大數(shù)據(jù)下數(shù)字化學習環(huán)境的變革與趨勢

龐敬文　趙琳

摘要：學習環(huán)境的構建是實現(xiàn)學與教方式變革的基礎。近年來，隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，數(shù)字化學習環(huán)境也面臨著巨大的變革與挑戰(zhàn)。本文從美國發(fā)布的“大數(shù)據(jù)研究與開發(fā)計劃”與《提升教與學：教育數(shù)據(jù)挖掘和學習分析》入手，并結合教育部科學技術研究重點項目成果《教育數(shù)據(jù)挖掘：方法與應用》，從學習分析的視角出發(fā)，探討大數(shù)據(jù)對數(shù)字化學習環(huán)境帶來的沖擊與影響。筆者試圖從個性化學習、協(xié)作學習環(huán)境建設、優(yōu)化數(shù)字化學習過程及教學評估等幾個維度展開具體論述。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)；數(shù)字化學習環(huán)境；變革與趨勢

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）20-0086-05

前言

近年來，隨著新技術的不斷開發(fā)與互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，人們正在進入大數(shù)據(jù)時代。聯(lián)合國在2012年發(fā)布的大數(shù)據(jù)白皮書Big Data for Development：Challenges & Opportunities中指出，大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來，大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)將會對社會各個領域產生深刻影響。[1]世界各國都高度重視大數(shù)據(jù)帶來的機遇與挑戰(zhàn)，因此投入了大量的人力、物力來支持大數(shù)據(jù)的相關研究。美國在2012年3月29日正式啟動“大數(shù)據(jù)研究與開發(fā)計劃”（Big Data Research and Development Initiative），提出“通過搜集、處理龐大而復雜的數(shù)據(jù)信息，從中獲得知識和洞見，提升能力，加快科學、工程領域的創(chuàng)新步伐，強化美國國家安全，轉變教育和學習模式”，正式將“大數(shù)據(jù)”提高到國家戰(zhàn)略層面。[2]

在教育領域，許多世界知名高校也啟動了教育大數(shù)據(jù)的相關研究計劃。為了更好地促進大數(shù)據(jù)為教育領域服務，美國教育部于2012年10月發(fā)布了《提升教與學：教育數(shù)據(jù)挖掘和學習分析報告》（Enhancing Teaching and Learning Through Educational Data Mining and Learning Analytics），旨在通過提升教育數(shù)據(jù)挖掘技術和學習分析技術，改變教與學的方式，實現(xiàn)教與學的提升與發(fā)展。

我國學者也逐漸意識到教育大數(shù)據(jù)對教育領域的重要作用，2012年歲末，教育科學出版社出版《教育數(shù)據(jù)挖掘：方法與應用》一書。它在大數(shù)據(jù)時代的背景下，指出致力于從大量數(shù)據(jù)中提取或“挖掘”知識的數(shù)據(jù)挖掘將有助于發(fā)揮教育數(shù)據(jù)的價值，數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)挖掘可以作為審慎決策的依據(jù)。[3]隨著移動終端等先進的網(wǎng)絡設備逐漸進駐課堂，傳統(tǒng)的學習環(huán)境已經(jīng)演變成數(shù)字化學習環(huán)境，學生在借助數(shù)字化學習環(huán)境中的網(wǎng)絡設備進行學習時，大量的學習行為被記錄下來，形成了規(guī)模宏大的教育大數(shù)據(jù)。分析這些大數(shù)據(jù)，能有效促進學生在數(shù)字化學習環(huán)境下的學習。

基本概念

1.大數(shù)據(jù)

自2009年以來，IDC、Gartner、麥肯錫、普華永道和埃森哲等咨詢公司，《紐約時報》《福布斯》《財富周刊》《斯隆管理評論》《技術評論》等商業(yè)管理刊物，以及《科學》《自然》等科學雜志，都連篇累牘地介紹了大數(shù)據(jù)。其中，麥肯錫認為，“大數(shù)據(jù)”將成為下一個創(chuàng)新前沿。[4]

麥肯錫全球研究院將“大數(shù)據(jù)”定義為“無法在一定時間內使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具對其內容進行獲取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合”?！按髷?shù)據(jù)”可以認為是“分析”的另一種表述，它是尋求從數(shù)據(jù)中萃取知識，并將其轉化為商業(yè)優(yōu)勢的智能化活動。在大多數(shù)文獻中“大數(shù)據(jù)”被總結為以下三個特征（即三個V）[5]：①容量大（Volume）。2012年，全球數(shù)據(jù)總量約為2.7～3.5ZB。而每秒鐘通過網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量已經(jīng)超過了20年前互聯(lián)網(wǎng)的總存儲量。②產生速度快（Velocity）。IBM將這一屬性定義為數(shù)據(jù)進出的高速性，也可以將這一特性引申理解為對大數(shù)據(jù)迅速的處理能力以及決策能力的要求。③多樣性（Variety）。大數(shù)據(jù)所包含的數(shù)據(jù)種類不僅有常規(guī)意義上的關系數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)，而且容納了如圖片、流媒體以及社會網(wǎng)絡信息等在內的全新數(shù)據(jù)類型。

此外，大數(shù)據(jù)的“信息價值大與冗余信息多（Value）”這一屬性也被眾多學者納入大數(shù)據(jù)的第四個特征。

2.學習分析

2012年10月，美國教育部發(fā)布的《提升教與學：教育數(shù)據(jù)挖掘和學習分析報告》將學習分析定義為，對學生學習過程中產生的大量數(shù)據(jù)進行解釋，目的是評估學業(yè)進步、預測未來表現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)潛在問題。數(shù)據(jù)來自學生的顯性行為，如完成作業(yè)、參加考試等；還有學生的隱性行為，如在線社交、課外活動、論壇發(fā)帖，以及其他一些不直接作為學生教育進步評價的活動。學習分析模型處理和顯示的數(shù)據(jù)幫助教師和學校更好地理解教與學。學習分析的目標是使教師和學校創(chuàng)造適合每位學生需要和能力的教育機會。

學習分析技術對學生、教師、管理人員、研究人員以及技術開發(fā)人員均具有重要價值。對學生而言，可以從學習者行為角度了解學習過程的發(fā)生機制，并用來優(yōu)化學習，開展適應性學習、自我導向學習；對教師和管理人員而言，可以用來評估課程和機構，改善現(xiàn)有的學?？己朔绞?，并提供更為深入的教學分析，以便教師在數(shù)據(jù)分析基礎上為學生提供更有針對性的教學干預；對研究人員而言，可以作為研究學生個性化學習的工具和研究網(wǎng)絡學習過程和效用的工具；對技術開發(fā)人員而言，可以優(yōu)化學習管理系統(tǒng)。[6]

3.數(shù)字化學習環(huán)境

數(shù)字化教學應用環(huán)境的基礎是多媒體計算機和網(wǎng)絡化環(huán)境，最基礎的是數(shù)字化的信息處理。所謂數(shù)字化的學習環(huán)境，就是信息化學習環(huán)境。這種學習環(huán)境，經(jīng)過數(shù)字化信息處理具有信息顯示多媒體化、信息傳輸網(wǎng)絡化、信息處理智能化和教學環(huán)境虛擬化的特征。為了適應學習者的學習需求，數(shù)字化學習環(huán)境包括以下五個基本組成部分：①基礎設施，如多媒體計算機、多媒體教室網(wǎng)絡、校園網(wǎng)絡、城域網(wǎng)、因特網(wǎng)等；②教育資源庫為學習者提供經(jīng)數(shù)字化處理的多樣化、可全球共享的學習材料和學習對象；③平臺向學習者展現(xiàn)的學習界面，是實現(xiàn)網(wǎng)上教與學活動的軟件系統(tǒng)；④通訊是實現(xiàn)遠程協(xié)商討論的保障；⑤學習者進行知識構建、創(chuàng)造實踐、解決問題的學習工具。

數(shù)字化學習環(huán)境中的大數(shù)據(jù)

數(shù)字化學習環(huán)境主要是基于網(wǎng)絡的各種學習平臺、學習工具、資源庫，學生在教師的指導下在學習環(huán)境中進行個性化學習，他們在學習過程中的各種學習行為被記錄在相應的學習系統(tǒng)中，下面圍繞系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)內容和數(shù)據(jù)類型做具體介紹。

1.學習數(shù)據(jù)內容分析

學習數(shù)據(jù)內容主要是記錄在電子教材系統(tǒng)、學習資源系統(tǒng)、作業(yè)與考試系統(tǒng)和互動交流系統(tǒng)中。其中，電子教材系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)內容是交互式電子內容、知識管理和社會性閱讀，記錄了學生看過的知識點、對知識點的標記與管理等，生成了海量的學習內容序列節(jié)點數(shù)據(jù)；學習資源系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)內容是課外閱讀和課件點播，記錄了學生看過的視頻、瀏覽過的課件等，生成了海量的學習資源序列節(jié)點數(shù)據(jù)；作業(yè)與考試系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)內容是作業(yè)練習和考試測評，記錄了學生練習的試題及批閱的結果、答題時間等，生成了海量的練習測評序列節(jié)點數(shù)據(jù)；互動交流系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)內容是互動答疑、學習社區(qū)和家?；?，記錄了學生參與討論互動等情況，生成了海量的互動交流序列節(jié)點數(shù)據(jù)。

2.學習數(shù)據(jù)類型分析

學生學習過程中生成的數(shù)據(jù)類型多種多樣，主要有音頻、視頻、圖片、動畫和文本等資源。其中，視音頻資源中的學習數(shù)據(jù)內容主要是教學視音頻、微視頻和網(wǎng)絡視音頻，生成的數(shù)據(jù)名稱是結構化和半結構化數(shù)據(jù)；圖片資源中的學習數(shù)據(jù)內容主要是網(wǎng)頁圖片和教學圖片，生成的數(shù)據(jù)名稱是結構化和半結構化數(shù)據(jù)；動畫資源中的學習數(shù)據(jù)內容主要是Flash動畫和網(wǎng)頁動畫，生成的數(shù)據(jù)名稱是結構化和半結構化數(shù)據(jù)；文本資源中的學習數(shù)據(jù)內容主要是電子教材、課外閱讀和教學課件，生成的數(shù)據(jù)名稱是結構化數(shù)據(jù)。

大數(shù)據(jù)對數(shù)字化學習環(huán)境的沖擊與影響

1.更支持個性化學習

個性化學習的實現(xiàn)對技術的依賴程度較高，因此在技術發(fā)展的不同時期有著不同的含義。學者曹曉明等對個性化學習的發(fā)展脈絡進行了梳理，認為個性化學習從主張教學系統(tǒng)的智能型到自適應網(wǎng)絡教學系統(tǒng)的應用，再到目前基于移動互聯(lián)網(wǎng)絡的支持個性化的學習情境和智能答疑等系統(tǒng)的開發(fā)。個性化學習內涵的說法雖然一直在變化，但個性化學習的實質是充分考慮學生的個體差異，為了更好地促進每位學生的全面發(fā)展而提出的。武法提教授及一些學者根據(jù)個性化學習的內涵及相關文獻的分析，通過歸納整理認為個性化學習包括學習內容個性化、學習活動個性化、學習方式個性化和學習評價個性化。

目前，各種移動學習終端的普及為支持學生個性化學習提供了硬件設施的基礎支持，學生在利用學習終端學習時，學習系統(tǒng)也記錄了學生學習過程的大量學習行為數(shù)據(jù)，包括學習者學習能力、學習結果等關鍵信息，根據(jù)對這些信息的分析可以全面了解學習者的學習現(xiàn)狀，如依據(jù)學習者有效登錄時間和登錄比值來分析學習者的學習意愿，用學習相關比例來分析學生是否利用線上討論區(qū)進行閑聊而非學習的情況等。利用這些結構化、半結構化和非結構化的大數(shù)據(jù)進行學習分析，可以實現(xiàn)根據(jù)學生的個體差異推送個性化的學習資源和學習路徑，以及對學習過程與學習結果的個性化監(jiān)控、指導與反饋等。由此可見，基于大數(shù)據(jù)的學習分析使真正實現(xiàn)學生的個性化發(fā)展成為可能，為進一步支持個性化學習提供了新的途徑。

2.促進協(xié)作學習環(huán)境建設

協(xié)作學習（Collaborative Learning）是以小組合作為組織形式，以掌握知識，培養(yǎng)學生合作互助、人際交往的技能為目標，以活動任務為載體，通過互動協(xié)作的方式進行學習的一種方式。與傳統(tǒng)的學習方式相比，它能更好地發(fā)揮學習者的主動性和創(chuàng)造性，有利于學習者對知識的深化理解與運用，有利于培養(yǎng)學生的協(xié)作能力、與他人交往的能力等，順應了時代發(fā)展對人才的要求。

協(xié)作學習環(huán)境包括協(xié)作學習的組織環(huán)境、空間環(huán)境、硬件環(huán)境和資源環(huán)境，應具備共享信息資源、提供交互工具、提供協(xié)作空間和個人學習空間的功能。小組協(xié)作學習的學習成果很大程度上依賴小組成員之間的協(xié)作互動，傳統(tǒng)課堂環(huán)境下的協(xié)作學習主要是小組成員之間就某一問題或任務進行討論，交流看法，是低效的小組協(xié)作。而隨著多媒體、網(wǎng)絡技術進入到普通課堂中，以及云技術、基于大數(shù)據(jù)的學習分析技術、增強現(xiàn)實等技術不斷被應用在學習平臺等系統(tǒng)的開發(fā)中，使目前的課堂學習環(huán)境越來越智能化、個性化。在這樣的學習環(huán)境下，學生的學習場所不再局限于課堂之內，可以利用學習平臺進行遠程協(xié)作學習，也可以利用各種社交軟件進行實時和非實時的交流，還可以從云端獲取大量學習資源。與此同時，學生的協(xié)作學習行為和相關數(shù)據(jù)會被記錄在學習系統(tǒng)和其個人電子檔案中，如學生在某一界面的停留時間、登錄時間、學生交流對話、學習結果呈現(xiàn)等信息，利用學習分析技術來分析這些大數(shù)據(jù)，可以了解到學生的協(xié)作學習情況，同時，這些反饋信息有利于教師教學系統(tǒng)的開發(fā)，有利于管理人員設計更符合學生協(xié)作學習需要的數(shù)字化學習環(huán)境。

雖然目前的研究者都意識到這些數(shù)據(jù)對學習環(huán)境建設的重要性，但是如何將海量的大數(shù)據(jù)進行分類并從中抽取重要的相關數(shù)據(jù)進行分析，仍是一大技術難題，正如著名的學習分析研究專家George Siemens在談到如何分析學習情境時說的那樣：“我們還沒有恰當?shù)臄?shù)據(jù)搜集方法，數(shù)據(jù)搜集還是過多地依賴于按鍵、記錄鍵盤和瀏覽器數(shù)據(jù)等，并沒有跟蹤廣泛的學習情境?！盵7]

3.優(yōu)化數(shù)字化學習過程

信息技術在課堂中的廣泛運用，不僅是為了促進教師的教，更主要的是為了促進學生自主知識意義的建構。李克東教授認為，“數(shù)字化學習是信息時代學習的重要方式，是信息技術與課程整合的核心，數(shù)字化學習的關鍵是要把信息技術作為學習的認知工具”。[8]學者張國英等認為，“數(shù)字化學習是指在教育領域建立互聯(lián)網(wǎng)平臺，學習者通過網(wǎng)絡進行學習的一種全新的、能充分體現(xiàn)學習者主體作用的學習方式，它帶給人們的不僅是獲取教育資源的便捷，還是有別于傳統(tǒng)課堂學習的嶄新觀念”。[9]關于數(shù)字化學習含義的說法可能不盡相同，但對數(shù)字化學習實質的認識基本一致，就是利用先進的信息技術更好地促進學生的學習和全面發(fā)展。

數(shù)字化學習過程是指學生利用先進的現(xiàn)代信息技術學習的過程。在這個過程中，信息技術的運用不僅有利于學生完成知識的獲取，而且有利于培養(yǎng)學生的能力、發(fā)展學生的思維、提高學生的素質。數(shù)字化學習過程主要包含學習者、內容和資源三大要素，而數(shù)字化學習過程的優(yōu)化具體包括學習資源、學習交流和學習過程中信息處理的優(yōu)化。

在學生利用信息技術進行學習的過程中，學習系統(tǒng)會記錄學生的具體學習行為，如學生學習日志、學習路徑、學習成果數(shù)據(jù)、課程數(shù)據(jù)、學習管理數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)構成了學生學習過程中的學習行為大數(shù)據(jù)，研究人員利用基于大數(shù)據(jù)的學習分析技術或教育數(shù)據(jù)挖掘技術對數(shù)據(jù)進行采集、存儲和分析，可以獲得學生的知識掌握水平、學習規(guī)律以及學習態(tài)度等非認知因素，有助于了解學生詳細的學習過程。同時，教師借助這些信息可以對學生進行個性化資源推送與輔導，還可以對學生的學習結果有更細致的分析與反饋，使系統(tǒng)開發(fā)人員可以創(chuàng)設更符合學生學習特點的學習平臺或資源庫，讓數(shù)字化學習更符合學生的學習特點，從而優(yōu)化數(shù)字化學習過程。

4.對數(shù)字化學習評價的影響

傳統(tǒng)的學習評價是指以學習目標為評價標準，利用課堂觀察、問卷、測驗等方式獲得學生學習狀況信息，并根據(jù)量化處理結果，對學生的學習狀況作出判斷。教師利用所獲得的判斷結果，不斷調整教學過程與教學活動，保證教學目標的完成，為改進教學提供依據(jù)。可見，傳統(tǒng)的教學評價試圖通過教師不斷改進學習策略來改善學生的學習結果，還停留在教師主導整個教學的認識階段，而隨著信息技術和先進的學習理論的廣泛運用，學習評價不只是提供給教師改進教學策略，還應提供給學生個性化、可視化的評價，以促進學生自主知識的建構。

學生利用各種終端、平臺進行數(shù)字化學習，這些學習系統(tǒng)中記錄了學生在學習過程中的所有學習行為數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在電子教材系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)字資源系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、作業(yè)與考試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和互動交流系統(tǒng)中都有相應的記錄。通過對學生知識點的掌握情況、學生寫作交流情況、作業(yè)完成情況以及考試信息等記錄的分析，教師可以對學生的學習進行深層次的評價，不僅能了解學生學習的不足，還能在此過程中發(fā)現(xiàn)學生學習的潛能，為學生、教師、學習系統(tǒng)開發(fā)人員提供有效反饋。

具體對學生學習評價的內容有課程內容學習評價、參與互動交流分析評價、考試與學習作品評價和課外資源學習評價。課程內容的學習評價主要是對學習過的知識點進行評價，評價信息包括學習時長、學習過的知識點、知識點學習次數(shù)和學習筆記等內容；參與互動交流分析評價主要是對學生的課堂活動及課外互動進行評價，具體評價信息包括在學習空間中問題發(fā)布的數(shù)量、答疑的數(shù)量，互動交流的主題數(shù)量等；考試與學習作品評價是對學生的學習作品和單元測驗的評價，對學習作品的評價包括對個人作品和小組作品的評價；課外學習資源評價包括學生在正式和非正式學習的拓展資源中的評價，包括文本的下載量、視頻的點擊量等。

基于大數(shù)據(jù)的數(shù)字化學習評價，使學習評價走向多元評價和深層次評價，評價不再單純依賴課堂觀察和學習測驗，而是根據(jù)學生學習過程中的學習行為進行評價，這樣能觀測到學生學習過程中更多的細節(jié)，給教師、學習系統(tǒng)開發(fā)人員、學生更詳實的反饋信息，有利于更好地促進學生對知識的掌握和能力的發(fā)展。

結語

大數(shù)據(jù)時代的到來，極大地推動了教育信息化的深入發(fā)展。隨著新技術的不斷發(fā)展，各種移動終端、基于移動終端的學習平臺、學習空間被廣泛地應用在學生的學習活動中，學生在借助移動終端進行學習時，學習過程等被記錄在各種系統(tǒng)上，這使得他們的大量學習行為數(shù)據(jù)能夠被輕易獲得?；诖髷?shù)據(jù)的學習分析技術使得關注學生個性化發(fā)展這一訴求有了實現(xiàn)的途徑，也使得為學生提供個性化資源、個性化學習評價等個性化服務成為可能。

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