張維，李姣姣，舒江波，張昭理（華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430079）

創(chuàng)新探索

云課堂教育大數(shù)據(jù)交互式可視化研究*

張維，李姣姣，舒江波，張昭理
（華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430079）

近幾年來，教育大數(shù)據(jù)的概念逐漸出現(xiàn)在人們的視線中，如何讓生成的大量數(shù)據(jù)變得更加易于理解并反饋于教學(xué)，已成為教育工作者面臨的重大問題。針對該問題，將海量的、復(fù)雜的、實時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為動態(tài)的圖像的可視化方法無疑是最有效的途徑。以云課堂中生成的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)來源，實現(xiàn)了華中師范大學(xué)云課堂歷史數(shù)據(jù)的可視化，并對可視化結(jié)果進行分析，反饋給教學(xué)管理者以及教師，指導(dǎo)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)。

教育大數(shù)據(jù)；云課堂；數(shù)據(jù)可視化；教育云

一、引言

從云計算的概念出現(xiàn)以來，云在教育領(lǐng)域的發(fā)展便受到各國政府的高度重視。美國、法國、韓國等都將教育云作為云計算的核心應(yīng)用領(lǐng)域，先后啟動了教育云建設(shè)計劃［1］。目前，國外比較成熟的K12云平臺有可汗學(xué)院、谷歌Classroom、Office365，這些平臺利用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋憬菪钥梢詭椭鷮W(xué)習(xí)者隨時隨地進行學(xué)習(xí)［2，3］。然而在國外享受無基礎(chǔ)設(shè)施的教育信息化便利的同時，中國的大部分地區(qū)還面臨著教育基礎(chǔ)設(shè)施不均衡的問題［4，5］。為了推進云計算在我國的應(yīng)用，教育部于2012年3月發(fā)布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2022年）》，明確提出采用云計算服務(wù)模式，形成資源配置與服務(wù)的集約化、效益化、優(yōu)質(zhì)化發(fā)展途徑，構(gòu)建穩(wěn)定可靠、低成本的國家教育云服務(wù)平臺［6，7］。

大數(shù)據(jù)時代，我們不能照搬國外的技術(shù)和平臺。我們應(yīng)該占領(lǐng)教育的高地，這是國家戰(zhàn)略的需要，而且教育承載著國家的安全，必須要有自己的平臺［8］。為此我們在借鑒資源服務(wù)已有框架體系、平臺和模式的基礎(chǔ)上開發(fā)了具有中國特色的平臺，即云課堂平臺［9］。近幾年來，伴隨著學(xué)校對云課堂的使用，快速增長的數(shù)據(jù)給教學(xué)管理者帶來了巨大的壓力。如何從海量、復(fù)雜、實時的數(shù)據(jù)中快速獲取精準的信息，并發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律從而提出更好的管理方案，是當(dāng)前教育管理者面臨的難題［10-15］。由此可見，對教育大數(shù)據(jù)可視化的研究是十分有必要的。但是有關(guān)教育大數(shù)據(jù)可視化的相關(guān)信息是少之又少，在中國知網(wǎng)中的檢索條件選擇“主題”，檢索，輸入“大數(shù)據(jù)”并含“可視化”，共檢索出576條結(jié)果，其中大部分是關(guān)于生物、地理、醫(yī)學(xué)和新聞等領(lǐng)域，與教育領(lǐng)域相關(guān)的文獻雖然有，但是很少有與教育大數(shù)據(jù)切實相關(guān)的，可見大數(shù)據(jù)可視化在教育領(lǐng)域的應(yīng)用正處于起步階段。

二、云課堂學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計

圖1　云課堂PC端界面

在線課堂平臺是為支撐學(xué)生開展在線學(xué)習(xí)活動的軟件系統(tǒng)，一直以來都是教育行業(yè)的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)。云課堂是在教育云和教育大數(shù)據(jù)背景下，利用云理念和云技術(shù)打造的一種在線開放課堂。為了緊隨教育時代的潮流，華中師范大學(xué)研制了屬于本校的云課堂平臺，開發(fā)了PC端、Web端和移動手機端三個版本 （如圖1、圖2和圖3所示）。此外，結(jié)合學(xué)校開展學(xué)歷教育慕課教學(xué)的需求，為其定制了專門的云課堂版本，即華大云課堂，在華中師大面向全校本科生、研究生開展云課堂的應(yīng)用實踐［1］。

圖2　云課堂Web端界面

圖3　云課堂移動端界面

截止到目前為止，華大云課堂上已開設(shè)了4199門課程，共10311節(jié)課，用戶數(shù)（包括教師、助教和學(xué)生）已超過3萬人，上傳的資源更是達到了452662個，總?cè)萘坑?.9855T。這就意味著云課堂每時每刻都會產(chǎn)生海量的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)。那么如何呈現(xiàn)這些錯亂復(fù)雜的數(shù)據(jù)，讓用戶對這些數(shù)據(jù)有一個直觀清晰的認識，而不僅僅只是表格那么簡單，是云課堂的管理者、教育工作者目前面臨的重大難題。

國內(nèi)關(guān)于教育大數(shù)據(jù)的定義最早是從產(chǎn)生教育大數(shù)據(jù)的主體出發(fā)的，將教育大數(shù)據(jù)區(qū)分為廣義的和狹義的兩種，廣義的教育大數(shù)據(jù)泛指來源于日常教育活動中人類的行為數(shù)據(jù)；狹義的教育大數(shù)據(jù)指的是學(xué)習(xí)者的行為數(shù)據(jù)［7］。根據(jù)對云課堂的數(shù)據(jù)的分析，將云課堂的大數(shù)據(jù)界定為：學(xué)生以及課堂的基本信息；學(xué)生在課堂中的學(xué)習(xí)行為，包括學(xué)生的學(xué)習(xí)時長、學(xué)生的發(fā)帖/回帖數(shù)、作業(yè)評分、期末總分。

三、云課堂教育大數(shù)據(jù)可視化

隨著云課堂使用人數(shù)的增多，每天都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，可是卻沒有對這些數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的分析，不能發(fā)揮這些數(shù)據(jù)應(yīng)有的作用。如何將這些數(shù)據(jù)反饋于教學(xué)工作者幫助他們進行有效的教學(xué)，如何利用目前已有的數(shù)據(jù)并快速對其進行分析預(yù)測，是目前云課堂平臺中迫切需要解決的問題，所以對云課堂的數(shù)據(jù)進行可視化是十分有必要的。根據(jù)校領(lǐng)導(dǎo)及管理員的需求，從管理層和用戶的角度出發(fā)，提出了一套可行性方案，通過實現(xiàn)界面端的數(shù)據(jù)可視化的直觀圖例，對云課堂的使用情況進行觀察及對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進行分析，并給教學(xué)管理者和教學(xué)工作者提出一些可行性的建議，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率提供真實可靠的依據(jù)。

1.教育大數(shù)據(jù)組織

在云課堂中，數(shù)據(jù)的來源主要有四個，如圖4所示。一是Sakai數(shù)據(jù)庫，主要存儲用戶、課程等的基本信息；二是MongoDB數(shù)據(jù)庫，主要記錄學(xué)生在課堂中的學(xué)習(xí)時長；三是用來記錄教師與學(xué)生的發(fā)帖/回帖數(shù)；四是記錄用戶的角色、功能模塊等信息。

圖4　數(shù)據(jù)來源圖

2.可視化層結(jié)構(gòu)設(shè)計

可視化框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)主要分為四層，分別是數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析層和數(shù)據(jù)可視化層。

數(shù)據(jù)源層：包括云課堂中已有的數(shù)據(jù)資源，包括云課堂中教師、學(xué)生的總?cè)藬?shù)，總的課程數(shù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為記錄等數(shù)據(jù)資源。

數(shù)據(jù)存儲層：不同來源的數(shù)據(jù)格式也有所不同，需要對它們進行統(tǒng)一的格式規(guī)定。在本案例中，把不同來源的數(shù)據(jù)通過不同的服務(wù)存儲到Mysql數(shù)據(jù)庫中，方便可視化時統(tǒng)一調(diào)用。

數(shù)據(jù)處理層：因為數(shù)據(jù)存在很多的維度，需在eclipse中對數(shù)據(jù)進行分析并找出需要呈現(xiàn)的維度從數(shù)據(jù)存儲層挖掘出數(shù)據(jù)，并傳到數(shù)據(jù)可視化層。

圖5　可視化框架結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)可視化層：這是最頂端的一層，通過一些可視化工具將分析好的數(shù)據(jù)以圖形的方式展現(xiàn)出來，并呈現(xiàn)給用戶。

3.可視化結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

目前云課堂已在學(xué)校中得到廣泛的應(yīng)用，大部分教師授課都是通過線上課堂與線下課堂兩種方式來進行的，但是云課堂只提供了數(shù)據(jù)的存儲、檢索和其他一些基本統(tǒng)計功能，而且大部分的統(tǒng)計數(shù)據(jù)都是以表格的形式來呈現(xiàn)的，缺乏數(shù)據(jù)可視化的功能，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的結(jié)果不直觀清晰。針對這個缺陷提出了數(shù)據(jù)可視化的方案，把大量的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)以恰當(dāng)?shù)膱D像圖表的形式展現(xiàn)出來，能夠給用戶帶來很好的體驗。

圖6　課堂建設(shè)情況圖

以云課堂的課堂建設(shè)為例，針對2013年到2015年每個學(xué)期開課的數(shù)量，在沒有可視化之前，這些數(shù)據(jù)是以表格的形式展現(xiàn)的。有可視化之后，根據(jù)每年每個季度開課的數(shù)量、每年開課的平均數(shù)、每個季度開課的總數(shù)等維度，以柱狀圖、折線圖和餅狀圖的混合圖來展示，如圖6所示。由餅狀圖可以明顯看出，春秋季度的開課數(shù)高于夏季的開課數(shù)，因為夏季的課程在暑期開設(shè)，很少有課程在暑期開設(shè)；由柱狀圖可以看出，每年開課的數(shù)量都有所增長，另外每個季度的開課數(shù)量每年也都會增長；由折線圖可以看出，每個季度的平均課堂數(shù)正在以線性方式增長。由此可以得出云課堂的使用越來越普及，規(guī)模也越來越大。

圖7　論壇討論情況圖

再以云課堂中學(xué)生論壇討論為例，可視化效果如圖7所示。圖7以學(xué)生的發(fā)帖回帖人數(shù)和帖子數(shù)分別作圖，以文理分科為維度明顯可以看出，不論是發(fā)帖/回帖人數(shù)還是發(fā)帖數(shù)和回帖數(shù)，文科生都要高出理科生很多，可見文科生比理科生更活躍、更善于文字的表達。

四、結(jié)束語

伴隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)帶來的價值日益受到各行各業(yè)的重視。在教育領(lǐng)域，通過對數(shù)據(jù)的獲取和分析，可以幫助教育工作者做出科學(xué)的決策，并為學(xué)生制定出更好的發(fā)展策略和目標，幫助學(xué)生梳理信息，實現(xiàn)個人價值。通過對云課堂中數(shù)據(jù)的處理與可視化，可以從可視化結(jié)果中發(fā)現(xiàn)一些在表格中發(fā)現(xiàn)不了的結(jié)論，利用這些結(jié)論可以反作用于教學(xué)，從而更好的提高教學(xué)質(zhì)量。但是值得注意的是，數(shù)據(jù)可視化并不是呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的萬能工具，不能盲目的對數(shù)據(jù)進行可視化，不當(dāng)?shù)目梢暬菬o法正確的呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的?？偠灾?，數(shù)據(jù)可視化是解決大量的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)的有效途徑，但不是唯一的途徑。

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（編輯：魯利瑞）

TP393

A

1673-8454（2016）12-0001-04

*本文系以下項目的研究成果：華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目 “基于storm構(gòu)建數(shù)據(jù)分析云服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：CCNU15A05059），國家科技支撐計劃課題 “中小學(xué)師資培訓(xùn)公共服務(wù)體系關(guān)鍵技術(shù)及標準規(guī)范研究”（課題編號：2014BAH22F01），“教育云服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”（課題編號：2013BAH72B01），“地方志可視化技術(shù)研究與演示平臺實現(xiàn)”（課題編號：2015BAK07B03），國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：61505064）。