基于大數(shù)據(jù)的學生個性化培養(yǎng)研究

劉永革，葛彥強

(安陽師范學院 計算機與信息工程學院，河南 安陽 455000)

引言

“因材施教”，即學生的個性化教育或人才培養(yǎng)是古代自孔子時期就提出的一種教育思想，但是遺憾的是從專家學者到普通教師都在努力，卻至今沒有給出合適的答案，根本原因是在于，學生人數(shù)多。教師無法及時獲取學生的動態(tài)信息，掌握學生的學習狀態(tài)、興趣愛好等。沒有這些有針對性的信息，那么也就沒辦法給出適合學生的學習內(nèi)容和學習策略，也就無法實現(xiàn)因材施教。在當今高校，學生個性化的培養(yǎng)需求更是急需解決的問題。但是，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，教育的信息化使學生在教學過程中產(chǎn)生的很多信息都能夠被記錄下來，尤其是在線學習已成為目前學習中的一種有效的方式。在線學習從時間、內(nèi)容和空間多角度去建立適合學生學習的學習場所，是每一個學生可以根據(jù)自己的學習情況和學習進度，選擇適合每個人自己的方式、學習路徑和偏好來進行學習。這些無疑對當前的高校人才培養(yǎng)及教學模式、學校管理等一系列活動提出了挑戰(zhàn)，如何去暗合“因材施教”的理念，形成人性化和人性化的學習變化，讓學生從學習中找到幸福感，是當前高校必須要解決的重要問題。

所幸的是，“大數(shù)據(jù)”“學習分析”等前沿技術(shù)的成熟，更為學生的個性化培養(yǎng)提供了保障。

一、教育大數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀

目前，大數(shù)據(jù)在各行各業(yè)當中廣泛應用。數(shù)據(jù)已成為一種重要的戰(zhàn)略資源，在社會和生活中隱含著巨大的價值，為各行各業(yè)服務。

在高等學校中每天都在產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，學校的日常管理中匯聚著各種各樣的信息，有招生信息、就業(yè)信息、資產(chǎn)信息、教師信息、科研信息、教學信息、學生的選課信息、借閱圖書的信息、考試的成績，在線學習的記錄等學習信息，以及食堂消費的信息、住宿晚歸的信息等生活信息。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的到來，為實現(xiàn)個性化的教育帶來了可以實現(xiàn)的可能，從而使以往的全體化教育轉(zhuǎn)變?yōu)閭€體化教育。有了大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以充分利用收集到的教育數(shù)據(jù)，從中提取有用信息，使教師能關(guān)注到每一個學生個體，比如，課堂上他在什么時候看手機、每天看手機的時間、手機中不同應用的使用時間、玩游戲的時間，與他人聊天的時間等等。通過收集整合這些數(shù)據(jù)，選取有效信息，就能夠體現(xiàn)出學生個體的狀態(tài)信息、水平信息等。尤其是當這些數(shù)據(jù)是在學生不知道的情況下收集的，就會使數(shù)據(jù)更加真實，不受到外界的影響。大數(shù)據(jù)技術(shù)將能為教師提供最真實的每位學生特點信息，以便因材施教。

二、基于大數(shù)據(jù)的個性化培養(yǎng)研究

在高等教育中，大學生比中小學生更為自由，更加需要這種監(jiān)督與個性化教育，大數(shù)據(jù)的到來，使跟學生、家長、教師和管理部分都成為大數(shù)據(jù)的受益者。學生能夠獲取與之相適應的學習資源和學習策略，家長可以更全面地了解自己孩子的學習和生活狀態(tài)，教師可以采用更適合學生的教學模式和教學手段，管理部門可以制定出更適合學生發(fā)展的措施和方法。

雖然大數(shù)據(jù)的發(fā)展給教育帶來了新的發(fā)展和機遇，但教育大數(shù)據(jù)不同于一般的數(shù)據(jù)，它涉及的是人，很多相關(guān)的研究還處于摸索階段，還需要不斷的完善，不斷地去接受檢驗。

根據(jù)教育數(shù)據(jù)來源的不同，分別進行校園教學數(shù)據(jù)、在線數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)等的采集和分析技術(shù)研究。具體來說，首先通過多種途徑收集課堂教學、各種信息管理系統(tǒng)、在線學習平臺、移動APP、一卡通、圖像數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻等各類數(shù)據(jù)，采用與之相適應的采集技術(shù)，進行常態(tài)化的數(shù)據(jù)采集，支撐教育大數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，對收集的數(shù)據(jù)進行清洗，使之變成可直接利用的統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)。最后，通過設計分析方法，對這些大規(guī)模數(shù)據(jù)進行分析，分析學生的學情信息，教師的教學策略，從大數(shù)據(jù)倉庫中挖掘出學生的個性化培養(yǎng)的規(guī)律，為實現(xiàn)學生的個性化培養(yǎng)，提供恰當?shù)姆绞胶头椒?，如圖1所示。

具體涉及以下內(nèi)容：

圖1 實施示意圖

1.數(shù)據(jù)采集

教育大數(shù)據(jù)產(chǎn)生于各種活動，既包括學校的，也包括生活中的。既可以來之于校園，也可以來之于在線課堂，還可以來自于各類教育裝備。

目前學校中已經(jīng)建立了相對完善的信息系統(tǒng)，有教務管理信息系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、 選課系統(tǒng)等各類信息系統(tǒng)。與此同時還可以開發(fā)相應的移動端應用對學生的互動軌跡、學生手機的使用情況進行數(shù)據(jù)采集。還可以對各類課堂教學中的圖像和監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進行采集。這些系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)構(gòu)成了對學生進行精準教學的大數(shù)據(jù)來源。

根據(jù)數(shù)據(jù)的來源不同，可采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、視頻分析技術(shù)、圖像識別技術(shù)、在線平臺采集技術(shù)等不同的技術(shù)來采集各種不同的數(shù)據(jù)。

在大數(shù)據(jù)處理過程中一般可以采用兩種方法，即離線處理方法和在線處理方法。如果對于數(shù)據(jù)的分析結(jié)果在時間上有比較嚴格的要求，則可以采用在線處理的方式來對數(shù)據(jù)進行分析。包括學生手機App記錄的實時運動軌跡，操作不同App的時間，學生在線學習的信息等。使用Spark、Storm等進行處理。

如果要分析的數(shù)據(jù)對處理的時間不做要求，就可以采用離線處理的方法。包括學生信息管理系統(tǒng)中的信息、一卡通的信息、監(jiān)控視頻中的信息等。可以先將數(shù)據(jù)采集到Hadoop分布式文件系統(tǒng)(HDFS)中，隨后再對采集的數(shù)據(jù)進行分析。在本項目的研究過程中，主要采集了部分選課數(shù)據(jù)，一卡通數(shù)據(jù)，以及部分在線學習的數(shù)據(jù)，如圖2、圖3、圖4所示。

圖3 部門課程選課人數(shù)

圖4 部分課程選課名單

2.數(shù)據(jù)抽取

對收集到的數(shù)據(jù)進行處理，在保證質(zhì)量的前提下，抽取出適合的、有用的數(shù)據(jù)，再在此數(shù)據(jù)的基礎上進行進一步的分析。

在項目中，采集到HDFS中的數(shù)據(jù)來源多樣，類型多樣，屬于不規(guī)則的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)本身的格式和數(shù)據(jù)字段，不滿足分析的需要，存在有較多的無用或多余的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)階段，這種不規(guī)則的數(shù)據(jù)格式并不能完全滿足對數(shù)據(jù)處理的基本要求，因此需要對數(shù)據(jù)進行預處理，使之轉(zhuǎn)化為后面環(huán)節(jié)所需要的較為規(guī)整的數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)研究學生個性化學習的需要，有選擇地選取數(shù)據(jù)中有用的信息，對數(shù)據(jù)進行篩選和處理，無用信息給予剔除。其具體的處理架構(gòu)如圖5所示。

圖5 處理架構(gòu)

3.數(shù)據(jù)分析

基于大數(shù)據(jù)的分析，可以從數(shù)據(jù)與環(huán)境、相關(guān)者、方法和目標等四個維度來不斷構(gòu)建適合個性化學習的在線學習分析模型。以面向?qū)ο蟪绦蛟O計教學為例，根據(jù)課程的要求，從學生學習的過程結(jié)構(gòu)、學習過程的可視化及學習效果的實證等方面進行分析。然后通過數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，適當?shù)赝扑]合理的學習路徑與恰當難度的學習資源，同時實現(xiàn)對學生學習效果的及時反饋，提供個性化的服務，以便促進教與學。

個性化學習的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的分析，只有提供有效的分析，才能對學生個性化學習提供支持，才能促進學生的學習。數(shù)據(jù)本身很多，在進行分析前，必須首先要明確，要分析的目的是什么，要達到什么樣的效果。只有明確的目標，才能從大數(shù)據(jù)中，選取有用數(shù)據(jù)進行分析。在分析時，要結(jié)合要解決的問題，分析數(shù)據(jù)對結(jié)果的影響，根據(jù)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，找出影響學生學習的原因，或為學生學習、教師教學提供一定的數(shù)據(jù)支持或建議。如圖6所示。

圖6 課程統(tǒng)計效果圖

4.教學改革

通過數(shù)據(jù)分析，不斷建立和完善包含各種學生個性化培養(yǎng)信息和決策的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心中存放了大量的用于進行預測和分析的知識，而這些知識是相關(guān)領域的領域知識，也是進行數(shù)據(jù)分析的基礎?？梢岳眠@些知識采用機器學習或統(tǒng)計學的方法從數(shù)據(jù)中心中發(fā)掘隱藏的學生個性化培養(yǎng)相關(guān)的規(guī)律，通過對這些規(guī)律的分析和預測，為教師提供合適的教學方法，進一步探索出適合學生個性化的人才培養(yǎng)模式。

(1)人才培養(yǎng)模式的變革

目前，高校人才培養(yǎng)模式固定不變，千篇一律，對所有學生都是一個要求，無法適應學生個性化的需要。統(tǒng)一的培養(yǎng)方案、課程計劃，對同專業(yè)學生統(tǒng)一要求。不同的學生個體，不同的學習狀態(tài)，卻實行統(tǒng)一的教學方法與評價標準。這必然會壓抑學生的發(fā)展，使學生無法獲得更好的發(fā)展。通過大數(shù)據(jù)分析，進行個性化的培養(yǎng)，就必須改變這種固定不變的人才培養(yǎng)模式，建立多樣化人才培養(yǎng)模式。

新的人才培養(yǎng)模式可以根據(jù)學生學習行為的大數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘與分析來調(diào)整教學策略。可以通過對學生學習中各種信息的分析和發(fā)掘，使教師精準預知學習者潛在的學習需求，使學生更快地進入學習狀態(tài)，獲取感興趣的知識，學習資源的智能推送能在第一時間滿足學生的需求。并且可以對學生進行課前預習測評分析和課中隨堂測驗分析，準確把握每個學習者掌握知識的狀況，教師有針對性地制訂教學方案和輔導策略。

這種教學模式不在是嚴格意義上的以教師為主，或以學生為主，而是學生教師雙主，學習內(nèi)容自適應的個性化教學模式。

(2)教師教學手段的改革

采用新的培養(yǎng)模式，就需要改革傳統(tǒng)的教學方式，變革“滿堂灌”的教學方式，可以綜合采用啟發(fā)式、發(fā)現(xiàn)式、學生參與式等教學方式。教師在講授理論知識的同時，應更加重視發(fā)揮學生的主體作用，在學習過程中著力培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。使學生能夠在教師的指導下，自主地完成個性化學習。

(3)教學管理的改革

教育管理者根據(jù)大數(shù)據(jù)可以制定出合適的措施。學生家長能通過嶄新的視角掌握全面、真實的學生信息。包括上課表現(xiàn)、成績情況、交流情況、師生互動等等。

(4)教學質(zhì)量評價的改革

評教在教學質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)中，是一個重要的手段。但是如何得到科學的評教結(jié)果，長期以來一直沒有得到很好的解決。大數(shù)據(jù)時代的來臨，為這個問題的解決提供了方法，該研究中通過采集每節(jié)課學生的反饋信息，可以更準確地了解教師上課的效果，把每一次的反饋信息都記錄下來，賦予一定的權(quán)重，而不是期末一次性的憑印象打分。再結(jié)合日常的學生評教，專家評價，同行評教，最終對教師的教學效果給予整體客觀評價。

三、結(jié)論

總之，基于大數(shù)據(jù)的學生個性化培養(yǎng)的目的是為了減少學生個體知識和實際教授知識之間的差距，通過大數(shù)據(jù)的分析，能夠多考慮學生個性化的需求，以學生學習為導向，把學生的個性知識和專業(yè)知識要求結(jié)合起來，不僅能使學生學到相應的適合自己的理論知識，還能使學生掌握對應的專業(yè)技能，使學習的內(nèi)容專而精，而不是廣而泛。