基于慕課的教育大數(shù)據(jù)挖掘研究與實踐

摘要：如今遠程教育、網(wǎng)絡學習、在線課程、虛擬教室以及交互學習等網(wǎng)絡教學系統(tǒng)被廣泛應用。隨之產生的大規(guī)模開放式在線課程（慕課）成了受歡迎的教學系統(tǒng)，其中包含了視頻學習、課件資料、討論區(qū)、測驗與作業(yè)以及用戶個人資料等各類數(shù)據(jù)。本文結合慕課網(wǎng)站開放的學生數(shù)據(jù)，展開基于慕課的教育大數(shù)據(jù)挖掘研究與實踐，旨在對學生表現(xiàn)進行預測，為其提供輔助性意見，提高學生學習效率。

關鍵詞：大數(shù)據(jù);在線課程; 慕課;教育數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）10-0101-05

引言

隨著技術的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)全面來臨。通過各種大數(shù)據(jù)分析技術，可以從海量數(shù)據(jù)中獲取潛在價值。[1]多元化的價值觀念使得大數(shù)據(jù)技術在社會各個領域得到廣泛應用。大數(shù)據(jù)時代下的傳統(tǒng)教育理念也隨之更改，教育大數(shù)據(jù)挖掘研究同樣成為社會關注的熱點。[2]傳統(tǒng)教學長期處于教學觀念落后、教學模式單一的困境中，這不僅容易導致學生學習熱情不高，而且有礙學生對知識理解和掌握程度的提升。作為大數(shù)據(jù)時代產物之一的慕課，無疑為復雜多變的教育難題提供了新思路。新穎生動的教學形式不僅能促進教學內容的轉變，引領教學方式的變革，而且能提升教學效率，改善教學質量。因此，結合大數(shù)據(jù)技術探究基于慕課的教育大數(shù)據(jù)下的有效教學策略，具有非常重要的意義。

慕課概述

在數(shù)據(jù)化的理念下，依靠大數(shù)據(jù)技術對教學行為數(shù)據(jù)、學生活動數(shù)據(jù)進行全面、客觀的分析與評價，有助于學生個性的培養(yǎng)，促進高等教育改革。目前，在線教學活動廣泛地融入傳統(tǒng)大學的正規(guī)教學計劃中，作為大數(shù)據(jù)時代產物之一的慕課，對傳統(tǒng)的教學模式產生了巨大的影響。[3]

慕課，又稱為大規(guī)模開放式在線課程（Massive Open Online Courses，簡稱MOOC），其堅持以“生”為本的教學理念，教學模式靈活，教學設計巧妙，課程資源豐富，學習方法高效，教學管理有效，教學評價科學，深受廣大用戶歡迎。[4]慕課與傳統(tǒng)教學的不同之處有：①教學模式非常靈活，在采用活動式、互動式、翻轉式、合作式、混合式過程中，以“生”為主，以“師”為輔，保持學生的思維活躍性，確保學生的自主權，充分體現(xiàn)學生的主體性[5];②授課過程中，采用小組合作、在線學習與互動、在線習題與測試方式，不僅能很好地調動學生學習積極性，激發(fā)學生學習興趣，更能發(fā)掘學生潛能，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，同時也能減輕教師的工作壓力，提升教師的輔助效率;③實現(xiàn)了優(yōu)質教學資源的共享，學生可以通過互聯(lián)網(wǎng)實時學習，較好地緩解了教育資源的不平衡問題。

大數(shù)據(jù)時代下的慕課，其獨特的教學理念和新穎的教學模式將知識擴展到不同的知識領域，不僅豐富了學習內容，而且增添了學習的趣味性。[6]慕課讓學生在接觸知識的同時，產生濃厚的學習興趣，同時鍛煉學生的自主學習能力。慕課的出現(xiàn)不僅打破了教育的時空界限，而且顛覆了傳統(tǒng)大學課堂教與學的方式。

教育數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining，簡稱DM）是從數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)中尋找并發(fā)掘深藏在數(shù)據(jù)背后的有用信息，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的過程。教育數(shù)據(jù)挖掘（Educational Data Mining，簡稱EDM）是使用數(shù)據(jù)挖掘技術對教育系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行挖掘分析，并提取出價值信息的過程。EDM社區(qū)網(wǎng)站（www.educationaldatamining.org）對教育數(shù)據(jù)挖掘定義如下：教育數(shù)據(jù)挖掘旨在研究并分析教育大數(shù)據(jù)對教育行業(yè)的作用和影響，使用數(shù)據(jù)挖掘技術對教育體系中特定種類數(shù)據(jù)進行分析處理。[7]

實施教育數(shù)據(jù)挖掘活動目的在于，從各類教育數(shù)據(jù)信息中尋找、發(fā)現(xiàn)并提取有助于提高教學質量的價值信息，從而為受教育者提供輔助性意見，幫助分析各學習環(huán)節(jié)中所遇到的問題，及時更改計劃，提高效率，幫助教育者從多方面了解學生的各種狀態(tài)，適當更改計劃，提高教學質量。[8]教育數(shù)據(jù)挖掘流程主要分為以下步驟：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)挖掘模型建立、數(shù)據(jù)解釋。過程如圖1所示。

基于慕課的教育大數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)

如今，教育大數(shù)據(jù)成為人們關注的焦點，深受大眾歡迎的慕課網(wǎng)站不僅包含了各式各樣的課程資源，如課件文檔、音頻視頻等，還記錄了用戶的各種相關數(shù)據(jù)，如課程跟蹤、測驗、調查、作業(yè)、期末考試、討論以及用戶個人信息等。下表分析了基于慕課的教育大數(shù)據(jù)的特點。

筆者設計并實現(xiàn)了一種基于慕課的教育大數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，研究數(shù)據(jù)來自慕課網(wǎng)站開放的學生數(shù)據(jù)集，旨在對學生表現(xiàn)進行預測，為其提供輔助性意見，提高學生學習效率。

1.系統(tǒng)邏輯結構

本系統(tǒng)使用對象是在校師生，采用B/S（瀏覽器/服務器）模式，方便用戶的查詢、瀏覽等操作。系統(tǒng)邏輯架構采用三層體系架構，從數(shù)據(jù)層、業(yè)務層、表現(xiàn)層分析、設計并實現(xiàn)系統(tǒng)功能。數(shù)據(jù)層負責提供訪問數(shù)據(jù)庫操作，對數(shù)據(jù)的完整性、安全性進行定義和維護。業(yè)務層負責數(shù)據(jù)層和表現(xiàn)層之間的數(shù)據(jù)傳輸，響應表現(xiàn)層傳來的用戶請求，執(zhí)行相應任務訪問數(shù)據(jù)層，然后將結果返回給表現(xiàn)層。三層體系架構如上頁圖2所示。

2.系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)采用決策樹技術進行教育數(shù)據(jù)挖掘，使用決策樹模型預測學生表現(xiàn)，系統(tǒng)總體流程如圖3所示。在圖3中，進入系統(tǒng)后，功能菜單中顯示數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)挖掘、表現(xiàn)預測功能，如選擇數(shù)據(jù)中心功能，則顯示學生基本情況、家庭情況、校內情況、校外情況，方便查看學生的數(shù)據(jù)種類。

3.系統(tǒng)功能模塊設計

系統(tǒng)的功能模塊設計為：登錄模塊、學生數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)挖掘模塊、預測模塊、后臺管理模塊，每個模塊由各個子模塊組成，系統(tǒng)功能模塊組成如圖4所示。

數(shù)據(jù)挖掘模塊是本系統(tǒng)中的重要功能模塊，根據(jù)教育數(shù)據(jù)挖掘的過程，分別設計了數(shù)據(jù)獲取子模塊、數(shù)據(jù)預處理子模塊、決策樹生成子模塊、分類規(guī)則顯示子模塊。

（1）數(shù)據(jù)獲取子模塊

主要負責用于構造決策樹的樣本數(shù)據(jù)集。系統(tǒng)管理員通過后臺管理中的數(shù)據(jù)導入，錄入學生的各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取模塊則從這些導入數(shù)據(jù)中選擇樣本數(shù)據(jù)集，用于決策樹的構造。

（2）數(shù)據(jù)預處理子模塊

主要負責非一致數(shù)據(jù)的處理，將非一致數(shù)據(jù)表轉換成多值決策表。檢查數(shù)據(jù)的非一致性，合并多個非一致樣本，并將其決策用集合表示，將樣本屬性中的不同類別分別用數(shù)字表示，即屬性值用不同的數(shù)字表示，每一種屬性類別對應一種數(shù)字，形成多值決策表，用于決策樹構造。

（3）決策樹生成子模塊

本文基于貪心思想算法設計決策樹構造算法，決策樹貪心構造過程如圖5所示。

（4）分類規(guī)則顯示子模塊

主要負責以if-then形式顯示分類規(guī)則，方便用戶查看決策樹分類結果。

4.系統(tǒng)功能模塊實現(xiàn)

數(shù)據(jù)獲取主要是從后臺已導入的數(shù)據(jù)中選擇用戶需要的數(shù)據(jù)，用于決策表的構造，但不顯示具體的數(shù)據(jù)信息，選取對應的條件屬性和決策屬性。數(shù)據(jù)預處理主要是將獲取到的數(shù)據(jù)進行預處理操作，對已選擇的屬性所對應的屬性值用不同的數(shù)字來表示。經(jīng)過預處理操作之后，得到了用于構造決策樹的多值決策表，實現(xiàn)決策樹的貪心構造，顯示出生成結果，供用戶參考。分類規(guī)則顯示部分，主要將上一步中決策樹從根節(jié)點到葉節(jié)點之間的每一條路徑，即每一條規(guī)則結果，以if-then規(guī)則顯示出來，方便用戶理解和查看。

結論

本文主要使用決策樹技術，對基于慕課的教育大數(shù)據(jù)進行了挖掘分析，設計并實現(xiàn)了教育數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。慕課學習平臺上記錄的大量用戶數(shù)據(jù)，可以充分利用并發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值，挖掘數(shù)據(jù)潛在的價值信息，服務于教學決策和學習優(yōu)化。

參考文獻：

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[7]Educational Data Mining[DB/OL].http：//www.educationaldatamining.org.

[8]姜強，趙蔚，王朋嬌，等.基于大數(shù)據(jù)的個性化自適應在線學習分析模型及實現(xiàn)[J].中國電化教育，2015（01）：85-92.

作者簡介：許美玲，女，碩士，助教，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、面向對象軟件開發(fā)。

基金項目：浙江省科技廳公益性技術應用研究項目（2015C33085）。