面向?qū)W習(xí)分析的高職課程實訓(xùn)保障機制研究

羅劍

摘要：面向?qū)W習(xí)分析的課程實訓(xùn)保障機制是教育大數(shù)據(jù)背景下構(gòu)建高職項目教學(xué)、案例教學(xué)、工作過程導(dǎo)向教學(xué)等教學(xué)模式，強化以育人為目標(biāo)的實習(xí)實訓(xùn)考核評價的必然要求。文章詳細(xì)分析多源數(shù)據(jù)的收集方式和信息展現(xiàn)端元結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式，提出建立保障機制的信息模型和體系架構(gòu)。利用商務(wù)智能成熟的產(chǎn)品化軟件，實現(xiàn)信息整合層處理靈活多變的推理規(guī)則的要求。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)分析：課程實訓(xùn)；數(shù)據(jù)獲?。煌评硪?guī)則；信息展現(xiàn)

0、引言

高等職業(yè)教育肩負(fù)著為國民經(jīng)濟第一線輸送數(shù)以千萬計高素質(zhì)技能型人才的重任，職業(yè)能力的培養(yǎng)與形成是高職教育的核心。在以“項目導(dǎo)向，任務(wù)驅(qū)動”為課程實訓(xùn)教學(xué)理念，構(gòu)建工學(xué)結(jié)合實訓(xùn)教學(xué)體系和教學(xué)模式的過程中，如何全方位及時、客觀、準(zhǔn)確地評價實訓(xùn)教學(xué)效果，為學(xué)生、教師和教學(xué)管理者三方提供豐富和翔實的一手材料，引導(dǎo)教育各方最大限度地提高教學(xué)成效，成為教育大數(shù)據(jù)背景下必須面對的挑戰(zhàn)。一言以蔽之，就是要提供實訓(xùn)教學(xué)活動的動態(tài)分析和保障機制，幫助學(xué)生明白地學(xué)，教師明白地教，管理者有的放矢地督和導(dǎo)。

隨著教育信息化的普及和不斷深入，各種數(shù)字媒體學(xué)習(xí)輔助系統(tǒng)在教學(xué)活動中的作用日益突出，由此可以獲取大量的學(xué)生學(xué)習(xí)行為指標(biāo)數(shù)據(jù)。以浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)無線傳感網(wǎng)應(yīng)用與實踐課程為例，教學(xué)過程全程在生產(chǎn)仿真實訓(xùn)基地開展。實訓(xùn)機房擁有物聯(lián)網(wǎng)操作臺、RFID考勤系統(tǒng)、無線電子搶答系統(tǒng)、多媒體教學(xué)系統(tǒng)等輔助設(shè)備。開通課程學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)（LMS）平臺，只要可以上網(wǎng)，就能夠隨時隨地地在線學(xué)習(xí)。學(xué)生在課程實訓(xùn)過程中的表現(xiàn)和課外LMS平臺的訪問行為，自然而然地形成了實訓(xùn)教學(xué)活動的大數(shù)據(jù)集。為合理利用學(xué)習(xí)分析（learning analytics）技術(shù)手段，挖掘教育人數(shù)據(jù)背后隱含的知識，揭示教學(xué)規(guī)律提供了可能

1、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

NMC連續(xù)幾年發(fā)布的地平線報告（Horizonreport）都將學(xué)習(xí)分析視為未來若干年內(nèi)影響教育發(fā)展的主要技術(shù)之一。2011年2月LAK（TheInternational Conference on Learning Analytics andKnowledge）應(yīng)運而生，對學(xué)習(xí)分析做了較權(quán)威的定義，即“以理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)及其發(fā)生的環(huán)境為目的，對學(xué)習(xí)者及其所處情境的數(shù)據(jù)進(jìn)行的測量、收集、分析和報告”。2014年召開的LAK14強調(diào)了對學(xué)習(xí)理論和教育實踐交叉融合的密切關(guān)注，更多地側(cè)重學(xué)習(xí)分析幫助受教育者更好地學(xué)習(xí)的討論。當(dāng)前國際上學(xué)習(xí)分析的研究方向主要集中于學(xué)習(xí)分析服務(wù)（包括開放數(shù)據(jù)集服務(wù)）框架、分析方法、工具與可視化工具領(lǐng)域，處于新興和快速發(fā)展時期。國內(nèi)學(xué)術(shù)界對于學(xué)習(xí)分析的研究不多，使用“學(xué)習(xí)分析”作為關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)進(jìn)行檢索，僅檢索到20多篇文獻(xiàn)，分別來自中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫（20余篇）和優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫（2篇）等，主要集中于綜述和應(yīng)用分析?？傮w來看，我國學(xué)術(shù)界對于學(xué)習(xí)分析的研究還處于起步階段，相關(guān)研究有待進(jìn)一步挖掘和開展。

現(xiàn)階段構(gòu)建學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要包括以下兩點：①對于學(xué)習(xí)者在LMS之外的學(xué)習(xí)行為軌跡的捕捉，以及學(xué)習(xí)者物理世界數(shù)據(jù)的獲?。〝?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、多源、收集方式等）；②缺乏一個清晰、可操作、可細(xì)化的信息模型與體系架構(gòu)，學(xué)習(xí)分析的本體、元數(shù)據(jù)、核心數(shù)據(jù)集及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步研究。

2、基于學(xué)習(xí)分析技術(shù)的課程實訓(xùn)云架構(gòu)

課程實訓(xùn)保障機制的信息模型和體系架構(gòu)參見圖1。課程實訓(xùn)活動中，學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)來源4個方面，即信息感知層，由固定式RFID讀卡器、無線電子搶答器、LMS后臺記錄和教師與學(xué)生手工錄入數(shù)據(jù)組成。在云端信息整合層，學(xué)習(xí)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫是一個關(guān)系數(shù)據(jù)類型的聯(lián)機事務(wù)處理系統(tǒng)（OLTP），將信息感知層傳來的原始數(shù)據(jù)分門別類地保存在二維關(guān)系表中。為了獲得信息展現(xiàn)端元數(shù)據(jù)，需要采用合適的推理規(guī)則將學(xué)習(xí)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的二維記錄轉(zhuǎn)換至聯(lián)機分析處理系統(tǒng)（OLAP），即信息展現(xiàn)數(shù)據(jù)倉庫。隨后可以通過固定報表、隨機查詢和多維分析等動態(tài)表現(xiàn)形式傳輸至本地固定或移動終端顯示，供學(xué)習(xí)者查閱。

盡管在學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域成功應(yīng)用的產(chǎn)品有限，但是在商務(wù)智能領(lǐng)域，由于國外企業(yè)率先使用ERP系統(tǒng)且更早注重基于數(shù)據(jù)的分析和企業(yè)管理決策的支持，因此數(shù)據(jù)倉庫產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于國外企業(yè)的數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域。包括ORACLE、IBM、MICROSOFT、SAS、TERADATA、SAP等供應(yīng)商均推出了數(shù)據(jù)倉庫的商品化軟件。本研究選用SAP公司的Business Objects產(chǎn)品，具有良好的查詢和報表功能，提供多維分析技術(shù)，支持多種數(shù)據(jù)庫。特有的語義層設(shè)計工具Universe滿足構(gòu)建靈活多變的推理規(guī)則的要求。

3、面向?qū)W習(xí)分析主題的數(shù)據(jù)集

3.1數(shù)據(jù)獲取途徑

現(xiàn)代化的教學(xué)手段和教學(xué)設(shè)備決定了學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)獲取的多源性。無線傳感網(wǎng)應(yīng)用與實踐課程的現(xiàn)場教學(xué)在實訓(xùn)機房展開，并輔助以課外云教學(xué)。采用何種信息處理技術(shù)，將多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)收集整合，是首先需要考慮的問題。

1）無線電子搶答器。

無線電子搶答器記錄了學(xué)生在實訓(xùn)機房回答教師提問的搶答次數(shù)。主機（教師）基站通過無線模塊，監(jiān)聽用戶（學(xué)生）基站的信號。上位機設(shè)置計時長度發(fā)出確認(rèn)信息后所有基站進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。教師觸發(fā)開關(guān)后進(jìn)入正常搶答開始階段，搶答器開始計時，有學(xué)生搶答時計時停止，并且顯示搶答成功學(xué)號。如無違規(guī)上位機將該學(xué)號和對應(yīng)實訓(xùn)項目的搶答次數(shù)加1發(fā)往學(xué)習(xí)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫保存，并通知各基站重新進(jìn)入準(zhǔn)備階段，等待下一次搶答?；居布蒫c2500無線收發(fā)模塊、8051系列單片機、顯示屏和按鍵等組成。無線傳輸工作在2.4～2.4835GHz全球開放的ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸率12～500kbps。

2） RFID固定讀卡器。

為了獲取學(xué)生的身份標(biāo)志，使用固定式RFID讀卡器讀取校園一卡通，按照學(xué)號統(tǒng)計學(xué)生上課出勤，包括曠課、遲到或早退時長。讀卡器核心芯片為MF RC530，支持ISO/IEC14443協(xié)議，最大非接觸距離lOOmm，工作于HF頻段13.56MHz，通過串口連接上位機，配置于實訓(xùn)機房出入口等通道處。上位機將考勤信息上傳云端學(xué)習(xí)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。

3） LMS學(xué)生行為。

主流的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)如Moodle、Sakai、Blackboard等有能力去記錄學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)挖掘工具可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。由于Moodle的系統(tǒng)框架是標(biāo)準(zhǔn)模塊化，且具有代碼開源、開發(fā)模式開放性的特點，非常有利于系統(tǒng)功能的擴展，本研究選擇對Moodle平臺進(jìn)行二次開發(fā)以記錄學(xué)生在線行為。類似Google Analytics、百度統(tǒng)計的實現(xiàn)方法，編寫Javascript腳本嵌入Moodle中對應(yīng)的PHP模塊。Javascript控制頁面內(nèi)容，PHP控制數(shù)據(jù)庫瀆寫操作并把內(nèi)容顯示到頁面，二者配合實現(xiàn)學(xué)生在LMS中行為分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和匯總。使用上述方法可以統(tǒng)計頁面使用時長、頁面點擊次數(shù)、教學(xué)通知查看、是否提交實訓(xùn)報告、實訓(xùn)報告成績、發(fā)帖數(shù)、跟帖數(shù)等學(xué)生在線行為記錄。

4）主觀數(shù)據(jù)。

為了記錄學(xué)生在實訓(xùn)過程中的操作表現(xiàn)，引入課堂專注度和操作熟練度指標(biāo)，分別評估學(xué)生聽與做的行為等級。盡管在學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域?qū)τ谌绾瓮ㄟ^可視化機器自學(xué)習(xí)從學(xué)生肢體語言獲取課堂注意力、個體和群體運動一致性比較等主觀參數(shù)有較為深入的研究，但是尚沒有成熟的商業(yè)產(chǎn)品可供選擇，所以本研究仍然采用教師課內(nèi)或課后在教學(xué)管理系統(tǒng)記錄并上傳云端的方式。其他由教師記錄的參數(shù)還有回答問題準(zhǔn)確率和項目完成率。需要指出的是，為了簡化語義識別方便、建立推理規(guī)則和降低任課教師的工作量，錄入主觀參數(shù)時應(yīng)該盡可能采用客觀選擇題的方式并設(shè)置缺省值。

學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)后也會對課程設(shè)置、教師水平等提出更高要求，可以讓他們在實訓(xùn)作業(yè)中選擇性地輸入實訓(xùn)項目興趣度、教學(xué)效果評價、難易程度評價等主觀指標(biāo)，幫助教師和數(shù)學(xué)管理者改進(jìn)教育質(zhì)量。

3.2采集的元數(shù)據(jù)集

按照數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)歸屬、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)名稱和操作對象，我們歸納出現(xiàn)階段實訓(xùn)教學(xué)場景可以提供的元數(shù)據(jù)，作為結(jié)構(gòu)化查詢數(shù)鋸集模板，如表1所示。表中“記錄工具”指數(shù)據(jù)錄入的物理載體。主觀參數(shù)由教師和學(xué)生手動生成，其他參數(shù)均由系統(tǒng)自動生成。

4、儀表盤和推理規(guī)則

4.1儀表盤展現(xiàn)

儀表盤是學(xué)生、教師、教學(xué)管理者等教育利益關(guān)聯(lián)方查詢實訓(xùn)教學(xué)活動的可視化報告集。儀表盤展示和信息推送服務(wù)的設(shè)計過程依據(jù)信息展現(xiàn)端元結(jié)構(gòu)實施。因為學(xué)習(xí)者、教學(xué)者和管理者的定位、職責(zé)和目標(biāo)不同，客觀上決定他們關(guān)心的信息對象不會一致。為此，我們分別從三者的視角出發(fā)展開需求調(diào)研，在采集了97份樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到結(jié)果如表2所示，該表可以根據(jù)需要擴展。實現(xiàn)的儀表盤展現(xiàn)方式既可以是固定格式的報表，也可以是臨時的隨機多維查詢和分析結(jié)果，按照項目/周/月/學(xué)期的數(shù)據(jù)粒度實現(xiàn)向下鉆取和向上匯總。附帶推送關(guān)鍵數(shù)據(jù)到利益關(guān)聯(lián)者的移動設(shè)備或郵箱，實現(xiàn)即時反饋。

4.2推理規(guī)則

面向?qū)W習(xí)分析的元數(shù)據(jù)（如表1所示）與信息展現(xiàn)端元結(jié)構(gòu)（如表2所示）之間存在隱性和顯性的邏輯關(guān)聯(lián)。有些數(shù)據(jù)可以直接在報表中使用，如“課堂考勤”等，是顯性關(guān)聯(lián)。更多的數(shù)據(jù)沒有直接的聯(lián)系，如“群體中學(xué)習(xí)進(jìn)度排名”、“實訓(xùn)項目預(yù)習(xí)統(tǒng)計”等。為此，我們評估了回收的97份樣本調(diào)查結(jié)果，綜合匯總后得出推理結(jié)果，如表3所示。

5、實證研究

本研究以我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)二年級普高班學(xué)生為研究對象，選擇其中一個自然班為實驗班，全程引入基于學(xué)習(xí)分析的課程實訓(xùn)保障系統(tǒng)，另一個自然班作為對比仍然采用原有的教學(xué)模式不變。通過學(xué)校教務(wù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢和教師訪談，發(fā)現(xiàn)兩個班學(xué)生的平均能力水平、學(xué)習(xí)主動性、自律性等在開課前基本相當(dāng)。參照文獻(xiàn)[4]設(shè)計的高職能力型課程學(xué)習(xí)評價指標(biāo)體系，分專業(yè)能力、方法能力、社會能力和項日成果4大項15小項評價指標(biāo)，在學(xué)期末由承擔(dān)該課程的專職和兼職教師共同完成學(xué)生評價表，得到學(xué)生總評成績。結(jié)果表明，實驗班的專業(yè)能力、方法能力和項目成果等指標(biāo)均較比較班有明顯提高。究其原因有以下5點。

（1）學(xué)生的學(xué)習(xí)行為受到動態(tài)監(jiān)督，客觀上促進(jìn)了學(xué)習(xí)的主動性，對部分原來學(xué)習(xí)積極性較低的學(xué)生尤其明顯。

（2）學(xué)生課內(nèi)沒有完成的操作，可以在課外學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)中以討論、提問等方式，通過師生在線交流得到解決，及時的師生互動增長了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情。

（3）實時的學(xué)業(yè)成績對比將學(xué)生的攀比情緒正確地引導(dǎo)到學(xué)習(xí)情境中來，構(gòu)成激勵教育。

（4）教師從封閉的教學(xué)環(huán)境走向開放，隨時可以從云端系統(tǒng)中查詢評價，促進(jìn)教師不斷提高業(yè)務(wù)素質(zhì)，在授課過程中靈活地根據(jù)學(xué)生的反饋意見動態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，確保教學(xué)質(zhì)量。

（5）教學(xué)管理者不再只是管理角色，在切實地掌握教學(xué)動態(tài)后，更多地體現(xiàn)服務(wù)功能，有利于教育利益關(guān)聯(lián)各方的和諧發(fā)展。

6、結(jié)語

產(chǎn)生學(xué)習(xí)分析的最主要原因是現(xiàn)在可以通過各種途徑從學(xué)生那里收集大量可用的數(shù)據(jù)，這在以前是做不到的。教育背景下的學(xué)習(xí)分析可以借鑒商務(wù)智能對數(shù)據(jù)的處理方法，因此商務(wù)智能產(chǎn)品能夠適用于學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域。面向?qū)W習(xí)分析的課程實訓(xùn)保障機制幫助我們更好地理解學(xué)習(xí)發(fā)生的過程，進(jìn)而考慮如何改進(jìn)學(xué)習(xí)經(jīng)歷或?qū)W習(xí)發(fā)生的環(huán)境，揭示學(xué)生學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息所包含的規(guī)律。通過持續(xù)地擴大數(shù)據(jù)捕捉的范圍和研究學(xué)習(xí)社會性的算法描述，學(xué)習(xí)分析技術(shù)擁有美好的未來。