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Java交互式电子学习虚拟环境的建模
摘要
本研究的目的是通过创建一个用于学习Java编程语言的交互式虚拟学习环境工具来改善和提高电子学习技术的质量、学习内容的可访问性、通信和学习的可能性。目前虚拟学习环境，电子学习系统和人机界面的现有技术的分析已经实现了。在审查这些领域目前的情况时，已经确定了问题并提出了解决方案和建议。 本文的研究方法是探索性研究，以确定最佳的研究设计，然后建设性的研究建立软件解决方案，然后进行实证研究，以准确描述学习者和被观察的系统之间的相互作用。为了评估和提出已确定问题的解决方案，分析电子学习系统、学习过程的系统方法、创建的可用性虚拟环境、人机界面分析是必要的。本研究的结果是产生一个Java交互式虚拟环境，提供了一个代码编辑器，提供了智能感知支持，编译选项，用于运行Java应用程序或applet的选项，以及从用户端捕获和验证语法错误。它还提供了学习者需要的整合帮助，在不使他们离开应用程序框架下，学习Java语言，并以这种方式促进Java学习环境自我实现其目标。这个工具已经在课程中面向对象编程中使用，并且在结果部分中报告了一个非常成功的评估。
一、前言
现在一般的学习过程称为电子学习是通过使用信息和通信技术（ICT）得到加强和支持。ICT的使用增强了灵活性并获得更多信息，它为更多学生提供了更有效的教学和学习方式，在学习过程中协作的可能性，使用不同的多媒体和网络以及不同的电子学习工具实现沟通，消除时间和地点维度对学习的限制。这是我们认为电子学习能够提高学习效率和质量的原因。
为了使电子学习更加有效，我们必须专注于教学问题和背景方面。
二、电子学习系统文献综述
关于电子学习有很多的定义，但是仍然不清楚正确的定义时什么，仍有关于什么是电子学习的问题不断提出。
本文研究现有的文献，希望能较笼统的提出电子学习的定义：
电子学习是通过使用信息和通信技术（电子邮件，讨论板和视频会议）以及通常包括移动技术和PDA（个人数字助理）来增强和支持的学习。可以使用的技术是：计算机，通信技术，互联网和内联网，网络和移动技术，模拟和动画，多媒体和超媒体，游戏，文本，视频，呈现学习内容的音频和动画，不同的软件工具和虚拟环境。
人们通过不同的学习方法学习：阅读，听力，做事和可视化。 结合这些方法使用教学设计（识别培训需求和以数字电子格式呈现知识）学习内容，电子学习可以用来替代传统的在教室里面对面学习方法。
电子学习的一个重要概念是学习对象的可重用性和有效性。 学习对象是一个独立的电子或可以重复使用的数字块学习内容。它也被定义为“在技术支持的学习中可以使用，重复使用或参考的数字或非数字的任何实体，”（IEEE，2002）。 为了可重复使用，应该能够使用通信技术和交互式电子学习环境，在没有时间，地点和访问次数限制的情况下，在其他学习对象中重复使用或者独立和可访问和可交付。为了有效，它应该是目标支持，以保持用户的注意力，灵活和具有特定的目标。
学习对象的示例包括多媒体内容，教学内容，学习目标，教学软件和软件工具，以及在技术支持学习期间引用的人，组织或事件（LOM，2000）。
2.1电子学习与传统教室学习战略
传统的学习可能因为无聊的学习内容或材料而备受困扰，并且内容的纯交付方式电子学习也能做到。
电子学习作为新的学习方法是学习者为中心，这意味着学习者可以自己控制学习的过程，并决定时间，地点和如何学习。学习者不依赖于其他学习者或培训或课程的持续时间。学习者可以积极参与，与其他学习者或培训师沟通、协作，与学习环境和内容交互，测试和构建他的解决方案，发现部分重复的过程，使学习更加有信心，提高学习效率。
在电子学习中，学习者不再是专业人士将知识传递给学习者，而是向学习者提供新技术和新工具，以使学习过程自主化，创造他们自己的学习情景[2]。
此外，传统的学习框架从物理课堂转变为虚拟在线课堂或虚拟电子学习环境，从面对面会议到在线视频会议。
传递内容的方式从传统的课堂口头传递到使用网络技术、互联网和Web技术的非口头传递，多媒体视频和音频以及超媒体和文本的语言表达可以容易地修改。
传统的学习技术被新的学习技术所取代[2]：
（1）博客（博客）——基于网络的出版物，主要包括定期文章；
（2）Moblog——混合的单词移动和博客（移动网络日志）——从移动或便携式设备上张贴到互联网，即时访问实时信息；
（3）Wiki-Web应用程序，允许用户添加内容（如在互联网论坛上）和编辑内容；
（4）VLog ——使用视频作为主要呈现格式分发视频的Weblog内容，通过互联网的视听通信；
（5）Pod Cast——能够通过互联网自动分发音频和视频节目的技术；
（6）RSS-Real Simple Syndication是一种跟踪博客的方式。
将电子学习作为有效学习和支持性学习的一种方式，它必须基于学习理论方法和教学背景，与不同的学习技术相结合。
2.2电子学习和学习理论的教育学
在过去的一些年中，快速发展的技术对教育、学习和教学影响很大。学习的过程变得更加倾向于交互式的学习活动和真实的经验[3]。那么如何设计一个高质量的电子学习是值得尝试和研究的。
根据Hannafin 等人的研究（1997,1999），设计电子学习方案我们需要遵循以学习理论方法为基础的设计和使用电子学习的方法。“为了从教育学的观点发展电子学习的使用，现存的研究实践略显不足。那么，我们需要理解学习过程的理论原则和理想的学习环境[6]。”学习环境是非常重要的，因为它在一个技术媒介中模拟特定课程的学习过程，因此我们必须对学习过程进行理想的建模。这是学习者与之交互的界面，学习活动正在发生以实现学习目标。
这意味着电子学习的设计不能仅仅基于现有的实践，有必要了解理论和实践之间的关系，以确保实践的设计建立在学习理论基础上。这个概念如下图所示[6]：
图一. 理论基础的技术评价
我们以这个概念作为我们电子学习解决方案的教学背景。它描述了在学习环境中驱动的不同学习活动由上述电子学习技术支持。学习原则由要完成的学习活动形成，以产生学习成果，这对于定义学习环境必须支持的特征和能力至关重要。根据Hannafin等人（1997年）接地设计的概念 ，“系统的实施过程和程序根植于人类学习的既定理论和研究”（第102页），学习活动的实施植根于学习理论和人类学习理论。
2.2.1学习理论
我们简要分析了学习理论，以便清楚地了解哪种学习理论将在教学方面支持我们的电子学习解决方案。
- 认知主义
“认知理论家认为学习涉及获取或重组人类处理和存储信息的认知结构。”（Good 和Brophy，1990，187页）。
正如Karl Kapp所说，学习者是一个处理信息的复杂系统，首先人们必须理解如何在人类大脑中处理信息。
他说，学习不仅仅是外部观察的行为的结果...更多的超越了简单的可观察的行为。
认知主义者的观点认为，学习发生在内部并且通过与他人的社会互动产生。 正是学习者在观察到的内容和他或她的经历之间建立内部联系，才能真正触发、协助学习过程的社会互动。
认知包括概念，感知，认知和推理的过程，同时取决于学习者的能力。
b）构成主义
学习者构建自己的知识，而不是让他人为他们构建。这种信念可以从建构主义学习理论来解释。这个理论说，学习是一个积极的从不同的经验创造意义的过程。 换句话说，学生通过尝试把自己的老师作为指导，来帮助他们用自己的方式进行学习是最好的方式[7]。
构造主义一直在建立其以“以学习者为中心”的教育方法的中心承诺（Jonassen，DH，1999，Dick，W.，Carey，L.and Carey，J.O.，2001，Jonassen，DH，Peck， K.，L.and Wilson，B.，G.，1999）。[3]
c）行为主义
行为主义本身只关注可测量和可观察的数据，并排除了明确的想法、情绪，以及对内在心理经验和活动的考虑，并且对有意识（认知）控制过程不感兴趣。 大脑被理解为获得某种输入（刺激）并以确定性方式作出反应的“黑盒子”。 在行为主义思维中，学习的焦点在于塑造学习者的反应。理论和教学问题是研究适当的刺激和执行正确的行为与反馈。
我们可以得出结论，不同的学习理论方法支持不同的电子学习技术。学习活动的设计取决于学习理论和人类学习原则，特别是学习内容及其在学习对象中的组织。学习环境的建模建立在依赖于学习者的认知和智力能力及其教育和社会背景的学习活动上。
我们使用建构主义学习理论，因为它是以解决问题为导向的，在时间和地点的方面是灵活的，包括对学生有问题的但是必须解决的独立学习活动，学习对象表示一个有问题的情况，像一个给定的没有完成的问题。
三、人机交互和学习界面设计
在人机交互领域的研究是如何设计一个有效，用户友好和易于使用的图形用户界面，其目标是根据用户需要改善计算机和用户之间的交互。Shniderman [12]说：“研究人员已经表明，人机界面的重新设计可以在学习时间、性能速度、错误率和用户满意度上产生重大差异”。
为了更加准确的设计HCI，需要考虑以下要求[13]：
- 信息呈现能够适应终端用户的需要，可以浏览、选择和更新而不是接近具有现有知识的应用
- 支持对应于关于应用的人类推理的动作
- 将用户的概念对象表示为接口对象
- 响应于用户动作的连续视觉反馈
- 防止使用无效选项
- 背景敏感帮助，输入错误检查，错误恢复和输入默认替代
- 为有经验的用户提供快捷方式
- 防止对基础系统过度预知的需要
当设计人机界面时，遵循人类的问题是非常重要的。例如，以前的计算机体验和设计期望——并不是所有的用户都具有相同的教育水平来使用计算机和技术，一些可能使用类似Windows的界面，一些可能已经使用基于命令行的界面或其他平台界面；文化问题——用户可能有不同的文化背景，所以设计师必须考虑在不同的文化和宗教方面，使用的图形具有不同的意义，甚至一些快乐和有趣的图形在一个文化或基督教徒可能冒犯了穆斯林，例如在佛教中禁止牛的形象；不同能力的用户——设计者必须考虑例如具有色盲的残疾用户，这些用户不能区分基本颜色或者不能听清楚；学习时间——界面设计应该有利于缩短完成任务的时间，使用熟悉的界面组件来完成学习活动；菜单和选择对象——应该很容易访问，菜单对象应该按照常见的功能特性分组；图标提示——应该很快地解释图标的功能；还应提供简短的简明信息并放在适当的地方[14]；由于界面沉重的外观和感觉，将不是很吸引人，因此使用多媒体内容但是不推翻界面，因为它将可能获得相反的效果；接口应该包含一种离开它们的情况，并且总是“撤销”作为机会[15]。
个人认知、知觉和智力能力、以前的技能和教育和文化背景非常重要，必须在设计时考虑。
为了具有可用的图形用户界面，我们必须提供良好的界面设计，Shiderman [12]提出了“界面设计的八大黄金规则”：
（1）尝试一致性。
（2）允许频繁用户使用快捷方式。
（3）提供信息反馈。
（4）设计对话框以产生闭合。
（5）提供简单的错误处理。
（6）允许轻松逆转动作。
（7）支持内部控制点。
（8）减少短期内存负载。
四、Java交互式电子学习虚拟环境的建模
在过去的几年里，电子学习环境的接口已成为接受或放弃电子学习课程的一个关键组成部分。HCI原则和设计接口原则对于设计学习环境的可用界面是至关重要的。
几年来，通过在课堂上我们与学习编程语言的学生一起工作的经验，我们得出结论，如果学习环境是电子的，并且具有有效的图形用户界面以提高学习效率，则该课程更有效并能保持学生的注意力，使系统易于使用，更吸引学生，特别是新手。
为了更高效地学习编程特别是Java编程语言，从良好的学习系统的角度来看，我们的项目是一个简单的电子学习环境，有一个有效的图形界面，旨在为计算机科学学生提供一些与编程程序有关的基本要素。
为了设计一个有效的电子学习解决方案，我们认为要考虑三个因素：
- 学习者——他们的需求、学习动机、以前的学习经验、社会和人际技能、首选的学习风格和对课程和实践者的期望
- 学习环境（电子学习环境）作为学习者与学习资源、工具、设施和学习对象之间的接口
- 学习成果——需要完成的目标和学习者需求
为了支持新手程序员，我们的项目提供了一组特别设计的工具。它包括用于编辑程序和文件操作的编辑器，用于编译和执行程序的可视工具以及帮助在单个用户界面框架内呈现的内容。能够帮助学生以最小的努力从一个活动移动到另一个活动。程序构建可以完全通过菜单交互来进行，为新手程序员提供了最大的支持。
该项目的设计不考虑加强学生和其他想要学习的人，只使用编码来创建Java应用程序和小程序，并且通常对新手，它将很好地介绍结构规划原则和创造正确的编码风格的习惯[16]。
我们的电子学习解决方案是基于建构主义学习理论的，其中学习环境应包括提供问题的情境，在某种意义上它们对学生是有问题的。在学习环境中，
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