基于學(xué)習(xí)者畫像和聚類技術(shù)的個(gè)性化教學(xué)模式推薦研究

錢乾　程美英 人工智能

關(guān)鍵詞：個(gè)性化教學(xué)；學(xué)習(xí)者畫像；聚類技術(shù)；教學(xué)模式推薦

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044（2023）08-0009-04

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)人才需求呈多樣化特點(diǎn)。與多樣化相對(duì)應(yīng)的是人才培養(yǎng)的個(gè)性化，個(gè)性化教學(xué)是近年來(lái)新出現(xiàn)的一種教學(xué)模式，即在進(jìn)行教學(xué)過程中會(huì)針對(duì)每個(gè)學(xué)習(xí)者需求進(jìn)行優(yōu)化教學(xué)，與學(xué)習(xí)者自身特征或偏好息息相關(guān)。關(guān)注學(xué)生基礎(chǔ)、思維、需求差異，可有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，而非個(gè)性化教學(xué)因其對(duì)教師教學(xué)個(gè)性的弱化，造成教師職業(yè)成就感不高、學(xué)生素質(zhì)片面發(fā)展以及學(xué)校教育生態(tài)缺乏活力等危害。中國(guó)高等教育已進(jìn)入普及化階段，而個(gè)性化教育將成為普及化階段高等教育重要特征，將信息技術(shù)融入個(gè)性化教學(xué)全過程中，也是急需解決的關(guān)鍵問題之一。

現(xiàn)有關(guān)于個(gè)性化教學(xué)研究成果較多，代表性成果如下：文獻(xiàn)[1]指出適合學(xué)生和自己的才是最好的教學(xué)；文獻(xiàn)[2]指出個(gè)性化教育興起需要建立相應(yīng)制度體系為其提供規(guī)則、引導(dǎo)或賦能；文獻(xiàn)[3]將用戶和資源特征差異之和作為目標(biāo)函數(shù)，引入廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成個(gè)性化教學(xué)資源推薦；文獻(xiàn)[4]基于大數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)了個(gè)性化教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)的具體實(shí)施流程；文獻(xiàn)[5]從個(gè)性化教學(xué)目標(biāo)、環(huán)境、方法、過程、評(píng)價(jià)等5方面優(yōu)化個(gè)性化教學(xué)模式；文獻(xiàn)[6]引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，采用深度學(xué)習(xí)方法定位學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，達(dá)到對(duì)學(xué)生個(gè)性化知識(shí)推薦目的；文獻(xiàn)[7]引入大數(shù)據(jù)技術(shù)分析學(xué)情，然后構(gòu)建多維度教學(xué)評(píng)價(jià)體系，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)個(gè)性化教學(xué)模式，形成智慧課堂。

畫像技術(shù)來(lái)源于電子商務(wù)，是一種勾畫目標(biāo)用戶、聯(lián)系用戶訴求與設(shè)計(jì)方向的有效工具，近些年在教育領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，如文獻(xiàn)[8]以在線學(xué)習(xí)者為研究對(duì)象，從學(xué)習(xí)者特征、學(xué)習(xí)者行為以及學(xué)習(xí)路徑3方面構(gòu)建高風(fēng)險(xiǎn)學(xué)習(xí)者畫像模型，并提供數(shù)據(jù)收集、標(biāo)簽分析、畫像輸出等功能模塊；文獻(xiàn)[9]引入爬蟲技術(shù)抓取學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)，在定量分析基礎(chǔ)之上，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)資源之間的聯(lián)系，進(jìn)一步預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)資源需求；文獻(xiàn)[10]基于用戶畫像技術(shù)對(duì)研究性學(xué)習(xí)學(xué)生畫像構(gòu)建展開研究，并提出基于可視化學(xué)習(xí)分析的學(xué)生畫像流程框架；文獻(xiàn)[11]研究揭示了非母語(yǔ)學(xué)生群體在線學(xué)習(xí)的類別差異和關(guān)鍵行為特征，相關(guān)結(jié)論能指導(dǎo)全球受眾的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，進(jìn)一步提升在線教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)體驗(yàn)；文獻(xiàn)[12]通過對(duì)開放式教學(xué)下學(xué)習(xí)者基本信息、在線學(xué)習(xí)行為和課堂表現(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)合腦認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，從數(shù)據(jù)挖掘與認(rèn)知心理視角發(fā)掘?qū)W習(xí)者興趣、愛好、學(xué)習(xí)能力等特點(diǎn)，以標(biāo)簽化形式進(jìn)行個(gè)性歸納和畫像，并基于學(xué)習(xí)者畫像，探討個(gè)性化教學(xué)等；文獻(xiàn)[13]從電子檔案袋、數(shù)字徽章、綜合學(xué)習(xí)者記錄等多維度全方位重塑大學(xué)生學(xué)習(xí)畫像，超越了傳統(tǒng)成績(jī)單無(wú)法展示學(xué)生全部學(xué)習(xí)經(jīng)歷和成果；文獻(xiàn)[14]引入學(xué)習(xí)者畫像技術(shù)構(gòu)建學(xué)習(xí)者綜合評(píng)價(jià)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生者學(xué)習(xí)情況綜合反饋；文獻(xiàn)[15]引入文獻(xiàn)分析，以及學(xué)科知識(shí)圖譜和個(gè)性知識(shí)圖譜的映射關(guān)系構(gòu)建學(xué)習(xí)者畫像模型，并從知識(shí)和能力兩方面對(duì)該模型進(jìn)行檢驗(yàn)等。

綜上，個(gè)性化教學(xué)和學(xué)習(xí)者畫像技術(shù)目前已取得了一系列研究成果，但將這些技術(shù)應(yīng)用于教育技術(shù)專業(yè)核心課程《高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》中卻鮮有報(bào)道。本文以浙江省X高校教育技術(shù)專業(yè)學(xué)位課《高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》為例，首先采用問卷調(diào)查法獲取教師和學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)意愿；其次采用學(xué)習(xí)者畫像技術(shù)收集學(xué)生特征和需求，然后引入K-means聚類技術(shù)根據(jù)學(xué)生偏好聚集成不同學(xué)生群體，最后向不同群體學(xué)生推薦合適的教學(xué)模式，具體如圖1所示。

1 師生個(gè)性化教學(xué)意愿問卷調(diào)查

本小節(jié)主要采用問卷調(diào)查法獲取師生個(gè)性化教學(xué)意愿，調(diào)查對(duì)象為浙江省X高校教育技術(shù)專業(yè)120名學(xué)生以及相關(guān)專業(yè)課程教師，采用李克特5級(jí)量表。調(diào)查時(shí)間為2022年8月10日至2022年8月15日，采用線上問卷方式，向X高校大學(xué)1年級(jí)至大學(xué)3年級(jí)共120個(gè)教育技術(shù)專業(yè)學(xué)生和11名教育技術(shù)專業(yè)教師發(fā)放問卷，其中回收學(xué)生有效問卷112份，回收率93.33%，回收教師有效問卷11份，回收率100%，具體如表1和表2所示。由表1可知，有92%的學(xué)生覺得實(shí)施個(gè)性化教學(xué)“非常有必要”，5%的學(xué)生持“有必要”態(tài)度，僅3%學(xué)生持“無(wú)所謂”態(tài)度。由表2可知，受訪教師100%覺得“非常有必要”進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)。通過上述分析可知：本文所涉及的研究對(duì)象對(duì)個(gè)性化教育均有迫切需求。

2 個(gè)性化教學(xué)群體組建

2.1 學(xué)生特征和需求數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理

本文以繼續(xù)以教育技術(shù)專業(yè)45名學(xué)生為研究對(duì)象，這里用S （i = 1，2，…，45） 表示第i 個(gè)學(xué)生。從兩個(gè)維度對(duì)學(xué)生實(shí)施畫像，即采用問卷調(diào)查方式獲取學(xué)生特征，以及對(duì)《高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》這門課程的需求，具體如表3所示。

由表3可知，學(xué)生特征指標(biāo)共有5項(xiàng)，每項(xiàng)指標(biāo)及其取值范圍如下，T：計(jì)算機(jī)水平（T ∈{比較高，一般}） ，T2：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（T ∈{比較好，一般}） ，T3：英語(yǔ)水平（T ∈{比較好，一般}） ，T4：高中是否接觸過編程（T ∈{接觸過，幾乎沒有接觸過}） ，T5：編程水平（T ∈{比較高，一般}） ；學(xué)生需求指標(biāo)共3個(gè)，即T6：偏好的授課模式（T ∈{把一個(gè)復(fù)雜的項(xiàng)目分解開逐個(gè)求解后再綜合，按章節(jié)按部就班學(xué)習(xí)}，T7：偏好的課后作業(yè)（T ∈{富有創(chuàng)新性習(xí)題，與當(dāng)天授課內(nèi)容相關(guān)的模仿類習(xí)題}） ，T8：偏好的課后學(xué)習(xí)資源（T ∈{與當(dāng)天學(xué)習(xí)知識(shí)相關(guān)的擴(kuò)展性資源，能鞏固當(dāng)天知識(shí)的學(xué)習(xí)資源}） 。

數(shù)據(jù)預(yù)處理會(huì)直接影響學(xué)生畫像質(zhì)量，也是后期進(jìn)行學(xué)生聚類的基石。因?qū)W生畫像各指標(biāo)均為定性數(shù)據(jù)，這里采用模糊隸屬度函數(shù)實(shí)現(xiàn)定性數(shù)據(jù)定量化，同時(shí)某一學(xué)生往往具有多個(gè)不同偏好或特征，且屬于不同的量綱，當(dāng)偏好在數(shù)值方面相差較大時(shí)，在分析過程中數(shù)值較大偏好的作用將被增強(qiáng)，影響分析客觀性，這里采用歸一化方法，引入對(duì)數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)換法將不同偏好數(shù)值全部落入[0，1]之間。假設(shè)r 為某一組畫像指標(biāo)值，r 為其中任意值，對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)如公式（1） 所示。

2.2 基于聚類技術(shù)的學(xué)生群體組建

K-means聚類技術(shù)是一種迭代求解的聚類分析算法，其步驟是隨機(jī)選取K個(gè)對(duì)象作為初始聚類中心，然后計(jì)算每個(gè)對(duì)象與各個(gè)子聚類中心之間的距離，把每個(gè)對(duì)象分配給距離它最近的聚類中心[16]。

這里采用Spss16.0在上述學(xué)生畫像基礎(chǔ)之上，對(duì)教育技術(shù)專業(yè)45個(gè)學(xué)生實(shí)施聚類，設(shè)置2個(gè)聚類中心，算法經(jīng)過50次迭代后，最終聚類中心和聚類結(jié)果如表4和表5所示。

由表4和表5可知，經(jīng)過k-means聚類之后，學(xué)生群體1聚類中心為（1.00，0.95，0.84，0.26，1.00，0.00， 0.21，0.58） ，學(xué)生群體2 聚類中心為（1.00，0.96，0.73，0.92，1.00， 0.46，0.96，0.69） 。同時(shí)學(xué)生S1， S4， S8， S9， S11，S12， S15， S17， S20， S26， S28， S30， S31， S32， S34， S36，S37， S38， S43 被聚集到群體1 中，S2， S3， S5， S6， S7，S10， S13， S14， S16， S18， S19， S21， S22， S23， S24， S25，S27， S29， S33， S35， S39， S40， S41， S42， S44， S45被聚集到群體2中。

由上述聚類分析可知，學(xué)生群體1基礎(chǔ)知識(shí)較為扎實(shí)，偏向于創(chuàng)新性和擴(kuò)展性資源，而學(xué)生群體2普遍計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)等基礎(chǔ)較為薄弱，偏向于基礎(chǔ)性教學(xué)。

2.3 個(gè)性化教學(xué)模式設(shè)計(jì)與推薦

課程教學(xué)模式改革要求實(shí)現(xiàn)理念、實(shí)踐、效果三方面的重要轉(zhuǎn)變，即把傳統(tǒng)的“以教師為中心”的教學(xué)觀念轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙越處煘橹鲗?dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)觀念；把以教師灌輸為主的教學(xué)方法轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?dǎo)為主、雙向交流的教學(xué)方法，在互動(dòng)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)與合作精神，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑能力與批判性思維，引導(dǎo)學(xué)生“樂學(xué)、樂思”，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能；把單一的考試考核方法轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊目荚嚳己朔椒ǎ⒅剡^程評(píng)價(jià)，著眼于科學(xué)全面地評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

《高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》是教育技術(shù)專業(yè)核心課程，本文設(shè)計(jì)了兩套不同的課程教學(xué)模式，以滿足不同學(xué)生群體個(gè)性化需求，具體如圖2所示。由圖2可知，對(duì)于基礎(chǔ)較為扎實(shí)的學(xué)生群體1，需要充分利用實(shí)踐教學(xué)、操作加深學(xué)生對(duì)所學(xué)的基本概念、基礎(chǔ)理論和知識(shí)的理解，通過開發(fā)全過程的全方位指導(dǎo)，從需求分析、算法設(shè)計(jì)到程序編寫和過程調(diào)試，以項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的形式引導(dǎo)和幫助學(xué)生解決實(shí)際問題，將項(xiàng)目化教學(xué)貫穿整個(gè)課程中，然后引入小型項(xiàng)目開發(fā)鞏固所學(xué)知識(shí)，并輔以小組討論和線下答疑；而對(duì)于基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生群體2，以基礎(chǔ)理論知識(shí)、編程思維訓(xùn)練、上機(jī)操作為主，并輔以線下答疑，熟悉和掌握主要的語(yǔ)法規(guī)則、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)運(yùn)算、語(yǔ)句、系統(tǒng)函數(shù)、程序結(jié)構(gòu)，以理論學(xué)習(xí)為主，培養(yǎng)學(xué)生用多函數(shù)、多文件組織程序的思維習(xí)慣，為今后的后繼課程學(xué)習(xí)和實(shí)際工作打下良好基礎(chǔ)。

3結(jié)束語(yǔ)

本文將學(xué)習(xí)者畫像和聚類技術(shù)引入到教育領(lǐng)域中，為個(gè)性化教學(xué)學(xué)生群體組建和教學(xué)模式改革提供了一種新穎、可操作性較強(qiáng)的技術(shù)手段。營(yíng)造開放的教學(xué)環(huán)境，把學(xué)習(xí)的主動(dòng)性交給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)和探究，使學(xué)生真正成為課堂的主人；同時(shí)實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)，充分調(diào)動(dòng)和激發(fā)教與學(xué)兩個(gè)積極性。在下一步研究工作中，將繼續(xù)將畫像技術(shù)引入到教師群體中，通過獲取教師專業(yè)特質(zhì)、擅長(zhǎng)的授課模式、行為，達(dá)到師生配置最優(yōu)化目的。