基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)教學(xué)可視化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)教學(xué)；數(shù)據(jù)可視化；大數(shù)據(jù)；個(gè)性化學(xué)習(xí)；軟件開(kāi)發(fā)

0 引言

隨著教育信息化發(fā)展，精準(zhǔn)教學(xué)逐漸成為教育領(lǐng)域新趨勢(shì)，“云物大智”技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)智慧教育的常態(tài)化和深度應(yīng)用。精準(zhǔn)教學(xué)主要解決傳統(tǒng)“一刀切”教學(xué)模式不能滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需求的問(wèn)題，受到產(chǎn)、學(xué)、研等多方面關(guān)注。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，面對(duì)海量信息高校教育者較難高效、準(zhǔn)確地把握教學(xué)進(jìn)度、學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)等情況，而作為教育數(shù)據(jù)分析利器的精準(zhǔn)教學(xué)可視化，將復(fù)雜的教學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖表，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可讀性和可用性，輔助實(shí)時(shí)追蹤教學(xué)進(jìn)度和狀態(tài)變化，幫助教育者及時(shí)干預(yù)和調(diào)控，促進(jìn)教育決策的科學(xué)性和精準(zhǔn)性。目前，國(guó)內(nèi)外精準(zhǔn)教學(xué)可視化研究取得顯著進(jìn)展，許多創(chuàng)新性的可視化方法和模型被提出[1-2]，但還存在可視化程度低、精度和準(zhǔn)確性受限、缺乏個(gè)性化分析等問(wèn)題，本文結(jié)合精準(zhǔn)教學(xué)目標(biāo)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)和流行的Web開(kāi)發(fā)框架實(shí)現(xiàn)多維教學(xué)信息可視化，展示更準(zhǔn)確、更豐富的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

1 精準(zhǔn)教學(xué)與數(shù)據(jù)可視化

1.1 精準(zhǔn)教學(xué)

精準(zhǔn)教學(xué)是由美國(guó)學(xué)者奧格登·林斯利（OgdenLindsley）于20世紀(jì)60年代提出[3-4]，其思想可追溯到孔子的“因材施教”和蘇格拉底的“啟發(fā)式教學(xué)”?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)教學(xué)是用大數(shù)據(jù)和智能技術(shù)開(kāi)展差異性和個(gè)性化教學(xué)，依托于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、個(gè)性化推薦等新興技術(shù)。它是一種基于科學(xué)數(shù)據(jù)分析、動(dòng)態(tài)評(píng)估和優(yōu)化決策的數(shù)字化、智能化教學(xué)范式，以教學(xué)全過(guò)程數(shù)據(jù)積累和融合為前提，以數(shù)據(jù)分析與挖掘?yàn)橹饕侄?，通過(guò)挖掘?qū)W習(xí)者的個(gè)性特征和教學(xué)規(guī)律，推薦有針對(duì)性的教學(xué)方案和資源，最終達(dá)到教師精準(zhǔn)地“教”、學(xué)生精準(zhǔn)地“學(xué)”。

1.2 數(shù)據(jù)可視化

所謂“一圖勝千言”，當(dāng)大數(shù)據(jù)以直觀的可視化圖形展示時(shí)，人類(lèi)往往能夠一眼洞悉數(shù)據(jù)背后隱藏的信息并轉(zhuǎn)化為知識(shí)及智慧[5-6]。數(shù)據(jù)可視化（Visualiza?tion） 是指信息和數(shù)據(jù)的圖形化表示，是利用圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像顯示，再進(jìn)行交互處理的技術(shù)、理論和方法[7]，也是解釋大量數(shù)據(jù)最有效的手段之一。依據(jù)表現(xiàn)形式分為圖表類(lèi)、圖形類(lèi)、地圖類(lèi)、文本類(lèi)等，按照表示目的和方式分為描述性、探索性、解釋性、交互式等可視化。數(shù)據(jù)可視化在金融、商業(yè)、教育、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，特別是在教育領(lǐng)域與精準(zhǔn)教學(xué)結(jié)合，更直觀、精準(zhǔn)地展示學(xué)習(xí)行為、教學(xué)效果、教學(xué)資源配置等分析結(jié)果，高效挖掘教育大數(shù)據(jù)所反映的學(xué)生個(gè)性、教學(xué)規(guī)律及內(nèi)在聯(lián)系和趨勢(shì)。

2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)教學(xué)可視化系統(tǒng)采用前后端分離開(kāi)發(fā)模式，前端采用整合ECharts可視化圖標(biāo)庫(kù)的VUE框架，后端使用Spring Boot框架，前后端通過(guò)HTTP 請(qǐng)求和響應(yīng)實(shí)現(xiàn)交互，Web API 接口符合RESTful API規(guī)范，使用HTTPS協(xié)議和數(shù)據(jù)加密算法確保交互過(guò)程中數(shù)據(jù)的安全。

構(gòu)建高效、可靠的可視化系統(tǒng)需要綜合考慮數(shù)據(jù)的來(lái)源、處理、存儲(chǔ)和展示，本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想、服務(wù)器后端、可視化前端、移動(dòng)客戶端、可視化圖表庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)等方面分析，選擇適合的工具和技術(shù)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可視化效果的有效性。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

（1） 采用前后端分離的開(kāi)發(fā)模式，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

（2） 選擇成熟穩(wěn)定的開(kāi)源框架，確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。

（3） 以用戶為中心，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔易用的可視化界面。

（4） 以精準(zhǔn)教學(xué)為目標(biāo)，通過(guò)多維可視化圖表輔助精準(zhǔn)教學(xué)決策。

2.2 服務(wù)器后端

Spring Boot是基于spring搭建、功能強(qiáng)大且易于使用的開(kāi)源框架，不僅繼承了Spring框架原有的優(yōu)秀特性，還具備微服務(wù)支持、監(jiān)控和管理、內(nèi)置安全性等優(yōu)點(diǎn)。Spring Boot簡(jiǎn)化配置、搭建及開(kāi)發(fā)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建和部署高質(zhì)量的Spring應(yīng)用程序。Spring Boot 基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)配置包括：JDK（Java開(kāi)發(fā)工具集）、IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）以及自動(dòng)化構(gòu)建工具等。

2.3 可視化前端

大數(shù)據(jù)可視化工具種類(lèi)繁多，包括但不限于Tab?leau、D3.js、Python、DataV等，這些工具通過(guò)各種圖表表示數(shù)據(jù)的分布、趨勢(shì)和關(guān)聯(lián)關(guān)系等。為滿足圖表豐富、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖表更新及時(shí)、不卡頓等功能和性能需求，精準(zhǔn)教學(xué)可視化前端采用VUE框架。VUE輕量化框架是基于標(biāo)準(zhǔn)HTML、CSS和JavaScript構(gòu)建的漸進(jìn)式JavaScript框架，以自底向上逐漸增加的方式構(gòu)建應(yīng)用程序，適用于構(gòu)建單頁(yè)面應(yīng)用和復(fù)雜的用戶界面。VUE擁有一個(gè)強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)，提供了豐富的工具和特性，易學(xué)易用，性能出色，且使用WebSocket協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，減少網(wǎng)絡(luò)延遲。

2.4 移動(dòng)客戶端

移動(dòng)端可視化主要包括Android、iOS、小程序及H5的可視化。為應(yīng)對(duì)不同設(shè)備類(lèi)型、操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，移動(dòng)可視化開(kāi)發(fā)采用“原生+UniApp”開(kāi)發(fā)模式。Uni-App是一個(gè)跨平臺(tái)的前端開(kāi)發(fā)框架，它使用同一套代碼基礎(chǔ)構(gòu)建面向多個(gè)平臺(tái)的應(yīng)用，減少開(kāi)發(fā)量，提高開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。移動(dòng)開(kāi)發(fā)工具主要有Android Studio、Xcode、VSCode及HBuilder X等，可以快速實(shí)現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和打包。

2.5 可視化圖表庫(kù)

ECharts是一款基于JavaScript的開(kāi)源可視化圖表庫(kù)，提供直觀、豐富、個(gè)性化的交互式圖表，如折線圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖、餅圖、地圖等。它兼容眾多瀏覽器，流暢地運(yùn)行在PC和移動(dòng)設(shè)備上，也因高度可定制、跨平臺(tái)支持、可視化效果好、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

2.6 數(shù)據(jù)庫(kù)

精準(zhǔn)教學(xué)可視化系統(tǒng)采用“SpringBoot+VUE+MySql+Redis”，可視化數(shù)據(jù)主要由MySQL和Redis負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互和存儲(chǔ)管理。而精準(zhǔn)教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)包含關(guān)系和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)（如HDFS、HBase 等），數(shù)據(jù)源和大數(shù)據(jù)分析結(jié)果部分存儲(chǔ)在非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。為了精準(zhǔn)教學(xué)平臺(tái)和可視化系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的流通和交互，使用數(shù)據(jù)遷移工具Sqoop完成關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)間數(shù)據(jù)的傳輸與同步工作，如圖1所示。

MySQL是一款流行的開(kāi)源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（RDBMS） ，具備高性能、可擴(kuò)展性和易用性，在Web 應(yīng)用方面表現(xiàn)出色。Redis（Remote Dictionary Server） 即遠(yuǎn)程字典服務(wù)，是基于內(nèi)存的高性能鍵值對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)訪問(wèn)頻繁、計(jì)算量大的網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容和數(shù)據(jù)，減少對(duì)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)壓力。

3 可視化需求分析

（1） 學(xué)習(xí)狀態(tài)和潛力可視化

通過(guò)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)和潛力的可視化，幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)自己，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；輔助教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生的隱藏問(wèn)題和優(yōu)勢(shì)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，制定更個(gè)性化的教學(xué)計(jì)劃和針對(duì)性指導(dǎo)[8]；幫助家長(zhǎng)全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)情況，促進(jìn)家校共育良好氛圍的形成。

（2） 教學(xué)質(zhì)量可視化

從教學(xué)過(guò)程和教學(xué)成果兩方面量化教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)過(guò)程可視化是對(duì)教學(xué)過(guò)程指標(biāo)的分析結(jié)果數(shù)據(jù)可視化，以課堂活躍度、學(xué)生參與度等反映教學(xué)方法的多樣性和有效性。教學(xué)成果以教師成果和學(xué)生成績(jī)體現(xiàn)，通過(guò)科研成果、成績(jī)對(duì)比、教學(xué)評(píng)價(jià)和獲獎(jiǎng)榮譽(yù)等圖表揭示教師的教研能力和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（3） 教學(xué)資源可視化

教學(xué)資源可視化主要是對(duì)教學(xué)資源的類(lèi)別、訪問(wèn)量、下載量、互動(dòng)頻次等數(shù)據(jù)展示，例如，通過(guò)各專(zhuān)業(yè)的教學(xué)資源分配及使用情況的散點(diǎn)圖，把握不同學(xué)生群體對(duì)資源的偏好和需求，優(yōu)化教學(xué)資源配置。

（4） 教學(xué)內(nèi)容可視化

將課程內(nèi)容以直觀、生動(dòng)的方式展示給學(xué)生，不僅幫助學(xué)生較好地理解和掌握知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率，還便于教師創(chuàng)建教學(xué)內(nèi)容知識(shí)圖譜，構(gòu)造多樣性、科學(xué)性的課程知識(shí)體系，滿足日益?zhèn)€性化的教學(xué)需求。

（5） 用戶交互

用戶交互是精準(zhǔn)教學(xué)可視化一個(gè)復(fù)雜而重要的過(guò)程，目的是讓用戶更便捷地理解和操作數(shù)據(jù)，通過(guò)易用的交互方式和界面提高用戶體驗(yàn)。

（6） 數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)

在收集和使用教學(xué)及師生數(shù)據(jù)的過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)的法律法規(guī)和隱私保護(hù)政策，確保高校數(shù)據(jù)安全、師生隱私不受侵犯。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)各種類(lèi)別（對(duì)比、占比、分布、趨勢(shì)走向、關(guān)聯(lián)等）圖表實(shí)現(xiàn)以教師、學(xué)生、教學(xué)資源為維度的精準(zhǔn)教學(xué)分析結(jié)果可視化。

4.1 學(xué)生數(shù)據(jù)可視化與實(shí)現(xiàn)（如圖2）

（1） 學(xué)習(xí)目標(biāo)可視化

以目標(biāo)長(zhǎng)遠(yuǎn)、重要程度為權(quán)重的占比類(lèi)圖表（如詞云圖）展示學(xué)生的規(guī)劃目標(biāo)，幫助學(xué)生合理規(guī)劃學(xué)習(xí)時(shí)間，消除迷茫，緩解焦慮。

（2） 學(xué)習(xí)態(tài)度可視化

是否主動(dòng)參與課堂活動(dòng)、是否愿意尋求額外學(xué)習(xí)資源、是否具備良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣等都是衡量學(xué)習(xí)態(tài)度的重要依據(jù)。使用對(duì)比類(lèi)圖表（如條形圖、柱狀圖等）展示學(xué)生的考勤、作業(yè)及課堂互動(dòng)頻率，從中了解學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，課程學(xué)習(xí)時(shí)間的分布類(lèi)圖則體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣、自律性和專(zhuān)注力。

（3） 學(xué)習(xí)效果可視化

教育者從期末成績(jī)、作業(yè)成績(jī)、成績(jī)排名的對(duì)比類(lèi)圖中把握每個(gè)學(xué)期學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，通過(guò)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的趨勢(shì)圖明晰學(xué)生的學(xué)習(xí)變化和成長(zhǎng)軌跡，挖掘?qū)W生個(gè)性和學(xué)習(xí)規(guī)律。

（4） 綜合評(píng)價(jià)

以雷達(dá)圖展示學(xué)生在多個(gè)能力維度上的綜合表現(xiàn)，如學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、思維能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、技能素養(yǎng)等。

4.2 教師數(shù)據(jù)可視化與實(shí)現(xiàn)

（1） 教學(xué)能力可視化

從教學(xué)排名、教學(xué)任務(wù)量、課堂活躍度、工作滿負(fù)荷度等方面展現(xiàn)教師的教學(xué)方法運(yùn)用和教學(xué)組織能力。以教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃、就業(yè)需求的匹配度反映教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性與發(fā)展性。

（2） 專(zhuān)業(yè)能力可視化

以教師科研量、科研成果、授課知識(shí)專(zhuān)業(yè)度等數(shù)據(jù)可視化體現(xiàn)教師的專(zhuān)業(yè)能力和科研水平。

（3） 教學(xué)效果可視化

如圖3所示，用教師的個(gè)人榮譽(yù)、授課進(jìn)度、學(xué)生成績(jī)分布、教學(xué)評(píng)價(jià)等綜合量化教師“德、能、勤”方面的業(yè)績(jī)，分析教師的優(yōu)缺點(diǎn)并生成檢測(cè)報(bào)告，輔助教師自我完善、自我提高。

4.3 教學(xué)資源數(shù)據(jù)可視化與實(shí)現(xiàn)

教學(xué)資源可視化主要展示教學(xué)資源的多樣性、科學(xué)性及輔助教學(xué)的效果，如圖4所示。通過(guò)教學(xué)資源可視化高校管理者掌握教學(xué)資源類(lèi)別、資源狀態(tài)變化及各專(zhuān)業(yè)資源使用情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估教學(xué)情況；學(xué)生依據(jù)學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)進(jìn)度選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)資源自主學(xué)習(xí)；教師通過(guò)教學(xué)資源評(píng)價(jià)和專(zhuān)業(yè)課程需求優(yōu)化教學(xué)資源配置，為學(xué)生提供更加豐富、多樣的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高師生與教學(xué)資源的時(shí)空協(xié)調(diào)度。

4.4 綜合數(shù)據(jù)可視化與實(shí)現(xiàn)

（1） 教學(xué)內(nèi)容分析可視化

課程知識(shí)圖譜以“知識(shí)地圖”形式展示知識(shí)點(diǎn)的重要程度和知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系，呈現(xiàn)整個(gè)學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)和脈絡(luò)。它幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)、查漏補(bǔ)缺、建立完整的知識(shí)體系，協(xié)助教師深入理解和把握課程內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)更高效率的智慧教學(xué)，如圖5所示。

（2） 綜合教學(xué)可視化

通過(guò)師資隊(duì)伍、比賽獲獎(jiǎng)數(shù)量及級(jí)別、就業(yè)數(shù)據(jù)等可視化反映高校綜合教學(xué)質(zhì)量和專(zhuān)業(yè)特色。

（3） 大數(shù)據(jù)智能化分析

智能化分析是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和智能化手段對(duì)教學(xué)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，通過(guò)大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程跟蹤，及時(shí)預(yù)測(cè)教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)施預(yù)警和應(yīng)對(duì)策略；利用機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等智能化手段，構(gòu)建學(xué)生畫(huà)像、學(xué)習(xí)路徑分析、學(xué)習(xí)成效預(yù)測(cè)等模型，挖掘?qū)W生特性、教學(xué)規(guī)律和趨勢(shì)，全面把握和精準(zhǔn)評(píng)估教學(xué)狀態(tài)。精準(zhǔn)教學(xué)推薦系統(tǒng)依據(jù)學(xué)生畫(huà)像推薦更精準(zhǔn)、個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)路徑。綜合分析可視化如圖6所示。

4.5 關(guān)鍵代碼

5 總結(jié)

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)教學(xué)可視化融合了教育學(xué)、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化及人工智能等多領(lǐng)域技術(shù)，通過(guò)Web開(kāi)發(fā)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的配合與協(xié)作實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生和教學(xué)資源等數(shù)據(jù)可視化功能，用各種圖表展現(xiàn)教育大數(shù)據(jù)所隱藏的學(xué)生特性、教學(xué)規(guī)律等頗有價(jià)值的信息，輔助教育者科學(xué)調(diào)整教學(xué)策略，實(shí)施更精準(zhǔn)、個(gè)性化的教學(xué)方案，讓教學(xué)由“非定量”轉(zhuǎn)向“可量化”，由“主觀性”轉(zhuǎn)向“客觀性”。但是，精準(zhǔn)教學(xué)可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全性、數(shù)據(jù)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)可視化性能有待提高，未來(lái)將引入虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)清洗等前沿技術(shù)和更智能化的分析模型進(jìn)行優(yōu)化，以更高性能、精準(zhǔn)化、智能化的可視化系統(tǒng)推動(dòng)教育變革。