基于伴隨式數(shù)據(jù)收集的多維教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘研究

陸蕓婷 張德芬

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東·深圳 518000）

教育大數(shù)據(jù)伴隨式收集模式是指在教育教學(xué)活動(dòng)中，當(dāng)教師、學(xué)生等教育關(guān)聯(lián)方由于教育活動(dòng)產(chǎn)生教育數(shù)據(jù)時(shí)，借助全面、優(yōu)質(zhì)的教育管理信息系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地將各種教育數(shù)據(jù)收集并整理的特殊模式。在教育領(lǐng)域數(shù)據(jù)利用中，存在數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)挖掘方面的問(wèn)題，通過(guò)較為簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)方式已經(jīng)很難滿足當(dāng)前教育管理發(fā)展的實(shí)際情況和需要，和其他部門(mén)一樣，教育部門(mén)也需要認(rèn)真的分析這些數(shù)據(jù)，將其中蘊(yùn)含的教育教學(xué)規(guī)律更好的挖掘出來(lái)，從而給教育教學(xué)策略的調(diào)整提供幫助，切實(shí)提高教學(xué)的實(shí)際質(zhì)量。具體而言，本文著重于建立以“伴隨式數(shù)據(jù)收集”為數(shù)據(jù)獲取手段，以“多維圖數(shù)據(jù)映射”為數(shù)據(jù)降維處理過(guò)程以及以“子空間數(shù)據(jù)聚類”為數(shù)據(jù)挖掘方法的教學(xué)分析。

1 多維度圖數(shù)據(jù)模型

教育數(shù)據(jù)往往比較多，并且不同對(duì)象之間的聯(lián)系往往是多個(gè)維度的，能夠?qū)?duì)象交互多樣性很好的體現(xiàn)出來(lái)。例如學(xué)生與老師之間的交互往往是多種維度的，如日常授課、課后輔導(dǎo)、電話溝通等。如圖1 所示，（a）是真實(shí)世界中教師和學(xué)生之間的交互關(guān)系，其中五個(gè)對(duì)象之間存在的交互表示是通過(guò)虛線。以往的聚類算法會(huì)抽取不同分類的特征，并映射成為圖的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行挖掘，即將圖1（a）中的交互區(qū)分為三類，分別是日常授課（ 代表），課后輔導(dǎo)（——代表）以及電話溝通（ 代表），映射成為圖1（b）中的三個(gè)子圖后分別進(jìn)行單維度的聚類分析。

若是僅僅以聚類挖掘反應(yīng)某種特定教育交互中存在的親疏關(guān)系，那么這種較為簡(jiǎn)單的維度關(guān)系分析的時(shí)候，很難將對(duì)象之間的真實(shí)社會(huì)關(guān)系顯示出來(lái)，我們應(yīng)該在進(jìn)行聚類挖掘的時(shí)候?qū)⒏嗑S護(hù)交互引入進(jìn)來(lái)，更有可能體現(xiàn)師生之間的親疏關(guān)系。

圖1 現(xiàn)實(shí)教育關(guān)系與復(fù)雜關(guān)系圖數(shù)據(jù)的映射

本文將圖中邊類型稱為維度，如圖1（c）中有三個(gè)維度。不同維度的組合稱為子空間，子空間共有2^d-1 種組合（d 為維度），如圖1（c）中的子空間包括課堂授課、課后輔導(dǎo)、電話溝通、課堂授課+課后輔導(dǎo)、課堂授課+電話溝通、課后輔導(dǎo)+電話溝通、課堂授課+課后輔導(dǎo)+電話溝通共7 種組合。

圖2 現(xiàn)實(shí)教育關(guān)系與復(fù)雜關(guān)系圖數(shù)據(jù)的映射

圖3 SCA 算法聚類示意圖

2 伴隨式數(shù)據(jù)收集的架構(gòu)研究（見(jiàn)圖2）

3 多維度數(shù)據(jù)挖掘

采用子空間聚類算法(Subspace Cluster Algorithm, SCA）對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，SCA 對(duì)子空間的圖聚類過(guò)程如圖3 所示，設(shè)聚類師生社交圖數(shù)據(jù)中包含三種類型的邊（課堂授課、課后輔導(dǎo)、電話溝通），即圖數(shù)據(jù)維度為3。算法需要在三個(gè)維度上，自底向上分別對(duì)7 個(gè)子空間進(jìn)行運(yùn)算。即算法首先進(jìn)行一維聚類（課堂授課、課后輔導(dǎo)、電話溝通），其次為二維聚類（課堂授課+課后輔導(dǎo)、課堂授課+電話溝通、課后輔導(dǎo)+電話溝通），最后是三維聚類（課堂授課+課后輔導(dǎo)+電話溝通）（見(jiàn)圖3）。

4 教育數(shù)據(jù)的多維度聚類

對(duì)教育數(shù)據(jù)的聚類往往可以發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)行為、能力相同的學(xué)生。黨的十九大報(bào)告中也指出 “努力讓每個(gè)孩子都能享有公平而有質(zhì)量的教育”，這也就要求我們?nèi)鎸?shí)施“因材施教”，為不同學(xué)生提供個(gè)性化教育，促進(jìn)每名學(xué)生個(gè)性化成長(zhǎng)。那么如何將學(xué)習(xí)能力相似的個(gè)體聚類到一起，或者說(shuō)如何通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘得到學(xué)習(xí)行為、能力相近的個(gè)體，即如何對(duì)這些多維度特征數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類就顯得特別重要。通過(guò)挖掘可以更好的實(shí)現(xiàn)“因材施教”的目的，即針對(duì)能力相似的聚類提出特定的學(xué)習(xí)方案。