08脚手架定额计算规则:CSCL交互研究的理论模型--姚排

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CSCL交互研究的理论模型- -

                                      

摘要：交互研究是计算机支持的协作学习（Computer Supported Collaborative Learning，简称CSCL）的研究焦点，但目前尚无系统的交互研究框架，人们还不明确应从哪些方面来探讨CSCL中的交互过程。本文基于活动理论对活动系统的解析，提出了CSCL交互研究的理论框架??TAP2模型，认为话题转换、情感变迁和过程模式是CSCL交互研究的三个重要维度，把握这三个重要维度对于理解和分析CSCL中的交互，进而认识CSCL的基本规律具有基础性的意义。关键词：计算机支持的协作学习（CSCL）； 交互； 活动理论 中图分类号：G434 文献标识码：A

一、引言

计算机支持的协作学习（Computer Supported Collaborative Learning，简称CSCL）是教育技术的一类新的研究领域，其研究内容是共同活动背景下的意义和意义建构过程以及通过设计工具支持这一过程的实现[1]。与协作学习的研究和应用进展相比，CSCL目前仍处于初期发展阶段。自1995年第一届CSCL国际会议至今也仅有近10年的历史。当前成熟有效的CSCL系统和应用案例还并不多见。在评述当前CSCL的发展状况时，CSCL多次国际会议的组织者和主席Koschmann指出“现在还并不清楚小组学生是通过什么样的交互实现知识的共同建构的”。为创建有效的协同建构知识的技术支持环境，越来越多的CSCL研究者将关注点投向了交互研究。正如Dillenbourg、Baker等人指出的那样，现在不应该泛泛研究协作，而应深入研究交互的类型及特定类型交互的发生机制[2]。一方面，CSCL领域的研究者积极吸取借鉴传统协作学习领域已有的研究思路和成果，关注协作学习任务的设计、小组和成员的特征、教师指导的内容和策略等对交互活动的影响；另一方面也注重从以计算机为媒介的交流（Computer Mediated Communication，简称CMC）角度，探讨技术支持环境下的交互规律及其技术支持环境的设计问题。但是总的来看，CSCL中交互研究的基本问题，即学生是通过什么样的交互实现知识的协同建构的，没有得到根本的认识，也没有合适的解决方法。本论文从交互的活动本质出发，借鉴活动理论对活动系统的解析，提出了CSCL交互研究的理论框架??TAP2模型，认为话题转换、情感变迁和过程模式是CSCL交互研究的三个重要维度，把握这三个重要维度对于理解和分析CSCL中的交互，进而认识CSCL的基本规律具有基础性的意义。

二、活动理论??CSCL交互研究的理论基础

CSCL中的交互是学生与学生之间进行的以计算机为媒介的、以协同知识建构为根本功能的信息交流活动。按照活动理论（activity theory）对人类活动结构的解析[3]，活动系统（Engeström，1987）包括三个核心成份（主体、团体和客体）和三个次要成份（工具、规则和分工）。主体是活动的执行者。客体是主体意图影响或改变的东西，既具有自然属性，又具有社会/文化属性，客体的变化带来的是某种结果，蕴含着某种目标。团体是指活动主体所在的群体。很多情况下，活动是在团体背景下发生的。工具是人类活动的媒介，包括具体的工具和抽象的工具。规则是社会水平的法律、标准、规范、政策、策略、伦理道德、文化传统以及个体水平的价值观、信仰等等，是活动主体与团体之间的联系纽带。在将客体转换为某种结果的过程中，需要界定团体中的不同成员在达到目标过程中所承担的责任，这就是分工。分工将团体与客体联系起来，实际上体现了团体内部为完成某种任务而采取的组织管理策略[4]。图1 活动系统的结构CSCL中的交互活动是群体性的知识建构活动，因此，同样包含活动的上述六个基本要素。首先，在CSCL交互活动中，主体在特定目标引导下以工具为中介、将客体转换成主体所期望的结果的过程，是一个协同问题解决或任务完成的过程。当前的思维心理学界都普遍应用了问题空间来描述问题及其解决过程[5]。问题空间反映了主体关于问题情境的一种内在表征形式，可以由问题解决的状态和操作来共同描述。一个问题的解决过程可以描述为问题解决者从问题的初始状态开始，经过某些中间状态，最后到达目标状态的过程。操作（也称为算子）是从一个状态变换为另一个状态的行动。任何状态都有一定数量的操作被应用，而每一操作又都会产生一个新的状态，因而，可以应用各种操作产生新的状态。大部分问题空间都以有限的可达到的状态所构成，并且这些状态环环相连。问题解决的关键就是探索以发现一系列问题解决的操作，这些操作在问题空间中导致当前状态和目的状态间的变换。由于在交互活动中，话题反映了一定时间内小组成员对问题解决或任务完成的阶段目标的表征，因此反映话题产生与转换的话题空间就描述了小组成员在一定目标引导下的问题解决活动。揭示话题转换（Theme Conversion，简称TC）的过程及其基本规律是交互研究的重要内容之一。其次，在CSCL交互活动中，群体成员关系的建立、维持和发展主要通过指向成员人际关系、反映相互之间态度的情感交流来完成。通过情感交流形成了成员之间关系的内在协定，这种内在关系协定构成了影响成员交互的“规则”，提供了交互小组协作解决问题或完成任务的动力来源。因此，反映交互过程中情感交流氛围和成员关系变化的情感变迁（Affective Change，简称AC）是交互研究的另一重要内容。再次，交互小组是一个有意识地能协调各种言行的“团体”。团体为达成目标需要采取一定的组织管理策略，在协作学习中，具体表现为协作互动的策略。协作技能是决定协作学习成功的一个重要因素，是使交互朝着协作目标得以实现的方向进展的能力。为了实现目标，需要成员之间相互响应，通过协商和综合平衡的手段分解落实任务，需要通过监控、评估和反思来促进协同知识建构的进展。这些围绕任务完成的、有目的的协作互动，反映了协作技能和互动策略的水平。如果从互动目的的角度将交互言行序列进行抽象、归纳和简化就可以得出反映协作互动策略应用的交互过程模式（Process Pattern，简称PP）。因此，过程模式是交互研究第三方面的重要内容。综上所述，反映问题解决过程的话题转换、反映成员关系变化的情感变迁、反映协作互动策略的过程模式是CSCL交互研究的三个重要维度。取话题转换（TC）、情感变迁（AC）和过程模式（PP）的缩写首字母，我们将以活动理论为基础建构的反映CSCL交互研究基本内容的理论模型，命名为 模型。图2 模型

三、TAP2模型的基本内容

1.   话题转换

话题转换描述话题产生和变化的动态过程，反映了协作小组对问题或任务的认识和解决情况。一个话题可包括多个交互言行，围绕特定问题解决的交互活动可包括多个话题。话题可通过由若干特征词组成的特征向量来确定。判定特定交互言行所属话题的基本过程是：i.  建立围绕某一协作学习任务的交互活动中所涉及的话题集合T以及每个话题的匹配特征向量；设话题 的匹配特征向量为 ；ii.   通过特征词匹配，检验各交互言行能否对应话题集合中各个话题的匹配特征向量；如果找到匹配特征向量 ，则确定交互言行属于话题 ；如果找不到则执行步骤?；iii.  应用步骤?的方法检查交互言行所响应的交互言行所属的话题，如果找到匹配话题 ，则 是该交互言行所属话题；如果没有找到，则循环步骤?；如果循环因为再也找不到被响应的交互言行而中断，则该言行属于空话题，需要进一步定性分析和确认。由于Petri网是以位置和迁移为基本概念来描述复杂系统动态特性和重要信息的数学建模工具，而且目前Petri网已有许多扩展系统，如带时间戳的时间Petri网(TPN)、着色Petri网(CPN)、迁移事件随机发生的随机Petri网(SPN)等，另外，Petri网还有一套严密的数学分析理论与方法，具体包括可达性分析、不变量分析(使用线性代数方法)、保持特性的变换(包括化简)、构造理论、形式语言理论、同步距离和网的分解和等价等，这些都为进一步分析Petri网的话题转换模型图提供了保障，因此可采用Petri网来描述话题空间。这样，话题空间相应地就可以定义为一个五元组 ，其中l   是话题（topic）的有限集合；l   是话题迁移事件（change events）的有限集合；l   ， ；l   ，是有向弧的集合；l   M：T Z(不大于小组规模的非负整数集)，是话题活动状态的标识函数，其中 是初始标识；l   W：F （正整数集）是弧的权函数；l   在话题活动状态M下话题迁移事件c能发生的条件是 ，记做M[c>。l   如果M[c>，迁移事件c发生后得到的后继话题空间状态标识 ， （ 为迁移事件c的后置话题集合， 为迁移事件c的前置话题集合）记做：M[c> 。在话题空间表征模型的支持下，可以分析：l   问题解决的基本策略：话题空间概括反映了成员对问题解决或任务完成的表征，因此分析比较不同话题空间形成和话题变化的过程有利于把握小组问题解决的基本策略，比如搜索策略、目标-手段分析策略、类比迁移策略、顿悟等[5]。l   话题状态维持和变化的基本规律：在话题空间内，每个话题有两个状态，即“活动状态”与“沉寂状态”，了解状态维持和变化的基本规律有助于认识小组成员对该话题的处理以及该话题在整个交互过程中的作用。l   个体成员对话题空间形成的贡献：比较不同成员在话题变迁上的作用，从而估计成员对话题空间形成的影响。

2.   情感变迁

描述情感变迁的关键是识别并理解情感。心理学对情感的解释是：情感是主体对自身状态以及主体与环境间关系状况的感受或态度。当前人机交互领域里的情感计算研究大多从情感的外部表现，如面部表情、姿态表情和语调表情，以及生理反应水平来测量情感的维度和强度[6]。由于当前计算机支持环境的协作交互主要基于文本，因此可以主要基于交互言语中的情感词句和系列情感符号来识别情感。从交互言语中建立小组成员情感空间的具体步骤是：i.   从交互言语集合中收集表达情感的词句（或情感符号），结合心理学对情感维度的研究成果，确定各情感词句（或情感符号）对应的情感维度、情感性质和强度；每个情感词句都可用－1～1之间的数值表示其情感性质和强度；这样就可以建立对应于特定交互过程的情感词典；ii. 如果成员k在第n维情感维度上对应有m个情感词句（或情感符号），各词句（或符号）在情感词典对应的情感值是 ，那么该成员在该维度上的情感分值为 ，标准化后可得矩阵 ，其中 。这样矩阵X的第k行就表示成员k在N维情感空间的坐标。情感空间只描述了组员情感的静态特征，要追踪和分析交互过程中情感的变化，需要进一步探讨情感变迁的描述与分析问题。可以采用带时间变量和情感强度变量的有向图来描述情感的动态变化。其中，V是有向图的顶点， 表示情感维度；E是顶点有序对的集合， ；变量z记录情感状态各次产生的强度序列；变量timer记录情感状态各次产生的时间序列。基于情感变迁的形式化描述，可以进一步分析：l   情感状态变化的基本规律：通过分析情感状态图建立状态迁移的概率模型，如应用隐马尔可夫模型（HMM），经过多次情感状态图训练后，推测特定成员从一种情感状态迁移到另一种情感状态的概率，为创建和谐的人际交互环境提供基本依据。l   分析情感变迁与话题转换之间的关系

3.   过程模式

小组成员通过交互完成特定目标的活动可看成是由一系列有意图的交互行为组成的，这些有意图的交互行为之间是相互响应的，抽象归纳这些交互行为的序列可以得出特定交互过程的模式。言语行为理论是当今语用学的重要内容之一，该理论认为人类交际的基本单位不是句子或其他任何表达手段，而是完成一定的行为[7]，比如：陈述、请求、命令、提问、道歉、祝贺等行为。协作交互的根本目的是协同知识建构。G.Stahl从共同理解达成的过程提出了协同知识建构的基本过程：当个体将其对问题的焦点觉知（focus of attention）用言语表达出来（即外化个人知识）时，便形成了社会情境下的公众陈述（public utterance）；来自不同个体的公众陈述经过讨论交流（discuss alternatives）会变得更为精炼或更为宽泛，这样个体相互之间会逐渐形成共同理解（shared understanding）；如果共同理解的观点或知识通过协商达成了一致，那么一致的结果便是协同认知（collaborative knowing）；协同认知的物化便形成了文化制品（cultural artifacts）[8]。如果在G.Stahl的协同知识建构过程中考虑反思、管理和情感交流对协同知识建构的重大作用，那么交互言行的基本目的大致可以分为7类：l   共享：提供或引入观点、看法、建议、事实、信息线索、已有的知识，以供进一步讨论交流l   论证：证明观点、方案、事实等的合理性，进一步说明、阐明、解释、分析观点或现象l   协商：驳斥或质疑观点、方案、事实等，修改、补充或调整观点、方案、事实等l   创作：综合各观点或论述，做出提炼和概括，形成结论或制品l   反思：重述、思考、评估、总结交互中的事件、重点言行、问题、经验及收获等l   管理：命令或指示成员按某种方式行事或思考，掌握或调整话题、交互进度与节奏等，提醒或明确成员职责、分配角色、安排活动等l   情感交流：表示问候、感激、道歉、赞赏、批评、激励或焦虑等情感上述7类交互言行的目的仅“从上至下”，即从理论分析入手构造了类型体系，还需要进一步综合“从下至上”的方法，即从具体的交互记录中对类型体系进行修改和完善，比如进一步细分“共享”类型信息以研究更为具体的问题。具体交互言行相互响应，彼此关联，便形成了特定的互动结构。抽象、简化互动结构，便可以得到由交互言行基本目的为组成元素的过程模式。不同过程模式反映了协作小组在交互活动过程中体现出来的协作互动策略。比如，学生交互的过程模式可能是相互帮助纠正错误，以便让所有成员在个人单独测验中获得好成绩；也可能是学生将自己掌握的知识教给同组其他同学；还可能是通过头脑风暴确定问题解决的方法，或通过集体协商选择最优方案或明确任务分工等。不同小组在不同的技术支持环境和教师指导下在完成不同的任务时会采用不同的协作互动策略，因此会有不同的过程模式，比较不同条件下交互活动产生的过程模式，有利于把握交互活动设计的基本规律。

四、TAP2模型的意义

1.   对当前CSCL交互研究的意义

当前CSCL的交互研究侧重探讨交互内容或意图方面的统计特征，视交互为“具有不同特点的言行的集合”。这种研究思路有利于评估交互言行的质量特征、交互话题焦点，但过分强调交互静态特征，忽略分析交互的过程，忽略探讨交互的发生过程及过程中的基本特点和规律。TAP2模型强调从话题转换、情感变迁和过程模式的视角研究CSCL中的交互。话题转换结合了协作学习具体任务或目标，既分析了交互内容的时间分布特征，又描述了交互内容的时间变化特征。情感变迁突破了现有CSCL交互研究仅从“信息交换频率”的角度探讨成员关系的局限，既建立了反映小组整体交流氛围的情感空间，又描述了成员之间情感态度的变化。过程模式注重探讨交互言行目的的互动结构关系，更直接地弥补了当前CSCL交互研究忽略交互过程的不足。总的来看，TAP2模型系统规划了CSCL交互研究的框架，从交互内容、交互情感和行为模式三者综合的思路建立了CSCL交互研究的三个重要维度及其具体方法。

2.   对当前CSCL环境设计的意义

当前CSCL环境设计有两大突出的问题：l   忽略交互的协同知识建构功能协作学习的本质是协同知识建构（Collaborative Knowledge Building）的过程，是从与同伴的对话中建构共同的理解的过程，而共同理解的达成建立在个体认知基础上，但同时又超越了个体认知的范畴，而扩展到社会互动层面的“认知冲突”、“相互教导”和“共同体文化”。成员之间的交互是协同知识建构的动力来源，通过互动形成的共同知识（public knowledge）本身就是进一步知识建构的基础和对象。当前国内外还没有能有效支持协作学习者“协同建构知识”的技术工具或环境。一些大型的远程教学平台如WebCT、Blackboard和TopClass，对协作的支持仅体现在“线索化（threaded discussion）讨论区”、“在线聊天”、“内置email”等通信功能模块上。有一些系统从模拟教室的角度出发设计协作交互功能，比如LearnLinc在线教室（http://www.mentergy.com/products/live_elearning/learnlinc/virtualdemo/ ）集成了会议系统、复杂的举手轮流以及语音聊天等功能以重现教室情景。还有一些系统在设计思路上多借鉴CSCW（Computer Supported Cooperative Work，计算机支持的协同工作），功能大多数集中于文件的有效管理、支持面向产品的活动等。例如，BSCW系统（http://bscw.gmd.de/bscw/bscw.cgi/）就被描述为“一个共享工作空间系统，用以支持文件上载、事件通知、群组管理等”。但是CSCW与CSCL存在应用焦点的不同：CSCW强调群体工作流的有效管理，群体工作效率的提高；CSCL强调在用户交互中的知识产出和知识共同理解方面提供支持[9]。l   缺乏交互的系统分析框架一些研究者已经认识到，CSCL系统应该让学生超越低层次的信息沟通，应该让学生对自身的学习和与他人的交互有清醒的认识，应该帮助学生积极主动地进行协作，而要实现这个目标就需要让学生深入思考小组是如何通过系列交互活动完成学习任务的、自己和他人的参与程度如何、当前存在的问题等。支持学生感知和反思交互的技术系统主要有两类：可视化交互过程的系统和反馈交互分析结果的系统。前一种的典型代表是MIT媒体实验室(MIT Media Lab)开发的Chat Circles；后一种的典型代表是英国伯明翰大学设计开发的I-CSCL。Chat Circles用可伸缩的彩色圆圈标识某个成员的在线聊天活动状态，圆圈的颜色代表特定的成员，圆圈的大小表示成员的活跃指数，圆圈之间的距离表示成员之间的紧密关系，即聚在一起的圆圈代表这些成员正在围绕一个话题开展实时交互。I-CSCL（Intelligent CSCL）系统要求学生在交互开始之前考虑成功协作的标准，系统依据该准则在交互过程中监控学生的行为，并将监控的结果反馈给学生，以此促进学生对交互过程和效果的反思。但是这类系统遇到的关键问题是：应该可视化哪些交互参数才更有效？如何依据系统所记录的交互过程信息分析交互的特征，并进一步在价值判断的基础之上深入分析造成目前交互效果的原因，提供适宜的反馈机制？要解决当前CSCL环境设计面临的问题，就需要深入探讨协同知识建构是如何发生的、特定交互的特征是什么。基于TAP2模型，我们可以认为话题转换、情感变迁和过程模式是分析协同知识建构的发生机制和交互特征的基本框架。也就是说借助TAP2可以进一步明确CSCL交互环境的设计要求。

3.   对智能CSCL系统设计的意义

   TAP2模型从可计算的角度初步建立了一套交互过程的描述和分析机制，这就为进一步设计小组模型、学生模型，实现智能交互伙伴代理等智能CSCL系统奠定了基础。另外，实现共享工作空间、支持协同操作是当前CSCL系统研究的一个热点。比如法国里昂大学Baker等人开发的C-CHENE[10]、美国匹兹堡大学Amy Soller等人开发的EPSILON[11]、希腊佩特雷大学开发的Modelscreator（http://www.ecedu.upatras.gr/modelscreator/index_en.htm.）等。这三类系统一方面支持基于文本的实时交流，一方面支持学习者应用各类符号或组件进行问题协作建模。但是这类系统仅仅在功能上实现了言语交流和协同操作的同时发生，但协同操作控制权及其转换规则是预设的，如何依据交互进展情况灵活改变或影响工作空间中的操作行为，这需要深入理解言语交互的过程。CSCL交互研究是理解和促进CSCL应用的关键，但同时也是研究的难点。有较多实验表明，虽然改进了技术支持环境、教学设计和分组策略，但是学习者在交互过程中仍然缺乏合作、共享的信息缺乏推测、缺乏深入理解和综合，太多的问题没有得到解答等[12]。TAP2模型为深入认识和剖析这些问题提供了基本研究框架。

 

- 作者： 姚排 2005年12月27日, 星期二 23:04

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