聶瑞華　王欣明　李卓越

摘要：教育大數(shù)據(jù)代表著教育領(lǐng)域未來發(fā)展的方向，我國教育大數(shù)據(jù)研究與實踐整體還處于起步探索階段。該文以基礎(chǔ)教育領(lǐng)域為切入點，探討了個性化與自適應(yīng)學(xué)習(xí)的方法，總結(jié)了在國內(nèi)基礎(chǔ)教育現(xiàn)狀下實現(xiàn)這些實施目標(biāo)所面臨的挑戰(zhàn)，提出了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的一系列解決方案。這些方案作為教育部-中國移動聯(lián)合科研項目“信息技術(shù)支持下的學(xué)生學(xué)習(xí)行為記錄、分析與個性化支持”的工作成果，已經(jīng)在廣州市天河區(qū)的多所小學(xué)進(jìn)行了試點應(yīng)用研究，取得了良好的成果，同時也獲取了一些寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)。

關(guān)鍵詞：教育大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)挖掘；學(xué)習(xí)分析技術(shù)：個性化學(xué)習(xí)

一、概述

長期以來，我國的教學(xué)模式一直較為傳統(tǒng)，建立在所有學(xué)生都具有同等的知識水平、所有學(xué)生接受新知識的能力相同的情況下，難以因材施教、針對學(xué)生情況進(jìn)行個性化教育，所以存在很多弊端：能力較強的學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)積極性被嚴(yán)重束縛；學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)不能得到及時、有效的增強；教學(xué)者工作難度大，管理者管理難度大。

個性化教育使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)個性特征與教學(xué)環(huán)境達(dá)到平衡，可以很好的解決上述問題。個性化教育記錄與學(xué)生學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)情況有關(guān)的數(shù)據(jù)，如何從這些數(shù)據(jù)中獲得潛在信息并給予指導(dǎo)，為教育大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。在教育領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)在學(xué)習(xí)過程分析、知識表征與學(xué)習(xí)結(jié)果預(yù)測等方面大有可為，可以解決傳統(tǒng)課堂教學(xué)的弊端、增加了教與學(xué)的靈活性，為教學(xué)模式和學(xué)習(xí)模式提供了新意。

目前，教育大數(shù)據(jù)的概念和理論研究較多，然而在實施方面卻困難重重，特別是影響最廣的基礎(chǔ)教育領(lǐng)域。這種現(xiàn)象由兩方面造成，一是缺數(shù)據(jù)，目前學(xué)校存儲的學(xué)生數(shù)據(jù)多為學(xué)籍、入學(xué)信息、考試成績等“靜止”的數(shù)據(jù)，缺乏鮮活的、對教育個性化最重要的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)；二是缺工具，教師缺乏一個系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析方法，能夠把學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)資源等與學(xué)習(xí)相關(guān)的數(shù)據(jù)匯集并進(jìn)行處理分析，以便一目了然掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)勢態(tài)。

由此可見，數(shù)據(jù)和工具是制約基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)發(fā)展的兩個重要因素。針對以上兩個問題，本文主要從實施層面上研究如何在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)教育大數(shù)據(jù)。本文依托于教育部一中國移動聯(lián)合項目“信息技術(shù)支持下的學(xué)生學(xué)習(xí)行為記錄、分析與個性化支持”和廣州市科技和信息化局基金項目，根據(jù)前期積累的相關(guān)經(jīng)驗，首先介紹了個性化和自適應(yīng)學(xué)習(xí)支持方法；然后根據(jù)基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)的實施挑戰(zhàn)，提出了漸進(jìn)式的基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)實施方案，該方案與廣州市天河區(qū)教育局進(jìn)行合作并在天河區(qū)多個小學(xué)實施，取得了較好效果。

二、個性化和自適應(yīng)學(xué)習(xí)支持

每個學(xué)生都有不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格、教育背景和認(rèn)知水平，對知識的遺忘速率也不同。自適應(yīng)和個性化學(xué)習(xí)旨在針對學(xué)習(xí)者的差異，最大限度滿足學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)習(xí)能力。自適應(yīng)和個性化學(xué)習(xí)首先要掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格模型、學(xué)習(xí)知識模型和學(xué)習(xí)行為模型。

常見的學(xué)習(xí)風(fēng)格模型是Felder-silverman學(xué)習(xí)風(fēng)格模型，它從感知、輸入、信息加工和理解四個維度將學(xué)習(xí)風(fēng)格分為8個類型，并認(rèn)為將學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)習(xí)資源類型、教師教學(xué)風(fēng)格結(jié)合，有助于取得較佳的學(xué)習(xí)效果。

（一）學(xué)習(xí)者知識模型

學(xué)習(xí)者知識模型中LKM=[KN，TN，EN，R]，KN表示知識結(jié)點，知識結(jié)點包括元知識和聚合知識，若干個元知識的集合組成聚合知識。元知識的屬性包括優(yōu)秀、良好、及格和未掌握；EN表示測試結(jié)點，測試結(jié)點的屬性為回答正確、回答錯誤，回答部分正確、錯誤次數(shù)和持續(xù)時間；TN表示練習(xí)結(jié)點，屬性為內(nèi)容和持續(xù)時間。R為各結(jié)點之間的關(guān)系，關(guān)系包括先驗結(jié)點和后驗結(jié)點，即學(xué)習(xí)者需將某結(jié)點的先驗結(jié)點學(xué)習(xí)完成后，方可學(xué)習(xí)該節(jié)點。學(xué)習(xí)者知識模型如圖1所示。

通過對學(xué)習(xí)者知識建模，可以了解學(xué)生對每個知識點的掌握程度，學(xué)生進(jìn)行練習(xí)的內(nèi)容和持續(xù)時間，學(xué)生完成測試的正確率、錯誤率、持續(xù)時間等，進(jìn)而對學(xué)生所學(xué)知識情況有一個全局的掌握。

（二）學(xué)習(xí)者行為模型

對學(xué)習(xí)者行為建模有助于分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的產(chǎn)生原因及對學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)生的影響。學(xué)習(xí)者行為模型LBM={NB，PB，T}中NB為正常學(xué)習(xí)行為，PB為問題學(xué)習(xí)行為，T為NB和PB之間的轉(zhuǎn)換，且NB={LB，MB，HB}。如圖2所示。

1.LB為低級學(xué)習(xí)行為，主要指收集信息的能力，包括瀏覽、點擊、閱讀、保存、鍵入等；

2.MB為中級學(xué)習(xí)行為，主要指息的加工整理、信息發(fā)布和溝通交流；

3.HB為高級學(xué)習(xí)行為，主要指使用信息的能力，如信息精加工、總結(jié)反思、請教、設(shè)計等；

4.PB為問題學(xué)習(xí)行為，包括學(xué)習(xí)逃離、行為缺失、行為不當(dāng)和學(xué)習(xí)時間分配不合理等部分。學(xué)習(xí)逃離指經(jīng)常離開學(xué)習(xí)平臺從事其他活動，行為缺失指缺乏必要的學(xué)習(xí)活動和學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，行為不當(dāng)指學(xué)習(xí)行為伴隨著非學(xué)習(xí)行為而進(jìn)行，學(xué)習(xí)時間分配不合理指學(xué)習(xí)帶有某種突擊意味，并非循序漸進(jìn)。

5.T為NB和PB之間的轉(zhuǎn)換，當(dāng)學(xué)生長時間處于NB學(xué)習(xí)狀態(tài)、教師教授內(nèi)容或網(wǎng)站提供學(xué)習(xí)內(nèi)容

與學(xué)生興趣不符、遇到過多問題以致完成學(xué)習(xí)任務(wù)較為困難或其他原因可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)行為由NB到PB轉(zhuǎn)換，而PB到NB的轉(zhuǎn)換則依賴于學(xué)生的自主行為、教師的引導(dǎo)行為和網(wǎng)站的監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)。

建立起相關(guān)模型后，系統(tǒng)便可對學(xué)生的個性化和自適應(yīng)學(xué)習(xí)提供支持。系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)習(xí)者行為模型記錄和分析學(xué)習(xí)者當(dāng)前狀態(tài)、學(xué)習(xí)偏好，隨時更新學(xué)習(xí)者描述信息以便更好對其模型內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整；個性化推薦組件會根據(jù)學(xué)習(xí)者知識模型和學(xué)習(xí)者當(dāng)前學(xué)習(xí)的知識點進(jìn)行匹配，獲取學(xué)習(xí)者適宜學(xué)習(xí)的知識點、學(xué)習(xí)路徑并進(jìn)行推薦；同時系統(tǒng)將記錄學(xué)習(xí)者整個學(xué)習(xí)過程及其狀態(tài)結(jié)果等信息，為提供進(jìn)一步的個性化學(xué)習(xí)提供參考依據(jù)。

三、基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)的實施挑戰(zhàn)

（一）基礎(chǔ)教育線下活動的數(shù)字化

基礎(chǔ)教育數(shù)字化的目的是把學(xué)校、教師、管理者、家長和學(xué)生有機結(jié)合，使各方對學(xué)習(xí)情況有全面細(xì)致掌握，然而在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域數(shù)字化的十幾年歷程中，整個市場的發(fā)展卻遠(yuǎn)低于預(yù)期，重構(gòu)教育模式、教學(xué)模式和學(xué)習(xí)模式的愿景始終沒有實現(xiàn)。其主要原因包括：

1.核心用戶的需求

傳統(tǒng)課堂教學(xué)環(huán)境下，教師是教學(xué)活動的發(fā)起者、組織者和實施者。學(xué)生的學(xué)習(xí)、作業(yè)和活動都是圍繞教師的教學(xué)活動展開的，教師是基礎(chǔ)教育數(shù)字化的核心用戶。教師的教學(xué)過程看似隨意，實則每句話、每個動作、每個知識點都有精心設(shè)計，力求達(dá)到最好的教學(xué)質(zhì)量。如果數(shù)字化教學(xué)產(chǎn)品和學(xué)習(xí)工具操作過于復(fù)雜，不僅不能幫助教師提高教學(xué)質(zhì)量，反而會干擾教學(xué)。因此，基礎(chǔ)教育的數(shù)字化不僅要考慮學(xué)生的需求，更要把教師教學(xué)作為整個系統(tǒng)的重點。系統(tǒng)的設(shè)計階段要充分征求教師意見，最大限度滿足教師的教學(xué)需求。

教學(xué)不僅僅指課堂教學(xué)，還包括備課、批改作業(yè)、考試、批改試卷等多個環(huán)節(jié)，如何簡化數(shù)字化系統(tǒng)和工具的操作，在多個環(huán)節(jié)中實現(xiàn)數(shù)字化以完成統(tǒng)計量化分析，是亟待解決的問題。

2.家長的擔(dān)憂

基礎(chǔ)教育數(shù)字化中采集課堂學(xué)習(xí)行為主要依托于電子書等電子設(shè)備。這些設(shè)備雖內(nèi)置有各種學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)軟件，整合了電子課本閱讀器，但遭到家長反對。家長認(rèn)為基礎(chǔ)教育階段學(xué)生發(fā)育尚不完全，電子設(shè)備會造成孩子視力、書寫和思維能力的降低，也會導(dǎo)致孩子過分依賴于信息技術(shù)。所以如何在不改變原有課堂教學(xué)模式、不引入過多電子設(shè)備的情況下，實現(xiàn)學(xué)習(xí)的數(shù)字化，是面臨難題之一。

（二）學(xué)習(xí)行為記錄指導(dǎo)學(xué)習(xí)個性化

教育大數(shù)據(jù)的發(fā)展最終走向之一是個性化學(xué)習(xí)。個性化學(xué)習(xí)記錄學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)過程或課堂學(xué)習(xí)行為的一舉一動，通過數(shù)據(jù)挖掘和分析構(gòu)建學(xué)習(xí)者模型，能夠?qū)γ總€用戶在系統(tǒng)中的活動進(jìn)行實時的響應(yīng)并根據(jù)用戶行為推薦適合用戶的學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)資源等。

1.系統(tǒng)的學(xué)習(xí)個性比支持

雖然諸如分類、聚類、關(guān)聯(lián)分析、預(yù)測和推薦等各類數(shù)據(jù)挖掘方法都已成熟且均可以用于學(xué)習(xí)行為挖掘和個性化支持，但現(xiàn)階段各類研究的挖掘結(jié)果都只側(cè)重于學(xué)習(xí)者的某一方面?zhèn)€性化支持，并沒有一個統(tǒng)一、系統(tǒng)化、集中的方法把各方面的分析結(jié)果聯(lián)系起來以提供學(xué)習(xí)者個性化的全面表述，更沒有為一項教師提供易用的工具支持以上所有分析結(jié)果。

2.數(shù)據(jù)可視化顯示

數(shù)據(jù)可視化顯示可以清晰有效的解讀分析結(jié)果間的相互關(guān)系、傳達(dá)數(shù)據(jù)信息。目前常用的數(shù)據(jù)可視化方法包括柱狀圖、折線圖、餅圖、散點圖和雷達(dá)圖等。柱狀圖為二維圖形，適合于只需要比較其中一維的情況；折線圖適用于較大的數(shù)據(jù)集；餅圖只適合反映部分和整體關(guān)系的情況；雷達(dá)圖要求數(shù)據(jù)點不超過6個。

如何綜合以上各種可視化方法的優(yōu)點，完備顯示出學(xué)生個性化學(xué)習(xí)中行為間的因果關(guān)系，是個性化學(xué)習(xí)面臨的又一挑戰(zhàn)。

四、漸進(jìn)式的基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)實施方案

教育部一中國移動聯(lián)合科研項目“信息技術(shù)支持下的學(xué)生學(xué)習(xí)行為記錄、分析與個性化支持”的總體實現(xiàn)框架如圖3所示，主要包括學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)整理子系統(tǒng)、海量存儲子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)和學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)。

個性化學(xué)習(xí)支持子系統(tǒng)通過搜集和分析學(xué)習(xí)者的個性特征信息，從大量異構(gòu)的信息中提取適合學(xué)習(xí)者需求的信息，并選擇“時機”主動支持，從而達(dá)到主動服務(wù)的目的。在本項目中，圖4的學(xué)習(xí)活動記錄流圖根據(jù)時序模式挖掘可視化的顯示學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)的全紀(jì)錄，圖5的知識掌握程度熱點圖可以清晰了解學(xué)生學(xué)過的知識點、每個知識點隨著時間推移的掌握程度（以周為單位），以便全局掌握學(xué)習(xí)狀態(tài)，為學(xué)習(xí)資源、路徑的推薦和學(xué)習(xí)行為、結(jié)果的預(yù)測提供依據(jù)。

除此之外，為解決基礎(chǔ)教育線下活動數(shù)字化面臨的諸多問題，本項目采用了基于數(shù)據(jù)融合的課業(yè)考試和作業(yè)數(shù)據(jù)采集方案，該方案可以在不改變傳統(tǒng)考試和作業(yè)習(xí)慣的前提下，對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并加以分析；為使學(xué)生個性化學(xué)習(xí)可視化，本項目提出了知識地圖的解決方式，該方式不僅利用了知識地圖的優(yōu)點，使學(xué)生對知識點有全局的掌握，同時對學(xué)生學(xué)習(xí)提供了個性化的支持。本章其余小結(jié)將對這兩種方案的設(shè)計思路和創(chuàng)新的進(jìn)行介紹。

（一）方案1：基于數(shù)據(jù)融合的課業(yè)考試和作業(yè)數(shù)據(jù)采集方案

1.方案設(shè)計

現(xiàn)階段有很多學(xué)者對基礎(chǔ)教育線下活動數(shù)據(jù)的采集方案做了研究，研究方案主要有電子設(shè)備采集方案、基于圖像識別的方案、點陣數(shù)碼筆方案和高考電子閱卷方案等。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，教學(xué)模式依舊以線下板書和紙筆結(jié)合的方式為主。在這種教學(xué)模式下，教師批改試卷并錄入電腦是繁瑣的過程，統(tǒng)計題目錯誤率只能憑借感覺和經(jīng)驗，不能準(zhǔn)確把握各個學(xué)生情況。以上方案均不是理想的基礎(chǔ)教育數(shù)據(jù)采集方案。

基于上述問題與挑戰(zhàn)，本文提出將超聲波數(shù)碼筆與圖像識別結(jié)合的方案，打造出成本低廉、易用性強、可靠性高的線下數(shù)據(jù)采集方案。此方案只需為一個教師配備一只超聲波數(shù)碼筆、一個高拍儀或其他圖像錄入設(shè)備即可（如圖6所示）。超聲波數(shù)碼筆可以精準(zhǔn)的采集到手寫筆跡數(shù)據(jù)，可以對筆記信息加以提取、挖掘，做更深層次的研究利用。結(jié)合高拍儀，利用圖像識別的長處，解決了超聲波數(shù)碼筆無法識別“翻頁”操作的問題，并且教師與學(xué)生無需改變原有紙筆結(jié)合的教學(xué)方式，實現(xiàn)了無縫切換，真正意義上找到了傳統(tǒng)課堂教育信息化的方法。

2.優(yōu)勢與創(chuàng)新

本方案有效的解決了基礎(chǔ)教育線下活動數(shù)字化面臨的挑戰(zhàn)，滿足了核心用戶的需求，也解決了家長的擔(dān)憂。該方案沒有改變教師的教學(xué)習(xí)慣和閱卷習(xí)慣，也沒有改變學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，同時使教師在閱卷后可以實時看到班級學(xué)生的考試情況和分析，極大提高了教師的閱卷效率。

該方案的創(chuàng)新點在于開創(chuàng)式的結(jié)合高拍儀與超聲波數(shù)碼筆設(shè)備。兩者協(xié)同工作，全方位多角度的記錄教師批改試卷的過程，更好的促進(jìn)了課堂教學(xué)信息化的步伐，較于點陣數(shù)碼筆方案，只需一支筆和一個高拍儀，快速便捷、成本低廉。

（二）方案2：知識地圖提供個性化學(xué)習(xí)支持

1.方案設(shè)計

在線學(xué)習(xí)在滿足學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)、方便教師家長了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的同時，也存在一些弊端。對于學(xué)生尤其是基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)注意力很難長時間集中，完全開放的在線學(xué)習(xí)網(wǎng)站中包含學(xué)習(xí)知識點和各類學(xué)習(xí)資源，同時也包含論壇、電子郵件和頁面中的各種鏈接。這些功能雖可以豐富學(xué)習(xí)體驗、促進(jìn)學(xué)習(xí)協(xié)作，但也容易使用戶迷失在各種鏈接中。例如當(dāng)學(xué)生遇到問題要在論壇求助時，發(fā)現(xiàn)論壇其他部分存在更有趣的事，注意力從而被吸引，以致逐漸偏離原定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。為了解決上述問題，本方案采用了基于知識地圖的學(xué)習(xí)路徑偏離判斷和糾正方法。

知識地圖用于表示兩個知識點之間的關(guān)系。知識點分為前驅(qū)知識點和后繼知識點以表示知識點之間的相關(guān)關(guān)系。方案首先根據(jù)學(xué)科知識繪制知識地圖，知識地圖中包含最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑、學(xué)生自己的學(xué)習(xí)路徑和尚未學(xué)習(xí)的知識點。最優(yōu)路徑基于學(xué)生的歷史學(xué)習(xí)記錄和學(xué)習(xí)能力規(guī)劃得出，依照最優(yōu)路徑學(xué)習(xí)可以達(dá)到最大的學(xué)習(xí)效果；學(xué)生自己的學(xué)習(xí)路徑是指學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中經(jīng)過的所有知識點。然后依照知識地圖和系統(tǒng)預(yù)設(shè)閥值，判斷學(xué)生是否偏離了當(dāng)前的最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑，若偏離，則對學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行引導(dǎo)，從而實現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的個性化支持。在知識地圖中顏色的深淺表示知識點的掌握程度，顏色越深表示掌握越好，鼠標(biāo)單擊某知識點可以查看該知識點的屬性，即學(xué)生具體的學(xué)習(xí)情況。學(xué)習(xí)情況包括知識點的掌握程度、學(xué)習(xí)時間、測試得分等。知識地圖界面如圖7所示。

2.優(yōu)勢與創(chuàng)新

本方案將知識點之間的關(guān)系使用知識地圖個性化呈現(xiàn)，使學(xué)生對知識點有全局掌握，并有效的解決了學(xué)習(xí)路徑的偏離問題，實現(xiàn)了學(xué)習(xí)的個性化支持。該方案適應(yīng)于在線學(xué)習(xí)環(huán)境中，可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況實時規(guī)劃學(xué)習(xí)路線，促進(jìn)學(xué)習(xí)效果最大化，也可以使學(xué)生實時了解自己的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)軌跡。

五、結(jié)束語

目前基礎(chǔ)教育線下活動數(shù)字化的諸多方案不能滿足核心用戶的需求，也存在家長的擔(dān)隴問題。為解決這些問題，本文提出了基于數(shù)據(jù)融合的課業(yè)考試和作業(yè)數(shù)據(jù)采集方案和知識地圖提供個性化學(xué)習(xí)支持的方案。該方案教師的教學(xué)和閱卷習(xí)慣，也沒有改變學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，即可對學(xué)生的考試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。針對教育中不能實現(xiàn)個l生化支持的問題，本文提出了基于知識地圖的學(xué)習(xí)路徑偏離判斷和糾正方法，該方法可視化顯示學(xué)科知識點，使學(xué)生對知識點有全局的掌握，并可以記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、判斷路徑偏離并予以糾正。本文提出的所有方案均已在試點小學(xué)進(jìn)行實施驗證，取得了較好的效果。