实体联系模型理论在学习环境设计中的应用及启示
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇实体联系模型理论在学习环境设计中的应用及启示范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】文章从实体联系模型理论出发，论述了实体联系模型理论在计算机支持的学习环境中的应用，从中得出在计算机支持的学习环境中，该理论的应用特点及有关启示，为相关设计及其研究提供思路。
【关键词】实体联系模型；计算机支持的学习环境；设计
【中图分类号】G420 【文献标识码】A【论文编号】1009―8097（2011）03―0040―06
一 引言
实体联系模型（Entity-relationship Model，简称ERM）是计算机软件工程领域用于表达数据信息的一种方法。其宗旨是通过具有特定意义的图形来标识数据或信息的集合，通过这种信息集合图式来表征信息系统及其特点。1976年，EMR由科学家陈品山首次提出[1]，该理论的提出对统一数据表达方式起到了开创性的作用，被广泛应用于计算机系统和软件设计领域。在后来的发展中，出现了多种基于该理论的相关设计，如IDEF1X（Integration Definition for Information Modeling），UML（Unified Modeling Language）等重要的信息模型工具等[2]。随着教育技术的发展，此类数据表达方式也逐渐渗透至计算机技术支持的学习环境的设计中，成为学习科学领域中概念或概念系统学习的有力工具。文章通过对ERM理论的剖析，从学习科学的研究视角，通过引证和分析ERM 理论在基于计算机技术的学习环境中的应用，总结特点，给予启示，为相关研究提供借鉴。
二 ERM理论基本涵义
ERM作为数据信息系统的一种表达方式，其表现形式为一种图示模型，这种图示既包含了所要表达系统的各个要素，还呈现各要素之间的关系，并在计算机编程语言的帮助下，要素之间的关系能够实现动态模拟。依据ERM理论形成的图示称为ER图示。ER图示的基本要素是实体（entity）、实体属性（attribute）以及实体联系（relationship）[3]。从语义学角度来讲，实体主要指具体的对象，一般为名词，如人、事件、概念、方法等。如在科学学习中，实体往往可以指科学概念、理论以及现象等科学学习的研究对象。属性则是用于描述实体本质或特性，可以是文字，也可以为数字。在ER图示中，实体的属性需最能体现实体的特点，实体与实体之间根据属性进行区别。联系表示不同实体之间的关系，以动词居多，如空气污染与尾气排放的关系为“增加”。在ERM理论基础上形成的其他设计语言主要是在要素数量及要素标识方面呈现一定的差异，其核心观点则与ERM并无实质区别。ER图示中，用矩形表示实体框，实体名称置于矩形中，用椭圆形表示属性框，属性名称置于属性框中，该实体可以对应的若干属性，n个属性，则对应n个椭圆。直线连接实体框及其对应的属性框，直线上的菱形为实体与实体之间的关系标识。以空气污染概念系统为例，若以空气污染和汽车为实体，则可以得到以下ER图示。
在后来的设计语言中，如IDEF1X图示中，则将实体名称至于矩形框外，属性名称置于矩形框内，分特殊属性和一般属性，一般属性和特殊属性之间用直线隔开；在UML图示中，直接将实体名称与属性名称置于同一个矩形框内，而实体与属性之间用直线隔开。以空气污染概念系统为例，分别如下图所示：
ER图示实际上是对所研究对象系统要素及其结构的一种表达，在学习领域，这种以文字和图形为主要标识的抽象表达方式能够比较直观地体现学习者对于某一概念系统的理解程度，如常用的概念图，即以实体、直线和文字的形式对概念系统进行了直观的表达。研究表明，通过设计基于计算机技术的学习环境，ER图示可以为学生呈现、修改、反思以及评价概念系统模型提供支持，也能够为教师审视和评价学生学习结果提供依据[4]。
三 计算机支持的学习环境中实体联系模型理论的应用分析
在学习科学领域，计算机模型的学习研究是重要的内容，计算机模型主要是通过计算机平台，基于相应的软件或程序而建立的模型，学习者可以对建构的模型进行测试和修改，从而实现在更高层次的认知水平完成对所学知识的建构与理解[5]。在当前研究中，借助计算机技术实现的模型中，主要有具体模拟和抽象模拟两种方法，具体模拟主要是指借助动画、图片等对一定形状的实体按比例进行呈现的方法，如Netlogo中对化学分子微观运动的模拟[6]，Co-Lab中对实验装置的模拟[7]，还有大量借助flash或Java技术实现的实物动态模拟软件。抽象模拟主要是以符号、文字以及数字等按照一定方式进行呈现的模拟方法[8]，如STELLA中stock-flow图示对对象及其变量关系的定量模拟[9]，Simquest对科学概念与概念之间关系的动态模拟[10]。因此，在基于计算机模型的学习环境中，实体联系模型理论的应用在一定程度上使得抽象模拟有了更进一步的发展，为学生学习提供了更为有利的支持，尤其是在学生概念系统的建构和完善方面。
1 体现认知匹配度要求的ModelingSpace
ModelingSpace是由希腊派图拉斯大学开发的一款支持多种类型模型建构的计算机学习平台[11]。其主要特点是为中学生提供基于模型建构的可视化合作学习平台，支持多种学科知识的教学，尤其是科学知识的教学，在欧洲学术界已有诸多研究报告。ModelingSpace中模型主要分为两种：一种为实体联系模型，另一种为实体联系模型关系所对应的图表模型。ModelingSpace界面如下图所示：
ModelingSpace自带两种类型的实体标识：框图式（抽象图示）和图片式（具体图示），框图式实体构成的模型就是常见的概念图，图片式实体构成的模型则为如图4所示。在图片下方为对应实体的属性，如图中木桶对应的属性为“水的体积”，时钟对应的属性为“时间”；在描述联系时，主要为实体与实体间属性的关系，该软件提供了三种，一种为文字表述式，主要用于概念图的建构；一种为半定量式，主要用于定义常见简单趋势关系，在定义关系时，可以从软件中选择如、、↔、、等符号，选择“”，表示水的体积随时间的增加而增加，选择“”表示水的体积随时间的增加而减少。最后一种为定量关系，软件提供了多种类型的数学函数式及其图示用于学生选择所要定义的属性间关系。定量和半定量关系的描述中，软件提供了表格、柱形图以及折线图来动态模拟所建构的模型关系。
可见，ModelingSpace为学生的概念学习提供了多种基于认知适应性方面的支持，且注重借助不同类型的模型来促进学生对于概念的深度理解。在关于实体联系模型理论的应用中，考虑到使用对象认知能力的特异性[13]，采用分类建构的思想，即将实体标识和实体关系按照抽象程度进行分类以适合不同年龄段学生的学习需求。从抽象图示到具体图示，从文字表述到半定量的关系模拟，再从半定量关系模拟到定量关系模拟，符合并体现了当前基于模型学习理论研究中，关于针对不同认知水平的学习对象采用渐进式建模（progressing modeling）的重要思想，为容纳不同认知水平对象的学习提供了帮助[14]。
2 遵循渐进建模思想的Belvedere
Belvedere是美国匹兹堡大学开发的一款主要用于支持学生科学探究学习的软件[15]，其核心功能是帮助中学生通过共享平台建构科学探究图示，图示由规定的不同标识组成，呈现了科学探究相关假设、数据及其相互关系，即在Belvedere建构的模型中，实体主要为假设和数据，与概念图类似的是，实体不带属性，只关注实体与实体之间的联系。实体与实体之间的联系用三种符号进行表达：“+”，“-”，“？”，其中“+”表示数据支持假设，“-”表示数据不支持假设，“？”表示数据与假设之间无联系。Belvedere还提供了三种方式的建模界面，其中两种与概念图类似，称为简单模型和概念图，第三种为假设――数据模型图，也就是文章需重点探讨的实体联系模型的应用图示，其具体的呈现界面如下图所示[16]。
从上图可知，Belvedere使用了抽象模拟的方法，借助不同形状的框图表示不同类型的实体，其中圆角矩形表示科学探究中提出的假设，矩形表示探究所得数据或依据。“+”，“-”，“？”只用于表示假设和数据的关系。虚线框用来填写备注内容。与ModelingSpace相比，Belvedere在模型表达方面，功能较为单一：一为概念图，二为探究假设与数据关系图。图示较为抽象，但隐含在图示背后的内容则包括学生对科学探究及本质的认识以及对探究主题中相关概念的认识和理解，较为完善地体现了学生对科学探究及其概念系统的认知过程，成为教师评价学生科学探究结果的有力依据。这样的应用体现了基于实体联系模型理论的软件设计中的一种演绎特点，即扩张实体所代表的语义外延，将其衍生至为学科方法或过程学习提供模型，而不是仅局限于概念及其系统的模型，且删减了实体联系模型关于实体属性描述以及定量关系的动态模拟。从软件提供的整体学习环境来看，简单模型界面为学生建构相关概念及简单联系提供了支持，概念图是在简单模型基础上增加了对概念实体之间关系的文字描述，假设-数据模型则是从更为抽象地角度建立了科学探究及其概念系统的关系图。与Modelingspace类似，Belvedere从更为简便地角度说明了渐进式建模的思想，其遵循从简单到复杂的模型表达方式，且以定性模拟为主，可以为中低年级学生科学学习提供支持。
3 体现合作建模观点的Cool Modes
Cool Modes是由德国杜伊斯堡埃森大学开发的一款结合多种类型的模型工具，支持学生通过合作与交流来共同建构科学模型的学习环境。其模型工具包括手写、概念图以及存量-流量模型（stock-flow model），存量-流量模型是系统动力学主要模型方法。在Cool Modes学习环境中，允许多个学生共享一个模型建构界面，且可以选用不同的工具对模型进行表达。这样的设计也体现了由简单到抽象模型工具的逐级应用，其中存量-流量模型体现了实体联系模型的基本雏形，是一种较为抽象的模型表达工具，对学生的认知能力提出了更高的要求。其界面如下图所示[17]：
如图，Cool Modes中模型的构成主要是两个要素：节点（node）和连线（edges）。节点分三种：用于储存数值的存量（矩形）、表示固定值的常数（圆形）以及用于控制存量之间流量和计算中间结果的变化率。变化率的颜色为深绿色表示其主要用于控制流量，若为浅绿色，则其主要用于计算相互作用的结果。连线分为2种，若使用“flowedge”表示某一存量的数值按照一定的变化率或比例向另一存量转移。“infoedge”用来表示各量之间的关联，不会出现量的变化。因此，从实体联系模型理论的角度来看，Cool Modes模型中存量相当于实体联系模型中的实体，而变化率以及常量相当于实体的属性，而这些属性均用一定的数值来表示，连线是用以表示实体与实体，实体及其属性之间的关系，且不同的连线表示了不同的关系。在完成模型的同时，软件提供了图表进行模型的动态实时模拟，其他学生可以用手写笔对模型提出意见，体现了合作建构的观点。虽然存量-流量模型从更为抽象地角度阐述了对象及其变量之间的关系，由于使用对象认知水平的限制，在中学阶段并未普遍使用[18]，即使使用也局限于数学及物理等学科。为解决这一问题，拓展软件的使用范围，Cool Modes向更为人性化和具体化的方向发展，尤其是在实体标识的设计上，新版的软件更容易为低年级学生所接受[19]。
4 实施程序化建模的Model-it
Model-it是一款由美国密歇根大学开发的用于科学学习的模型建构工具，其特点是设置程序化的建模步骤支持学生对科学概念、现象等进行模型建构，并借助图像对其中的关系进行验证以进一步完善模型，同时帮助学生对科学现象进行预测和解释，加深对科学概念的认知。Model-it程序化建模步骤包括：计划（plan）-建构（build）-测试（test），该步骤的设计为学生提供了模型建构的基本思路，其模型也体现了实体联系模型的应用思路，如下图所示[20]：
Model-it主界面主要分2个部分，左侧为建模指令区，右侧为模型建构区，根据建模指令区域的按钮，进行模型建构。在计划阶段，学生对研究对象进行创建，不同的科学主题，model-it提供了不同的图片，供学生选取，选择对象后，可以对对象特征进行描述，并确定与对象相关的属性，该属性有文本变量和数值变量两种，其中对于数值变量的描述，软件提供了两种方式：数值范围（如50-100）和文字描述（如低，中，高），而不进行赋值。在确定了对象及其属性后，建模阶段则主要是建立对象与对象间其变量之间的关系，在变量关系的界定中，软件提供了简单趋势变化的描述，如A变量增加，则B变量可以选择增加一点、增加很多、不变、减少等关于变化程度的选项。这种关系的描述会在测试阶段由动态实时线性变化图来表征，通过变化图，来对比预期的结果，如与预期不符，就需对模型进行修改和再测试。
因此，Model-it中关于概念系统模型建构的思想继承了实体联系模型的观点，即以科学学习的概念对象为实体，每个实体对应一定个数的属性，不同实体的属性之间可以建立简单的数学关系，这种关系主要用于描述变化趋势，因此，从严格意义上讲，Model-it模型属于定性模型的范畴[21]。相关研究表明，Model-it这种以图片为实体标识，对变化趋势进行简单定性表述的方式，以及将建模方式程序化的设计，不但使得中低年级学生易于掌握和使用，还能促进学生认知方法的学习，如分析、推理、演绎等[22]。
四 结论与启示
以上基于实体联系模型理论的分析，对学习科学领域中，计算机支持的建模工具中实体联系模型理论的使用特点进行了分析和讨论，这也是当前实体联系模型应用的典型实例，其共性是保留了实体联系模型理论的基本要素，不同点是在保留要素的基础上，对模型进行了语义及其形式上的拓展，使得不同的模型工具具有不同的使用对象，支持不同学习能力的发展。针对上述分析，本文得出以下几点启示：
1 模型工具的渐进式设计
从渐进式设计的角度来看，上述学习环境通过不同的设计角度体现了渐进建模的思想。ModelingSpace中通过对实体关系从定性、半定量再到定量的渐进式设计，为学生概念理解提供了从具体到抽象关系的认知过程；Belvedere将三个不同难度操作水平的模型工具整合到一个学习环境中，使用了从简单的关系图、到需用文字标记关系的概念图、再到需用标识符对科学探究中的假设和数据概念进行界定的设计思路；Cool Modes使用了简单手写，概念图绘制以及复杂系统中存量-流量模型工具，学习者依据不同的使用习惯和认知水平可以选用或结合使用其中的工具；Model-it则是通过设置程序化的建模步骤，通过反复测试和修改的过程，使得所建模型逐渐完善，是认知程序上的渐进设计。因此，从这些设计思路可以看出，模型工具的渐进式设计以综合体现不同难度操作水平的建模工具为主要特点，在实体标识、实体联系的标识设计方面也体现了从具体到抽象的分类思路，使得相同的建模工具因实体标识和联系标识的不同，可以形成不同抽象程度的模型，为教师评价学生概念的认知水平提供了有力的依据。
2 模型要素表达方式的多样化
以上学习环境的主要模型界面均使用了实体联系模型的思想，将实体、属性以及联系进行了不同形式的展现，且在某些程度上对实体概念及其属性进行了拓展。Belvedere和Cool Modes以不同形状的框图结合文字对模型要素进行表征，考虑到使用对象认知水平的差异，Model-it和ModelingSpace采用建立专题资料库的方式，为学习者提供相应的图片来标识模型中的实体。除了用文字来表达实体属性的关系外，Belvedere采用符号来标识实体的关联程度，Cool Modes使用不同粗细的箭头符号来标识实体及属性的关系，Model-it则将属性关系隐含在属性框中，通过实时模拟才得出，Modeling Space使用了三种不同类型的关系标识和两种不同类型的属性标识，使得模型建构工具的选择性更为灵活，可以面向多种不同层次学习水平的学习者。因此，从这些模型要素表达方式的设计来看，绝大多数是从简便、直观易于掌握的观点出发，以具有一定意义和不同抽象程度的符号来表征关系，体现了模型要素表达多样化的总体趋势。
3 建模方式的辅助设计
从上述设计，还可以看出，各种学习环境代表的模型意义已经有所拓展，不再停留于简单描述概念系统中各概念之间关系，而是结合了其他工具对模型进行检测和修改，以辅助完成更为精确的概念模型。这些工具包括提供图表进行实时模拟、实时对话框以及实时合作建模和手写平台。如，在Model-it、Cool Modes以及ModelingSpace中，均提供了实时线性图来表征实体属性间的数理关系；在Cool Modes中，为学生设计的手写平台还可用于学生合作建模时进行实时交流；在ModelingSpace和Belvedere则均提供了标签备注，ModelingSpace还有学生交流日志记录建模活动，这些辅助设计，不但为模型的建构和完善提供了支持，也为教师评价提供了依据。
参考文献
[1] Chen, P. P. S.The entity-relationship model-toward a unified view of data[J]. ACM Transactions on Database Systems,1976, (1):9-36.
[2] Hay,D. C.A comparison of data modeling techniques[EB/OL]. .
[3] Shoval,P, Danoch,R., & Balabam, M.Hierarchical entity-relationship diagrams:the model, method of creation and experimental evaluation[J].Requirements Enginering,2004,9 (4): 217-228.
[4] Avourisa,N.,Dimitracopouloub,A.,& Komisc,V.On analysis of collaborative problem solving:an object-oriented approach[J]. Computers in Human Behavior,2003, (2): 147-167.
[5] 张宝辉,邓峰,李佳.计算机模型建构与学习者为中心的科学学习的研究进展及启示[J].课程.教材.教法,2008,(8):87-91.
[6] NetLogo Models Library: Sample Models/Chemistry & Physics/Chemical Reactions[EB/OL].
[7] Co-Lab,an integrated environment[EB/OL].
[8] Bell,T.,Urhahne,D.,Schanze,S.,& Ploetzner,R.Collaborative Inquiry Learning:Models,tools,and challenges[J].International Journal of Science Education,2009,32(3): 49-377.
[9] STELLA, Systems Thinking for Education and Research [EB/OL].
[10] SimQuest: An alternative way of learning[EB/OL].
[11] Avouris,N.,Margaritis,M.,Komis,V.,Saez,A.,& Meléndez,R. Modelingspace:interaction design and architecture of a collaborative modeling enviroment[Z].Presentation for Comodeseminar,Patras,December 2005.
[12] Dimitracopoulou,A.Modelling activities in schools with a collaborative technology-based learning environment: Scenarios of use in secondary education[Z].ICTs in Education,Nicosia,14-15 Dec 2002.
[13] Wu Hsin-Kai.Modelling a complex system:using novice-expert analysis for developing an effective technology-enhanced learning environment[J].International Journal of Science Education,2010,32(2):195-219.
[14] Schwarz,C.V.,Reiser,B. J., Davis,E.A., Kenyon, L., Achér, A., Fortus, D.,et al. Developing a learning progression for scientific modeling:Making scientific modeling accessible and meaningful for learners[J].Journal of Research in Science Teaching,2009,46(6): 632-654.
[15] Laboratory for Interactive Learning Technologies, Belvedere [EB/OL].
[16] Belvedere4.1, Software for constructing and reflecting on diagrams of one's ideas[EB/OL].
[17] Bollen, L.,Hoppe,H. U.,Milrad,M.,& Pinkwart,N. Collaborative modeling in group learning environments[R].In P. Davidsen et al.,ed.,Proceedings of the 20th International Conference of the System Dynamics Society (SDS).Palermo, Italy,System Dynamics Society. 2002.
[18] Reimann,P.,Thompson, K., & Weinel, M. Collaborative learning by modelling:Observations in an online setting[Z]. Proceedings ascilite Singapore 2007.
[19] Cool Modes[EB/OL].
[20] Model-It, Feature in Visual Map[EB/OL].
[21] BaoHui Zhang,Xiufeng Liu, Joseph S. Krajcik. Expert models and modeling processes associated with a computer-modeling tool[J].Science Education,2006,90(4): 579-604.
[22] Stratford,S.J., Krajcik, J.,&Soloway,E.Secondary students' dynamic modeling processes: analyzing, reasoning about, synthesizing, and testing models of stream ecosystems[J].Journal of Science Education and Technology, 1998, 7(3):215-234.
The Application and Enlightenment of Researches on ERM in the Design Learning Environment
SUN Dan-er
(National Institute of Education, Nanyang Technological University 637616, Singapore)
Abstract: From views on the ERM theory, the applications of ERM in the learning environment supported by computer technology are illustrated in this paper. Conclusions are drawn to provide ideas for the relevant design and its research in the field of learning software development.
Keywords: entity-relationship model; computer-supported learning environments; design