計算教育學(xué)：研究動態(tài)與應(yīng)用場景

王晶瑩 張永和 宋倩茹 馬勇軍

(1.青島大學(xué) 師范學(xué)院，山東青島 266071；2.深圳大學(xué) 教育學(xué)院，廣東深圳 518061)

一、計算時代已來

計算教育學(xué)不是個獨(dú)創(chuàng)的教育學(xué)理論流派，也不是某種特定的研究方法。從當(dāng)代大數(shù)據(jù)驅(qū)動的發(fā)展路徑看，計算教育學(xué)是教育學(xué)領(lǐng)域借助計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新興科技手段，利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)獲取與分析數(shù)據(jù)，基于跨學(xué)科視域研究，解釋教育現(xiàn)象與教育行為的一種融和式研究范式或思維方式。目的在于融合與超越教育學(xué)傳統(tǒng)預(yù)設(shè)-驗證的經(jīng)驗范式，發(fā)現(xiàn)計算科學(xué)哲學(xué)資深學(xué)者拉斐爾·阿爾瓦拉多(Rafael Alvarado)和保羅·漢弗萊斯(Paul Humphreys)積極推動的第四類知識(未知的已知)，即對人類未知而機(jī)器已知的機(jī)器認(rèn)識論，基于計算教育學(xué)信息加工范式實現(xiàn)對教育現(xiàn)象與教學(xué)規(guī)律的真實認(rèn)知與科學(xué)解釋。2009年哈佛大學(xué)大衛(wèi)·拉澤(David Lazer)等人在《科學(xué)》雜志發(fā)文提出“計算社會科學(xué)”(Computational Social Science)概念，并列舉一系列包括教育學(xué)在內(nèi)的計算社會科學(xué)的重要領(lǐng)域，歷經(jīng)十年的研究探索與領(lǐng)域發(fā)展，計算教育學(xué)不斷趨向成熟。

當(dāng)代社會線上線下的教學(xué)每天都產(chǎn)生海量教育數(shù)據(jù)，包括教與學(xué)及其交互數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)等，這些大數(shù)據(jù)資源給教育研究帶來新的挑戰(zhàn)，促使研究者躬身技術(shù)實踐挖掘其背后的深層規(guī)律，推進(jìn)教育研究肩負(fù)人工智能時代的嶄新“學(xué)術(shù)使命”與“實踐責(zé)任”。同時，教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用過程中也存在諸多困境，諸如技術(shù)層面的數(shù)據(jù)收集、儲存、挖掘和處理，以及價值層面如何實現(xiàn)挖掘之?dāng)?shù)據(jù)信息反哺于教育理論與實踐創(chuàng)新。正是為了解決這一系列難題，計算教育學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。依托數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)以及人工智能等計算機(jī)技術(shù)與數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展，信息加工范式在教育領(lǐng)域跨界滲透，從本質(zhì)屬性、研究對象和研究領(lǐng)域等方面共同建構(gòu)起計算教育學(xué)的發(fā)展內(nèi)涵和概念框架。

從本質(zhì)屬性看，科技發(fā)展為計算教育學(xué)奠定了必備的技術(shù)條件和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以計算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)為核心發(fā)展而來的互聯(lián)網(wǎng)科技、人工智能和大數(shù)據(jù)等新興領(lǐng)域極大地豐富了教育研究方法。計算與教育不是并行的，計算是一種路徑，是通向教育目標(biāo)的方式與手段。教育是計算的目的與歸宿，不能用計算替代教育。計算目標(biāo)也不等于教育目標(biāo)，教育是計算的根基(李政濤等，2019)。從研究對象看，計算教育學(xué)自立門戶，隨著大數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于教育研究而成為必然(王晶瑩等，2020)。在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)是教育大數(shù)據(jù)的主要組成部分，計算教育學(xué)發(fā)端于慕課研究(孫洪濤等，2016)，學(xué)習(xí)者在慕課平臺依靠計算機(jī)交互技術(shù)，產(chǎn)生大量呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化形態(tài)的教育大數(shù)據(jù)，包括記錄學(xué)習(xí)過程的行為數(shù)據(jù)、記錄學(xué)習(xí)結(jié)果的評價數(shù)據(jù)，以及學(xué)習(xí)形成的社會網(wǎng)絡(luò)關(guān)系數(shù)據(jù)等(Murray et al., 2008)。隨著在線課程和學(xué)習(xí)者數(shù)量的激增，教育數(shù)據(jù)井噴式增長，形成海量的教育大數(shù)據(jù)庫，促發(fā)了基于教育大數(shù)據(jù)的研究領(lǐng)域和計算教育學(xué)的成熟。

2019年11月，陳玉琨在華東師范大學(xué)主辦的第三屆數(shù)據(jù)驅(qū)動的計算教育學(xué)研討會提出，計算教育學(xué)是以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以算力與算法為支撐，揭示教育教學(xué)規(guī)律，乃教育學(xué)的升級版，認(rèn)為計算教育學(xué)的突破體現(xiàn)在三個方面：以教材和教法為突破實現(xiàn)革命性的教育變革，并取得社會各界的認(rèn)同；以數(shù)據(jù)與文本分析為基礎(chǔ)的發(fā)展教育政策學(xué)，及時預(yù)測人民群眾與國家政府對教育的期望；基于當(dāng)代學(xué)生情緒的教育計算分析，重新定義教育心理學(xué)。目前，計算社會科學(xué)領(lǐng)域涉及的研究方法主要有自動信息提取系統(tǒng)、社交網(wǎng)絡(luò)分析、社會地理信息系統(tǒng)、復(fù)雜性建模和社會仿真模型等。計算社會科學(xué)家正在利用先進(jìn)的、日益強(qiáng)大的計算技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)工具了解跨學(xué)科和超越傳統(tǒng)學(xué)科研究范疇的新問題與新規(guī)律。喬治梅森大學(xué)社會復(fù)雜性中心創(chuàng)始人和現(xiàn)任主任、計算社會科學(xué)系創(chuàng)始人和前任主任克勞迪奧·喬菲-雷維利亞(Claudio Cioffi-Revilla)2014年出版的《計算社會科學(xué)：原則與應(yīng)用》(Introduction to Computational Social Science: Principles and Applications)認(rèn)為，計算社會科學(xué)領(lǐng)域缺乏不同領(lǐng)域理論的統(tǒng)一框架。計算社會科學(xué)將信息處理視為關(guān)鍵要求，用作理解和揭示社會以及社會中的個體是如何運(yùn)作或行動，從而產(chǎn)生復(fù)雜系統(tǒng)的；信息加工范式將計算作為建模和理解社會復(fù)雜性的重要工具性手段，提出計算社會科學(xué)是一門以傳統(tǒng)社會科學(xué)、計算科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和工程科學(xué)的新型交叉學(xué)科(梁君英, 2019)。由此可知，教育大數(shù)據(jù)是計算教育學(xué)直接卻不唯一的研究對象，通過對教育數(shù)據(jù)的算法挖掘分析深層次的教與學(xué)互動作用機(jī)制，充分將機(jī)器認(rèn)識論融入傳統(tǒng)教育研究來構(gòu)建高等與精準(zhǔn)的循證教育理論與決策，是計算教育學(xué)的精髓。

二、全球研究動態(tài)

計算教育學(xué)的研究正從萌芽階段不斷快速發(fā)展，成果日益涌現(xiàn)。為透視計算教育學(xué)的全球研究動態(tài)，本研究通過Web of Science檢索平臺，在核心合集中選取“大數(shù)據(jù)+教育” “數(shù)據(jù)挖掘+教育” “機(jī)器學(xué)習(xí)+教育”為主題詞，類別限定為教育研究、心理研究、家庭研究等領(lǐng)域進(jìn)行檢索，檢索時間為2019年12月9日，檢索文獻(xiàn)經(jīng)篩選后最終納入分析的樣本數(shù)為2139篇。本部分將題錄信息的純文本格式作為社會網(wǎng)絡(luò)分析的源數(shù)據(jù)，揭示和解構(gòu)計算教育學(xué)的全球研究脈絡(luò)與研究主題。

(一)社會網(wǎng)絡(luò)分析揭示研究脈絡(luò)

凝聚子群是社會網(wǎng)絡(luò)分析的核心部分，主要研究節(jié)點間的內(nèi)在聯(lián)系。幾個節(jié)點有很強(qiáng)的聯(lián)系甚至結(jié)成群體，稱為凝聚子群。隸屬于同一子群的關(guān)鍵詞組成一個研究主題。因此，本研究采用UCINET進(jìn)行凝聚子群分析，揭示計算教育學(xué)的研究主題。方法是將矩陣導(dǎo)入UCINET，利用CONCOR法進(jìn)行凝聚子群分析并構(gòu)建研究圖景(見圖1)，數(shù)字代表關(guān)鍵詞的頻次排名。計算教育學(xué)研究可分為四大主題：第一個主題為基于數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、云計算等技術(shù)手段進(jìn)行課程設(shè)計、學(xué)習(xí)行為、科學(xué)教育、創(chuàng)新教育、社會媒體等微觀層面的教與學(xué)研究，教育大數(shù)據(jù)挖掘為其主流方向；第二個主題為在線的工程教育、學(xué)習(xí)分析、合作學(xué)習(xí)等認(rèn)知與行為模擬，針對線上/線下與混合學(xué)習(xí)進(jìn)行深度研究，包括網(wǎng)絡(luò)合作學(xué)習(xí)及虛擬仿真環(huán)境，以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成效；第三個主題為學(xué)生動機(jī)與情感參與研究，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，探究課堂參與、課堂行為以及學(xué)習(xí)動機(jī)與學(xué)業(yè)成就的內(nèi)在機(jī)制；第四個主題為師生人格和性別分析研究，多是通過五因素模型開展基于大量數(shù)據(jù)的人格分析，動態(tài)全面地了解教師和學(xué)生的人格特征，盡可能為師生心理健康與學(xué)習(xí)過程提供保障，體現(xiàn)了計算教育學(xué)的情感關(guān)懷。

圖1 基于 UCINET凝聚子群分析的計算教育學(xué)研究圖景

(二)四類研究主題的深度解構(gòu)

第一類主題為基于數(shù)據(jù)挖掘的教與學(xué)規(guī)律研究。大數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的融合幫助教育工作者更精準(zhǔn)地了解學(xué)習(xí)者的技能水平、學(xué)習(xí)習(xí)慣等學(xué)情信息，從而實現(xiàn)個性化教學(xué)并提高教學(xué)管理效率；同時技術(shù)的飛速發(fā)展產(chǎn)生了人工智能教師和教育機(jī)器人等具有深度學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)和自然語言理解的復(fù)雜系統(tǒng)?；诖髷?shù)據(jù)的學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)態(tài)度等多模態(tài)數(shù)據(jù)分析，可以準(zhǔn)確地評估學(xué)習(xí)者的在線學(xué)習(xí)水平和行為特征，進(jìn)而精準(zhǔn)地匯報測評效果，提出改進(jìn)方案。歐卡娜-馮南德(Ocaa-Fernández, 2020)利用人工智能管理與整合不同模式的人類互動信息和通信技術(shù)，為個性化學(xué)習(xí)提供精準(zhǔn)服務(wù)，并結(jié)合學(xué)習(xí)者的反饋，科學(xué)地評價教育質(zhì)量?；羝嫠?Hodges, 2019)設(shè)計機(jī)器學(xué)習(xí)平臺用以解釋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及R代碼的實現(xiàn)機(jī)理，證實了機(jī)器學(xué)習(xí)平臺對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的價值。

第二類主題可以概括為模擬在線學(xué)習(xí)過程。在線教育以其課程資源豐富，對學(xué)習(xí)者寬松的時空條件要求等特點，滿足當(dāng)下流行的碎片化學(xué)習(xí)需要，成為后疫情時代學(xué)習(xí)的重要途徑。模擬法能夠再現(xiàn)教與學(xué)實踐過程中的相互作用，展現(xiàn)多主體活動的復(fù)雜環(huán)境場域，可以用于增強(qiáng)學(xué)習(xí)者個人與真實學(xué)習(xí)經(jīng)驗的連接與互動(Warburton, 2009)；同時，利用仿真技術(shù)對真實生活經(jīng)驗的生動模仿，還可以為學(xué)習(xí)者提供豐富、具體場景的“做中學(xué)”的感性認(rèn)識與直接體驗(Bell et al., 2008)，從而開發(fā)學(xué)習(xí)者相應(yīng)技能并促進(jìn)實踐能力學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。模擬法被較多地應(yīng)用于教師教育、醫(yī)學(xué)教育和工程教育等。沃伯格(Warburg, 2009)研發(fā)了“第二生命”，即3D虛擬世界，用戶可以使用語音和文字進(jìn)行社交、連接、創(chuàng)建和學(xué)習(xí)；安德森等(Anderson et al., 2013)開發(fā)了“Voki”，即屏幕上用來模擬指令的會說話的數(shù)字；劉晨鐘等人(Liu et al., 2011)通過模擬復(fù)雜的學(xué)習(xí)情景來增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，這些平臺增強(qiáng)了學(xué)生在醫(yī)學(xué)和科學(xué)教育等的模擬學(xué)習(xí)體驗?？纱┐髟O(shè)備增加了對模擬運(yùn)動和行動密集體驗的捕捉，為教育大數(shù)據(jù)的收集提供了技術(shù)支持。亨德曼(Hyndman, 2017)對在線教育潛力和性能進(jìn)行了深入研究，利用GoPro視頻技術(shù)進(jìn)行在線教師教育創(chuàng)新的可行性實踐，實時記錄在線實驗結(jié)果，為教師教育規(guī)劃提供了循證依據(jù)。胡安(Huun, 2018)基于證據(jù)的模擬實體(電子模擬、視頻模擬和遠(yuǎn)程存在模擬)提供異步和同步選項，便于學(xué)習(xí)者和教師使用，并為護(hù)理專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)提供模擬課程。塞姆(Siam, 2019)開發(fā)了一種新的教學(xué)方法來教授電動過濾器課程，新方法的設(shè)計將查詢、計算機(jī)仿真、協(xié)作與群際競爭相結(jié)合，研究表明該方法可以提高電氣工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

第三類主題為學(xué)生動機(jī)與情感參與研究，通過計算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)聚焦學(xué)生課堂參與過程中學(xué)習(xí)動機(jī)和情感的識別、監(jiān)測與評估，并進(jìn)一步分析其與學(xué)習(xí)行為、認(rèn)知過程和學(xué)業(yè)成就之間的關(guān)系及其內(nèi)在作用機(jī)制。研究者通過開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實的多維概念地圖學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行移動學(xué)習(xí)。實驗結(jié)果表明，學(xué)生的情感參與度與學(xué)習(xí)結(jié)果呈正相關(guān)(Chen et al., 2017)。另一項研究使用基于領(lǐng)域知識的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測情緒，研究的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)包括亮度、色溫、聲音、音量、氣味、溫度、濕度和情緒，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是用兩條染色體編碼表示節(jié)點和弧；為探索最優(yōu)結(jié)構(gòu)，進(jìn)化算法被用來傳遞集合中的信息，該研究還對未觀察到的各種推理節(jié)點進(jìn)行實驗。結(jié)果表明該方法的準(zhǔn)確率達(dá)85%，可以用領(lǐng)域知識代替網(wǎng)絡(luò)設(shè)計來預(yù)測環(huán)境對學(xué)生情緒和情感參與的影響(Choi et al., 2017)。

第四類主題為師生人格和性別分析研究。機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)研究帶來社會各層面的變革，機(jī)器學(xué)習(xí)在心理科學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用是開發(fā)預(yù)測人類行為和性格特征的評估工具。人格評估的機(jī)器學(xué)習(xí)方法一直專注于社交媒體和其他數(shù)字記錄與既定人格測量之間的關(guān)聯(lián)。諸多研究集中在對“五大”人格特征的可靠評估，即神經(jīng)質(zhì)、外向性、經(jīng)驗開放性、親和性和盡責(zé)性，在大數(shù)據(jù)中識別這些特征的標(biāo)記對于研究跨語言和文化的人格結(jié)構(gòu)和發(fā)展具有重要潛力。該類研究側(cè)重將機(jī)器學(xué)習(xí)置于測試和理論開發(fā)的結(jié)構(gòu)驗證框架并實現(xiàn)這一潛力，特別關(guān)注基于計算機(jī)之評估內(nèi)容的有效性。例如，伯雷登(Bleidorn, 2018)將機(jī)器學(xué)習(xí)嵌入全面的結(jié)構(gòu)驗證框架來擴(kuò)展可操作性評估的潛力。他回顧了近年機(jī)器學(xué)習(xí)在人格評估中的應(yīng)用，將機(jī)器學(xué)習(xí)研究置于構(gòu)建和驗證基本原理的廣泛背景下，對如何使用機(jī)器學(xué)習(xí)增進(jìn)人格理解提供建議。同時，劍橋大學(xué)梅雷斯(Mairesse, 2007)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，通過從語料庫中提取變異維度來控制語言風(fēng)格，可以在不增加計算成本的情況下，以人類感知評價的數(shù)據(jù)驅(qū)動的文體變異方法，自動生成有意義的包括各種風(fēng)格維度的人格可識別變量，進(jìn)而開展數(shù)據(jù)驅(qū)動下的人格分析。

三、應(yīng)用場景

場景是人類社會運(yùn)作的微觀單元。通過時空兩個因素，人們對場景進(jìn)行感知，而技術(shù)條件決定著人類場景感知的方式，一個個場景組成了我們的日常生活(夏蜀，2019)。與所有新興研究主題出現(xiàn)所面臨的特有場域一樣，計算教育學(xué)也有其所適用的應(yīng)用場景，表征了計算教育學(xué)的本質(zhì)價值。因此，計算教育學(xué)及其相關(guān)技術(shù)的場景定位十分重要。

(一)技術(shù)與場景的共現(xiàn)策略

為全方位展示計算教育學(xué)的應(yīng)用場景，筆者采用技術(shù)與場景共現(xiàn)的方式，進(jìn)行可視化處理。將關(guān)鍵詞提取并轉(zhuǎn)化為簡潔和層次結(jié)構(gòu)清晰的JSON(Java Script Object Notation) 數(shù)據(jù)交換格式作為可視化分析的材料，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入在線復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析平臺進(jìn)行分析，繪制關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜，每個節(jié)點代表一個關(guān)鍵詞，頻次越多，節(jié)點越大。若兩個關(guān)鍵詞同時出現(xiàn)在一篇文章中，關(guān)鍵詞之間會出現(xiàn)一條連線，代表關(guān)聯(lián)性。連線上的數(shù)字代表其共現(xiàn)次數(shù)，即同時出現(xiàn)在同一研究中的次數(shù)。關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的關(guān)鍵詞組成同一研究主題。利用在線復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析平臺進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，進(jìn)一步揭示研究主題，并利用在線平臺內(nèi)置的Louvain算法進(jìn)行聚類，最終得到大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)社區(qū)圖(見圖2)。由此，計算教育學(xué)給我們展示了七個典型的應(yīng)用場景，即教學(xué)環(huán)境設(shè)計、醫(yī)學(xué)教育輔助、工程教育、師生人格品質(zhì)研究、師生課堂互動與學(xué)生學(xué)習(xí)分析、個性化評價以及教育政策改革。每項技術(shù)對應(yīng)其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用場景，如虛擬現(xiàn)實技術(shù)與互動學(xué)習(xí)環(huán)境有關(guān)，學(xué)生學(xué)習(xí)等微觀層面涉及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，政策、教學(xué)改革等宏觀層面與教育大數(shù)據(jù)相關(guān)。機(jī)器學(xué)習(xí)與自然語言處理、分類算法等技術(shù)手段相關(guān)，這些可以看作是計算和教育相結(jié)合的基本現(xiàn)狀和實現(xiàn)場域。

(二)計算教育學(xué)應(yīng)用場景的多維分析

首先是教學(xué)環(huán)境設(shè)計與師生課堂互動和學(xué)習(xí)分析的兩大學(xué)習(xí)環(huán)境視域中的場景。虛擬現(xiàn)實和模擬技術(shù)與教學(xué)環(huán)境設(shè)計應(yīng)用場景緊密相關(guān)，打造交互學(xué)習(xí)環(huán)境成為主流趨勢。交互式仿真技術(shù)通過創(chuàng)造沉浸式虛擬環(huán)境增強(qiáng)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)體驗，為探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)豐富學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗的有效性提供了便利。研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實可以通過為學(xué)生提供啟發(fā)式、高度交互的虛擬環(huán)境提高學(xué)習(xí)體驗。研究者建議，教師創(chuàng)設(shè)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，如游戲環(huán)境，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成積極的學(xué)習(xí)行為(Lau et al., 2015)。師生課堂互動和學(xué)習(xí)分析場景中，雖然目前學(xué)界對學(xué)習(xí)行為的研究取得了進(jìn)展，但仍處于起步階段，還有實際問題需要解決。例如，如何促進(jìn)課堂的有效學(xué)習(xí)。在大數(shù)據(jù)背景下，基于智慧課堂的互動行為框架可以揭示師生互動的內(nèi)在機(jī)制，實現(xiàn)學(xué)生的個性化或適應(yīng)性學(xué)習(xí)，促進(jìn)有效學(xué)習(xí)?；谥R模型領(lǐng)域的課堂教學(xué)行為數(shù)據(jù)，可以通過研究實時師生互動以及學(xué)生間的交互，揭示深層教學(xué)規(guī)律，為提高教學(xué)質(zhì)量提供循證依據(jù)。

其次是醫(yī)學(xué)教育輔助與工程教育場景。現(xiàn)代計算機(jī)應(yīng)用程序能夠模擬現(xiàn)實情境，豐富教育環(huán)境。在過去十年中，許多計算機(jī)輔助學(xué)習(xí)程序已經(jīng)被開發(fā)出來，并在實踐中應(yīng)用，比如，cyberActive科技有限公司開發(fā)的計算機(jī)軟件cyberPatientTM能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)學(xué)生和教育工作者的長期夢想——用計算機(jī)程序模擬真實的醫(yī)患關(guān)系(Qayumi, 2009)。佩爾森等人(Persson et al., 2014)基于計算機(jī)的危重癥醫(yī)學(xué)技術(shù)創(chuàng)造情境式的學(xué)習(xí)體驗以實現(xiàn)學(xué)習(xí)仿真。工程教育是社會工業(yè)和技術(shù)發(fā)展的基本支柱，它也具有自身特點。例如，工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式具有獨(dú)特性，他們的視覺素養(yǎng)、主動性、歸納推理和工程感知等有特定取向。因此，運(yùn)用學(xué)習(xí)分析和教育數(shù)據(jù)挖掘分析工程專業(yè)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)環(huán)境和背景的風(fēng)格十分必要，學(xué)習(xí)分析的目標(biāo)是對存在于教育存儲庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)，以理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)及其發(fā)生的環(huán)境，其分析結(jié)果可以為教師和管理人員決策提供支持。

最后是師生人格品質(zhì)、個性化評價與循證改革場景。在數(shù)字時代，人們不斷地產(chǎn)生認(rèn)知、行為與心理足跡，這些足跡聚集成大數(shù)據(jù)，為研究者提供機(jī)會來跟蹤、分析和預(yù)測人類的行為。這類研究的指導(dǎo)性假設(shè)是心理特征影響個人使用數(shù)字服務(wù)和在線環(huán)境認(rèn)知與行為的特定方式。因此，個人使用數(shù)字服務(wù)的傾向和在線環(huán)境的認(rèn)知行為等數(shù)據(jù)應(yīng)該可以反過來用于預(yù)測用戶的心理特征。例如，對師生人格品質(zhì)的研究可以了解師生的心理因素對教育的影響。在個性化評價場景，大數(shù)據(jù)將在學(xué)生評估中發(fā)揮持久和重要的作用。由于數(shù)據(jù)結(jié)果幾近實時發(fā)布，以及數(shù)據(jù)來源的廣泛性，使用大數(shù)據(jù)可以精準(zhǔn)作出價值判斷和數(shù)據(jù)分析，使得決策者和評估人員作出更明智的政策。在教育政策改革場景中，基于物聯(lián)網(wǎng)實時和全方位的信息采集技術(shù)，人們可以擁有教育系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)流。因此，學(xué)校、班級、教師和學(xué)生等諸多教育教學(xué)問題可以綜合開展全鏈條式研究，比如，可以測量學(xué)生的缺勤頻率，通過形成數(shù)據(jù)源預(yù)測潛在的因果因素，分析學(xué)生缺勤的原因，及時改善教育環(huán)境和相應(yīng)政策。再比如，通過分析學(xué)生的入學(xué)數(shù)據(jù)，可以基于入學(xué)趨勢預(yù)測學(xué)生的興趣模式，從而分析引入新學(xué)科可能導(dǎo)致的結(jié)果，預(yù)測學(xué)生何時可以轉(zhuǎn)移學(xué)分，確定學(xué)生的留校率，并試圖評估學(xué)生輟學(xué)的潛在原因，及時制定相應(yīng)的循證決策建議。

四、范式挑戰(zhàn)

計算教育學(xué)作為一種新興的大數(shù)據(jù)驅(qū)動的信息加工范式，融合了計算機(jī)科學(xué)、教育學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)等多學(xué)科。大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的計算教育學(xué)是大數(shù)據(jù)時代的產(chǎn)物，算法是其本質(zhì)，數(shù)據(jù)、算法和算力作為計算機(jī)科學(xué)的三大核心支撐，均成為推動計算教育學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵要素。在當(dāng)代國際教育研究領(lǐng)域，作為數(shù)據(jù)密集型研究范式的計算教育學(xué)研究動態(tài)及其應(yīng)用場景揭示了教育學(xué)計算范式的變革路徑，并引發(fā)了對計算教育學(xué)范式挑戰(zhàn)的深度思考。

(一)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)解構(gòu)研究進(jìn)程

為進(jìn)一步揭示計算教育學(xué)縱向研究趨勢，采用TFIDF數(shù)據(jù)挖掘方法深度解構(gòu)計算教育學(xué)的全球發(fā)展動態(tài)。TFIDF是經(jīng)典的詞語權(quán)重算法，主要思想是假設(shè)某個詞語在指定文本中出現(xiàn)的頻率很大，并且在文本集的其他文本中很少出現(xiàn)，即認(rèn)為這個詞語是指定文本的關(guān)鍵詞，可以用作分類或標(biāo)簽使用。利用TFIDF 過濾文本的常見詞語，保留對研究分析有重要意義的詞語，在很大程度上縮小文本詞空間，更有效地對文本進(jìn)行主要特征分析。TFIDF 被廣泛應(yīng)用于搜索引擎、文獻(xiàn)分類及其他領(lǐng)域，是一種基礎(chǔ)的信息檢索模型。在 TFIDF 模型中，詞頻(Term Frequency, TF)指的是某一給定的詞語在該文本中出現(xiàn)的頻率。逆向文件頻率(Inverse Document Frequency, IDF)用來度量詞語的普遍重要性，計算文檔集中包含某指定詞語的文檔數(shù)量，數(shù)量越小代表這個詞語越能代表指定的文本。

將研究文本以一年為單位進(jìn)行關(guān)鍵詞TF-IDF值計算，基于共現(xiàn)頻次、TF-IDF值以及與主題的關(guān)聯(lián)度三個指標(biāo)選取最能代表計算教育學(xué)研究主題的十個關(guān)鍵詞，根據(jù)年度TF-IDF值的變化繪制折線圖，橫軸代表年份，縱軸代表TF-IDF值的大小(見圖3)。2008年前的研究處于沉寂狀態(tài)，是全球計算教育學(xué)誕生的孕育階段，1994年教育為主要研究主題，2001年合作學(xué)習(xí)的TF-IDF值最高。2008-2014年之間，教育的重要性增加，尤其是高等教育成為計算教育學(xué)發(fā)端的重要場域。大數(shù)據(jù)的重要性逐年增加，與此同時，學(xué)習(xí)分析的變化如影隨形。教育大數(shù)據(jù)挖掘逐漸成為計算教育學(xué)的重要研究主題，這一階段可以視為計算教育學(xué)的萌芽階段。2014年，計算教育學(xué)在我國被正式提出(李政濤等，2019)，大數(shù)據(jù)作為首要技術(shù)支持，其重要性逐年增加且變化明顯，同時，人工智能、教育數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)逐漸豐富，計算教育學(xué)的研究整體上呈現(xiàn)技術(shù)支撐背景下的多元化發(fā)展圖景。

圖3 關(guān)鍵詞TF-IDF值年度變化特征

(二)循證路徑審思計算教育學(xué)變革

計算社會科學(xué)通過學(xué)科交叉幫助人們更好地認(rèn)識復(fù)雜社會現(xiàn)象背后的規(guī)律和作用機(jī)理，同時打破了自然科學(xué)與社會科學(xué)的長期隔離(張小勁等，2017)，既向傳統(tǒng)學(xué)科分野及其研究范式提出挑戰(zhàn)，又為新學(xué)科產(chǎn)生、發(fā)展及其方法論突破準(zhǔn)備了條件(Alvarado et al., 2017)。計算教育學(xué)的出現(xiàn)是計算社會科學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路，計算教育學(xué)在帶來機(jī)遇的同時，由于自身學(xué)科融合的特點，必然面臨以下挑戰(zhàn)：首先，研究技術(shù)和跨學(xué)科素養(yǎng)的瓶頸。技術(shù)挑戰(zhàn)是計算教育學(xué)面臨的首要難題，計算教育學(xué)需要機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和人工智能等諸多領(lǐng)域的專業(yè)人才，但是由于教育行業(yè)的大數(shù)據(jù)開發(fā)與分析起步較晚，能夠處理教育大數(shù)據(jù)的專業(yè)人士較稀缺，而能對數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果的跨學(xué)科解構(gòu)，并能深度揭示教育規(guī)律和機(jī)制的綜合型人才更是鳳毛麟角?？鐚W(xué)科人才的缺乏將成為計算教育學(xué)發(fā)展過程中的重大制約，這將影響教育大數(shù)據(jù)技術(shù)和理論的成熟，無論是在硬件涉及的量化數(shù)據(jù)采集、存儲技術(shù)，還是數(shù)據(jù)的流通性、精確性以及調(diào)用的便捷性等方面都面臨諸多困難，而來自量化數(shù)據(jù)分析和教育理論的協(xié)同共進(jìn)將成為發(fā)展的最大瓶頸。其次，數(shù)據(jù)安全與倫理的危機(jī)。計算教育學(xué)通過對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析與挖掘研究教育現(xiàn)象和解決教育問題，但學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)涉及個人隱私，不能隨意對外公布。因此在如何保護(hù)學(xué)生個人隱私的同時, 對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效挖掘和分析，兼顧數(shù)據(jù)調(diào)用的便捷性與安全性成為兩難問題(劉夢君等，2019)。最后，數(shù)據(jù)價值與循證教育的突圍。目前教育大數(shù)據(jù)的主要來源是慕課等在線教育平臺，以其在線運(yùn)作產(chǎn)生的教與學(xué)數(shù)據(jù)為主，但是這種數(shù)據(jù)并非天然地適合于數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)。面對海量的在線教育大數(shù)據(jù)，目標(biāo)數(shù)據(jù)的選擇需要兼顧完整性和效率性，即在保證整個研究過程效率的基礎(chǔ)上如何選擇最有價值的數(shù)據(jù)依然面臨困境。另一方面，由于教育大數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)性和孤立化特征，如何基于教育的真問題和關(guān)鍵情境采取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)挖掘也十分必要，更進(jìn)一步的基于教育大數(shù)據(jù)及其學(xué)習(xí)過程的教育規(guī)律和機(jī)制挖掘，以及據(jù)此而進(jìn)行的循證決策研究也是當(dāng)代計算教育學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)。

綜上所述，通過全球研究動態(tài)和應(yīng)用場景分析，筆者認(rèn)為計算教育學(xué)是技術(shù)創(chuàng)新并應(yīng)用于教育領(lǐng)域的范式革新，它將優(yōu)化小樣本的量化研究，作用機(jī)制不透明，教育政策改革滯后等問題，拓寬傳統(tǒng)教育研究的視域，提供基于高等級證據(jù)的教育研究成果。計算教育學(xué)的范式挑戰(zhàn)告訴我們，機(jī)器認(rèn)識論不同于傳統(tǒng)教育研究的經(jīng)驗認(rèn)識論。第四類知識的發(fā)現(xiàn)過程中，如何解構(gòu)教育的復(fù)雜性問題與背后的深層機(jī)制，如何探究數(shù)據(jù)挖掘、模擬仿真、計算與機(jī)器學(xué)習(xí)等共進(jìn)而生成教與學(xué)規(guī)律，成為重構(gòu)教育理論體系的核心動力。我們清醒地看到，計算教育學(xué)并沒有脫離現(xiàn)有的教育研究框架，而是以新的技術(shù)和數(shù)據(jù)密集型研究范式，利用新途徑獲取的教育大數(shù)據(jù)，在解決傳統(tǒng)與新生教育問題上尋找突破口，這并不會改變教育研究領(lǐng)域現(xiàn)有的運(yùn)行方式?！坝嬎?教育”在很大程度上豐富了教育研究的算法與算力。我們有理由相信，計算教育學(xué)將會帶來教育研究的跨學(xué)科甚至超學(xué)科變革，推動生成教育研究的新生態(tài)與跨邊界理論。