大數(shù)據(jù)視角下基于知識地圖的自主學(xué)習(xí)模型構(gòu)建

蔡榮華+范云霞

摘 要 結(jié)合知識地圖的特點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)模型的構(gòu)建，將該模型分為行為層、學(xué)科知識本體庫層、數(shù)據(jù)采集層和信息可視化層，通過可視化的結(jié)果進(jìn)行個(gè)性化的學(xué)習(xí)分析。

關(guān)鍵詞 大數(shù)據(jù)；知識地圖；自主學(xué)習(xí)模型；智慧教育

中圖分類號：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）05-0079-03

1 教育大數(shù)據(jù)概述

國際數(shù)據(jù)公司（IDC）認(rèn)為，大數(shù)據(jù)是一種海量數(shù)據(jù)，具有4V特征：Volume（數(shù)據(jù)量大）、Velocity（實(shí)施性強(qiáng)）、Variety（種類多樣）、Veracity（真實(shí)性）[1]。在教育領(lǐng)域，“大數(shù)據(jù)”之“大”并不是表面的所謂的“大容量”，而在于其蘊(yùn)含的“大價(jià)值”。數(shù)據(jù)越來越可視化，越來越可用，越來越可操作，它越來越精細(xì)而全面地反映個(gè)人的思維、行為和情感，以及事物的特性及其發(fā)展規(guī)律。學(xué)習(xí)者在進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，由于人的感覺具有盲點(diǎn)，思維具有局限性，直覺往往也有主觀色彩，大腦對信息的加工能力與計(jì)算機(jī)相比更是相差巨大。運(yùn)用數(shù)據(jù)來對自己的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行量化、記錄和研究，可以幫助學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)真實(shí)的自己。大數(shù)據(jù)可以分析某一個(gè)學(xué)生個(gè)體對知識的掌握狀態(tài)，也可以統(tǒng)計(jì)某個(gè)學(xué)生群體對知識點(diǎn)的掌握情況?！按髷?shù)據(jù)”的“大價(jià)值”表現(xiàn)在它可以全面跟蹤學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)行為，掌握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，分析出學(xué)習(xí)者的思維習(xí)慣和思考方式，從而使學(xué)習(xí)者能夠進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、智慧教育的發(fā)展，個(gè)性化學(xué)習(xí)將成為以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的教育技術(shù)新范式，也將成為大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)字化學(xué)習(xí)的新常態(tài)。教育信息系統(tǒng)中存儲著龐大的粒度不同、形式多樣的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以為學(xué)習(xí)分析提供客觀支持。知識地圖可以外化人的大腦中的知識系統(tǒng)，具有知識導(dǎo)航和知識管理的作用。

2 知識地圖概述

知識地圖這一概念最早出自情報(bào)學(xué)，知識地圖的主要目的是揭示知識節(jié)點(diǎn)間的層次以及知識節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系。知識地圖可以外化人的大腦中的知識系統(tǒng)，具有知識導(dǎo)航和知識管理的作用。知識地圖按構(gòu)建方法的不同可以分成八類，分別是概念型知識地圖、分布式知識地圖、流程型知識地圖、結(jié)構(gòu)型知識地圖、聯(lián)系型知識地圖、生命期知識地圖、導(dǎo)航型知識地圖和認(rèn)知型知識地圖。這里的知識地圖指的是認(rèn)知型知識地圖[2]。無論構(gòu)建哪種類型的知識地圖，都要進(jìn)行要素識別、要素與要素之間關(guān)聯(lián)分析和將要素及其之間的關(guān)系進(jìn)行可視化顯示。

3 基于知識地圖的自主學(xué)習(xí)模型的構(gòu)建

該數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建分為以下四層。

行為層 在行為層，知識用戶（包括學(xué)生用戶和教師用戶）可以對知識地圖關(guān)聯(lián)下的學(xué)科知識本體庫中的知識進(jìn)行知識瀏覽、知識查詢和知識選擇，來對知識進(jìn)行學(xué)習(xí)。

學(xué)科知識本體庫層 在圖1所示學(xué)科本體知識庫中，知識地圖應(yīng)用在學(xué)科教學(xué)中時(shí)，知識地圖的構(gòu)建就要考慮確定知識點(diǎn)（知識節(jié)點(diǎn)語義分析、知識點(diǎn)描述）、對知識點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析（知識節(jié)點(diǎn)間建立連接）、將其知識點(diǎn)和知識點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行可視化顯示（如圖1構(gòu)建的知識地圖）。在對學(xué)科知識節(jié)點(diǎn)進(jìn)行語義分析時(shí)，需對知識點(diǎn)合理劃分，對知識點(diǎn)描述時(shí)可以根據(jù)布盧姆在認(rèn)知領(lǐng)域?qū)虒W(xué)目標(biāo)的分類，將知識點(diǎn)描述為知道、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評價(jià)類知識。經(jīng)過知識點(diǎn)的連接形成的知識地圖更加清晰，學(xué)習(xí)者對每一個(gè)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)都非常明確。

在學(xué)科知識本體庫層的知識地圖中，圓圈代表的是知識節(jié)點(diǎn)，不同的顏色代表該知識點(diǎn)不同的教學(xué)目標(biāo)（如紅色代表該知識點(diǎn)的教學(xué)目標(biāo)是知道，黃色代表該知識點(diǎn)的教學(xué)目標(biāo)是理解）。在行為層，學(xué)習(xí)者（或教師）對知識地圖中的知識節(jié)點(diǎn)進(jìn)行瀏覽、查詢、選擇后，對知識點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)（或觀看）。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)系統(tǒng)會記錄下學(xué)習(xí)者一系列的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)?？梢暬行膶Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行自動處理與分析，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示。

數(shù)據(jù)采集層 在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中，需要用數(shù)據(jù)來記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程，為了使獲得的數(shù)據(jù)更加完整，需對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行具體構(gòu)建。這就需要探索出記錄學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的各學(xué)習(xí)要素的字段，以及明確各學(xué)習(xí)要素之間的關(guān)系。這樣才能設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的和可行的數(shù)據(jù)表，挖掘出更多的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，以便做出更好的學(xué)習(xí)分析。魏順平在對在線學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)模型進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，以描述一次在線學(xué)習(xí)行為為例，得出學(xué)習(xí)行為要素框架，每一種學(xué)習(xí)行為都有學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)情境、學(xué)習(xí)時(shí)間等語義關(guān)系，并可能產(chǎn)生學(xué)習(xí)結(jié)果。因此，他根據(jù)這個(gè)行為要素框架分析出需要五類數(shù)據(jù)表來記錄學(xué)習(xí)行為信息，分別是學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)表、學(xué)習(xí)內(nèi)容數(shù)據(jù)表、學(xué)習(xí)處所數(shù)據(jù)表、學(xué)習(xí)內(nèi)容數(shù)據(jù)表、學(xué)習(xí)結(jié)果數(shù)據(jù)表。這五類數(shù)據(jù)表以學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)表為中心，從而建立數(shù)據(jù)模型。這一數(shù)據(jù)模型是針對傳統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)而構(gòu)建的，也就是說，這一數(shù)據(jù)模型只記錄了與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的數(shù)據(jù)，忽略了學(xué)習(xí)的情境性問題。因此，對情境數(shù)據(jù)的收集和學(xué)習(xí)者特征數(shù)據(jù)的收集對學(xué)習(xí)個(gè)性化的分析極為重要。本研究對在線學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)模型中的表進(jìn)行重新整理，并對有關(guān)學(xué)習(xí)行為要素的五類表和相關(guān)表的字段進(jìn)行補(bǔ)充，構(gòu)建新的數(shù)據(jù)模型，如圖2所示。

信息可視化層

1）學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化。在圖1的信息可視化層中是對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的可視化，該層分為學(xué)習(xí)者個(gè)體信息可視化和學(xué)習(xí)者群體信息可視化兩部分。這兩部分的知識地圖的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都與學(xué)科知識本體數(shù)據(jù)庫層的知識節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)。在學(xué)習(xí)者個(gè)體信息可視化知識地圖中，顯示的是學(xué)習(xí)者對每一個(gè)知識點(diǎn)的掌握情況；在學(xué)習(xí)者群體信息可視化知識地圖中，顯示的是對每個(gè)知識點(diǎn)不同掌握程度的學(xué)習(xí)者所占比例。如第一個(gè)知識節(jié)點(diǎn)在學(xué)科知識本體庫層中所要求達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)是“知道”，在學(xué)習(xí)者個(gè)體信息可視化知識地圖中，學(xué)習(xí)者的掌握程度是很弱；在學(xué)習(xí)者群體信息可視化知識地圖中，可以顯示對該知識點(diǎn)掌握很弱、較弱、中等、較強(qiáng)、很強(qiáng)的學(xué)習(xí)者所占的比例。

在學(xué)習(xí)者個(gè)體信息可視化知識地圖中，圓圈代表的是學(xué)科知識的知識點(diǎn)，圓圈的不同顏色代表學(xué)習(xí)者對知識點(diǎn)的不同掌握狀態(tài)（如棕色代表很弱，粉色代表較強(qiáng)，無色代表還沒有學(xué)習(xí)該知識點(diǎn)，等等）；直線代表的是學(xué)習(xí)路徑，藍(lán)色的直線代表學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)到的位置，黑色的虛線代表學(xué)習(xí)者還沒學(xué)習(xí)的內(nèi)容；直線連接的兩個(gè)圓圈代表的是知識點(diǎn)的前后繼關(guān)系。在教師知識地圖中，不同的扇形代表已經(jīng)不同掌握狀態(tài)的學(xué)習(xí)者群體所占的百分比。當(dāng)學(xué)習(xí)者看到自己的課程知識地圖時(shí)，就可以重新選擇學(xué)習(xí)知識點(diǎn)，調(diào)整學(xué)習(xí)計(jì)劃；教師看到課程知識地圖就能調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。

2）學(xué)習(xí)者特征數(shù)據(jù)可視化。數(shù)據(jù)模型構(gòu)建中，學(xué)習(xí)特征數(shù)據(jù)包括學(xué)習(xí)者表、學(xué)習(xí)情境表。其中，學(xué)習(xí)者表記錄學(xué)習(xí)者的基本信息，學(xué)習(xí)情境表記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)地點(diǎn)、學(xué)習(xí)行為等數(shù)據(jù)。通過這些表的數(shù)據(jù)可以對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行跟蹤記錄。學(xué)習(xí)者每進(jìn)行一次學(xué)習(xí)行為，都會產(chǎn)生一組學(xué)習(xí)特征的可視化數(shù)據(jù)，如表1所示。學(xué)習(xí)者可以觀看自己學(xué)習(xí)認(rèn)知的動態(tài)變化過程，從而了解自己、發(fā)展自己、規(guī)劃自己，提高元認(rèn)知能力和自我效能感。

此外，通過對學(xué)習(xí)者特征數(shù)據(jù)的記錄，根據(jù)同一學(xué)習(xí)目標(biāo)類型（比如：知道），可以可視化學(xué)習(xí)者知識點(diǎn)掌握情況和一天中學(xué)習(xí)時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)圖像直觀顯示，學(xué)習(xí)者就能夠判斷自己什么時(shí)刻學(xué)習(xí)效果較好，也可以呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者知識點(diǎn)掌握情況和學(xué)習(xí)地點(diǎn)的關(guān)系。同樣，學(xué)習(xí)者也可以選擇學(xué)習(xí)地點(diǎn)來進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過可視化信息的展示，就能預(yù)測出學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)規(guī)律，系統(tǒng)提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，真正實(shí)現(xiàn)高效率的學(xué)習(xí)。

4 結(jié)束語

每一位學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中都會產(chǎn)生一組屬于自己的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，千千萬萬的學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)就構(gòu)成“教育大數(shù)據(jù)”。對教育大數(shù)據(jù)的挖掘是實(shí)現(xiàn)教育大價(jià)值的必要前提，要實(shí)現(xiàn)高效學(xué)習(xí)，既需要分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)習(xí)慣以及自身的學(xué)習(xí)規(guī)律，也需要針對每一次學(xué)習(xí)，判斷學(xué)習(xí)者先前的學(xué)習(xí)水平；不能采取一刀切的方式，讓不同知識水平、不同知識接收能力的學(xué)習(xí)者來學(xué)習(xí)相同的知識。本文結(jié)合知識地圖的特點(diǎn)構(gòu)建自主學(xué)習(xí)模型，對數(shù)據(jù)模型中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息可視化學(xué)習(xí)分析，為以后個(gè)性化學(xué)習(xí)研究打好基礎(chǔ)。

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作者：蔡榮華，湖南師范大學(xué)副教授，研究方向?yàn)榻逃畔⒒到y(tǒng)工程；范云霞，湖南師范大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榻逃畔⒒到y(tǒng)工程（410081）。