李建偉 蘇占玖 黃赟茹 勾學(xué)榮

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基于學(xué)習(xí)分析的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李建偉 蘇占玖 黃赟茹 勾學(xué)榮

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，北京100088）

文章詳細(xì)分析了目前國內(nèi)外現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的特點(diǎn)和存在的一系列問題，如教師嚴(yán)重不足、學(xué)習(xí)內(nèi)容不能及時(shí)根據(jù)學(xué)生需求予以更新、學(xué)生無法得到有價(jià)值的個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)等。結(jié)合學(xué)習(xí)分析理論，文章提出了基于學(xué)習(xí)分析設(shè)計(jì)自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過不斷的測試，得知學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)水平，并給學(xué)生提供適應(yīng)其水平的學(xué)習(xí)策略，激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平螺旋上升；同時(shí)，還可以幫助教師及時(shí)完善和更新課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并給學(xué)生提供有價(jià)值的個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)和主動(dòng)的支持服務(wù)。

學(xué)習(xí)分析；自適應(yīng)；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)

一背景

2012年，隨著MOOC（Massive Open Online Course）的興起，在線學(xué)習(xí)迅速風(fēng)靡全球，被大眾所關(guān)注。在線教育提供了一種全新的知識(shí)傳播模式和學(xué)習(xí)方式，將引發(fā)全球高等教育的一場重大變革。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)是在線學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)性技術(shù)平臺(tái)，是開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)或網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)的必備條件。

目前，對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的綜合評價(jià)一般從工具和功能的角度進(jìn)行優(yōu)劣評價(jià)，如國際著名網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)（LMS）評估網(wǎng)站Edutools，從用戶角度提出了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)功能的分析指標(biāo)，并指出該分析指標(biāo)主要由學(xué)習(xí)管理工具、系統(tǒng)支持工具、系統(tǒng)技術(shù)特性三大部分組成[1]。但是，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)是用來輔助教學(xué)的，應(yīng)該更多關(guān)注網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際教學(xué)效果；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)不是工具和功能點(diǎn)的堆砌，而是教學(xué)方法和模式的體現(xiàn)。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)正向具備“記錄學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)分析、個(gè)性化指導(dǎo)和知識(shí)快速更新”特征的智慧化學(xué)習(xí)環(huán)境變革。

二現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的問題分析

現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育除了具有開放性、大規(guī)模以及在線學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)[2]，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程、在線課程和支持服務(wù)方面也存在比較突出的問題，這些問題將對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生極大的影響。

①缺少必要的學(xué)習(xí)支持。通過調(diào)查，大部分教育機(jī)構(gòu)存在教師不足的問題，除了個(gè)別學(xué)校和機(jī)構(gòu)有少數(shù)專職教師，大多數(shù)學(xué)校和機(jī)構(gòu)都沒有自己專職的教師隊(duì)伍。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中一門課程會(huì)有幾百或幾千學(xué)生選課，而在MOOC中一門課程甚至有幾萬或十幾萬學(xué)生選課，目前這些機(jī)構(gòu)的學(xué)習(xí)者基本以自主學(xué)習(xí)和相互幫助為主，所以學(xué)生的學(xué)習(xí)效果比較差，學(xué)生的流失率也非常高。如根據(jù)EdX平臺(tái)上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，MOOC平臺(tái)上課程的完成率大多處于5%～10%這樣一個(gè)較低的水平，計(jì)算方法就是用最終完成課程并獲得證書的人數(shù)除以全部選課人數(shù)。

②課程的內(nèi)容更新很慢，甚至很長時(shí)間都不更新。當(dāng)我們?yōu)g覽一個(gè)新聞?lì)惥W(wǎng)站時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)網(wǎng)站的內(nèi)容長時(shí)間不更新，那么我們還會(huì)有興趣瀏覽它嗎？目前，學(xué)?；驒C(jī)構(gòu)運(yùn)營的在線課程要么直接從第三方購買，要么自己請老師和制作團(tuán)隊(duì)來制作，課程上線運(yùn)營后，課程內(nèi)容很少會(huì)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋進(jìn)行及時(shí)更新。

③缺少學(xué)習(xí)過程記錄和學(xué)習(xí)分析。這樣一來，教師無法掌握每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果反饋，也就無法給需要幫助的學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和主動(dòng)的支持服務(wù)。

這三個(gè)問題極大地影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果，也是很多學(xué)生不能堅(jiān)持完成在線課程學(xué)習(xí)的主要原因。那么，如何解決這些問題呢？傳統(tǒng)的課堂教學(xué)一般采用小班教學(xué)的形式，教師可以掌握每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并根據(jù)學(xué)生的反饋及時(shí)調(diào)整講授內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到困難會(huì)得到教師的個(gè)性化幫助和指導(dǎo)，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)比較好，這與遠(yuǎn)程教學(xué)存在的問題形成了鮮明對比，而這也正是很多人質(zhì)疑遠(yuǎn)程教育之教學(xué)質(zhì)量的重要原因。

在遠(yuǎn)程教育中引入了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，才使遠(yuǎn)程教育有了很多傳統(tǒng)教育所不具有的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它也阻斷了師生的交流和互動(dòng)，帶來了如上述所說的那樣一些問題。所以，要解決遠(yuǎn)程教育中的問題，需從改變目前的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)入手。

三基于學(xué)習(xí)分析的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

什么是學(xué)習(xí)分析技術(shù)？在首屆“學(xué)習(xí)分析和知識(shí)國際會(huì)議”上，與會(huì)者一致認(rèn)為：學(xué)習(xí)分析技術(shù)是測量、收集、分析和報(bào)告有關(guān)學(xué)生及其學(xué)習(xí)環(huán)境的數(shù)據(jù)，用以理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)及其產(chǎn)生的環(huán)境的技術(shù)?！缎旅襟w聯(lián)盟地平線報(bào)告（2012高等教育版）》也給出了近似的定義，即學(xué)習(xí)分析技術(shù)是對學(xué)生生成的海量數(shù)據(jù)的解釋和分析，以評估學(xué)生的學(xué)術(shù)進(jìn)展，預(yù)測未來的表現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)潛在的問題。從這些定義可以看出，學(xué)習(xí)分析技術(shù)分析的對象是學(xué)生及其學(xué)習(xí)環(huán)境，目的是評估學(xué)生、發(fā)現(xiàn)潛在問題、理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)，基礎(chǔ)是海量數(shù)據(jù)[3]?；谏鲜鲞h(yuǎn)程教育存在的問題，本研究提出了基于學(xué)習(xí)分析的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，其框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基于學(xué)習(xí)分析的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)圖

四基于學(xué)習(xí)分析的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

1 在線課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

學(xué)生首先要學(xué)習(xí)在線課程內(nèi)容，否則網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)將無法記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)。在線課程內(nèi)容包括四類：第一類是教師精心設(shè)計(jì)的在線閱讀和觀看內(nèi)容，這類內(nèi)容學(xué)時(shí)不長，但要求學(xué)生必須學(xué)習(xí)，相關(guān)內(nèi)容通過課程知識(shí)點(diǎn)組織在一起，構(gòu)成完整的課程體系；第二類是練習(xí)類內(nèi)容，主要包括作業(yè)、測試和虛擬實(shí)驗(yàn)等，題庫和虛擬實(shí)驗(yàn)庫也通過課程知識(shí)點(diǎn)組織在一起；第三類是參考知識(shí)類，主要由圖片、文本、音頻、視頻和原理動(dòng)畫等形式的素材組成，這些知識(shí)不要求學(xué)生必須學(xué)習(xí)，但對必學(xué)內(nèi)容是有益的補(bǔ)充，并且也通過課程知識(shí)點(diǎn)組織在一起；第四類是學(xué)生互動(dòng)積累的知識(shí)庫，主要包括論壇、問答和實(shí)時(shí)答疑等，這類知識(shí)需要人工篩選，在篩選時(shí)，有價(jià)值的知識(shí)設(shè)定相關(guān)聯(lián)的課程知識(shí)點(diǎn)。以上四類在線課程內(nèi)容都必須與課程的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，否則在后續(xù)的環(huán)節(jié)無法給學(xué)生推薦適合的內(nèi)容。

2 學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)記錄設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從學(xué)習(xí)成績、學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)頻率、學(xué)習(xí)工具使用和學(xué)習(xí)參與五個(gè)維度，記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過程[4]。

表2 學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)記錄

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用Hadoop開源云存儲(chǔ)HBase（Hadoop Database）方案。HBase是一個(gè)高可靠性、高性能、面向列、可伸縮的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，它不同于一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，而是一個(gè)適合于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫[5]。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析分為實(shí)時(shí)分析和非實(shí)時(shí)分析——實(shí)時(shí)分析包括學(xué)生提交的測試和作業(yè)需要立即批改給出成績、學(xué)生的個(gè)人學(xué)習(xí)時(shí)長需要及時(shí)給出等；非實(shí)時(shí)分析包括定期統(tǒng)計(jì)試題的正確率和每個(gè)選項(xiàng)的選擇率、在線內(nèi)容的平均瀏覽時(shí)長、學(xué)生的問題知識(shí)點(diǎn)的出現(xiàn)次數(shù)和頻率、課程中每個(gè)知識(shí)點(diǎn)在線內(nèi)容的點(diǎn)擊率等。

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析采用開源的云計(jì)算框架Hadoop。Hadoop框架最核心的設(shè)計(jì)就是HDFS和MapReduce——HDFS為海量的數(shù)據(jù)提供了存儲(chǔ)，MapReduce為海量的數(shù)據(jù)提供了計(jì)算[5]。

4 自適應(yīng)學(xué)習(xí)推薦算法設(shè)計(jì)

算法通過不斷的知識(shí)點(diǎn)測試判斷學(xué)生的實(shí)際水平，然后為學(xué)生推薦與其水平相適應(yīng)的課程內(nèi)容，并能持續(xù)激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平螺旋上升。自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法流程如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法流程圖

學(xué)生開始第一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，首先參加知識(shí)點(diǎn)的水平測試，教師為知識(shí)點(diǎn)的水平測試設(shè)置不同的難度和通過分?jǐn)?shù)，如標(biāo)準(zhǔn)難度、較高難度和最高難度；初次測試難度是標(biāo)準(zhǔn)難度。

如果第一個(gè)知識(shí)點(diǎn)水平測試通過，系統(tǒng)會(huì)詢問學(xué)生是否嘗試更高難度的學(xué)習(xí)、獲得更高的成績，如果學(xué)生選擇“是”，系統(tǒng)將依次提供較高難度和最高難度的測試。

如果第一個(gè)知識(shí)點(diǎn)水平測試不通過，系統(tǒng)會(huì)查詢學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，給學(xué)生依次推薦適合其水平、針對其知識(shí)弱點(diǎn)的在線閱讀內(nèi)容、自測、參考知識(shí)和互動(dòng)知識(shí)，如根據(jù)水平測試的統(tǒng)計(jì)，給學(xué)生推薦與錯(cuò)題相關(guān)的在線閱讀內(nèi)容和適合難度的自測題目，精確提高學(xué)習(xí)水平。然后，學(xué)生第二次參加這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的水平測試，如果測試不通過，教師將提供個(gè)性化指導(dǎo)，直到學(xué)生通過這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的水平測試。

當(dāng)學(xué)生通過第一個(gè)知識(shí)點(diǎn)水平測試后，如果不參加更高難度的學(xué)習(xí)或者已經(jīng)達(dá)到了最高難度的學(xué)習(xí)，系統(tǒng)將引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，并重復(fù)上述學(xué)習(xí)過程；當(dāng)學(xué)生完成課程要求的所有知識(shí)點(diǎn)后，系統(tǒng)給出最終的考核成績并結(jié)束這門課程的學(xué)習(xí)。

5 內(nèi)容更新和個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)

（1）課程內(nèi)容更新

①試題的更新和參數(shù)調(diào)整。系統(tǒng)定期分析學(xué)生的測試記錄，統(tǒng)計(jì)每道試題的正確率和平均作答時(shí)間，自動(dòng)根據(jù)正確率調(diào)整試題的難度系數(shù)，并根據(jù)平均作答時(shí)間來調(diào)整試題的作答時(shí)間。教師根據(jù)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)試題的作答正確率分布來決定是否需要增加試題，如果正確率分布不符合正態(tài)分布，說明試題的難度分布不合理，就增加相關(guān)難度的題目，以適應(yīng)不同水平的學(xué)生學(xué)習(xí)。

②在線內(nèi)容的更新。系統(tǒng)定期分析在線內(nèi)容的觀看時(shí)間和觀看頻率，如果某一知識(shí)點(diǎn)在線內(nèi)容的平均觀看時(shí)間超出教師設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，且平均觀看頻率也比較高，說明內(nèi)容的難度偏大，教師補(bǔ)充這些知識(shí)點(diǎn)的在線內(nèi)容，以適應(yīng)不同水平的學(xué)生學(xué)習(xí)。

③參考知識(shí)的更新。系統(tǒng)定期分析問答庫中的問題，統(tǒng)計(jì)出學(xué)生問題中出現(xiàn)次數(shù)較多的知識(shí)點(diǎn)，這些知識(shí)點(diǎn)難度可能較大，目前提供的參考知識(shí)還不夠，教師補(bǔ)充這些知識(shí)點(diǎn)的參考知識(shí)庫，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。

（2）個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)

如果某個(gè)學(xué)生在學(xué)習(xí)某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，兩次都沒有通過該知識(shí)點(diǎn)的水平測試，教師就會(huì)給這個(gè)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)指導(dǎo)，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)困難，直到掌握這個(gè)知識(shí)點(diǎn)并通過測試。

教師還會(huì)根據(jù)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果，總結(jié)一些難度較大的知識(shí)點(diǎn)，并定期組織網(wǎng)上實(shí)時(shí)答疑輔導(dǎo)，重點(diǎn)給這些學(xué)生解答和講解這些難度較大的知識(shí)點(diǎn)。

系統(tǒng)定期分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)生的上網(wǎng)次數(shù)和學(xué)習(xí)頻率，學(xué)生支持服務(wù)的老師可以主動(dòng)幫助那些一段時(shí)間內(nèi)上網(wǎng)次數(shù)較少的學(xué)生，幫助他們增加學(xué)習(xí)的次數(shù)和時(shí)間[6]，這種方式可以有效地降低學(xué)生的流失率。

系統(tǒng)定期分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)生的學(xué)業(yè)進(jìn)度，對那些快要達(dá)到修學(xué)最長年限的學(xué)生提出預(yù)警，并向支持服務(wù)的老師提供學(xué)生名單和學(xué)業(yè)進(jìn)度，讓老師可以主動(dòng)幫助那些落后的學(xué)生加快學(xué)業(yè)進(jìn)度，提高學(xué)生的按時(shí)畢業(yè)率。

五結(jié)論

學(xué)習(xí)分析在教育中的應(yīng)用將對教育產(chǎn)生極大的影響：①學(xué)習(xí)分析變革教育模式，革新教育思維；②學(xué)習(xí)分析讓教育成為精確化的實(shí)證科學(xué)。教師和教育研究者可以通過對過程性數(shù)據(jù)的分析，獲得學(xué)習(xí)者的實(shí)際學(xué)習(xí)水平、預(yù)測學(xué)習(xí)者下一步所需要的教學(xué)內(nèi)容和形式，從而實(shí)現(xiàn)因材施教，達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)體課堂很難達(dá)到的效果[7]。而且，通過學(xué)習(xí)分析，教師可以知道哪些內(nèi)容需要不斷地更新和變化，以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，教師和學(xué)生支持服務(wù)人員還可以知道學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的困難，從而可以為學(xué)生提供有價(jià)值的個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)和主動(dòng)的支持服務(wù)。

本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)就是建立在對學(xué)習(xí)行為分析的基礎(chǔ)上，及時(shí)向教師反饋學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果，并向?qū)W習(xí)者推薦下一步的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)策略，如來自不同知識(shí)庫的學(xué)習(xí)內(nèi)容、不同難度的學(xué)習(xí)活動(dòng)、學(xué)習(xí)形式和順序等[8]。目前，對自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究才處于探索階段，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)。下一步，我們將繼續(xù)增加學(xué)習(xí)過程和行為的數(shù)據(jù)記錄，不斷設(shè)計(jì)新的學(xué)生行為分析模型，完善自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法的設(shè)計(jì)，并考慮如何在不影響已有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加學(xué)習(xí)分析和自適應(yīng)學(xué)習(xí)推薦功能。

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編輯：小西

Design of Adaptive Network Teaching System based on Learning Analysis

LI Jian-wei SU Zhan-jiu HUANG Yun-ru GOU Xue-rong

In this paper, the characteristics and problems of distance education at home and abroad were analyzed, which included the serious lacks of teacher, timely renewal of learning contents according to the students’ needs, and valuably personalized learning strategies to students. Based on the learning analysis theory, a adaptive network teaching system based on learning analysis was put forward. The system can obtain the students’ real learning level and provide the students with the learning strategies adapting to their learning level by continuous testing, stimulating the spiral rise of students’ learning level. The system can also help the instructors to timely improve and update the contents of the course, and provide students with the valuably personalized learning guidance and support services.

learning analysis; adaptive; network teaching system

G40-057

A

1009—8097（2016）06—0113—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.06.0017

本文為教育部民族教育發(fā)展中心2013年度委托課題“內(nèi)地民族班學(xué)生信息管理系統(tǒng)研究”（項(xiàng)目編號：MJZXWT13007）的階段性研究成果，并受2015年北京郵電大學(xué)院級項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)分析的學(xué)生在線學(xué)習(xí)評價(jià)研究”（項(xiàng)目編號：2015WY003）資助。

李建偉，講師，碩士，研究方向?yàn)閷W(xué)習(xí)分析和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，郵箱為jwli321@126.com。

2015年10月8日