面向MOOC的情境仿真支持系統(tǒng)

余小鵬，余小高

1.武漢工程大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息管理學(xué)院，湖北 武漢 430205

MOOC（massive open online courses，MOOC）是遠(yuǎn)程教育的最新發(fā)展，于2013年全球興起之后，MOOC模式的高校教育聯(lián)盟不斷出現(xiàn)。大規(guī)模、在線、開(kāi)放是MOOC的顯著特點(diǎn)。傳統(tǒng)課堂教學(xué)要求師生于時(shí)空上聚在一起，這需要時(shí)間成本和資金成本，而MOOC是一種遠(yuǎn)程教學(xué)，其泛在的學(xué)習(xí)形式、豐富的學(xué)習(xí)資源等，使MOOC成本較低廉，對(duì)學(xué)生有極大的吸引力。同時(shí)，這些優(yōu)勢(shì)也有助于解決教育資源分配不均等難題，一定程度上能縮小教育差距，促進(jìn)教育公平。

但是MOOC教育理念較之傳統(tǒng)課堂教學(xué)并沒(méi)有大的突破，反倒失去了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中師生之間的面對(duì)面交互，它的教學(xué)過(guò)程缺乏情境，缺乏交互?！吨袊?guó)MOOC建設(shè)與發(fā)展白皮書(shū)》明確指出MOOC教學(xué)模式有待突破［1］。

1 提出問(wèn)題

1.1 MOOC教學(xué)模式分析

MOOC教學(xué)模式情境缺乏。絕大多數(shù)MOOC的教學(xué)模式仍基于行為主義學(xué)習(xí)理論，提供給學(xué)生的視頻其實(shí)都是一幀一幀的靜態(tài)圖像，其教學(xué)過(guò)程缺乏情境，沒(méi)有沉浸感［2-3］；教師與學(xué)生之間的互動(dòng)難以有效展開(kāi)，學(xué)生很難獲取傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)過(guò)程中的代入感［4］。情境的缺乏，非常不利于學(xué)生的參與，影響了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。而絕大多數(shù)情況下小學(xué)生的學(xué)習(xí)更依賴(lài)由直接觀察所獲得的具體化經(jīng)驗(yàn)和理解［5］，因此情境缺乏對(duì)小學(xué)生的影響非常明顯。MOOC教學(xué)模式交互性不足，僅提供BBS、email、wiki等工具進(jìn)行交互。大量課程視頻組織形式單一［6］，對(duì)創(chuàng)建類(lèi)活動(dòng)等的設(shè)計(jì)并不多［2］。學(xué)生僅能聽(tīng)，不能參與到課堂中，無(wú)法參與解題等。

情境的缺乏、交互性的不足，使得當(dāng)前MOOC教學(xué)模式不符合當(dāng)前個(gè)性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)、智慧教育等理論的要求。

1.2 情境仿真支持系統(tǒng)的提出

基于建構(gòu)主義的情境學(xué)習(xí)理論，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與情境之間動(dòng)態(tài)相互作用，具有真實(shí)性、實(shí)踐性、交互性、社會(huì)性等特點(diǎn)；而慕課網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有跨時(shí)空性、開(kāi)放性、數(shù)字化、虛擬化等特點(diǎn)，為基于情境的學(xué)習(xí)活動(dòng)提供了一定支撐。從情境視角對(duì)MOOC教學(xué)模式進(jìn)行研究，既符合理論需求，又有一定的環(huán)境基礎(chǔ)。

情境仿真能有效增強(qiáng)MOOC教學(xué)模式的情境性與交互性［7-8］。教師要進(jìn)行情境仿真，就必須掌握較為復(fù)雜的仿真技術(shù)，然而多數(shù)教師不一定能熟練掌握該技術(shù)［9-15］。教學(xué)作為目的，就有可能與作為手段的仿真技術(shù)發(fā)生沖突。同時(shí)，因?yàn)閷W(xué)生情境、教師情境等種種原因，即使講授相同問(wèn)題，教師們對(duì)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)也會(huì)有一定的個(gè)性化差異。因此，支持情境個(gè)性化仿真的工具就顯得十分必要。

為了彌補(bǔ)慕課不足，提出情境仿真支持系統(tǒng)C3S。該系統(tǒng)支持學(xué)習(xí)情境的仿真，包括問(wèn)題情境、問(wèn)題情境重構(gòu)、教師提問(wèn)等，很大程度上增強(qiáng)了慕課情境性與交互性，大大有利于教師的“教”，也有利于學(xué)生的“學(xué)”。

2 情境仿真支持系統(tǒng)C3S

2.1 功能結(jié)構(gòu)

慕課的流行會(huì)致使教師陷入繁瑣的技術(shù)陷阱［9-10］，情境化要求將使該問(wèn)題更加突出。情境仿真支持系統(tǒng)（content simulation support system，C3S）有效支持情境仿真的個(gè)性化創(chuàng)設(shè)，使得教師能專(zhuān)注于教學(xué)而避免陷入仿真技術(shù)的旋渦。其主要構(gòu)成有：領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)，簡(jiǎn)單情境設(shè)計(jì)語(yǔ)言CS_L#，領(lǐng)域仿真構(gòu)件列表Component_List，情境編輯模塊CS_Edit，情境執(zhí)行模塊CS_Do，情境感知模塊CS_Aware等等。C3S功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 C3S系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System function structure diagram of C3S

其中，領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)（Domain_DB）是為了教學(xué)以及情境仿真的需要，根據(jù)一定領(lǐng)域知識(shí)設(shè)計(jì)而成的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括定義、公式、理論等。例如小學(xué)數(shù)學(xué)中的解方程、分解因式、提取公因數(shù)、最小公倍數(shù)與最大公約數(shù)等。CS_L#是面向一定領(lǐng)域的簡(jiǎn)單情境仿真語(yǔ)言，是一套簡(jiǎn)易關(guān)鍵詞、詞法與句法的集合，采用類(lèi)似C#的數(shù)據(jù)類(lèi)型、詞語(yǔ)與句法。

Component_List是面向領(lǐng)域的一系列仿真構(gòu)件集合，供用戶(hù)調(diào)用，由系統(tǒng)提供，根據(jù)Domain_DB設(shè)計(jì)而成。例如：可從小學(xué)數(shù)學(xué)的七類(lèi)行程問(wèn)題、六類(lèi)鐘表問(wèn)題中提取出主要仿真構(gòu)件“行程角色”（包括人、車(chē)類(lèi)）、鐘表等。Componenti包括屬性、事件與動(dòng)作，可描述為：

其中Arr_List主要描述Componenti的屬性及屬性值，例如“行程角色”屬性包括行程開(kāi)始時(shí)間、方向或者、速度等，鐘表屬性包括表盤(pán)、刻度的顯示，分針與時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系，以及初始轉(zhuǎn)動(dòng)速度、初始時(shí)間等。Method_List就是Componenti在情境仿真中的所應(yīng)具備的動(dòng)作，例如“行程角色”沿線段移動(dòng)、鐘表時(shí)針與分針的轉(zhuǎn)動(dòng)等。Event_List響應(yīng)用戶(hù)鼠標(biāo)鍵盤(pán)等交互信息，例如：鐘表初始時(shí)間設(shè)置時(shí)的按鈕點(diǎn)擊、方程組未知數(shù)設(shè)置時(shí)的輸入等。

情境編輯模塊CS_Edit主要用于用戶(hù)對(duì)情境的仿真進(jìn)行編輯，由常用構(gòu)件（例如按鈕、文本框等），領(lǐng)域仿真構(gòu)件列表Component_List，編輯單元等構(gòu)成。CS_Edit的輸出為情境仿真文件CS_File，記錄著情境的構(gòu)成、布局，各構(gòu)成要素的狀態(tài)、事件與動(dòng)作等信息。鐘表問(wèn)題的一個(gè)CS_Edit界面如圖2所示，用戶(hù)可以從工具欄中選擇“鐘表”，在編輯區(qū)進(jìn)行屬性設(shè)置。

CS_File文件為XML結(jié)構(gòu)，其最外層節(jié)點(diǎn)為CS_Form。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單屬性包含在節(jié)點(diǎn)中，子節(jié)點(diǎn)為其復(fù)雜屬性（property），事件（event）和方法（method），以及被包含的元素。

情境執(zhí)行模塊CS_Do首先對(duì)CS_File進(jìn)行詞法與句法分析，然后將CS_File轉(zhuǎn)變?yōu)镃#類(lèi)。構(gòu)件的屬性、事件與方法對(duì)應(yīng)著該類(lèi)的相應(yīng)項(xiàng)；再由相應(yīng)解釋器Compiler解釋執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)情境仿真。

情境感知模塊CS_Aware嵌入在情境編輯模塊CS_Edit中，可以把CS_Edit中的對(duì)象Componenti設(shè)置為情境感知熱點(diǎn)HotSpot，然后基于HotSpot，收集用戶(hù)情境信息，為分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

圖2 CS_Edit情境編輯界面Fig.2 Context editing interface ofCS_Edit

2.2 體系結(jié)構(gòu)

C3S從情境仿真的角度對(duì)MOOC進(jìn)行支持。其工作主要流程是：教師在瀏覽器端調(diào)用C3S對(duì)各類(lèi)學(xué)習(xí)情境進(jìn)行仿真創(chuàng)設(shè)，形成一系列仿真文件CS_File，嵌入到傳統(tǒng)課件視頻文件中，并設(shè)置其被執(zhí)行機(jī)制；在學(xué)生端，由播放頁(yè)面解釋執(zhí)行仿真文件，達(dá)到增強(qiáng)情境特征與交互性的目的。

C3S基于B/S結(jié)構(gòu)，其核心部件例如知識(shí)庫(kù)、解釋器等，嵌入在Web服務(wù)器中；在瀏覽器端需要C3S插件支持，并對(duì)播放器進(jìn)行擴(kuò)展。C3S插件負(fù)責(zé)在教師端支持仿真創(chuàng)設(shè)，在學(xué)生端解釋執(zhí)行仿真文件。該插件目前使用ActiveX方式實(shí)現(xiàn)。C3S體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 C3S體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of C3S

3 C3S在MOOC教學(xué)模式中的應(yīng)用

傳統(tǒng)課堂教學(xué)的主要模式往往是教師以PPT+黑板的方式授課。MOOC教學(xué)應(yīng)該對(duì)更多學(xué)習(xí)情境進(jìn)行支持，C3S能有效支持MOOC中的情境仿真。

調(diào)用C3S插件，在播放過(guò)程中根據(jù)時(shí)間戳等條件，使用JavaScript、Flash等停止視頻播放、調(diào)用CS_Do執(zhí)行仿真文件，仿真課堂作業(yè)布置等情境。如圖4所示，視頻播放到一定時(shí)刻，可以彈出教師布置的課堂作業(yè)。學(xué)生進(jìn)而進(jìn)行問(wèn)題情境重構(gòu)與解題，之后繼續(xù)觀看慕課視頻，彼此不影響。

圖4 CSMOOCs課堂作業(yè)布置示意圖Fig.4 Sketch diagram of classroom assignment inCSMOOCs

問(wèn)題情境重構(gòu)支持學(xué)生對(duì)問(wèn)題情境進(jìn)行動(dòng)畫(huà)等方式的仿真，以較為直觀的方式表達(dá)問(wèn)題情境，非常有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。圖5（a）為圖4所示數(shù)學(xué)題的情境仿真界面，圖5（b）為情境重構(gòu)界面。在圖5（a）中，教師可調(diào)用CS_Edit，在工具欄中選擇構(gòu)件，在編輯區(qū)進(jìn)行仿真創(chuàng)設(shè)，生成CS_File文件。在圖5（b）中，構(gòu)件相較簡(jiǎn)單，來(lái)源于（a）生成的CS_File ，例如只有“甲車(chē)”、“乙車(chē)”與“AB兩地”等；學(xué)生可以選擇構(gòu)件，重構(gòu)出問(wèn)題情境，其中子窗口分別是編輯窗口與仿真運(yùn)行窗口。

圖5 問(wèn)題情境仿真與重構(gòu)界面：（a）問(wèn)題情境仿真；（b）問(wèn)題情境重構(gòu)Fig.5 Sketch diagrams：（a）Problem context simulation interface；（b）Problem context reconstruction interface

圖6為解題仿真界面，可以把學(xué)生與圖6（a）所示的文本框、下拉框等構(gòu)件的交互行為記錄下來(lái)，以感知學(xué)生“設(shè)置未知數(shù)”等題意理解方面的能力；學(xué)生可通過(guò)“選擇文本”的方式對(duì)選擇的方程組、等式或者一般計(jì)算式進(jìn)行一定操作（見(jiàn)圖6（a））、并錄入“計(jì)算結(jié)果”，最后由系統(tǒng)對(duì)該結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判斷，如圖6（b）圖所示。把該過(guò)程記錄下來(lái)，可以有效感知學(xué)生解題步驟的正確性，進(jìn)而分析學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

圖6 解題情境與情境感知界面：（a）情境感知，（b）解題情境Fig.6 Sketch diagrams：（a）Context aware interface；（b）Solving problem context interface

解題情境提供對(duì)學(xué)生在線解題步驟的支持，調(diào)用情境感知模塊捕獲學(xué)生的答題行為，對(duì)學(xué)生答題步驟進(jìn)行感知，并分析學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握情況，有利于教師進(jìn)一步作出個(gè)性化輔導(dǎo)。

根據(jù)上述分析，C3S能有效支持MOOC環(huán)境下更多的學(xué)習(xí)情境，增強(qiáng)了慕課課堂互動(dòng)，使其更加接近真實(shí)課堂。

4 結(jié) 語(yǔ)

慕課發(fā)展非常迅猛，其低廉的教育成本、泛在的學(xué)習(xí)形式，使其得到很大程度上的認(rèn)可。然而，MOOC教學(xué)模式缺乏情境、交互性不足。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論是慕課教學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，情境學(xué)習(xí)理論是建構(gòu)主義的發(fā)展。文章以情境學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，提出情境仿真支持系統(tǒng)C3S，及其在MOOC中的應(yīng)用。C3S通過(guò)在課件視頻中嵌入系列情境仿真文件來(lái)支持更多的學(xué)習(xí)情境，很大程度上提高了情境性與交互性，大大有利于慕課教學(xué)質(zhì)量的提高，非常有利于教育公平。

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