基于大數(shù)據(jù)群體畫像的個性化學習環(huán)境構(gòu)建的研究

康琦 岳鹍

摘 ?要：個性化學習環(huán)境是網(wǎng)絡(luò)學習環(huán)境的高端形態(tài)，是信息化教學時代學習者對網(wǎng)絡(luò)學習環(huán)境的新需求，也是未來教育發(fā)展的方向。研究構(gòu)建了一種結(jié)合學生線上學習大數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)預處理、語義化標簽提取、群體畫像挖掘等相關(guān)技術(shù)于一體的學習者群體畫像挖掘路徑，深度挖掘?qū)W習者畫像與學習資源間的隱性關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)個性化學習環(huán)境構(gòu)建與用戶的精準匹配，達到對學生進行個性化的指導，提升學習效果的目的。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);群體畫像;個性化;學習環(huán)境

中圖分類號：G640 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）13-0052-04

Abstract： Individualized learning environment is the high-end form of the network learning environment， the new demand of learners for the network learning environment in the era of information-based teaching， and the direction of future education development. This research constructs a learner group portraits mining path which combines the technologies of big data acquisition， big data preprocessing， semantic tag extraction， group portraits mining and so on， meanwhile explores the hidden relationship between learner persona and learning resources， thus realizing the precise matching between the construction of personalized learning environment and users， and providing personalized guidance for students so as to improve their learning efficiency.

Keywords： big data; group portrait; personalization; learning environment

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，慕課以其開放共享、資源豐富、互動性強、突破學習時間和空間限制等優(yōu)勢得到迅速發(fā)展。隨著慕課的快速發(fā)展，海量冗余課程資源帶來的“數(shù)據(jù)泛濫”“知識迷航”等問題，嚴重影響了學習者的積極性和學習效率，高輟學率也成為了制約慕課發(fā)展的一個重要因素。如何針對學習者的個性特性，為其推送與之能力水平、興趣愛好相適應的學習資源，構(gòu)建與之匹配的個性化學習環(huán)境就成為了研究熱點[1-3]。

用戶畫像是一種基于提取、分析用戶歷史數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)化、語義化的標簽對用戶行為特征進行刻畫，實現(xiàn)對用戶信息進行全面概括的工具。群體用戶畫像分析是利用聚類分析的方式，將具有共同特征的用戶劃歸到一個族群，進而有效挖掘用戶群體的個性化需求，為其匹配精準化的服務(wù)資源。因此，研究提出了基于大數(shù)據(jù)分析的群體用戶畫像理念，通過構(gòu)建群體學習者畫像模型，從畫像層面深入挖掘用戶個性化學習的精準需求，實現(xiàn)個性化學習服務(wù)的智能化與精準化，為解決大數(shù)據(jù)環(huán)境下個性化學習環(huán)境的構(gòu)建問題提供有效解決辦法[4-6]。

一、基于群體畫像的個性化學習環(huán)境構(gòu)建路徑設(shè)計

個性化學習環(huán)境的構(gòu)建離不開對學習者類型及特點的準確識別和分類，慕課學習者群體畫像的形成是基于對學習者海量行為數(shù)據(jù)如個人學習投入程度、瀏覽類型偏好、互動參與程度及作業(yè)完成情況等數(shù)據(jù)的采集和挖掘，提煉關(guān)鍵學情信息，加以標準化和標簽化處理，形成語義化的用戶特征標簽，通過聚類分析將具有相似性偏好的用戶分組而得到的。聚類后的學習者群體，可以根據(jù)其相似的學情特征、興趣偏好、學習風格等，將學習者劃分為不同的學習類型，從而有針對性地為學習者提供課程學習資源、布置練習、設(shè)置互動環(huán)節(jié)等，為學習者定制個性化的學習環(huán)境。

為了得到一個全面的學習者畫像，研究設(shè)計了一個結(jié)合大數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、標簽提取、畫像挖掘等相關(guān)技術(shù)的學習者群體畫像挖掘路徑。研究首先對學院慕課平臺上專業(yè)課程的學習者學習大數(shù)據(jù)進行采集，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行整合、清洗、轉(zhuǎn)化和規(guī)約，排除干擾數(shù)據(jù)，精簡處理數(shù)據(jù)規(guī)模;預處理后，基于預處理完成的數(shù)據(jù)利用主成分分析和因子分析法提取個性化的標簽;最后利用提煉出來的個性化學習標簽進行聚類分析，使具有相似屬性特征的學習者畫像聚合形成不同類型的學習者群體，挖掘?qū)W習者群體畫像與學習資源間的隱性關(guān)聯(lián)，由此實現(xiàn)個性化學習環(huán)境與用戶的精準匹配[7-10]。

二、基于大數(shù)據(jù)挖掘的學習者群體畫像

（一）個性化學習大數(shù)據(jù)的獲取

研究以學院慕課平臺中《會計電算化》課程近3學期，分布在3個年級14個班級的學習者為研究對象，學生學習課程期間的活動行為被系統(tǒng)采集并形成數(shù)據(jù)集，各類數(shù)據(jù)具體的內(nèi)容見表1。研究利用慕課平臺具備的數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具將上述數(shù)據(jù)分別導出為Access數(shù)據(jù)表文件，為后續(xù)的畫像挖掘提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（二）個性化學習大數(shù)據(jù)的預處理

1. 數(shù)據(jù)整合

研究采用Excel 2016中的Power Query插件中數(shù)據(jù)獲取功能，采用學生線上注冊過程中平臺自動生成的UID值作為標識值，將平臺采集的十四個選項導出的Access數(shù)據(jù)表進行整合，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表。整合后，每個UID值對一名學生的32項基礎(chǔ)及行為數(shù)據(jù)。

2. 數(shù)據(jù)清洗

為了不影響后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘，研究主要采用人工和計算機相結(jié)合的清洗方式，通過Excel對缺失、重復、異常及干擾數(shù)據(jù)進行篩查和清洗，篩選和剔除數(shù)據(jù)集中存在的無關(guān)數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，補充遺漏數(shù)據(jù)。

3. 數(shù)據(jù)標準化

由于數(shù)據(jù)中各項指標量綱不一，因此為了消除量綱不同對數(shù)據(jù)分析的影響，研究利用Z-score方法即標準差標準化方法，對清洗后的數(shù)據(jù)進行標準化處理，變化后每個指標的均值為零，標準差為1。

4. 數(shù)據(jù)規(guī)約

為了集中關(guān)注學生學習行為，研究將主要針對反映學生學習動態(tài)的指標進行分析，而暫不將靜態(tài)指標納入分析范圍。研究采用IBM SPSS Statistics 21.0對標準化后的21項數(shù)據(jù)進行主成分和因子分析。通過計算得出各指標的累計方差貢獻率和方差貢獻率，得出主成分分析的相關(guān)系數(shù)矩陣和方差貢獻率表。根據(jù)特征值大于1的原則，研究可以提取5個公因子，當提取5個公因子時方差累計貢獻率達75.25%，說明5個公因子基本包括了所選擇的21個變量的大部分信息量，提取該5個因子作為21個變量的公因子是合理的。

（三）語義化標簽的構(gòu)建

為了使得標簽的命名能夠具有解釋性，采取方差最大法對因子荷載矩陣實施了正交旋轉(zhuǎn)，正交旋轉(zhuǎn)之后的結(jié)果顯示提取的五個因子都將反映了學生在學習中的某種特征，具體解釋如下。

第一個標簽在課程訪問次數(shù)、瀏覽停留時長、文稿瀏覽次數(shù)、文稿瀏覽時長、圖片瀏覽次數(shù)、圖片瀏覽時長、動畫瀏覽次數(shù)、動畫瀏覽時長、視頻瀏覽次數(shù)和視頻瀏覽時長等10個變量上具有比較大的載荷。這10個變量主要表現(xiàn)了學生按照教師安排的學習計劃，在線上瀏覽課程各種資源時投入的時間，集中體現(xiàn)了學生對不同類型課程資源學習的投入程度，因此將這一標簽命名為學習偏好標簽。

第二個標簽在周期活躍度1個變量上具有比較大的載荷。這1個變量是學生全學期在線上學習的天數(shù)占學期總天數(shù)的比例，集中體現(xiàn)了學生學習的持續(xù)性和穩(wěn)定性，因此將這一標簽命名為學習投入標簽。

第三個標簽在作業(yè)成績、測試成績、討論成績、問答成績和期末考試成績等5個變量上具有比較大的載荷。這5個變量主要表現(xiàn)了學生按時完成教師線上布置的單元作業(yè)、課題隨機測試、話題討論、主觀問答題和參加期末考試取得的成績，集中體現(xiàn)了學生在學習不同階段的學習效果，因此將這一標簽命名為學習效果標簽。

第四個標簽在搜索次數(shù)、資源評論次數(shù)2個變量上具有比較大的載荷。這2個變量主要表現(xiàn)了學生為了完成學習任務(wù)主要進行資源搜索的次數(shù)、學習完成后對教師提供的各類學習資源發(fā)表學習心得、提出改進意見的情況，因此將這一標簽命名為主動思考標簽。

第五個標簽在參與討論率、提交作業(yè)率和參與問答率3個變量上具有比較大的載荷。這3個變量主要表現(xiàn)了學生參與教師發(fā)布的開放性討論問題、階段性測試、開放性問答題的積極性程度，因此將這一標簽命名為互動行為標簽。

（四）基于學習大數(shù)據(jù)的畫像挖掘

在因子分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)提取出來的學習偏好標簽、學習投入標簽、學習效果標簽、主動思考標簽和互動行為標簽，對學生進行K-means聚類分析。通過標簽聚類， 將412名學生分為6類。通過對聚類后6種類型群體的中心點比較，可以發(fā)現(xiàn)這6類群體在學習投入、學習偏好、互動參與、階段測試等方面存在較為明顯的差異，具體畫像結(jié)果如下。

1號畫像群體，學生人數(shù)21人，占比5.10%。此群體學生學習投入程度較低，各類資源瀏覽率均處于最低水平，僅僅能最低限度地參與教學互動活動;基本沒有主動學習意愿，學習成績處于及格水平。

2號畫像群體，學生人數(shù)39人，占比9.47%。此群體學生學習投入程度一般，資源能基本完成瀏覽，能完成基本的教學互動活動;主動進行最基礎(chǔ)的資源檢索，并對課程資源進行簡單評價，學習成績處于中等偏下水平。

3號畫像群體，學生人數(shù)88人，占比21.36%。此群體學生屬于視覺型學習者，學習投入程度較高，能根據(jù)學習的需要反復瀏覽資源，重點關(guān)注文稿、圖片資源;能積極參與教學互動活動，能主動進行資源檢索，并對課程資源進行評價，學習成績處于良好水平。

4號畫像群體，學生人數(shù)83人，占比20.15%。此群體學生屬于聽覺型學習者，學習投入程度較高，能根據(jù)學習的需要反復瀏覽資源，重點關(guān)注視頻、動畫資源;能積極參與教學互動活動，能主動進行資源檢索，并對課程資源進行評價，學習成績處于良好水平。

5號畫像群體，學生人數(shù)93人，占比22.57%。此群體學生屬于動覺型學習者，學習投入程度高，能根據(jù)學習的需要反復瀏覽資源，基本100%的參與教師發(fā)布的討論、作業(yè)及問答等互動活動，善于使用搜索功能對資源進行檢索，并積極對教學資源進行評價;學習成績處于良好水平。

6號畫像群體，學生人數(shù)88人，占比21.36%。此群體學生學習投入程度最高，能根據(jù)學習的需要對任課教師發(fā)布的文稿、圖片、動畫及視頻資源反復瀏覽，參與教師發(fā)布的討論、作業(yè)及問答等互動活動積極性高;為完成學習任務(wù)，能主動進行資源檢索，并對相關(guān)課程資源進行評價，學習成績處于優(yōu)秀水平。

三、基于學習者群體畫像的個性化學習環(huán)境構(gòu)建

基于學習者群體畫像的構(gòu)建，結(jié)合課程實施，結(jié)合上述6種不同類型學習者學習能力和學習風格，教師為學習者定制了適合其學習特點的學習方案。以個性化資源推送方面為例，課程將推送資源按難度分為了基礎(chǔ)、中等、專業(yè)及拓展四類，按類型分為了視覺型、聽覺型和動覺型三類。結(jié)合群體畫像，課程結(jié)合現(xiàn)有信息化資源，不再是簡單的將課程資源進行羅列，由學習者自行選取，而是將資源進行了有機組合，構(gòu)建了6類不同的學習資源包，分類推送給相對應的學習者[11-14]。

對于1號畫像學生群體，學生資源瀏覽完成率較低，但對其中的動畫資源表現(xiàn)出了較高的興趣，其次是視頻資源，學生學習這兩類資源的時間占據(jù)了全部學習時間的58%左右。針對其特點，課程開發(fā)了基礎(chǔ)學習包，在課前重點推薦動畫和視頻資源，輔以課件資源，幫助學生理解和掌握相關(guān)知識，完成最基礎(chǔ)知識的學習。

對于2號畫像學生群體，學生在學習過程中的針對性、有效性不強，不能有效把握教師推送學習資源的重點。針對其特點，課程開發(fā)了輕型學習包，利用視頻、動畫資源為主，輔以教師對知識點的總結(jié)提煉文稿，配套知識點習題，學生在學習完資源后，可閱讀教師總結(jié)文稿對學習內(nèi)容進行內(nèi)化，內(nèi)化完成后可通過配套習題檢驗知識點學習效果。

對于3號畫像學生群體，學生屬于典型的視覺型學習者，針對其特點，課程開發(fā)了視覺學習包，以知識點的講解文本、圖片類資源為主，輔以教師對知識點中的重點或難點的講解視頻，配套知識點習題，通過組合而成的視覺型學習包可幫助此類型學生獲得較好的學習效果。

對于4號畫像學生群體，學生屬于比較典型的聽覺型學習者，針對其特點，課程開發(fā)了聽覺型學習包，以知識點的講解視頻、動畫類資源為主，輔以教師對知識點中的重點或難點的總結(jié)文稿，以輔助學生獲得較好的學習效果。

對于5號畫像學生群體，學生屬于比較典型的動覺型學習者，針對其特點，課程開發(fā)了動覺型學習包，在提供知識點相關(guān)學習資源的同時，為提高學生參與度，教師增設(shè)了如作業(yè)、討論、問答及案例分析等互動教學環(huán)節(jié)，促進此類型學生更多主動思考，提升學生學習效果。

對于6號畫像學生群體，由于此類型學生具備較好的學習基礎(chǔ)和學習習慣，課程知識點掌握水平也較好，學生可根據(jù)自己學習需要有選擇性的進行資源瀏覽，因此，對于此部分學生不需要做特定的資源推送，但為了滿足這部分學生的提高，教師可將知識點相關(guān)資源重新整合，圍繞專業(yè)核心就業(yè)崗位，整合對接實際的實踐教學項目，提供給學生用以課后提升。

個性化學習包的構(gòu)建和推送，充分考慮了學習者的學習基礎(chǔ)、學習偏好和認知能力上的差異，在學習資源的提供上給出了多樣化的選擇，使得資源學習更有針對性，有效提高了學習者的效率;同時，將差異化的互動活動、階段性測試融入到了不同學習包，為不同學習水平的學習者提供了與之能力相匹配的互動話題和考核內(nèi)容，有效地檢查了不同類型學習者的學習效果。

四、結(jié)束語

本研究基于大數(shù)據(jù)分析方法，主要利用了學習者瀏覽行為數(shù)據(jù)、學習活躍度數(shù)據(jù)、階段測試數(shù)據(jù)以及社交互動數(shù)據(jù)等，通過主成分分析和因子分析，提取有效信息，構(gòu)建了多維度的個性化學習標簽體系;通過聚類分析，將學習者進行了有效分類，形成了較為精準的學習者群體畫像，從數(shù)據(jù)上描繪了其個性化學習需求。在此基礎(chǔ)上，將學習者畫像模型與精準資源推送服務(wù)應用到個性化學習環(huán)境構(gòu)建上，提出了基于大數(shù)據(jù)群體畫像的多種類型學習包的建設(shè)與推送服務(wù)，為當前信息化教學條件下開展大數(shù)據(jù)精準服務(wù)和個性化學習環(huán)境構(gòu)建提供了應用參考。

需要關(guān)注的是，由于學習者的學習過程并不是一個簡單線性變化的過程，而是一個動態(tài)變化的非延續(xù)性過程，因此，在服務(wù)各類型學習者時，需要充分考慮到學習者的學習特征和學習能力的變化，對其畫像模型不斷進行動態(tài)修正，以此保證學習者的學習路徑與其學習目標、內(nèi)容和方式的相適應。

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