學(xué)習(xí)儀表盤在油田射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳雅娟，楊壯壯，尚福華，解紅濤，杜睿山

（東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)油田工人在射孔取心等領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)有著重要意義［1］，但其存在著缺少對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)的深入分析及學(xué)習(xí)者無法實(shí)時(shí)了解自己學(xué)習(xí)狀況等問題。學(xué)習(xí)儀表盤正是學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域典型的數(shù)據(jù)可視化工具，它通過收集到的數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)信息進(jìn)行可視化，并評(píng)估學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)，預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)結(jié)果，促進(jìn)學(xué)習(xí)者自我監(jiān)控、自我反思［2］。

目前國內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤的研究較少，且多以科普形式介紹國內(nèi)外學(xué)習(xí)儀表盤的發(fā)展現(xiàn)狀及成果。張振虹等人分析并闡述了國內(nèi)外相對(duì)成熟的學(xué)習(xí)儀表盤特征、功能及發(fā)展趨勢(shì)，并指出未來學(xué)習(xí)儀表盤的優(yōu)化方向［3］。姜強(qiáng)等人在對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行梳理后，分別設(shè)計(jì)了針對(duì)個(gè)人、同伴和班級(jí)的學(xué)習(xí)儀表盤［4］。但學(xué)習(xí)分析研究領(lǐng)域并沒有明確學(xué)習(xí)儀表盤的功能，使學(xué)習(xí)儀表盤的展示內(nèi)容與功能呈現(xiàn)多樣性，這也導(dǎo)致多數(shù)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的學(xué)習(xí)儀表盤缺少科學(xué)性與規(guī)范化設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果與學(xué)習(xí)行為的關(guān)系缺少深入挖掘，學(xué)習(xí)者無法憑借展示的信息深入了解自己真實(shí)的學(xué)習(xí)狀況。如何規(guī)范化設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)儀表盤的呈現(xiàn)內(nèi)容及如何深入分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀況成為學(xué)習(xí)儀表盤研究亟待解決的問題。

本文以學(xué)習(xí)者、呈現(xiàn)內(nèi)容、呈現(xiàn)形式等為核心要素對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤框架進(jìn)行設(shè)計(jì)；運(yùn)用邏輯回歸分析數(shù)據(jù)，確定學(xué)習(xí)效果的影響因素，構(gòu)建出學(xué)習(xí)效果與影響因素的關(guān)系模型，并將學(xué)習(xí)效果影響因素作為學(xué)習(xí)儀表盤呈現(xiàn)的核心內(nèi)容；融入油田射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜，從學(xué)習(xí)行為、知識(shí)點(diǎn)掌握情況等多維度分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)，并提供指導(dǎo)與建議。最后將學(xué)習(xí)儀表盤應(yīng)用于油田射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)，通過實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行效果驗(yàn)證。

1 學(xué)習(xí)儀表盤框架設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)儀表盤在射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用首先需要對(duì)其框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)儀表盤呈現(xiàn)的形式與內(nèi)容決定著學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)過程中的自我認(rèn)知，影響著后續(xù)學(xué)習(xí)進(jìn)程。因此，以符合學(xué)習(xí)規(guī)律的教育理念作為支撐，對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤的呈現(xiàn)形式與內(nèi)容進(jìn)行規(guī)范化、科學(xué)性的設(shè)計(jì)具有必要性。本文以油田射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以給誰使用、呈現(xiàn)什么、怎么呈現(xiàn)作為核心要素，基于已有研究［5］以使用者確定層、指標(biāo)選擇層、數(shù)據(jù)處理層、內(nèi)容呈現(xiàn)層、呈現(xiàn)形式層作為設(shè)計(jì)框架對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤進(jìn)行設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 學(xué)習(xí)儀表盤設(shè)計(jì)框架Fig.1 Learning dashboard design framework

1.1 使用者確定層

學(xué)習(xí)者作為學(xué)習(xí)過程的主體是整個(gè)設(shè)計(jì)框架的核心。隨著信息化的發(fā)展，各行各業(yè)的人群都需要進(jìn)行學(xué)習(xí)，都有成為“學(xué)習(xí)者”的可能。因此，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)儀表盤首先要解決的問題就是“給誰使用”。不同年齡與職業(yè)的學(xué)習(xí)者有著不同的學(xué)習(xí)目的和學(xué)習(xí)期望，而且興趣和偏好也存在差別，確定使用者的群體特征是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。而射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)是針對(duì)油田領(lǐng)域職業(yè)為“射孔取心”的工人進(jìn)行職業(yè)培訓(xùn)，其使用者確定為成人學(xué)習(xí)者。使用者確定層指導(dǎo)著指標(biāo)選擇層、數(shù)據(jù)處理層、內(nèi)容呈現(xiàn)層和呈現(xiàn)形式層。

1.2 指標(biāo)選擇層

選擇指標(biāo)的目的是篩選學(xué)習(xí)信息，為分析學(xué)習(xí)效果的影響因素提供支持。指標(biāo)的選擇受到使用者群體特征的影響。射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)作為成人職業(yè)培訓(xùn)平臺(tái)，其使用者具有成人學(xué)習(xí)者的特征。在對(duì)成人學(xué)習(xí)分析的研究中，Park從性別、年齡、教育程度、家庭支持、組織支持、學(xué)習(xí)者滿意度等變量對(duì)成人學(xué)習(xí)者的輟學(xué)率進(jìn)行研究［6］。本研究參考已有的研究成果并結(jié)合開發(fā)的成人培訓(xùn)系統(tǒng)的獨(dú)特性，從學(xué)習(xí)者基本信息、測(cè)試情況、行為特征等三個(gè)維度十三個(gè)指標(biāo)對(duì)學(xué)業(yè)狀態(tài)的影響因素進(jìn)行分析研究，見表1。

表1 變量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Variable index statistics

1.3 數(shù)據(jù)處理層

收集到指標(biāo)選擇層確定的數(shù)據(jù)指標(biāo)后，如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理直接影響著學(xué)習(xí)分析效果的好壞，決定著學(xué)習(xí)儀表盤是否具有使用價(jià)值。當(dāng)前對(duì)在線學(xué)習(xí)效果影響因素的研究常用方法包括聚類、分類、回歸、關(guān)系樹、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、序列模式挖掘等［7］。其中邏輯回歸（Logistic 回歸）可以根據(jù)多個(gè)離散型或連續(xù)型的自變量對(duì)離散型的因變量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。二元邏輯回歸其因變量為兩個(gè)類別的值，可以對(duì)射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)者學(xué)業(yè)狀態(tài)（安全與危險(xiǎn)）的影響因素進(jìn)行分析來構(gòu)建學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型。

1.4 內(nèi)容呈現(xiàn)層

本研究遵循科學(xué)性、規(guī)范性原則并結(jié)合射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)將學(xué)習(xí)儀表盤的主要呈現(xiàn)內(nèi)容分為三類。第一類直接展示隨著時(shí)間的推移學(xué)習(xí)者課程學(xué)習(xí)情況，如學(xué)習(xí)進(jìn)度、練習(xí)測(cè)試成績(jī)、知識(shí)點(diǎn)掌握情況等。第二類展示經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后確定的對(duì)學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生重要影響的變量指標(biāo)，如系統(tǒng)登錄次數(shù)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)、討論情況、在線時(shí)長(zhǎng)、測(cè)試成績(jī)等。第三類內(nèi)容需要較為深入的數(shù)據(jù)分析后才能進(jìn)行展示，如學(xué)習(xí)努力指數(shù)、學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)、指導(dǎo)與建議等。

1.5 呈現(xiàn)形式層

學(xué)習(xí)儀表盤常見的呈現(xiàn)形式有文字、數(shù)值、表格、圖（折線圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖、雷達(dá)圖等）等。此外，為激發(fā)射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)使用者的學(xué)習(xí)興趣，以信號(hào)燈展示學(xué)習(xí)者的當(dāng)前學(xué)習(xí)狀態(tài)，以勛章形式獎(jiǎng)勵(lì)每次測(cè)試成績(jī)超過90 分的學(xué)習(xí)者，以三維化的表格展示學(xué)習(xí)者知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)進(jìn)度等。

2 學(xué)習(xí)儀表盤關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

學(xué)習(xí)儀表盤的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建和學(xué)習(xí)狀態(tài)分析結(jié)果展示。學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型一方面用于對(duì)處于學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)的學(xué)習(xí)者進(jìn)行預(yù)警，另一方面模型中與學(xué)業(yè)狀態(tài)呈顯著相關(guān)的變量指標(biāo)作為學(xué)習(xí)儀表盤展示的核心內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)深入分析與建議，本研究根據(jù)已構(gòu)建的射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜并結(jié)合影響學(xué)業(yè)狀態(tài)的主要因素對(duì)學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行分析與可視化，根據(jù)當(dāng)前在學(xué)習(xí)行為與知識(shí)點(diǎn)上存在的問題進(jìn)行具體的指導(dǎo)與建議。

2.1 學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

2.1.1 前期分析與預(yù)處理

經(jīng)過對(duì)射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)使用者的信息進(jìn)行前期分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者大部分為男性且受教育程度大致相同，因此將變量指標(biāo)中的性別和受教育程度剔除。每個(gè)學(xué)習(xí)者單機(jī)測(cè)試的平均成績(jī)與聯(lián)網(wǎng)測(cè)試平均成績(jī)相似度高，如果兩個(gè)變量都代入回歸模型會(huì)干擾模型的構(gòu)建，影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，因此剔除單機(jī)測(cè)試平均成績(jī)指標(biāo)，選擇將聯(lián)網(wǎng)測(cè)試平均成績(jī)指標(biāo)代入回歸模型。學(xué)習(xí)者的聯(lián)網(wǎng)測(cè)試次數(shù)都大致相同，經(jīng)調(diào)查了解聯(lián)網(wǎng)測(cè)試是班級(jí)統(tǒng)一組織，聯(lián)網(wǎng)測(cè)試次數(shù)無法對(duì)預(yù)測(cè)模型產(chǎn)生影響，因此剔除聯(lián)網(wǎng)測(cè)試次數(shù)變量指標(biāo)。

本研究使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 將年齡、是否婚配、聯(lián)網(wǎng)測(cè)試成績(jī)、發(fā)起討論數(shù)、回復(fù)討論數(shù)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)、系統(tǒng)登錄時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)登錄次數(shù)等八個(gè)指標(biāo)與學(xué)業(yè)狀態(tài)（期末考試成績(jī)低于60 分為處于學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)，高于或者等于60 分為安全狀態(tài)）進(jìn)行相關(guān)性分析［8］，見表2。

表2 自變量與學(xué)業(yè)狀態(tài)的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between independent variables and academic status

通過表2 可以看出，是否婚配、發(fā)起討論數(shù)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)三個(gè)指標(biāo)與學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)沒有顯著相關(guān)性。而年齡、聯(lián)網(wǎng)測(cè)試成績(jī)、回復(fù)討論數(shù)、系統(tǒng)登錄時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)登錄次數(shù)與學(xué)業(yè)狀態(tài)在0.05 水平上顯著相關(guān)，因此將學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)作為因變量，將上述五個(gè)指標(biāo)作為自變量代入到回歸模型中。

2.1.2 構(gòu)建模型

本研究以二元邏輯回歸對(duì)學(xué)業(yè)安全狀態(tài)的發(fā)生概率進(jìn)行預(yù)測(cè)，設(shè)P為學(xué)業(yè)安全狀態(tài)的發(fā)生概率，則（1-P）為危險(xiǎn)狀態(tài)的概率，P/（1-P）為學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)的邏輯回歸發(fā)生比，再取自然對(duì)數(shù)為ln [P/(1 -P) ]。設(shè)自變量為X1，X2，· · ·，Xn，因變量為P，則邏輯回歸方程表達(dá)式表示為

因此可得出預(yù)測(cè)學(xué)業(yè)安全狀態(tài)概率的方程式為

其中，

使用SPSS 22 將射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中與學(xué)業(yè)狀態(tài)呈顯著相關(guān)的100 條指標(biāo)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本代入到二元邏輯回歸方程分析，見表3。

由表3可以得出

將公式（4）代入到公式（2）即可得出最終的預(yù)測(cè)學(xué)業(yè)安全狀態(tài)概率方程。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證得出的學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型的有效性，將83個(gè)測(cè)試樣本的數(shù)據(jù)代入方程中進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison between the predicted results and the actual results

其中預(yù)測(cè)結(jié)果為“安全”狀態(tài)的71個(gè)樣本中，實(shí)際為“安全”狀態(tài)的樣本個(gè)數(shù)是69個(gè)；預(yù)測(cè)結(jié)果為“危險(xiǎn)”狀態(tài)的12個(gè)樣本中，實(shí)際為“危險(xiǎn)”狀態(tài)的樣本個(gè)數(shù)是6個(gè)。最終預(yù)測(cè)結(jié)果中有75個(gè)與實(shí)際結(jié)果一致，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為90.4%，表明該模型有較高的準(zhǔn)確性與適用性。

2.2 學(xué)習(xí)狀態(tài)分析結(jié)果展示

2.2.1 知識(shí)點(diǎn)掌握情況可視化展示

知識(shí)點(diǎn)掌握情況的可視化展示：一是圖形展示，將已經(jīng)學(xué)習(xí)但未掌握的知識(shí)點(diǎn)變?yōu)榧t色，并根據(jù)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系生成學(xué)習(xí)路徑。二是文字提示，對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)問題的具體知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行描述，并結(jié)合學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)學(xué)習(xí)行為提出具體建議。知識(shí)點(diǎn)的可視化借助射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜進(jìn)行表示。

射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜的知識(shí)元分為章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)三種。知識(shí)元之間的關(guān)系包括：章與節(jié)、節(jié)與知識(shí)點(diǎn)的包含關(guān)系；知識(shí)點(diǎn)之間的前驅(qū)關(guān)系、后繼關(guān)系和并列關(guān)系。且包含關(guān)系、前驅(qū)關(guān)系、后繼關(guān)系、并列關(guān)系都具有傳遞性。以射孔取心工理論知識(shí)中“技師”章為例，共11 節(jié)，172 個(gè)知識(shí)點(diǎn)。用“hasPartOf”表示包含關(guān)系，“isDescendentOf”表示前驅(qū) 關(guān)系，“isApposedWith”表示并列關(guān)系［9］。通過構(gòu)建出的射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)掌握情況的分析與可視化，見圖2。

圖2 “智能分析”頁面Fig.2 “Intelligent analysis”page

2.2.2 學(xué)習(xí)行為可視化展示

僅有知識(shí)點(diǎn)的掌握情況無法全方位了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀況，還需要對(duì)學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型中影響成績(jī)的重要因素，如聯(lián)網(wǎng)測(cè)試成績(jī)、系統(tǒng)登錄時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)登錄次數(shù)、發(fā)起討論數(shù)、回復(fù)討論數(shù)等進(jìn)行分析與可視化。使用開源的數(shù)據(jù)可視化工具——ECharts 圖表庫，借助其提供的柱狀圖、折線圖、餅圖、氣泡圖、雷達(dá)圖等對(duì)學(xué)習(xí)行為進(jìn)行展示。通過學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行分析與可視化展示，見圖3。

圖3 “學(xué)情總覽”頁面Fig.3 “Learning situation overview”page

3 學(xué)習(xí)儀表盤應(yīng)用效果分析

在原射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中加入學(xué)習(xí)儀表盤功能，并在油田試油試采公司進(jìn)行測(cè)試與使用。經(jīng)過兩個(gè)月的跟蹤調(diào)查并對(duì)183 位員工的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，結(jié)果顯示，使用加入學(xué)習(xí)儀表盤功能的射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)的員工平均每周在線時(shí)長(zhǎng)從11.2小時(shí)上漲至13.1小時(shí)，培訓(xùn)合格率從86%提升至92%。

通過發(fā)放150 份調(diào)查問卷了解使用者對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤的滿意度，調(diào)查結(jié)果如表5所示。

表5 學(xué)習(xí)儀表盤使用評(píng)價(jià)Tab.5 Evaluation of learning dashboard

其中78% 的使用者認(rèn)為學(xué)習(xí)儀表盤有助于實(shí)時(shí)了解學(xué)習(xí)狀態(tài)；62% 的使用者認(rèn)為學(xué)習(xí)儀表盤能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；58% 的使用者認(rèn)為有助于明確學(xué)習(xí)目標(biāo)；70%的使用者認(rèn)為有利于提高學(xué)習(xí)效果；86% 的使用者認(rèn)為學(xué)習(xí)儀表盤的培訓(xùn)系統(tǒng)優(yōu)于原有培訓(xùn)系統(tǒng)。

綜合以上數(shù)據(jù)可以得出，學(xué)習(xí)儀表盤能激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)習(xí)者實(shí)時(shí)掌握自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，有利于提高學(xué)習(xí)效果。將學(xué)習(xí)儀表盤應(yīng)用于射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)增加了使用者的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，提升了測(cè)試成績(jī)，提高了射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)的培訓(xùn)效率。

4 結(jié)論

在線學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)狀態(tài)分析與可視化對(duì)促進(jìn)學(xué)習(xí)者的自我監(jiān)督、提高教學(xué)效率有著重要意義。學(xué)習(xí)儀表盤作為學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化的載體，學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域?qū)ζ溲芯空饾u深入。就學(xué)習(xí)儀表盤存在的呈現(xiàn)內(nèi)容不規(guī)范以及對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)分析不夠全面和深入的問題，本研究設(shè)計(jì)出學(xué)習(xí)儀表盤的設(shè)計(jì)框架，為呈現(xiàn)規(guī)范化、科學(xué)性的學(xué)習(xí)信息做支撐。并在學(xué)習(xí)儀表盤中融入射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜，多維度分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)，從學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)路徑等角度對(duì)學(xué)習(xí)者提出具體建議。將學(xué)習(xí)儀表盤應(yīng)用到射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)后，使用者每周學(xué)習(xí)時(shí)間增加，平均測(cè)試成績(jī)提升，明顯提高了射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)的培訓(xùn)效率。