远程教育中以学习者为主体的个性化人机交互系统研究

李宝敏  黄 炜  徐伯兴  俞德勇  王吉庆

华东师范大学网络教育学院  上海  200062

【摘要】该文从学习者个性化角度探讨远程教育中的人机交互问题，通过对远程教育中的人机交互理论、人机交互系统的特点进行分析，初步设计了一个以学习者为中心的交互系统模型，最后提出实现个性化人机交互的关键技术。

【关键字】人机交互，多通道用户界面 ，学习者模型

【中图分类号】G434          【文献标识码】B          【论文编号】1009—8097（2003）02—0047—04

一、问题提出

学习者在学习活动中的交互是一个重要而又复杂的问题，其重要性表现在交互活动贯穿于学习活动的整个过程，其复杂性表现在学习者交互过程中既涉及到学习者内部心理活动，又有学习者与外部反馈、交流中产生的心智活动^[1]。

网络环境中学习者的交互形式主要有两类：人机交互，人际交互，不论哪种形式的交互，都关系到下列问题：Who（谁是交互对象，与谁交互）； What（交互内容是什么）；How（如何交互）；Why（为什么交互）。学习者的人际交互形式多是以人—机—人的交互方式实现的。借助网络学习者首先是与计算机打交道，所以人机交互是学习者个性化交互学习中要研究的重要内容。本文就远程教育中的个性化人机交互理论以及实现技术作一探讨。

二、人机交互理论

人机交互CHI（Computer Human Interaction），国际上也称HCI，（Human Computer Interaction），人机交互理论以认知科学为理论基础，人机交互本质上是学习者认知过程的反映^[2]。以学习者为中心的人机交互应研究学习者的认知过程与认知规律，根据学习者的感知、记忆、思维、推理、决策、反馈等认知特点，建构学习者认知模型，提供符合学习者认知需要的界面，构建符合学习者个性化特征的交互模型，动态提供支持学习者交互风格的交互手段。最终给学习者提供多通道用户界面，智能化用户界面，通过对人机交互中的用户模型、用户界面模型、多通道交互信息整合技术，实现个性化人机互动。

三、以学习者为主体的人机交互系统的特点

以学习者为中心的人机交互系统应具备以下特点：

（一）适应性（Adapting）

以学习者为中心的人机交互系统应具有很强的适应性和灵活性，根据学习者的不同特征以及学习活动的不同阶段自适应性地给学习者提供满足个性化需要的交互手段。

（二）个性化（Personality）

根据用户的目标、要求、偏好、习惯以及交互历史进行个性化界面定制。

（三）智能性（Intelligence）

对学习者不同请求由分布式智能代理（Agent）给予及时响应处理，动态实时智能化地处理学习者交互过程中产生的动态信息。

（四）隐含性( Implicity )

网络化学习的立足点是让学习者在学习过程中把注意力集中在学习任务的完成和问题解决上，力求交互的自然性，让学习者用已有的计算机操作技能进行交互，减轻认知负荷，不需要对学习者的交互成分，或交互成因做显性说明^[3]。

（五）高效性（High Efficiency）

以学习者为中心的人机交互形式灵活多样，交互内容丰富，信息通讯量大，通讯及时高效，应充分发挥人机彼此不同的认知潜力。

（六）导向性（Guiding）

系统应给学习者提供导向性的交互手段，在学习者交互不便或遇到困惑时能得到及时的指导和帮助。

四、以学习者为主体的交互系统模型设计（如图1）

学习者

图1以学习者为中心的交互系统模型设计

在以学习者为中心的个性化交互模型设计中，首先要对学习者进行分析，建立起完整的学习者模型，学习者模型包括学习者静态模型和认知模型以及动态操作模型，静态模型包括学习者的个人基本资料信息，如：姓名、性别、年龄、学习历史等；学生的认知模型包括学习者的媒体偏好、空间能力、认知风格、学习特征等。操作模型是学生在学习过程中所体现出的对知识获取能力的反映。在远程学习中，学生的个体学习多数是通过鼠标和键盘进行的，操作的过程会产生大量的操作数据，包括学习者学习活动过程中的交互性信息、反馈性信息、自主学习活动信息，对这些信息采集、分类、组织、处理，构成学生的操作数据库。

根据对学习者静态模型、认知模型和操作模型数据的分析，运用整合机制与分流机制，提供相应的应用处理，建立起个性化人机交互界面。整合机制主要是从众多学习者模型中抽象出共性特征，分流机制主要是对不同学习者进行比较分析，寻求个性化特征。利用智能代理、信息检索、数据挖掘技术，把学习资源与效能工具、认知工具、通讯交流工具和管理工具相整合，构建适应学习者个性化学习需要的交互机制，自动生成符合学习者个性化学习需要的交互界面环境。

五、以学习者为主体的个性化交互系统的实现技术—— 构建多通道人机交互界面

（一）     多通道人机交互界面概念模型（如图2）

传统的人机交互主要利用手、眼通过键盘、鼠标、显示器进行二维与精确方式的输入输出，多通道人机交互是充分利用人的多种感官，如：眼、耳、口、手等，通过多种信息通道的整合，利用新的交互手段，以实现更加个性化、自然化的交互技术，让学习者多种感官参与交互活动^[4]。

交互处理

应用例程

(二) 以学习者为主体的个性化交互系统的实现技术

要构建以学习者为中心的人机交互模型，建立基于学习者感知的多通道界面，其实现技术主要包括：基于感知的认知和多通道用户模型，基于分布对象的多通道用户界面，实时并发的人机交互描述方法和基于学习者多维信息的语义模型以及通道整合技术。

1、基于感知认知理论建立多通道个性化学习者用户模型

多通道个性化学习者模型研究的本质是认知问题，多通道用户模型的目标是提供自然、高效的交互手段，缩短人和计算机的认知距离，减少人的认知负担。用户模型应从学习者的角度对多通道人机交互进行建模，认知理论是用户模型建立的理论基础，认知理论主要研究人的感知在认知过程中的地位以及感知增强认知的互动机制。通过研究人的感知通道的分类、感知信息的表示、感知信息的处理方式、感知通道之间的关系，多通道的整合与分流，建立多通道人机交互的感知模型。在感知模型的基础上，结合学习者远程学习的特点，以及学习者的差异性建立多通道人机交互用户模型。

2、建立基于分布对象的多通道用户界面

在建立了学习者感知模型，根据学习者个性特点建立了学习者交互模型后，利用计算模式分布化、计算移动化技术，根据多通道界面的交互模型（结构模型）和整合框架，设计以多智能体（Multi-Agent）为基础的面向分布对象的多通道学习者界面框架。构架基于分布式计算模型（DCOM、COM+）之上的支持多用户界面智能体系结构，综合利用XML等网络技术，使得交互系统适应于学习者个性化特点。

3、实时并发的人机交互的描述方法和基于多维信息的语义模型

学习者在学习过程中会动态产生实时的交互性信息，多通道人机交互系统应该是一个实时并发的系统，交互过程是多维信息在人的认知空间和计算机表示空间相互映射的过程^[5]。屏蔽多维信息的物理表示和物理传输上的异质，构造感知输入和效应输出逻辑语义上的同质，建立基于感知输入、效应输出和应用计算之上的通用的语义模型，是建立自然、高效的人机交互体系的核心。从形式化的角度分析，多通道人机交互系统本质上是混合系统，研究基于混合自动机的多通道界面的描述方法，通过混合自动机能够描述多通道人机交互过程中的高度实时、并发特性，它是多通道用户界面的形式化基础，为交互系统语义模型的描述和交互性质的验证提供了可能。

4、基于学习者多维信息的语义模型以及通道整合

多通道人机交互中一个突出的问题就是整合问题，即从多个输入通道中整合交互信息、提取交互意图，并将交互反馈分流到各输出通道上去。提高整合的实时性和正确率是实现高效多通道人机交互的关键。从认知心理学的角度研究多通道信息整合的机理和特点，以多维信息语义模型为基础建立多通道信息整合框架，研究智能化整合算法。

通道整合（Modality Integration）是指学习者在与计算机系统交互时，多个交互通道之间相互作用形成交互意图的过程。如：学习者在完成某个具体交互任务时，学习者可能采用语音和手势两个通道，对任一通道而言，通道信息可能都不精确，但通过对两个通道进行整合，可以获取用户交互的意图。

六、结语

《学记》强调，学习过程是学习者在交流互动中“自组织”的过程^[6]，学习者在学习认知过程的不同阶段有不同的交互形态，网络环境中的交互机制赋予学习者对信息进行动态控制的权利，学习者在网络环境下的人机互动其实质是借助技术的外壳拓展了互动的时空、方式、符号等，人机交互不仅拓宽了互动的广度，也提高了互动的深度。但如何建构适合学习者个性化学习需要的互动环境与互动模式是一个非常复杂的问题，值得进一步在实践中探讨研究。

注：本论文是教育部教育科学类重点课题《以学习者为主体的远程教育服务体系研究》研究成果之一。

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参考文献

[1] 王崴．建立人机交互的Web主页[J]．软件世界，2001，（6）

[2] 高瑞利．人机交互研究 [EB/OL]．http://www.ergocn.co-m/research.htm

[3] 网络环境中的教学交往． 全球华人计算机教育应用大会论文集（下）[C]，北京：中央广播电视大学出版社，2002

[4]人机交互和多通道用户界面 [EB/OL] ．http://www.ergo-cn.com/hcimulti.htm

[5] 申瑞民，王加俊，丁大宇． “WebClassroom”, 一个基于Web的实时交互式教学环境 [EB/OL]． http://www.dlc.sjtu.edu.cn

[6] 李宝敏．基于网络环境下互动活动理论的研究[J]．上海教育，2001，（10）