基于大數(shù)據(jù)的學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)研究

薄瑜　夏朝　王璨

摘要：為了讓學(xué)生更加直觀的了解自己的個(gè)人能力，給學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程改進(jìn)提供可視化數(shù)據(jù)支持，本文首先探討了基于大數(shù)據(jù)的學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)的背景、意義，接下來(lái)明確學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)構(gòu)建的研究目標(biāo)、學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程以及學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)構(gòu)建需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)的學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制的改革和人才培養(yǎng)水平的提升起到了至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：學(xué)生能力;畫(huà)像;大數(shù)據(jù)

1.學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)建立的意義

大數(shù)據(jù)是近年來(lái)快速發(fā)展的技術(shù)方向，關(guān)于大數(shù)據(jù)的研究與應(yīng)用與日俱增，并不斷深入影響社會(huì)生活。在現(xiàn)代教育事業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，將教育數(shù)據(jù)挖掘與學(xué)習(xí)分析技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，從而在教育領(lǐng)域建立起有關(guān)模型，對(duì)影響現(xiàn)代教育的各種因素起到了至關(guān)重要的作用。本文利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)多種信息化和數(shù)據(jù)挖掘的手段收集與學(xué)生相關(guān)的學(xué)習(xí)和能力數(shù)據(jù)，構(gòu)建合理的信息模型，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)展示相關(guān)的結(jié)果和信息，為學(xué)生生成能力畫(huà)像，根據(jù)能力畫(huà)像，使學(xué)生認(rèn)識(shí)自己在知識(shí)能力和綜合能力上的不足，讓學(xué)生更加清楚自己所具備的能力，發(fā)現(xiàn)自己的短板并彌補(bǔ)短板。

2.學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)構(gòu)建的研究目標(biāo)

學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)構(gòu)建的研究目標(biāo)是按照工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，從八個(gè)維度細(xì)化出關(guān)于學(xué)生畫(huà)像的特征值，利用特征值結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行模型建立，構(gòu)建出學(xué)生能力畫(huà)像，通過(guò)學(xué)生能力畫(huà)像評(píng)判學(xué)生的綜合能力。

3.學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程

（1）學(xué)生能力分析

按照工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)本校不同的專業(yè)的培養(yǎng)方案進(jìn)行調(diào)研，分析出學(xué)生應(yīng)該具有：誠(chéng)信與決策力、心智習(xí)慣、分析與創(chuàng)造力、溝通能力、領(lǐng)導(dǎo)力及團(tuán)隊(duì)合作能力、信息技術(shù)及數(shù)理能力、全球視野、適應(yīng)行和探索能力這八項(xiàng)能力。

（2）學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)架構(gòu)分析

該系統(tǒng)在功能架構(gòu)上分為4層，視圖層（也稱用戶應(yīng)用層）基礎(chǔ)信息、學(xué)生能力畫(huà)像、能力評(píng)價(jià);控制器層（也稱業(yè)務(wù)邏輯層）包括數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)處理、邏輯處理、身份驗(yàn)證;模型層包括學(xué)生能力畫(huà)像模型、能力評(píng)價(jià)模型;數(shù)據(jù)訪問(wèn)層（也稱數(shù)據(jù)庫(kù)層）包括學(xué)生成績(jī)庫(kù)、學(xué)生行為庫(kù)、用戶信息庫(kù)。

（3）學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)構(gòu)建思路

前期利用Python爬蟲(chóng)技術(shù)進(jìn)行教務(wù)系統(tǒng)、學(xué)習(xí)通、慕課等平臺(tái)的數(shù)據(jù)爬取，將收集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)，人工分析集成學(xué)生的實(shí)體作業(yè)成果進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，構(gòu)建初階數(shù)據(jù)模型，采用輕型的flask后端框架進(jìn)行網(wǎng)站平臺(tái)的搭建，通過(guò)前端UI（echart）進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)Ajax進(jìn)行前后端的數(shù)據(jù)傳遞或直接通過(guò)Python回顯視圖，此時(shí)用戶登錄之后，Python后端只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的登錄、信息計(jì)算、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)顯示等邏輯處理。然后抽取相應(yīng)的特征值進(jìn)行分析，使用ID3算法等不斷對(duì)初步構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行合理優(yōu)化，使學(xué)生在使用并平臺(tái)的得出的學(xué)生能力畫(huà)像更加精確，并找出學(xué)生畫(huà)像的臨界、標(biāo)準(zhǔn)（合格）情況，讓學(xué)生更加直觀的了解自己的個(gè)人能力。

中期通過(guò)JAVA編碼進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過(guò)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，集成Mapreduce對(duì)大量的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，強(qiáng)化訓(xùn)練，不斷地對(duì)初構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、衡量、優(yōu)化。

后期繼續(xù)完善平臺(tái)功能，為學(xué)生展示其更多有用的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，讓學(xué)生能更加了解自己的能力，同時(shí)也可在系統(tǒng)中添加一些顯示課程表、四六級(jí)課程推送的這樣方便實(shí)用的功能。

4.學(xué)生能力畫(huà)像系統(tǒng)構(gòu)建需解決的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）學(xué)生數(shù)據(jù)的收集

基于大學(xué)生現(xiàn)有在校學(xué)習(xí)信息，通過(guò)Python爬蟲(chóng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，囊括學(xué)習(xí)通、慕課、教務(wù)系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，再通過(guò)人工分析的方式將學(xué)生作業(yè)、實(shí)訓(xùn)成果等數(shù)據(jù)進(jìn)行集成轉(zhuǎn)換，一同利用分布式儲(chǔ)存的方式保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)不同專業(yè)人才培養(yǎng)方案的課程的調(diào)查研究課程于能力特征之間的關(guān)系，進(jìn)行課程模型、作業(yè)模型、網(wǎng)課學(xué)習(xí)模型的初步建立，通過(guò)學(xué)生對(duì)于該平臺(tái)的使用，為學(xué)生提供登錄接口對(duì)其學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并通過(guò)初步模型分析計(jì)算出得到學(xué)生的基本能力和基本特征，并保存其除隱私外的個(gè)人信息。

（2）模型算法的建立

通過(guò)ID3機(jī)器學(xué)習(xí)算法的分析，進(jìn)行建立的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化。其中ID3算法是一種構(gòu)造決策樹(shù)的方式，以信息熵的下降速度為選取測(cè)試屬性的標(biāo)準(zhǔn)，即在每個(gè)節(jié)點(diǎn)選取還尚未被用來(lái)劃分的具有最高信息增益的屬性作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，然后繼續(xù)這個(gè)過(guò)程，直到生成的決策樹(shù)能完美分類訓(xùn)練樣例。決策樹(shù)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后在通過(guò)ID3算法的分析之后得出學(xué)生的特征值并生成決策樹(shù)，對(duì)應(yīng)每一位大學(xué)生的信息選用不同的分析方式得出計(jì)算結(jié)果，根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器訓(xùn)練，使其計(jì)算結(jié)果更精確合理。

（3）學(xué)生能力的可視化

借助以往課程成績(jī)信息，基于矩陣分解的降維技術(shù)，分析學(xué)生對(duì)具體基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度，并獲得每門課程所含有的知識(shí)體系?；谶@些信息，該系統(tǒng)可以分析出每個(gè)學(xué)生的個(gè)人能力，也可以預(yù)測(cè)出這個(gè)學(xué)生在未來(lái)發(fā)展就業(yè)可能性。是通過(guò)分析課程、學(xué)習(xí)記錄、學(xué)習(xí)成果在能力體系上的相關(guān)性來(lái)進(jìn)行能力預(yù)測(cè)。

5.結(jié)語(yǔ)

學(xué)生能力畫(huà)像利用學(xué)生的在校學(xué)習(xí)記錄數(shù)據(jù)，將分散層次不齊的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建數(shù)據(jù)模型行為，包括課程成績(jī)、人才培養(yǎng)課程數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)網(wǎng)課學(xué)習(xí)記錄等，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析手段，量化學(xué)生在理論、實(shí)踐、修養(yǎng)等多維度的特性，揭示學(xué)生的個(gè)人能力，基于其數(shù)據(jù)模型對(duì)學(xué)生的能力、畢業(yè)水平、就業(yè)優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制的改革和人才培養(yǎng)水平的提升起到了至關(guān)重要的作用。

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作者簡(jiǎn)介：

薄瑜（1982.01），女，吉林榆樹(shù)人，碩士，副教授，研究方向：大數(shù)據(jù)技術(shù)，工作單位：大連科技學(xué)院數(shù)字技術(shù)學(xué)院。

夏朝（2001.08），男，專業(yè)：軟件工程，大連科技學(xué)院數(shù)字技術(shù)學(xué)院在校生。

王璨（1984.05），女，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)推理，工作單位：大連科技學(xué)院數(shù)字技術(shù)學(xué)院。