數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王建偉，王鑫，董樹森，李艷波

黑龍江工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150050

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚闹匾ぞ?，而人們使用網(wǎng)絡(luò)的過程中必然會(huì)留下痕跡，大量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出井噴式的爆發(fā)，人們處于被網(wǎng)絡(luò)信息包圍的困境中。但網(wǎng)絡(luò)信息中充斥著大量的無用信息，如何辨別信息的有效性成為亟待解決的問題，在這個(gè)過程中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)得以產(chǎn)生。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以有效地對(duì)海量復(fù)雜信息實(shí)現(xiàn)高效收集與整理，從而挖掘出對(duì)人們有用的信息[1]。這種理念也逐漸被應(yīng)用于教育領(lǐng)域中，在我國長期的教育探索過程中，“因材施教”已經(jīng)成了老生常談，但實(shí)際的應(yīng)用效果卻十分有限，每個(gè)學(xué)生在學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)興趣以及知識(shí)水平等方面都存在著或多或少的差異，使得教師無法兼顧每位學(xué)生的實(shí)際情況開展教學(xué)。自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠根據(jù)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況及學(xué)習(xí)行為的變化而自動(dòng)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行更新，從而為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源，本文旨在研究基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)概論

大數(shù)據(jù)是指無法在一定時(shí)間內(nèi)用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具進(jìn)行獲取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)在于數(shù)據(jù)量大、種類多樣、時(shí)效性強(qiáng)與價(jià)值大，運(yùn)用常規(guī)的數(shù)據(jù)處理手段難以對(duì)其實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分析。而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)挖掘，搜集其中具有價(jià)值的信息與數(shù)據(jù)，從而獲得相關(guān)的知識(shí)。而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也可被稱為教育數(shù)據(jù)挖掘，是在應(yīng)用統(tǒng)計(jì)理論、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)教育大數(shù)據(jù)的獲取、處理及應(yīng)用。教育數(shù)據(jù)挖掘模式能夠挖掘出大量教育數(shù)據(jù)及信息背后的發(fā)展模式，從而尋找到教育信息的價(jià)值。

在分析教育數(shù)據(jù)挖掘目標(biāo)的過程中，主要可將其分為以下四點(diǎn)：①整合學(xué)習(xí)者的知識(shí)水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)背景以及學(xué)習(xí)需求等信息，從而構(gòu)建學(xué)習(xí)者專有的數(shù)據(jù)模型；②挖掘教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)順序與學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)結(jié)果之間的關(guān)系，構(gòu)建找尋到符合學(xué)習(xí)者需求的最佳教學(xué)內(nèi)容與最適宜的教學(xué)順序，構(gòu)建學(xué)習(xí)者的領(lǐng)域知識(shí)模型；③研究學(xué)習(xí)者遠(yuǎn)程協(xié)同學(xué)習(xí)交流等信息，構(gòu)建學(xué)習(xí)者社交網(wǎng)絡(luò)模型；④將前三者的學(xué)習(xí)者模型、領(lǐng)域知識(shí)模型與學(xué)習(xí)者社交網(wǎng)絡(luò)模型聯(lián)合起來，構(gòu)建出系統(tǒng)化的教育數(shù)據(jù)計(jì)算模型，以此來設(shè)計(jì)出學(xué)習(xí)者的個(gè)性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化發(fā)展需求[2]。

2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，需要明確其中所需的關(guān)鍵技術(shù)，才能促進(jìn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的有效運(yùn)行。本次研究中根據(jù)分析數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)之間的運(yùn)作規(guī)律，提出了以下幾點(diǎn)重要技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.1 聚類

聚類是指根據(jù)數(shù)據(jù)的本身特征將其集合為不同的群組，在聚類的過程中要求在一個(gè)群組中的數(shù)據(jù)要盡可能的相似，而群組間的相似度則要盡可能的小，以此才能保證聚類中群組數(shù)據(jù)的有效性。聚類常被用于學(xué)生的分類與分組中，根據(jù)學(xué)生的各項(xiàng)特征指標(biāo)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。

2.2 預(yù)測

預(yù)測作為教育數(shù)據(jù)挖掘中的重要環(huán)節(jié)，是通過整合多個(gè)變量來預(yù)測某一變量的值或者區(qū)間，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的自適應(yīng)發(fā)展。當(dāng)其應(yīng)用于學(xué)生的特征分析中，能夠根據(jù)不同學(xué)生的在線學(xué)習(xí)時(shí)間、測試成績等等進(jìn)行學(xué)生的成績預(yù)測，從而判定學(xué)生在線學(xué)習(xí)的成果。

2.3 關(guān)聯(lián)規(guī)則

關(guān)聯(lián)規(guī)則能夠通過置信度以及支持度來探索變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，例如在研究學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成績與學(xué)習(xí)行為之間的關(guān)系時(shí)，就能夠使用關(guān)聯(lián)規(guī)則來進(jìn)行挖掘，最終使得結(jié)果能夠反饋出來用作對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的干預(yù)[3]。

2.4 可視化

可視化的特點(diǎn)在于能夠運(yùn)用一種更為人所理解的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的闡釋，從而更好地對(duì)不同數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行甄別。例如在設(shè)定自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的過程匯總，可以對(duì)學(xué)習(xí)者的不同學(xué)習(xí)特征采取不同的可視化方式進(jìn)行顯示，學(xué)習(xí)進(jìn)度利用進(jìn)度條展示，學(xué)習(xí)時(shí)間利用圖展示，能夠有效地對(duì)學(xué)生的各種學(xué)習(xí)特征進(jìn)行清晰的展示，便于學(xué)習(xí)者掌握自身的學(xué)習(xí)進(jìn)程。

2.5 社交網(wǎng)絡(luò)分析

在線上學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)習(xí)者仍然處于社交環(huán)境中，社交網(wǎng)絡(luò)分析主要是對(duì)在線社交關(guān)系進(jìn)行分析，能夠挖掘?qū)W習(xí)者之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而促進(jìn)資源推薦的精確化[4]。在過往的研究中有研究者采用社交網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算遠(yuǎn)程協(xié)同學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)偏好相似度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者的個(gè)性化資源推薦，大大提升了學(xué)習(xí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效率。

3 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)所面對(duì)的學(xué)習(xí)者擁有著明顯差異，從生物遺傳學(xué)角度來看有著不同的生物基礎(chǔ)，而從學(xué)習(xí)者的成長環(huán)境來看又具有不同的社會(huì)文化環(huán)境，這些先天或后天因素的差異造成了學(xué)習(xí)者在認(rèn)知、情感、注意力、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)需求等方面的差異。而從單獨(dú)的個(gè)體來看，在不同的學(xué)習(xí)時(shí)段也有著不同的學(xué)習(xí)需求。我國在長期的教育發(fā)展過程中，基于社會(huì)選拔人才方式的固定也產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的應(yīng)試教育模式，組成了我國傳統(tǒng)的課堂教學(xué)。但這種單一的教學(xué)模式無法滿足學(xué)生個(gè)性化的需求，雖然能夠在一定階段提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，但卻不利于學(xué)生的創(chuàng)造性思維發(fā)展，為了滿足學(xué)習(xí)者的差異化需求，打造個(gè)性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式就顯得尤為重要[5]。

3.1 在自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中應(yīng)用教育數(shù)據(jù)挖掘

在開發(fā)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的過程中國，要通過構(gòu)建學(xué)習(xí)者模型、領(lǐng)域知識(shí)模式以及社會(huì)網(wǎng)絡(luò)模型的方式，來督促學(xué)習(xí)者行為向有效方向發(fā)展。

3.1.1 學(xué)習(xí)者模型

自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)者模型的構(gòu)建保羅學(xué)習(xí)者建檔、知識(shí)模型、經(jīng)歷模型以及行為模型四項(xiàng)內(nèi)容。首先從學(xué)習(xí)者建檔來看，是在通過運(yùn)用聚類技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)習(xí)者的個(gè)人信息、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)等進(jìn)行搜集，并根據(jù)學(xué)習(xí)者內(nèi)在特征的不同分為不同的群組，完善學(xué)習(xí)者檔案[6]。對(duì)于不同的學(xué)習(xí)群組采取不同的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容，以滿足學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)因材施教。在本次的研究中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行了測試，通過學(xué)生學(xué)習(xí)能力及掌握知識(shí)程度的不同來進(jìn)行分類，從而為學(xué)生提供適應(yīng)性的學(xué)習(xí)內(nèi)容。而在學(xué)習(xí)者知識(shí)模型的構(gòu)建中，對(duì)學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過學(xué)習(xí)者在線問答的正確率、次數(shù)等來挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)行為，以此構(gòu)建學(xué)習(xí)者知識(shí)模型。通過運(yùn)用可視化方式來清晰地展示出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，學(xué)生能夠觀看自身的學(xué)習(xí)模型來了解學(xué)習(xí)進(jìn)度，明確自身知識(shí)體系中存在的漏洞，從而有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生在線學(xué)習(xí)效率的提升。本次研究中對(duì)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)者的整個(gè)學(xué)習(xí)過程都進(jìn)行了詳細(xì)記錄，對(duì)每個(gè)單元乃至每個(gè)課堂中學(xué)習(xí)者的表現(xiàn)都進(jìn)行了記錄并反饋給學(xué)生，學(xué)生通過觀察學(xué)習(xí)者知識(shí)模型能夠明確自身的學(xué)習(xí)狀況，并根據(jù)自身需求完成個(gè)性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)。

其次在學(xué)習(xí)者經(jīng)歷模型的構(gòu)建中，要求對(duì)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)效果等數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，從而搭建出學(xué)習(xí)者經(jīng)歷模型[7]。學(xué)習(xí)者經(jīng)歷模型能夠反映出學(xué)習(xí)者在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中的綜合表現(xiàn)，教師從而觀察學(xué)習(xí)者對(duì)于教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)流程等的適應(yīng)程度，如果出現(xiàn)不相適應(yīng)的地方則能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的需求進(jìn)行課程內(nèi)容的重新設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)習(xí)效率及學(xué)習(xí)者成績的顯著提升。在本次研究中有意識(shí)地對(duì)學(xué)生在不同單元學(xué)習(xí)中的各項(xiàng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了搜集整理，構(gòu)建出的學(xué)習(xí)者經(jīng)歷模型能夠?qū)ο麓卧诰€教學(xué)中學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為及學(xué)習(xí)效果進(jìn)行預(yù)測，從而有效了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求，為學(xué)生提供自適應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。同時(shí)還能夠運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則來挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)結(jié)果之間的關(guān)系，做到對(duì)學(xué)習(xí)流程的優(yōu)化。最后對(duì)于學(xué)習(xí)者行為模型的構(gòu)建，要求采集學(xué)習(xí)者在線遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)時(shí)長、學(xué)習(xí)情況、考試成績等，挖掘?qū)W習(xí)行為與學(xué)習(xí)成績之間的關(guān)聯(lián)，因此構(gòu)建學(xué)習(xí)者模型。

3.1.2 領(lǐng)域知識(shí)模型

領(lǐng)域知識(shí)模型的構(gòu)建中包含領(lǐng)域知識(shí)的組成元素及元素之間的關(guān)聯(lián)。研究者通過采集知識(shí)點(diǎn)、課程內(nèi)容、組織方式及學(xué)習(xí)結(jié)果之間的管理，來構(gòu)建出良好的領(lǐng)域知識(shí)模型。領(lǐng)域知識(shí)模型的構(gòu)建意義在于能夠明確學(xué)習(xí)的知識(shí)掌握情況與學(xué)習(xí)能力，從而為學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)選擇出最佳路徑，通過運(yùn)用聯(lián)通主義理論，將教學(xué)知識(shí)內(nèi)容規(guī)劃成知識(shí)地圖，在構(gòu)建知識(shí)模型的同時(shí)也促進(jìn)模型的可視化，從而幫助學(xué)習(xí)者清晰地認(rèn)知自身，并結(jié)合學(xué)習(xí)者經(jīng)歷模型來進(jìn)行優(yōu)化[8]。

3.1.3 社交網(wǎng)絡(luò)模型

社交網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建來源于學(xué)習(xí)者之間的在線交流，在進(jìn)行在線教學(xué)的過程中，不僅師生之間需要進(jìn)行互動(dòng)，學(xué)習(xí)者之間也會(huì)進(jìn)行交流協(xié)作，從而形成學(xué)習(xí)者之間的社交網(wǎng)絡(luò)，成為影響在線學(xué)習(xí)效果的重要因素。學(xué)習(xí)者在社交的過程中具有明顯的偏好，部分學(xué)生之間的交流更加頻繁密切，彼此之間的學(xué)習(xí)配合程度更加，因此所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)結(jié)果也會(huì)有明顯提升。那么在構(gòu)建學(xué)習(xí)者社交網(wǎng)絡(luò)模型的過程中，就要看到學(xué)習(xí)者在社交中的偏好，計(jì)算不同學(xué)習(xí)者之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，一方面能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源，另一方面學(xué)習(xí)者之間能夠掌握彼此的學(xué)習(xí)進(jìn)步，督促學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)[9]。

3.1.4 模型融合

模型融合是指將建立的學(xué)習(xí)者相關(guān)模型進(jìn)行融合，從而更好地掌握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況。以學(xué)習(xí)者建檔模型為例，其僅僅是對(duì)學(xué)習(xí)者基本學(xué)習(xí)情況的概括，無法為學(xué)習(xí)者的后續(xù)學(xué)習(xí)提供明確指導(dǎo)，而通過將其與領(lǐng)域知識(shí)模型進(jìn)行融合，則能夠隨著學(xué)生的學(xué)習(xí)情況變化而更新數(shù)據(jù)，始終為學(xué)習(xí)者提供適應(yīng)化的學(xué)習(xí)內(nèi)容。除此之外還可以將學(xué)習(xí)者知識(shí)模型與領(lǐng)域知識(shí)模型進(jìn)行融合，在立足于學(xué)生知識(shí)體系的基礎(chǔ)上了解學(xué)生的知識(shí)掌握程度，同樣也能夠?yàn)閷W(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容。通過不同學(xué)習(xí)者模型的優(yōu)化，既是對(duì)學(xué)習(xí)者模型的完善也是一種優(yōu)化，能夠促進(jìn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的不斷進(jìn)步。

3.2 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)運(yùn)作流程

通過建立基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行前需要學(xué)習(xí)者根據(jù)自身的實(shí)際學(xué)習(xí)情況選擇相應(yīng)的學(xué)習(xí)單元，每單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容都有著明顯差異。而正式學(xué)習(xí)前會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)者對(duì)于單元知識(shí)的掌握情況進(jìn)行測試，根據(jù)學(xué)習(xí)者的答題正確情況、用時(shí)等在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而采取聚類來對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行建檔。建檔后自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)會(huì)為學(xué)習(xí)者推送個(gè)性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的所有學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)都將被自動(dòng)記錄到學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)庫中，作為調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)容的依據(jù)。而當(dāng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出單元測試卷，以此來對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行分析。根據(jù)單元測試成績來構(gòu)建學(xué)習(xí)者知識(shí)模型，將測試結(jié)果以可視化的方式反饋給學(xué)習(xí)者，方便其查漏補(bǔ)缺，同時(shí)對(duì)于在測試中成績不理想的學(xué)習(xí)者，自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)將根據(jù)學(xué)習(xí)者的測試結(jié)果更新學(xué)習(xí)內(nèi)容，使得學(xué)習(xí)內(nèi)容能夠迎合學(xué)生新的發(fā)展需求。

4 結(jié)語

隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用將成為必然。而在在線教育發(fā)展的當(dāng)下，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能彌補(bǔ)在線學(xué)習(xí)的不足，制定出自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，從而滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。本文從數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的概念出發(fā)，研究了其應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的可能性與意義，通過構(gòu)建學(xué)習(xí)者模型、領(lǐng)域知識(shí)模型、社交網(wǎng)絡(luò)模型以及促進(jìn)模型融合的方式來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)，并對(duì)其在在線教學(xué)中的具體應(yīng)用流程進(jìn)行了闡述，促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的有效性提升，從而進(jìn)一步提升在線學(xué)習(xí)的效率。