大數據條件下數字化學習環境的設計與應用研究

聶巍 武漢軟件工程職業學院

隨著互聯網信息技術的不斷發展，大數據技術的應用在社會各行各業中突顯其價值。在教育領域，關于教育大數據的研究也逐漸引起越來越多高校的關注，各國研究人員致力于探究如何利用數據挖掘、學習分析技術不斷變革教與學的方法，進一步提升教與學水平。我國學者也普遍認識到大數據技術對于教育發展的重要性。在大數據時代，各類移動終端網絡設備在課堂教學中得到廣泛普及，傳統學習環境正轉變為數字化學習環境，學生在這種環境學習，其學習行為被全面記錄，構成具有宏大規模的教育數據，數據挖掘技術從大量數據中挖掘、提取知識，以充分發揮教育數據的作用，有效提升學生的學習效果。

1 建設數字化學習環境的研究思路

我國數字化學習環境建設發展歷史較短，可供借鑒的經驗不足，而學習環境的構建為變革教與學方式奠定基礎，因而，有必要不斷深入探索數字化學習環境的建設途徑。為此，首先應分析數字化學習環境的建設所面臨的挑戰：其一，數字化學習環境建設缺乏系統性，對學習過程中產生的海量數據挖掘不充分；其二，學習分析模型的構建缺乏個性化；其三，在線學習監督體系不完善；其四，數字化學習評價缺乏全面的維度，評價體系有待完善。

基于上述問題的討論，提示建設數字化學習環境的研究思路為利用大數據技術系統化設計與優化數字化學習環境以及資源配置，深度挖掘學習者學習行為，分析其認知狀態以及能力缺失情況，找出學習問題與原因，為其智能化推薦學習資源與學習路徑，以提高數字化學習環境判斷學習者學習能力的精準性；通過分析學習者的在線學習行為，識別學習者學習注意力分散的原因以及處理信息量的能力，發揮學習監督作用；最后利用大數據技術構建數字化學習環境學習評價體系，以發揮數字化學習環境建設的價值?？梢姡ㄔO數字化學習環境將涉及協作式學習環境建設、個性化學習、數字化學習過程優化、教學評估等內容。

2 大數據技術以及數字化學習環境的基本概念

2.1 大數據技術

有學者定義大數據為利用傳統數據庫軟件無法在一段時間內獲取、處理以及管理的數據集合。大數據技術在數據中提取知識，并將提取的信息智能轉化為某種商業優勢，該技術的主要特征為數據容量大、進出速度快、種類多樣以及信息價值高。大數據所囊括的數據類型不僅有常規數據倉庫數據，與包含流媒體、圖片、網絡信息等數據。

2.2 學習分析

學習分析是指解釋學生學習過程中產生的大量數據，評價學生學習進步、預估學習行為以及及時發現學生學習問題。數據包括學生完成作業任務、考試等顯性行為以及課外活動、社交網絡等隱性行為，也包括不與學生學業進步直接掛鉤的其他相關活動。學習分析模型能夠顯示和處理學校以及教師所需的用來認識教與學的數據。為學生創造合適的、符合需求的教育機會是學習分析的目的。從學生角度看，學習分析技術使其充分認識自身學習機制，以優化學習過程，實現自主導向、適應性學習；從學校和教師角度看，可以用于評價教學課程，改善教學考核方式，同時指導教師針對學生實施個性化教學干預。同時學習分析技術幫助研究人員理解學生個性化與網絡學習過程，幫助技術人員優化教學管理系統。

2.3 數字化學習環境

數字化學習環境即信息化學習環境，借助多媒體以及計算機網絡技術，該學習環境實現多媒體化信息顯示、虛擬化教學環境、網絡化信息傳輸以及智能化信息處理。數字化學習環境很好地滿足學生的學習需求，其主要構成部分為包含計算機、多媒體、校園網等的基礎設施，包含多元化、可共享的學習對象與材料的教育資源庫，為學生提供教與學網絡活動的軟件系統，實現遠程討論的通訊系統以及為學生構建知識、解決問題、創造實踐的學習工具。

3 大數據條件下數字化學習環境的設計與應用研究

3.1 數字化學習環境包含的大數據

數字化學習環境的建設基礎是各種網絡學習平臺、資源庫以及學習工具，教師指導學生在這種學習環境下開展個性化學習，在學習過程中學生的學習行為被一一記錄在有關的學習系統中，以下具體介紹學習系統中包含的數據類型以及數據內容。

3.1.1 分析學習數據內容

學生的學習數據內容被記錄在學習資源系統、網絡教材系統、討論交流系統以及課業考試系統。其中網絡教材系統的數據內容主要有交互性網絡內容、社會性閱讀以及知識管理，對學生看過的、標記的以及管理過的知識點進行記錄，形成規模龐大、以學習內容為特征的序列節點數據；討論交流系統的教學內容主要包含家?；有畔?、答疑互動數據以及學習社區，對學生參與互動、交流討論的情況進行記錄，形成規模龐大、以討論交流為特征的序列節點數據；學習資源系統的數據內容主要為課件點播以及課外閱讀等信息，對學生課件瀏覽記錄、看過的視頻進行記錄，形成規模龐大的、以學習資源為特征的序列節點數據；而課業考試系統的數據內容主要為考試測驗以及作業練習，對學生試卷評閱結果、考試時間以及試題練習情況等進行記錄，形成規模龐大的、以測評練習為特征的序列節點數據。

3.1.2 分析學習數據類型

在學習過程中，學生生成的學習數據包含多種類型，諸如圖片、視頻、文本、音頻、動畫等等。其中，視頻以及音頻資源的主要數據內容為微視頻、教學視音頻以及網絡視音頻，其數據屬性為半結構化以及結構化；圖片資源的主要數據內容為教學圖片以及網頁圖片，其數據屬性為半結構化以及結構化；動畫資源的主要數據內容為網頁動畫以及flash動畫，其數據屬性為半結構化以及結構化；文本資源的主要數據內容為教學課件、課外閱讀以及多媒體教材，其數據屬性為結構化。

3.2 大數據技術對建設數字化學習環境的影響

3.2.1 實現個性化學習

實現學生個性化學習需要依賴一定的技術，在不同時期技術發展具有不同意義。有學者梳理例個性化學習的發展過程，個性化學習是從應用智能化教學系統發展至應用自適應網絡教學系統，再發展到現階段的以互聯網技術為基礎開發智能答疑系統以及學習情境以支持個性化學習。個性化學習的本質與核心是充分關注學生的個體化差異，以促進每位學生實現個性化全面發展。個性化學習的主要內容可以概括為個性化學習內容、個性化學習活動、個性化學習方式以及個性化學習評價。

現階段，多元化移動終端的普及使得學生個性化學習的實現具備充足的技術基礎，完備的硬件設施使得學生可以在學習終端進行學習，并通過學習系統對自己的學習過程、學習行為進行記錄，形成包括學習結果、學生學習能力等內容的大量教育信息。學習系統可以充分分析這些教育信息，全面掌握學生的學習情況，比如根據學生的系統登錄比值以及實際登錄時長對其學習意愿進行分析，利用學習相關比例對學生網上交流區的具體行為進行分析等。

基于這些結構化、半結構化數據，學習分析技術可以掌握學生個體化差異情況，從而為其推送給具有針對性的學習途徑以及教學資源，同時個性化監控、指導學生的學習過程，反饋學習結果?？傊?，結合大數據技術的學習分析使得學生個性化學習成為可能，為其個性化發展提供可靠支持。

3.2.2 推動建設協作式學習環境

協作學習的組織形式為小組合作，組織目標為培養學生人際交往、合作協調能力，組織載體為小組活動任務，通過互動、交流、合作的方式，學生完成學習。相較于傳統學習方法，協作學習能夠更好地培養學生的創造力以及學習積極性與主動性，有助于加深學生對知識的理解，強化知識運用能力，有利于提升學生與人交往、協作互動能力，提升其綜合素質。

協作學習環境包含學習所需的資源、組織環境、硬件設施以及空間環境，具備多項功能，諸如提供可共享的信息資源以及交互工具，提供個人學習空間以及小組協作條件。組內成員的互動協作水平在很大程度上決定小組的學習成果以及協作成效。在傳統課堂教學中，協作學習的形式為就某一課堂問題，組內成員開展討論交流，這種形式的協作成效普遍偏低。而隨著課堂教學逐漸普及互聯網信息技術以及多媒體技術，教學平臺的開發不斷應用云計算、與大數據相結合的學習分析等新興技術，逐步提升課堂學習環境的個性化以及智能化程度。在數字化學習環境中，學生不再僅局限于在課堂中學習，而是可以利用信息化信息平臺實現遠程協作式學習，也可以通過各類社交平臺實現實時以及非實時的學習交流，還可以隨時隨地從云端資源庫獲取所需學習資源。此外，學習系統會將學生協作學習的相關數據進行記錄，同時顯示在學生個人電子檔案中。如學習系統會記錄學生登錄時間、網頁停留時間、學習社區對話等信息，通過學習分析技術對這些信息進行全面分析，以掌握學生的實際協作學習情況。同時，將這類反饋信息應用于教學系統的開發中，指導研究人員建設有效滿足學生協作學習需求的數字化學習環境。

當前，研究人員已普遍認識到建設學習環境的必要性以及重要性，但是依舊面臨一大技術難題，即如何從規模龐大的大數據中提取、挖掘有效信息，這也是未來發展教育信息化一個重要的研究方向。

3.2.3 數字化學習環境的優化

當前，教學課堂逐漸廣泛應用信息化技術，一方面不斷提升教師的教學水平，一方面有利于構建學生的自主學習意識。在信息化時代，數字化學習是一種重要的學習方式，是有效整合課程教學與信息化技術的關鍵。數字化學習的核心在于將信息技術視為學生學習的認知工具。數字化學習實現在教育領域構建互聯網學習平臺，使得學生可以通過網絡體驗一種全新的、突顯自身主體地位的學習方式。這種學習環境不僅給予學生便捷地獲取教學資源的渠道，還使得課堂教學實現教學觀念的革新。

在數字化學習環境中，學生利用現代化信息技術進行學習。信息技術的應用方便學生獲取知識，同時培養其學習能力、發展其學習思維、提升其綜合素質水平。數字化學習環境包含三要素：學生主體、資源以及內容，優化數字化學習環境即優化信息資源、優化信息處理過程以及優化學習交流過程。

在數字化學習環境中，學生學習日志、學習成果、學習路徑、學習管理數據以及課程數據等具體的學習行為會被學習系統記錄，生成包含學生學習全過程的學習行為大數據，基于大數據技術，研究人員利用學習分析技術以及數據挖掘技術采集、分析、存儲學生學習行為大數據，進而了解學生學習態度、學習習慣以及知識掌握程度等非認知情況，掌握其全面的學習過程。此外，教師可以利用分析的數據為學生制定個性化輔導方案，推送具有針對性的教學資源，更細致地分析學生的學習效果，反過來為技術開發人員建設符合學生學習特點的資源庫提供依據，讓數字化學習朝著更貼合學生學習特征的方向發展，進而不斷優化數字化學習環境。

3.2.4 完善數字化學習評價體系

傳統的學習評價模式是以學習目標實現情況為評價標準，教師利用隨堂測驗、課堂觀察等方式，通過量化評價數據，以評估學生的學習情況。教師根據所獲取的評價結果，不斷對實際教學活動進行調整，以確保完成教學目標?？梢?，這種傳統的評價方法過分依賴教師的主觀性，試圖通過改進教師教學策略來改善學生學習情況，尚處于以教師為主體的認識層面。但是，隨著信息技術的廣泛應用，學習評價體系不僅為教師提供教學改進策略，還為學生提供全方位、可視化、個性化學習評價，以提升學生構建自主知識的意識。

學生利用移動終端以及網絡平臺開展數字化學習，學習系統記錄其學習行為并生成行為大數據，這些數據在學習資源、網絡教材、討論交流以及課業考試等系統中可被查閱到。通過分析學生作業完成、寫作交流以及知識掌握等情況，教師能夠深深層次評價學生學習情況，了解其學習問題，并在這一過程中挖掘學生學習潛能，為學生、學習系統研究人員提供有效反饋。

數字化學習評價的主要內容有評價課程內容學習、評價互動交流情況、評價課業完成以及考試成績、評價課外學習情況。評價課程內容學習主要是評價學生對學習過的知識，包括評價知識點類型、學習時長、學習次數、筆記內容等信息；評價互動交流情況主要是評價學生參與課堂以及課外互動的情況，包括評價答疑次數、協作學習主題數量以及發布在學習社區的問題數量等信息；評價課業完成以及考試成績主要是評價學生單元測試結果以及個人和小組的學習作品；評價課外學習情況主要是評價學生拓展學習情況，包括評價視頻點播數、文本下載量等信息。

通過應用大數據技術，數字化學習評價使得學生學習評價由單純依賴考試以及課堂觀察的形式轉變至多元化、深層次評價。通過評價學生學習過程中的各種學習行為，教師能夠掌握關于學生的學習細節，進而更好地因材施教，有針對性地培養學生的能力，提升其知識掌握水平。

4 結語

大數據條件下數字化學習環境的設計與應用研究符合教育信息化的發展趨勢，有效貫徹教育部《教育信息化十年發展規劃》相關精神。應用大數據技術優化數字化學習環境及其資源配置，不斷提高學習環境自適應能力，提升學習服務智能化、科學化水平，對建設數字化學習環境具有重要的實踐意義。