面向精準(zhǔn)教學(xué)的教育大數(shù)據(jù)采集分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　摘 要：人工智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)的飛速進(jìn)步為當(dāng)代教育行業(yè)帶來新發(fā)展條件，而現(xiàn)階段的教育大數(shù)據(jù)存在采集困難、利用率低等問題。為此，搭建了一種面向教育大數(shù)據(jù)的采集分析平臺(tái)，該平臺(tái)能夠采集并整合學(xué)生數(shù)據(jù)與教學(xué)數(shù)據(jù)，并通過Hadoop、Spark等大數(shù)據(jù)分析框架全面挖掘?qū)W生的個(gè)性化學(xué)情信息。進(jìn)一步地，提出了一種大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、線上線下指導(dǎo)相協(xié)調(diào)的精準(zhǔn)教學(xué)實(shí)踐模式。研究?jī)?nèi)容有助于大數(shù)據(jù)技術(shù)與高校教學(xué)質(zhì)量的協(xié)同發(fā)展，促進(jìn)精準(zhǔn)教學(xué)實(shí)踐模式在大數(shù)據(jù)背景下的發(fā)展。

　　畢夏安; 邢兆旭; 胡溪; 周雯燕， 軟件工程 發(fā)表時(shí)間：2021-09-03

　　關(guān)鍵詞：人工智能;教育大數(shù)據(jù);精準(zhǔn)教學(xué)

　　1 引言(Introduction)

　　大數(shù)據(jù)時(shí)代為當(dāng)代教育模式的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的發(fā)展環(huán)境，如何全面、協(xié)調(diào)地利用教育大數(shù)據(jù)促進(jìn)教育模式的發(fā)展具有重要的時(shí)代意義[1]。一方面，教學(xué)過程中產(chǎn)生的大量異構(gòu)數(shù)據(jù)能為教學(xué)質(zhì)量的精準(zhǔn)分析與評(píng)估提供依據(jù)。目前教學(xué)分析的主流方法面臨著信息采集不全、信息采集難度高等多方面的難題[2-3]，近年來教育大數(shù)據(jù)的采集與分析方法在國(guó)內(nèi)開始逐漸受到人們的重視，并有了較為可觀的進(jìn)展[4-5]，但總體上還有諸多技術(shù)上的細(xì)節(jié)沒有處理好。另一方面，教育大數(shù)據(jù)能助力精準(zhǔn)教學(xué)模式發(fā)展。精準(zhǔn)教學(xué)相關(guān)研究在國(guó)外擁有較長(zhǎng)時(shí)間的積累[6]，而國(guó)內(nèi)由于受高等教育人群的擴(kuò)張以及理論、技術(shù)等方面的客觀限制，相關(guān)理論研究與應(yīng)用實(shí)踐舉步難行。目前已有人嘗試?yán)镁€上的教育平臺(tái)和教學(xué)資源推行精準(zhǔn)教學(xué)實(shí)踐，并取得了一定的成果[7-8]，但這些嘗試本質(zhì)上只是將一些本來在線下進(jìn)行的活動(dòng)移至線上，而沒有充分挖掘并利用教育大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的豐富信息。基于上述背景，本文設(shè)計(jì)了一種教育大數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，并提出了一種基于教育大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)教學(xué)實(shí)踐模式。

　　2 教育大數(shù)據(jù)采集與分析平臺(tái)的設(shè)計(jì)(The design of collection and analysis platform for educational big data)

　　作者結(jié)合多年來積累的大數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)高校教學(xué)過程中的教學(xué)模式與實(shí)際需求，提出了一種教育大數(shù)據(jù)的采集分析平臺(tái)。該平臺(tái)共分為四個(gè)部分：教育大數(shù)據(jù)采集模塊、教育大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊、教育大數(shù)據(jù)服務(wù)模塊和教育大數(shù)據(jù)管理模塊，后面會(huì)對(duì)這幾個(gè)模塊進(jìn)行具體介紹。平臺(tái)的整體架構(gòu)如圖1所示。

　　2.1 教育大數(shù)據(jù)采集模塊

　　教育大數(shù)據(jù)無論從來源、類型，還是采集方式方面都呈現(xiàn)出顯著的多樣性特點(diǎn)。本文將眾多數(shù)據(jù)大致概括為兩類。一類數(shù)據(jù)來自學(xué)校已有的各種管理系統(tǒng)，在這其中能夠獲得的數(shù)據(jù)大致有三類：一是學(xué)生檔案信息、學(xué)業(yè)信息等固定不變或更新速度緩慢的數(shù)據(jù);二是學(xué)生日常活動(dòng)信息、輿情信息等具有顯著時(shí)效性的數(shù)據(jù);三是監(jiān)控視頻等流式數(shù)據(jù)。另一類數(shù)據(jù)來自線上教育平臺(tái)，平臺(tái)分別為教師與學(xué)生提供接口，使得系統(tǒng)獲取師生在線上的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的各種各樣的數(shù)據(jù)，包括操作日志、教學(xué)資料、線上作業(yè)等。

　　2.2 教育大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊

　　教育大數(shù)據(jù)具有顯著的異構(gòu)性特點(diǎn)，適合用分布式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理與分析。教育大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊的主要作用是采用分布式的結(jié)構(gòu)對(duì)搜集到的教育大數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，并對(duì)其進(jìn)行深度的模式挖掘。該部分采用 Hadoop+Spark的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，下面分別介紹這兩個(gè)組成部分。

　　一方面，由Hadoop構(gòu)成的分布式文件系統(tǒng)HDFS擁有Data Node與Name Node兩種不同的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，前者用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)體，后者存儲(chǔ)的則是文件系統(tǒng)樹等元數(shù)據(jù)。HDFS 在完整性、持久性方面表現(xiàn)突出，能夠以高容錯(cuò)率實(shí)現(xiàn)對(duì)日志、會(huì)話、知識(shí)結(jié)構(gòu)、視頻流以及環(huán)境感知等高吞吐量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)高效存儲(chǔ)[9]。

　　另一方面，Spark集群負(fù)責(zé)的是大數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析工作。具體地，該部分運(yùn)行前要在Cluster Manager中設(shè)置 Spark Context文件的內(nèi)容，包括集群工作方式、數(shù)據(jù)分析算法以及抽象彈性分布式數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建等。

　　2.3 教育大數(shù)據(jù)服務(wù)模塊

　　通過運(yùn)行部署后的Spark運(yùn)算集群，便能夠充分利用教育大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的豐富信息來指導(dǎo)教學(xué)過程的改進(jìn)，這一部分的具體實(shí)現(xiàn)需要借助教育大數(shù)據(jù)服務(wù)模塊來完成，其中包括多種具體服務(wù)，大致分成三類。

　　(1)評(píng)價(jià)總結(jié)類服務(wù)

　　這一部分包括對(duì)教育數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的可視化展示、教學(xué)效果評(píng)估、學(xué)生畫像等。該部分信息呈現(xiàn)的客體主要是教師，作用是使教師能全面地了解教學(xué)的實(shí)際效果，并且通過每一位學(xué)生的畫像了解他們各自的特長(zhǎng)與實(shí)際情況，從而進(jìn)行教學(xué)模式與教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整。

　　(2)建議展望類服務(wù)

　　這一部分主要包括一些建議信息，服務(wù)的客體包括教師和學(xué)生。教學(xué)建議面向教師，主要在教學(xué)形式、教學(xué)思路等方面為教師提供可能的方案;學(xué)習(xí)建議則面向?qū)W生，主要是基于學(xué)生在這一段時(shí)間表現(xiàn)的評(píng)估，結(jié)合學(xué)生的自身情況，為學(xué)生下一步的學(xué)習(xí)過程提供合理指導(dǎo)意見，同時(shí)也在一定程度上起到督促學(xué)習(xí)的作用。

　　(3)線上教育平臺(tái)服務(wù)

　　這一部分包括一個(gè)線上教育平臺(tái)，教師可以在該平臺(tái)上進(jìn)行教學(xué)資源共享并在線批改作業(yè);學(xué)生則可以在該平臺(tái)上進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)與回顧，也可以通過線上的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓展思維，提高實(shí)踐能力。此外，基于對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)效果的評(píng)估，系統(tǒng)會(huì)個(gè)性化地向?qū)W生推送互聯(lián)網(wǎng)上的相關(guān)學(xué)習(xí)資料，供學(xué)生在課程之余補(bǔ)充學(xué)習(xí)。

　　2.4 教育大數(shù)據(jù)管理模塊

　　大規(guī)模數(shù)據(jù)的管理包括許多繁雜的細(xì)節(jié)，且貫穿數(shù)據(jù)采集、分析與應(yīng)用的全過程，為此有必要設(shè)計(jì)單獨(dú)的模塊進(jìn)行教育大數(shù)據(jù)管理。本模塊主要包括四個(gè)部分：數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)負(fù)責(zé)清洗、整合并按照主題實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，目的是為后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析過程提供高質(zhì)量數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)高并發(fā)設(shè)備獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的整理與暫存，并按時(shí)檢測(cè)、更新時(shí)效性較強(qiáng)的數(shù)據(jù);元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)文件存儲(chǔ)位置、文件記錄、歷史數(shù)據(jù)等元數(shù)據(jù)的存放與修改;數(shù)據(jù)安全系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)保護(hù)教育大數(shù)據(jù)的安全，尤其是對(duì)學(xué)生隱私信息的保護(hù)。

　　3 精準(zhǔn)教學(xué)實(shí)踐模式設(shè)計(jì)(Design of precision instruction practice mode)

　　基于所提出的教育大數(shù)據(jù)采集分析平臺(tái)，下面將探討高校教育中精準(zhǔn)教學(xué)的實(shí)踐模式設(shè)計(jì)問題。本文所設(shè)計(jì)的實(shí)踐模式很好地實(shí)現(xiàn)了教育大數(shù)據(jù)分析與精準(zhǔn)教學(xué)的有機(jī)融合，總體框架如圖2所示。

　　總體來說，就是在傳統(tǒng)的線下式課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，將各教學(xué)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與學(xué)生的個(gè)人數(shù)據(jù)結(jié)合成教育大數(shù)據(jù)，為每個(gè)學(xué)生生成個(gè)性化學(xué)習(xí)分析報(bào)告。這既能讓教師發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教學(xué)安排中的問題，也可以促進(jìn)教師對(duì)學(xué)生特長(zhǎng)與特點(diǎn)的深度了解，進(jìn)而可以讓教師在線下根據(jù)每個(gè)學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的指導(dǎo)，在提升教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了人才的全方位培養(yǎng)，有效做到了教學(xué)相長(zhǎng)。

　　為了在實(shí)際教學(xué)環(huán)境中構(gòu)建出可穩(wěn)定運(yùn)作的精準(zhǔn)教學(xué)實(shí)踐模式，本文在此提出了三條具體的教學(xué)模式改革措施。

　　3.1 實(shí)現(xiàn)學(xué)生的多維度精準(zhǔn)指導(dǎo)

　　傳統(tǒng)教學(xué)模式通常只會(huì)以知識(shí)點(diǎn)的掌握情況作為判別學(xué)習(xí)質(zhì)量好壞的唯一依據(jù)，而忽略了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)與思維層面的提高，造成了大量“高分低能”的情況。通過對(duì)教育大數(shù)據(jù)的深度挖掘，教師能更全面地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，通過學(xué)生畫像指導(dǎo)每一位學(xué)生在能力上和思維上產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。

　　在能力層面，教師應(yīng)充分發(fā)揮線上教育平臺(tái)與產(chǎn)學(xué)研服務(wù)平臺(tái)的作用，根據(jù)學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況，布置難度適宜、實(shí)用性強(qiáng)的實(shí)踐任務(wù)，切實(shí)保證學(xué)生所學(xué)是工作所用，學(xué)生所練是工作所需。計(jì)算機(jī)專業(yè)因其特殊性，多數(shù)實(shí)踐任務(wù)可以安排到線上完成，因此也更容易通過教育大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生的能力培養(yǎng)。在學(xué)生的實(shí)踐過程中，平臺(tái)可以及時(shí)捕獲學(xué)生在實(shí)踐過程中反饋的信息，準(zhǔn)確評(píng)判學(xué)生的能力水平。

　　在思維層面，教師在精準(zhǔn)教學(xué)的實(shí)踐過程中應(yīng)多鼓勵(lì)學(xué)生圍繞特定問題展開開放性思考，注重學(xué)生思維高度的提升。同時(shí)教育大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以從不同的側(cè)面檢驗(yàn)學(xué)生的思維提升情況，為學(xué)生有針對(duì)性地推送補(bǔ)充學(xué)習(xí)資料。

　　3.2 全面推行本科生導(dǎo)師制

　　導(dǎo)師制從本質(zhì)上講就是要在一名導(dǎo)師和幾名特定學(xué)生之間實(shí)現(xiàn)高度個(gè)性化的交流。目前，本科生導(dǎo)師制已在北京科技大學(xué)、東南大學(xué)等國(guó)內(nèi)著名高校試行，總體效果反映良好。通過這一制度，既可以拉近學(xué)生與教師之間的距離，讓導(dǎo)師幫助特定的學(xué)生制定更清晰的學(xué)業(yè)與事業(yè)規(guī)劃，也能讓導(dǎo)師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)期間的各種問題，從而進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)，而這恰與精準(zhǔn)教學(xué)的目的一致。

　　精準(zhǔn)教學(xué)要求教師充分結(jié)合每一位學(xué)生的實(shí)際情況“因材施教”，但在實(shí)踐過程中，考慮到國(guó)內(nèi)多數(shù)專業(yè)的學(xué)生數(shù)目眾多，某一門課的任課老師可能難以承擔(dān)上述全部工作，因此，若要全面推行精準(zhǔn)教學(xué)，則有必要在本科范圍內(nèi)全面推行導(dǎo)師負(fù)責(zé)制。

　　3.3 推動(dòng)教育大數(shù)據(jù)服務(wù)生態(tài)建設(shè)

　　精準(zhǔn)教學(xué)的需求推動(dòng)了教育大數(shù)據(jù)的發(fā)展，而對(duì)教育大數(shù)據(jù)的分析又能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)提供指導(dǎo)，二者在邏輯上相輔相成，因此，教育大數(shù)據(jù)的服務(wù)生態(tài)建設(shè)對(duì)精準(zhǔn)教學(xué)的全面推行與長(zhǎng)久發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

　　本文為面向精準(zhǔn)教育實(shí)踐的教育大數(shù)據(jù)服務(wù)生態(tài)建設(shè)提供了一種新的思路。首先，在提出的架構(gòu)中，大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與眾多校內(nèi)管理系統(tǒng)深度結(jié)合，促進(jìn)了高校教學(xué)管理空間服務(wù)數(shù)據(jù)化;同時(shí)，基于教育大數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，為精準(zhǔn)教學(xué)提供了全面的自動(dòng)化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與分析技術(shù)的有機(jī)結(jié)合;最后，通過推行精準(zhǔn)教學(xué)模式，促進(jìn)教育大數(shù)據(jù)的發(fā)展，為學(xué)校與相關(guān)企業(yè)長(zhǎng)期合作提供了機(jī)遇。

　　教育大數(shù)據(jù)服務(wù)生態(tài)建設(shè)并不是一個(gè)一蹴而就的過程，需要進(jìn)行較長(zhǎng)期的嘗試與摸索，其中諸如怎樣實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)規(guī)范化、怎樣保證大規(guī)模教育數(shù)據(jù)的安全等都是有待進(jìn)一步解決的問題。我們相信，生態(tài)建設(shè)是精準(zhǔn)教育與教育大數(shù)據(jù)融合發(fā)展的必由之路。

　　4 結(jié)論(Conclusion)

　　大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的崛起正深刻影響著教育行業(yè)的變化，在這樣的背景下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)，必定離不開對(duì)教育大數(shù)據(jù)的深入分析與挖掘。本文構(gòu)建了一個(gè)大數(shù)據(jù)采集與分析平臺(tái)和精準(zhǔn)教學(xué)模式相互結(jié)合的體系，既有利于提高高校教學(xué)質(zhì)量，也能夠?qū)崿F(xiàn)人才的多維度培養(yǎng)。在將來的發(fā)展中，一方面要注重整合更加豐富的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更加全面的教學(xué)分析;另一方面要考慮到行業(yè)發(fā)展的客觀需要，因需制宜力控制提供了參考[8]。