基于云開發(fā)的高中生物個性化答題推送系統(tǒng)設計

蔡宇森 黃映玲

摘要：作者以高中生物為例利用云開發(fā)技術構建了一套個性化答題推送系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)學生的答題，分析學生的學習水平與知識狀態(tài)，自動推送適合的題目幫助學生鞏固和提高學習效果；同時，系統(tǒng)還生成可視化的學習報表，為學生構建個性化的學習路徑提供依據(jù)。對于教師來說，學習報表能讓其更好地了解學生的學習狀況，進而調(diào)整教學方法和策略，提高班級整體的學習效率。

關鍵詞：學習分析；云開發(fā)；答題系統(tǒng)；智能推送

中圖分類號：G625.5? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）02-0083-05

在教學中，考試一直是檢驗學生認識水平最直接的方法，也是教師收集學生學習效果最有效的途徑。然而傳統(tǒng)教育中的“題海戰(zhàn)術”并不能及時反饋學習效果，且難以滿足學生的個性化需求。[1]因此，筆者提出借助云計算等技術構建答題推送系統(tǒng)，通過分析處理學生的學習數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學生的知識狀態(tài)，從而構建個性化學習路徑，這樣不僅有助于教師調(diào)整教學方法與策略，而且有助于促進學生的個性化學習，提升學習效率。[2]

研究目的及意義

1.研究目的

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下，由于每個學生都有自己的學習偏好，因此個性化學習也越來越引發(fā)教師的關注。雖然當前各種在線學習平臺眾多，但這些平臺多是分析學習者使用在線學習平臺的學習習慣數(shù)據(jù)，不是針對學習者掌握知識的狀態(tài)進行分析，對學習者的學習效果提升幫助不大。[3]而個性化的答題系統(tǒng)能監(jiān)測和分析學生的答題情況，推斷學生的學習狀態(tài)，幫助學生進一步了解自身的學習情況，進而為學生提供相應的學習服務，這種個性化的學習服務可以幫助學生更好地學習，從而提高學習效果。同時，教師通過報表可以及時了解班級的學習情況，從而制訂更加科學和有效的教學方案。

2.研究意義

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是當前教育轉(zhuǎn)型的主要方向，數(shù)字化學習評價無疑是教學研究的熱點。借助云計算和大數(shù)據(jù)思維，基于云函數(shù)和云數(shù)據(jù)庫開發(fā)一套個性化答題推送系統(tǒng)，通過測量和診斷學習者的已有水平，收集和分析學習者的學習數(shù)據(jù)，為學習者提供個性化的學習方案，有助于實現(xiàn)教育個性化，也能為教育數(shù)字轉(zhuǎn)型研究提供一定的參考。

理論基礎

1.個性化學習

隨著國內(nèi)對個性化學習推薦系統(tǒng)的研究的深入，個性化學習系統(tǒng)的研究與設計朝著多元的方向發(fā)展。例如，牟智佳在研究中闡述了數(shù)據(jù)挖掘技術對個性化學習的支持。武佳佳利用傳統(tǒng)的服務器和數(shù)據(jù)庫開發(fā)了一套C語言個性化學習系統(tǒng)，通過學生學習軌跡，有針對性地為學生出題并推送相關教學視頻。[4]總的來說，個性化學習已經(jīng)進入了移動學習時代，答題系統(tǒng)的開發(fā)與應用通過實時記錄、分析學生在學習中的表現(xiàn)，精準分析他們的學習行為數(shù)據(jù)，充分考慮每位學生的學習差異，并根據(jù)這些差異為每位學生選擇相應的資源，設計不同的策略和教學活動，以提高他們的學習效率，同時，為每位學生推薦適合的學習路徑，以實現(xiàn)“因需導學”。[5]

2.學習分析

學習分析是近幾年的研究熱點，但是在學術界至今對“學習分析”沒有一個具體而明確的定義，不同的專家學者和組織機構對學習分析的含義都有著不同的理解。首屆學習分析技術與知識國際會議對“學習分析”給出的定義為“收集、測量、分析、報告與學習者以及學習情境有關的數(shù)據(jù)集，來理解、優(yōu)化學習與其發(fā)生情景”。[6]顧小清認為，“學習分析技術是測量、收集、分析和報告有關學生的學習行為以及學習環(huán)境的數(shù)據(jù)，用以理解和優(yōu)化學習及其產(chǎn)生的環(huán)境的技術”。[7]學習分析雖然在定義上有所不同，但不同的定義在本質(zhì)上都認為學習分析是指通過利用一些比較先進的方法工具來推算、判斷學習者通過進行學習活動得到的學習成果所出現(xiàn)的問題，同時優(yōu)化學習效果的一類教學技術的集合。學習分析是實現(xiàn)個性化學習的前提和基礎，而通過分析學習者在測試題目上的反應可推知其知識狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)學習者存在的認知缺陷，為有針對性地開展補救學習提供依據(jù)，促進學習效率的提高。[8]

個性化答題推送系統(tǒng)的需求分析與設計

1.需求分析

目前，國內(nèi)針對中小學的考試系統(tǒng)主要是對接升學的學習內(nèi)容，可分為離線類題庫和在線類題庫。離線類題庫是將成套的試題錄入數(shù)據(jù)庫，學生無需擁有個人賬號，直接進入即可進行選擇刷題，有解析功能，有對錯判斷功能，相當于傳統(tǒng)題庫的電子化，學生一旦退出軟件就會恢復到系統(tǒng)的初始狀態(tài)，這種題庫不能實現(xiàn)個性化學習。在線類題庫是錄入學生的個人信息，記錄學生的學習路徑，對學生的作答進行統(tǒng)計，對錯題歸納呈現(xiàn)解析并推薦相應的學習資源，做到真正意義上的個性化練習。一方面，學生希望借助智能技術檢測自身的學習問題，當對某個知識點掌握不夠扎實時，系統(tǒng)能自動推送符合其認識水平和知識狀態(tài)的練習題，使其開展個性化的補救學習，提高學習效率；另一方面，教師迫切需要借助人工智能技術了解學生個體的學習情況和班級整體的知識點掌握情況，為每個人提供最適合的學習內(nèi)容和學習節(jié)奏。隨著生活和學習節(jié)奏的加快，碎片化學習和移動學習已成為常態(tài)，基于云開發(fā)的個性化答題推送系統(tǒng)為學生的“學”和教師的“教”提供了極大的便利——學生能借助移動工具隨時隨地檢測自身的學習問題，最大限度地發(fā)揮主觀能動性，有助于增強學習自主性；教師可根據(jù)不同學生的學習狀況，有針對性地提供個性化學習輔助方案，有利于拓展教學思路。

2.系統(tǒng)框架與流程設計

根據(jù)對使用需求的分析，筆者將基于手機端的高中生物個性化答題推送系統(tǒng)的框架分為教師和學生兩大部分，其中教師部分有題目處理和教師報表兩個功能，學生部分有選項分析、題目推送、學生報表三個功能。教師在系統(tǒng)中上傳各知識點對應的題目及答案；學生利用系統(tǒng)自行答題，完成答題后可隨時調(diào)閱答案解析。同時，系統(tǒng)將根據(jù)學生的錯題選項自動生成分析，并推送同類型的題目，此外，還會分類整理學生的錯題及錯題分析，儲存在數(shù)據(jù)庫中，并對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行加工，將加工后的數(shù)據(jù)整理成學生報表和班級總體報表，再分別推送給教師和學生。學生根據(jù)報表分析自己的知識短板，調(diào)整自己努力的方向；教師根據(jù)學生報表給予學生個性化的指導，并根據(jù)全班報表調(diào)整教學進度與策略。

系統(tǒng)的流程設計如上頁圖1所示。首先，開發(fā)者會分類處理教師提供的題目，對選項進行分析標記，并將處理好的題目及選項放入系統(tǒng)中。其次，學生進入系統(tǒng)進行初步答題并查看題目解析，系統(tǒng)根據(jù)學生初步答題的情況分析學生的畫像，并給予學生初步的推送力度。再次，在學生完成初步答題后，系統(tǒng)將根據(jù)學生現(xiàn)有的推送力度進行抽題及推送，學生收到推送的題目，完成答題及查看解析，之后系統(tǒng)將根據(jù)學生的答題情況更新推送力度，方便下一次的推送。同時，當學生完成答題后，系統(tǒng)將依據(jù)學生的答題軌跡為學生和教師生成答題報表，供學生和教師查看。

3.系統(tǒng)主要功能設計

（1）答辯選項分析

答辯選項分析是指系統(tǒng)答辯選項分析功能。例如，一道選擇題中有四個選項，其中A為正確選項，B、C、D為錯誤選項。甲學生選B，乙學生選C，甲與乙都選擇了錯誤的選項，都有知識點理解不到位問題，但甲與乙選擇了不同的選項，因此知識點缺陷也存在不同。本功能就是針對這一情況，通過對不同選項進行不同的分析，從而更加有針對性地輔助學生的學習。

（2）題目推送

題目推送是指根據(jù)學生總體的做題情況，為學生推送題目。系統(tǒng)將根據(jù)題目所屬的知識點對題目進行分類，當學生進行某道題的作答時，若該題回答正確，系統(tǒng)則會自動識別該題所屬知識點，并減少該知識點類型題目的推送力度，若該題回答錯誤，系統(tǒng)也會自動識別該題所屬知識點，并增加該知識點類型題目的推送力度。該功能可以根據(jù)學生的薄弱知識點來推送題目，從而幫助學生更加高效且有針對性地學習。

（3）學生報表

學生報表是指根據(jù)學生的做題情況生成的報表，報表的模塊有知識點掌握情況、推送力度、各類型題目正確率、錯題和收藏題等。系統(tǒng)根據(jù)學生錯題的具體選項得出薄弱能力分析，并且根據(jù)分析結果給出提升建議。通過報表學生可以更好地了解自己對知識的掌握情況，并且可以及時回顧題目。

（4）教師報表

教師報表是指根據(jù)班級的整體情況和學生的個體情況為教師生成報表。班級總體情況分為班級綜合知識點掌握情況和班級綜合推送力度兩個小模塊；教師可以在學生個體情況中查看每位學生的報表。這樣教師既可以快速了解班級的整體情況，也可以了解學生個體情況，從而給予學生更加有針對性的指導，促進學生的全面發(fā)展和個性發(fā)展。

個性化學習系統(tǒng)功能實現(xiàn)與效果

1.基于云開發(fā)

本項目基于騰訊云進行開發(fā)，采用“云函數(shù)+云數(shù)據(jù)庫”的云開發(fā)模式，在云開發(fā)的視角下，可以借用云函數(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的服務器，相比傳統(tǒng)的服務器，云函數(shù)有更低的開發(fā)成本、更快的上線速度、更穩(wěn)定的服務響應和更高的安全性。同時，由于系統(tǒng)需要存儲處理大量的學生數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)量的增大，云開發(fā)系統(tǒng)可以更加有彈性地應對各種突發(fā)情況，快速地進行擴容。[9]

2.系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫開發(fā)

本系統(tǒng)采用騰訊云數(shù)據(jù)庫中的MySQL云數(shù)據(jù)庫，按照需求設立了四個數(shù)據(jù)表，分別為學生信息表、學生答題記錄表、教師信息表、題目表。數(shù)據(jù)庫ER關系圖如上頁圖2所示。

（1）學生信息表

學生信息表用于記錄學生的基本信息，在學生關注系統(tǒng)公眾號時，公眾號會自動為學生生成一個唯一標識的UID，學生只需要為自己取一個昵稱即可。

（2）學生答題記錄表

學生答題記錄表用于記錄學生的答題軌跡和學生的答題數(shù)據(jù)，可用于計算對每一位學生的推送力度以及學生的答題分析。學生可以通過自己設定的用戶名和系統(tǒng)發(fā)送給學生的驗證碼登入查看報表。以高中生物為例，生成學生答題與推送力度效果如圖3所示。根據(jù)學生的答題情況進行能力分析，錯題和收藏題效果如圖4所示。

（3）教師信息表

教師信息表是用于教師登錄系統(tǒng)查看學生答題情況的數(shù)據(jù)表。例如，高中生物答題系統(tǒng)生成的教師報表效果圖如下頁圖5所示。

（4）題目表

題目表用于記錄題目的數(shù)據(jù)，其中包括題目題號、題目類別、題目答案、題目解析、選項對應的能力等。

3.推送算法的開發(fā)

推送算法是指通過學生的答題情況，動態(tài)調(diào)整題目推送的優(yōu)先級，從而更好地給學生推送易錯題的算法。該算法首先將題目分為A、B、C三類，并將數(shù)據(jù)庫中的學生答題記錄表中的ATS、BTS、CTS字段賦初值為1。接著系統(tǒng)會強制推送給學生三道不同類型的題目，用于初步檢驗學生的學習情況。如果學生答對了，不做處理，如果學生答錯了，會將該類型題目的推送參數(shù)加1。在學生完成前三道題并且繼續(xù)答題時，系統(tǒng)會根據(jù)學生的ATS、BTS、CTS字段的值，構建一個題目鏈表，以保證推送題目的類型與推送力度之間的關系。具體而言，系統(tǒng)會將A類題目加入鏈表的數(shù)量設置為ATS字段的值，將B類題目加入鏈表的數(shù)量設置為BTS字段的值，將C類題目加入鏈表的數(shù)量設置為CTS字段的值。然后，系統(tǒng)會從該鏈表中隨機抽取一道題目，發(fā)送給學生。當學生答對一道題目時，該類型的題目所對應的推送力度會減1。當學生答錯一道題目時，對應類型的推送力度會加1，以保證該類型的題目在后續(xù)的推送中得到更高的優(yōu)先級。同時，系統(tǒng)會通過檢查來保證推送力度大于等于1，如果推送力度等于1，學生即使做錯題，該推送參數(shù)也不會減小，從而保證該類型的題目仍有一定的概率被推送給學生。

研究的不足及展望

基于云函數(shù)和云數(shù)據(jù)庫的智能化答題推送系統(tǒng)通過對學生的答題情況進行監(jiān)測和分析，精準地推斷了學生的知識掌握情況和缺陷分析，并生成可視化的學習報表，使學生通過報表可以更好地了解自己的知識水平與不足，從而為學生提供更加個性化的學習服務。同時，系統(tǒng)教師表幫助教師更加準確地掌握班級學習情況，及時調(diào)整教學策略。然而，該系統(tǒng)目前還存在一些不足之處，如為了使推送算法更加準確，需要對題目進行分類和對選項進行處理，但前期過多依賴一線教師對學科的題庫進行分類。[10]另外，系統(tǒng)目前的題目數(shù)量還不夠，而如果學生在系統(tǒng)中的答題量過少，系統(tǒng)就無法準確推斷學生的學習狀態(tài)，從而影響個性化學習服務的質(zhì)量。但總體而言，智能化答題系統(tǒng)為實現(xiàn)個性化學習提供了可能，讓“量身定制”學習成為現(xiàn)實。

參考文獻：

[1]謝春玲，孫海.淺析“題海戰(zhàn)術”對高中生數(shù)學思維的負面影響[J].數(shù)學學習與研究，2019（16）：128.

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[5]袁振國.教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型：轉(zhuǎn)什么，怎么轉(zhuǎn)[J].華東師范大學學報：教育科學版，2023（03）：24-30.

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[8]葉海智，楊柳，黃宏濤，等.面向認知診斷的能力等級自適應試題推送模型構建及應用[J].中國電化教育，2019（11）：93-98.

[9]呂翠蓮.作業(yè)輔導微信小程序的開發(fā)及教學應用研究[D].昆明：云南大學，2020.

[10]姚舒，鄒小新，朱巧瑩.TPACK理論下生物模擬實驗的信息化思考[J].中國信息技術教育，2023（13）：68-71.

作者簡介：蔡宇森（2001—），男，漢族，廣東深圳人，研究方向為學習分析、創(chuàng)客教育；黃映玲（1969—），通訊作者，女，漢族，廣東潮州人，教授，研究方向為教育信息化、教師專業(yè)發(fā)展、創(chuàng)客教育。

基金項目：2019年廣東省重點學科課題“區(qū)域特色中小學創(chuàng)客教育課程開發(fā)與實踐路徑研究”（編號：2019-GDXK-0034）；2020年韓山師范學院校級科研課題“粵東中小學信息技術類創(chuàng)客課程共建共享機制研究”（編號：XS202011）。