基于過程性評價AI分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺的開發(fā)與應(yīng)用*

方 勁，梁麗婷，鄧 斌

（1．廣東省中山市小欖中學(xué)，廣東中山 528415；2．嶺南師范學(xué)院教師教育學(xué)院，廣東湛江 524037）

一、研究背景

隨著《普通高中課程方案和各科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》頒布和推行，教育工作者不斷深化對教育評價本質(zhì)的理解，逐漸形成以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目的開展教育評價，不再一味注重教學(xué)結(jié)果，而加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程評價。與此同時，在“雙減”政策的試實(shí)施和AI技術(shù)發(fā)展背景下，教育信息化發(fā)展推向了一個新的高潮。結(jié)合分層教學(xué)模式，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行更具針對性的教學(xué)活動和教學(xué)評價，從而促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展[1]。

當(dāng)前已有不少研究者針對“如何應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺開展過程性評價”開展了大量的研究，他們利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)工具完善過程性評價體系，加強(qiáng)課前、課后總結(jié)，將評價行為滲透到各個環(huán)節(jié)中，取得了很好的效果[2]。通過對過程性評價開展效果進(jìn)行分析，認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)教育教學(xué)環(huán)境是過程性平臺應(yīng)用的有效途徑[3]。

然而，利用過程性評價反作用于教學(xué)，幫助教師實(shí)現(xiàn)個性化教學(xué)的研究相對欠缺。如何基于過程性評價，充分應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行有效的分層教學(xué)，是教學(xué)信息化發(fā)展過程中值得深入研究的問題。因此，本課題組成員利用人工智能技術(shù)將分層教學(xué)和過程性評價進(jìn)行有效的結(jié)合，研發(fā)出基于B/S的過程性評價分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺（此平臺獲計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書，其證書號為軟著登字第8184117號），為一線教師開展個性化教學(xué)提供了有力的平臺支撐。

二、基于過程性評價的分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計(jì)

“過程性評價分層教學(xué)平臺”以高中信息技術(shù)的教學(xué)為落腳點(diǎn)，通過收集和分析學(xué)生利用平臺的學(xué)習(xí)行為，利用AI技術(shù)建立有效分層模型，從而將評價與個性化學(xué)習(xí)相結(jié)合。同時借助網(wǎng)絡(luò)平臺的智能化的分層分組功能，并集合了多種便于課堂教學(xué)的工具，如題庫系統(tǒng)、小組聊天室等[4]，有效減輕教師實(shí)際工作量，從而更好地實(shí)現(xiàn)因材施教。另一方面，學(xué)生通過平臺的評價功能及積分系統(tǒng)，激發(fā)自身的學(xué)習(xí)興趣，提高自身的信息核心素養(yǎng)。

本網(wǎng)絡(luò)平臺的總體設(shè)計(jì)規(guī)劃及功能模塊如圖1所示。

圖1 “過程性評價分層教學(xué)平臺”的總體設(shè)計(jì)規(guī)劃及功能模塊

（一）平臺的用戶角色

本網(wǎng)絡(luò)平臺主要分為管理員、教師和學(xué)生三種用戶角色。其中管理員負(fù)責(zé)所有用戶的基礎(chǔ)信息的維護(hù)、前測模塊管理和研究數(shù)據(jù)的分析；教師用戶負(fù)責(zé)課程開發(fā)、課程實(shí)施、題庫建立、測試管理和資源庫的建立；學(xué)生用戶利用平臺完成課程學(xué)習(xí)和平臺數(shù)據(jù)的生成。

（二）平臺關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)

1.學(xué)生檔案模塊

在學(xué)生檔案模塊中，平臺分別通過學(xué)生的信息意識、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、計(jì)算思維和信息社會責(zé)任四個維度采取積分制的形式記錄下來，并為不同積分段的學(xué)生賦予相應(yīng)的學(xué)習(xí)稱號，同時，達(dá)到相應(yīng)積分的學(xué)生能被允許解鎖平臺的一些特定功能（如更換平臺主題風(fēng)格等），從而激勵學(xué)生學(xué)習(xí)。

2.前測模塊

前測板塊中主要由學(xué)習(xí)態(tài)度問卷和學(xué)生信息技術(shù)的核心素養(yǎng)及能力測試兩部分組成。平臺可以設(shè)置問卷的選項(xiàng)比重，能力測試的考察維度，能更快捷、有效地進(jìn)行課題研究的數(shù)據(jù)采樣分析。

3.課程管理模塊

在課程模塊中，教師可以根據(jù)課程需要靈活地選擇任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式（TBL）或項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)模式（PBL）。每個課程都可設(shè)置相應(yīng)的分層任務(wù)（項(xiàng)目），相對應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生在使用本平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)時，平臺將通過課堂活動、項(xiàng)目（任務(wù)）評價和平臺行為分析三方面給學(xué)生相對應(yīng)的積分。其中課堂活動包括課堂教師布置的相關(guān)任務(wù)、隨堂抽答和隨堂搶答情況；平臺行為分析包括學(xué)生使用平臺資源庫、討論區(qū)、聊天室等情況。平臺會自動對學(xué)生的課堂情況進(jìn)行記錄并存入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。

4.題庫管理模塊及測試管理模塊

在題庫管理模塊及測試管理模塊中，開發(fā)出可以讓教師使用Excel導(dǎo)入試題模板的功能形成平臺試題庫，并通過組卷的方式形成階段性的測試題。

5.即時通信模塊

即時通信模塊包含消息推送和聊天室兩個板塊。消息推送可以允許教師在課堂中給學(xué)生發(fā)送信息，包括完成課堂任務(wù)剩余時間等。聊天室板塊可以給學(xué)生的小組合作提供幫助，另外，使用本平臺的聊天室還可以記錄學(xué)生在其中的使用情況，為過程性評價提供數(shù)據(jù)參考。

三、“過程性評價分層教學(xué)平臺”的實(shí)現(xiàn)

（一）開發(fā)環(huán)境及語言

本網(wǎng)絡(luò)平臺網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境為Ubuntu18.04 64位，使用Sublime Text3作為開發(fā)工具。網(wǎng)站前端部分主要運(yùn)用Layui[5]框架完成界面的快速開發(fā)和數(shù)據(jù)與頁面元素的交互。后端部分采用Apache+PHP+MySQL完成。模型訓(xùn)練服務(wù)端利用Python的Flask框架實(shí)現(xiàn)，通網(wǎng)絡(luò)請求在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端和模型訓(xùn)練端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（二）功能模塊的實(shí)現(xiàn)

按照開發(fā)的技術(shù)手段，本平臺功能模塊的實(shí)現(xiàn)主要分為三類：一般功能模塊（包括班級、課程模塊等）、即時通訊模塊和AI智能分層模塊三種。

1.一般功能模塊

平臺的基本功能均采用Layui做UI界面開發(fā)，利用Ajax（異步JavaScript）作為web的數(shù)據(jù)交互方式[6]，將前端數(shù)據(jù)通過GET或POST請求的方式發(fā)送給后端，后端則采用PHP對MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)的增、刪、改和查的操作，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站的大部分基本功能。

2.即時通訊模塊

即時通訊模塊采用了開源高性能異步PHP socket框架Workerman作為后端通訊的技術(shù)支撐[7]。其中消息推送和聊天室分別采用的是Workerman中的Webmsg-sender和Workerman-chat框架。使用Workerman可以輕松使用PHP長連接。PHP單個進(jìn)程可以支持幾千甚至幾萬的并發(fā)連接，多進(jìn)程則可支持?jǐn)?shù)十萬甚至上百萬的并發(fā)連接，能高效、便捷地完成本模塊的開發(fā)。

3.AI智能分層模塊

在傳統(tǒng)的分層教學(xué)中，研究者通常會在他的分層策略中采用相對固定的分層模式，每節(jié)課將學(xué)生按固定的比例進(jìn)行分層教學(xué)，即如圖2中的a、b兩個切分點(diǎn)是相對固定不變的。但實(shí)際情況下，分層的切分點(diǎn)應(yīng)該是動態(tài)變化的。如何有效地進(jìn)行分層，對分層教學(xué)的教學(xué)效果有直接的影響。為此，本網(wǎng)絡(luò)平臺利用人工智能技術(shù)，根據(jù)學(xué)生的過程性評價數(shù)據(jù)動態(tài)地構(gòu)建出一個相對有效的分層模型，有效地幫助教師開展分層教學(xué)。

圖2 分層模型

采用GBDT作為主要機(jī)器學(xué)習(xí)算法，利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)構(gòu)建出了一棵決策樹，并讓損失函數(shù)在其梯度的方向上下降。GBDT算法可以看成是由K棵樹組成的加法模型:。其中，為所有樹組成的函數(shù)空間。系統(tǒng)采用邏輯回歸函數(shù):對模型進(jìn)行判斷閉合預(yù)測。

分層模型的訓(xùn)練過程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練、模型應(yīng)用和調(diào)試四個步驟（如圖3）。

圖3 分層模型構(gòu)建的過程

（1）數(shù)據(jù)采集

“過程性評價分層教學(xué)平臺”的數(shù)據(jù)采集和分層模型如圖2所示。

通過對學(xué)生在使用平臺產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行抓取實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，接著對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、規(guī)約，構(gòu)建出完整的學(xué)生用戶畫像。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是一種降低運(yùn)算復(fù)雜度的有效方法，本平臺采用了極值標(biāo)準(zhǔn)化法將數(shù)據(jù)縮放到一個區(qū)間內(nèi)，以消除單位不同的數(shù)據(jù)相互影響的可能性。通過采用標(biāo)準(zhǔn)化法對原始數(shù)據(jù)的線性變換，將A的一個原始值通過標(biāo)準(zhǔn)化映射成在區(qū)間[0,1]之間，即。極值標(biāo)準(zhǔn)化可以在方差較小的情況下維持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

（3）構(gòu)建機(jī)器訓(xùn)練模型

在分層模型中（如圖4），將學(xué)生的學(xué)習(xí)情況劃分為基礎(chǔ)層A、發(fā)展層B和拔高層C，其初始比例為1:2:1，層次之間的切分點(diǎn)為a和b。在隨后的機(jī)器訓(xùn)練模型中，機(jī)器將從2個方面動態(tài)調(diào)整切分點(diǎn)a和b。一是當(dāng)a或b點(diǎn)往左偏移趨勢越大時，說明本班學(xué)生整體水平提升越大。二是當(dāng)學(xué)生完成任務(wù)（項(xiàng)目）評價后，根據(jù)師生評價得出的學(xué)生分層分布得出的現(xiàn)實(shí)分布模型S2與預(yù)測模型S1兩條曲線的重合面積越大時，機(jī)器的預(yù)測有效性越高，反之有效性越差。根據(jù)這兩種情況，機(jī)器在學(xué)生不斷使用平臺的過程中不斷地調(diào)整切分點(diǎn)，使模型更加完善。

圖4 機(jī)器預(yù)測模型與現(xiàn)實(shí)模型的比較

四、基于過程性評價的分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺的教學(xué)應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)研究選取了中山市小欖中學(xué)2020級的高一年級，采用單因素非對等兩組前后測準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ介_展高中信息技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐[8]。

（一）實(shí)驗(yàn)的前測

在開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)前課題組對2020級的高一年級開展對學(xué)生信息技術(shù)的核心素養(yǎng)及能力進(jìn)行測試。利用平臺對學(xué)生的核心素養(yǎng)及能力進(jìn)行量化。本研究量化的方式采用SOLO分類評價方法，按照表1的評價標(biāo)準(zhǔn)分別對學(xué)生的信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會意識分別進(jìn)行等級量化，最后以總分的形式，形成前測數(shù)據(jù)。課題組對學(xué)生的前測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取了學(xué)生數(shù)量、整體成績等方面較為相同的高一（1）班和高一（2）班作為被試對象。

表1 信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)SOLO分類評價標(biāo)準(zhǔn)表[9-10]

（二）實(shí)驗(yàn)的開展

本實(shí)驗(yàn)選取高一（1）班為實(shí)驗(yàn)班，高一（2）班為對照班。其中在實(shí)驗(yàn)組高一（1）班采用過程性評價分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺開展相關(guān)的教學(xué)活動，在對照組高一（2）班按照傳統(tǒng)的日常教學(xué)形式開展教學(xué)活動。

1.初步分層

實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在完成平臺的前測后，平臺會根據(jù)學(xué)生的前測情況給出相應(yīng)的初始積分，并進(jìn)行智能分層，將學(xué)生分為ABC三層，并在相同層次的學(xué)生中劃分學(xué)習(xí)小組。本分層采用隱形分層形式，利用平臺能有效地減輕在傳統(tǒng)隱形分層教學(xué)活動中教師的工作量，更便捷地開展教學(xué)研究。

2.分層教學(xué)開展[11]

教師根據(jù)ABC三種層次的學(xué)生分別制定出不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，根據(jù)表1的參考評價標(biāo)準(zhǔn)，制定相應(yīng)的評價量表。實(shí)驗(yàn)班學(xué)生利用平臺提供的資源和工具，包括平臺資源庫、小組聊天室等完成學(xué)習(xí)內(nèi)容。在完成課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生根據(jù)教師制定的評價量表對任務(wù)（項(xiàng)目）進(jìn)行自評、組內(nèi)互評，最后教師對任務(wù)（項(xiàng)目）進(jìn)行評價。自評、互評和師評的比重參照《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017）》，為3:3:4[12]。對于不同層次的學(xué)生，師生在同一章節(jié)中都使用同一個量表進(jìn)行評價，但在量化時各層次的量化系數(shù)有所不同。A、B、C三種層次的量化系數(shù)分別為1、0.8和0.6[13]。

3.網(wǎng)絡(luò)平臺動態(tài)分層

每次完成一個課程（項(xiàng)目）的學(xué)習(xí)后，平臺根據(jù)學(xué)生上一次的課堂情況（包括學(xué)生平臺的行為分析和課堂活動的表現(xiàn)情況）和任務(wù)（項(xiàng)目）完成情況（包括自評、互評和師評），計(jì)算出學(xué)生獲得的相應(yīng)積分，并將所得積分和學(xué)生信息核心素養(yǎng)的四個維度的發(fā)展情況記錄在學(xué)生個人檔案中。同時，平臺根據(jù)全班學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，動態(tài)調(diào)整本班學(xué)生分層的切分點(diǎn)a和b（如圖2），并根據(jù)學(xué)生個人的學(xué)習(xí)情況，動態(tài)地調(diào)整每個學(xué)生的分層和分組信息。

（三）實(shí)驗(yàn)的后測

在完成教學(xué)活動后，對實(shí)驗(yàn)組和對照組采取與前測一樣的測試方法和評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，驗(yàn)證基于過程性分析的分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺應(yīng)用效果。

五、實(shí)驗(yàn)效果分析

（一）前測、后測結(jié)果分析

由表2可知，兩個班級學(xué)生信息技術(shù)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)整體情況差不多，處在各層次的人占比也差不多。因此可以說實(shí)驗(yàn)班和對照班在實(shí)驗(yàn)前的信息技術(shù)核心素養(yǎng)水平差不多。故本實(shí)驗(yàn)選取1班作為實(shí)驗(yàn)班，2班作為對照班開展相關(guān)研究。

表2 高一（1）班和高一（2）班前測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

后測結(jié)果如表3所示，根據(jù)表3數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)：

表3 高一（1）班和高一（2）班后測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)班級高一（1）班：基礎(chǔ)8人全部完成層級跨越，有20名學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從發(fā)展層向拔高層的跨越。對照班級高一（2）班：基礎(chǔ)層有6人實(shí)現(xiàn)了層級跨越；有7名學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從發(fā)展層向拔高層的跨越。

通過對照班級和實(shí)驗(yàn)班級的對比，通過應(yīng)用基于過程性評價的分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)驗(yàn)組班學(xué)習(xí)成績進(jìn)步明顯，大多數(shù)學(xué)生達(dá)到了拔高層，形成了較好的信息核心素養(yǎng)，雖然對照班級學(xué)生也取得較為明顯的進(jìn)步，但是進(jìn)步幅度相對于實(shí)驗(yàn)班級仍然有不小的差距。因此基于過程性評價的分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺在教學(xué)中發(fā)揮了不錯效果，對于學(xué)生信息核心素養(yǎng)的養(yǎng)成有著明顯的促進(jìn)作用。

（二）差異顯著度分析

本研究利用Z檢驗(yàn)（檢驗(yàn)大樣本平均數(shù)的差異程度）對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體的分析結(jié)果如表4、表5和表6所示：

表4 高一（1）班和高一（2）班前測差異顯著性檢驗(yàn)

表5 高一（1）班和高一（2）班后測差異顯著性檢驗(yàn)

將Z值與臨界值相比較，前測Z＝0.84，Z＜1.96，P＞0.05（表4），根據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)推斷規(guī)則，得出在進(jìn)行基于過程性評價的分層教學(xué)之前，高一（1）班和高一（2）班的學(xué)業(yè)水平考試成績差異不顯著。

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)推斷規(guī)則，后測Z＝7.06，Z＞2.58，P＜0.01（表5）。高一（1）班和高一（2）班在使用了基于過程性分析的分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺后測階段成績差異顯著。高一（1）班成績要明顯地優(yōu)于高一（2）班的成績。

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)推斷規(guī)則，前后測Z＝16.24，Z＞2.58，P＜0.01（如表6），高一（1）班在使用了基于過程性分析的分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺后測階段成績差異非常顯著，說明這種教學(xué)模式能明顯地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。

表6 高一（1）班和前測、后測差異顯著性檢驗(yàn)

六、結(jié)語

基于過程性評價的分層教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺的構(gòu)建與應(yīng)用有效地結(jié)合了過程性評價，解決了傳統(tǒng)分層教學(xué)在實(shí)際實(shí)施過程中的諸多難點(diǎn)，讓一線教師能把更多的精力放在課堂教學(xué)中。該平臺將過程性評價和分層教學(xué)良性融合，在教學(xué)應(yīng)用中效果明顯，符合新課改中培養(yǎng)學(xué)生信息核心素養(yǎng)的要求，通過因材施教、循序漸進(jìn)的教學(xué)策略，全面促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。