張毅,喬雪
(江西科技師范大學(xué),江西 南昌 330038)
2021年1月,教育部制定了《普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)審核評估實施方案(2021—2025年)》,為引導(dǎo)高校遵循教育規(guī)律,聚焦本科教育教學(xué)質(zhì)量,提出“綜合運用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)手段,深度挖掘常態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),提高工作實效”。教學(xué)工作是學(xué)校所有工作的核心,學(xué)校要想很好地實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo),培養(yǎng)出合格的人才,就必須把教學(xué)工作放在首位,圍繞教學(xué)目標(biāo)安排其他工作。教學(xué)質(zhì)量是指教學(xué)水平的高低和教學(xué)效果的優(yōu)劣,或者說是在一定時間內(nèi)和一定條件下,學(xué)生發(fā)展變化達到某一標(biāo)準(zhǔn)的程度。學(xué)校要想提高教學(xué)質(zhì)量,就要抓好教學(xué)工作,充分計劃、嚴(yán)格落實教學(xué)過程中的每一個環(huán)節(jié)。
然而,傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中存在著非客觀記錄,學(xué)生的學(xué)習(xí)過程無法獲得如實記錄和精準(zhǔn)評價,導(dǎo)致課堂教學(xué)評價效果低下?!坝脩舢嬒瘛奔夹g(shù)能夠有效描述目標(biāo)用戶的顯著特征,有助于指導(dǎo)和優(yōu)化決策的制定和實施過程。因此,本文利用課堂教學(xué)過程中產(chǎn)生的多模態(tài)數(shù)據(jù),將課堂教學(xué)過程數(shù)字化,為建立課堂教學(xué)精準(zhǔn)畫像提供數(shù)據(jù)支撐,為精準(zhǔn)教學(xué)服務(wù)提供參考借鑒。
Nigay 和Coutaz 認(rèn)為,“多”的意思是“不止一個”,而術(shù)語“模態(tài)”則是指用于傳遞或獲取信息的通信類型或通信渠道;鐘薇等將多模態(tài)數(shù)據(jù)分為生理層數(shù)據(jù)、心理層數(shù)據(jù)、行為層數(shù)據(jù)和基本信息數(shù)據(jù)四類。綜上所述,筆者認(rèn)為多模態(tài)數(shù)據(jù)是指具有不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征和形式的表意符號和信息,包括從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等不同感知通道接收到的信息以及各種數(shù)據(jù)類型(甚至來自不同數(shù)據(jù)庫)的組合。
學(xué)習(xí)是多模態(tài)的,因而利用單模態(tài)數(shù)據(jù)來描述教師研修的全部肖像是充滿困難的。多模態(tài)數(shù)據(jù)可以全面、準(zhǔn)確、真實地構(gòu)建教師畫像,克服單一視圖無法觀察全貌的局限性。通過智能系統(tǒng)、穿戴設(shè)備等途徑獲取多模態(tài)教學(xué)數(shù)據(jù),使教育研究者能夠準(zhǔn)確找出課堂教學(xué)問題,總結(jié)課堂教學(xué)經(jīng)驗,使課堂教學(xué)方法更加科學(xué)有效。因此,相較于傳統(tǒng)課堂記錄的數(shù)據(jù),本研究利用多模態(tài)數(shù)據(jù)多視角、全方位地構(gòu)建課堂教學(xué)畫像,提供更為科學(xué)直觀的教學(xué)診斷。
交互設(shè)計之父Alan Cooper 率先提出用戶畫像(Persona)的概念,他認(rèn)為用戶畫像是基于大量真實數(shù)據(jù)構(gòu)建出來的虛擬用戶模型。用戶畫像在電子商務(wù)領(lǐng)域的成功運用,使得畫像技術(shù)延伸到“學(xué)習(xí)者畫像”“學(xué)生畫像”“教師畫像”等不同領(lǐng)域。
在學(xué)習(xí)者畫像領(lǐng)域,肖君等提出學(xué)習(xí)者畫像是用戶畫像在教育領(lǐng)域的應(yīng)用;王莎等認(rèn)為學(xué)習(xí)者畫像是對學(xué)習(xí)者教育信息的抽象概括。在教師畫像領(lǐng)域,胡小勇等提出通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),收集與教師教研緊密相關(guān)的數(shù)據(jù)來構(gòu)建表征教師特征、需求、偏好和行為的畫像模型;陳堯利用OP 算法和基于詞典的情感值匹配技術(shù)對學(xué)生評教文本數(shù)據(jù)進行處理構(gòu)建教師畫像;方丹丹等基于特征工程理論為教師打標(biāo)簽,進行教師畫像特征選擇。在教學(xué)畫像領(lǐng)域,喬雪在人工智能的背景下,提出利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法構(gòu)建課堂教學(xué)畫像的設(shè)想;陳小恩等利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)課程數(shù)據(jù)對教師教學(xué)特征進行刻畫,還原教師教學(xué)的全部信息。
綜上,當(dāng)前的學(xué)者運用用戶畫像技術(shù)在教育領(lǐng)域的相關(guān)研究主要集中在學(xué)習(xí)者畫像和教師畫像,而在教學(xué)畫像領(lǐng)域的研究還不夠深入。
畫像模型的構(gòu)建需要遵循相應(yīng)的流程。肖君等提出了基于xAPI 的在線學(xué)習(xí)者畫像來構(gòu)建框架,將構(gòu)建流程分為四個階段:畫像目標(biāo)、數(shù)據(jù)收集、畫像建模、畫像應(yīng)用與評價;胡小勇等提出的精準(zhǔn)教研視域下的教師畫像的邏輯實現(xiàn)框架,分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、畫像模型構(gòu)建、標(biāo)簽體系建立、畫像質(zhì)量評估和畫像精準(zhǔn)應(yīng)用六個階段。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,基于多模態(tài)數(shù)據(jù)提出了“畫像目標(biāo)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、畫像模型確立、標(biāo)簽的形成、畫像應(yīng)用與評價”六個階段,如圖1所示。
圖1 教學(xué)畫像模型的構(gòu)建流程
畫像目標(biāo)能夠指導(dǎo)整個畫像構(gòu)建流程的有序進行。本文將教學(xué)畫像分為師生基本屬性、教學(xué)內(nèi)容屬性、教學(xué)行為屬性和教學(xué)心理屬性四個維度。通過對教學(xué)畫像的維度劃分,可以明確教學(xué)畫像的構(gòu)建目標(biāo)。
師生基本屬性數(shù)據(jù)可以分別從教師信息管理系統(tǒng)和學(xué)生信息管理系統(tǒng)中獲取,包括性別、年齡、年級、學(xué)科等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù);教學(xué)內(nèi)容屬性數(shù)據(jù)包括學(xué)科類別數(shù)據(jù)和課堂記錄數(shù)據(jù),學(xué)科類別數(shù)據(jù)可以從教務(wù)處的排課系統(tǒng)中獲取,課堂記錄數(shù)據(jù)包括教學(xué)過程中教師的PPT 內(nèi)容、板書、學(xué)生的課堂筆記等文本數(shù)據(jù),這類數(shù)據(jù)可以從教學(xué)平臺中獲?。唤虒W(xué)行為屬性數(shù)據(jù)包括師生教學(xué)互動的音頻、視頻數(shù)據(jù)以及師生的面部表情和眼動數(shù)據(jù),可以利用電腦端的攝像頭和眼動儀來收集教學(xué)行為數(shù)據(jù);教學(xué)心理屬性數(shù)據(jù)包括教學(xué)過程中師生的情感、認(rèn)知、注意等心理活動,這類生理數(shù)據(jù)可以由腦波儀等生理儀器實時監(jiān)測得到。
由于收集到的多模態(tài)數(shù)據(jù)來自于不同的數(shù)據(jù)庫,獲取方式也不一樣,導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在格式上的不統(tǒng)一、數(shù)值缺失和不規(guī)范等問題,因此在構(gòu)建畫像模型之前有必要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。本文嘗試運用五種數(shù)據(jù)預(yù)處理方式(包括數(shù)據(jù)清洗、離群點處理、缺失值處理、不一致數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)集成),最終得到干凈的數(shù)據(jù)便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。
數(shù)據(jù)清洗包括不完整數(shù)據(jù)的清洗、錯誤數(shù)據(jù)的清洗和重復(fù)數(shù)據(jù)的清洗。由于Hadoop 處理大數(shù)據(jù)的效率很高,本文采用Hadoop 的分布式數(shù)據(jù)清洗方法,先將數(shù)據(jù)存儲在HDFS,然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至Hive 數(shù)據(jù)倉庫,按照指定格式處理數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域,離群點檢測算法是一種重要的異常檢測算法,基于E-PAC 的算法可以消除多模態(tài)數(shù)據(jù)中存在的冗余數(shù)據(jù)。可以采取由回歸模型和判別模型計算出來的值來代替缺失值。在實際的數(shù)據(jù)獲取過程中,可能會存在一些數(shù)據(jù)不一致的情況,這時需要對不一致的數(shù)據(jù)進行清理。對不同來源的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲時,可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突問題。本文基于輕量級的集成局部圖結(jié)構(gòu)LGS(local graph structure)和認(rèn)知特征提取框架,在對腦電信號等生理數(shù)據(jù)的識別上具有更好的集成效果。
畫像模型的確立需要對所收集的多模態(tài)數(shù)據(jù)進行分析,從多個維度對畫像進行劃分,為標(biāo)簽體系的形成和畫像評價奠定基礎(chǔ)??梢越柚鷰熒緦傩詳?shù)據(jù)來了解師生的基本特征,此為教學(xué)特征畫像;教學(xué)內(nèi)容屬性數(shù)據(jù)和教學(xué)行為屬性數(shù)據(jù),表征教師的授課能力和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力,此為教學(xué)能力畫像;教學(xué)心理屬性數(shù)據(jù)展現(xiàn)了師生的情感、認(rèn)知和態(tài)度,此為教學(xué)體驗畫像。本文提出的教學(xué)畫像模型如圖2所示。
圖2 教學(xué)畫像模型
教學(xué)畫像模型確立之后,針對該模型中的三個畫像構(gòu)建相應(yīng)的標(biāo)簽體系,如圖3所示。教學(xué)特征標(biāo)簽包括基本信息和教學(xué)信息,此為靜態(tài)標(biāo)簽。通過師生的基本特征,教師可以對不同性別、年齡、教育階段的學(xué)生進行個性化教學(xué),學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好選擇授課教師;教學(xué)能力標(biāo)簽包括課堂交互和測驗成績,此為動態(tài)標(biāo)簽。交互數(shù)據(jù)和測試成績可以體現(xiàn)教師的教學(xué)能力和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力,使師生為進一步提高各自的能力水平而進行總結(jié)和反思;教學(xué)體驗標(biāo)簽包括師生之間相互的滿意度和興趣,此為動態(tài)標(biāo)簽。心理數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測可以用來了解每一時刻師生的滿意程度和興趣,教師可以有針對性地對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)風(fēng)格進行改進,從而促進學(xué)生的全面發(fā)展。
圖3 教學(xué)畫像標(biāo)簽體系
依據(jù)教學(xué)畫像模型的確立以及標(biāo)簽體系的形成,本文提出了面向?qū)W生個人畫像和教師畫像的應(yīng)用需求,如圖4所示。
圖4 教學(xué)畫像應(yīng)用
面向?qū)W生的個人畫像能夠幫助學(xué)生進行自我監(jiān)測,及時調(diào)整自己的學(xué)習(xí)行為,提高學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在實際的課堂中,依據(jù)其個人的標(biāo)簽,找到自己的不足,針對自己的薄弱環(huán)節(jié)進行有針對性的練習(xí),提高自己的學(xué)習(xí)成績。面向教師的畫像需要根據(jù)學(xué)生畫像進行監(jiān)測,及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,適時調(diào)整自己的教學(xué)策略。教師可以針對各個學(xué)生不同的學(xué)習(xí)情況,有針對性地提供個性化的教學(xué)服務(wù)。
教學(xué)畫像在實際的應(yīng)用過程中也會出現(xiàn)一些疏漏,而畫像的評價對畫像的精準(zhǔn)應(yīng)用有很大的幫助。畫像評價在整個畫像構(gòu)建流程中發(fā)揮著重要作用,畫像評價這一環(huán)節(jié)使整個畫像構(gòu)建流程形成一個閉環(huán),讓畫像能夠得以不斷的更新和優(yōu)化,對畫像的每一個環(huán)節(jié)都具有促進作用。
多模態(tài)數(shù)據(jù)能夠全方位、多維度、多視角地描述整個教學(xué)過程,不僅能夠幫助教師和學(xué)生了解自己的心理和狀態(tài),也有助于師生在教學(xué)過程中相互磨合、友好協(xié)作?;诙嗄B(tài)數(shù)據(jù)的教學(xué)畫像為提高教學(xué)工作實效提供一種新的解決方案,然而針對教學(xué)畫像如何與實踐更好地結(jié)合還需要做進一步的研究,這也將是后續(xù)研究工作的重要方向。