系統(tǒng)聚類法在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析中的應(yīng)用研究

王全亮+張月芬

摘 要：網(wǎng)絡(luò)對人類的學(xué)習(xí)方式已經(jīng)產(chǎn)生了巨大影響，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)在今后的教育變革中將會是一個必然的趨勢。盡管網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)地位日趨顯赫，但網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)也將同時面臨種種問題和挑戰(zhàn)。如何針對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為相關(guān)數(shù)據(jù)有效地開展網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析就是目前面臨的一大挑戰(zhàn)，本研究從統(tǒng)計學(xué)角度，提出將系統(tǒng)聚類分析方法運用在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析上，以期挑選出具有相似學(xué)習(xí)行為特征的學(xué)習(xí)者，為開展個性化教學(xué)和協(xié)作式教學(xué)提供充分的依據(jù)，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)更好的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)；統(tǒng)計學(xué)；系統(tǒng)聚類分析；網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2016）08-0090-04

習(xí)近平主席2015年在致國際教育信息化大會的賀信中明確提出推動教育變革和創(chuàng)新并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個性化、終身化的教育體系是人類共同面臨的重大課題[1]。伴隨互聯(lián)網(wǎng)、云計算以及大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段對人類思維和學(xué)習(xí)方式的影響，網(wǎng)絡(luò)化、個性化的數(shù)字化學(xué)習(xí)方式在今后的教育變革中將會是一個必然的趨勢。盡管網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)地位日益得到重視，但網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)也面臨著難以實時掌握學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況的困境，教師也就不能針對性地為學(xué)習(xí)者提供個性化服務(wù)干預(yù)，也無法真正地促進(jìn)教與學(xué)。本研究旨在解決網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中遇到的以上問題，針對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中學(xué)習(xí)者的相關(guān)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘并展開網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析，從統(tǒng)計學(xué)視角提出系統(tǒng)聚類分析方法，根據(jù)不同學(xué)習(xí)者的相似特性對學(xué)習(xí)者進(jìn)行聚類分析，最終分析出具有相似學(xué)習(xí)行為的學(xué)習(xí)者，為教師開展個性化教學(xué)以及協(xié)作式學(xué)習(xí)和研究型學(xué)習(xí)小組的劃分提供依據(jù)，以期促進(jìn)個性化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)更好的發(fā)展。

一、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的界定，不同研究學(xué)者對其有不同的理解，彭文輝等對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為做出以下定義：網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為是指學(xué)習(xí)者在由現(xiàn)代信息技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的、具有全新溝通機(jī)制與豐富資源的學(xué)習(xí)環(huán)境中開展的遠(yuǎn)程自主學(xué)習(xí)行為。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為活動主要依靠學(xué)習(xí)者自己控制，以學(xué)習(xí)者具備一定的信息技術(shù)能力為前提，同時受學(xué)習(xí)者內(nèi)部心理因素和外部環(huán)境因素共同影響，通過充分利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)和教學(xué)的一種活動[2]。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下發(fā)生完成，由學(xué)習(xí)者利用計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自我控制、自主學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自身內(nèi)部條件和外部環(huán)境條件來自行決定學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)時長、學(xué)習(xí)頻次、參與互動頻次以及完成作業(yè)情況等。為促使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能夠真正實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)，我們需要對學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘和分析，以學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)時長、學(xué)習(xí)頻次、參與互動頻次以及完成作業(yè)情況等為衡量指標(biāo)，展開對學(xué)習(xí)者網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的分析，以期促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)更好地實現(xiàn)個性化發(fā)展。

二、系統(tǒng)聚類分析法

“物以類聚，人以群分”，為了進(jìn)一步認(rèn)識和研究對象，我們往往需要將事物按照各種屬性和特征分成若干類別。聚類就是按照事物之間的相似性將其區(qū)分并加以分類，聚類分析是一種對事物對象進(jìn)行定量分類的探索性多元統(tǒng)計分析方法。聚類分析一般常用來找出具有相似性質(zhì)的一類群組，首先必須明確其興趣特點，確定一個有效的衡量對象主題之間相似性和距離的措施，然后再選擇一個能夠?qū)€體進(jìn)行聚集并定義集群的算法[3]。

聚類分析方法經(jīng)過長時間發(fā)展，已經(jīng)逐漸形成了一套完整的方法體系。在聚類分析方法體系中，有比較經(jīng)典的非層次聚類分析法和層次聚類分析法，以及近年來發(fā)展的一系列智能聚類分析方法，在如此眾多的聚類方法中挑選出一種適合的聚類分析方法就顯得尤為重要。聚類分析是一種探索性數(shù)據(jù)分析方法，針對不同的數(shù)據(jù)就有不同的適用方法，可以從聚類對象的類型、聚類的數(shù)據(jù)量的多少以及聚類的變量類型等角度考慮聚類分析方法的最佳選擇[4]。鑒于本研究是針對云南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息中心現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)25名碩士生的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為進(jìn)行聚類分析，綜合考慮以上各種因素，本研究采用最為適合的系統(tǒng)聚類分析方法。

1.系統(tǒng)聚類分析概述

系統(tǒng)聚類分析方法就是根據(jù)樣本之間的距離對樣本進(jìn)行分類的聚類方法[5]。系統(tǒng)聚類法根據(jù)其類與類之間距離的計算方法不同可以分為最短距離法、最長距離法、中間距離法、重心法、類平均法、可變類平均法、可變法以及離差平方和法。在眾多方法中，與類平均法相比較，最短距離法、重心法使空間濃縮，最長距離法、離差平方和法使空間擴(kuò)張。過于濃縮的方法不夠靈敏，過于擴(kuò)張的方法容易失真。類平均法既不太濃縮又不過于擴(kuò)張，顯得比較適中且聚類效果更好[6]。本研究采用類平均法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

2.系統(tǒng)聚類分析過程

系統(tǒng)聚類分析法的基本思路是，首先將n個需要聚類的樣本（或m個指標(biāo)變量）均各自劃分成一類，然后規(guī)定并計算樣本間的距離（或變量間的相似系數(shù)）以及類與類之間的距離（或相似系數(shù)）。初始狀態(tài)下，每個樣本（或變量）即為一類，此時類之間的距離（或相似系數(shù)）和樣本之間的距離（或變量間相似系數(shù)）是等價的。接下來合并距離最小的兩類（或相似系數(shù)最大的兩類）為一新類，并計算新類與當(dāng)前其它各類之間的距離（或相似系數(shù)），構(gòu)成新的距離（或相似系數(shù)）矩陣，再次將距離最小的兩類（或相似系數(shù)最大的兩類）合并成新類。每進(jìn)行一次合并，類就相應(yīng)的減少一個，如此重復(fù)并類，直至達(dá)到所有樣本均合并為一類為止[7]。系統(tǒng)聚類分析流程見圖1。

由圖1可知，在系統(tǒng)聚類分析過程中，需要規(guī)定樣本間距離，本研究采用的樣本間距離是歐式距離（二階Minkowski距離），歐式距離是空間中兩個樣本點（如樣本點i和j）在m維指標(biāo)變量上差值平方和的平方根，其計算過程中運用了空間點上所有的數(shù)據(jù)信息，因此反應(yīng)靈敏，是聚類分析中較為常用的距離，其計算公式可以表示為：

系統(tǒng)聚類分析中，各類之間的距離采用的是類平均法（組間聯(lián)接法），其聚類效果表現(xiàn)最為優(yōu)異。類平均法是用兩個類別間各數(shù)據(jù)點兩兩之間的平均平方距離來表示兩類間距離的平方，其公式可以表示為：

如果類Gp和類Gq合并成新類Gr={Gp，Gq}，并且nr=np+nq，則任意類Gk與新類Gr距離公式為：

反復(fù)重復(fù)系統(tǒng)聚類分析流程圖中的步驟5和步驟6，最后判斷并類后的最終類的個數(shù)是否為1，達(dá)到所有樣本最終歸為一類即終止本次聚類并繪制聚類譜系圖，然后決定本次聚類后的分類個數(shù)及各類成員。

三、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析中系統(tǒng)聚類分析法的應(yīng)用

基于網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)，可以實現(xiàn)全面記錄、跟蹤、掌握和可視化學(xué)習(xí)者的不同學(xué)習(xí)特點、學(xué)習(xí)需求、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)行為，為不同的學(xué)習(xí)者建立學(xué)習(xí)模型并為不同類型的學(xué)習(xí)者打造個性化的學(xué)習(xí)路徑，做到因材施教，以實現(xiàn)真正的個性化教學(xué)[8]。本研究旨在通過收集網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中與學(xué)習(xí)者相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，進(jìn)而展開對學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析，并通過系統(tǒng)聚類分析方法找出具有相似學(xué)習(xí)行為習(xí)慣的學(xué)習(xí)者，以便為教師開展個性化教學(xué)和協(xié)作式教學(xué)小組的劃分提供依據(jù)。接下來本文將結(jié)合一個實際案例分析來詳細(xì)說明在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析中如何來運用系統(tǒng)聚類分析方法展開分析研究。

1.案例介紹

為了更進(jìn)一步說明系統(tǒng)聚類分析方法是如何在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析中加以應(yīng)用的，研究采用實際案例分析的方法來進(jìn)行相關(guān)的闡述和說明。本文借鑒前期的相關(guān)研究工作，選取云南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)綜合教學(xué)平臺中現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)25個碩士研究生的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)作為案例分析的數(shù)據(jù)來源，為了能夠收集到更加具體的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，本研究僅選擇這25個學(xué)生在《教學(xué)過程與資源評價技術(shù)》這門課程中的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，首先在Excel中對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到IBM SPSS Statistics 19軟件中進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，最終根據(jù)聚類分析的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)解釋，以期更加清晰地闡述系統(tǒng)聚類分析方法在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析中的應(yīng)用。

2.數(shù)據(jù)分析

（1）數(shù)據(jù)提取

在云南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺數(shù)據(jù)庫中收集到現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)25名碩士研究生針對《教學(xué)過程與資源評價技術(shù)》進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的相關(guān)數(shù)據(jù)，所涉及到的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)包括學(xué)習(xí)者平臺登錄頻數(shù)、進(jìn)入課程頻次、課程討論區(qū)交互頻次、閱讀課程通知頻次、閱讀課程教學(xué)材料頻次、上交課程作業(yè)頻次以及在線學(xué)習(xí)時長等，在Excel中對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和預(yù)處理，以便提取對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析有顯著作用的數(shù)據(jù)，為后續(xù)進(jìn)一步系統(tǒng)聚類分析提供數(shù)據(jù)源。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺中關(guān)于學(xué)習(xí)者網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為相關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)處理結(jié)果見表1。

（2）聚類結(jié)果分析

在IBM SPSS Statistics 19軟件中導(dǎo)入經(jīng)Excel表格預(yù)處理的數(shù)據(jù)，以“平臺登錄頻次”、“進(jìn)入課程頻次”、“課程討論區(qū)交互頻次”、“閱讀課程通知頻次”、“閱讀課程教學(xué)材料頻次”、“上交課程作業(yè)頻次”、“在線學(xué)習(xí)時長”為聚類分析的目標(biāo)變量，由于本研究采用的是SPSS軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，需要對原始目標(biāo)變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，選擇的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是Z scores，聚類方法選擇類平均法，計算距離選擇的是歐式距離。聚類過程的結(jié)果見圖2。

由圖2可知，聚類過程的結(jié)果圖是對每一階段聚類結(jié)果的反映。在圖2的基礎(chǔ)上，可以繪制出聚合系數(shù)（Coefficients）隨分類數(shù)變化的曲線圖，如圖3所示。

在系統(tǒng)聚類過程中，優(yōu)先把距離小的兩類進(jìn)行合并，因此在合并類的過程中聚合系數(shù)（Coefficients）呈現(xiàn)出遞增趨勢。聚合系數(shù)越小，表明合并的兩類之間的相似程度越大；聚合系數(shù)越大，說明兩類之間的差異性就越大。針對分類數(shù)的確定，可以在聚合系數(shù)隨分類數(shù)變化曲線圖中曲線開始變得平緩的點選擇合適的分類數(shù)[6]。由圖3可以得知，當(dāng)分類數(shù)為3或4的時候，聚合系數(shù)曲線變得比較平緩，說明可以按照學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為習(xí)慣的異同將25個碩士研究生分成3類。

經(jīng)過系統(tǒng)聚類后，相應(yīng)地會生成聚類譜系圖（亦叫樹狀聚類圖），但其本身并沒有具備對樣本進(jìn)行分類的功能，而是通過反映樣本之間親疏關(guān)系的并類過程來為樣本最終的分類提供依據(jù)。聚類譜系圖如圖4所示。

由圖4可以得知，根據(jù)分類個數(shù)可以得出分類詳情。根據(jù)聚合系數(shù)隨分類數(shù)變化的曲線圖，最終選擇分類數(shù)為3，根據(jù)圖4可以選擇從距離大概為15的地方進(jìn)行類的劃分，得到的分類詳情結(jié)果如下：{1：Student4，Student7}；{2：Student2，Student8，Student11}；{3：Student1，Student3，Student5，Student6，Student9，Student10，Student12，Student13，Student14，Student15，Student16，Student17，Student18，Student19，Student20，Student21，Student22，Student23，Student24，Student25}。如果從網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的活躍度視角來考慮所做的分類的話，那么第一類的兩個學(xué)習(xí)者就應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為較為活躍的群體，第二類的三個學(xué)習(xí)者就應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為活躍度較為適中的群體，第三類的二十個學(xué)習(xí)者就應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為較為不活躍的群體，并且每一類群體中學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為習(xí)慣較為相似。從不同的角度來分析網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的系統(tǒng)聚類結(jié)果，則會有不同角度的理解。如果從網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)能力的強(qiáng)弱角度做分類的話，那么第一類的兩個學(xué)習(xí)者就應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力比較強(qiáng)的群體，第二類的三個學(xué)習(xí)者就應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力較為一般的群體，第三類的二十個學(xué)習(xí)者就應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力較弱的群體，并且不同類別的學(xué)習(xí)群體中每個學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力均較為相似。教學(xué)過程與資源評價技術(shù)這門課程的任課教師可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的系統(tǒng)聚類分析的結(jié)果，將針對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為活躍度不同的學(xué)習(xí)群體來合理安排教學(xué)策略。針對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為較為不活躍的學(xué)習(xí)群體，教師可以采取相應(yīng)的措施來激勵這部分學(xué)習(xí)群體開展網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，同時還得注意需要維持網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為活躍度較強(qiáng)的學(xué)習(xí)群體的學(xué)習(xí)積極性，充分高效地為教師采取正確的教學(xué)策略提供指導(dǎo)。針對具備不同網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力的學(xué)習(xí)群體，教師可以充分考慮不同學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力情況，充分利用不同學(xué)習(xí)群體中每個學(xué)習(xí)者網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力的差異，然后可以合理安排協(xié)作式學(xué)習(xí)并科學(xué)地劃分出協(xié)作式學(xué)習(xí)小組，充分利用群體中每個學(xué)習(xí)者的優(yōu)勢開展個性化的協(xié)作式學(xué)習(xí)，為教學(xué)決策者高效安排科學(xué)合理的教學(xué)策略奠定基礎(chǔ)?？傊?，無論選取什么角度分析網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的系統(tǒng)聚類結(jié)果，均可以為實施個性化教學(xué)以及協(xié)作式教學(xué)小組的劃分提供一定依據(jù)。本研究由于選取的實驗樣本數(shù)據(jù)有限，故系統(tǒng)聚類分析方法在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析中的應(yīng)用研究還需要進(jìn)一步廣泛的實驗驗證，以確保其準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

四、結(jié)束語

隨著在線學(xué)習(xí)的地位日益提高，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)在未來很有可能會發(fā)展成為一種主流學(xué)習(xí)模式，伴隨網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模式的廣泛推廣和使用，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)也將面臨著種種問題，那么網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中所記錄的有關(guān)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為的數(shù)據(jù)能否幫助解決學(xué)習(xí)者在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中面臨的一些問題呢？這些問題都是值得我們?nèi)ニ伎疾⑦M(jìn)一步研究解決的。本文就如何促進(jìn)個性化教學(xué)和協(xié)作式教學(xué)的發(fā)展問題給出了一種網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析的方法，將系統(tǒng)聚類分析方法運用在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析上，以期能夠幫助解決網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中面臨的一些問題，最終促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]習(xí)近平.習(xí)近平致國際教育信息化大會的賀信[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_176/201505/187832.html.

[2]彭文輝，楊宗凱，黃克斌.網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析及其模型研究[J].中國電化教育，2006（10）：31-35.

[3]Julia Y. K. Chan， Christopher F. Bauer.Identifying At-Risk Students in General Chemistry via Cluster Analysis of Affective Characteristics[J].Chemical Education Research， 2014，91（9）： 1417-1425.

[4]張文彤，董偉. SPSS統(tǒng)計分析高級教程（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2013：305-306.

[5]李玉葉，胡靜波.利用系統(tǒng)聚類分析方法研究內(nèi)蒙古各行業(yè)就業(yè)形勢[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（2）：99-101，173.

[6]何曉群.多元統(tǒng)計分析（第四版）[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2015：59-61.

[7]王孝玲.教育統(tǒng)計學(xué)（第五版）[M].上海： 華東師范大學(xué)出版社，2015：268-269.

[8]姜強(qiáng)，趙蔚，等.基于大數(shù)據(jù)的個性化自適應(yīng)在線學(xué)習(xí)分析模型及實現(xiàn)[J].中國電化教育，2015（1）：85-92.

（編輯：魯利瑞）