个性化教学设计可视化建模的研究与实现

时间：2022-10-20 理论教育版权反馈

【摘要】：个性化教学设计是通过各种教学元素有机组合具体实现的。探索用UML对个性化教学设计建模实际上是对现实的建模。利用UML定义的类图对该系统建模，是实现个性化教学设计可视化建模的基础，设计类图包括个性化教学设计建模所需的所有教学元素，确定每一个类的属性和方法，以及相应属性的默认值，并确定每一个类之间的关系。利用顺序图对个性化教学设计动态建模是开展个性化教学的基础。

个性化教学设计可视化建模的研究与实现

李国华

（东南大学计算机科学与工程系，江苏南京，210096）

【摘要】　对网络环境下基于建构主义个性化教学设计进行了分析，利用教学元素以可视化建模方式实现个性化教学设计。

【关键词】　教学元素　UML　可视化建模　Active　X控件

【中图分类号】　TP393　　　　　　　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－5483（2004）04－0050－05

一、研究背景

随着Internet和Web技术的飞速发展，WWW已成为一种重要的信息发布和信息查询工具。远程教育正是充分利用Internet作为信息发布的载体实现远程教学。多媒体计算机和基于Internet网络通信技术所具有的特性特别适合于实现建构主义学习环境，成为建构主义学习环境下的理想认知工具，能有效地促进学生的认知发展，为在网络环境下探索建构主义教学设计创造了有利的条件。

在网络环境下，任何教学手段和教学方法最终都通过Web页面的形式表现出来。交互式的网络教学通常采用三层结构的C／S模式来实现。Web页面的质量决定着远程教育的质量。在传统的教学设计方案中，多以认知主义为设计思想，即以“教”为中心设计Web页面。而远程教育过程是个体的自主学习过程，通过以“教”为中心设计的网页进行学习，其学习效果必会受到影响。建构主义学习理论强调以自主学习为中心，学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构；强调学生主动建构每一知识节点。若以建构主义学习理论为网页开发的设计思想，高效、快捷地设计出以“学”为中心的Web页面，必将促进基于Internet的远程教育的进一步发展，并将有利于提高远程教育的教学质量。

二、解决方案

建构主义（constructivism）也译作结构主义，其最早提出者可追溯至瑞士的皮亚杰（J．Piaget）。建构主义学习理论和教育理论的兴起，对传统的教育教学理论和教育教学方式都产生深远的影响。通过对建构主义学习理论和教学理论的分析，针对传统远程教学网页开发中存在只重视教学环节的设计，而忽略学习环节的设计的问题。提出网络环境下基于建构主义的个性化教学设计解决方案的基本设计思想：以基于构件的领域框架为设计思想，用建构主义学习环境下的教学元素构件作为教学设计的基本设计单元，使软件像硬件一样，能用教学元素构件任意装配制订成个性化的教学设计。其理论分析如下：

1．个性化教学的概念

个性化教学是教师为完成某种教学任务，以建构主义的学习理论和教学理论为基础，针对所教学生的具体认知结构和自身特点，以各种教学方法为基础，利用教师本人的教学经验和教学成果精心设计产生的一种教学方法。个性化教学为学生提供良好的自主学习环境，使学习者在学习过程中，在原有的认识结构的基础上通过“同化”与“顺应”实现对新知识的意义构建。

2．教学元素

准确确定教学元素是实现个性化教学的关键所在，是确定教学元素构件的理论基础。个性化教学设计是通过各种教学元素有机组合具体实现的。可以把教学元素定义为：为实现某一特定的教学目的，教师在教学过程中所采用的最基本的教学单元和教学手段的总称。通过对建构主义学习环境下教学过程的分析、概括，从中抽象、总结出教学过程中所涉及的教学元素。再对这些教学元素进行组织分类，并为每一个教学元素定义属性、方法。并确定教学元素之间存在的各种关系。

建构主义学习环境下的教学元素有：框架、信息、讨论、导论、解答、案例、提问、教具、图像、声音、演示、练习、评价、总结、思考、强化练习、反馈等等。

3．教学元素的属性

教学元素的属性是本身所固有的特性和应用特性。包括所有教学元素的公共属性和某个教学元素所特有的属性。公共属性有：编号、名称、内容、方式、种类、状态、所属科目、情景、程度等。教学元素的特有属性由该元素的特有性质所决定。

在个性化教学设计的设计过程中，通过对设计中所使用的教学元素的属性设定属性值，将各教学元素的属性值存入相应的数据库，并以此作为网络显示的主要数据源。

4．用统一建模语言UML对个性化教学设计可视化建模

UML是一种绘制软件蓝图的标准语言，可用来对软件密集型系统的制品进行可视化、详述、构造和文档化。利用UML对系统建模最终是以一组图（diagram）来表示的。当用不同的视图对系统建模时，是同时从多个维度构造系统。UML还可以对系统不同的抽象层次建模。探索用UML对个性化教学设计建模实际上是对现实的建模。以揭示个性化教学设计的细节。UML定义了9种图，通过对UML各种图的特性和个性化教学设计建模的自身特点以及要表达形式的分析，得到以下结论：

（1）利用面向对象程序设计的基本原理，将抽象出的教学元素定义为一个类，并为一个教学元素类确定必备的属性和方法。

（2）利用类图对系统的静态设计视图建模。利用UML定义的类图对该系统建模，是实现个性化教学设计可视化建模的基础，设计类图包括个性化教学设计建模所需的所有教学元素，确定每一个类的属性和方法，以及相应属性的默认值，并确定每一个类之间的关系。这样，就为个性化教学设计建模提供了一个可视化的平台。

（3）尝试用顺序图对教学设计方案的动态设计视图建模。利用顺序图对个性化教学设计动态建模是个性化教学设计可视化建模的关键所在。顺序图强调消息的时间时序，形成顺序图时，首先把参与交互的教学元素放在图的上方，沿x轴方向排列。通常把发起交互的对象放在左边，较下级对象依次放在右边。然后，把这些对象发送和接收的消息沿y轴方向按时间顺序从上到下放置。这样，精心设计的顺序图，可以向读者提供教学设计随时间推移的可视化轨迹。

顺序图有对象生命线。对象生命线是一条垂直的虚线，表示一个对象在一段时间内存在。顺序图有控制焦点。控制焦点是一个瘦高的矩形，表示一个教学元素对象执行一个动作所经历的时间段，既可以是直接执行，也可以是通过下级过程执行。矩形的顶部表示动作的开始，矩形的底部表示动作的结束。利用顺序图对个性化教学设计动态建模是开展个性化教学的基础。

三、实现设想

利用Visual Basic 6．0设计实现个性化教学设计的操作平台。

1．以对系统静态建模的类图中定义的教学元素类为基础，将课程设计方案所涉及的所有教学元素设计成构件。选用Microsoft的DCOM构筑的Active X，Active X是Microsoft的元素软件标准，且Visual Basic　6．0对Active X有良好的支持。以Ac－tive　X控件作为个性化教学设计的基本元素，并以控件对象的方式在个性化教学的设计中使用设计好的教学元素控件。设计好的Active X控件可以和VB的标准控件同样使用，在设计Active X控件过程中的设计要点主要有：

（1）为教学元素的Active X控件确定一个相应的界面。

（2）确定教学元素Active X控件的对外接口，即Active X控件的属性、事件和方法。由于Active X控件使用中从来都不是单独存在的，它们总是被放置在容器对象上，因此容器也提供一部分额外的属性、方法和事件，使它们看上去像是控件的一部分。在设计使用Active X控件的过程中，要重视由容器提供的属性、方法和事件。在生成控件数组的时候，就用到了容器提供的属性Index。

（3）一个教学元素Active　X控件要在Windows中使用，必须将其在Windows中注册。设计阶段可以通过Regsvr 32．exe手工注册教学元素Active X控件，使用过程中可以通过安装程序或API函数进行自动注册。

（4）在个性化教学设计过程中，使用教学元素Active X控件进行可视化课程设计是Active X控件的动态加载。Active X控件的动态加载问题是Active X控件使用的核心问题。对比几种Active X控件动态加载的方法和脚本设计的自身特点。确定如下解决方案：

以框架教学元素控件为例，其中Framecontrol 1置于PictureBox 1（容器中），Framecontrol 2置于教学元素控件工具栏，将Framecontrol l的Visible属性设置为False，Index属性设置为0。（即生成了一个控件实例数组。）首先定义一个Active X控件动态加载的过程，使用中对其调用。实现代码如下：

动态加载的教学元素Active X控件可以响应本身设计的事件，如拖动等。对不使用的教学元素Active X控件用Unload Object语句卸载。

2．在个性化教学设计的操作平台上，可以在编辑区利用UML的顺序图对个性化教学设计动态建模。考虑到个性化教学设计的自身特点和人们的习惯性，在设计过程中对顺序图进行了改进：（1）将顺序图的水平对象轴和垂直时间轴对调；（2）量化时间轴。这样可以充分展示各教学元素对象随时间推移的可视化轨迹，以体现个性化教学设计的主要教学思想。

3．在教学设计过程中，动态加载某一教学元素Active　X控件或在编辑区或选中某一课程设计中使用的教学元素Active　X控件时，在教学元素属性区能显示该控件的所有属性和默认属性值。并能在教学元素属性区重新设置属性值。同时，将该教学元素控件的所有属性值存入相应的数据库中。

利用ODBC、ADO、MSFlexGrid控件和TextBox控件实现这一功能。其中OD－BC用于定义数据源。首先要根据教学元素控件的结构特点设计出后台数据库，并将后台数据库注册为ODBC用户数据源。ADO是一种由微软公司提供的应用程序级编程接口，ADO可以通过ODBC跨不同的数据库系统。在设计阶段可使用Microsoft提供的Access数据库，在使用阶段可将Access数据库中的信息无缝导入SQL　Server 2000数据库，以方便网络使用。ADO支持内部多个相互独立的对象模型。利用ADO的Connection对象、RecorderSet对象和Command对象进行数据库的访问。利用MSFlexGrid控件显视RecorderSet对象的Field集合的信息。TextBox控件作为数据绑定控件可以修改RecorderSet对象的Field集合的信息并返回ODBC数据源。

实现代码如下（部分代码）：

Dim conn As ADODB．Connection