基于聚類分析的網(wǎng)絡(luò)慕課結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模研究

仲英濟(jì)

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東·濟(jì)南 250061）

0 引言

慕課作為一種新型教育手段，已經(jīng)日益受到重視。隨著慕課應(yīng)用的發(fā)展，其不足之處也日益明顯。慕課開展過程中在線學(xué)生數(shù)量的增加會導(dǎo)致教師與學(xué)生人數(shù)的比例失衡、師生交互受限、個性化輔導(dǎo)不及時、慕課效率不高等一系列的問題[1]。傳統(tǒng)的改進(jìn)措施是加強(qiáng)線下課程互動的比重，完善線下答疑制度，從而利用線下的方式緩解慕課系統(tǒng)互動性不足的矛盾[2][3]。但是，這種方法有悖于慕課的初衷，隨著慕課的大規(guī)模應(yīng)用越來越明顯，這種線上線下結(jié)合的方式會大大降低授課效果。

慕課數(shù)據(jù)建模可以將教學(xué)理論與慕課技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過技術(shù)研發(fā)、教學(xué)實(shí)踐對慕課的各個功能模塊進(jìn)行連接，使得課程的基本原理和概念能夠在慕課技術(shù)的支撐下轉(zhuǎn)化成具體的工程經(jīng)驗(yàn)[4]。

本文基于大數(shù)據(jù)分析理論和數(shù)據(jù)聚合分析原理，研究慕課技術(shù)模型和課程建模原理，深入分析慕課結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的建模問題，為推動高等院校人工智能類慕課技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)踐方法。

1 慕課數(shù)據(jù)聚類分析的方法

由于慕課內(nèi)容的多樣性，慕課數(shù)據(jù)的離散性特征非常明顯[5]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)可以較好的解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散、數(shù)據(jù)特征不明顯、數(shù)據(jù)分類難以把握等問題。借助聚類分析技術(shù)優(yōu)化慕課數(shù)據(jù)時，需要針對具體的慕課教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、考試大綱等，構(gòu)建慕課系統(tǒng)基本模型。具體而言，需要完成以下幾方面的工作：

（1）提取各種慕課數(shù)據(jù)的基本特征。針對慕課內(nèi)容所涉及的各種數(shù)據(jù)類型，分別建立數(shù)據(jù)空間子集和功能子集，進(jìn)而合成綜合數(shù)據(jù)集。使用數(shù)據(jù)聚類分析算法，生成課程數(shù)據(jù)特征子空間。根據(jù)課程具體內(nèi)容對特征子空間進(jìn)行組合，并滿足慕課的具體需求；

（2）基于慕課內(nèi)容的可度量性對數(shù)據(jù)特征子空間進(jìn)行選取。基于慕課平臺中的具體數(shù)據(jù)，對能夠直接表征出課程知識框架的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能標(biāo)識，形成知識框架數(shù)據(jù)子空間。采用數(shù)據(jù)篩選的方法來獲取機(jī)構(gòu)化數(shù)據(jù)的特征向量，并基于數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)，形成數(shù)據(jù)匯聚趨勢圖。然后，結(jié)合數(shù)據(jù)匯聚趨勢圖對數(shù)據(jù)的可預(yù)測性進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而形成數(shù)據(jù)預(yù)測子空間；

（3）構(gòu)建慕課數(shù)據(jù)聚類空間。針對慕課數(shù)據(jù)形態(tài)的復(fù)雜性，完善自動識別課程特征變量的機(jī)制，構(gòu)建課程知識圖譜的基本模型。然后，將課程知識圖譜的基本模型嵌入數(shù)據(jù)預(yù)測子空間中，依據(jù)具體的課程內(nèi)容調(diào)整該子空間不同維度的指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)一步完善課程的數(shù)據(jù)應(yīng)用。

以上各方面的工作完成之后，我們可以設(shè)置數(shù)據(jù)建模流程，將整套流程劃分為確定數(shù)據(jù)建模目標(biāo)、明確數(shù)據(jù)類型、提取數(shù)據(jù)特征向量、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分層、數(shù)據(jù)初步建模、特征向量驗(yàn)證、數(shù)據(jù)模型優(yōu)化等幾個步驟。在確定數(shù)據(jù)建模目標(biāo)、明確數(shù)據(jù)類型、提取數(shù)據(jù)特征向量這幾個步驟中，可以充分整合數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)聚類分析的優(yōu)勢來搭建數(shù)據(jù)模型的雛形，將數(shù)據(jù)建模所需要的各個功能模塊進(jìn)行歸納和提煉，突破單一數(shù)據(jù)建模主體力量不足的限制，解決單一數(shù)據(jù)建模結(jié)構(gòu)單一、適用性差的問題。

2 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模原理

基于以上的方法，我們可以借助結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的特征對課程具體內(nèi)容進(jìn)行分析。

首先，我們利用慕課的具體知識框架搭建跨學(xué)科慕課技術(shù)體系，通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析的結(jié)果實(shí)現(xiàn)課程功能模塊之間的推理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)慕課內(nèi)容結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。然后，基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的特征向量提升慕課各個功能模塊的工作效率。通過課程數(shù)據(jù)模型和學(xué)科領(lǐng)域本體對慕課知識可能存在疑問的主題進(jìn)行自動識別，完善數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化特征。最后，明確慕課知識體系中的重要知識點(diǎn)與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。基于數(shù)據(jù)建模所表征出的數(shù)據(jù)狀態(tài)空間特征，優(yōu)化慕課各個功能模塊的工作流程和運(yùn)行規(guī)律，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)理論模型和慕課功能模塊應(yīng)用模型，結(jié)合聚類分析方法為慕課的系統(tǒng)級優(yōu)化方案提供理論支持。

需要注意的一點(diǎn)是，并非所有的慕課功能模塊都需要結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型的支持，因?yàn)樵谀秸n系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，會有一部分?jǐn)?shù)據(jù)是以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的形態(tài)存在的。換言之，并非所有的慕課功能都可以通過結(jié)構(gòu)化的優(yōu)化流程來完善。但是，在高等院校所開設(shè)的慕課中，課程結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)所占比重較大，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，并篩選出那些需要優(yōu)化的模塊對于慕課平臺的平穩(wěn)運(yùn)行非常重要。

我們可以從慕課技術(shù)體系的過程數(shù)據(jù)入手，設(shè)計(jì)慕課運(yùn)行預(yù)警系統(tǒng)。然后通過采集學(xué)生的行為數(shù)據(jù)，借助學(xué)科知識重點(diǎn)來判斷學(xué)生的知識掌握情況。具體問言，這種方法是基于慕課考試分?jǐn)?shù)、答題正確率、分值百分比等標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)來進(jìn)行慕課功能模塊綜合評價。

除了借助課程標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，還可以通過慕課技術(shù)體系的數(shù)據(jù)相關(guān)性特征來明確慕課數(shù)據(jù)分類和課程內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)之間的關(guān)系，并對某一個聚類空間中的重點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)空間特征的提取和慕課業(yè)務(wù)矢量聚合的目的。

為了達(dá)到實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)空間特征的提取和慕課業(yè)務(wù)矢量聚合的目標(biāo)，本文構(gòu)建基于聚類分析的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型。參照慕課數(shù)據(jù)聚類分析的基本方法，本文所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型由兩部分組成：模型核心控制部分和模型知識體系部分。前者主要包括課程原理、概念及其相關(guān)屬性，后者主要包括原理、概念之間的各種數(shù)學(xué)相關(guān)性的表征。慕課內(nèi)容的核心原理與概念是以慕課教材及教學(xué)大綱為依據(jù)，由授課主體依據(jù)教學(xué)過程進(jìn)行獨(dú)立標(biāo)注。然后，將標(biāo)注的課程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，重點(diǎn)針對數(shù)據(jù)特征不一致的部分進(jìn)行分析和判斷，計(jì)算出數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，為數(shù)據(jù)的歸一化提供數(shù)學(xué)指導(dǎo)。對于那些處于非核心位置上的數(shù)據(jù)對象，可以借助知識框架的基本結(jié)構(gòu)對其各個組成部分進(jìn)行標(biāo)注，最終完善課程的整套知識體系。

慕課結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模的具體過程可以分解為如下三個步驟：

第一步，基于慕課知識體系中的所有知識主體，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)分析體系，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)聚類到知識聚類的轉(zhuǎn)變。選擇與知識重點(diǎn)相關(guān)性最大的那部分結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)搭建數(shù)據(jù)模型的底層邏輯，借助大數(shù)據(jù)分析平臺對所選擇的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，形成重點(diǎn)知識數(shù)據(jù)子空間。

第二步，基于慕課體系中的非重點(diǎn)數(shù)據(jù)的形態(tài)和特點(diǎn)，完善系統(tǒng)的后臺支撐數(shù)據(jù)庫，并優(yōu)化系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理能力。對整體數(shù)據(jù)做融合處理，借助數(shù)據(jù)融合所產(chǎn)生的非線性參數(shù)對知識框架進(jìn)行分層建模，將分層后的結(jié)果反饋給慕課系統(tǒng)的相關(guān)功能模塊，實(shí)現(xiàn)慕課系統(tǒng)的非線性優(yōu)化。

第三步，基于實(shí)際的慕課運(yùn)行場景，抓取需要處理的課程主題數(shù)據(jù)類型，再借助知識框架分層模型的數(shù)據(jù)識別和處理優(yōu)勢來進(jìn)行課程綜合知識的專項(xiàng)建模與優(yōu)化，最后構(gòu)建起系統(tǒng)級的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型。

通過以上三個步驟，我們可以構(gòu)建起基于聚類分析的網(wǎng)絡(luò)慕課結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型，高校教師可以借助此模型優(yōu)化慕課技術(shù)體系的分層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)慕課系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的識別精確度，改進(jìn)慕課系統(tǒng)的交互式性能，并提升慕課系統(tǒng)的工作效率。

3 結(jié)論與展望

慕課在高等教育中的應(yīng)用，始于對高等教育教學(xué)發(fā)展規(guī)律的把握，終于對教師與學(xué)生互動性的建模和慕課技術(shù)體系的完善。若想達(dá)到這種層次，我們需要基于多學(xué)科的聯(lián)合研究，構(gòu)建起清晰的慕課業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分類與預(yù)測路線圖，進(jìn)而完善慕課的知識框架與理論體系。基于數(shù)據(jù)聚類分析的網(wǎng)絡(luò)慕課結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建模是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳選擇。本文所提出的新型基于數(shù)據(jù)聚類分析的網(wǎng)絡(luò)慕課結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法，可以顯著優(yōu)化慕課技術(shù)體系的分層結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)慕課系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的識別精確度，改進(jìn)慕課系統(tǒng)的交互式性能，并很好的提升慕課系統(tǒng)的工作效率。對該模型的充分使用，能夠有效提升我國高等教育教學(xué)慕課平臺的國際競爭力。