學習分析系統(tǒng)在高校課程中的實踐研究

吳愛婷+劉欣

摘要：為了發(fā)現(xiàn)教學過程中存在的問題，提高教學質(zhì)量，改善學習效果，預測學習結(jié)果，自主研發(fā)了一款用于各類課程的學習分析系統(tǒng)，并運用于實際教學中。對杭州電子科技大學《電磁場與電磁波》課程的相關(guān)教育數(shù)據(jù)進行了多角度多層次的全面分析。分析實例表明，該系統(tǒng)能很容易地幫助教師和學生獲得其感興趣的分析結(jié)果，并以可視化的形式展現(xiàn)給用戶，改善了整個教學和學習過程。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；教育數(shù)據(jù)；學習分析；多維分析；可視化

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0162-02

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在教育領(lǐng)域廣泛和深入的應用，已經(jīng)積累大量、豐富和復雜的教育數(shù)據(jù)。如何更加充分、有效地利用這些數(shù)據(jù)分析學習過程中出現(xiàn)的問題、預測學習結(jié)果、優(yōu)化教學過程、改善課程內(nèi)容成為一個極富意義并且具有挑戰(zhàn)性的問題。學習分析就是大數(shù)據(jù)在教育領(lǐng)域應用的一項新興技術(shù)，受到國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域越來越多的關(guān)注，成為教育技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的新熱點[1]。

1 學習分析系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

國外對學習分析的研究起步較早，從2011年起已經(jīng)積累了很多的理論基礎(chǔ)，近年來已經(jīng)由純粹的理論概念階段發(fā)展到具體的實際應用階段，涌現(xiàn)出很多已經(jīng)處于實用階段的學習分析系統(tǒng)[2-5]。與國外相比，國內(nèi)到目前為止主要還是停留在理論探索和分析階段，或者是在理論和概念上的拓展，對于具體的學習分析工具和系統(tǒng)的實際應用的研究較少。其主要原因是國內(nèi)學習分析系統(tǒng)軟硬件開發(fā)上的落后，自主研發(fā)的學習分析工具和應用程序鳳毛麟角[6]。

2 自主研發(fā)系統(tǒng)--果仁學習分析系統(tǒng)

果仁學習分析系統(tǒng)是果仁大數(shù)據(jù)平臺（www.guorn.com）在學習分析領(lǐng)域的應用，利用通用大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對教育數(shù)據(jù)進行多維分析。

2.1系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能的設(shè)計主要從兩個方面來進行：一是文獻分析，研究國外最新的學習分析系統(tǒng)的特點和進展[7]。二是通過與相關(guān)課程的師生以及校學習管理系統(tǒng)管理員的交流，來獲取用戶需求。最后得到具體功能如下：易用性、有效性、易于集成、可擴展性、重用性、實時性。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由6個模塊組成：數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)倉庫、元數(shù)據(jù)、查詢引擎、分析引擎以及可視化引擎。

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊需要處理從不同數(shù)據(jù)源獲得的各類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)倉庫的設(shè)計主要是要考慮到分析引擎的需要，將數(shù)據(jù)分析的需求作為首要考慮。數(shù)據(jù)倉庫里各類數(shù)據(jù)表的描述信息由元數(shù)據(jù)模塊管理。查詢引擎是很多傳統(tǒng)ROLAP BI系統(tǒng)的核心技術(shù)所在。分析引擎由查詢引擎獲得查詢語句，然后根據(jù)查詢語句從數(shù)據(jù)倉庫取出相關(guān)的數(shù)據(jù)表并進行合并、關(guān)聯(lián)、篩選、聚合、分組等各種數(shù)據(jù)操作。果仁分析引擎采用了內(nèi)存中分析（In-Memory Analysis）的方案，最大限度地提高分析引擎的計算效率?？梢暬鎸Ψ治鲆孑敵龅姆治鼋Y(jié)果進行可視化展現(xiàn)。

2.3實證分析

選取杭州電子科技大學《電磁場與電磁波》課程作為樣本，從學生，教師，課程負責人及院校管理者等多種用戶視角分析各類學習因素對于課程學習的影響，探討改善課程教學的可能方案。實驗數(shù)據(jù)包括：2012-2014年電子學院新生個人信息；2003-2015年選修該課程學生的課程成績；2003-2015年選修該課程學生的班級專業(yè)等個人信息。

1） 學生基本情況分析

學生作為學習過程的主要參與者，對其基本情況的分析是必要的。通過學生個人信息表中的生源信息，果仁分析系統(tǒng)自動與地理維度相關(guān)聯(lián)，得到學生各種信息在地理維度上的分布，如圖2所示，展示了學生數(shù)量在各個省份上的分布?？梢钥闯稣憬凑剂撕艽蟊壤?。

對于一個學院的新生使用果仁學習分析系統(tǒng)進行分析，與常見的Microsoft Excel相比，其優(yōu)勢還不是太明顯，但是如果是對一個學校、一個省甚至于整個國家的學生進行分析的話，其優(yōu)勢就會更加明顯。以上這些分析如果使用Microsoft Excel，即使是對于一個熟練的操作人員，得到相同的結(jié)果也需要花費數(shù)小時，使用果仁學習分析系統(tǒng)，一個初學者就能在幾分鐘內(nèi)獲得的上述結(jié)果。

2） 課程多維分析

果仁學習分析系統(tǒng)可以將有聯(lián)系的數(shù)據(jù)集自動關(guān)聯(lián)起來進行多維分析。比如，對于樣本課程，可以從學生、班級、專業(yè)、學院和時間等各個角度進行分析。將學生的班級專業(yè)的信息和學生課程成績相關(guān)聯(lián)，就可以獲得班級或者專業(yè)在樣本課程的平均分。圖3顯示的是不同專業(yè)在2003年-2015年間樣本課程的平均分。同樣也可以得到不同班級的平均分。

我們還可以結(jié)合多個角度同時對課程進行分析，如圖4藍色曲線，顯示的是從2003--2015學年的課程平均分：

從圖4中可以看出一個規(guī)律是整個曲線呈現(xiàn)出鋸齒狀，一個學期分數(shù)高，下一個學期分數(shù)低。原因何在？我們可以對比每個學期選修的學生人數(shù)。從圖4中可以看到，分數(shù)低的那個學期選修課程的學生人數(shù)也很少，經(jīng)常只有個位數(shù)，經(jīng)過進一步的調(diào)查得知：大部分學生都是在學年的第一學期選修該課程，在第二學期選修的學生是重修的，因此成績一般較差。

篇幅所限其他實證分析功能不一一展現(xiàn)。

3 結(jié)束語

綜上表明，無論是教師還是學生，都能夠很容易地掌握果仁學習系統(tǒng)的分析過程和方法，迅速獲得其感興趣的分析結(jié)果，可視化的分析結(jié)果更加友好直觀、易于理解并且從中發(fā)現(xiàn)奇異值。在今后的工作中，筆者將繼續(xù)完善果仁學習分析系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的效率，不斷改善其用戶體驗。

參考文獻：

[1] Donald M. Norris. Seven Things You Should Know About First Generation Learning Analytics[EB/OL].[2011-12-06]. http：//www.educause.edu/library/resources/7-things-you-should-know-about-first-generation-learning-analytics.

[2] Aaron Zeckoski. Learning Analytics Initiative[EB/OL].[2015-03-26]. https：//confluence.sakaiproject.org/display/LAI/Learning+Analytics+Initiative.

[3] Tanya Roscorla. How Analytics Can Help Colleges Graduate More Students[EB/OL]. [2015-03-26]. http：//www.centerdigitaled.com/news/How-Analytics-Can-Help-Colleges-Graduate-More-Students.html.

[4] Jim Greenberg. Learning Analytics Task Group[EB/OL]. [2014-02-14]. http：//wiki.sln.suny.edu/display/FACT/Learning+Analytics+Task+Group.

[5] Anya Kamenetz. Big Data Comes To College[EB/OL]. [2014-07-04]. http：//www.npr.org/blogs/ed/2014/07/04/327745863/big-data-comes-to-college.

[6] 李青，王濤. 學習分析技術(shù)研究與應用現(xiàn)狀述評[J].中國電化教育，2012（8）：129-133.

[7] Johnson L， Adams Becker S， Estrada V，et al. NMC Horizon Report： 2015 Higher Education Edition[EB/OL]. [2015-06-17]. http：//cdn.nmc.org/media/2015-nmc-horizon-report-HE-EN.pdf/.