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)

畢夏安 邢兆旭 胡溪 周雯燕

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。

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

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-1472（2021）-09-48-03

Abstract： The rapid progress of artificial intelligence and big data has brought new development conditions for contemporary education industry. At present， however， educational big data has problems such as difficult collection and inadequate utilization. Accordingly， this paper proposes to build a collection and analysis platform for educational big data that can collect and integrate student data and teaching data to comprehensively mine students' personalized learning condition through Hadoop， spark and other big data analysis frameworks. Further， this paper proposes a precision teaching practice mode driven by big data and coordinated by online and offline guidance. The research content contributes to the collaborative development of big data technology and college teaching quality， and promotes the development of precision teaching practice models in big data era.

Keywords： artificial intelligence; educational big data; precision teaching

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?；谏鲜霰尘埃疚脑O(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?；顒?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，因需制宜進(jìn)行教學(xué)計(jì)劃的靈活調(diào)整;除此之外，也要提升教師的數(shù)據(jù)意識(shí)，逐漸形成用數(shù)據(jù)輔助教育的理念。

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作者簡(jiǎn)介：

畢夏安（1981-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，腦科學(xué)與人工智能.

邢兆旭（1997-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，腦科學(xué)與人工智能.

胡? 溪（1998-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，腦科學(xué)與人工智能.

周雯燕（1998-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，腦科學(xué)與人工智能.