教育大數(shù)據(jù)的三大顛覆性應(yīng)用

大數(shù)據(jù)對(duì)教育領(lǐng)域的沖擊是全面性的。針對(duì)不同層次的需求，教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用形成了各種產(chǎn)品和服務(wù)。從適應(yīng)性教學(xué)到動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)評(píng)，從管理模型構(gòu)建到數(shù)據(jù)共享門戶，各種類型的應(yīng)用勾勒出了大數(shù)據(jù)影響教育領(lǐng)域的整體圖景。我們不妨通過(guò)國(guó)際范圍內(nèi)典型的技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)，從適應(yīng)性教學(xué)、教育規(guī)律發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)管理支持三個(gè)方面，對(duì)有較大影響的教育大數(shù)據(jù)國(guó)際應(yīng)用進(jìn)行分析，以期對(duì)我國(guó)教育大數(shù)據(jù)發(fā)展應(yīng)用提供借鑒。

圖1 教育大數(shù)據(jù)的應(yīng)用

適應(yīng)性教學(xué)支持

適應(yīng)性教與學(xué)是教學(xué)的最優(yōu)化狀態(tài)。適應(yīng)性教學(xué)中的內(nèi)容、方法和過(guò)程都可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的狀況來(lái)進(jìn)行定制，讓每個(gè)學(xué)習(xí)者都有可能獲得適合自己的最大程度的發(fā)展。適應(yīng)性教學(xué)的實(shí)現(xiàn)，需要基于學(xué)習(xí)者的個(gè)體特征和學(xué)習(xí)狀況的全面分析。大數(shù)據(jù)為追蹤和整合這些數(shù)據(jù)，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化支持提供了可能。

圖2 適應(yīng)性教學(xué)的構(gòu)成

最為常見(jiàn)的適應(yīng)性教學(xué)系統(tǒng)來(lái)自在線學(xué)習(xí)領(lǐng)域。在各種學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)和在線學(xué)習(xí)平臺(tái)中，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程能夠得到完整記錄。學(xué)習(xí)過(guò)程的記錄結(jié)合人口學(xué)和學(xué)習(xí)風(fēng)格等學(xué)習(xí)者特征數(shù)據(jù)，可以清晰地表征學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)者特征，在有效記錄學(xué)習(xí)過(guò)程、綜合評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)狀況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行診斷和推薦，開(kāi)展有針對(duì)性的教學(xué)。

適應(yīng)性學(xué)習(xí)支持幾乎已經(jīng)成了在線學(xué)習(xí)的“標(biāo)配”，在每一個(gè)商業(yè)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)中，都有不同程度的適應(yīng)性。內(nèi)容推薦是適應(yīng)性的一種主要形式。然而，真正有效的適應(yīng)性教學(xué)系統(tǒng)需要整合三個(gè)系統(tǒng)，即知識(shí)系統(tǒng)、行為系統(tǒng)和特征系統(tǒng)。通過(guò)知識(shí)系統(tǒng)來(lái)描繪知識(shí)體系；通過(guò)行為系統(tǒng)來(lái)記錄學(xué)習(xí)、練習(xí)和反饋過(guò)程；通過(guò)特征系統(tǒng)去分析學(xué)生的個(gè)體特征和學(xué)習(xí)特質(zhì)。

當(dāng)前，最具代表意義的適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)當(dāng)屬Knewton和可汗學(xué)院(Kehan Academy)。此類適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)重點(diǎn)支持了學(xué)生的學(xué)。學(xué)習(xí)系統(tǒng)試圖扮演教師的角色，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行自動(dòng)化記錄、診斷和干預(yù)。適應(yīng)性學(xué)習(xí)的另一個(gè)層面是對(duì)教師教的支持。在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，教師可以根據(jù)自身的需求對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)自己設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)化或半自動(dòng)化的評(píng)價(jià)。在數(shù)據(jù)的支持下，教師可以結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行診斷和干預(yù)。在教師的訓(xùn)練下，大數(shù)據(jù)工具將對(duì)教師的教提供更有力的支持。大數(shù)據(jù)工具將成為教師最好的幫手，而不是競(jìng)爭(zhēng)者。

以Masteryconnect為例，Masteryconnect對(duì)教師的教提供了全面的數(shù)據(jù)化支持，它從教師的日常工作出發(fā)，提供了數(shù)據(jù)采集、分析、呈現(xiàn)和基于數(shù)據(jù)的協(xié)作支持。教師可以在其支持下采集各種教學(xué)數(shù)據(jù)，包括課堂觀察數(shù)據(jù)、答題卡數(shù)據(jù)、量表數(shù)據(jù)和在線測(cè)試數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)之后，Masteryconnect可以進(jìn)行自動(dòng)化分析和可視化呈現(xiàn)。分析的結(jié)果可以通過(guò)該系統(tǒng)分享給其他教師，教師可以在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行交流和協(xié)作。Masteryconnect為各種形成性評(píng)價(jià)提供了全面的支持，教師可以自行建立教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，并為各個(gè)模塊和知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)問(wèn)卷、練習(xí)、試卷等各種測(cè)評(píng)方式。測(cè)評(píng)可以發(fā)布到PC和移動(dòng)設(shè)備，學(xué)生可以選擇自己喜歡的方式完成測(cè)評(píng)。同時(shí)，測(cè)評(píng)結(jié)果可以形成定制報(bào)告，并發(fā)送給家長(zhǎng)。

教育規(guī)律發(fā)現(xiàn)

教育研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性研究。在大數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，教育研究將出現(xiàn)不同的態(tài)勢(shì)，通過(guò)挖掘、分析教育大數(shù)據(jù)，研究者可以量化學(xué)習(xí)過(guò)程，表征學(xué)習(xí)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)影響因素，找到干預(yù)策略，從更深的層次揭示教育規(guī)律。

圖3 通過(guò)大數(shù)據(jù)揭示教育規(guī)律

這里可以通過(guò)對(duì)美國(guó)的三個(gè)大數(shù)據(jù)教育應(yīng)用的案例，即“預(yù)測(cè)分析報(bào)告項(xiàng)目(Predictive Analytics Reporting，PAR)、數(shù)據(jù)商店(Data Shop)和Data.gov”的介紹與分析，充分了解大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化研究和數(shù)據(jù)門戶對(duì)教育規(guī)律探索的意義。

美國(guó)的預(yù)測(cè)分析報(bào)告項(xiàng)目(PAR)對(duì)高校學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行了全面分析，在學(xué)生輟學(xué)等重要風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)方面進(jìn)行了探索。從2011年開(kāi)始，該項(xiàng)目與美國(guó)的高校合作，建立了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)收集框架，通過(guò)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的收集和分析，發(fā)現(xiàn)影響因子并構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。該項(xiàng)目分析的原始數(shù)據(jù)包括學(xué)生人口學(xué)數(shù)據(jù)、教學(xué)管理數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)、成績(jī)數(shù)據(jù)和學(xué)生財(cái)務(wù)信息數(shù)據(jù)等。通過(guò)分析，該項(xiàng)目建立了通用分析標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，并為各個(gè)學(xué)校提供了定制化風(fēng)險(xiǎn)因素模型。

教育大數(shù)據(jù)研究需要大量匯集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯集需要大量研究者的群策群力，也需要行之有效的組織機(jī)制。匹茲堡大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)中心(Pittsburgh Science of Learning Center)的數(shù)據(jù)商店(Data Shop)，是美國(guó)自然科學(xué)基金支持建立的學(xué)習(xí)科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析兩大類功能：一方面，它為全球?qū)W習(xí)科學(xué)研究者提供安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享工具；另一方面，它提供了數(shù)據(jù)分析工具和調(diào)用接口，便于分析應(yīng)用。數(shù)據(jù)商店中的數(shù)據(jù)，分為公開(kāi)數(shù)據(jù)和私有數(shù)據(jù)，研究者可以根據(jù)需要選擇自己的數(shù)據(jù)是否要公開(kāi)。數(shù)據(jù)商店中的數(shù)據(jù)，包括教學(xué)軟件應(yīng)用數(shù)據(jù)、在線課程數(shù)據(jù)、智能教學(xué)系統(tǒng)(Intelligent Tutoring Systems)、虛擬實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、協(xié)作學(xué)習(xí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。在數(shù)據(jù)匯集和分享功能的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)商店提供了豐富的數(shù)據(jù)分析功能，支持探索性統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘，提供Web Service支持遠(yuǎn)程調(diào)用，以及R語(yǔ)言、Excel等工具的接口。

美國(guó)教育部在教育研究與實(shí)踐數(shù)據(jù)匯集方面開(kāi)展了大量工作，匯集了大量數(shù)據(jù)。截至2016年5月，在其數(shù)據(jù)門戶Data.gov中，匯聚的數(shù)據(jù)包含了325個(gè)大型數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)包含范圍很廣，涉及人口統(tǒng)計(jì)、學(xué)習(xí)成績(jī)、貸款情況、校園安全等情況。Data.gov針對(duì)各類數(shù)據(jù)提供了多種數(shù)據(jù)格式，同時(shí)，提供了在線數(shù)據(jù)分析功能，它可以實(shí)現(xiàn)靈活便捷的在線數(shù)據(jù)可視化。同時(shí)，Data.gov還為每個(gè)數(shù)據(jù)集提供了API，便于外部調(diào)用與分析。

精準(zhǔn)管理支持

在學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)中，管理者時(shí)常面對(duì)無(wú)法及時(shí)掌握教學(xué)與管理綜合狀況的困境。這也導(dǎo)致了教育管理常常是粗放的、由直覺(jué)驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)狀。以Learnsprout、Calarity、Altschool等為代表的數(shù)據(jù)化管理應(yīng)用，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)建模對(duì)于精準(zhǔn)管理的重要支撐作用。

圖4 數(shù)據(jù)支持下管理模型構(gòu)建

Learnsprout能夠整合學(xué)生信息系統(tǒng)和學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生日常表現(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)構(gòu)建模型對(duì)學(xué)生綜合狀況進(jìn)行分析，并對(duì)管理和教學(xué)提出建議。例如，Learnsprout能夠?qū)Ω咧袑W(xué)生進(jìn)入大學(xué)的準(zhǔn)備情況等進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)存在問(wèn)題的學(xué)生進(jìn)行早期預(yù)警，提出教學(xué)干預(yù)建議，并評(píng)估干預(yù)效果。Learnsprout不僅提供了自動(dòng)化分析，還建立了有教育專家和數(shù)據(jù)專家構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，并形成分析報(bào)告。Learnsprout已經(jīng)在美國(guó)42個(gè)州、200多個(gè)學(xué)區(qū)的2500多所學(xué)校中得以廣泛應(yīng)用。該公司于2016年1月被蘋果公司收購(gòu)，這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了市場(chǎng)對(duì)其應(yīng)用效果的認(rèn)可。

Calarity是通過(guò)構(gòu)建模型提供管理支持的另一個(gè)典型案例。Calarity旨在評(píng)估學(xué)校應(yīng)用信息化技術(shù)促進(jìn)教學(xué)的狀況，并提出改進(jìn)建議。它針對(duì)學(xué)校師生的技術(shù)應(yīng)用情況，采集了280個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，建立82個(gè)變量，形成21個(gè)指標(biāo)，進(jìn)而聚合成了4個(gè)維度，分別為課堂學(xué)習(xí)、技術(shù)應(yīng)用、信息化技能和信息化環(huán)境。在模型化數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，Calarity對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析和診斷，并提出了解決方案建議。

Altschool是學(xué)校層次上進(jìn)行整體性數(shù)據(jù)采集、分析與應(yīng)用的代表。這所由前谷歌工程師Max Ventilla創(chuàng)辦的學(xué)校，將教育教學(xué)和工程化思維密切結(jié)合，將提供個(gè)性化的教育作為辦學(xué)宗旨。在教育教學(xué)過(guò)程中采用全方位數(shù)據(jù)采集和分析，成為了這所學(xué)校提供適應(yīng)性教與學(xué)的重要依據(jù)和支撐。Altschool構(gòu)建了獨(dú)特的信息化基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它為教室設(shè)計(jì)的Alt Video系統(tǒng)，通過(guò)各種傳感器、攝像頭和麥克風(fēng)采集學(xué)生行為數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)每天都將被分析，用來(lái)改進(jìn)教學(xué)過(guò)程和教學(xué)系統(tǒng)。Altschool還開(kāi)發(fā)了Stream等教學(xué)系統(tǒng)和移動(dòng)應(yīng)用，在支持教學(xué)過(guò)程的同時(shí)，其基于數(shù)據(jù)開(kāi)展教學(xué)研究，并通過(guò)研究結(jié)果支持教學(xué)和管理。不同于傳統(tǒng)教育研究，Altschool的研究周期非常短，教學(xué)設(shè)計(jì)更新以周為單位，教學(xué)管理調(diào)整速度極快?？焖俚墓こ袒季S、系統(tǒng)化信息技術(shù)環(huán)境支持、完整的數(shù)據(jù)采集與分析，構(gòu)成了Altschool在精準(zhǔn)教學(xué)管理方面的整體解決方案。

可見(jiàn)，通過(guò)系統(tǒng)化數(shù)據(jù)采集，采用科學(xué)方法建立的數(shù)據(jù)模型，可以幫助教育管理者對(duì)學(xué)校和機(jī)構(gòu)的管理狀況進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和綜合性評(píng)價(jià)。在數(shù)據(jù)支持下，管理者能夠更容易地發(fā)現(xiàn)管理和教學(xué)問(wèn)題，設(shè)計(jì)可能的解決方案，并追蹤問(wèn)題解決的成效。