智慧教學(xué)環(huán)境下學(xué)情識(shí)別與教學(xué)管理

王云艷

（湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068）

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和云技術(shù)的飛速發(fā)展，為在線平臺(tái)的建設(shè)提供了很好的技術(shù)和平臺(tái)，人們的生活也因此發(fā)生了翻天覆地的變化，比如可以通過(guò)在線平臺(tái)買菜購(gòu)物、互聯(lián)網(wǎng)就醫(yī)等。2020 年新冠肺炎疫情爆發(fā)，高校教學(xué)不得不從傳統(tǒng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€教學(xué)模式[1]，在此背景下，高校教師紛紛構(gòu)建了自己的在線智能教學(xué)平臺(tái)[2]，學(xué)生不再受傳統(tǒng)被動(dòng)接受課堂授課教學(xué)模式的束縛，可以借助平臺(tái)進(jìn)行有針對(duì)性的學(xué)習(xí)和專題性知識(shí)點(diǎn)考試，而教師也可以隨時(shí)隨地借助在線教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，因此，智慧教學(xué)已經(jīng)成為了“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代教學(xué)信息化改革和發(fā)展的新趨勢(shì)和新追求。

在線教學(xué)模式拉開了教師與學(xué)生的時(shí)空距離[3]，在此背景下，教師急需全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而調(diào)整自己的教學(xué)節(jié)奏和側(cè)重點(diǎn)，同時(shí)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行管理。受人工智能技術(shù)的推動(dòng)[4]，在線教學(xué)平臺(tái)通過(guò)學(xué)生視頻播放情況、作業(yè)情況可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度的實(shí)時(shí)學(xué)情識(shí)別跟蹤[5]，通過(guò)知識(shí)點(diǎn)與學(xué)科知識(shí)體系的分析可以實(shí)現(xiàn)智能分析學(xué)生知識(shí)掌握情況。因此，人工智能在學(xué)情識(shí)別上具有巨大優(yōu)勢(shì)，如何緊扣時(shí)代的脈搏，充分利用人工智能技術(shù)給現(xiàn)代教學(xué)帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，成了當(dāng)前高校教學(xué)管理密切關(guān)注的問(wèn)題[6]。

一、智慧在線教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

智慧在線教學(xué)平臺(tái)是教師獲得學(xué)生的學(xué)習(xí)畫像，全面掌握學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況的基礎(chǔ)，因此，智慧在線平臺(tái)的建設(shè)非常重要，智慧教學(xué)平臺(tái)整體框架如圖1 所示，分兩期進(jìn)行建設(shè)：測(cè)評(píng)考試模塊建設(shè)和教學(xué)資源模塊建設(shè)。

圖1 智慧在線教學(xué)平臺(tái)整體框架

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試和考試系統(tǒng)的功能，積累學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果和行為數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行測(cè)評(píng)考試模塊建設(shè)，具體包括：教師端的作業(yè)練習(xí)題、考試題庫(kù)和多種題型錄入；根據(jù)知識(shí)點(diǎn)配比進(jìn)行手工和自動(dòng)組卷配卷、發(fā)布作業(yè)計(jì)劃和考試計(jì)劃；學(xué)生端的線上作業(yè)、線上考試功能；設(shè)計(jì)學(xué)生的行為數(shù)據(jù)接口。

為了讓學(xué)生能進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，并對(duì)學(xué)生點(diǎn)擊量、下載量和評(píng)價(jià)加權(quán)進(jìn)行管理，需要進(jìn)行教學(xué)資源模塊建設(shè)，具體包括：教師本課程教學(xué)PPT 制作；教師本課程教學(xué)視頻制作；教師傳入資源庫(kù)；學(xué)生下載相關(guān)資源；學(xué)生瀏覽相關(guān)資源。

二、智慧教學(xué)環(huán)境下的學(xué)情識(shí)別

基于智慧在線教學(xué)平臺(tái)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，學(xué)情識(shí)別的過(guò)程如下：首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)歸一化和數(shù)據(jù)維度轉(zhuǎn)化等；其次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，具體的分析工具有支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策樹等，通過(guò)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如答題時(shí)長(zhǎng)、題目難度、答題準(zhǔn)確性和單個(gè)題目答題正確的概率等進(jìn)行分析，挖掘每個(gè)學(xué)生對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)的掌握情況；最后，智慧在線教學(xué)平臺(tái)進(jìn)一步為學(xué)生推薦相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的題目和關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的教學(xué)資源視頻，同時(shí)，教學(xué)基于智慧教學(xué)平臺(tái)獲得的學(xué)生學(xué)情識(shí)別結(jié)果，在線教學(xué)過(guò)程中可以更好地調(diào)整教學(xué)側(cè)重點(diǎn)和教學(xué)節(jié)奏，較好地進(jìn)行教學(xué)管理。智慧教學(xué)環(huán)境下的學(xué)情識(shí)別具有如下優(yōu)勢(shì)。

（一）智能評(píng)測(cè)

學(xué)生通過(guò)在線平臺(tái)做題，平臺(tái)不僅可以獲得答題信息，還可以獲得學(xué)生的答題時(shí)長(zhǎng)及修改過(guò)程等信息，通過(guò)這些信息，可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題進(jìn)行智能評(píng)測(cè)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)跟蹤和可視化。

（二）智能分析

在對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行智能評(píng)測(cè)的基礎(chǔ)上，智慧在線教學(xué)平臺(tái)將作業(yè)、考試的每道題目都與課程知識(shí)點(diǎn)及學(xué)科知識(shí)體系相關(guān)聯(lián)，從知識(shí)結(jié)構(gòu)的視角智能分析學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，確切地從考試題目中提煉知識(shí)點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)性，精確定位學(xué)生沒有掌握的知識(shí)點(diǎn)。

（三）智能推薦

智能在線教學(xué)平臺(tái)在提供學(xué)生錯(cuò)題信息的同時(shí)，更重要的是發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的強(qiáng)項(xiàng)和不足之處，從而智能推薦學(xué)生應(yīng)該看什么書，補(bǔ)充或者加強(qiáng)哪些知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，進(jìn)而依據(jù)學(xué)生學(xué)情進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推薦，依據(jù)學(xué)生的強(qiáng)項(xiàng)了解學(xué)生的就業(yè)傾向，從而進(jìn)行就業(yè)推薦。

三、智慧教學(xué)環(huán)境下的教學(xué)管理

智慧教學(xué)環(huán)境下，高校教學(xué)從傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)變到基于智慧在線教學(xué)平臺(tái)的在線教學(xué)模式，師生的時(shí)空距離拉大，為了提高在線教學(xué)的質(zhì)量，高校教師應(yīng)該解放思想，適應(yīng)疫情常態(tài)化背景下的在線教學(xué)需求，優(yōu)化在線教學(xué)資源質(zhì)量，在學(xué)情識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)行有針對(duì)性的個(gè)性化教學(xué)，全面提升高校教學(xué)水平。智慧教學(xué)環(huán)境下的教學(xué)管理主要分為如下幾個(gè)方面。

（一）構(gòu)建題庫(kù)、知識(shí)點(diǎn)、課程和課程體系關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建課程群及教學(xué)資源庫(kù)

搭建豐富完整的課程群和教學(xué)資源庫(kù)，是智慧教學(xué)環(huán)境下教師應(yīng)該做的首要事情。通過(guò)智慧在線教學(xué)平臺(tái)，可以動(dòng)態(tài)地分析學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握情況，基于學(xué)生學(xué)習(xí)行為反饋數(shù)據(jù)構(gòu)建學(xué)習(xí)認(rèn)知地圖，梳理不同領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系，形成網(wǎng)狀知識(shí)體系，達(dá)到知識(shí)和課程的智能表征，滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。豐富的教學(xué)資源可以使教師和學(xué)生都擁有集體的智慧，從而更好地設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

（二）精準(zhǔn)智能推薦，進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)輔導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)

通過(guò)學(xué)生在智慧在線教學(xué)平臺(tái)的學(xué)習(xí)行為，可以及時(shí)獲得每位學(xué)生學(xué)習(xí)和答題過(guò)程中存在的問(wèn)題，這樣教師可以找到學(xué)生學(xué)習(xí)問(wèn)題所在，從而快速地針對(duì)不同學(xué)生進(jìn)行差異化個(gè)性教學(xué)輔導(dǎo)。同時(shí)，基于智慧在線教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生也可以發(fā)現(xiàn)自己的薄弱所在，有針對(duì)性地補(bǔ)充加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)和練習(xí)，從而促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

（三）優(yōu)化教學(xué)方案，推進(jìn)學(xué)科交叉融合，助力課程群建設(shè)

基于智慧在線教學(xué)平臺(tái)，教師能分析大部分學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，基于學(xué)生實(shí)際學(xué)情不斷優(yōu)化教學(xué)方案。同時(shí)，教師基于智慧在線教學(xué)平臺(tái)的資源，進(jìn)一步進(jìn)行課程教改研究，推進(jìn)學(xué)科交叉融合。上述工作為后續(xù)課程提供了學(xué)生學(xué)情的真實(shí)基礎(chǔ)，形成了課程之間的有效銜接，教師進(jìn)行課程群的閉環(huán)管理，助力課程群建設(shè)。

四、智慧教學(xué)環(huán)境下的教學(xué)效果分析

（一）教學(xué)組織

本研究以C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程為研究基礎(chǔ)，全院共有360 名學(xué)生進(jìn)行該課程的學(xué)習(xí)，包含電氣工程、電子信息工程、通信工程和自動(dòng)化4 個(gè)專業(yè)的學(xué)生（見表1），課程采用的是線上線下聯(lián)合授課的智慧教學(xué)方式：線上端主要發(fā)布教學(xué)視頻、課程PPT、線上作業(yè)、線上考試和上課簽到等；線下端主要是采用課堂授課的方式進(jìn)行面對(duì)面課堂授課、答疑和實(shí)驗(yàn)室上機(jī)等。

表1 C 語(yǔ)言課程學(xué)生組成

（二）教學(xué)模式

課程采用的是每周4 學(xué)時(shí)的線下授課模式，共6周完成，每周線下授課結(jié)束后都在線上平臺(tái)發(fā)布一次作業(yè)和一次線上考試，線上平臺(tái)在得到學(xué)生的作業(yè)結(jié)果和考試結(jié)果后會(huì)分別反饋給教師和學(xué)生，教師會(huì)根據(jù)學(xué)生的作業(yè)考試結(jié)果進(jìn)行學(xué)情分析，特別關(guān)注那些學(xué)習(xí)成績(jī)較差的學(xué)生，并在線上平臺(tái)特別推送學(xué)習(xí)視頻和知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)作業(yè)，學(xué)生在二次作業(yè)考評(píng)后線上平臺(tái)也會(huì)記錄下學(xué)生的學(xué)習(xí)行為并進(jìn)行學(xué)情分析，如此往復(fù)。最后一節(jié)課，教師將根據(jù)線上平臺(tái)的學(xué)情結(jié)果，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析，針對(duì)學(xué)生掌握不足的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行再次講授和習(xí)題練習(xí)鞏固，并布置相應(yīng)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)和考試重點(diǎn)。

（三）教學(xué)學(xué)習(xí)效果分析

智慧教學(xué)環(huán)境下，2021 級(jí)C 語(yǔ)言課程通過(guò)線下線上聯(lián)合教學(xué)、精心整理的課堂測(cè)驗(yàn)、大量在線作業(yè)和實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，較好地實(shí)現(xiàn)了智慧教學(xué)。同時(shí)，通過(guò)線上網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，要求學(xué)生觀看任務(wù)點(diǎn)視頻，做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，有利于教師掌握授新前的學(xué)情分析和新知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)的掌握情況。為了提高課程挑戰(zhàn)度，通過(guò)加大作業(yè)數(shù)量、限制作業(yè)完成時(shí)間等舉措，防止學(xué)生有抄襲等“注水”行為；同時(shí)課程期末考試嚴(yán)格按照課程目標(biāo)的2 個(gè)指標(biāo)點(diǎn)命題，除了要考查學(xué)生對(duì)課程中基本知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，還加入了實(shí)際的工程應(yīng)用分析，課程目標(biāo)的考核更具針對(duì)性。

通過(guò)對(duì)比智慧教學(xué)環(huán)境下的2021 級(jí)C 語(yǔ)言課程成績(jī)和普通課堂教學(xué)環(huán)境下2020 級(jí)C 語(yǔ)言課程的成績(jī)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生成績(jī)得到了普遍的提升，如圖2、圖3 所示。從卷面考試成績(jī)看，90～100 分?jǐn)?shù)段學(xué)生人數(shù)提升了1.1%，80～89 分?jǐn)?shù)段人數(shù)提升了3.15%，不及格人數(shù)下降了4.39%。從考試總評(píng)成績(jī)來(lái)看，90～100 分?jǐn)?shù)段學(xué)生人數(shù)提升了2.38%，80～89 分?jǐn)?shù)段人數(shù)提升了3.14%，不及格人數(shù)下降了2.71%。不難看出，智慧學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)于提升學(xué)生的考試成績(jī)和總評(píng)成績(jī)都具有非常重要的意義。

圖2 卷面考試成績(jī)對(duì)比圖

圖3 考試總評(píng)成績(jī)對(duì)比圖

智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下，通過(guò)作業(yè)批閱、課堂測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)操作和期末考試，綜合評(píng)估學(xué)生掌握C 語(yǔ)言基本知識(shí)、實(shí)踐動(dòng)手編程能力，以及工程計(jì)算和研究的能力達(dá)成度的情況。2021 級(jí)C 語(yǔ)言課程課程目標(biāo)1、2 的達(dá)成值均在0.80 以上，見表2，課程目標(biāo)1 的達(dá)成值為0.81，課程目標(biāo)2 的達(dá)成值為0.82，表明學(xué)生完全達(dá)到了該門課程的教學(xué)目標(biāo)和能力要求。

表2 2021 級(jí)C 語(yǔ)言課程達(dá)成度

圖4 是常規(guī)課堂環(huán)境下2020 級(jí)學(xué)生目標(biāo)達(dá)成度與智慧教學(xué)環(huán)境下2021 級(jí)學(xué)生目標(biāo)達(dá)成度比較圖，不難看出，智慧教學(xué)環(huán)境下C 語(yǔ)言課程的課程目標(biāo)1 和課程目標(biāo)2 都較常規(guī)課堂環(huán)境下要高，這說(shuō)明智慧教學(xué)環(huán)境進(jìn)行的學(xué)情識(shí)別和教學(xué)管理對(duì)于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，并完成課程目標(biāo)達(dá)成度都有很大的幫助。

圖4 課程目標(biāo)達(dá)成度比較圖

五、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，智慧在線教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)成了高校教學(xué)不可或缺的教學(xué)平臺(tái)，基于智慧在線教學(xué)平臺(tái)教師能實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)情識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的教學(xué)調(diào)整和教學(xué)管理，構(gòu)建AI 協(xié)助式知識(shí)輸出和知識(shí)圖譜。借助智慧教學(xué)技術(shù)手段，教師可以將課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行抽取、融合，做到同專業(yè)課程間的知識(shí)點(diǎn)銜接，形成完整的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)課程教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考，形成真正的教考學(xué)閉環(huán)管理，全面提升教與學(xué)的相互促進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代教學(xué)改革和創(chuàng)新。