基于深度學(xué)習(xí)的個(gè)性化智能導(dǎo)學(xué)平臺(tái)的研究

◆肖立英 李中旗 文 燦

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基于深度學(xué)習(xí)的個(gè)性化智能導(dǎo)學(xué)平臺(tái)的研究

◆肖立英 李中旗 文 燦

（中南大學(xué)信息與網(wǎng)絡(luò)中心 湖南 410075）

首先對(duì)背景和現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，然后研究和構(gòu)建了一個(gè)個(gè)性化的智能導(dǎo)學(xué)平臺(tái)。通過(guò)智慧校園大數(shù)據(jù)分析獲得用戶(hù)個(gè)性化模型，對(duì)網(wǎng)絡(luò)教育資源進(jìn)行整合建設(shè)導(dǎo)學(xué)知識(shí)庫(kù)，設(shè)計(jì)個(gè)性化導(dǎo)學(xué)策略，最終實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的個(gè)性化智能推送服務(wù)。

智慧校園；大數(shù)據(jù)分析；個(gè)性化導(dǎo)學(xué)；深度學(xué)習(xí)；智能推送

1 背景與研究現(xiàn)狀

2010年，在信息化“十二五”規(guī)劃中，提出“智慧校園”的概念，就是建設(shè)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧化的校園工作、學(xué)習(xí)和生活一體化環(huán)境。這個(gè)一體化環(huán)境以各種應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)為載體，將教學(xué)、科研、管理和校園生活進(jìn)行充分融合。通過(guò)智慧校園實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、融合創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)科研、透明高效的校務(wù)治理、豐富多彩的校園文化、方便周到的校園生活。在此背景下，人們提出了建設(shè)一種“能優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進(jìn)教學(xué)課堂交互開(kāi)展，具有情境感知和環(huán)境管理功能的新型教室”，這種教室被被稱(chēng)為智慧教室。2012年3月，發(fā)布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》，提出“推動(dòng)信息技術(shù)與教育深度融合”;2012、2015年，先后召開(kāi)2次全國(guó)教育信息化工作電視電話(huà)會(huì)議，將教育信息化作為國(guó)家信息化的戰(zhàn)略重點(diǎn)優(yōu)先部署，切實(shí)加快教育信息化進(jìn)程。

人才培養(yǎng)是一個(gè)多序列、多層次、多因素的動(dòng)態(tài)過(guò)程，傳統(tǒng)的教育教學(xué)方式受到傳統(tǒng)理念和教學(xué)環(huán)境的制約，不能充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，學(xué)生缺乏對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)應(yīng)有的思考，不利于高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。

現(xiàn)階段對(duì)個(gè)性化學(xué)習(xí)的理論探索還處在研究階段。建構(gòu)主義、人本主義和多元智能理論為個(gè)性化學(xué)習(xí)提供了豐富的理論指導(dǎo)。深度學(xué)習(xí)理念促使個(gè)性化學(xué)習(xí)過(guò)程的信息加工更加個(gè)性化、有意義和向深層次學(xué)習(xí)發(fā)展。有學(xué)者認(rèn)為，所謂的移動(dòng)終端的個(gè)性化學(xué)習(xí)、個(gè)人學(xué)習(xí)空間等模式，只是為學(xué)習(xí)者提供了系統(tǒng)可支持的多樣的交互模式和相對(duì)自由、自主的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生的課程學(xué)習(xí)、知識(shí)點(diǎn)推送、活動(dòng)參與等還是由授課教師完全控制，無(wú)法彰顯學(xué)生個(gè)體差異。

導(dǎo)學(xué)也還處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，并沒(méi)實(shí)際應(yīng)用到大的教學(xué)場(chǎng)景中。目前的網(wǎng)絡(luò)個(gè)性化學(xué)習(xí)平臺(tái)、導(dǎo)學(xué)平臺(tái)提供了許多便利，但在以學(xué)習(xí)者為中心的服務(wù)理念上還存在不足。同時(shí)，還應(yīng)在支持學(xué)習(xí)的理念上追求深度學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)。因此，需要一種全方位體現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心，提高在線(xiàn)學(xué)習(xí)效率，提升支持服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)習(xí)有效性的個(gè)性化導(dǎo)學(xué)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中還需要考慮提升輔導(dǎo)教師的網(wǎng)絡(luò)及導(dǎo)學(xué)能力，探索各方面的協(xié)同創(chuàng)新，幫助學(xué)生克服網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中的困難，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)等。

網(wǎng)絡(luò)教育資源數(shù)量巨大、種類(lèi)繁多，因此，個(gè)性化導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)需要根據(jù)用戶(hù)偏好和用戶(hù)需求，采取智能化信息技術(shù)策略，即通過(guò)構(gòu)建導(dǎo)學(xué)知識(shí)庫(kù)和個(gè)性化的教育資源推送方法，將相關(guān)用戶(hù)所需的資源推送給用戶(hù)，以促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)。

縱觀現(xiàn)有的研究，現(xiàn)階段比較成熟的個(gè)性化的資源推送方法有基于協(xié)同過(guò)濾的推送、基于內(nèi)容的推送、基于知識(shí)的推送、基于數(shù)據(jù)挖掘的推送和組合推送等?；谥R(shí)的推送不能自我學(xué)習(xí)，難以獲得足夠的知識(shí)構(gòu)建模型；基于內(nèi)容的推送需要資源本身的關(guān)鍵信息，很多資源上傳者在描述資源時(shí)，只是簡(jiǎn)單的描述視頻信息，沒(méi)有全面、詳細(xì)地描述視頻資源介紹的相關(guān)知識(shí)；基于數(shù)據(jù)挖掘的推送存在著關(guān)聯(lián)規(guī)則抽取難、耗時(shí)、個(gè)性化程度低等問(wèn)題。因此，基于協(xié)同過(guò)濾和基于內(nèi)容的推送是目前最基本、最常用的兩種推送方法?；趨f(xié)同過(guò)濾的推送適合用戶(hù)發(fā)現(xiàn)新興趣，推送效果隨著用戶(hù)的數(shù)量增加而提高，自適應(yīng)好，推送的個(gè)性化、自動(dòng)化程度高；基于內(nèi)容的推送結(jié)果直觀易懂，沒(méi)有冷開(kāi)始和稀疏問(wèn)題。但是基于協(xié)同過(guò)濾的推送存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)稀疏、新用戶(hù)和新對(duì)象的引入以及推送質(zhì)量依賴(lài)于歷史數(shù)據(jù)的問(wèn)題；基于內(nèi)容的推送存在對(duì)資源對(duì)象的屬性描述限制(如不易對(duì)音樂(lè)和視頻信息提取)、新用戶(hù)問(wèn)題、分類(lèi)訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)支撐等問(wèn)題。雖然上述推送方法在很多方面已得到廣泛應(yīng)用，但是其各自固有的缺點(diǎn)表明不能直接將其應(yīng)用在智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)的教育資源推送上。

目前在我校已經(jīng)建成了包括智慧教室、一卡通、網(wǎng)絡(luò)信息化等智慧校園體系，迫切需要通過(guò)以整合、建設(shè)和引入等手段建立一個(gè)資源豐富、貼合需求的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫(kù)的基礎(chǔ)上，研究如何利用現(xiàn)有智慧教室的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)面向不同學(xué)習(xí)需求的學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推送，引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考，把教學(xué)過(guò)程由老師主導(dǎo)變成師生互促，把按部就班的考生變成孜孜以求的學(xué)生，建立一個(gè)基于深度學(xué)習(xí)的個(gè)性化智能導(dǎo)學(xué)平臺(tái)。此研究與實(shí)踐密切結(jié)合學(xué)校的工作實(shí)際，具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義和重大的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，也是推進(jìn)現(xiàn)代教育技術(shù)不斷發(fā)展的有益嘗試和探索。

2 個(gè)性化的智能導(dǎo)學(xué)平臺(tái)

2.1用戶(hù)個(gè)性化模型

圖1 用戶(hù)個(gè)性化模型的構(gòu)建

現(xiàn)有的智慧校園環(huán)境，擁有海量的數(shù)據(jù)資源：校園一卡通的普及能獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)和生活行為數(shù)據(jù)，包括課堂考勤、圖書(shū)借閱、自習(xí)室打卡、宿舍門(mén)禁、食堂、學(xué)校店面消費(fèi)、熱水及水電費(fèi)信息等；通過(guò)學(xué)生注冊(cè)系統(tǒng)可以獲得學(xué)生的基本信息，包括個(gè)人情況、家庭背景、興趣愛(ài)好等；教務(wù)系統(tǒng)包含學(xué)生的作業(yè)、學(xué)分、成績(jī)等學(xué)習(xí)信息，還有獲獎(jiǎng)、證書(shū)、處分等獎(jiǎng)懲數(shù)據(jù)，以及社團(tuán)、比賽、實(shí)習(xí)等學(xué)生的社會(huì)和教學(xué)實(shí)踐情況。而網(wǎng)上教學(xué)資源庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)日志，可以捕獲學(xué)生訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)容、時(shí)長(zhǎng)以及對(duì)教學(xué)資源的評(píng)價(jià)反饋。這些海量數(shù)據(jù)資源組成了智慧校園大數(shù)據(jù)中心，再通過(guò)分布式存儲(chǔ)計(jì)算、數(shù)據(jù)采集清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、智能檢索、智能分析、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，構(gòu)建出用戶(hù)個(gè)性化模型（圖1），而用戶(hù)個(gè)性化模型是個(gè)性化智能導(dǎo)學(xué)平臺(tái)的重要組成部分。

2.2導(dǎo)學(xué)知識(shí)庫(kù)

通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教育資源的整合與優(yōu)化、國(guó)內(nèi)外MOOC課程的引入、自助式慕課課程建設(shè)體系構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)海量網(wǎng)絡(luò)教育資源平臺(tái)的建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建導(dǎo)學(xué)知識(shí)庫(kù)。

將我校現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)和資源進(jìn)行整合，包括Blackboard網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、在線(xiàn)課程平臺(tái)、精品課程網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院“學(xué)習(xí)資源開(kāi)放服務(wù)”網(wǎng)站等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)等，充分利用大量高品質(zhì)的精品課程、視頻公開(kāi)課、網(wǎng)絡(luò)課程等資源，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的統(tǒng)一調(diào)配和推送，通過(guò)對(duì)推送情況的統(tǒng)計(jì)與分析，不斷優(yōu)化和強(qiáng)化優(yōu)秀教學(xué)資源。

網(wǎng)絡(luò)教育資源呈井噴式增長(zhǎng)，尤其是2013年以來(lái)，MOOC（massive online open courses）課程、微課得到了迅速發(fā)展。在全國(guó)乃至世界范圍內(nèi)選擇最優(yōu)質(zhì)的教育資源，進(jìn)一步突破傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)的時(shí)空限制，促使教育發(fā)生深刻變革。通過(guò)引入優(yōu)質(zhì)國(guó)內(nèi)外MOOC課程，不斷豐富和擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的及時(shí)推送。

自助式慕課課程建設(shè)體系構(gòu)建包括硬件環(huán)境建設(shè)和軟件平臺(tái)搭建。建設(shè)2-3個(gè)自助式慕課（微課）視頻資料錄制機(jī)位，面向全體老師開(kāi)放。老師可通過(guò)網(wǎng)上預(yù)約，確定視頻錄制時(shí)間和機(jī)位，在管理員的簡(jiǎn)單培訓(xùn)之后便可使用傻瓜式的集成錄制設(shè)備進(jìn)行自助式錄制。在約定的時(shí)間內(nèi)，使用者可自由選擇錄制內(nèi)容，或?qū)σ唁浿埔曨l不滿(mǎn)意部分、更新部分等進(jìn)行重新錄制。

建設(shè)慕課課程運(yùn)行平臺(tái)，結(jié)合個(gè)人空間建設(shè)，和智慧教室電腦桌面虛擬化建設(shè)，為老師提供信息互通、資源共享的私有云空間；老師可在個(gè)人云空間上傳音視頻資料、學(xué)習(xí)課件，給學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)上答疑、布置作業(yè)、分組討論等；對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為（觀看視頻音像、閱看課件資料、參與討論、作業(yè)完成等）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)學(xué)習(xí)和思考。

2.3個(gè)性化導(dǎo)學(xué)策略

在校學(xué)生和非在校學(xué)生，采用不同的個(gè)性化導(dǎo)學(xué)策略及實(shí)現(xiàn)方式。

在線(xiàn)學(xué)生通過(guò)采集學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、課程學(xué)習(xí)、圖書(shū)館學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)和考試成績(jī)、獲獎(jiǎng)情況等學(xué)習(xí)效果數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，建立個(gè)性化導(dǎo)學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)極具針對(duì)性的個(gè)性化導(dǎo)學(xué)推送。

（1）普通學(xué)生的優(yōu)化導(dǎo)學(xué)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)考試情況和專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)要求，推送相關(guān)學(xué)習(xí)資源，指導(dǎo)學(xué)生不斷完善知識(shí)結(jié)構(gòu)、提高學(xué)術(shù)水平。

（2）特長(zhǎng)學(xué)生的強(qiáng)化導(dǎo)學(xué)，根據(jù)學(xué)生興趣愛(ài)好和個(gè)人學(xué)習(xí)特長(zhǎng)，推送相應(yīng)的深層次、高水平的學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生在其特長(zhǎng)領(lǐng)域不斷強(qiáng)化、提高。

（3）后進(jìn)學(xué)生的補(bǔ)足導(dǎo)學(xué)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)考試情況和學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析，推送其急需補(bǔ)足的學(xué)習(xí)和思想內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度、提高學(xué)習(xí)效率，指導(dǎo)學(xué)生查漏補(bǔ)缺，全面發(fā)展。

非在校學(xué)生通過(guò)引進(jìn)和自建等方式構(gòu)建優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫(kù)，在突破大學(xué)培養(yǎng)過(guò)程中普通課程時(shí)間與空間的限制的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)大學(xué)培養(yǎng)過(guò)程進(jìn)行前移和后延。

（1）向基地中學(xué)的中學(xué)生推送英語(yǔ)類(lèi)、數(shù)理類(lèi)、文史類(lèi)等慕課學(xué)習(xí)資源，完成慕課課程的中學(xué)生在考入大學(xué)后承認(rèn)該課程的學(xué)分，實(shí)現(xiàn)大學(xué)培養(yǎng)過(guò)程的前移。

（2）向尚未完成學(xué)分的“大四后”學(xué)生推送相關(guān)慕課課程資源，畢業(yè)生可以邊工作邊學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)“低成本”畢業(yè)，實(shí)現(xiàn)大學(xué)培養(yǎng)過(guò)程的后移。

（3）通過(guò)比對(duì)學(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)從事工作的知識(shí)要求，推送給畢業(yè)生適合的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，不斷強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和專(zhuān)業(yè)技能。

2.4個(gè)性化智能推送

個(gè)性化智能推送服務(wù)(如圖2)是個(gè)性化的智能導(dǎo)學(xué)平臺(tái)的核心及關(guān)鍵所在。如何利用大數(shù)據(jù)分析得到的用戶(hù)個(gè)性化模型、海量教學(xué)資料所組成的導(dǎo)學(xué)知識(shí)庫(kù)以及個(gè)性化的導(dǎo)學(xué)策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)有效的推送服務(wù)，這是我們需要研究突破的重點(diǎn)問(wèn)題。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)的個(gè)性化智能推送服務(wù)

國(guó)內(nèi)外的深度學(xué)習(xí)研究成果表明，個(gè)性化的人才培養(yǎng)需要注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，包括知識(shí)構(gòu)建、知識(shí)遷移、批判思維、整合分析、運(yùn)用決策等。而人工智能領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)，是機(jī)器學(xué)習(xí)研究中的一個(gè)新領(lǐng)域，也是近年來(lái)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。其動(dòng)機(jī)是模仿人腦的機(jī)制來(lái)解釋數(shù)據(jù)，采用含多隱層的多層感知器建立深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)組合低層特征形成更加抽象的高層表示屬性類(lèi)別或特征，來(lái)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示。將這兩個(gè)深度學(xué)習(xí)的概念相結(jié)合，能有效解決現(xiàn)有個(gè)性化導(dǎo)學(xué)研究和實(shí)踐的不足。前者幫助我們思考如何針對(duì)學(xué)習(xí)者選擇更有益的推薦內(nèi)容，而后者所提供的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使系統(tǒng)可以更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化智能推送服務(wù)。

推送服務(wù)包含基于Android、IOS APP的推送和基于網(wǎng)頁(yè)和電腦客戶(hù)端的推送，同時(shí)要收集用戶(hù)反饋對(duì)推送結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，從而不斷優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

把個(gè)性化智能導(dǎo)學(xué)平臺(tái)部署實(shí)施在高校中，能為廣大學(xué)生提供良好的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)學(xué)環(huán)境，充分體現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心的理念，提高學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率、教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，為高校雙一流建設(shè)做出有益的貢獻(xiàn)。

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中南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目：智慧校園環(huán)境下的個(gè)性化導(dǎo)學(xué)模式研究（項(xiàng)目編號(hào)2016jy70）。