基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的學(xué)情分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋陽，趙冬梅，周國軍

（海軍大連艦艇學(xué)院基礎(chǔ)部，遼寧大連 116018）

學(xué)情分析是教學(xué)目標(biāo)設(shè)定的基礎(chǔ)，是教學(xué)內(nèi)容選取的依據(jù)，是教學(xué)策略和教學(xué)活動的著落點(diǎn)，是“以目標(biāo)為導(dǎo)向”、“以學(xué)生為中心”教學(xué)理念的具體實(shí)現(xiàn)。然而，目前的學(xué)情分析工作一方面得不到應(yīng)有的重視，教員沒有意識到其重要性，敷衍了事；另一方面分析方法單一、老舊，仍舊采用人工或借助Excel 等辦公軟件的傳統(tǒng)方法，存在工作量大、分析周期長、分析結(jié)果不全面等問題[1]。

學(xué)情分析工作的有效開展勢必要依賴于一套結(jié)果可靠、及時(shí)有效的學(xué)情分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠輔助教員實(shí)時(shí)監(jiān)測教學(xué)情況、掌握階段性教學(xué)效果、優(yōu)化課程設(shè)計(jì)，有的放矢地解決教學(xué)中存在的各種問題[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一套充分借助自動化手段的功能完備的學(xué)情分析系統(tǒng)首先要能夠存儲、統(tǒng)計(jì)學(xué)員的基本信息，其次能夠?qū)W(xué)員的成績等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲，最重要的功能是綜合各種數(shù)據(jù)并深度挖掘數(shù)據(jù)間的聯(lián)系、分析數(shù)據(jù)、反饋學(xué)員的學(xué)習(xí)情況和教員的授課效果[3]。

目前市面上有銷售一些功能較齊全的學(xué)情分析平臺，這些平臺的售價(jià)一般非常昂貴，功能上更側(cè)重于試卷的批改，對于學(xué)生成績只是作簡單的分析（如排名、求均分等），不能給出實(shí)際的、有價(jià)值的教學(xué)反饋意見；另外，這些學(xué)情分析平臺均是基于互聯(lián)網(wǎng)的，老師、學(xué)生、家長、校領(lǐng)導(dǎo)均可登陸平臺查閱數(shù)據(jù)，成績數(shù)據(jù)的共享也引入了學(xué)生隱私泄露的隱患。

綜上所述，對學(xué)情分析系統(tǒng)將作如下改進(jìn)：

1）系統(tǒng)為單機(jī)版軟件。考慮到校園不開設(shè)互聯(lián)網(wǎng)、連接軍網(wǎng)易引入安全隱患、學(xué)員個(gè)人信息的高度保密性等軍隊(duì)院校的特殊性問題，將學(xué)情分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一款單機(jī)版軟件，教員在個(gè)人計(jì)算機(jī)和Windows 操作系統(tǒng)下即可完成相應(yīng)操作。

2）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將針對采集的學(xué)員各階段、各模塊信息、成績等數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析、及時(shí)給出分析結(jié)果的功能，使教員能夠最大化地利用學(xué)情分析系統(tǒng)監(jiān)控和診斷教學(xué)活動。

3）系統(tǒng)反饋教學(xué)意見。系統(tǒng)將綜合數(shù)據(jù)分析結(jié)果、學(xué)員對教學(xué)內(nèi)容的反饋和教員授課經(jīng)驗(yàn)等多方面信息給出全面合理的反饋意見，該反饋意見可以直接應(yīng)用于教學(xué)中，使學(xué)情分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動化、信息化。

該單機(jī)版學(xué)情分析系統(tǒng)軟件使用Microsoft Visual Studio 2017、C#語言、人機(jī)交互技術(shù)和Microsoft Windows 等工具開發(fā)。

2 功能實(shí)現(xiàn)

學(xué)情分析系統(tǒng)軟件的主界面如圖1 所示，主要實(shí)現(xiàn)的功能有統(tǒng)計(jì)基本信息、整理存儲成績、挖掘分析數(shù)據(jù)和反饋分析結(jié)果，分別對應(yīng)系統(tǒng)主界面的“基本信息”、“成績管理”、“分析反饋”和“生成報(bào)告”4 個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)主界面

“基本信息”模塊和“成績管理”模塊分別實(shí)現(xiàn)對學(xué)員基本信息和成績數(shù)據(jù)的錄入/導(dǎo)入、整理、統(tǒng)計(jì)功能；“分析反饋”模塊實(shí)現(xiàn)兩大功能，包括挖掘分析數(shù)據(jù)和反饋分析結(jié)果；“生成報(bào)告”模塊將數(shù)據(jù)的分析和反饋結(jié)果一并顯示、保存[4-6]。

學(xué)情分析系統(tǒng)的使用將貫穿課程的開課前、授課期間和結(jié)課后幾個(gè)階段，為教員掌握學(xué)員的基礎(chǔ)情況、學(xué)習(xí)動態(tài)等提供數(shù)據(jù)和積累。學(xué)情分析系統(tǒng)和教學(xué)的使用配套流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)和教學(xué)的使用配套流程圖

2.1 統(tǒng)計(jì)基本信息模塊

基本信息模塊主要應(yīng)用于課程開始之前，教員可以錄入/導(dǎo)入、查看學(xué)員的個(gè)人信息，包括姓名、學(xué)號、生源及其以往課程的學(xué)習(xí)情況，如圖3 所示，為教員設(shè)計(jì)教學(xué)活動和因材施教提供基本依據(jù)與重要指導(dǎo)。

圖3 查看學(xué)員基本信息情況

2.2 整理存儲成績模塊

整理存儲成績模塊主要應(yīng)用于課程進(jìn)行期間，教員根據(jù)學(xué)員課堂上的提問、討論、練習(xí)等情況記錄學(xué)員的課堂表現(xiàn)成績，依據(jù)學(xué)員的課后作業(yè)、課下搜集資料、學(xué)習(xí)探討情況記錄學(xué)員的課下表現(xiàn)成績，教員還可以記錄學(xué)員的階段性測驗(yàn)和考試成績，并設(shè)定各項(xiàng)成績的分?jǐn)?shù)在總成績中的比重，得到學(xué)員本課程的學(xué)期總成績,如圖4 所示。

圖4 整理存儲成績模塊

該模塊通過采集存儲學(xué)員成績和制定評分標(biāo)準(zhǔn)，為鼓勵、激勵學(xué)員和全面衡量學(xué)員學(xué)習(xí)情況提供科學(xué)合理的評價(jià)體系。

2.3 挖掘分析數(shù)據(jù)模塊

挖掘分析數(shù)據(jù)模塊主要應(yīng)用于課程進(jìn)行期間和課程結(jié)束之后，系統(tǒng)能夠?qū)︿浫?導(dǎo)入的學(xué)員的各項(xiàng)成績數(shù)據(jù)選擇科學(xué)合理的算法，深度挖掘數(shù)據(jù)背后的信息，建立模型，進(jìn)行計(jì)算和圖表分析，并直觀地顯示分析結(jié)果，為最后學(xué)情分析結(jié)果的反饋提供有力數(shù)據(jù)[7-8]。

考試成績是一組雜亂無章的隨機(jī)數(shù)據(jù)，為了客觀地反映考試成績中的各種信息，通過前期調(diào)研，采用計(jì)算分析和圖表分析兩種方法對考試成績的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[9-11]。

2.3.1 計(jì)算分析

計(jì)算分析中的指標(biāo)參數(shù)分為綜合指標(biāo)、集中趨勢指標(biāo)和離散程度指標(biāo)?？紤]到軍隊(duì)院校學(xué)員的突發(fā)任務(wù)、排崗值班、訓(xùn)練傷病等情況較多，缺考現(xiàn)象較為普遍，為了提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的準(zhǔn)確性，因此設(shè)定綜合指標(biāo)中的實(shí)考率和缺考率。

為了體現(xiàn)班級成績的整體水平，設(shè)定集中趨勢指標(biāo)，包括各個(gè)分?jǐn)?shù)段的人數(shù)和比率。平均分、眾數(shù)和中位數(shù)是為了求班級的平均成績，正常情況下用平均分表示學(xué)員平均成績；當(dāng)出現(xiàn)極端數(shù)值時(shí)，用中位數(shù)代表學(xué)員平均成績；當(dāng)許多學(xué)生的成績分布偏態(tài)較嚴(yán)重時(shí)，或者超過1/5 的學(xué)員都為同一個(gè)成績時(shí)，用眾數(shù)作為平均成績。

最高分、最低分、極差、標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)都可以用來反映學(xué)員成績的離散程度[12]。極差為最高分與最低分之差，只能粗略地反映學(xué)生成績的差異情況；標(biāo)準(zhǔn)差可以避免極端值的影響，反映數(shù)據(jù)間的波動情況和離散程度，即拉開成績的容易性，計(jì)算公式為：

其中，xi表示第i個(gè)同學(xué)的成績，表示班級成績的算術(shù)平均數(shù)，n為總?cè)藬?shù)。

極差和標(biāo)準(zhǔn)差都是用來衡量同一個(gè)班級學(xué)生成績的差異程度，如果要橫向比較不同班級之間成績的離散程度，則需采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)來衡量[13]，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，表示班級成績的算術(shù)平均數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)分可以用于查看某次考試某學(xué)員的成績在班級中的位置，同一考生在不同次考試中成績的上下波動情況，能夠真實(shí)反映學(xué)員之間學(xué)習(xí)情況和個(gè)人能力的差別，如圖5 所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)分及成績波動情況查詢

標(biāo)準(zhǔn)分的計(jì)算公式為：

其中，xi表示第i個(gè)同學(xué)的成績，表示班級成績的算術(shù)平均數(shù)，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

除此之外，還可以將學(xué)員標(biāo)準(zhǔn)分相加進(jìn)行比較，得出各學(xué)員一學(xué)期多次測驗(yàn)成績的總體水平；不同學(xué)科的原始分不可相加，不同學(xué)科的標(biāo)準(zhǔn)分具有可加性，因此，還可以將不同學(xué)科的標(biāo)準(zhǔn)分相加，得出學(xué)生的綜合平均成績。

2.3.2 圖表分析

圖表分析的作用主要是檢驗(yàn)成績是否符合正態(tài)分布，考試成績應(yīng)該呈現(xiàn)正態(tài)分布，即兩頭低、中間高、左右對稱。偏度反映成績的非對稱程度，偏度大于0 表明成績偏向了低分區(qū)；偏度小于0 表明成績偏向了高分區(qū)，偏度可以反映出該部分內(nèi)容的難易程度和學(xué)員的一般掌握情況。偏度的計(jì)算公式為：

其中，n為總?cè)藬?shù)，xi表示第i個(gè)同學(xué)的成績，表示班級成績的算術(shù)平均數(shù)。

峰度是表征平均值處峰值高低的特征數(shù)，峰度大于0 表明統(tǒng)計(jì)圖比正態(tài)分布的高峰陡峭，此次考試中等成績的學(xué)生人數(shù)較多，低分和高分學(xué)生較少；峰度小于0 表明統(tǒng)計(jì)圖比正態(tài)分布更平坦，即此次考試的高中低分人數(shù)相對接近[14]。峰度的計(jì)算公式為：

其中，n為總?cè)藬?shù)，xi表示第i個(gè)同學(xué)的成績，表示班級成績的算術(shù)平均數(shù)。

系統(tǒng)中分析成績數(shù)據(jù)的算法較為全面，算法體系如圖6所示，幾乎涵蓋了一次考試中關(guān)心的所有參數(shù)。

圖6 分析成績數(shù)據(jù)的算法體系

2.4 反饋分析結(jié)果模塊

反饋分析結(jié)果模塊和挖掘分析數(shù)據(jù)模塊配合使用，在課程進(jìn)行期間，一方面，系統(tǒng)根據(jù)各項(xiàng)過程性考核情況，給出分析結(jié)果；另一方面，教員和學(xué)員都可以將階段性學(xué)習(xí)的難點(diǎn)內(nèi)容導(dǎo)入系統(tǒng)各章節(jié)模塊，最后系統(tǒng)綜合兩方面的信息給出反饋意見，為課堂教學(xué)的即時(shí)調(diào)整提供重要參考，并在課程結(jié)束之后，生成總結(jié)報(bào)告。系統(tǒng)從3 個(gè)方面實(shí)現(xiàn)“反饋分析結(jié)果”功能[15-16]，反饋體系如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)的反饋體系

2.4.1 挖掘分析數(shù)據(jù)模塊的結(jié)果反饋

1）數(shù)據(jù)反饋

反饋分析結(jié)果模塊的作用是給出挖掘分析數(shù)據(jù)模塊計(jì)算的反映班級整體情況的指標(biāo)參數(shù)，包括基本信息、分?jǐn)?shù)段/比率、集中趨勢指標(biāo)和離散程度指標(biāo)四部分，其中基本信息分別為考試課程、時(shí)間和總?cè)藬?shù)；分?jǐn)?shù)段/比率包括90 分以上人數(shù)/比率、80～89分人數(shù)/比率、70～79 分人數(shù)/比率、60～69 分人數(shù)/比率、50～59 分人數(shù)/比率、40～49 分人數(shù)/比率、30～39 分人數(shù)/比率、20～29 分人數(shù)/比率、10～19 分人數(shù)/比率、0～9 分人數(shù)/比率、偏度值和峰度值；集中趨勢指標(biāo)分別為實(shí)考人數(shù)/實(shí)考率、缺考人數(shù)/缺考率、及格率、平均分、中位數(shù)和眾數(shù)；離散程度指標(biāo)包括最高分、最低分、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)、進(jìn)步人數(shù)和退步人數(shù)。

2）圖表反饋

為了使學(xué)員成績分布一目了然，將學(xué)員成績分為10個(gè)等級，10分為一組，繪制成績分布直方圖，這樣有利于檢驗(yàn)成績與正態(tài)分布的吻合情況。反饋結(jié)果包括以下幾種情況：①正偏態(tài)分布，即有少量高分者和大量低分者，表明試卷偏難或?qū)W員掌握情況不佳；②負(fù)偏態(tài)分布，即有大量高分者和少量低分者，說明試卷偏簡單或?qū)W員掌握較好；③駝峰型分布，即高分和低分者很多，中分者很少，表明學(xué)員成績兩極分化嚴(yán)重；④平波型分布，即高、中、低分人數(shù)相近，考試不具備選拔性；⑤陡峭型分布，即中分者很多，高、低分者極少。

2.4.2 意見反饋

學(xué)情分析系統(tǒng)可以導(dǎo)入/錄入、保存、顯示學(xué)員對某次考試、測驗(yàn)的意見和學(xué)習(xí)情況反饋，以及教員依據(jù)學(xué)員答題情況、試卷的合理性和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)等給出的反饋意見。

2.4.3 生成總結(jié)報(bào)告

反饋分析結(jié)果模塊可生成總結(jié)報(bào)告，包括反映班級某次考試的整體成績情況的指標(biāo)參數(shù)、成績分布直方圖以及學(xué)員、教員的反饋意見。

3 系統(tǒng)實(shí)踐與應(yīng)用

1××隊(duì)本科學(xué)員的《模擬電路》期中考試是利用“雨課堂”開展的線上考試。“雨課堂”致力于為所有教學(xué)過程提供數(shù)據(jù)化、智能化的信息支持，能夠分析學(xué)員的答題情況，但無法分析學(xué)員的成績數(shù)據(jù)，不能為教學(xué)提供更多指導(dǎo)性的意見。

因此，利用基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的學(xué)情分析系統(tǒng)對此次期中考試成績進(jìn)行分析，隨即得到分析結(jié)果及反饋意見，生成報(bào)告，如圖8 所示。

圖8 1××隊(duì)《模擬電路》期中考試成績報(bào)告

“雨課堂”是從學(xué)員答題題目和內(nèi)容的角度對考試情況進(jìn)行分析，而基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的學(xué)情分析系統(tǒng)是從學(xué)員考試成績的角度對考試情況進(jìn)行分析，兩者有效結(jié)合、相互彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了對學(xué)員期中考試成績的全面剖析。

4 結(jié)論

基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的學(xué)情分析系統(tǒng)具有操作簡單、保密性好、失誤率低、后期維護(hù)投入小、功能全面等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)有效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)中重要數(shù)據(jù)的采集、整理、統(tǒng)計(jì)、分析和結(jié)果反饋，為教員因材施教、優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、量化形成性考核等提供重要依據(jù)。