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      數(shù)字教育出版 自適應智能教學與評估系統(tǒng)研究

      2020-07-14 08:28:05劉欣怡徐麗芳
      出版參考 2020年6期
      關鍵詞:導師學習者狀態(tài)

      劉欣怡 徐麗芳

      摘 要:智能教學與評估系統(tǒng)是教育技術的重要研究領域,綜合了教學心理學、計算機輔助教學、人工智能等多方面的理論和技術,通過分析個體差異,實現(xiàn)個性化最佳教學。本文以麥格勞-希爾教育集團的ALEKS系統(tǒng)為例,分析基于知識空間理論的知識表示和知識結構,研究智能教學與評估系統(tǒng)的基本結構、ALEKS系統(tǒng)的主要功能,并基于知識空間理論,重點分析其自適應測評功能的原理和應用。最后結合當前智能教學與評估系統(tǒng)的優(yōu)缺點,合理地分析其未來的發(fā)展趨勢。

      全球教育和教育出版領域正在發(fā)生巨大的變革。全球市場洞察公司(Global Market Insights)的報告數(shù)據(jù)顯示,2018年全球在線教育(E-learning)市場規(guī)模約為1900億美元,預計2025年將超過3000億美元,年平均復合增長率為7%。[1]在中國,根據(jù)艾媒咨詢的預測,2020年在線教育用戶規(guī)模將達3.09億人,市場規(guī)模將達4538億元人民幣。[2]因應此一變局,全球領先的教育出版集團培生(Pearson)、麥格勞-希爾(McGraw-Hill Education)、霍頓·米弗林·哈考特(Houghton Mifflin Harcourt,以下簡稱HMH)等多年來一直積極進行數(shù)字化發(fā)展布局,以實現(xiàn)從教材、教輔出版商向數(shù)字化教育、教學解決方案提供商的轉型。[3]其產(chǎn)品和服務層面的數(shù)字化教學解決方案,往往涵蓋從數(shù)字教材、教輔、評估等數(shù)字化教育資源,到軟件應用(APP)、計算機系統(tǒng)、一站式教學平臺等多個層次。其中,智能化的自適應教學與評估系統(tǒng)可謂“兵家必爭之地”,如麥格勞-希爾的ALEKS、培生的MyLab & Mastering、HMH的Waggle,以及與培生、麥克米倫(Macmillan)、HMH等均有合作關系,并于2019年被威利(Wiley)收購的Knewton等都是其中有代表性的系統(tǒng)和平臺。從本質上來講,智能教學與評估系統(tǒng)屬于一種特殊的數(shù)字教育出版物,它是教育資源和服務的集成體。作為全球最大的教育出版商之一,麥格勞-希爾有著多年的教材教輔出版經(jīng)驗,面對出版產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的挑戰(zhàn),早在1999年它就開始與ALEKS合作并負責后者高教數(shù)學產(chǎn)品的分銷,幫助它建立起在高等教育領域的市場基礎。[4][5]此后,麥格勞-希爾集團不斷加大對數(shù)字教育產(chǎn)品和服務的投資力度。2013年,它成立“數(shù)字平臺組”(Digital Platform Group),負責集團數(shù)字教育產(chǎn)品和服務的開發(fā)和運營,打造自己的數(shù)字出版產(chǎn)業(yè)生態(tài);同年,它正式收購ALEKS公司。經(jīng)過多年努力,ALEKS的產(chǎn)品不斷完善,市場也逐步擴大,由高等教育延伸到K12教育領域,學科也拓展到了科學和商學。這無疑增強了麥格勞-希爾數(shù)字化平臺和數(shù)字教育出版的實力;同時,也肯定了它將智能教學系統(tǒng)研發(fā)和推廣作為數(shù)字化轉型的一個重點這一戰(zhàn)略的正確性。[6]目前,ALEKS是麥格勞-希爾最重要的數(shù)字學習產(chǎn)品/服務之一,主要涉及的課程為數(shù)學、商業(yè)(包括會計學、統(tǒng)計學等)和科學(包括化學、行為科學等),細分學科有100多種;業(yè)務領域涵蓋K12、高等教育、職業(yè)教育等。截至2018年底,其高等教育業(yè)務已擁有190萬用戶,K12業(yè)務擁有約260萬用戶,覆蓋美國、加拿大以及其他海外市場。[7]

      一、系統(tǒng)構建的理論基礎

      先進的智能教學與評估系統(tǒng)背后往往有強大的理論支撐,ALEKS系統(tǒng)的架構建立在知識空間理論的基礎之上。該理論是由Doignon和Falmagne教授提出的一種表示知識結構的,它認為學習者的知識狀態(tài)由他所能解答的問題的集合構成,通過跟蹤學習者學習路徑可以形成特定的知識空間,從而能準確地判斷學習者目前的知識水平和學習狀態(tài)。[8]

      1.知識表示和知識結構

      從廣義上講,知識表示(Knowledge Representation)就是對知識的符號化、形式化或模型化。在計算機科學領域,知識表示是把人類知識表示成機器能處理的數(shù)據(jù)結構和系統(tǒng)控制結構;[9]而知識建構(Knowledge Construction)則是對知識的進一步系統(tǒng)化、結構化組織,以此形成知識網(wǎng)絡。因此,從本質上看,知識空間理論就是建立在知識表示基礎上的一種知識建構模式。以ALEKS為例,智能教學與評估系統(tǒng)中知識是基于優(yōu)先關系(Precedence Relation)、內(nèi)緣(Inner Fringe)、外緣(Outer Fringe)[10]等基礎邏輯構建的。其中,優(yōu)先關系定義了系統(tǒng)中知識節(jié)點之間的先后關系。如圖1所示,a、b、c、d、e、f均為知識節(jié)點,其中a優(yōu)先于c,則表示知識c的掌握需要建立在掌握知識a的基礎上,無法越級。在ALEKS數(shù)學課程中,“整數(shù)加減”就是“整數(shù)乘除”的優(yōu)先條件,先掌握加減法才能進行乘除法的學習。所以在學習過程中,如果學習者無法正確掌握整數(shù)的乘除法,系統(tǒng)很可能認定他沒有完全掌握加減法運算,從而回溯到上一級的學習中;以此邏輯遍歷,直到學習者掌握所有知識點。

      由于知識點之間的優(yōu)先關系,在知識結構中知識的遍歷存在著不同路徑,稱為學習路徑(Learning Paths)。它記錄學習者的學習軌跡。如圖1中的學習路徑可以分為圖2所示的6種,意味著學習者可能會以這6種方式完成整個知識的學習。智能教學與評估系統(tǒng)擁有龐大的知識體系,每個學習者不同的學習行為又會產(chǎn)生迥異的學習路徑,這便成為智能教學與評估系統(tǒng)個性化教學的基礎。

      在知識節(jié)點遍歷規(guī)則下,每一種知識狀態(tài)(Knowledge State)都有至少一種直接后繼知識狀態(tài)(Immediate Successor State);其中所謂知識狀態(tài)是指在知識節(jié)點無限的前提下,學習者當前掌握的所有知識的集合,除頂端最小知識狀態(tài)外。直接后繼知識狀態(tài)涵蓋原知識狀態(tài)所有的知識點,有且僅多了一個知識節(jié)點。比如知識狀態(tài){a,b,c}加上新的知識節(jié)點j5i0abt0b或者{e},就形成新的知識狀態(tài){a,b,c,d}和{a,b,c,e}。這里我們稱{a,b,c,d}和{a,b,c,e}為{a,b,c}的后繼知識狀態(tài);j5i0abt0b和{e}是{a,b,c}的外緣(Outer Fringe),也就是下一步可能要學習的知識。圖3形象地展示了內(nèi)外緣的關系。

      同理,每一種知識(除底端最大知識狀態(tài)外)都至少有一個直接前導知識狀態(tài)(Immediate Precursor State),即上一步已掌握的知識。例如{a,b}和{a,c}是{a,b,c}的前導知識狀態(tài);和{c}就是{a,b,c}的內(nèi)緣。

      在ALEKS課程中,掌握了“同分母分數(shù)的運算”(實際上包括了眾多知識點)后,如果繼續(xù)學習“分數(shù)的通分”,則能夠掌握新的知識點“異分母分數(shù)的運算”。這里可以認為“異分母分數(shù)的運算”是“同分母分數(shù)的運算”的后繼知識狀態(tài),“分數(shù)的通分”就是“同分母分數(shù)的運算”的外緣。

      ALEKS智能教學與評估系統(tǒng)的知識空間,原理就是通過內(nèi)外緣的變化更新知識狀態(tài):外緣用來指導學習者下一步的學習計劃;內(nèi)緣用來診斷糾錯,復習知識。

      2.知識空間理論

      基于知識節(jié)點的組織方式與結構特點,可用知識域(Knowledge Domain)來表示一系列知識的集合(用“X”表示)。它包含了學生所有能解答和不能解答的試題。例如在ALEKS的K12數(shù)學課“算術LV 3”的教程中,“整數(shù)位值”章節(jié)可以看作一個知識域X,它又可以分為6個細分知識點(如圖4),其中灰色部分(序號1、3、4)是學生所有能解決的知識點的集合,稱為“知識狀態(tài)”(用“k”表示),它是知識域的子集。因此,當學生所有問題都不能解決時,k就是一個空集;當學生能夠解決所有問題時,k就表示為全集X。在此基礎上,將(X,k)定義為知識結構(Knowledge Structure)。在不嚴格限定的情況下,也可以稱(X,k)為知識空間(Knowledge Space)或者空間(Space)。知識域、知識狀態(tài)和知識空間的關系表示如圖5。

      如圖1所示的a、b、c、d、e、f六個知識節(jié)點。根據(jù)優(yōu)先關系定義,知識狀態(tài)并非知識節(jié)點的任意組合,比如{c,d}就不是知識狀態(tài),因為它沒有包含c的前置知識節(jié)點a。所以,知識空間(X,k)共有16種不同的知識狀態(tài):?、{a}、{a,c}、{a,c,d}、{a,c,d,f}、{a,c,e}、{a,c,e,f}、、{a,b}、{a,c,b}、{a,b,c,d}、{a,b,c,d,f}、{b,a,c,e,f}、{a,b,d,f}、{a,b,d}、X。其中,?表示學習者還未掌握該領域的任何知識;X表示學習者已經(jīng)掌握了該領域所有知識;其他14種知識狀態(tài)則反映了學習者當前不同的學習狀態(tài)、知識水平和學習路徑。

      在智能教學與評估系統(tǒng)中,知識空間理論最有效的應用在于測試評估?;谠摾碚摰南到y(tǒng)評估最大的特點是,向學習者展示的是知識狀態(tài)而不僅僅是量化的評估結果。如現(xiàn)在有a、b、c、d、e、f六個基本知識點,在不考慮優(yōu)先關系的情況下構成了如圖6的16種知識狀態(tài):最底端空白的橢圓表示沒有掌握任何知識;最頂端的橢圓表示已掌握所有知識;中間部分的橢圓代表知識狀態(tài);帶箭頭的線代表學習路徑。以紅色橢圓為例,它表示掌握了a、b、d三個知識點的知識狀態(tài){a,b,d};f和c是該學習者接下來可能要學習的知識點,{a,b,c,d}和{a,b,d,f}即為其接下來可能出現(xiàn)的知識狀態(tài)。

      圖6? ALEKS知識狀態(tài)圖

      在實際教學中,每個科目都有眾多基礎知識點,會形成數(shù)以億計的知識狀態(tài)和學習路徑。因此,學科的知識結構往往異常龐大;然而,借助基于知識空間理論的智能教學與評估系統(tǒng),就能夠實現(xiàn)精準高效的學習診斷與評估。

      二、系統(tǒng)的結構與功能

      目前絕大多數(shù)關于智能教學與評估系統(tǒng)的研究和開發(fā)都圍繞Hartley & Sleeman(1973)提出的智能教學系統(tǒng)結構框架展開。以該框架結構為基礎,ALEKS開發(fā)了一系列具有用戶友好性的功能。其中,建立在知識空間理論基礎上的自適應測評和評估功能是系統(tǒng)的核心。

      1.系統(tǒng)結構

      典型的智能教學系統(tǒng)包括三方面知識:一是領域知識,主要解決教學內(nèi)容問題,包含系統(tǒng)需要教授給學生的內(nèi)容;二是學習者知識,主要解決教學對象的問題,揭示學習者已知和未知的問題以及學習者的認知特征、知識水平;三是教學策略知識,主要解決教學策略問題,通過數(shù)據(jù)分析等功能為機器導師提供教學建議。[11][12]這三方面知識加上相關功能,共同構成智能教學系統(tǒng)的三大模型,即專家模型、學生模型和導師模型;這三大模型又共同構成智能教學系統(tǒng)的基本框架結構(關系如圖7所示)。

      專家模型(Expert Model)是系統(tǒng)的基礎。其中的領域知識庫存儲著完整的知識體系和詳細的解答策略;專家模型還為導師模型提供強大的數(shù)據(jù)支撐,是導師模型教學策略的基礎。學生模型(Student Model)是系統(tǒng)的核心。它儲存著學習者知識,通過學習者的人機交互行為分析其知識水平、知識結構和學習狀態(tài),幫助導師模型制定個性化的、科學的學習策略,并完善專家模型的領域知識庫。導師模型(Tutor Model)包括教學策略知識,它通過分析學生模型,為學習者提供下一步的學習建議。

      三大基礎模型為智能教學系統(tǒng)提供了基本的結構框架。由于系統(tǒng)的差異性,不同的系統(tǒng)對這三大模型的架構方式可能有所不同,同時也會根據(jù)需求增加新的模型。ALEKS建立了“學生人機接口”和“導師人機接口”兩種人機交互模型。這種安排,一方面可以提升溝通效率;另一方面,也為學生和導師間接溝通留下了通路。例如當學生遇到問題時,不僅可以在系統(tǒng)的“字典”板塊中尋找解答方案,還可以通過“消息中心”向導師留言求助。

      2.系統(tǒng)功能

      根據(jù)不同使用者的需求,ALEKS系統(tǒng)分為兩大板塊:導師/管理員板塊和學生板塊,各板塊的主要功能如圖9。

      導師/管理員角色的使用對象包括教師、家長、行政管理人員等,他們在ALEKS中充當著管理者的角色,對學生進行統(tǒng)一管理和有針對性的指導。首先,導師/管理員可以創(chuàng)建班級,在后臺管理學生和班級數(shù)據(jù)庫,監(jiān)督學習進度。和其他教學管理系統(tǒng)一樣,導師/管理員可以通過ALEKS統(tǒng)一地發(fā)布作業(yè)和測試。此外,因為每個學生的知識狀態(tài)存在差異,ALEKS也支持針對性的指導功能,導師/管理員可以根據(jù)不同學生的情況,自定義學習的內(nèi)容和形式,實現(xiàn)了個性化和統(tǒng)一化的有效結合。當學生完成作業(yè)和測試后,ALEKS會自動生成一系列評估報告(圖10展示了部分評估報告),從不同的評估維度細致地剖析每個學生以及整個班級的學習情況,并科學地指導導師/管理員安排學習計劃。

      學生板塊是ALEKS的核心。學生能夠自主地或者在導師的安排下進行自適應學習(如圖11)。ALEKS基于學生當前的知識掌握情況更新其知識狀態(tài)圖,并自動規(guī)劃接下來的學習;當完成該階段的學習后,系統(tǒng)會安排測試。此外,學生或者導師也可以根據(jù)需要自主地進行測試;ALEKS會根據(jù)測試結果自動生成可視化評估報告,并根據(jù)當前的知識狀態(tài)合理地幫學生規(guī)劃接下來的學習進度。當學生遇到問題時,既可以根據(jù)ALEKS的自適應指導自主學習,也能夠通過系統(tǒng)向導師咨詢。

      3.自適應測評功能及其原理

      學生板塊的核心是自適應測試和評估功能,它是建立在知識空間理論上的重要實踐,是整個ALEKS系統(tǒng)的核心功能。自適應性即系統(tǒng)能夠通過與用戶的實時交互,捕捉個體在學習過程中的差異性,為其提供針對性的學習支持。[13][14]ALEKS是測試導向型的智能教學與評估系統(tǒng):系統(tǒng)并不直接教授知識點,而是通過測試循序漸進地引導學生利用已掌握的知識進行解答,從而強化學習效果。所以,ALEKS的自適應性主要體現(xiàn)在其測試和評估功能上。具體來說,測試是為了了解受測者的知識結構和學習狀態(tài)而對其進行的專業(yè)性測度;評估則是建立在測試結果基礎上的分析與展示。以下筆者將把測試與評估作為一個具有連續(xù)性和整體性的過程來描述。[15]

      學生在最初使用ALEKS時會進行一次知識狀態(tài)測評,以創(chuàng)建其最基本的知識狀態(tài)。一般來說,系統(tǒng)會提出20~30個問題,根據(jù)學習者的作答情況構建知識狀態(tài)(如圖12)。在學習之初,每一個知識狀態(tài)的初始可能性都相同,我們用漸變的顏色來表示可能性的大?。侯伾綔\,可能性越大。假設第一個知識點為a,且學習者回答正確;那么,ALEKS接下來會增加包含a的知識狀態(tài)的可能性,降低不含a的知識狀態(tài)的可能性,結果如圖13(a)所示。為了進一步理解該過程,這里給出一個數(shù)學實例:假設a代表“整數(shù)加減法”,當學生掌握了該知識點后,ALEKS可能會安排學習“整數(shù)乘除法”“整數(shù)交換律”等知識點,因為這些知識點是“整數(shù)加減法”的進一步應用。同理,ALEKS不會直接安排學習“分數(shù)約分”等知識點,因為學生這時可能還沒有掌握“分數(shù)基礎”。

      假設下一個知識點是f且學習者回答錯誤,那么ALEKS會降低含f的知識狀態(tài)的可能性,增加不含f的知識狀態(tài)的可能性,結果如圖13(b)所示。假如f代表“乘法分配律”,在學生已掌握“整數(shù)加減法(即a)”的基礎上,ALEKS接下來很可能安排復習“整數(shù)乘除法”和“括號運算”,因為學生可能還沒有掌握這兩個知識點。

      最后,圖13(c)展示的是變化后的知識狀態(tài)圖,其中只有一種知識狀態(tài)的可能性最高(被圈出的淺黃色圓點)——這個包含了a、b、g、h、i的知識狀態(tài)就是該學習者目前的知識狀態(tài)。在ALEKS的實際操作中,有大量的學科知識點以及它們之間的復雜關系,因此學習者的當前知識狀態(tài)非常龐雜。

      除了初始測評,ALEKS還有知識點測評和階段性測評,其原理相同。因為系統(tǒng)采用的是 “提問-回答”的教學模式,問題都是知識點的具體化,因此可以把學習者每次的回答看作一次基于知識點的測試;而測評結果也是通過知識狀態(tài)呈現(xiàn)的。學習者在整個學習過程中會接受階段性測評,系統(tǒng)會基于學習者的知識狀態(tài)提出25個問題,以此檢查學習者的知識掌握情況,更新其知識狀態(tài)。

      ALEKS不同階段的測評都是基于知識狀態(tài)的。不同于傳統(tǒng)智能教學系統(tǒng)通常采用量化指標來展現(xiàn)測評結果(比如分數(shù)和等級),基于知識狀態(tài)的可視化測評結果能夠最大可能地展現(xiàn)學習者的知識掌握情況。這不僅便于系統(tǒng)科學的教學決策,也便于學習者了解自己的學習進度,增強學習信心。

      三、小結與展望

      基于知識空間理論的智能教學與評估系統(tǒng)目前被廣泛運用于教學與培訓領域,大大提升了學習者主體的學習體驗,提高了教學效果,也減輕了教師和家長的負擔。但系統(tǒng)的評估機制仍不夠完善,尤其對于復雜問題及分布式解答等解決問題的方法,系統(tǒng)較難厘清知識點。此外,人文社會科學科目的知識表示存在很大問題,導致系統(tǒng)在該領域的應用不太理想。另一方面,目前智能教學與評估系統(tǒng)在功能性和用戶體驗方面仍有待提升。因此筆者認為,未來的智能教學與評估系統(tǒng)會從知識建構、功能和使用體驗三大方面實現(xiàn)突破。

      在知識建構方面,未來智能教學與評估系統(tǒng)會側重于解決知識的非良構問題[18](又稱劣構問題Ill-Structured Problems)。比如文學、管理學、法學等學科的知識表示和建構,因其所包含的很多知識相較而言缺乏明確界定,很多學科問題沒有唯一的、最佳的解決方案。為此,系統(tǒng)首先需要解決非良構性問題的知識表示,找到合適的計算模型、檢索邏輯和學習路徑等,把非良構性問題轉化為計算機可識別的問題。

      隨著在線教育市場的擴張,為了滿足用戶日益增長的需求,智能教學與評估系統(tǒng)會進一步優(yōu)化功能。比如建立協(xié)作學習和學習監(jiān)督等機制;增加師生互動方式,提高溝通效率;進一步優(yōu)化自適應測評和反饋功能,從而提升人類導師的自主性,增強學生以及師生的互動。

      在學習體驗方面,系統(tǒng)可以利用虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)和增強現(xiàn)實(Augment Reality,AR)技術模擬現(xiàn)實課堂,打造沉浸式學習環(huán)境,讓學習者全身心投入到學習中。還可以納入游戲化(Gamification)設計思想——基于知識空間理論的智能教學與評估系統(tǒng)在知識構建方面與游戲的支線敘事有著極大的相似性;將嚴肅游戲引入該系統(tǒng),將能夠有效地培養(yǎng)學習興趣,提高學習效果。

      參考文獻:

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      [18]Preeti Wadhwani,Saloni Gankar.E-Learning Market Size By Technology,Provider,Application, Industry Analysis Report,Regional Outlook,Growth Potential,Competitive Market Share & Forecast, 2019-2025[R/OL].[2020-03-08].https://www.gminsights.com/segmentation/detail/elearning-market-size.

      (作者單位系武漢大學信息管理學院出版科學系,武漢大學數(shù)字出版研究所)

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