大數(shù)據(jù)平臺在智慧教育中的應(yīng)用思考

楊曉賢 翁雯 吳嘉琪

摘? 要： 在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，如何高效地存儲和檢索教育資源成為教育大數(shù)據(jù)亟待解決的問題。智慧教育涉及教學(xué)、管理和資源等全流程，而教育大數(shù)據(jù)在時(shí)間空間上分散孤立，數(shù)據(jù)內(nèi)涵差異巨大，大量結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)共存。從學(xué)生和教師的用戶角度來看，高校缺乏提供個(gè)性化服務(wù)的能力，在教學(xué)和生活方面都還存在很大的提升空間。本文就大數(shù)據(jù)平臺在智慧教育中的應(yīng)用提出一些思考，重點(diǎn)研究教育大數(shù)據(jù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，教育大數(shù)據(jù)語義推薦，教育大數(shù)據(jù)搜索和可視化等多方面技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 教育大數(shù)據(jù);教育技術(shù);知識圖譜;動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián);數(shù)據(jù)檢索和可視化

中圖分類號： ：TP399? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.069

本文著錄格式：楊曉賢，翁雯，吳嘉琪. 大數(shù)據(jù)平臺在智慧教育中的應(yīng)用思考[J]. 軟件，2020，41（10）：270272

【Abstract】： In the context of big data， how to store and retrieve educational resources efficiently has become an urgent problem to be solved. Intelligent education involves the whole process of teaching， management and resources， while the big data of education are scattered and isolated in time and space， with huge differences in data content， and a large amount of structured and unstructured data. From the perspective of students and teachers， universities lack the ability to provide personalized services， and there is still much room for improvement. This paper shows our thoughts on the application of big data platform in intelligent education， focusing on the dynamic correlation， semantic recommendation， searching and visualization for education big data.

【Key words】： Big data on education; Educational technology; Knowledge graph; Dynamic correlation; Data retrieval and visua lization

0? 引言

當(dāng)前我國教育現(xiàn)代化不斷發(fā)展，數(shù)字教育資源不斷豐富，信息化教學(xué)的應(yīng)用不斷拓展和深入，教育管理信息化初見成效。爆炸式增長的教育資源已經(jīng)呈現(xiàn)出海量大數(shù)據(jù)特征，尤其是視頻、文本、音頻等非結(jié)構(gòu)化教育資源的形式相對不固定[1]。教育領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)管理已面臨巨大挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無法滿足以數(shù)據(jù)為中心的大數(shù)據(jù)管理的需求[2-3]，如何高效地存儲和檢索教育數(shù)據(jù)成為教育行業(yè)亟待解決的問題[4-5]。近年來，智慧教學(xué)成為高校教學(xué)改革的新需求，其中整合教育教學(xué)資源并能提供方便、有效的檢索方法將是未來高等學(xué)校教學(xué)改革的重要基礎(chǔ)[6]，例如數(shù)據(jù)挖掘和內(nèi)容、智能數(shù)據(jù)分析、教育數(shù)據(jù)檢索、教育教學(xué)預(yù)警等，將是高校全周期育人的重要基礎(chǔ)保障。

針對智慧教育的大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，在調(diào)研大量實(shí)際需求和建設(shè)方案之后，我們認(rèn)為教育大數(shù)據(jù)具備在時(shí)間空間上分散孤立、數(shù)據(jù)內(nèi)涵差異巨大、大量結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)共存等特征。需要?jiǎng)討B(tài)關(guān)聯(lián)[7]、語義推薦和可視化等相關(guān)技術(shù)和方法來支持大數(shù)據(jù)：（1）動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)：教育數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)大多必須手動(dòng)完成，并且數(shù)據(jù)量增長速度呈幾何級數(shù)，而新數(shù)據(jù)往往需要重新更新，動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)不僅需要展現(xiàn)領(lǐng)域?qū)用嫔系膹膶訇P(guān)系，而且還需要體現(xiàn)實(shí)體多屬性關(guān)系。（2）語義推薦：查詢教育大數(shù)據(jù)不僅需要先理解用戶的真正查詢意圖，而且還要根據(jù)用戶關(guān)鍵字推理知識圖譜推薦相似內(nèi)容，最后對查詢結(jié)果進(jìn)行相似度排序并返回給用戶。（3）可視化：展示隱藏在教育大數(shù)據(jù)內(nèi)部之間的關(guān)系，讓用戶能夠從多維角度對數(shù)據(jù)展開分析和理解，從而獲得有價(jià)值的信息，減少重復(fù)的信息檢索工作。

因此，在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，研究適合于教育大數(shù)據(jù)管理和維護(hù)平臺[8-9]，同時(shí)考慮智慧教育新特征，如何更好地支持?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的“活性”和“自動(dòng)更新”，其中“活性”表現(xiàn)在關(guān)聯(lián)關(guān)系是動(dòng)態(tài)的、分內(nèi)容的、允許動(dòng)態(tài)配置的，“自動(dòng)更新”則表現(xiàn)在關(guān)聯(lián)關(guān)系是具有自我認(rèn)知的，能實(shí)時(shí)更新關(guān)聯(lián)的知識庫。針對這些問題，從智慧教育的角度重新審視教育資源建設(shè)的目標(biāo)“解決教學(xué)到知識獲取技術(shù)的鴻溝”，本文將探討面向智慧教育的大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的相關(guān)問題，包括問題分析，應(yīng)用場景研討，關(guān)鍵技術(shù)等，支持教學(xué)教育改革，支持高水平大學(xué)建設(shè)。

1? 教育大數(shù)據(jù)管理的技術(shù)問題分析

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是固定數(shù)據(jù)的實(shí)體，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性通常依賴數(shù)據(jù)庫表的主鍵/外鍵設(shè)置，數(shù)據(jù)庫中的表與表之間的聯(lián)系設(shè)置好后就固定了，一般不允許改變。這種設(shè)計(jì)模式下的數(shù)據(jù)庫對于多維空間、超層次關(guān)系的關(guān)聯(lián)關(guān)系處理能力就變得非常薄弱。因此，我們認(rèn)為可以在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存在的基礎(chǔ)上，引入非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對非結(jié)構(gòu)化教育資源進(jìn)行靈活存儲。其中基礎(chǔ)教育數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，諸如來自教務(wù)處的學(xué)生選課信息和成績數(shù)據(jù)，以及信息化辦公室的教職工和學(xué)生的基本數(shù)據(jù);而非結(jié)構(gòu)化教育資源則可以用來存儲一些輔助的非固定格式的數(shù)據(jù)、圖形、圖像以及聲音等。兩者的結(jié)合與互補(bǔ)能有效地支持大數(shù)據(jù)存儲和管理。

教育大數(shù)據(jù)的更新涉及大量數(shù)據(jù)更新以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系更新。一方面，當(dāng)前大多數(shù)高校的課程資源網(wǎng)站功能單一，形成數(shù)據(jù)孤島，需要對這些教育數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行更新和維護(hù)。另一方面，數(shù)據(jù)本身存在內(nèi)容語義，需要通過特征抽取算法，或自動(dòng)或半自動(dòng)地標(biāo)識教育大數(shù)據(jù)的特征，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。因此，我們認(rèn)為，引入知識圖譜概念，采用特征提取技術(shù)，基于本體描述方法對大數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行存儲會是一種高效的解決方法。借助于知識圖譜所描述的教育領(lǐng)域本體，一方面做到教育信息之間的關(guān)聯(lián)，一方面有助于動(dòng)態(tài)更新。

用戶在使用大數(shù)據(jù)平臺時(shí)，核心的問題是能快速、準(zhǔn)確地檢索到所需要的數(shù)據(jù)。“快速”表明用戶的等待時(shí)間不會過長，系統(tǒng)能在有限的時(shí)間內(nèi)返回結(jié)果;“準(zhǔn)確”表明平臺能正確識別用戶檢索需求，從某種意義上來說，不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的關(guān)鍵字檢索，而且還實(shí)現(xiàn)基于知識圖譜所描述的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行必要的推理，最終返回的檢索結(jié)果是符合用戶意圖的有有價(jià)值的信息。因此，我們認(rèn)為，引入搜索引擎和智能推理技術(shù)，用人工智能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)推薦將會是平臺運(yùn)行的重要保證。

數(shù)據(jù)可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。在面對智慧教育大數(shù)據(jù)時(shí)需要思考：一方面如何將其科學(xué)地統(tǒng)計(jì)歸類，另一方面如何將其準(zhǔn)確地展示出來。因此，我們認(rèn)為，可以引入數(shù)據(jù)可視化觀念，在大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建相關(guān)模塊，包括文本可視化，時(shí)空數(shù)據(jù)可視化，多維數(shù)據(jù)可視化等，將有助于用戶直觀了解分布規(guī)律和內(nèi)在特征，從而獲得有價(jià)值的信息，減少重復(fù)的信息檢索工作，提高搜索效率。

2? 教育大數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景研討

2.1? 學(xué)生需求

在智慧教育環(huán)境下，學(xué)生可以獲取包括電子講義、課程錄像等各類課程資料或者圖書館館藏學(xué)習(xí)資料等，這些都是新智慧校園帶來的便利[10-11]。在教育監(jiān)督方面，學(xué)生可以通過刷校園卡、人臉識別、app以及小程序等多種形式完成上課簽到，在課堂上使用手機(jī)掃描二維碼進(jìn)行搶答或討論，與教師進(jìn)行更多的溝通和交流。在校園生活方面，學(xué)生可以通過校園卡綁定的各項(xiàng)功能進(jìn)行校園內(nèi)消費(fèi)，還可以通過學(xué)校提供的各種自助平臺使自己的校園生活更加的豐富和方便。然而，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲？抽取哪些特征數(shù)據(jù)描述學(xué)生肖像？如何主動(dòng)發(fā)現(xiàn)存在異常的學(xué)生以及預(yù)警可能出現(xiàn)異常的學(xué)生？

2.2? 教師需求

在智慧教育環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)場景化、沉浸式、游戲型、互動(dòng)式的創(chuàng)新教學(xué)方式，為教師減輕了教學(xué)任務(wù)上的重負(fù)[12]。如何存儲管理教學(xué)過程中產(chǎn)生的大量教育數(shù)據(jù)值得深思。在課程管理方面，教師可以利用提供的大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能備課和輔助授課，包括個(gè)性化資源推薦、教學(xué)資源管理等。在成績管理方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)也可以幫助教師開展電子閱卷和成績評估工作，例如客觀題自動(dòng)評分、作業(yè)/實(shí)驗(yàn)/報(bào)告的抄襲檢測等。在教學(xué)輔助方面，一方面可以幫助教師隨時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，例如通過自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能生成每位學(xué)生的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)報(bào)告，包括上課活動(dòng)量情況、課程完成情況和章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)趨勢等，另一方面通過數(shù)據(jù)分析功能得到課程目標(biāo)達(dá)成度結(jié)果幫助教師有針對性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法。

2.3? 學(xué)校管理需求

隨著高校智慧校園網(wǎng)軟硬件設(shè)施逐步完善，學(xué)校及各處室、各專業(yè)部門都能通過學(xué)校或部門網(wǎng)站開展工作，拓寬了信息交流的渠道。但網(wǎng)站結(jié)構(gòu)功能單一、數(shù)據(jù)孤島依然存在，各部門各自為政，無法實(shí)現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)分析等。因此，從教育教學(xué)質(zhì)量保證需求來看，不僅需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式以方便管理，使得數(shù)據(jù)能在不同的管理信息系統(tǒng)之間流動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)一站式數(shù)據(jù)管理，而且還需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和動(dòng)態(tài)更新，例如教育教學(xué)的課程預(yù)警、考試成績的質(zhì)量分析、學(xué)生個(gè)人成長分析等。

從學(xué)校人才培養(yǎng)需求來看，大數(shù)據(jù)平臺能更有效地支持做好全周期育人，尤其是教育教學(xué)資源收集、整理、挖掘、推薦，更好地支持智慧教育這一新要求，將原先分散的、零碎的課程資源等進(jìn)行合理存儲管理后，采用智能算法支持相關(guān)課程學(xué)習(xí)資料推薦。此外，各類教學(xué)數(shù)據(jù)分類呈現(xiàn)能更加直觀地讓管理人員掌握當(dāng)前教育教學(xué)情況，把控教學(xué)質(zhì)量，科學(xué)合理修訂學(xué)校的人才培養(yǎng)方案。

3? 如何建設(shè)教育大數(shù)據(jù)的應(yīng)對方法

3.1? 教育大數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)

目前教育大數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)大多依靠人工實(shí)現(xiàn)，需要非常大的人力成本，并且隨著教育大數(shù)據(jù)不斷增多必須重復(fù)更新關(guān)聯(lián)?；诖?，可以將知識圖譜概念引入到大數(shù)據(jù)平臺，并作為其支持工具能很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。采用本體的設(shè)計(jì)理念對教育數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)能夠更好地利用教育數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的語義信息，從而提高檢索的效率。在教育數(shù)據(jù)領(lǐng)域本體的構(gòu)建上，考慮到本體建模的方便性和語義網(wǎng)知識表達(dá)的通用性，描述教育資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（1）教育大數(shù)據(jù)收集與資源融合。在教育數(shù)據(jù)方面，大數(shù)據(jù)可能來自不同的途徑，其數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)質(zhì)量千差萬別，有時(shí)甚至?xí)龅綌?shù)據(jù)格式不能轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后丟失信息等棘手問題，因此，應(yīng)對方法是突破多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)形態(tài)，能做到數(shù)據(jù)融合融通。

（2）建立面向教育資源的領(lǐng)域本體，支持構(gòu)建知識圖譜。尤其是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的描述，由于數(shù)據(jù)屬性多樣性和不確定性，采用本體描述教育資源的知識圖譜是非常合適。由于教育資源數(shù)據(jù)在各個(gè)領(lǐng)域存在多種從屬關(guān)系，應(yīng)對方法是采用本體描述教育資源的多關(guān)聯(lián)機(jī)制。

（3）動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)使數(shù)據(jù)具備活性。教育數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確和專業(yè)的抓取和整理技術(shù)、進(jìn)而提供盡可能全面準(zhǔn)確的教育領(lǐng)域相關(guān)信息。應(yīng)對方法是采用教育知識圖譜，結(jié)合人工智能的特征提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更新數(shù)據(jù)，支持更新關(guān)聯(lián)知識。

3.2? ?教育大數(shù)據(jù)語義推薦

查詢教育大數(shù)據(jù)首先需要準(zhǔn)確理解用戶的查詢意圖，然后根據(jù)用戶關(guān)鍵字推理領(lǐng)域本體的從屬關(guān)鍵字，最后基于相似度對查詢結(jié)果進(jìn)行排序并返回給用戶。應(yīng)對方法是采用分布式倒排索引的搜索引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教育大數(shù)據(jù)的高效檢索，更好地支持本科教學(xué)和人才培養(yǎng)應(yīng)用。

（1）通過分布式云存儲體系實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用。分布式云存儲體系實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、負(fù)載均衡方法及分級存儲等方面，有利于不斷發(fā)展云存儲系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，最大限度地滿足教育大數(shù)據(jù)的需求，是對多源數(shù)據(jù)融合的高效數(shù)據(jù)存儲方法。

（2）基于倒排索引的搜索引擎技術(shù)應(yīng)用。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及特征描述技術(shù)，抽取數(shù)據(jù)特征后建立倒排索引文件，支持快速檢索，此外，通過對教育領(lǐng)域知識圖譜的知識推理，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的檢索。

（3）個(gè)性化推薦技術(shù)應(yīng)用。根據(jù)用戶行為的偏好模型，采用相似度算法對返回查詢結(jié)果進(jìn)行排序。針對大數(shù)據(jù)推薦存在的問題，結(jié)合協(xié)同過濾算法、基于內(nèi)容推薦算法、基于文本相似度推薦算法，提升大數(shù)據(jù)平臺的用戶體驗(yàn)度。

3.3? 教育大數(shù)據(jù)可視化

展示隱藏在教育大數(shù)據(jù)內(nèi)部之間關(guān)系，讓用戶能夠從多維角度對數(shù)據(jù)展開分析和理解，從而獲得有價(jià)值的信息，減少重復(fù)的信息檢索工作。應(yīng)對方法是采用搜索引擎支持用戶檢索相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過可視化分析技術(shù)展示檢索結(jié)果。

（1）搜索引擎技術(shù)應(yīng)用。當(dāng)用戶檢索教育素材大數(shù)據(jù)時(shí)，在知識圖譜基礎(chǔ)上結(jié)合本體推理機(jī)制，推理查詢關(guān)鍵字在知識本體庫中的父子關(guān)系，兄弟關(guān)系，以及復(fù)雜的約束關(guān)系，理解教育素材大數(shù)據(jù)在橫向和縱向的語義關(guān)系，提高檢索工作的效率和質(zhì)量。

（2）數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析和可視化技術(shù)應(yīng)用。采用人工智能算法對各種教育數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，對檢索數(shù)據(jù)以視覺表現(xiàn)形式進(jìn)行可視化展現(xiàn)。這涉及教育數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)整理和分析，以及可視化展示數(shù)據(jù)多維度之間的關(guān)系，將不同教育數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來呈現(xiàn)。

4? 結(jié)論

近年來，隨著各高校在線課程資源的建設(shè)和發(fā)展，教育教學(xué)數(shù)據(jù)呈海量式增長，亟需進(jìn)行資源整合并提供便利的檢索平臺。然而，當(dāng)前大多數(shù)高校的課程資源網(wǎng)站功能單一、存在數(shù)據(jù)孤島、無法融合并提供知識檢索，需要“解決教學(xué)到知識獲取技術(shù)的鴻溝”[10，13-14]。本文針對智慧教育問題，探討了大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的問題和應(yīng)對方法。下一步的工作重點(diǎn)將對大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐，努力搭建實(shí)用可行的基礎(chǔ)支撐平臺。

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