大數(shù)據(jù)環(huán)境下教學(xué)過程數(shù)據(jù)數(shù)字化研究

張華麗，楊華勇，楊 帆

(武漢科技大學(xué)城市學(xué)院 信息工程學(xué)部，湖北 武漢 430083)

0 引言

“不得不承認(rèn)，對(duì)于學(xué)生，我們知道得太少”，該問題是美國10大教育類年會(huì)中出鏡率最高的核心議題。同樣，該問題也適用于中國教育者在教學(xué)實(shí)踐過程中的反思。傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師通過課堂教學(xué)過程中與學(xué)生的互動(dòng)交流，以及課后作業(yè)和答疑，了解學(xué)生的思想動(dòng)態(tài)、學(xué)習(xí)態(tài)度及教學(xué)效果，該方式需要教師花費(fèi)大量時(shí)間和精力，同時(shí)效果并不理想，效率較為低下。維克托·邁爾·舍恩伯格曾經(jīng)大膽預(yù)測(cè)：“在不久的將來，世界許多單純依靠人類判斷力的領(lǐng)域都會(huì)被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所改變甚至取代?！币虼?，在大數(shù)據(jù)技術(shù)高速發(fā)展的今天，有必要將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入到教育教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)手段采集、存儲(chǔ)、分析與挖掘教學(xué)過程數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于教學(xué)[1]。

1 教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化現(xiàn)狀

大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的區(qū)別在于其數(shù)據(jù)包容性更強(qiáng)，數(shù)據(jù)定義更加廣泛，原來人們沒有重視，或者缺乏技術(shù)與方法進(jìn)行收集的信息，現(xiàn)在都可作為“數(shù)據(jù)”進(jìn)行采集、存儲(chǔ)與分析[2]。將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于教學(xué)環(huán)節(jié)中，在關(guān)注教學(xué)過程與教學(xué)結(jié)果的基礎(chǔ)上，需要更多地關(guān)注教學(xué)過程中的微觀數(shù)據(jù)。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生完全是過程性的，包括教師課堂教學(xué)過程、學(xué)生完成作業(yè)過程、師生或生生之間的互動(dòng)過程等，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的整合、分析與利用，能夠解答教育過程中的許多疑問。由于這些數(shù)據(jù)是在“自然”狀態(tài)下收集的，收集過程是自然、主動(dòng)、客觀與真實(shí)的[3-4]，所以其具有更高的參考價(jià)值。

在當(dāng)前的應(yīng)試教育環(huán)境下，考察教學(xué)結(jié)果與教學(xué)質(zhì)量的通用方式是考試，但考試分?jǐn)?shù)能否反映學(xué)習(xí)與教學(xué)過程，以及能否體現(xiàn)素質(zhì)教育質(zhì)量，答案顯然是否定的[5]。但通過采取相關(guān)技術(shù)，可以得到相對(duì)更多與更客觀的教學(xué)數(shù)據(jù)，教學(xué)過程中的課堂講授、師生互動(dòng)等教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)都滲透著這些大數(shù)據(jù)。

當(dāng)前教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化存在的主要問題體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)教育信息資源分布分散與利用率不高。目前我國教育信息資源還無法統(tǒng)一進(jìn)行收集、存儲(chǔ)與管理，各教育管理部門、教學(xué)單位都采用獨(dú)立的信息設(shè)備與信息系統(tǒng)，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所收集的數(shù)據(jù)參差不齊，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一利用。

(2)對(duì)教學(xué)微觀數(shù)據(jù)數(shù)字化重視程度不高。當(dāng)前，教育信息化得到了業(yè)界高度重視且發(fā)展迅速，如慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、微課和教育云等，有條件的學(xué)校也部署了相關(guān)教學(xué)輔助管理軟件[6-7]。但在教育信息化研究與實(shí)踐過程中，人們更多關(guān)注的是教學(xué)內(nèi)容生產(chǎn)、教學(xué)行為控制與教學(xué)結(jié)果考評(píng)，而對(duì)于教學(xué)環(huán)節(jié)，特別是教學(xué)的微觀行為數(shù)據(jù)化重視程度不夠。

傳統(tǒng)教學(xué)信息化系統(tǒng)側(cè)重于教學(xué)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理，數(shù)據(jù)來源主要集中于教學(xué)單位線下數(shù)據(jù)的采集與錄入，更側(cè)重于顯性數(shù)據(jù)管理[8]。隨著大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、存儲(chǔ)手段等都發(fā)生了重大變化。其中，智慧教學(xué)動(dòng)態(tài)生成性數(shù)據(jù)具有多源、異構(gòu)、非完整性、非一致性等特征[9]，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。王冬青等[9]提出智慧教學(xué)動(dòng)態(tài)生成性數(shù)據(jù)采集模型，通過對(duì)教學(xué)過程與行為的分析，確定數(shù)據(jù)采集規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，并采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)教學(xué)數(shù)據(jù)采集；夏先進(jìn)[10]借鑒檔案管理模式，參考檔案分類的思路與方法，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理；李婷[11]對(duì)教學(xué)全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，構(gòu)建內(nèi)部教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)已發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值分析。此外，還有眾多特定教學(xué)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集模式，如教學(xué)儀器數(shù)據(jù)采集[12-14]、GIS數(shù)據(jù)采集[13]、手持掃描儀數(shù)據(jù)采集[15]等。本文探討教學(xué)過程數(shù)據(jù)采集，側(cè)重于微觀數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和廣義數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。

2 教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化目標(biāo)

倡導(dǎo)與強(qiáng)化教育數(shù)據(jù)收集的標(biāo)準(zhǔn)化，以便對(duì)教學(xué)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的有效性、可視性與可讀性，從而及時(shí)有效地改進(jìn)教學(xué)服務(wù)；研究并改進(jìn)學(xué)科數(shù)據(jù)模型，讓模型能夠體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，從而優(yōu)化教學(xué)過程，使教學(xué)過程更加符合科學(xué)規(guī)律；通過建立綜合過程記錄模型、學(xué)習(xí)輔助模型、內(nèi)容推薦模型、知識(shí)關(guān)聯(lián)模型及效果評(píng)估模型，提高教學(xué)效率與教學(xué)效果。

(1)評(píng)估多元化。改變傳統(tǒng)單一的考試評(píng)估方式，利用教學(xué)過程微觀數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為進(jìn)行多元化評(píng)估，通過對(duì)過程數(shù)據(jù)的挖掘，發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程和教學(xué)成果的因果關(guān)系，使結(jié)果評(píng)價(jià)更加科學(xué)化。

(2)教學(xué)效果評(píng)估過程化。綜合分析教學(xué)過程與學(xué)習(xí)行為，讓過程數(shù)據(jù)參與結(jié)果評(píng)估，改變單一的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)模式。教學(xué)過程數(shù)據(jù)形成的大數(shù)據(jù)能夠?yàn)榻虒W(xué)決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

(3)教學(xué)精確化與科學(xué)化。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)采集與存儲(chǔ)教學(xué)全過程微觀數(shù)據(jù)，可為教學(xué)研究與教學(xué)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)，讓教學(xué)評(píng)價(jià)由“結(jié)果性評(píng)價(jià)”變?yōu)椤斑^程性評(píng)價(jià)”。教育管理者可通過分析大數(shù)據(jù)，加強(qiáng)教學(xué)引導(dǎo)，調(diào)整發(fā)展策略，使教育過程管理更加精細(xì)化與科學(xué)化。

(4)提倡個(gè)性化教學(xué)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可幫助教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生興趣點(diǎn)，從而采取更有效的教學(xué)方式與教學(xué)手段，做到因材施教。通過個(gè)性化教學(xué)，可充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

3 教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化研究?jī)?nèi)容

實(shí)現(xiàn)教學(xué)數(shù)據(jù)的采集和利用，在了解教學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用有效的技術(shù)手段與先進(jìn)的管理思想，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)，提高教學(xué)質(zhì)量。

(1)研究教學(xué)微觀數(shù)據(jù)收集的技術(shù)手段。如何客觀、全面與便捷地收集教學(xué)活動(dòng)微觀數(shù)據(jù)是課題研究的出發(fā)點(diǎn)和核心內(nèi)容，教學(xué)過程中收集的微觀數(shù)據(jù)越細(xì)致，數(shù)據(jù)來源越可靠，數(shù)據(jù)真實(shí)性越高，數(shù)據(jù)對(duì)教學(xué)決策與教學(xué)研究的指導(dǎo)價(jià)值則越高。

(2)制定數(shù)據(jù)收集范圍與數(shù)據(jù)集。為了規(guī)范數(shù)據(jù)收集范圍和元數(shù)據(jù)屬性集合，需要制定教學(xué)數(shù)據(jù)的收集范圍與數(shù)據(jù)集。收集范圍確定要收集的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)范圍，即教學(xué)管理環(huán)節(jié)與教學(xué)過程中哪些數(shù)據(jù)需要采集；數(shù)據(jù)集是指需要收集的常量數(shù)據(jù)，其中最關(guān)鍵的是制定教學(xué)術(shù)語數(shù)據(jù)集。

(3)建立大數(shù)據(jù)模型，制定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)范。教學(xué)過程數(shù)據(jù)來源多樣，類型復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)，以方便數(shù)據(jù)利用，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，并制定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)范。

(4)制定數(shù)據(jù)利用接口規(guī)范。存儲(chǔ)的大數(shù)據(jù)最終用于教學(xué)服務(wù)，為教學(xué)決策與教學(xué)過程提供數(shù)據(jù)支撐材料，所以需要制定數(shù)據(jù)利用的接口規(guī)范，并確定接口調(diào)用的技術(shù)手段，以SAAS方式向教育工作者提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

4 教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化過程

大數(shù)據(jù)具有體量大(Volume)、種類多(Variety)、速度快(Velocity)、易變性(Variability)、真實(shí)性(Veracity)和價(jià)值密度低(Value)六大特性[16]。大數(shù)據(jù)環(huán)境下的教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化相比于傳統(tǒng)的教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化，在研究視角、研究目標(biāo)與研究方法上都有非常大的區(qū)別，因此要以更開闊的視野看待大數(shù)據(jù)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響與可能產(chǎn)生的變革。

教學(xué)活動(dòng)流的分析過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)建議4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，4個(gè)環(huán)節(jié)既相互獨(dú)立，又緊密關(guān)聯(lián)、相輔相成。

4.1 教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)

目前主要的教學(xué)管理系統(tǒng)還是采用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫對(duì)持久化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫對(duì)于小規(guī)模數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理具有較大優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于海量、異構(gòu)的教學(xué)過程數(shù)據(jù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫則顯得力不從心。隨著近幾年大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展越來越成熟，學(xué)習(xí)與開發(fā)成本也越來越低。將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程中，能夠有效解決海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析難題。大數(shù)據(jù)主要有兩個(gè)特點(diǎn)：①海量數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)體量巨大，從TB級(jí)別躍升到PB級(jí)別；②數(shù)據(jù)格式復(fù)雜，無法使用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)描述所有數(shù)據(jù)格式。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、海量教學(xué)數(shù)據(jù)的數(shù)字化存儲(chǔ)，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

(1)異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。異構(gòu)數(shù)據(jù)也即復(fù)雜類型數(shù)據(jù)，其沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是相關(guān)多個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的集合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與透明訪問。異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的各個(gè)組成部分在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的同時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)仍能保持自身應(yīng)用特性的完整性及安全性。

(2)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。大數(shù)據(jù)改變了人們的思維模式、生活方式與工作方式。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以“數(shù)據(jù)化”教師與學(xué)生的行為表現(xiàn)，深入挖掘?qū)W生成長(zhǎng)規(guī)律。近幾年，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的高速發(fā)展，產(chǎn)生了很多優(yōu)秀的開源大數(shù)據(jù)框架，這些框架已被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)中。

(3)數(shù)據(jù)挖掘與利用。如何讓數(shù)據(jù)說話，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)價(jià)值是教學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)字化的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，可將其它行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)引入教育行業(yè)，并結(jié)合教育教學(xué)特點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)挖掘效率，使教學(xué)數(shù)據(jù)價(jià)值最大化。

4.2 教學(xué)過程與數(shù)據(jù)來源

教學(xué)過程數(shù)據(jù)采集貫穿教學(xué)全過程，借助教學(xué)管理平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺(tái)與移動(dòng)應(yīng)用等技術(shù)手段，收集教學(xué)過程中的所有數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)化教學(xué)過程設(shè)計(jì)

(1)課程預(yù)習(xí)。課程預(yù)習(xí)階段，學(xué)生預(yù)習(xí)的介質(zhì)不再局限于單一教材，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)搜索引擎、微課、視頻公開課、專業(yè)論壇等網(wǎng)絡(luò)工具，收集學(xué)習(xí)資料；通過小組討論，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高自學(xué)能力；最后整理素材，撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告。在預(yù)習(xí)過程中，需要收集預(yù)習(xí)全過程數(shù)據(jù)，如搜索關(guān)鍵字、瀏覽過的網(wǎng)頁和論壇、小組討論過程記錄、預(yù)習(xí)耗時(shí)、已解決問題等信息，這些材料不僅能幫助教師了解學(xué)生預(yù)習(xí)動(dòng)態(tài)，確定課堂教學(xué)重難點(diǎn)，還可作為教學(xué)素材。

(2)課程教學(xué)。以學(xué)生課前預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)為依據(jù)，教師制定科學(xué)、合理的教學(xué)計(jì)劃，有的放矢地幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)難點(diǎn)問題，加深對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)知識(shí)運(yùn)用能力。課堂教學(xué)采集數(shù)據(jù)主要包括：①課堂紀(jì)律數(shù)據(jù)，如學(xué)生到課情況、課堂紀(jì)律、學(xué)生參與程度等；②教學(xué)過程數(shù)據(jù)，如教學(xué)內(nèi)容數(shù)據(jù)、教學(xué)板書、課堂筆記、師生互動(dòng)情況、教學(xué)過程素材、初步教學(xué)效果評(píng)估等。

(3)課后復(fù)習(xí)。課后復(fù)習(xí)主要包括課后答疑、課后作業(yè)、學(xué)生反饋、效果評(píng)估與知識(shí)拓展等內(nèi)容。課后復(fù)習(xí)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以幫助學(xué)生鞏固課堂內(nèi)容，同時(shí)幫助教師了解課堂教學(xué)效果。

4.3 教學(xué)過程數(shù)據(jù)類型與存儲(chǔ)

教學(xué)過程數(shù)據(jù)采集借助各教學(xué)單位已有的信息化設(shè)備和信息化系統(tǒng)，通過定義標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集與接收接口，采集教學(xué)過程數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)。教學(xué)過程數(shù)據(jù)主要包括的數(shù)據(jù)類型如表1所示。

表1 教學(xué)過程數(shù)據(jù)類型

由于教學(xué)過程數(shù)據(jù)的多樣性與多元化，要將教學(xué)過程的微觀數(shù)據(jù)全部進(jìn)行存儲(chǔ)，采用單一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式已無法滿足需求。通過對(duì)教學(xué)過程數(shù)據(jù)類型的分析，可以采用分布式文件存儲(chǔ)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與異構(gòu)型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3種方式存儲(chǔ)教學(xué)過程數(shù)據(jù)。

圖2 教學(xué)過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

大數(shù)據(jù)是指類型復(fù)雜的海量數(shù)據(jù)，即其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已無法使用傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行描述與存儲(chǔ)。近幾年，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的高速發(fā)展，形成了很多優(yōu)秀的開源大數(shù)據(jù)框架，并已被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)中。Hadoop是一個(gè)分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，其利用HDFS存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并使用MapReduce對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[20]；Apache Spark 是專為大規(guī)模數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì)的一個(gè)快速、通用的計(jì)算引擎，適用于數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)等需要迭代的MapReduce的算法[21]。

5 結(jié)語

本文通過分析當(dāng)前教育教學(xué)中面臨的問題，提出教學(xué)過程數(shù)據(jù)數(shù)字化的研究?jī)?nèi)容與研究目標(biāo)，并結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)發(fā)展實(shí)際，研究實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程數(shù)據(jù)數(shù)字化的技術(shù)手段。通過采集與存儲(chǔ)教學(xué)過程微觀數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)輔助教學(xué)過程，從而提高教學(xué)質(zhì)量，并為教學(xué)評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。隨著數(shù)據(jù)挖掘與人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，以數(shù)字化方式存儲(chǔ)的教學(xué)過程數(shù)據(jù)將為教育發(fā)展提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。