大數(shù)據(jù)分析技術在教育教學中的應用
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在教育信息化2.0時代把智能和信息化技術融入日常教學，實現(xiàn)教學信息化、學習智能化的新型教育體系一直是教學改革的重要方向。目前，部分高校已經開始智慧校園建設，通過大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網等新興技術，建立數(shù)據(jù)共享平臺，打通數(shù)據(jù)孤島。學校把校內數(shù)據(jù)匯總起來，構建教學診改系統(tǒng)，用于診斷教學中存在的問題，借助融課堂平臺時刻關注學生學習軌跡、任務完成情況以及學生的校內外活動軌跡等，實現(xiàn)了在線數(shù)據(jù)的智能化使用及開發(fā)。
（一）何謂“大數(shù)據(jù)”。目前，“大數(shù)據(jù)”雖然沒有一個十分精準的定義，但是，學界普遍認為，“大數(shù)據(jù)”指的是海量、高增長率和多樣化的信息資產。這也是信息化時代的產物，數(shù)據(jù)的來源多、增速快促成了大數(shù)據(jù)時代的到來。一般來說，大數(shù)據(jù)可以和任何行業(yè)實現(xiàn)無縫對接，如大數(shù)據(jù)融入金融就是金融大數(shù)據(jù)，融入教育就成為教育大數(shù)據(jù)，它的誕生使?jié)摬赜跀?shù)據(jù)深處的價值得以挖掘，使原本看似無用的數(shù)據(jù)為企業(yè)和社會帶來效益，更促進了日常生活、企業(yè)管理、教育教學的智能化。
（二）何謂大數(shù)據(jù)技術。大數(shù)據(jù)技術是指對龐大的潛在數(shù)據(jù)進行專業(yè)化處理的手段。飛速增長的數(shù)據(jù)不是簡單的數(shù)據(jù)處理工具就能解決的，需要憑借分布式數(shù)據(jù)存儲器、Hadoop集群平臺、數(shù)據(jù)采集技術、數(shù)據(jù)清洗工具、數(shù)據(jù)挖掘算法等等一系列的專業(yè)化技術手段進行存儲、處理和分析，更需要一些大數(shù)據(jù)技術與應用的專業(yè)人才去管理、維護、使用、開發(fā)，從而形成大數(shù)據(jù)集成平臺。
二、當前教學現(xiàn)狀
隨著高校學生規(guī)模的擴大，教師除線上線下授課、批改作業(yè)、輔導學生外，還要擔負繁重的科研任務。傳統(tǒng)的教學模式使教師分身乏術，教學效果和輸出質量不盡如人意。于是，很長一段時間，人們一直在呼吁智慧辦公、智慧校園等，希望可以通過科技的手段減少工作負荷。因此，將大數(shù)據(jù)技術融入校園，融入教育教學，提高教學質量，滿足學生需求，已經成為大勢所趨。近年來，河南機電職業(yè)學院對大數(shù)據(jù)人工智能技術的應用進行了積極探索，構建數(shù)據(jù)中心，打通數(shù)據(jù)孤島，進行智慧校園建設，對學生和教師的日常學習、教學、活動等情況進行分析，從而為教學改革提供決策依據(jù)。今年突發(fā)肺炎疫情，教學模式由之前的線上加線下全部改為線上進行。學校利用大數(shù)據(jù)技術對線上教學進行多維度分析，并對學生的學習狀態(tài)進行跟蹤分析，實現(xiàn)了“停課不停學”，高質量、高標準、高要求地開展教學活動。
（一）采集以學生活動為主題的數(shù)據(jù)。隨著教學改革的不斷深入，在高校對學生的評價主要側重于對學生綜合素質進行分析，其中包括學生成績的對比分析、學生校內外活動軌跡的分析，以及影響學生職業(yè)素養(yǎng)和綜合素質因素的分析等。以河南機電職業(yè)學院為例，大數(shù)據(jù)技術與應用專業(yè)以800名學生為樣本進行分析，學生的學習軌跡主要體現(xiàn)在線場課堂平臺上，活動軌跡主要體現(xiàn)在學生管理平臺上。通過建立中間庫，學校將學生日常產生的學習和活動碎片進行收集整理，采集到大數(shù)據(jù)中心的分布式存儲器上，并進行實時更新。具體采集數(shù)據(jù)的步驟如下：1.創(chuàng)建一個學生成績分析項目，并選擇EXCEL數(shù)據(jù)源，添加所要分析的數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)可以通過連接數(shù)據(jù)庫，輕松導入所要分析的數(shù)據(jù)。2.連接數(shù)據(jù)源“大數(shù)據(jù)專業(yè)成績表.xls”，對數(shù)據(jù)類型進行格式變更，進入數(shù)據(jù)預覽的頁面，將“snumb”“ternumb”“clanumb”設置為字符串類型，命名為“高校大數(shù)據(jù)班學生成績分析”。這一步主要是將所獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)一類型，以便進行下一步詳細的數(shù)據(jù)處理。通過創(chuàng)建的MySQL數(shù)據(jù)庫，我們將所需要的數(shù)據(jù)分類導入學生數(shù)據(jù)庫。
（二）清洗獲取到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)清洗是指找出并改正數(shù)據(jù)源中不正確數(shù)據(jù)，如檢查數(shù)據(jù)的一致性，處理無用值和殘缺值等。由于匯聚到的數(shù)據(jù)是從不同系統(tǒng)獲得的，系統(tǒng)的開發(fā)商各不相同，導致各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式及命名規(guī)范參差不齊。在拿到數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)清洗的工作量很大，數(shù)據(jù)清洗是否完整、是否正確，將直接影響分析結果的精確度。數(shù)據(jù)清洗的方法有很多種，如編寫SQL語句、使用Python中的數(shù)據(jù)清洗庫、利用八爪魚工具等。本案例主要是在搭建好的Hadoop集群平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗，結合魔鏡平臺編寫SQL語句來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗功能。數(shù)據(jù)清洗是數(shù)據(jù)分析當中至關重要的一步，數(shù)據(jù)清洗得是否徹底直接影響數(shù)據(jù)分析的準確性。經過數(shù)據(jù)清洗之后，一些格式不統(tǒng)一、殘缺、無價值及干擾項便不復存在，新生成的數(shù)據(jù)源則用于下一步的數(shù)據(jù)分析及可視化。
（三）挖掘產生的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘是指通過一系列的算法對處理過的數(shù)據(jù)進行分析，尋找數(shù)據(jù)中隱含的價值，常見的算法有聚類算法、關聯(lián)規(guī)則算法、基因算法等。數(shù)據(jù)挖掘的過程就是從這些龐大的數(shù)據(jù)中找出潛在的、未知的、對決策有幫助的關系、模式和趨勢,并建立決策支持模型的過程。本文主要采用的是聚類和關聯(lián)規(guī)則算法。聚類算法，即根據(jù)已經設定好的規(guī)則，對數(shù)據(jù)進行分門別類的處理，如將學生群體分為熟手、生手和能手；關聯(lián)規(guī)則算法，即探究兩種及以上事物之間的關聯(lián)關系，如每天學習Python課程的學生也會去學習PHP。
（四）大數(shù)據(jù)分析。大數(shù)據(jù)分析是指利用大數(shù)據(jù)技術手段，在對匯聚到數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)經過數(shù)據(jù)挖掘之后，根據(jù)實際需求以數(shù)據(jù)分析報告或者儀表盤形式，將分析結果可視化地展示出來，使分析結果清晰明了，并可以實時更新，便于分析、決策。根據(jù)處理過后的數(shù)據(jù)，教師可以對學生各科成績的數(shù)據(jù)和學生活動情況進行關聯(lián)分析，找出影響學生成績的因素，并將分析結果展示出來。確定成績影響因素后，便于學校今后教學工作的順利開展，有的放矢地進行教育教學改革。其具體分析步驟如下：1.分析學生在課堂學習以外的活動數(shù)據(jù)，如兼職、寒期打工、大學生社團、學生會等校內外活動，并分析該活動的所占比重。2.對融課程、騰訊會議等教學平臺產生的教學數(shù)據(jù)和學生的學習軌跡數(shù)據(jù)進行收集，經過處理后在Hadoop集群平臺進行處理、分析。3.對學生學習、活動所產生的數(shù)據(jù)進行整合，綜合分析出學生的成績波動情況及影響學生成績的存在因素，并對預處理后產生的數(shù)據(jù)進行可視化分析，其分析結果如上所示。我們通過一系列的分析得出結論，學生的成績和參與活動的類型及時間有一定的關系，比如數(shù)學和閱讀類的課程，需要付出較多時間和精力，不參與校內外活動的學生大多成績偏中上等，參與學生會、校外兼職的學生成績普遍偏低。而對于偏科學類和通識類的課程，需要學生具有豐富的生活閱歷，參加校內外活動多的同學大多成績處于中上等，成績和課外活動呈正相關。通過這個分析，我們也發(fā)現(xiàn)大部分學生喜歡閱讀武俠小說，對于編程類的課程喜愛度次之，對于拔高性質的、難度系數(shù)較大的課程則興趣又不大。學生的個人發(fā)展不能靠單一的考試成績來判定，要想滿足企業(yè)實際需求，成為適應企業(yè)需要的具有職業(yè)素養(yǎng)的人才，就必須實現(xiàn)德智體美勞全面發(fā)展。通過此次分析，我們發(fā)現(xiàn)，學生的培養(yǎng)計劃需要改變，培養(yǎng)模式需要改革，找出學習時間和課外活動的均衡點尤為重要，確保學生可以在不影響學習的前提下能夠全面均衡發(fā)展。同時，對分析出的個別孤立點的學生，要采取差異化對待，實現(xiàn)“一生一課表”“一生一方案”，不遺漏任何一位學生，全面提高整體教學質量。
作者:王歡歡 范桂丹 單位:河南機電職業(yè)學院
