張 妤 楊 松 劉祉祺
(1. 東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院, 哈爾濱 150040)(2. 東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院, 沈陽 110000)
2020年突如其來的新冠肺炎疫情,導(dǎo)致大學(xué)生們的春季學(xué)期為網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)。雖然實現(xiàn)了停課不停學(xué),但是在新的網(wǎng)絡(luò)授課模式下,教師與學(xué)生在空間上是分離的,教師缺乏有效的手段去掌握學(xué)生學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)動態(tài)。這就導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳,成績下降,出現(xiàn)了諸如:學(xué)生時間管理不合理,效率低;在巨量的網(wǎng)絡(luò)資源面前,學(xué)生不知從何學(xué)起;學(xué)習(xí)過程中持續(xù)動力不足,易放棄,學(xué)習(xí)興趣不濃等問題。分析其原因,其中很重要的一條就是缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的深入分析。所以為了在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中實現(xiàn)因材施教,必須考慮采用何種方法從學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)判斷大學(xué)生們的學(xué)習(xí)風(fēng)格。如今,在后疫情時代,網(wǎng)絡(luò)授課并沒有停止,而是更廣泛地應(yīng)用于線上線下混合式教學(xué)。因而對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格的研究也是有著重要意義的。
對于學(xué)習(xí)風(fēng)格的研究,國外學(xué)者們研究起步較早,觀點較為成熟。早在2005年,馬來西亞的國際伊斯蘭大學(xué)就開展了對學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)的研究[1]。近年來我國相關(guān)學(xué)者也開始關(guān)注對學(xué)習(xí)風(fēng)格研究,但是顯著成果數(shù)量較少。2006年,彭文輝給出了一個基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析的學(xué)習(xí)平臺結(jié)構(gòu),但沒有用數(shù)據(jù)驗證其有效性[2]。2012年,魏順平根據(jù)網(wǎng)絡(luò)日志,探索在線學(xué)習(xí)行為的影響因素[3],但并沒有對學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格進行劃分。
目前,對于學(xué)習(xí)風(fēng)格的研究,大多采用的方法有兩個:①協(xié)作,用問卷調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)建立模型判斷學(xué)習(xí)風(fēng)格,但問卷帶有主觀性,不能反映出學(xué)生的真實風(fēng)格;②自動識別,通過對學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的自動采集,利用一定的計算規(guī)則,大多采用機器學(xué)習(xí)算法計算其學(xué)習(xí)風(fēng)格,比如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,但在數(shù)據(jù)的獲取方面存在一定的困難[4]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,2020年網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的大量使用很好地解決了學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)獲取的問題。
在數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域,以統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)的支持向量機(Support Vector Machines,SVM)理論,在小樣本、非線性、高維數(shù)據(jù)問題上,體現(xiàn)了良好的建模性能,預(yù)測結(jié)果也更加準(zhǔn)確。但其參數(shù)設(shè)置會對預(yù)測結(jié)果有較大影響,因而考慮優(yōu)化SVM網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。灰狼算法(Grey Wolf Optimization,GWO)具有良好的自組織學(xué)習(xí)性,而且參數(shù)簡單、全局搜索能力強、收斂速度快、易于實現(xiàn)[5]。因此,采用灰狼算法對支持向量機進行優(yōu)化,建立學(xué)習(xí)風(fēng)格預(yù)測模型。
因此,基于GWO-SVM算法,利用在線學(xué)習(xí)平臺采集學(xué)生在線學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù),從多個維度構(gòu)建大學(xué)生的在線學(xué)習(xí)風(fēng)格模型,利用此預(yù)測模型對大學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格進行劃分,從而可針對性地為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)內(nèi)容和方法,提高學(xué)習(xí)效率,優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗。對于學(xué)生自身,能幫助其發(fā)現(xiàn)潛在的學(xué)習(xí)風(fēng)格,對于教師,能幫助其了解教學(xué)動態(tài),可動態(tài)調(diào)整教學(xué)方案,實現(xiàn)因材施教的個性化教學(xué),也可為大規(guī)模、個性化和高質(zhì)量的下一代智能學(xué)習(xí)平臺提供技術(shù)支撐。
1954年,“學(xué)習(xí)風(fēng)格”由美國學(xué)者哈伯特·塞倫扭首次提出,被稱為“現(xiàn)代教學(xué)的真正基礎(chǔ)”。但國內(nèi)外學(xué)者們并沒有給出其明確的定義。Kimela認(rèn)為“學(xué)習(xí)風(fēng)格是指個體長期堅持的一種偏愛方式,該方式是學(xué)習(xí)者在處理和分析獲取的知識的進程中所表現(xiàn)出來的慣有的方式”[6]。
目前,國內(nèi)學(xué)者引用較多的是譚頂良教授對此概念的定義,他指出“學(xué)習(xí)風(fēng)格是個體學(xué)習(xí)者所表現(xiàn)出的持續(xù)性的學(xué)習(xí)方式,囊括了學(xué)習(xí)者的在學(xué)習(xí)過程中的策略和傾向,展現(xiàn)出了學(xué)習(xí)者鮮明的個性”[7]。將上述學(xué)者們的觀點進行歸納,可發(fā)現(xiàn)一個共同點,那就是學(xué)者們普遍認(rèn)為學(xué)習(xí)風(fēng)格是學(xué)習(xí)者相對穩(wěn)定的學(xué)習(xí)方式,該學(xué)習(xí)方式能夠通過一定的學(xué)習(xí)行為進行展現(xiàn)。
學(xué)習(xí)風(fēng)格理論為劃分學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格提供了基礎(chǔ)。國內(nèi)外的學(xué)者都試圖從學(xué)習(xí)者個體的差異性進行分析和研究,以此來確定學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格,從而更好地進行個性化的教學(xué)。目前比較有影響力的學(xué)習(xí)風(fēng)格劃分模型有以下幾種[8]:
1)Kolb模型
Kolb將學(xué)習(xí)風(fēng)格置于學(xué)習(xí)過程中,并根據(jù)學(xué)習(xí)風(fēng)格的知覺和加工動力特征,將學(xué)習(xí)風(fēng)格劃分為聚合型、同化型、發(fā)散型、順應(yīng)型[9]。
2)lotas模型
勞特斯lotas根據(jù)心理的類型,將學(xué)習(xí)風(fēng)格劃分為四種類型:情感Ⅰ、情感Ⅱ、認(rèn)知Ⅰ、認(rèn)知Ⅱ等四種類型[10]。
3)Felder-Silverman模型(簡稱FSLSM)
Felder-Silverman模型是由Felder和Silverman在1997年開發(fā)的,也是目前為止使用為廣泛的學(xué)習(xí)風(fēng)格模型,該模型的主要研究內(nèi)容有自適應(yīng)的用戶建模、分析學(xué)習(xí)風(fēng)格、推薦學(xué)習(xí)策略等,如表1所示[11]。
表1 Felder-Silverman學(xué)習(xí)風(fēng)格模型
FSLSM因其具備良好的信度與效度,被許多教育領(lǐng)域的專家所認(rèn)可,其可靠實用的效果也已被證實,尤其適用于分析網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的學(xué)習(xí),所以采用FSLSM。
1)信息加工維度
活躍型,較多地利用學(xué)習(xí)資源協(xié)助學(xué)習(xí),喜歡與別人溝通。喜歡在論壇中討論、解答問題,發(fā)帖量較大,訪問時間較長,經(jīng)常參加課堂互動。
沉思型,喜歡獨自解決問題,在做決策或采取行動之前傾向于仔細思考。在論壇中讀貼量較大,少有發(fā)帖;傾向于認(rèn)真分析每個問題,確定無誤后提交答案,提交作業(yè)或測試時間較長。
2)信息感知維度
感悟型,喜歡事實和具體的學(xué)習(xí)材料,比較細心。在交作業(yè)前認(rèn)真檢查,提交時間更長。傾向于用更多的文字來表達,通過在討論區(qū)發(fā)帖、回帖等行為來解決問題。
直覺型,思維更加靈活創(chuàng)新一些。關(guān)注抽象概念事物,訪問課程大綱的次數(shù)多、時間多,參加安排好的測試次數(shù)較少。
3)信息輸入維度
視覺型,查看知識樹圖表、學(xué)習(xí)視頻等學(xué)習(xí)資源的時間多、次數(shù)多。視頻反芻比高。
言語型,善于閱讀文本類型學(xué)習(xí)資源,任務(wù)點完成率高。發(fā)帖、看帖多。
4)信息理解維度
綜合型,傾向于全局思考,訪問教學(xué)大綱、知識點總結(jié)的次數(shù)多、時間長。學(xué)習(xí)天數(shù)多。
序列型,傾向于按照序列進行學(xué)習(xí),點擊上一頁、下一頁導(dǎo)航按鈕的次數(shù)多。
由Vapnik等提出的支持向量機(SVM),在小樣本、非線性、高維數(shù)據(jù)問題上,體現(xiàn)了良好的建模性能,預(yù)測結(jié)果也更加準(zhǔn)確[12]。
對于一個線性可分的二分類問題,SVM實質(zhì)上就是尋找一個使兩類樣本分布在兩側(cè)的且距離超平面最遠的一個分類超平面。
設(shè)兩類訓(xùn)練樣本集為:
{(x1,y1),(x1,y2),…,(xn,yn)}
其中,n表示樣本數(shù),xi是第i個樣本v維特征空間輸入值,yi∈{-1,1}。
在線性可分的情況下,SVM求解的最優(yōu)超平面就可以轉(zhuǎn)化為以下的約束優(yōu)化問題:
(1)
s.t.yi(ω·xi+b)≥1,i=1,2,…,l
式中:ω代表的是所求解的最優(yōu)超平面的法向量;b為偏移量,ωx+b=0就是要尋找的最優(yōu)超平面。
若樣本為線性不可分,SVM則用非線性映射Φ,將樣本從現(xiàn)有空間映射到更高維的空間Ω上,在Ω內(nèi)就轉(zhuǎn)化成線性可分的問題,可在Ω空間內(nèi)求出最優(yōu)分類平面。但是,核函數(shù)必須滿足Mercer條件,即:
k(xi,xy)=Φ(xi)·Φ(xj)
(2)
綜上所述,通過選擇適當(dāng)?shù)暮撕瘮?shù)k(xi,xj),便可以實現(xiàn)對非線性樣本的線性分類。在引入松弛變量ξi后,原分類面方程可表示為:
yi(ω·Φ(xi)+b)≥1-ξ,i=1,2,…,n
(3)
式中:ω是分類平面的權(quán)系數(shù)向量;b為分類的域值。最優(yōu)分類面的問題就可以被轉(zhuǎn)化為:
(4)
式中:C為懲罰因子,它控制著模型的復(fù)雜度以及逼近誤差。
在引入Lagrange乘法算子之后,最優(yōu)超平面的問題就可以轉(zhuǎn)化為對偶二次規(guī)劃問題,同時將核函數(shù)的內(nèi)積轉(zhuǎn)換代入,式(3)就可以被轉(zhuǎn)換為如下:
(5)
最終的最優(yōu)分類面函數(shù)就表示為:
(6)
1)算法概述
2014年,Mirjalili提出了灰狼優(yōu)化(GWO)算法,模擬狼群家族的社會制度和狩獵策略,以迭代的方式不斷尋找最優(yōu)值的一種群優(yōu)化算法。具有結(jié)構(gòu)簡單、收斂快速等優(yōu)點。
狼以群居為主,每個狼群中平均有7~12只狼,具有較為嚴(yán)格的等級制度[13]。按社會地位高低依次定義α、β、δ、ω狼,α為頭狼,β是α的顧問,δ聽從α和β的指示,ω負(fù)責(zé)跟蹤圍捕獵物。
頭狼α帶領(lǐng)捕食活動,首先狼群以團隊形式對獵物進行跟蹤、追趕、靠近,然后從各個方向包圍并恐嚇獵物直到獵物停止運動,最后攻擊獵物。
2)數(shù)學(xué)模型
D為狼群與獵物的距離,其數(shù)學(xué)模型用公式(7)表示,狼群會根據(jù)獵物位置和D更新其位置,用公式(8)表示:
D=|C·XP(t)-X(t)|
(7)
X(t+1)=XP(t)-A·D
(8)
式中:X為狼的位置向量;Xp為獵物的位置向量;t為當(dāng)前迭代步;可調(diào)整系數(shù)向量A、C,使狼可以到達獵物周圍的不同位置,可用公式(9)和(10)計算。
A=2ar1-a
(9)
C=2r2
(10)
式中:a在迭代過程中,從2到0線性減??;r1和r2為[0,1]之間的隨機向量。
設(shè)主導(dǎo)整個圍捕過程的是α,β和δ,而且α狼的位置是最優(yōu)的,其次是β,最后是δ。α,β和δ對獵物的潛在逃竄位置有較好的洞察能力。首先,確定α,β和δ到獵物的距離,如公式(11)所示,再根據(jù)式(12)移動到下一步的位置,ω則根據(jù)這3頭位置最好的狼來更新自己的位置。由以上方法,迭代計算,直至滿足終止條件,便可得到優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)解、次優(yōu)解等。
Da=|C1·Xa-X|,Dβ=|C2·Xβ-X|,Dδ=|C3·Xδ-X|
(11)
X1=Xα-DαA1,X2=Xβ-DβA2,X3=Xδ-DδA3,
(12)
(13)
在SVM模型中,參數(shù)有重要作用,人為給定會導(dǎo)致結(jié)果不理想,所以優(yōu)化參數(shù)是很必要的。利用GWO優(yōu)化SVM中懲罰因子C和核參數(shù)σ這兩個參數(shù),這樣可以有效地提高SVM模型的準(zhǔn)確率。GWO優(yōu)化SVM參數(shù)流程如圖1所示。
圖1 GWO優(yōu)化SVM參數(shù)流程
基于以上分析,選擇學(xué)生登錄學(xué)習(xí)平臺的時間、課程互動、作業(yè)提交時間、視頻觀看時長、發(fā)帖數(shù)、視頻反芻比、章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)、回帖數(shù)、任務(wù)點完成數(shù)、訪問大綱次數(shù)等學(xué)習(xí)參數(shù),作為量化學(xué)習(xí)行為的重要指標(biāo)。在FSLSM學(xué)習(xí)風(fēng)格模型的四大維度上,基于GWO-SVM模型對學(xué)習(xí)風(fēng)格進行預(yù)測,流程如圖2所示。
圖2 基于GWO-SVM的學(xué)習(xí)風(fēng)格預(yù)測流程
研究對象為東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院“電機與拖動”在線課程的學(xué)生,在2020年春季4個月的學(xué)習(xí)過程中的10種學(xué)習(xí)行為變量為輸入變量,采集了164組數(shù)據(jù),因SVM模型對[0,1]范圍內(nèi)數(shù)據(jù)十分敏感,首先進行歸一化處理,將其中50%作為訓(xùn)練集,50%作為測試集。然后使用訓(xùn)練集建立基于GWO-SVM的學(xué)習(xí)風(fēng)格預(yù)測模型。核函數(shù)選取RBF,懲罰參數(shù)C和核函數(shù)參數(shù)σ用上述灰狼算進行優(yōu)化,直至滿足迭代終止條件,設(shè)狼群數(shù)為10,最大迭代次數(shù)為10,參數(shù)C和σ的搜索區(qū)間為[0.01,100]。最后,用測試集對學(xué)習(xí)風(fēng)格模型的準(zhǔn)確性進行評估。分類目標(biāo)屬性分別是各個學(xué)習(xí)風(fēng)格維度屬性。
分別通過問卷調(diào)查和GWO-SVM算法兩種方法對學(xué)習(xí)風(fēng)格進行分類,得到了相同的80名大學(xué)生的兩組學(xué)習(xí)風(fēng)格數(shù)據(jù),具體情況如表2所示。
從表2數(shù)據(jù)中,首先可看出,兩種方法的分類結(jié)論是一致的,該學(xué)期“電機與拖動”大部分被測學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格為活躍型、感悟型、視覺型與綜合型。但是兩種方法預(yù)測結(jié)果在數(shù)值上是存在差異的,分析其原因歸結(jié)為:其一,學(xué)生對自身的學(xué)習(xí)行為認(rèn)識不夠,調(diào)查問卷帶有一定的主觀性,對自己潛在的學(xué)習(xí)風(fēng)格并不自知;其二,影響網(wǎng)絡(luò)風(fēng)格的因素是十分復(fù)雜的,只選取了十個網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行參數(shù)作為GWO-SVM網(wǎng)絡(luò)輸入,因而會帶來兩種預(yù)測結(jié)果的差異。所以,為了更客觀地劃分學(xué)生在線學(xué)習(xí)風(fēng)格,弱化主觀因素對其影響,對于兩種方法有不同學(xué)習(xí)風(fēng)格劃分結(jié)果的學(xué)生,課程按照GWO-SVM算法預(yù)測結(jié)果分類。
表2 學(xué)習(xí)風(fēng)格分類比較
其次,觀察表2中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)同一維度中,問卷調(diào)查結(jié)果人數(shù)相差越小,方法的差異率越小。如視覺型/言語型,問卷結(jié)果為54人/26人,差異率最低為7.5%。分析其原因,是有充分的訓(xùn)練數(shù)據(jù)對應(yīng)兩種風(fēng)格,因而差異率越小。因而采集訓(xùn)練數(shù)據(jù)時,盡量平均對應(yīng)兩種風(fēng)格。
最后,從表2的劃分結(jié)果可以看出,學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格偏向于感悟型和視覺型,這就引導(dǎo)授課教師在建設(shè)課程時,應(yīng)多加一些視頻素材,PPT中多一些動畫素材等。同時,在整理學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)時,教師能夠根據(jù)學(xué)生對課程資源的利用情況,合理增減資源。
在以上學(xué)習(xí)風(fēng)格分類劃分的過程中,同時對大學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行了分析。如圖三所示,為學(xué)生4月份的章節(jié)學(xué)習(xí)數(shù)量統(tǒng)計圖,從圖3中可以看出,學(xué)生在上課前1天和上課當(dāng)天的學(xué)習(xí)量較大,課后1天明顯下降,呈規(guī)律性變化。并且學(xué)習(xí)量與課程難易程度成正比。
這說明學(xué)生可以根據(jù)課前教師布置的預(yù)習(xí)任務(wù),積極地自主學(xué)習(xí)。這些數(shù)據(jù)對教師來說是一個非常棒的反饋,實現(xiàn)了閉環(huán)教學(xué)。
圖3 章節(jié)學(xué)習(xí)數(shù)量統(tǒng)計圖
另外,統(tǒng)計了學(xué)生在一天中每個時間段的學(xué)習(xí)次數(shù),如圖4所示。以4月30日為例是課程前一天,50%以上學(xué)生在12點前完成,90%在20點前都完成了預(yù)習(xí)任務(wù),說明大部分學(xué)生能夠很容易完成預(yù)習(xí)任務(wù),預(yù)習(xí)任務(wù)難度適中。
圖4 每日分時段學(xué)習(xí)次數(shù)統(tǒng)計
在后疫情時代,學(xué)生們的學(xué)習(xí)方式更多為線上線下混合式教學(xué)。因而,根據(jù)在線學(xué)習(xí)行為建立的學(xué)習(xí)風(fēng)格除了能優(yōu)化在線教學(xué)之外,對線下教學(xué)也是有指導(dǎo)意義的。依拖電氣工程及其自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和“電機與拖動”課程教學(xué)大綱,基于學(xué)習(xí)風(fēng)格模型和學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,教師能夠更加深入地掌握學(xué)生的基本情況、學(xué)習(xí)偏好和學(xué)習(xí)心理。該學(xué)期“電機與拖動”大部分被測學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格為活躍型、感悟型、視覺型與綜合型?;钴S型,傾向于積極做事,喜歡團隊合作;感悟型,喜歡用已有的事實來考慮和解決問題,能按照程序解決學(xué)習(xí)過程中遇到的問題;視覺型,擅長于記住圖表、照片、視頻等看到的事物;綜合型,喜歡總攬全局,再找解決問題的突破口。所以,教師適時調(diào)整和改善線下課程設(shè)計體現(xiàn)在以下三個方面。
1) 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化
在課前,教師提出預(yù)設(shè)問題,讓學(xué)生自主查找資料,采用團隊合作方式,給出解決方案。課中,重點分析難點概念,課件中增加圖表和視頻等素材。課后,要求學(xué)生將所學(xué)不同電機的相同內(nèi)容進行對比和理解,繪制知識導(dǎo)圖,強化對知識掌握。
2) 教學(xué)方法的改革
在教學(xué)方法上增加案例導(dǎo)入、討論交流和頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)。教師在授課過程中,增加實際電力拖動案例,讓學(xué)生真正地學(xué)以致用,極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。課堂授課采用問題導(dǎo)向的方式,能夠促使學(xué)生在討論交流和頭腦風(fēng)暴時推進對知識點的深入理解。
3) 教學(xué)手段的調(diào)整
在教學(xué)過程中,增加實踐環(huán)節(jié),如三相異步電動機的拆裝,對學(xué)習(xí)交流電機電樞繞組結(jié)構(gòu)及原理是非常有幫助的。另外,課件中增加動畫等視覺材料,增加學(xué)習(xí)趣味。
建立了基于GWO-SVM的多維度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)風(fēng)格模型,研究視角著眼于在線學(xué)習(xí)行為分析的各個要素層面,系統(tǒng)地分析了大學(xué)生在線學(xué)習(xí)風(fēng)格特征,完善了在線學(xué)習(xí)行為分析的指標(biāo)體系,為教師的個性化線上線下教學(xué)提供理論支持。同時,研究對學(xué)習(xí)風(fēng)格的建模方法,也可為自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。對于不同風(fēng)格的學(xué)習(xí)者,給出不同的學(xué)習(xí)方案,比如學(xué)習(xí)內(nèi)容的個性排序,學(xué)習(xí)資源的分類提供等。最終實現(xiàn)個性化教學(xué),為學(xué)習(xí)者提供愉悅的學(xué)習(xí)體驗。