大數(shù)據(jù)分析在高校智慧教育中的應(yīng)用研究

沈貴慶

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)分析; 高校智慧教育; 數(shù)據(jù)挖掘算法; Hadoop技術(shù); 云計(jì)算; 學(xué)生認(rèn)知模型

中圖分類號(hào)： TN919?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）04?0097?04

Application research of big data analysis in college wisdom education

SHEN Guiqing

（Northwest A & F University， Yangling 712100， China）

Abstract： It is difficult to accurately analyze the students′ learning behavior from massive intelligence resources in the traditional data analysis platform for college wisdom education， resulting in the low accuracy problem in the difficulty prediction of test?oriented questions. Therefore， the big data analysis research is carried out for college wisdom education. The composition of the intelligent education system architecture and the data analysis platform are given. The Hadoop technology is used to analyze and process the wisdom education resources. The data mining algorithm in combination with the cloud computing technology is used to deeply analyze and explain the collection and convergence of student learning behavior data. The implicit and explicit behaviors of students′ learning are obtained to evaluate the education quality， predict students′ future learning performance， and establish the student cognitive model and visualization chart. The acquired data is intelligently integrated into the wisdom education system architecture. The system architecture is applied to the question?answering data provided by the online education system， so as to predict the difficulty of English reading test. The test results show that the prediction performance of the test difficulty evaluation is good.

Keywords： big data analysis; college wisdom education; data mining algorithm; Hadoop technology; cloud computing; student cognitive model

0 ?引 ?言?

大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得“互聯(lián)網(wǎng)?教育”成為高等院校教育改革與發(fā)展的重要研究方向[1]。“智慧教育”的提出更是將高校教育信息化提升到前所未有的新高度[2]。面向高校智慧教育的大數(shù)據(jù)分析逐漸成為研究廣泛關(guān)注的重要研究方向之一[3]。目前，相關(guān)學(xué)者已研究出多項(xiàng)針對(duì)智能輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。例如：李爽等人通過學(xué)生學(xué)習(xí)行為投入測(cè)量指標(biāo)構(gòu)建數(shù)據(jù)分析平臺(tái)[4]。這些測(cè)量指標(biāo)更有利于分析和測(cè)量教學(xué)智能輔助系統(tǒng)的學(xué)習(xí)行為。周效章以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為依托，按照“線上?線下?線上”為教育實(shí)施路徑，構(gòu)建了“在線教育平臺(tái)+學(xué)習(xí)中心”融合教學(xué)模式的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)[5]。上述數(shù)據(jù)分析平臺(tái)缺乏對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)合理的整合管理模式，易造成信息孤島，無法準(zhǔn)確分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在面向試題時(shí)的難度預(yù)測(cè)精度較低。在分析國(guó)內(nèi)智能輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)現(xiàn)存問題的基礎(chǔ)上，構(gòu)建“面向高校智慧教育的大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)”，以推動(dòng)我國(guó)高校智慧教育發(fā)展。

1 ?高校智慧教育大數(shù)據(jù)分析

1.1 ?高校智慧教育體系架構(gòu)

高校智慧教育體系架構(gòu)屬于多層次體系結(jié)構(gòu)，共6層：感知層、通信層、云計(jì)算層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和智能服務(wù)層。由這6層結(jié)構(gòu)構(gòu)成體系架構(gòu)如圖1所示。

模型中感知層負(fù)責(zé)將系統(tǒng)環(huán)境與外部高校環(huán)境進(jìn)行信息交互，通過傳感器、移動(dòng)終端等設(shè)備實(shí)時(shí)感知高校環(huán)境和教師、學(xué)生信息，并將感知數(shù)據(jù)經(jīng)由通信層上傳[6]。網(wǎng)絡(luò)通信層負(fù)責(zé)將感知層獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)層，為高校學(xué)生提供網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)。云計(jì)算層采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高校校園可視化、可靠的云服務(wù)。業(yè)務(wù)層主要負(fù)責(zé)為高校師生的教學(xué)、管理提供全方位、多角度的服務(wù)支撐。數(shù)據(jù)層采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，綜合學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)構(gòu)建教育體系架構(gòu)的虛擬框架，并對(duì)框架做出全方位的描述，為高校智慧校園的不同應(yīng)用方向提供數(shù)據(jù)支持。智能服務(wù)層主要負(fù)責(zé)對(duì)不同應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行深度整合，給學(xué)生和教師提供個(gè)性化服務(wù)。整合處理后，最終展現(xiàn)在師生面前的不是一個(gè)生硬的應(yīng)用系統(tǒng)，而是一個(gè)以個(gè)性化服務(wù)為宗旨、以師生需求為導(dǎo)向的智能信息化服務(wù)平臺(tái)[7]。

1.2 ?面向?qū)W生學(xué)習(xí)行為的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

通過收集學(xué)生學(xué)習(xí)階段相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過程包含數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)規(guī)整化處理等，預(yù)處理后針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析模型，分析高校學(xué)生該學(xué)期針對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)制定的學(xué)習(xí)模式以及對(duì)知識(shí)的掌握程度。將數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋給學(xué)生和教學(xué)管理者，學(xué)生和教學(xué)管理者針對(duì)此結(jié)果調(diào)整學(xué)習(xí)計(jì)劃和教學(xué)進(jìn)度。

1.2.1 ?收集高校學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)

對(duì)高校學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)處理過程如圖2所示。

智慧教育與當(dāng)前高校教育方式的不同之處在于，高校智慧教育是以高校學(xué)生為中心，以綜合多媒體課堂互動(dòng)的方式，鼓勵(lì)高校學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況開展新型學(xué)習(xí)模式。如何從含量的學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)行為的潛在規(guī)律，是當(dāng)前階段亟待研究的重要問題。根據(jù)xAPI數(shù)據(jù)規(guī)整化基準(zhǔn)采集學(xué)習(xí)行為記錄。不規(guī)整的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)以xAPI數(shù)據(jù)規(guī)整化基準(zhǔn)調(diào)整后，可實(shí)現(xiàn)檢索、讀取和寫入功能。

預(yù)測(cè)分析報(bào)告框架中的學(xué)習(xí)應(yīng)用平臺(tái)通過設(shè)置不同的數(shù)據(jù)采集器，對(duì)學(xué)生與教育體系架構(gòu)應(yīng)用平臺(tái)的交互數(shù)據(jù)備份，存入本地?cái)?shù)據(jù)庫中，并間隔給定周期將這些數(shù)據(jù)傳送到教育體系架構(gòu)的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的學(xué)習(xí)行為存儲(chǔ)模塊中。

高校學(xué)生在不同學(xué)期、不同場(chǎng)景下學(xué)生的學(xué)習(xí)行為是不同的，通過學(xué)生對(duì)不同學(xué)習(xí)工具在各個(gè)階段的實(shí)際應(yīng)用，分場(chǎng)景、周期采集有效的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，以xAPI數(shù)據(jù)規(guī)整化基準(zhǔn)進(jìn)行傳輸，形成大數(shù)據(jù)分析的基本條件[8]。

1.2.2 ?學(xué)習(xí)認(rèn)知情況度量

通過分析結(jié)果評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容掌握程度，達(dá)到對(duì)學(xué)習(xí)成績(jī)的預(yù)測(cè)。對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)解釋并建立學(xué)生認(rèn)知模型[9]，采用可視化技術(shù)全方位展示分析結(jié)果。具體步驟如下：

評(píng)價(jià)體系中就學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，給出不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重不同，構(gòu)造一個(gè)模糊一致判斷矩陣[R]，采用該矩陣衡量評(píng)價(jià)等級(jí)與相關(guān)因素之間重要性的對(duì)比結(jié)果，矩陣形式描述如下：

[R=r11 ? … r1n ? ? ? ?? ? ? ??rn1 ? … rnn] （1）

式中，[rnn]表示隸屬度函數(shù)。對(duì)式（1）給出的各行因素進(jìn)行求和，獲得[h1，h2，…，hn]，此時(shí)因素[ai]的權(quán)重為：

[τ=hih1+h2+…+hn] ? （2）

以上為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定方法，通過專家對(duì)比，獲得不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，邀請(qǐng)多個(gè)專家評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度。各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)通過[X={x1，x2，…，xn}]描述，[Y={y1，y2，…，ym}]表示評(píng)價(jià)結(jié)果集合，將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)，描述為[y1]，[y2]，[y3]，[y4]，[y5]，表示“完全掌握”“90%的部分可以掌握”“80%的部分可以掌握”“70%的部分可以掌握”“60%的部分可以掌握”。對(duì)于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可通過構(gòu)造一個(gè)模糊評(píng)價(jià)矩陣來全面描述：

[T=t11 ? … t1m ?? ? ? ? ? ? ? ? ?tn1 ? … tnm] ?（3）

式中，[tnm]表示矩陣[T]相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。

以下給出二級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)因素集的權(quán)重：

[A=[a1， ?a2， ?…， ?an]] （4）

結(jié)合最大隸屬度基準(zhǔn)判定，評(píng)估教育質(zhì)量，預(yù)測(cè)學(xué)生日后學(xué)習(xí)表現(xiàn)，構(gòu)建認(rèn)知模型。

采用可視化技術(shù)全方位展示學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的分析結(jié)果：采用餅狀圖來描述行為數(shù)據(jù)類型的分布情況;通過餅狀圖的面積大小分析不同行為數(shù)據(jù)類型的分布情況，所占面積越大說明該學(xué)生對(duì)此類學(xué)習(xí)活動(dòng)更感興趣;通過折線圖來描述學(xué)生對(duì)課堂測(cè)試題目的準(zhǔn)確性，通過折線中走勢(shì)的變化觀測(cè)學(xué)生對(duì)已學(xué)內(nèi)容的掌握情況;通過柱狀圖來表現(xiàn)學(xué)生在此學(xué)期中某一天的學(xué)習(xí)活動(dòng)數(shù);通過散點(diǎn)圖來描述學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的活躍程度[10]。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證面向高校智慧教育的大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的綜合有效性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真實(shí)驗(yàn)在配置為WIN 7操作系統(tǒng)、Intel酷睿Ⅱ處理器、1.86 GHz主頻、2.95 GB RAM的筆記本計(jì)算機(jī)進(jìn)行。

將數(shù)據(jù)分析平臺(tái)應(yīng)用于某高等院校提供的學(xué)生高數(shù)答題數(shù)據(jù)，采用近200萬的答題記錄，預(yù)測(cè)高數(shù)科目測(cè)試題的難度，選取均方根誤差（RMSE）衡量準(zhǔn)確性能;利用排序準(zhǔn)確度（DOA）評(píng)測(cè)高數(shù)科目試題對(duì)之間的難度排序正確率;利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（PCC）測(cè)試高數(shù)科目測(cè)試題難度與學(xué)生成績(jī)之間的關(guān)系。

利用t檢驗(yàn)通過率評(píng)測(cè)高數(shù)科目測(cè)試題難度評(píng)估結(jié)果的置信水平。上述評(píng)價(jià)指標(biāo)中，均方根誤差（RMSE）值越小，說明預(yù)測(cè)結(jié)果精度越好;剩余指標(biāo)值越大說明預(yù)測(cè)模型性能越好。圖3給出試題難度預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)比方法包括文獻(xiàn)[4]給出的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)和文獻(xiàn)[5]給出的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。為了簡(jiǎn)化描述，將文獻(xiàn)[4]給出的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)和文獻(xiàn)[5]給出的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)下的預(yù)測(cè)模型以及所提平臺(tái)下的預(yù)測(cè)模型分別表示為A1，A2，A3。

從圖3中可以看出，與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]給出的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)下的預(yù)測(cè)模型相比，所提平臺(tái)下的預(yù)測(cè)模型能夠更準(zhǔn)確地對(duì)英語測(cè)試題進(jìn)行難度預(yù)測(cè)。

分別采用文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]給出的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)下的預(yù)測(cè)模型以及所提的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)高校學(xué)生多次答題得分結(jié)果，不同方法對(duì)高校學(xué)生成績(jī)預(yù)測(cè)表現(xiàn)在A數(shù)據(jù)集和B數(shù)據(jù)集的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，所提平臺(tái)下的預(yù)測(cè)模型能夠?qū)Φ梅纸Y(jié)果進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)。

3 ?結(jié) ?論

將大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用于高校教育領(lǐng)域，降低了高校智慧教育數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、集成和挖掘的門檻，使定量研究高校智慧教育行為、優(yōu)化教學(xué)方案成為可能。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)高校教學(xué)環(huán)境以及師生課業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響，使廣大師生和學(xué)校受益。

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