魏善祥 王彬蘭
摘要:機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能領(lǐng)域的重要研究方向,如何將機(jī)器學(xué)習(xí)模型有效地與實(shí)際教育工作結(jié)合,以發(fā)揮其在教育場(chǎng)景下的實(shí)際價(jià)值成為一個(gè)重要問題。研究通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)本科學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī),并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)學(xué)生進(jìn)行多層次劃分,進(jìn)而實(shí)施分層教學(xué),以便教育工作者調(diào)整課程內(nèi)容和教學(xué)策略,為學(xué)生提供個(gè)性化指導(dǎo)。該方法不僅為傳統(tǒng)教學(xué)方法注入了新的活力,還有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和學(xué)習(xí)興趣。
關(guān)鍵詞:機(jī)器學(xué)習(xí);隨機(jī)森林;成績(jī)預(yù)測(cè);分層教學(xué)法;教學(xué)服務(wù)
中圖分類號(hào):G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1009-3044(2024)07-0158-04
開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID)
0 引言
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)內(nèi)對(duì)本科教育重視程度的提高,先進(jìn)技術(shù)在本科教育中的應(yīng)用日益廣泛。機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,在學(xué)生成績(jī)預(yù)測(cè)、行為建模等方面展現(xiàn)出了強(qiáng)有力的優(yōu)勢(shì),逐漸成為教育數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的有力工具。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法與傳統(tǒng)教學(xué)方法開展本科教學(xué)研究,對(duì)提升本科教學(xué)質(zhì)量具有重要作用[1]。在此背景下,本文旨在研究機(jī)器學(xué)習(xí)在本科學(xué)生成績(jī)預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用,具體以本科機(jī)械制造專業(yè)課程單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)為例,將學(xué)生成績(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果結(jié)合分層教學(xué)方法進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)研究與分析,提出一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)與分層教學(xué)法的教學(xué)框架。該教學(xué)框架可以根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的學(xué)生成績(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果,針對(duì)不同層次的學(xué)生制定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容,并對(duì)實(shí)際的教學(xué)過程、課后作業(yè)、評(píng)價(jià)過程進(jìn)行分層設(shè)計(jì),進(jìn)而為學(xué)生提供個(gè)性化的教學(xué)服務(wù)。
1 基于隨機(jī)森林算法的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程成績(jī)預(yù)測(cè)
本文首先通過對(duì)機(jī)械類專業(yè)的課程相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算,以選取與目標(biāo)課程關(guān)聯(lián)度高的課程作為預(yù)測(cè)模型的輸入變量;然后基于課程相關(guān)性分析結(jié)果,選取隨機(jī)森林回歸算法對(duì)該專業(yè)學(xué)生的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程成績(jī)進(jìn)行分類預(yù)測(cè);最終根據(jù)預(yù)測(cè)的分類結(jié)果采取預(yù)防措施,利用分層教學(xué)法為學(xué)生提供不同層次的指導(dǎo),實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在教學(xué)場(chǎng)景中的應(yīng)用。
1.1 課程相關(guān)性分析
在本科應(yīng)用型高校的專業(yè)課程中,專業(yè)課程設(shè)置往往具有相似性,過去的成績(jī)數(shù)據(jù)會(huì)影響學(xué)生新學(xué)期的專業(yè)課程成績(jī)。因此在機(jī)器學(xué)習(xí)方法建模之前,需要對(duì)課程之間的相關(guān)性進(jìn)行分析和計(jì)算,選取與目標(biāo)課程相關(guān)性強(qiáng)的特征作為輸入變量。本文用于模型訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為某高校機(jī)械類專業(yè)100名學(xué)生的6門課程成績(jī),涉及課程包括高等數(shù)學(xué)、英語(yǔ)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、電工與電子技術(shù)、數(shù)字電路、模擬電路。圖1為單片機(jī)原理及應(yīng)用課程與該6門課程特征之間的相關(guān)系數(shù)熱力圖,顏色越深代表課程之間的相關(guān)性越高,反之越低。
根據(jù)如圖1所示的熱力圖顯示,與單片機(jī)原理及應(yīng)用課程相關(guān)性較強(qiáng)的特征課程分別是電工與電子技術(shù)、模擬電路、C語(yǔ)言程序、數(shù)字電路和高等數(shù)學(xué),屬于正向強(qiáng)相關(guān);而大學(xué)英語(yǔ)與單片機(jī)原理及應(yīng)用課程幾乎沒有相關(guān)性,屬于弱相關(guān)?;谝陨戏治鼋Y(jié)果,本文選擇高等數(shù)學(xué)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、電工與電子技術(shù)、數(shù)字電路、模擬電路等5門課程成績(jī)來對(duì)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的最終成績(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
1.2 隨機(jī)森林回歸算法
隨機(jī)森林算法是一種結(jié)合自舉匯聚法和隨機(jī)決策森林方法的集成算法,其基本單元是決策樹,它是由多棵決策樹做出預(yù)測(cè)的多決策樹模型。多棵決策樹共同組成隨機(jī)森林,每一棵決策樹對(duì)輸入的新樣本分別進(jìn)行判斷,并通過簡(jiǎn)單多數(shù)投票機(jī)制或取均值確定新樣本的預(yù)測(cè)結(jié)果[2]。隨機(jī)森林算法的具體流程如圖2所示,首先利用Bootstart有放回地從原始訓(xùn)練集中隨機(jī)抽取K個(gè)樣本,一共進(jìn)行N次抽樣,形成N個(gè)訓(xùn)練樣本子集。其次假設(shè)每棵決策樹共有M個(gè)特征屬性,利用信息增益率,從M個(gè)特征中選取效果最好的屬性作為該決策樹分裂屬性。最后根據(jù)每棵決策樹的結(jié)果,投票或取平均數(shù)后得到最終預(yù)測(cè)結(jié)果。
1.3 學(xué)生成績(jī)預(yù)測(cè)
為了更好地驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,在保持與隨機(jī)森林回歸(Random Forest Regression, RFR) 算法相同的訓(xùn)練集和測(cè)試集的基礎(chǔ)上,本研究還引入了決策樹回歸(Decision Tree Regression, DTR) 、支持向量機(jī)回歸(Support Vector Regression, SVR) 、線性回歸(Linear Regression, LR) 算法對(duì)某高校機(jī)械類專業(yè)班級(jí)學(xué)生的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程成績(jī)進(jìn)行最終成績(jī)預(yù)測(cè),并對(duì)其預(yù)測(cè)結(jié)果和基于RFR算法的模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,4種模型測(cè)試樣本的成績(jī)預(yù)測(cè)值和真實(shí)值如圖5所示,圖中藍(lán)色實(shí)線代表學(xué)生的真實(shí)成績(jī),紅色虛線代表學(xué)生的預(yù)測(cè)成績(jī)??梢娀赗FR算法的學(xué)生成績(jī)預(yù)測(cè)模型重合度高于其他3個(gè)模型,這說明基于RFR算法的學(xué)生成績(jī)預(yù)測(cè)模型的性能最為優(yōu)越,決策樹算法的性能次之,擬合程度最差的為線性回歸模型。
2 基于預(yù)測(cè)結(jié)果的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程分層教學(xué)設(shè)計(jì)
本文根據(jù)現(xiàn)有單片機(jī)原理及應(yīng)用課程成績(jī)數(shù)據(jù)及學(xué)生成績(jī)特征,預(yù)測(cè)目標(biāo)課程成績(jī)分類結(jié)果,并針對(duì)分類結(jié)果實(shí)施分層教學(xué)?;陬A(yù)測(cè)結(jié)果的分層教學(xué)方法在高等教育課程設(shè)計(jì)流程中的應(yīng)用如圖4所示,根據(jù)分層教學(xué)理念,了解分層教學(xué)模式的設(shè)計(jì)思路,對(duì)各分層模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。
及應(yīng)用課程中的設(shè)計(jì)流程
2.1 分層學(xué)習(xí)者
通過上一級(jí)同專業(yè)的學(xué)生所取得的課程成績(jī)來訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型,并將樣本學(xué)生的上一學(xué)期與單片機(jī)原理及應(yīng)用相類似的課程成績(jī)輸入訓(xùn)練好的模型中進(jìn)行成績(jī)預(yù)測(cè),最終將可能取得80分及以上的學(xué)生劃為A層次,可能取得60-80分的學(xué)生劃為B層次,可能不及格的學(xué)生劃為C層次。此外,針對(duì)每個(gè)層次的學(xué)生還可以將其劃分為若干小組,每個(gè)小組由學(xué)生自發(fā)選出一名組長(zhǎng),承擔(dān)組織小組討論、收取組員作業(yè)及維持小組紀(jì)律等職責(zé)。
對(duì)學(xué)生進(jìn)行分層不是為了有差別地將學(xué)生分為“優(yōu)”“良”“差”三個(gè)級(jí)別,而是為了對(duì)不同層次的學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性輔導(dǎo),在有效提高學(xué)生成績(jī)的同時(shí),確保學(xué)生自尊心不受傷害。
2.2 教學(xué)目標(biāo)分層
教師在做好對(duì)班級(jí)內(nèi)學(xué)生的分層工作后,便可開始著手解決針對(duì)班級(jí)內(nèi)不同層次學(xué)生的教學(xué)目標(biāo)問題。在這個(gè)過程中,教師應(yīng)該做到了解不同層次學(xué)生的實(shí)際需求,以建立不同層次學(xué)生的多層次教學(xué)目標(biāo),使得教學(xué)目標(biāo)明確化[3]。
首先,教師應(yīng)該分析教學(xué)大綱目標(biāo),教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)過程中評(píng)價(jià)教學(xué)效果的主要依據(jù)。一般來講,教學(xué)目標(biāo)由教學(xué)大綱決定,教師根據(jù)教學(xué)大綱講授新知,該教學(xué)目標(biāo)缺乏靈活性,無(wú)法滿足不同層次本科學(xué)生教育的具體需求。本文以單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中“二進(jìn)制數(shù)的表示和運(yùn)算”教學(xué)內(nèi)容為例,該課程教學(xué)大綱規(guī)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)可總結(jié)為表1所述的幾個(gè)方面。
其次,將學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行分層,分層教學(xué)法的實(shí)施效果取決于具體的目標(biāo)分層。在全面分析本章節(jié)內(nèi)容的教學(xué)大綱后,將不同的教學(xué)目標(biāo)由易入難排列組合,根據(jù)不同的學(xué)生層次合理劃分,劃分結(jié)果如表2所示。針對(duì)C層次的學(xué)生,可將教學(xué)目標(biāo)定位在基礎(chǔ)性目標(biāo)的層次上,即以“識(shí)記”“領(lǐng)會(huì)”水平為準(zhǔn),為該層次的學(xué)生設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)B層次的學(xué)生,教學(xué)目標(biāo)應(yīng)設(shè)定在“應(yīng)用”水平上,要求學(xué)生掌握教學(xué)大綱的所有知識(shí)點(diǎn)。針對(duì)A層次的學(xué)生,要求在前兩個(gè)層次的教學(xué)目標(biāo)基礎(chǔ)上,以“分析”“綜合”“評(píng)價(jià)”的水平為標(biāo)準(zhǔn),確定一個(gè)發(fā)展性目標(biāo),培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力。
2.3 分層授課
分層授課是分層教學(xué)法實(shí)施的中心環(huán)節(jié),也是最難操作的環(huán)節(jié)。分層授課的具體流程圍繞教師活動(dòng)和學(xué)生活動(dòng)展開,且活動(dòng)展開方式可以根據(jù)不同的教學(xué)任務(wù)進(jìn)行調(diào)整[4]。授課過程中,教師應(yīng)提供適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和反饋,學(xué)生應(yīng)該自主學(xué)習(xí)、互相協(xié)作和反思總結(jié),共同推進(jìn)課堂教學(xué)有效開展,具體授課流程圖如圖5所示。
分層授課流程主要分為溫故知新、新課講授、小組探討和總結(jié)答疑4個(gè)環(huán)節(jié)。溫故知新環(huán)節(jié)是由老師提出問題,帶領(lǐng)學(xué)生回顧舊知,學(xué)生則通過回憶上節(jié)課所學(xué)內(nèi)容并舉手回答問題。新課講授環(huán)節(jié),由老師確定新課的重、難點(diǎn),學(xué)生自主預(yù)習(xí),明確學(xué)習(xí)目標(biāo);導(dǎo)入新課,老師將課前準(zhǔn)備好的問題展示在多媒體上,引導(dǎo)學(xué)生思考;提出問題,老師講解新知,學(xué)生則聆聽教師講解并記錄,同時(shí)教師給予積極回答問題的學(xué)生正面反饋,鼓勵(lì)繼續(xù)努力。小組討論環(huán)節(jié),由老師提出層次分明的問題,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論,各小組就教師提出的問題開始討論;討論結(jié)束后老師分別選出一位A、B、C層次的學(xué)生進(jìn)行回答并給予鼓勵(lì)??偨Y(jié)答疑環(huán)節(jié),由老師總結(jié)本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容的重難點(diǎn),對(duì)各小組進(jìn)行點(diǎn)評(píng),提問B層次學(xué)生本節(jié)課學(xué)習(xí)重點(diǎn),讓A層次的學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)充和總結(jié),同時(shí)鼓勵(lì)C層次學(xué)生進(jìn)行復(fù)述。
2.4 分層作業(yè)
對(duì)于分層教學(xué)這一創(chuàng)新型教學(xué)模式而言,除制訂分層教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容以外,設(shè)計(jì)分層作業(yè)是一個(gè)必不可少的步驟。對(duì)于各層次的學(xué)生而言,不同教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)不同教學(xué)要求,因此教師應(yīng)該在課后針對(duì)不同層次學(xué)生布置不同的作業(yè),從而讓學(xué)生有針對(duì)性地練習(xí),使得所有學(xué)生都學(xué)有所獲。
在分層教學(xué)模式中,課后作業(yè)的布置需符合不同層次學(xué)生對(duì)新課程內(nèi)容的掌握情況??蓪⒆鳂I(yè)劃分為基礎(chǔ)性作業(yè)、鞏固性作業(yè)和綜合性作業(yè)三種形式,基礎(chǔ)性作業(yè)面向C層次學(xué)生,鞏固性作業(yè)面向B層次學(xué)生,綜合性作業(yè)面向A層次學(xué)生?;A(chǔ)性題目是所有學(xué)生必須掌握的教學(xué)重點(diǎn);在此基礎(chǔ)上,較高層次的學(xué)生需完成難度升級(jí)的題目,以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)力,獲得更多的成就感。
2.5 分層評(píng)價(jià)
分層教學(xué)在評(píng)價(jià)過程中注重過程性評(píng)價(jià),依據(jù)教學(xué)目標(biāo),采用科學(xué)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),制定評(píng)價(jià)量表。本文采用自主評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)兩種評(píng)價(jià)方式,學(xué)生根據(jù)其在課堂學(xué)習(xí)中的真實(shí)表現(xiàn),結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自我評(píng)價(jià),并通過這個(gè)過程進(jìn)行學(xué)習(xí)反思。學(xué)生的進(jìn)步程度取決于其在原有學(xué)習(xí)層次上的提高,因此教師不能使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估學(xué)生,而應(yīng)該考察各層次的學(xué)生是否已經(jīng)達(dá)到了本層次所設(shè)定的目標(biāo),并根據(jù)學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)做出評(píng)價(jià)[5]。在評(píng)價(jià)過程中,針對(duì)基礎(chǔ)較差的C層次學(xué)生,主要以表?yè)P(yáng)為主,增強(qiáng)其自信心;針對(duì)B層次的學(xué)生,要布置一定的學(xué)習(xí)任務(wù),鼓勵(lì)學(xué)生做到更好;針對(duì)學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的A層次學(xué)生,要在肯定其表現(xiàn)的同時(shí)指出不足的地方,避免驕傲。
3 動(dòng)態(tài)調(diào)整
學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)表現(xiàn)不是一成不變的,學(xué)習(xí)是一個(gè)持續(xù)性的過程,每個(gè)學(xué)生的專業(yè)課程學(xué)習(xí)進(jìn)步情況不盡相同。因此在整個(gè)教學(xué)過程中,需根據(jù)不同學(xué)生的進(jìn)步程度給予正面反饋并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶哟握{(diào)整。動(dòng)態(tài)地調(diào)整學(xué)生學(xué)習(xí)層次,有助于提高那些中途學(xué)習(xí)懶散、成績(jī)下滑學(xué)生的危機(jī)意識(shí),同時(shí)這對(duì)學(xué)習(xí)有進(jìn)步的學(xué)生也是一種激勵(lì)。對(duì)學(xué)生層次的調(diào)整不宜過于頻繁,一學(xué)期不能超過兩次;同時(shí)層次變化不宜過大,否則學(xué)生將無(wú)法適應(yīng)變化的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容。
4 總結(jié)
本文提出了一種基于學(xué)生成績(jī)分類預(yù)測(cè)結(jié)果的分層教學(xué)法,該方法根據(jù)分類結(jié)果將學(xué)生分為不同層次,并針對(duì)不同層次的學(xué)生分別設(shè)計(jì)分層目標(biāo)、分層授課、分層作業(yè)和分層評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。該方法可以依托學(xué)生的預(yù)測(cè)成績(jī)、背景信息等數(shù)據(jù),提前制定個(gè)性化教學(xué)方案,為傳統(tǒng)教學(xué)模式提供有價(jià)值的參考,這對(duì)現(xiàn)代教育的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。
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【通聯(lián)編輯:王 力】