基于大數據的智慧教學應用系統研究

孫進康 張學平 解放軍陸軍工程大學教研保障中心

目前，許多院校正在建設智慧教室和在線教學等系統，開展智慧教學的應用試點，這為智慧教學的研究與推廣奠定了基礎。但在平臺系統的建設應用中，對智慧教學的本質要求體現得還不夠，更多的是單一系統的組合，系統之間數據標準不統一，難以共享。同時，系統普遍缺乏教學大數據的實時采集與分析功能，難以對教與學進行分析診斷與評價反饋，不能滿足教與學全向交互與個性化學習需要。智慧教學中的“智慧”難以體現，迫切需要基于大數據技術構建智慧教學應用系統，以支撐智慧教學的開展。

● 智慧教學及其組成要素分析

1.智慧教學內涵要求

智慧教學可以概括為以滿足學習者的學習需要、激發學習者的創新潛能為目標，以現代先進教育理念為指導，依托新一代信息技術所構建的智能化教學手段和環境，運用豐富便捷的教學資源和靈活適用的教學方法而開展的個性化、交互化、協同化的教與學活動。[1]

智慧教學的核心是對教與學環境和教與學模式進行創新變革。其基本要求必須體現現代先進的教育思想和理念，落實以學生為中心的教育觀，改變傳統教育教學模式，建立“教為主導，學為主體”的教學結構，實施課內與課外有機結合、線上與線下相互融合的混合式教學模式，實現教與學的雙向乃至多向互動和多種教學模式的創新應用。同時基于大數據技術，聚合學習過程和教學管理數據，開展學情分析和學習診斷，精準評估教學效果，提供個性化學習服務等。[2]

2.智慧教學組成要素

智慧教學是一個復雜的大系統，組成要素必須包含教師、學生、教學內容、教學法、教學環境、教學管理與教學保障等。

教師是教學過程中的主體之一。智慧教學要求教師具有現代教學思想和理念，具備較高的信息技術素養，能夠根據學生特點開展針對性的教學設計，具有較強的教學組織、實施與評價能力，能對教學及時進行總結與反思，以便為完善后續教學奠定基礎。

學生既是教學的對象又是教學的主體。智慧教學要求學生具備現代學習理念和信息技術素養，具有一定的自主學習和協作學習能力，能根據學習進程進行自我評價與學習調整，充分發揮個性化學習的作用。

教學內容廣義上講是學生應該掌握的知識、技能，應該獲得的思想、觀點，以及良好行為習慣形成的總和。智慧教學的教學內容不僅包括教材、講義、習題冊等紙質資源，還包括用現代媒體表現的信息資源。

教學環境是支撐教與學活動的場所與交互空間，它對學生學習過程中的認知、情感和行為產生著潛在的影響。智慧教學需要智能化的教學環境支撐，智能化教學環境既包括由多媒體交互智能設備構建的實體環境，也包括網絡虛擬環境，且實體環境和虛擬環境是融為一體的。

教學法是教學過程中教師與學生為實現教學目的和教學任務要求，在教學活動中所采取的行為方式的總稱。它是智慧教學的核心和“智慧”所在，一般由教學模式、教學策略、教學方法等組成。

教學管理是教學活動各要素的全過程計劃、組織、協調、控制和評價等的總稱。智慧教學對教學管理提出了精準化和數據化的要求，需要通過管理活動，進一步優化教學要素管理與決策，為教學質量提升提供保障。

教學保障是為教學運行提供物質條件支撐和技術支持服務。智慧教學對教學保障提出了智能化、伴隨化的要求，需要對教學場地環境、教學設備和器材、信息化設施等進行系統配套建設、管理與運維服務，以確保智慧教學的正常運行。

● 智慧教學應用系統建設要求

從智慧教學的內涵要求和組成要素可知，智慧教學需要能同時支撐教學各要素及其活動過程的綜合平臺，該平臺就是智慧教學應用系統。該系統要求涵蓋教與學的全部要素，覆蓋教師、學生、教學管理、教學保障等各級各類人員，將教學全過程有機地結合在一起，實現教學全程業務的貫通和教學要素的數據共享，發揮系統整體優勢，從根本上提高教學質量與效率。智慧教學應用系統的建設應滿足以下幾方面的要求：①體現現代教學思想和理念；②支持教與學的全向交互；③支持教學時空的延伸與拓展；④支持教學模式的創新應用；⑤支持教學大數據的采集與應用；⑥支持教學環境的智能化管控；⑦支持教學資源的智能化管理與應用；⑧支持教學全過程的綜合管理與保障。

● 智慧教學應用系統功能架構

智慧教學應用系統是一個大型復雜的應用程序，涉及業務環節多、用戶角色多、要素關聯多，且隨著技術的發展和教育改革的深入，業務模塊需要更新和拓展，采用傳統粒度較大的架構模式會帶來部署效率低、運維困難、擴展難度大等問題，必須采用微服務架構模式。該模式是在SOA的基礎上，根據業務模塊劃分服務種類，每個服務都圍繞著具體業務進行構建，可以獨立部署并且互相隔離。服務之間采用輕量級的API通信機制互相溝通、相互協調與配合。多個微服務可以進行組合，組合后可以構成一個相對復雜的業務系統，以滿足業務需求。[3]

智慧教學由一系列相互關聯的獨立業務單元組成，每個獨立的業務單元即是一個微服務。采用微服務架構具有以下優點：①便于系統架構；②便于擴展；③便于應用；④便于建設；⑤便于數據共享。系統總體架構如上頁圖1所示。

實際應用中，智慧教學的基本業務功能服務模塊可按圖2所示的方式進行劃分，不同院校在教學管理與應用中具有不同的功能要求，可按需進行擴展。

圖1 智慧教學應用系統總體架構

圖2 智慧教學系統基本功能業務服務模塊劃分

● 智慧教學應用系統建設關鍵技術

1.服務模塊劃分及其業務關系

微服務架構的關鍵是業務系統徹底組件化和服務化，原有的單個業務系統拆分為多個可以獨立開發、設計、運行和運維的小應用，這些小應用之間通過服務完成交互和集成。因此，對業務系統進行需求分析，劃分服務模塊是系統建設的首要任務，在此基礎上，詳細分析各服務模塊之間的業務關系和數據流向與要求，為后續設計提供依據。

2.系統總體技術設計

在服務模塊劃分基礎上，首先確定系統內部與外部的交互關系，內部交互關系即各服務模塊之間的交互接口關系，外部交互關系即系統與公共數據平臺、公共服務平臺和其他應用系統之間的接口關系，可按照服務模塊的業務流程分析確定；其次細化各服務模塊的功能，進行功能設計；再次進行系統數據（庫）設計，確定系統輸入數據、內部產生數據和輸出數據，并開展數據庫設計；最后進行開發平臺選擇、用戶接口設計等，可采用軟件系統的開發規范進行。

3.大數據技術標準

大數據技術標準是數據在不同系統之間流轉的規范，可通過遵循國家標準、借鑒國際標準和制定本地標準三種形式構建大數據技術標準體系。[4]具體包括研發技術標準、數據接口標準、數據存儲標準、應用服務標準等。

4.大數據的采集

教育教學大數據分布在不同的層面，包括鍵擊層、回答層、學期層、學生層、教室層、教師層和學校層，可大致分為管理類、測評類、行為類和資源類四大類數據。[5]大數據的采集有下列幾種方式：①物聯感知，主要包括運用物聯傳感器技術、可穿戴設備技術、一卡通技術等采集學生學習行為數據、設備運行狀態數據、學生體質數據和學生生活數據等。②平臺采集，主要包括采用日志要素分析技術、在線學習與管理平臺技術、移動APP技術、網絡爬蟲技術等采集的各種在線學習與管理數據、移動學習過程數據、運維日志與用戶日志數據和教育網絡輿情數據等。③圖像識別，主要包括采用拍照搜題技術、點陣數碼筆技術等采集的學生考試成績數據、作業練習數據、學生課程筆記等手寫數據等。④視頻分析，主要包括采用視頻監控技術、智能錄播技術和情感識別技術等采集的校園安全數據、課堂教學數據和學習情感數據等。

5.大數據的應用

有了標準的數據，還需要搭建一個面向應用、安全可靠、操作便捷、技術先進、規范統一、靈活可擴展的大數據中心平臺，以實現大數據的匯聚、存儲、加工及統計挖掘服務。在此基礎上，建立大數據應用系統或集成到業務系統中，實現個性化學習、精準化教學和科學化管理等應用。[6]教學大數據的應用大致有下列四類：①統計類應用，主要包括應用于各級各類部門和人員的統計報表和統計查詢服務；②分析類應用，主要包括大數據業務分析服務、學情分析與診斷系統、各類分析圖表等；③挖掘類應用，主要包括專題預測模型、教學評價、個性化學習推薦引擎、決策支持系統等；④集成類應用，主要指將模型、引擎等與應用系統集成后的綜合應用，如教學總體情況評估、學生綜合素質評價、教師教學能力綜合評價、教學態勢展示等。

● 結束語

本文從教學大數據的應用出發，根據智慧教學的內涵要求和組成要素，對智慧教學應用系統的架構模式、建設要求、功能模塊劃分以及建設的關鍵技術進行了詳細研究與闡述，為智慧教學應用系統建設提供了整體工作思路和系統規劃框架，對院校智慧教學的開展具有一定的指導作用。但研究層面還處于規劃和任務階段，下一步將對智慧教學業務的全流程和服務模塊的劃分、智慧教學要求如何在系統中體現、教學大數據的采集及應用分析模型與指標的確定等進行深入研究與細化，為基于大數據的智慧教學應用系統實現提供全方位的理論與技術指導。