基于Python語言的個性化教學(xué)效果分析系統(tǒng)的設(shè)計

關(guān)鍵詞：Python語言；數(shù)據(jù)分析；個性化教學(xué)；教學(xué)效果分析

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）28-0040-04

0 引言

在當(dāng)今教育領(lǐng)域，高校每天都會產(chǎn)生海量教學(xué)數(shù)據(jù)，涵蓋學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、課程資源數(shù)據(jù)和教師教學(xué)數(shù)據(jù)等方面。隨著數(shù)據(jù)量的激增，如何利用科學(xué)的數(shù)據(jù)分析方法，精準(zhǔn)地解析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)成效，科學(xué)地評估課程教學(xué)效果和質(zhì)量，實現(xiàn)教學(xué)資源的精準(zhǔn)匹配和高效利用，已成為教育領(lǐng)域亟待解決的核心問題。目前，關(guān)于個性化教學(xué)的研究成果主要集中在教學(xué)模式、方法和管理等方面。例如，石礫[1]對高校英語課程的個性化教學(xué)實踐進(jìn)行了研究，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)了解學(xué)生和學(xué)情，設(shè)計個性化的教學(xué)模式開展分層教學(xué)。歐陽波儀等人[2]提出職業(yè)院校個性化教學(xué)應(yīng)當(dāng)重構(gòu)教學(xué)生態(tài)，轉(zhuǎn)變教學(xué)關(guān)系，再造教學(xué)模型。張科麗等人[3]建議高職院校通過制定個性化的學(xué)習(xí)方案、提供多樣化的資源設(shè)備、開展個性化的教學(xué)活動等措施實施個性化教學(xué)管理。余淑珍等人[4]從情感計算研究現(xiàn)狀出發(fā)剖析其在賦能個性化教學(xué)中面臨的問題。然而，基于教學(xué)效果分析系統(tǒng)有針對性地進(jìn)行個性化教學(xué)的研究還比較少。因此，本文設(shè)計了一種基于Python語言的個性化教學(xué)效果分析系統(tǒng)，利用Python數(shù)據(jù)分析技術(shù)，旨在為教師提供科學(xué)、精準(zhǔn)的教學(xué)支持，優(yōu)化教學(xué)策略，滿足學(xué)生個性化需求，從而進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

1 系統(tǒng)的需求分析

從海量的教學(xué)數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的教學(xué)分析結(jié)果是未來教育發(fā)展的必然趨勢。教學(xué)數(shù)據(jù)的海量積累為個性化教學(xué)提供了豐富的資源，但如何從這些數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，切實提升教學(xué)質(zhì)量，是開發(fā)個性化教學(xué)效果分析系統(tǒng)的迫切需求。該系統(tǒng)需要全面收集與教學(xué)效果相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，包括學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、課程知識點、作業(yè)完成情況、課堂參與度和學(xué)習(xí)行為等。系統(tǒng)應(yīng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，能夠基于學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和知識掌握情況，為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)建議和學(xué)習(xí)資源推薦；能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)分析結(jié)果和課程的教學(xué)分析結(jié)果，輔助教師調(diào)整教學(xué)策略，實現(xiàn)個性化教學(xué)，提升課程教學(xué)質(zhì)量；能夠基于課程分析結(jié)果，輔助專業(yè)負(fù)責(zé)人調(diào)整專業(yè)整改方案，提升專業(yè)建設(shè)質(zhì)量。該系統(tǒng)通過全面收集教學(xué)數(shù)據(jù)，深度分析學(xué)習(xí)行為，提供個性化的學(xué)習(xí)建議和教師支持服務(wù)，將為提升教學(xué)質(zhì)量提供有力支持，促進(jìn)學(xué)生個性化發(fā)展。

2 系統(tǒng)的設(shè)計思路

2.1 主要相關(guān)技術(shù)

1） Python數(shù)據(jù)分析庫。Python語言借助其強(qiáng)大的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)分析功能，成為人工智能和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域事實上的標(biāo)準(zhǔn)語言[5]。其豐富的社區(qū)資源和活躍的開發(fā)者生態(tài)，為Python的持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)大的動力。Python的數(shù)據(jù)分析技術(shù)棧中，Pandas和NumPy是兩個核心且不可或缺的庫，它們共同為數(shù)據(jù)分析和科學(xué)計算提供了堅實的基礎(chǔ)。Pandas是Python中用于數(shù)據(jù)分析的一個強(qiáng)大而靈活的庫，它提供了快速、簡便且富有表達(dá)力的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要用于處理和分析結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。NumPy是Python科學(xué)計算的基礎(chǔ)庫，它提供了多維數(shù)組對象和這些數(shù)組的操作工具。在數(shù)據(jù)分析中，NumPy常常作為Pandas的底層依賴，用于高效地進(jìn)行數(shù)值計算和數(shù)據(jù)存儲。

2） Vue框架。Vue是一個漸進(jìn)式JavaScript框架，其組件化、響應(yīng)式以及易于集成的特性，非常適合構(gòu)建復(fù)雜且動態(tài)的用戶界面。它采用自底向上的增量開發(fā)方式，使得開發(fā)者能夠輕松地將Vue集成到現(xiàn)有項目中或從頭開始構(gòu)建新的單頁應(yīng)用[6]。無論是小型項目還是大型復(fù)雜應(yīng)用，Vue都能提供高效、可維護(hù)的開發(fā)體驗。Vue社區(qū)活躍，擁有豐富的插件和生態(tài)系統(tǒng)支持。憑借其簡潔的API、靈活的響應(yīng)式系統(tǒng)以及高效的組件化開發(fā)模式，Vue 深受開發(fā)者的喜愛與追捧。

3） ECharts 可視化庫。ECharts 是一款基于Java?Script的開源可視化圖表庫，它提供了豐富的圖表如餅圖、柱狀圖、折線圖、散點圖等，以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化能力。ECharts設(shè)計優(yōu)雅，易于集成到網(wǎng)頁項目中，支持高度自定義配置，能夠靈活適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)展示需求，讓數(shù)據(jù)可視化更加生動、直觀，為數(shù)據(jù)分析和決策制定提供有力支持。

4） Flask框架。Flask是一款基于Python輕量級的Web應(yīng)用框架，它簡潔而強(qiáng)大，提供了構(gòu)建Web應(yīng)用所需的基本工具，如路由、模板渲染和請求處理。Flask的靈活性允許開發(fā)者輕松擴(kuò)展功能，通過集成第三方庫來滿足復(fù)雜需求，以極小的開銷快速搭建Web 應(yīng)用，同時確保代碼結(jié)構(gòu)清晰、易于理解和維護(hù)[7]。因此，F(xiàn)lask成為眾多開發(fā)者在構(gòu)建Web應(yīng)用時的首選框架之一。

5） MySQL數(shù)據(jù)庫。MySQL是一種流行的開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以其高性能、可靠性和易用性著稱，支持大量并發(fā)訪問和復(fù)雜的查詢操作。MySQL 具有數(shù)據(jù)存儲的安全性、可擴(kuò)展性以及高效的查詢效率，為系統(tǒng)提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐，支持多種編程語言和平臺。無論是開發(fā)小型應(yīng)用還是構(gòu)建大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，MySQL都是可靠的數(shù)據(jù)存儲解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的數(shù)據(jù)管理和分析。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)基于Python語言采用主流的前后端分離架構(gòu)模式，利用Vue+ECharts+Flask+MySQL技術(shù)來搭建。前端利用VSCode 工具結(jié)合Vue 框架和ECharts 可視化庫構(gòu)建系統(tǒng)界面。Vue 框架憑借其高效的虛擬DOM技術(shù)，大幅優(yōu)化了頁面渲染流程，確保了系統(tǒng)界面的流暢性與響應(yīng)速度，為用戶帶來了極致的操作體驗。ECharts提供了豐富的圖表類型，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)以直觀、美觀的圖表形式展示出來，能夠靈活展現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、成績分布的詳細(xì)情況、知識點掌握情況等關(guān)鍵信息，為教師直觀展示教學(xué)效果分析數(shù)據(jù)。

后端則利用PyCharm工具搭建Flask框架，對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，將清洗后的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫選用MySQL來存儲和管理數(shù)據(jù)，確保教學(xué)效果分析數(shù)據(jù)的安全存儲與快速訪問。再結(jié)合Pandas、NumPy等庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，制作數(shù)據(jù)接口。前后端通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)行交互，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.3 功能模塊設(shè)計

該系統(tǒng)主要分為五大模塊，用戶登錄、用戶中心、課程分析、專業(yè)分析、“1+X”分析。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計圖如圖2所示。

1） 用戶登錄模塊。該模塊支持學(xué)生、普通教師、專業(yè)負(fù)責(zé)人、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)及管理員等多種角色登錄，每種角色擁有不同的權(quán)限，確保信息訪問的精準(zhǔn)性與安全性，能夠為用戶提供一個穩(wěn)定、可靠的登錄環(huán)境。

2） 用戶中心模塊。該模塊通過集成用戶信息管理、查看學(xué)習(xí)（教學(xué)）數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)（教學(xué)）反饋以及個性化推薦四大功能，為用戶打造了一個全方位、個性化的教學(xué)信息管理與互動平臺。其中，用戶信息管理模塊可以查看并編輯自己的基本信息；查看學(xué)習(xí)（教學(xué)）數(shù)據(jù)模塊可以通過直觀的圖表、報告等形式，讓學(xué)生清晰地看到自己的成績變化、知識點掌握情況等多維度數(shù)據(jù)，教師可以看到自己教學(xué)的學(xué)生數(shù)據(jù)，如某課程的知識點掌握情況、成績分布、學(xué)生學(xué)習(xí)行為等，方便了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，及時調(diào)整教學(xué)策略；學(xué)習(xí)（教學(xué)）反饋模塊為學(xué)生和教師提供個性化的反饋，如知識點掌握情況、作業(yè)完成情況、成績反饋等，幫助學(xué)生識別問題、改進(jìn)學(xué)習(xí)方法并提升學(xué)習(xí)效果，幫助教師識別在教學(xué)中的優(yōu)勢和需要改進(jìn)的地方，不斷提升教學(xué)質(zhì)量和效果；個性化推薦模塊系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，提供個性化的學(xué)習(xí)建議和資源推薦，幫助學(xué)生更好地規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑，提升學(xué)習(xí)效率。對于教師角色，該模塊會根據(jù)教師的課程教學(xué)情況和學(xué)生學(xué)習(xí)行為，為教師提供個性化的教學(xué)建議，從而優(yōu)化教學(xué)策略。

3） 課程分析模塊。課程分析模塊可以按學(xué)期、學(xué)年等維度對課程進(jìn)行分析，主要是對學(xué)生學(xué)習(xí)行為、作業(yè)、知識點、成績進(jìn)行分析。此外，該模塊還能進(jìn)一步對成績與學(xué)習(xí)行為、作業(yè)完成情況以及知識點掌握之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行綜合性的分析，以便生成詳細(xì)的學(xué)生學(xué)習(xí)效果分析報告和課程的教學(xué)效果分析報告。教師可以根據(jù)這些報告來個性化地調(diào)整教學(xué)策略，進(jìn)一步提升課程的教學(xué)質(zhì)量并優(yōu)化教學(xué)效果。

4） 專業(yè)分析模塊。專業(yè)分析模塊可以按學(xué)期、學(xué)年等維度對專業(yè)進(jìn)行分析，主要是對專業(yè)基礎(chǔ)課、核心課和拓展課進(jìn)行分析，生成專業(yè)教學(xué)分析報告，直觀且全面地展示了專業(yè)建設(shè)的成效與特色，為專業(yè)負(fù)責(zé)人及學(xué)院管理層提供了科學(xué)的決策依據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源自網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，獲取的數(shù)據(jù)是外部異構(gòu)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，把異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)存儲到該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，作為數(shù)據(jù)分析的支撐環(huán)境。根據(jù)系統(tǒng)的需求和功能模塊的設(shè)計，數(shù)據(jù)庫中需要的表主要有課程信息表、學(xué)生成績表、學(xué)習(xí)行為表、作業(yè)信息表、知識點信息表、專業(yè)信息表、學(xué)生信息表、教師信息表、“1+X”信息表等。通過主鍵確保每張表中的每一行都可以唯一標(biāo)識，通過外鍵約束方式維護(hù)數(shù)據(jù)間的一致性，確保系統(tǒng)中各表之間的數(shù)據(jù)關(guān)系正確且一致。為節(jié)省篇幅，給出前三張表結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如表1～表3所示。

2.5 界面的設(shè)計

系統(tǒng)首頁采用典型的“T”形布局，上方為導(dǎo)航欄，下方為可視化大屏區(qū)域，首頁界面設(shè)計如圖3所示。界面以教育藍(lán)為主色調(diào)，輔以白色和灰色，營造舒適、專業(yè)的學(xué)習(xí)氛圍。導(dǎo)航欄包含用戶中心、課程分析、專業(yè)分析和“1+X”分析等關(guān)鍵欄目，鼠標(biāo)懸停或點擊時，相應(yīng)欄目會有輕微的動畫效果或顏色變化，提升用戶交互體驗?？梢暬笃翆?fù)雜的教學(xué)數(shù)據(jù)以直觀的圖表展示，例如學(xué)習(xí)行為分析圖、知識點掌握情況、作業(yè)完成概覽和成績分布圖等，方便學(xué)生了解自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也為教師提供精準(zhǔn)的教學(xué)反饋和決策依據(jù)。

在界面設(shè)計中，通過合理布局，用戶能夠迅速且準(zhǔn)確地定位到所需的功能與信息，從而極大地降低操作復(fù)雜度，提升用戶體驗的流暢性。同時，為了進(jìn)一步增強(qiáng)界面的可讀性，運用適當(dāng)?shù)牧舭准记桑行p少視覺上的冗余與干擾，使用戶能夠更加聚焦于關(guān)鍵內(nèi)容。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)使用Python語言采用前后端分離架構(gòu)模式，對個性化教學(xué)效果分析系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。通過該系統(tǒng)將生成學(xué)生學(xué)習(xí)效果分析報告、課程教學(xué)效果分析報告和專業(yè)教學(xué)分析報告。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)效果分析報告可有目的地提高某一知識模塊的職業(yè)技能，并根據(jù)系統(tǒng)的個性化推薦模塊獲得個性化學(xué)習(xí)建議，對學(xué)習(xí)情況進(jìn)行自我診改；教師根據(jù)課程教學(xué)效果報告可有針對性地改進(jìn)教學(xué)策略，對課程教學(xué)進(jìn)行診改；專業(yè)負(fù)責(zé)人和學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)專業(yè)教學(xué)分析報告可對專業(yè)進(jìn)行有效診改。在各系統(tǒng)服務(wù)對象根據(jù)報告診改之后，系統(tǒng)又會生成新的分析報告，可以一直迭代下去，從而達(dá)到逐步提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的。

該系統(tǒng)不僅是對當(dāng)前教育技術(shù)的一次重要實踐，更是對未來智慧教育發(fā)展方向的一次積極探索。后續(xù)將整合來自不同渠道的數(shù)據(jù)源，開發(fā)學(xué)習(xí)路徑智能規(guī)劃模塊，結(jié)合學(xué)生興趣與能力水平，自動生成個性化學(xué)習(xí)路徑。此外，還將利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法，開發(fā)更加復(fù)雜且精確的數(shù)據(jù)分析模型，以挖掘數(shù)據(jù)背后的深層次規(guī)律與關(guān)聯(lián)，為教學(xué)決策提供科學(xué)依據(jù)。