是認知模型，是對人類認知過程建立的一種理論假設（彭聃齡，2004）。緣於心理學、認知心理學、腦科學等的研究結論，尚不能對學習者的認知過程進行充分的描述、解釋、預測，本研究以建立精準學習者模型為導向，只關注以前概念理論為指導的認知過程，即只關注學習者前概念發展為科學概念的具體過程及其影響要素。
（一）以前概念理論支撐精準學習者模型
精準學習者模型應關注學習者的認知過程及其學習時的心理特徵變化。本文從具體的概念發展角度，解釋學習者的認知發展過程，並以此為理論依據，論述精準學習者模型。由此，本文基於前概念理論展開精準學習者模型（Accurate Learner Model Based on Preconception Theory，簡稱ABP學習者模型）的論述。
（二）前概念理論指導下的學習者認知過程
對學習者認知發展過程的認識一直向著精準的趨勢發展，從行為主義到認知主義，從認知加工的學習觀到認知發展、知識建構的學習觀，對學習者學習的心理特徵描述，越來越具體，越來越準確（申克，2003）。皮亞傑提出兒童頭腦中會有一個樸素的認知結構，這一認知結構在生活體驗過程中，會不斷地發生「同化」和「順應」，不斷完善和修正自身的認知結構，這也是學習者對體驗活動的歸納總結和反思的過程，以及自身知識增長和思維能力培養的過程（邊家勝等，2016）。前概念理論源於認知發展理論，是從概念、觀念的角度解釋皮亞傑所提出的「圖式」「認知結構」「同化和順應」，研究如何設計學習內容和學習策略來促進學習者的認知發展，內容載體主要是自然科學學科的學習內容。
「概念」，具有客觀性和主觀性。就客觀性而言，概念指人類對客觀事物的抽象概括，描述的是事物的本質規律，不以人的意志為轉移；主觀性方面而言，概念是人對客觀事物的認識和理解，在分析與比較後，構建自身的認知結構即圖式（金嶽霖，1979）。前概念指學習者在當前學習活動開始時或在學習過程中，由個人的經驗、樸素觀點向科學概念過渡時，體現的一種特殊的、相對的概念狀態。前概念雖然與科學概念相異，但只是描述學習者頭腦中概念觀點的中性詞，沒有否定意義（王珏，2013）。本文中，前概念是從人的角度，觀察人對客觀事物的認識與抽象概括，具有主觀性。
學習者在開始學習之前，腦海中的樸素概念源於對生活中事物的觀察和思考，由自身的樸素概念來分析、理解外界。開始科學學習後，學習者逐步了解科學概念、邏輯思維等抽象概念，其認知結構從樸素的、非結構的經驗觀點及前概念觀點向科學的、經典的概念體系轉變。
基於概念科學化發展的學習觀，本研究認為學習者是基於自身的認知結構現狀，對新知識進行認知，解決生活和學習中需要面對的新問題，主動或被動地參加各種學習活動。在這一學習過程中，新的認知結果、新的科學概念和前概念會形成，認知結構得以發展。這些新概念反過來會增加和鞏固原有的科學概念和前概念（見圖1）（王珏，2013）。
（三）ABP學習者模型的要素及其關係
通過對基於前概念的認知發展過程的分析和解釋，我們能夠找到比普適學習者模型更多的影響要素，建立起各要素間的關係，進而解決學習者學習面臨的問題和精準表徵學習者的特徵。
1.要素
ABP學習者模型應包含在認知過程中涉及的學習者：科學概念、前概念、各項能力要素。同時，ABP學習者模型用於多媒體環境中，其體驗的感官要素也應包含其中。
2.要素間關係
ABP學習者模型與原有學習者模型的最大差別是對各要素間關係描述清晰，能夠利用可觀察的前概念、科學概念，表徵其他學習者模型不能精準表徵的各種能力，及學習者認知偏好，從而提高學習者模型的精準程度，提高智慧學習環境的適應性功能，提升個性化學習效果。
1）ABP模型要素按學習者特質分類科學概念與前概念都是描述學習者認知狀態的要素，在本模型中作為認知要素；認知能力、元認知能力等是描述學習者能力的，作為能力方面的要素；聽覺、視覺、觸覺等描述學習者的感官和認知偏好的，作為體驗方面的要素。
2）ABP學習者模型要素依據認知過程建立聯繫
學習者的能力通過學習者對知識點的掌握程度體現，所以學習者的認知要素是其能力的基礎。同時，科學概念和前概念是ABP學習者模型表徵的基礎，所以認知是表徵能力的基礎。
通過認知加工理論可知，學習者對外界信息的感知，取決於自身的知識儲備和能力，所以ABP模型的認知水平、能力對體驗程度有制約作用。依據前概念理論，由於人的感官局限，不恰當的媒體表徵形式會促使學習者產生前概念（伊亮亮等，2017），所以ABP模型中的體驗程度對認知水平、能力亦有制約作用。
三、ABP學習者模型的要素與結構闡釋
ABP學習者模型通過對學習者認知的描述、解釋、預測，闡釋了學習者的認知規律。下文詳細闡述ABP學習者模型的要素及要素間關係。
（一）ABP學習者模型的要素及分類
1.認知
認知是描述學習者的認知狀態的，包含科學概念和前概念。
1）前概念。前概念指學習者自發的對當前學習內容的理解，對其中概念的內涵、外延、科學術語沒有系統的、科學的認知。由於前概念是模糊的、混淆的、泛泛的，所以在本研究中，我們只關注和學習內容相關的前概念觀點。認知方面描述的前概念，是窮舉學習者關於當前學習內容的所有前概念的抽象觀點與經驗觀點。
2）科學概念。科學概念是學習者對當前學習內容的科學理解，符合人類對該知識點的公共認識，是經典的、科學的認知。學習者建構了科學概念，則完成了學科知識學習的目標。
2.能力。能力是學習者在認知活動中體現出的相關能力，如分析能力、解決問題能力、認知能力等。
學習者的認知發生在兩個過程：一是在正式學習中，對學習內容進行理解、記憶、建構，其自身認知能力、元認知能力等影響學習者對知識的有意義建構，從而達到學習目標。二是學習者在解決問題過程中，應用自身的知識與技能分析問題，進而解決問題。在此過程中，學習者的分析能力、解決問題能力是保證學習者成功解決問題的重要影響因素。
3.體驗。體驗是描述人使用感官接受外部信息的認知偏好。視覺、聽覺、觸覺是較常見的信息接收渠道。已有研究證明，不同類型的學習者，其感官接收外界信息的偏好和能力不同，如有的學習者喜歡閱讀文獻，有的學生喜歡聽音頻，有的學習者喜歡看課程視頻。學習者通過視覺、聽覺、觸覺等感官接收外界信息，對信息進行選擇性知覺，形成個人經驗，並嘗試進行意義建構。這一感知過程受自身認知狀態、能力的影響，將信息形成觀點，通過同化或順應，納入自身的認知結構；或者重新嘗試感知外界信息，如重新閱讀、尋找解釋信息等。
（二）ABP學習者模型的結構闡釋
ABP學習者模型具有三方面要素，分別是認知、能力和體驗（見圖2）。
1.認知要素內部關係
ABP學習者模型通過引入前概念描述認知過程，所以在認知方面，與原有學習者模型的差別也最大。能描述學習者的認知發展過程，可以解釋當前認知狀態發生的原因，是ABP學習者模型提高精準程度的基礎。
1）前概念與科學概念的層級關係。從認知發展階段看，學習者的概念是從具體到抽象發展的，分別經歷經驗觀點、抽象觀點和科學概念三個階段，其中經驗觀點和抽象觀點組成前概念。學習者的認知結構是一個前概念在下、科學概念在上的雙層體系。
2）科學概念和前概念可以並存及互相轉化。學習過程一般是學習者的前概念發展為科學概念，但也有特殊情況，如科學概念和前概念並存：學習者已經建構了科學概念，但在進一步的學習中，對學習內容產生了錯誤理解，在同一知識點同時存在科學概念和前概念，這時學習者對該知識點的理解就會發生混淆，在不同情境中可能採用不同的概念進行理解和認知。再如科學概念轉化為前概念：學習者已經建構了科學概念，但在進一步的學習活動中，對習得的概念產生了認知衝突，對科學概念產生懷疑，於是發生順應，轉而建構了前概念。
3）前概念誘發新的前概念。學習者的生活經驗，會無意識中形成一些規則命題的前概念，學習者的這些前概念，會影響後續的學習活動。例如，學習者觀察到所有物體都進行自由落體運動，會形成重力只在物體自由落體時存在的前概念；之後可能將這一前概念遷移到一般的機械運動中，認為只有在物體的運動方向上存在力的作用，又形成了新的前概念；甚至可能繼續遷移產生前概念，認為力的方向和物體運動方向必然一致。
2.認知水平是表徵能力的基礎
概念是思維的細胞。能力是學習者完成目標所體現的潛能或素質，是由學習者的認知結構水平決定的，通過其在學習活動中反映出來。所以認知水平與能力緊密相關，是能力的基礎。ABP學習者模型的能力包括認知能力、元認知能力、分析問題能力、解決問題能力等，都是通過分析學習者認知過程中的影響產生相應診斷結果基礎上進行表徵，並通過統計方法建立表徵規則。
3.體驗感受對認知水平和能力方面的制約
感官是人類接受外界信息的第一道門戶，受自身認知結構和能力的影響，學習者對外界信息進行選擇性知覺。學習者相關知識儲備越豐富，能力越高，接收的信息量越大。
同時，前概念產生的一個重要原因是學習者的感官局限。實踐證明，設計適當的人機互動界面，可以拓展人類的感官局限。使用數位化設備，構建數位化學習環境也是拓寬人類感官局限的有效手段，進而提高學習的感官體驗，刺激學習者的學習動機，支持學習活動，優化學業水平。例如，可移動便攜設備、可穿戴設備對學習者感官體驗的增強；學習狀態和學習過程可視化呈現，構建個人學習空間及物聯網等信息化手段可以促進教與學形式的變革，優化學習環境，提高學習者的學業水平。
4.三要素間的關係
如圖3所示，圖中實線方形代表學習者的認知要素、能力要素和感官要素。虛線方形是智慧學習環境的功能模塊，包括診斷、反饋模塊，是智慧學習環境通過對學習者的診斷結果，對他們提供適應性學習反饋，例如符合學習者最近發展區的新問題和新內容；適當的學習建議；滿足學習者認知偏好的媒體呈現形式等。雲形圖案代表的是學習者從外界直接感受到的感官信息，也可稱之為經驗，是一些具體的、模糊的信息和感受，沒有抽象形成觀點。實線圓形代表暫時的意義建構，是學習者從外界感覺信息中提取的觀點，可能是科學概念，也可能是前概念，通過同化或順應納入學習者的認知結構。虛線圓形是診斷模塊對學習者的診斷結果，是智慧學習環境做出適應性反饋的依據，由診斷模塊輸出、輸入到適應性反饋模塊。
ABP學習者模型闡釋了學習者在智慧學習環境中的學習步驟：
1）學習者由於外界或內部因素，例如需求、興趣愛好、認知衝突等，形成學習動機，有意識或無意識地注意外界信息。
2）學習者對當前環境中的信息進行選擇性知覺，通過視覺、聽覺、觸覺等對外界環境的信息進行認知。學習者會無意識地忽略一些不符合其認知偏好或超出其認知能力的信息。
3）學習者嘗試理解感覺信息。從經驗中建構意義，必須與學習者認知結構中的有關概念產生聯繫，即理解外界信息。有些信息可以通過對照學習者認知結構中已有的概念，直接抽象為新的概念；有的信息需要學習者運用分析能力、解決問題能力，挖掘其深層次的有意義信息，才能達成有意義的建構。
4）學習者對外界信息進行有意義建構，將其轉化為學習者本人可以理解的概念。該概念可能是科學概念，也可能是前概念。
5）學習者將形成的新概念，通過同化或順應，納入自身的認知結構。在此步驟中，學習者的認知結構可能納入新的科學概念，可能納入新的前概念，也可能將已有的某一前概念發展為科學概念，或將已有的某一科學概念轉化為前概念。
6）學習者如果沒有將外界信息建構成有意義的信息，即感覺信息與認知結構中的概念發生聯繫失敗，表明學習者沒有理解該信息。此時，學習者應努力建立新的聯繫，如嘗試再次與認知結構產生聯繫；也可應用智慧學習環境，推送新的內容進行感知；
或變化當前內容的媒體呈現形式，再次進行嘗試。這三種方法可綜合運用。
如上所述，ABP學習者模型的三要素共同發揮作用，保證學習者完成認知過程。本研究目標是構建ABP學習者模型，以指導研究者設計與開發智慧學習環境的模型及精準診斷策略。
四、功能描述與總結
學習者模型作為智慧學習環境實現智能化的起點，其功能體現在智慧學習環境基於學習者模型的診斷結果，提供智能的、適應性的學習支持反饋，即學習者診斷功能與適應性反饋功能。
（一）基於ABP學習者模型的學習者診斷功能
基於ABP學習者模型的學習者診斷功能體現在以下三方面：一是學習者的認知，包括學習者對當前學習內容知識體系的學習進度和掌握程度，對知識體系概念點的理解程度，有哪些前概念及不能掌握知識點的障礙和原因是什麼。二是學習者的能力水平。一方面是根據項目反應原理測試學習者的能力，給出學習者能力估算值，另一方面是總結學習者的學習障礙，推算其能力短板。三是了解學習者的體驗需求。目前採用的方法是使用Felder－Silverman量表進行測評學習偏好（張舸等，2012）。其中，在認知狀態和能力水平診斷方面，診斷精準程度明顯高於基於原有學習者模型的診斷精準度。
（二）基於ABP學習者模型的適應性反饋功能
1）診斷結果的可視化呈現。首先，通過可視化手段呈現學習者的認知狀態，較之文字描述，更符合人類大腦的認知規律，更直觀，認知負荷小。其次，診斷結果通過可視化手段直觀呈現給學習者，可發揮學習主體的能動性和培養學習者的元認知能力，激發學習者的學習興趣。最後，診斷結果也可以呈現給學習活動中的合作者和指導者，便於他人對學習者作出評價和指導。
2）學習內容推送與適當的媒體形式選擇。基於學習者的認知狀態和學習偏好，研究者可判斷其對當前學習內容的掌握程度並推送相應內容；綜合考慮學習者的認知偏好，及對當前學習內容是否有感官局限，選擇學習內容呈現適當的媒體形式。例如，學習者對當前知識點完全掌握，則智慧學習環境將推送適當形式的後續知識點；如果學習者沒有掌握當前知識點，則分析是他們沒有學過相應的前期知識，還是由於自身的認知基礎對當前知識點產生了認知偏差。不同的分析結論選擇不同的反饋策略，推送不同的學習內容與組織呈現形式。
3）學習路徑導航。學習路徑導航，指根據學習者需求，對學習資源進行排序（趙錚等，2016），以保證學習者完成學習活動。學習路徑導航要從學習內容和學習者特徵兩方面看，一是根據學習內容的邏輯關係，對知識點進行排序，只有學習了前驅知識點，才能繼續學習後續知識點；二是根據學習者學習當前內容的表現，應用蟻群算法、群體智能算法等進行計算，對學習者分類，推薦個性化的學習路徑；三是根據學習者的能力水平，對同一知識點提供不同難度的學習資源。環境導航應當選擇不超過學習者能力水平的學習資源，或略高於學習者能力水平的學習資源；四是針對診斷結果中學習者的能力短板，避免選擇學習者不易理解或者引發誤解的學習資源。
4）學習方法建議。基於ABP學習者模型的診斷結果對學習者的認知狀態會給出具體解釋，這有利於對學習者在學習過程中遇到問題給出方法或建議。例如，學習者在學習某一知識點時，有時能夠正確解題，有時則不能，智慧學習環境會根據診斷學習者學習活動的表現，給出解釋：是學習者分析題目的能力欠缺，還是之前知識點的理解有誤等。
從反饋功能看，由於診斷精準程度提高，基於ABP學習者模型的適應性反饋中，可視化呈現的診斷結果更多；學習內容推送與組織、媒體呈現形式選擇、學習路徑導航、學習方法的依據更為可靠。
總之，將ABP模型應用於實際學習情境，能夠對本模型進行檢驗，並通過分析實際應用過程中產生的信息，對模型進行修正，進一步提高模型效度。同時如何將非智力因素納入到精準學習者模型也是將來需要研究的問題。
基金項目：教育部 －中國移動科研基金項目「信息技術支持下的基礎教育教學模式研究及試點」（MCM20130611）。
作者簡介：王珏，在讀博士，東北師範大學信息科學與技術學院，研究方向：數位化學習環境設計；解月光（通訊作者），教育學博士，教授，博士生導師，東北師範大學信息科學與技術學院，研究方向：信息技術教育、農村基礎教育信息化、數位化學習環境設計等。
轉載自：《開放教育研究》2017年6期
排版、插圖來自公眾號：MOOC（微信號：openonline）
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有緣的人終會相聚，慕客君想了想，要是不分享出來，怕我們會擦肩而過~
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