關鍵詞：精準教學；數(shù)據(jù)可視化；大數(shù)據(jù)；個性化學習；軟件開發(fā)

0 引言

隨著教育信息化發(fā)展，精準教學逐漸成為教育領域新趨勢，“云物大智”技術的應用推動智慧教育的常態(tài)化和深度應用。精準教學主要解決傳統(tǒng)“一刀切”教學模式不能滿足學生個性化發(fā)展需求的問題，受到產(chǎn)、學、研等多方面關注。

在傳統(tǒng)教學中，面對海量信息高校教育者較難高效、準確地把握教學進度、學生學習狀態(tài)等情況，而作為教育數(shù)據(jù)分析利器的精準教學可視化，將復雜的教學數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖表，增強數(shù)據(jù)的可讀性和可用性，輔助實時追蹤教學進度和狀態(tài)變化，幫助教育者及時干預和調(diào)控，促進教育決策的科學性和精準性。目前，國內(nèi)外精準教學可視化研究取得顯著進展，許多創(chuàng)新性的可視化方法和模型被提出[1-2]，但還存在可視化程度低、精度和準確性受限、缺乏個性化分析等問題，本文結合精準教學目標，采用大數(shù)據(jù)技術和流行的Web開發(fā)框架實現(xiàn)多維教學信息可視化，展示更準確、更豐富的數(shù)據(jù)分析結果。

1 精準教學與數(shù)據(jù)可視化

1.1 精準教學

精準教學是由美國學者奧格登·林斯利（OgdenLindsley）于20世紀60年代提出[3-4]，其思想可追溯到孔子的“因材施教”和蘇格拉底的“啟發(fā)式教學”。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的精準教學是用大數(shù)據(jù)和智能技術開展差異性和個性化教學，依托于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)存儲、個性化推薦等新興技術。它是一種基于科學數(shù)據(jù)分析、動態(tài)評估和優(yōu)化決策的數(shù)字化、智能化教學范式，以教學全過程數(shù)據(jù)積累和融合為前提，以數(shù)據(jù)分析與挖掘為主要手段，通過挖掘?qū)W習者的個性特征和教學規(guī)律，推薦有針對性的教學方案和資源，最終達到教師精準地“教”、學生精準地“學”。

1.2 數(shù)據(jù)可視化

所謂“一圖勝千言”，當大數(shù)據(jù)以直觀的可視化圖形展示時，人類往往能夠一眼洞悉數(shù)據(jù)背后隱藏的信息并轉(zhuǎn)化為知識及智慧[5-6]。數(shù)據(jù)可視化（Visualiza?tion） 是指信息和數(shù)據(jù)的圖形化表示，是利用圖像處理技術、計算機圖形學將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像顯示，再進行交互處理的技術、理論和方法[7]，也是解釋大量數(shù)據(jù)最有效的手段之一。依據(jù)表現(xiàn)形式分為圖表類、圖形類、地圖類、文本類等，按照表示目的和方式分為描述性、探索性、解釋性、交互式等可視化。數(shù)據(jù)可視化在金融、商業(yè)、教育、醫(yī)療等各個領域中被廣泛應用，特別是在教育領域與精準教學結合，更直觀、精準地展示學習行為、教學效果、教學資源配置等分析結果，高效挖掘教育大數(shù)據(jù)所反映的學生個性、教學規(guī)律及內(nèi)在聯(lián)系和趨勢。

2 技術架構設計

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的精準教學可視化系統(tǒng)采用前后端分離開發(fā)模式，前端采用整合ECharts可視化圖標庫的VUE框架，后端使用Spring Boot框架，前后端通過HTTP 請求和響應實現(xiàn)交互，Web API 接口符合RESTful API規(guī)范，使用HTTPS協(xié)議和數(shù)據(jù)加密算法確保交互過程中數(shù)據(jù)的安全。

構建高效、可靠的可視化系統(tǒng)需要綜合考慮數(shù)據(jù)的來源、處理、存儲和展示，本文從系統(tǒng)設計的指導思想、服務器后端、可視化前端、移動客戶端、可視化圖表庫和數(shù)據(jù)庫等方面分析，選擇適合的工具和技術確保數(shù)據(jù)的準確性和可視化效果的有效性。

2.1 系統(tǒng)設計的指導思想

（1） 采用前后端分離的開發(fā)模式，提高系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。

（2） 選擇成熟穩(wěn)定的開源框架，確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。

（3） 以用戶為中心，設計簡潔易用的可視化界面。

（4） 以精準教學為目標，通過多維可視化圖表輔助精準教學決策。

2.2 服務器后端

Spring Boot是基于spring搭建、功能強大且易于使用的開源框架，不僅繼承了Spring框架原有的優(yōu)秀特性，還具備微服務支持、監(jiān)控和管理、內(nèi)置安全性等優(yōu)點。Spring Boot簡化配置、搭建及開發(fā)過程，實現(xiàn)快速構建和部署高質(zhì)量的Spring應用程序。Spring Boot 基礎開發(fā)配置包括：JDK（Java開發(fā)工具集）、IDE（集成開發(fā)環(huán)境）以及自動化構建工具等。

2.3 可視化前端

大數(shù)據(jù)可視化工具種類繁多，包括但不限于Tab?leau、D3.js、Python、DataV等，這些工具通過各種圖表表示數(shù)據(jù)的分布、趨勢和關聯(lián)關系等。為滿足圖表豐富、實時數(shù)據(jù)圖表更新及時、不卡頓等功能和性能需求，精準教學可視化前端采用VUE框架。VUE輕量化框架是基于標準HTML、CSS和JavaScript構建的漸進式JavaScript框架，以自底向上逐漸增加的方式構建應用程序，適用于構建單頁面應用和復雜的用戶界面。VUE擁有一個強大的生態(tài)系統(tǒng)，提供了豐富的工具和特性，易學易用，性能出色，且使用WebSocket協(xié)議實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)更新，減少網(wǎng)絡延遲。

2.4 移動客戶端

移動端可視化主要包括Android、iOS、小程序及H5的可視化。為應對不同設備類型、操作系統(tǒng)和硬件平臺帶來的挑戰(zhàn)，移動可視化開發(fā)采用“原生+UniApp”開發(fā)模式。Uni-App是一個跨平臺的前端開發(fā)框架，它使用同一套代碼基礎構建面向多個平臺的應用，減少開發(fā)量，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)和維護成本。移動開發(fā)工具主要有Android Studio、Xcode、VSCode及HBuilder X等，可以快速實現(xiàn)移動應用的開發(fā)和打包。

2.5 可視化圖表庫

ECharts是一款基于JavaScript的開源可視化圖表庫，提供直觀、豐富、個性化的交互式圖表，如折線圖、柱狀圖、散點圖、餅圖、地圖等。它兼容眾多瀏覽器，流暢地運行在PC和移動設備上，也因高度可定制、跨平臺支持、可視化效果好、兼容性強等優(yōu)點而被廣泛應用。

2.6 數(shù)據(jù)庫

精準教學可視化系統(tǒng)采用“SpringBoot+VUE+MySql+Redis”，可視化數(shù)據(jù)主要由MySQL和Redis負責數(shù)據(jù)交互和存儲管理。而精準教學平臺的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)包含關系和非關系數(shù)據(jù)庫（如HDFS、HBase 等），數(shù)據(jù)源和大數(shù)據(jù)分析結果部分存儲在非關系數(shù)據(jù)庫中。為了精準教學平臺和可視化系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的流通和交互，使用數(shù)據(jù)遷移工具Sqoop完成關系型數(shù)據(jù)庫與非關系型數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)的傳輸與同步工作，如圖1所示。

MySQL是一款流行的開源關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS） ，具備高性能、可擴展性和易用性，在Web 應用方面表現(xiàn)出色。Redis（Remote Dictionary Server） 即遠程字典服務，是基于內(nèi)存的高性能鍵值對數(shù)據(jù)庫，存儲訪問頻繁、計算量大的網(wǎng)頁內(nèi)容和數(shù)據(jù)，減少對MySQL數(shù)據(jù)庫的訪問壓力。

3 可視化需求分析

（1） 學習狀態(tài)和潛力可視化

通過學生學習狀態(tài)和潛力的可視化，幫助學生正確認識自己，激發(fā)學習興趣；輔助教師發(fā)現(xiàn)學生的隱藏問題和優(yōu)勢，及時調(diào)整教學策略，制定更個性化的教學計劃和針對性指導[8]；幫助家長全面了解學生的學習學習情況，促進家校共育良好氛圍的形成。

（2） 教學質(zhì)量可視化

從教學過程和教學成果兩方面量化教學質(zhì)量。教學過程可視化是對教學過程指標的分析結果數(shù)據(jù)可視化，以課堂活躍度、學生參與度等反映教學方法的多樣性和有效性。教學成果以教師成果和學生成績體現(xiàn)，通過科研成果、成績對比、教學評價和獲獎榮譽等圖表揭示教師的教研能力和學生的學習效果。

（3） 教學資源可視化

教學資源可視化主要是對教學資源的類別、訪問量、下載量、互動頻次等數(shù)據(jù)展示，例如，通過各專業(yè)的教學資源分配及使用情況的散點圖，把握不同學生群體對資源的偏好和需求，優(yōu)化教學資源配置。

（4） 教學內(nèi)容可視化

將課程內(nèi)容以直觀、生動的方式展示給學生，不僅幫助學生較好地理解和掌握知識，提高學習效率，還便于教師創(chuàng)建教學內(nèi)容知識圖譜，構造多樣性、科學性的課程知識體系，滿足日益?zhèn)€性化的教學需求。

（5） 用戶交互

用戶交互是精準教學可視化一個復雜而重要的過程，目的是讓用戶更便捷地理解和操作數(shù)據(jù)，通過易用的交互方式和界面提高用戶體驗。

（6） 數(shù)據(jù)安全和隱私保護

在收集和使用教學及師生數(shù)據(jù)的過程中，應嚴格遵守相關的法律法規(guī)和隱私保護政策，確保高校數(shù)據(jù)安全、師生隱私不受侵犯。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

通過各種類別（對比、占比、分布、趨勢走向、關聯(lián)等）圖表實現(xiàn)以教師、學生、教學資源為維度的精準教學分析結果可視化。

4.1 學生數(shù)據(jù)可視化與實現(xiàn)（如圖2）

（1） 學習目標可視化

以目標長遠、重要程度為權重的占比類圖表（如詞云圖）展示學生的規(guī)劃目標，幫助學生合理規(guī)劃學習時間，消除迷茫，緩解焦慮。

（2） 學習態(tài)度可視化

是否主動參與課堂活動、是否愿意尋求額外學習資源、是否具備良好的學習習慣等都是衡量學習態(tài)度的重要依據(jù)。使用對比類圖表（如條形圖、柱狀圖等）展示學生的考勤、作業(yè)及課堂互動頻率，從中了解學生學習的主動性和積極性，課程學習時間的分布類圖則體現(xiàn)學生的學習習慣、自律性和專注力。

（3） 學習效果可視化

教育者從期末成績、作業(yè)成績、成績排名的對比類圖中把握每個學期學生的學習效果，通過學習行為數(shù)據(jù)的趨勢圖明晰學生的學習變化和成長軌跡，挖掘?qū)W生個性和學習規(guī)律。

（4） 綜合評價

以雷達圖展示學生在多個能力維度上的綜合表現(xiàn)，如學習能力、創(chuàng)新能力、思維能力、團隊協(xié)作、技能素養(yǎng)等。

4.2 教師數(shù)據(jù)可視化與實現(xiàn)

（1） 教學能力可視化

從教學排名、教學任務量、課堂活躍度、工作滿負荷度等方面展現(xiàn)教師的教學方法運用和教學組織能力。以教學目標、內(nèi)容與專業(yè)人才培養(yǎng)計劃、就業(yè)需求的匹配度反映教學內(nèi)容的科學性與發(fā)展性。

（2） 專業(yè)能力可視化

以教師科研量、科研成果、授課知識專業(yè)度等數(shù)據(jù)可視化體現(xiàn)教師的專業(yè)能力和科研水平。

（3） 教學效果可視化

如圖3所示，用教師的個人榮譽、授課進度、學生成績分布、教學評價等綜合量化教師“德、能、勤”方面的業(yè)績，分析教師的優(yōu)缺點并生成檢測報告，輔助教師自我完善、自我提高。

4.3 教學資源數(shù)據(jù)可視化與實現(xiàn)

教學資源可視化主要展示教學資源的多樣性、科學性及輔助教學的效果，如圖4所示。通過教學資源可視化高校管理者掌握教學資源類別、資源狀態(tài)變化及各專業(yè)資源使用情況，實時監(jiān)測和評估教學情況；學生依據(jù)學習興趣、學習目標和學習進度選擇適當?shù)慕虒W資源自主學習；教師通過教學資源評價和專業(yè)課程需求優(yōu)化教學資源配置，為學生提供更加豐富、多樣的學習資源和學習體驗，提高師生與教學資源的時空協(xié)調(diào)度。

4.4 綜合數(shù)據(jù)可視化與實現(xiàn)

（1） 教學內(nèi)容分析可視化

課程知識圖譜以“知識地圖”形式展示知識點的重要程度和知識點間的聯(lián)系，呈現(xiàn)整個學科的知識結構和脈絡。它幫助學生自主學習、查漏補缺、建立完整的知識體系，協(xié)助教師深入理解和把握課程內(nèi)容，實現(xiàn)更高效率的智慧教學，如圖5所示。

（2） 綜合教學可視化

通過師資隊伍、比賽獲獎數(shù)量及級別、就業(yè)數(shù)據(jù)等可視化反映高校綜合教學質(zhì)量和專業(yè)特色。

（3） 大數(shù)據(jù)智能化分析

智能化分析是利用大數(shù)據(jù)技術和智能化手段對教學大數(shù)據(jù)進行分析挖掘，通過大數(shù)據(jù)實時分析實現(xiàn)教學過程跟蹤，及時預測教學風險并實施預警和應對策略；利用機器學習、模式識別等智能化手段，構建學生畫像、學習路徑分析、學習成效預測等模型，挖掘?qū)W生特性、教學規(guī)律和趨勢，全面把握和精準評估教學狀態(tài)。精準教學推薦系統(tǒng)依據(jù)學生畫像推薦更精準、個性化的學習資源和學習路徑。綜合分析可視化如圖6所示。

4.5 關鍵代碼

5 總結

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的精準教學可視化融合了教育學、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化及人工智能等多領域技術，通過Web開發(fā)與大數(shù)據(jù)技術的配合與協(xié)作實現(xiàn)教師、學生和教學資源等數(shù)據(jù)可視化功能，用各種圖表展現(xiàn)教育大數(shù)據(jù)所隱藏的學生特性、教學規(guī)律等頗有價值的信息，輔助教育者科學調(diào)整教學策略，實施更精準、個性化的教學方案，讓教學由“非定量”轉(zhuǎn)向“可量化”，由“主觀性”轉(zhuǎn)向“客觀性”。但是，精準教學可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全性、數(shù)據(jù)質(zhì)量和動態(tài)可視化性能有待提高，未來將引入虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)清洗等前沿技術和更智能化的分析模型進行優(yōu)化，以更高性能、精準化、智能化的可視化系統(tǒng)推動教育變革。