大數(shù)據(jù)環(huán)境下在線學習的發(fā)展和應用

李瑞

摘要：包括在線學習和大數(shù)據(jù)在內的新興技術給教育領域帶來了巨大的變化。在線學習允許學生遠程學習，打破了時間和空間限制。網(wǎng)絡教育的靈活性、創(chuàng)新性和可擴展性吸引了大量的學生。許多頂尖的在線教育平臺提供了大量的在線開放課程，提供了數(shù)千門高質量的課程，吸引了數(shù)以百萬計的注冊學習者。在線學習產(chǎn)生了大量數(shù)字數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)繼續(xù)呈指數(shù)級增長。每天產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)的存儲和分析帶來了巨大的壓力和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的應用程序和軟件無法處理這些數(shù)據(jù)。為了解決這個問題，學者們選擇利用數(shù)據(jù)挖掘和學習者畫像技術。借助數(shù)據(jù)挖掘技術，可以從大量生成的數(shù)據(jù)中提取有價值的信息。在教育領域，學習分析技術被用于數(shù)據(jù)挖掘，它是指對用戶在學習環(huán)境中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行收集和分析。它幫助教育者監(jiān)控學生的學習行為和過程，并提供實時反饋。這些反饋隨后被收集、分析和總結為標簽，隨后用于標記學生以構建學習者畫像。學習者畫像按標簽顯示學生信息，這些標簽表示由同一組共享的特征。通過學習分析和學習者畫像，教師可以更好地了解學生的學習模式，并提供有針對性的教學建議。

關鍵詞：在線學習者畫像;學習分析技術;在線學習;教育大數(shù)據(jù);智慧教育

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A? ?文章編號：1003-2177（2021）05-0114-04

1在線教育的蓬勃發(fā)展

1.1 互聯(lián)網(wǎng)的快速增長

近年來，互聯(lián)網(wǎng)用戶持續(xù)快速增長。截止到2018年，互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民數(shù)量已經(jīng)達到390億，這意味著世界上有一半以上的人口都在使用互聯(lián)網(wǎng)[1]。根據(jù)維基百科的數(shù)據(jù)，2017年中國有超過53.2%的人使用互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)民數(shù)量居世界第一[2]?；ヂ?lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展促使電子數(shù)據(jù)的飛速增長。新技術、新設備以及社交網(wǎng)站等通信手段的出現(xiàn)和應用，產(chǎn)生了大量的電子數(shù)據(jù)，在不久的將來，這些數(shù)據(jù)將隨著互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模不斷增長。

根據(jù)統(tǒng)計結果顯示，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的數(shù)量從2005年的150EB增長到2010年的1200EB，預計未來幾年將以每年40%的速度持續(xù)增長[3]。這些信息的數(shù)量規(guī)模超過了當時任何軟件和硬件的存儲和計算能力，這意味著這些大型數(shù)據(jù)集無法使用傳統(tǒng)的計算技術進行處理。在此背景下，2011年，麥肯錫提出了大數(shù)據(jù)的概念。大數(shù)據(jù)是指以巨大的數(shù)據(jù)量、高度多樣性或極高的速度收集的信息[4]。今天，大量的數(shù)據(jù)正在從各種渠道產(chǎn)生和流動，而且這種情況持續(xù)不斷地發(fā)生在我們的日常生活中。

隨著社交網(wǎng)絡的蓬勃發(fā)展，世界各地的創(chuàng)業(yè)公司開始研究由海量數(shù)據(jù)所創(chuàng)造的信息網(wǎng)絡。雅虎在2005年創(chuàng)建了Hadoop。Hadoop是一種用于存儲和處理海量數(shù)據(jù)的開源結構。同時全世界的一些政府部門也開始著手大數(shù)據(jù)項目。2009年，印度政府對一個民間信息收集項目進行了大型投資，該項目收集了當?shù)鼐用竦暮缒呙钄?shù)據(jù)、指紋和照片。從2012年開始，全球越來越多的政府發(fā)布了一系列綱要文件，旨在推動大數(shù)據(jù)的發(fā)展和推廣應用。2012年，聯(lián)合國宣布大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來，并指出這是各國政府的歷史機遇[5]。聯(lián)合國認為，大數(shù)據(jù)的價值在于數(shù)據(jù)的數(shù)量和多樣性，使決策者能夠跟蹤事物的生命周期，從而對現(xiàn)有的政策和項目做出合理的調整。

這場數(shù)據(jù)驅動的革命給我們現(xiàn)代社會的各個領域和行業(yè)帶來了全面的變革。在過去幾年中，將新興技術應用于其他行業(yè)和領域已經(jīng)帶來了革新性的進步。

例如，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）這一新興技術在智慧城市建設中發(fā)揮了主導作用。物聯(lián)網(wǎng)用實時數(shù)據(jù)改造落后的基礎設施和建筑物，提供智能化服務，使我們所居住的城市更加現(xiàn)代化。交通堵塞、公共安全和犯罪預防等城市問題利用了大數(shù)據(jù)技術的幫助，24小時實時的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)記錄了城市中的每個日夜。對于制造業(yè)來說，大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)幫助傳統(tǒng)設備向智能機器轉型，智能機器能夠生成和收集實時數(shù)據(jù)，從而做出準確及時的決策。智能交通來自于與大數(shù)據(jù)相關的新興技術，如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和云計算。它要求根據(jù)多通道實時交通狀況數(shù)據(jù)進行精確決策，涉及到交通數(shù)據(jù)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和知識圖譜。在智慧教育的建設中，采用新的數(shù)據(jù)相關技術，將大學變成更智能的學術機構。海量的數(shù)據(jù)采集使學生更加信息暢通。這些用于管理大數(shù)據(jù)的智能基礎設施加快了教育信息化的進程。

1.2 智慧教育的發(fā)展

智慧教育的特點還包括對智能技術的應用。虛擬現(xiàn)實（Virtual Realization）是指由計算機創(chuàng)造的模擬環(huán)境，它可以與真實環(huán)境相似，也可以不同[6]。虛擬現(xiàn)實有助于傳統(tǒng)教學向沉浸式體驗教學轉變[7]。學生們被帶到微觀和宏觀的虛擬世界中，在那里他們可以沉浸體驗剛剛學到的新的化學反應。學生們可以直觀地看到書中的抽象概念和結構，更好地理解它們。毫無疑問，這種多元教學促進了學生的好奇心和對知識的掌握。云計算（Cloud Computing）是指一種新的計算服務交付方式，即可以訪問云上的服務器、數(shù)據(jù)庫和軟件，而無需在自己的設備上安裝它們[8]。云計算的發(fā)展為智能教室的出現(xiàn)指明了發(fā)展方向，它源于IBM于2008年首次提出的“智慧地球”概念，并擴展到其他領域，形成了智慧城市、智慧交通、智慧教育的概念。智能教室是智能技術在課堂上的應用。在這種情況下，學生從被動的參與者轉變?yōu)橹腔劢逃到y(tǒng)的主動建構者，為智慧課堂的構建提供學習經(jīng)驗數(shù)據(jù)和主觀反饋。直播課堂和虛擬人工智能教師也來自云計算。此外，學習者在網(wǎng)絡學習過程中所關心的問題，可以很容易地被人工智能教師所處理，讓教師有更多的自由去關注更重要的問題。在這個學習過程中，研究者收集和分析了大量的數(shù)據(jù)，包括課程任務、學習行為、課堂互動和課后投入等，以便了解教師和學生的表現(xiàn)，有利于個性化的課程推薦和準確的多維教學評價。大數(shù)據(jù)應用的未來效益包括提高制造效率、企業(yè)創(chuàng)新、智慧城市建設、環(huán)保能力增強和精準的個性化服務。

大數(shù)據(jù)在教育中的應用越來越廣泛[4]。根據(jù)數(shù)據(jù)來源和應用領域的不同，教育大數(shù)據(jù)可以定義為：教育大數(shù)據(jù)是作用于教育、服務于教育的技術和應用系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)。信息技術在校園里的應用已有好幾年歷史。近年來互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展使學校擁有可用的、高質量的海量數(shù)據(jù)的美好愿景成為現(xiàn)實。

世界各國政府為了順應科技模擬教育的流行趨勢，積極采取行動。他們將免費入學、高質量課程和低成本相結合，廣泛普及高等教育，提高了學習效率，減少了欠發(fā)達國家接受高等教育的局限性。英國政府宣布投資3000萬英鎊來促進創(chuàng)新教育技術，其中包括人工智能[9]。中國政府在教育部于2001年出臺的《普通教育課程改革綱要（試行）》文件中發(fā)布了促進個性化學習的教育改革舉措[10]。在美國教育部教育技術辦公室（U.S.Office of Educational Technology）2012年發(fā)布的一份咨詢報告中，將利用學生數(shù)據(jù)系統(tǒng)改善教育作為了國家的優(yōu)先事項。

2009年以來，大數(shù)據(jù)在教育領域占據(jù)了重要地位，在發(fā)展的路上機遇與挑戰(zhàn)并存。這種大數(shù)據(jù)參與的技術強化教育的特點是：學習普及率更高，學生學習成績更高，評分系統(tǒng)更好，課程更個性化，輟學人數(shù)更少。

高等教育應用新技術帶來的新發(fā)展，都表明了傳統(tǒng)高等教育界以及開放大學等更靈活的提供者為應對這些挑戰(zhàn)所作的努力是有效的。大規(guī)模的在線開放課程MOOC（Massive Open Online Courses）的發(fā)展就是一個很有力的證明。

2在線開放教育

2.1 在線學習平臺的興起

MOOC是免費的、開放的在線課程，由全世界的大學提供，所有人都可以報名學習。MOOC是一種重要的教育資源，它能促進全世界學習者得到更多優(yōu)質教育的學習機會。在便利政策的扶持下，MOOC發(fā)展迅猛。近幾年來，互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)量呈指數(shù)級增長，更多的在線學習者進入在線學習領域。因此，MOOC在這些移動設備用戶中變得越來越流行。2013年，大規(guī)模在線開放課程的爆發(fā)式出現(xiàn)，引發(fā)了一場名為MOOC革命的現(xiàn)象。從那一刻起，各種各樣的在線學習平臺紛紛進入MOOC領域，為MOOC的長久發(fā)展做出了貢獻。數(shù)以百計的MOOC提供者為學生提供數(shù)千門課程，這些課程的入學要求各不相同。

在所有的在線課程提供商中，Coursera、edX和Udacity三足鼎立。Coursera由斯坦福大學教授于2012年創(chuàng)立，目前與世界頂級大學和教育機構建立了合作關系。Coursera的一些在線課程結業(yè)證書得到了大學的認可，這些課程主要集中在商科和計算機科學領域。Coursera擁有2400多萬注冊學習者，149所大學提供商，提供2000多門課程。Udacity也是由斯坦福大學的兩位教授創(chuàng)建的，他們發(fā)布了免費的在線課程“人工智能入門”，吸引了190個國家的16萬多名學生。這些大學和行業(yè)專家共同努力開發(fā)和提供了Udacity的課程。EdX是由麻省理工學院和哈佛大學聯(lián)合創(chuàng)辦的。它與160多所大學建立合作關系，提供1300多門課程。廣泛傳播的MOOC革命也引起了中國教育部的關注。2015年4月，隨著網(wǎng)絡公開課的蓬勃發(fā)展。中國強調了發(fā)展MOOC平臺的重要性，2016年中國高校建設了20多個在線平臺，2017年提供了受到大學認可的在線課程[11]。

在線學習不僅方便了在校學生的課程學習，也方便了在職人員的學習。據(jù)估計，目前約有六分之五的在線學習者是在職人員，他們沒有時間和精力去學校上課[8]。網(wǎng)絡教育的靈活性、創(chuàng)新性和可擴展性吸引了大量的校外學習者[9]。許多在線學習平臺，如Udemy、Coursera和Udacity，通過線上課堂為數(shù)百萬人提供服務，其中一些課程直接來自大學課堂。在每個學術領域，互聯(lián)網(wǎng)提供了唾手可得的學習資料和課程，消除了時間和空間的限制，因此，那些非在校生但渴望學習的人可以通過在線學習很容易地獲得高質量的講座和課程。

僅在2019年，MOOC就招收了1000多萬名學員，預計全球總入學人數(shù)將達到1.1億，并以每年10%的速度持續(xù)增長[12]。而在中國，2019年有超過12500家中國MOOC服務商。網(wǎng)絡課程的普及率說明人們對在線學習的需求是巨大的。2020年爆發(fā)的新冠疫情使在線學習的滲透率進一步提升。學校、大學和公司都關閉，人們都被迫在家工作數(shù)月，這大大促進了在線課程的招生，并培養(yǎng)了人們在線學習的習慣。

2.2 在線教育帶來的挑戰(zhàn)

教育大數(shù)據(jù)在展現(xiàn)現(xiàn)代教學驚人潛力和美好未來的同時，也面臨著各種各樣的挑戰(zhàn)。

對在線教育的財政投入可能給全球各國政府造成沉重負擔，特別是那些對在線學習有更大需求的欠發(fā)達地區(qū)的政府。例如在偏遠地區(qū)，互聯(lián)網(wǎng)的帶寬通常不夠，無法支撐流媒體的使用，因為這需要大量的資金投入。教育中的大數(shù)據(jù)也引發(fā)了許多隱私問題和數(shù)據(jù)使用的知情同意的問題。大量的學習經(jīng)驗數(shù)據(jù)被收集并用于進一步的分析和剖析，學生會感到自己被監(jiān)視。所以在隱私問題和數(shù)據(jù)知情權上，需要采取審慎的預防措施，以確保所收集數(shù)據(jù)的擴展和利用是合規(guī)合理的，避免數(shù)據(jù)濫用對學習者造成傷害。

除了大數(shù)據(jù)應用帶來巨大效益，數(shù)據(jù)生產(chǎn)的指數(shù)增長對數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理的需求也值得關注?，F(xiàn)代生活中的每一瞬間都會產(chǎn)生和傳輸大量的數(shù)據(jù)。在這些領域中，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)、公安、科研、制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、醫(yī)療衛(wèi)生等所占份額最大。在智慧城市建設中，視頻監(jiān)控記錄、交通量和空氣質量數(shù)據(jù)等每時每刻都在生成，這些不斷生成的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，每天產(chǎn)生的全球視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)超過560PB[13]。在智能交通建設中，交通系統(tǒng)與其他信息數(shù)據(jù)庫的實時互聯(lián)，從不同的信息渠道產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)智能決策。交通狀況的信息以圖像和視頻的形式從廣域視頻監(jiān)控系統(tǒng)中呈現(xiàn)出來，實時傳輸信息。智慧課堂在智慧教育中占最大比重，因而隨著智慧教育的發(fā)展，學習相關的數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，其中課堂的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，學習時長和在線測驗成績等數(shù)據(jù)都占據(jù)了系統(tǒng)存儲區(qū)域的大部分容量。對于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)來說，移動智能終端的出現(xiàn)和廣泛應用每分鐘都會產(chǎn)生大量的用戶數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新的智能技術也促進了數(shù)字數(shù)據(jù)的指數(shù)級增長[4]。

大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量給各方都帶來了巨大的壓力和挑戰(zhàn)。這些數(shù)據(jù)的收集、存儲、傳輸和分析不僅需要大規(guī)模的資金投入，而且需要先進的數(shù)據(jù)挖掘技術。穩(wěn)定的存儲需要復雜可靠的軟件和硬件設施，同時也需要高帶寬的互聯(lián)網(wǎng)傳輸基礎設施。此外，大數(shù)據(jù)來源的多樣性也要求對數(shù)據(jù)進行深入的理論和實踐分析。將大數(shù)據(jù)轉化為有價值的信息需要智能技術的開發(fā)和應用，以便揭示數(shù)據(jù)中隱含的有價值的趨勢信息。因此，組織、機構和公司必須能夠利用大數(shù)據(jù)挖掘和分析技術來滿足這些需求。這樣做的目的是可以提供個性化的課程推薦和準確的多維教學評價。這些數(shù)據(jù)的收集、存儲、傳輸和分析需要先進的數(shù)據(jù)挖掘和分析技術，在教育領域被稱為學習分析技術。

2.3學習分析技術

學習分析是指運用智能技術對學習數(shù)據(jù)進行分析，以提高教學質量。基于大數(shù)據(jù)的學習分析有助于收集、測量和分析學習者的多模態(tài)數(shù)據(jù)。它可以為教師和平臺設計者提供準確的個性化教學服務，從而優(yōu)化學生的在線學習表現(xiàn)，提升學生的學習體驗。

通過對國外相關文獻的整理，我們可以看到，學習分析領域雖然是新興領域，但相關的研究已經(jīng)涉及到很多其他領域，主要包括學習分析的分析方法、分析工具、分析模型和分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)。同時，學習分析在教學中的應用也越來越受到教育相關者重視。

學習者畫像是指分析學習者的特征并根據(jù)這些標簽進行標記。學習者畫像是一種普遍應用在教學中的服務，其中個性化教學服務是最受歡迎的應用之一。在信息教育化時期，面對多媒體教學環(huán)境、多樣化的教學模式、數(shù)字化學習資源和特征迥異的學習者，要實現(xiàn)個性化教育教學，必須準確地刻畫和塑造學習者的學習特征?；趯W習者畫像，教師可以為學生提供更有針對性的教學。

這些技術增強和數(shù)據(jù)豐富的教育系統(tǒng)能幫助教師在更好地理解學生行為。實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供了準確的學習進度監(jiān)控，使教師能夠更準確地評估學習者是否提前或延遲學習進度。課后，該技術也可以幫教育者為學習者制定學習計劃，以提高學生的學習參與度。

個性化教學服務作為一種先進的教學理念，充分尊重學生的個性，其獨特的優(yōu)勢已得到國內外學者的認可。教育不是工廠，學生也不是產(chǎn)品。學生不能按統(tǒng)一標準被加工成“標準件”。因此，教育者需要正確認識學習者的個體差異，繼承因材施教的教育理念，才能實現(xiàn)特定的培養(yǎng)目標。

3 結語

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)在各行各業(yè)里得到了廣泛的應用，其中大數(shù)據(jù)在教育領域的發(fā)展尤為亮眼。在線學習和學習分析技術成為了智慧教育的重要組成部分。在中國，以MOOCs為首的在線教育平臺提供了數(shù)萬在線課程，吸引了的學習者。2020年新冠疫情的爆發(fā)，讓在線學習得到了井噴式增長。這些變化都使得學習者產(chǎn)生了大量學習行為數(shù)據(jù)，這為數(shù)據(jù)的提取分析帶來了巨大的挑戰(zhàn)。學習分析技術利用大數(shù)據(jù)里的數(shù)據(jù)挖掘技術，從海量的原始數(shù)據(jù)里，挖掘有價值的行為信息，以便更好地幫助學習者了解自己的學習狀態(tài)，幫助老師完善課程設計，幫助教育者改進教學系統(tǒng)。

參考文獻

[1]Annika Wolff，Zdenek Zdrahal，Andriy Nikolov，Michal Pantucek.Improving retention：predicting at-risk students by analyzing clicking behavior in a virtual learning environment[EB/OL].http：//oro.open.ac.uk/36936， December 31，2015.

[2]U.S.Department of Education（2015）.Ed Tech Developer's Guide[R].Washington，D.C.：64-65.

[3]Wolfram Alpha計算知識引擎[EB/OL].https：//www.smartsparrow.com/，September 12，2015.

[4]金義富，吳濤，張子石.大數(shù)據(jù)環(huán)境下學業(yè)預警系統(tǒng)設計與分析[J].中國電化教育，2016（2）：69-73.

[5]Kimberly E.Arnold and Matthew D.Course Signals at Purdue：Using learning Analytics to Increase Student Success[EB/OL].http：//www.itap.purdue.edu/learning/docs/research/Arnold_Pistilli-Purdue_University_Course_Signals-2012.pdf，December 31，2015.

[6]Hilbert M.Big data for development：A review of promises and challenges[J].Development Policy Review，2016， 34（1）：135-174.

[7]Xenos M.Prediction and Assessment of Student Behaviour in Open and Distance Education in Computers Using Bayesian Networks[J].Computers & Education，2004， 43（4）：345-359.

[8]Thomas K Q.Local colleges providing online learning programs[J].Rochester Business Journal，2001，16（43）：28.

[9]李雪嬌.基于學習者畫像的在線學習支持服務策略設計研究[D].上海：華東師范大學，2019.

[10]Hew，K.F.，Cheung.Students' and Instructors' Use of Massive Open Online Courses（MOOCs）：Motivations and Challenges[J].Educational Research Review，12（6）： 45-58.

[11]張冬冬，李玉龍，王玉鑫.數(shù)據(jù)挖掘技術在高校貧困生認定中的應用[J].西安文理學院學報（自然科學版）， 2013，16（4）：90-94.

[12]馮春燕.基于學習者畫像的個性化教學研究[D].金華：浙江師范大學，2019.

[13]SIEMENS G.What are learning analytics[EB/OL]. http：//www.elearnspace.org/blog/2010/08/25/what-are-learning-analytics，August 25，2010.

（責編：陳靜姝）