基于“一平三端”智慧教学系统的大数据分析与应用

董 萍

(三门峡职业技术学院 信息传媒学院，河南 三门峡 472000)

0 引 言

信息技术的飞速发展促使物联网、云计算等技术逐渐应用到人们的工作和生活中，同时在智能网络终端不断增加的背景下，互联网产生的数据呈现出爆发式的增长。数据呈现出“海量、类型繁多、价值量大和传播速度快”的特征，互联网进入了大数据时代。大数据技术的发展引领了信息技术的变革，大数据应用的普及引领了社会的变革，大数据不仅使人们的生产和生活方式发生了重大变革，也促使教育领域发生了系统性的变革。

1 基本概念

1.1 大数据概述

1.1.1 大数据的含义

大数据(big data)，即海量数据，是信息技术的又一次飞跃。云计算、物联网技术的快速发展，移动智能终端的不断增多，为大数据提供了多样化的数据收集方式。稳定的数据传输能力、海量的数据存储空间和高效的数据分析技术，为大数据的发展提供了硬件支持[1]。同时，随着社交网络、位置服务、智慧城市、即时通讯等互联网服务的广泛应用，网络数据量呈爆发式增长状态，为大数据的发展提供了软件基础。大数据的核心是从海量的数据中挖掘出有价值的信息[2]。

1.1.2 大数据的特征

大数据具有海量化(volume)、多样性(variety)、速度(velocity)、价值(value)4个特征[3]。

(1)海量化。信息技术的高速发展，促使数据开始爆发式增长。微博、微信、推特等社交网络及各种移动智能终端的使用等，都成为大数据的来源。目前数据储存单位是通过PB、EB甚至ZB进行储存。

(2)数据种类多。大数据具有结构化和非结构化2种数据类型。其中身份证号、手机号码等能够用固定结构加以表示的数据属于结构化数据，微博日志、图片、图像、音频、视频、GPS等不能用固定结构表示的数据属于非结构化数据。

(3)速度快。网络中各种平台产生的数据信息具有速度快的特点，在秒级时间内快速有效地从海量数据中挖掘出有价值的信息并进行分析是大数据解决的关键问题。

(4)价值高。大数据最大的价值就是通过数据整合、分析和挖掘，从大量看似不相关的数据中，发现新规律和新知识，获取其中隐藏的有价值的信息，对所面临的问题进行分析与处理。

1.1.3 大数据的主要来源

大数据主要来源于商业、互联网与物联网3个方面。其中商业数据是指来自于企业ERP系统、各种POS终端及网上支付系统等业务系统的数据，是现在最主要的数据来源渠道；互联网数据是指网络空间交互过程中产生的大量数据，包括通信记录及QQ、微信、微博等社交媒体产生的数据，其数据复杂且难以被利用；物联网数据是指从多种数字设备中收集的数据，比如企业网站数据、智慧交通产生的数据等[4-5]。

1.2 智慧课堂

1.2.1 智慧课堂的含义

智慧课堂将理论落实到课堂教学，聚焦于师生活动，是一种新型的教育形式和现代化教学手段[6]。通过学习通的移动课堂互动系统连接教师学生进行深度课堂互动，改变了传统课堂的单向灌输模式。基于大数据技术集智慧教学、人员考勤、设备管理于一体的新型现代化智慧教学系统，是推进未来学校建设的重要组成部分。教师端以泛雅平台为基础、以资源为支撑、利用已有硬件，依托学习通集成网络教学、师生交流互动、答疑和管理等功能，以课程为中心，开展作业、考试、答疑、讨论、评价等互动教学活动[7]。利用新一代信息技术所打造的智慧课堂，能够实现课前、课中和课后的全过程跟踪。

1.2.2 智慧课堂的优势

在使用智慧课堂时，电脑和手机是同步的。手机具有简单易用、功能强大、标准统一的特点。各类MOOC、教学ppt、作业、视频、期刊、图书、考试等信息存储在云端，学习者可以根据自身需要进行上传或者浏览使用。能够对课程的课前、课中、课后进行有效的管理。

课前，推送资源与交流。从“一平三端”智慧教学系统中发放任务、通知、资料和课前交流。

课中，授课教师通过电脑或者手机终端与学生完成签到、投票、抢答、讨论、交流的互动环节。并将教学资料通过文字、图片、视频、语音进行推送。

课后，对所学知识点进行小组讨论。学生完成授课教师布置的测验习题和课后作业。同时，学生能够对课程进行评价，激发学生角色互换。学生也可对任课教师进行网上评价。

1.3 “一平三端”

“一平三端”是以泛雅平台为基础，通过学习通作为移动工具，大数据分析系统作为管理工具，智慧课堂作为激活传统教室的工具，最终实现学生端、教室端、管理端的平台应用。

2 “一平三端”智慧教学系统采用的技术及其功能架构

“一平三端”智慧教学平台具有先进性、可移植性、开放性和兼容性，支持标准化多媒体课件。用最少的代码量实现需要的功能模块，尽量减轻页面的质量，减轻服务器负担，提高页面响应速度。系统采用Java作为主要的后端开发语言，前端界面的开发使用标准的HTML，支持Oracle、SQL Server、MySql等主流数据库，采用B/S结构，基于J2EE架构，页面采用Web2.0 AJAX开发。这样不需要另行安装插件就可以支持IE9及以上版本、Safari、Firefox、Chrome等浏览器。

2.1 采用的技术

2.1.1 Java

Java是一种被广泛使用的网络编程语言，具有面向对象、可移植性好、与硬件无关、系统强健安全、提供了并发机制、性能高的优点，并提供分布性、多线程、动态性的支持，是一种新一代的编程语言[8]。

2.1.2 HTML

HTML是超文本标记语言的简称，是目前互联网平台开发应用最为广泛的一种前端开发语言，大多数浏览器均能直接识别，不需要服务器做任何处理，能够减轻服务器的负担。使用HTML编写的代码，便于用户进行修改和管理，减少网络流量，减轻服务器压力。

2.1.3 数据库

基于“一平三端”智慧教学系统平台支持Oracle、MySQL、SQL Server等主流数据库系统和Web服务器集群。具有安全策略和备份机制，可根据不同的业务要求采用不同的安全措施，保证发生故障时不影响整个系统的正常运行。

2.2 “一平三端”功能架构

“一平三端”以在线教学平台为中心，融合教室端、移动端、管理端各类教学应用，涵盖课前、课中、课后的日常教学全过程，建构起完整的课堂智慧教学生态[9]。“一平三端”功能架构如图1所示。

图1 “一平三端”功能架构

从图1中可以看出，“一平三端”的功能体系包括如下。

教室端：基于新媒体技术的课堂教学。

移动端：基于移动互联技术的教学互动。

管理端：基于云计算的教学监管。

云平台：基于大数据的网络教学云平台。

3 “一平三端”系统功能模块

“一平三端”智慧教学系统功能设计是以泛雅平台为基础，移动端学习通为突触，智慧教务作为管理决策中心，智慧课堂作为教室端激活传统课堂，重新定义信息化背景下教学活动的进行。即教室端利用普通教室内已有硬件设置电脑屏幕，可以实现智慧课程，升级传统课堂，为实现翻转课堂教学提供可能。

学生利用移动端通过泛雅平台实现慕课学习、提交作业、参与考试，通过学习通实现智慧课堂的参与，进行课堂在线签到、讨论、投票、回答提问、测试等环节，并留下学习记录，形成学习档案。亦可将学习通作为移动图书馆，利用碎片化的时间，完成课外拓展阅读、知识自主获取、加入兴趣小组、分享学习心得等。

管理端可以通过智慧教务，实现教学大数据的分析，进行教学质量监控，实现过程中的教学评估，进行教学改革等。并配合学习通，实现教务教学管理、数据查看、办公应用，整合其他系统实现统一移动入口，便于数据采集、一键办公。

4 “一平三端”的大数据分析系统

当学习者使用计算机终端进行学习时，所涉及的一切活动包括上课、读书、写笔记、做作业、发微博、进行实验、讨论问题、参加各种活动等都将成为教育大数据的来源。随着信息化2.0的发展，学校建立起多个业务平台，推进“互联网+教育”。人工智能、大数据、区块链等技术迅猛发展，使得各个信息平台产生的数据得以采集分析。

大数据中心将采集包括泛雅网络教学平台、学习通移动学习平台、教学资源库、尔雅通识课、顶岗实习、评价系统、智慧教室以及第三方平台在教学运行过程中产生的全部数据，使用信息化手段将教学的全过程进行数据的跟踪管理，后台进行数据的汇总，以期进行数据分析。数据类型包括以下几个方面(图2)。

图2 “一平三端”的数据类型

统计数据以全流程多维度的方式，贯穿课前课中课后，融合线上线下，打通课内课外，以教学数据为总线，服务于教学评估。最终实现学校教学质量的监控与管理提供数据的分析展现，实时为学校的科学决策提供数据支撑。

5.1 教学大数据

大数据分析系统通过数据清洗、深度的机器学习，有效剔除冗余数据，优化数据结构，实现高效的统计分析功能，进行有效的数据挖掘。教学大数据分析中心如图3所示。

图3 教学大数据分析中心

教学大数据分析分为4部分：教学数据、学情分析、课程学习情况分析、签到分析(以下分析都以三门峡职业技术学院为例)。

(1)教学数据

教学数据通过系统采集到整个教学过程中教师建课、网络课程运行、上课互动、课外使用等全流程多维度的教学数据，用于分析统计，该模块支持从横向纵向多个层次查看分析结果。例如查看授课教师对《计算机与大数据技术应用基础》课程成绩综合情况的对比(图4)。

图4 课程成绩综合情况对比

(2)学情分析

通过采集学生在课内课外参与课程学习的数据，分析学生活跃度、课程学习、课堂活动参与度等情况。例如统计学生进度页面和学生学习页面的访问次数(以2018级语文教育3班为例)，如图5所示。

图5 统计学生进度页面和学生学习页面的访问次数

(3)课程学习情况

统计学生在规定时间内完成的网络课程数、任务点完成情况、作业提交情况等。“一平三端”平台作业统计情况如图6所示。

图6 “一平三端”平台作业统计情况

(4)签到分析

按照活动类型，分析各个活动在教学活动中的比重，能够很好地反映教学活动的整体状况。也可以统计授课教师对教授班级进行师生互动的出勤率、签到率情况(图7)。

图7 签到情况

5.2 移动分析系统

移动分析系统提供多个监控入口，包括实时课堂、网络课程、教学数据、学情分析、签到监控、资源监控、评价分析、教学预警、项目分析、实习分析、日常监控等。教务管理者使用移动端即可对教学运行状况进行实时监控。

5.3 数据大屏管理

根据学校需要可提供学校数据统计的展示大屏，该数据大屏可自由选择展示整个平台中的数据统计分析结果，可通过大屏或者拼接屏的形式展示学校中各项资源的建设情况、数字化建设情况以及教学情况等，以最直观的方式展示学校最核心的内容。

(1)大屏展示

通过后台控制，配合专业硬件实现数据的常态化展示。

根据全校学生数、教师数、网络课程数、本校信息化建设中资源数量、教学题库数量、系统的访问情况及全校按照时间为单位的学生出勤情况、本校教育资源的建设情况、师生间的互动数量可分为5块大屏：基础数据监控、活跃度监控、全校资源监控、实时课堂监控、签到率监控。

(2)数据大屏控制后台

根据学校对数据展示项的不同需求，数据大屏控制后台能够轻松实现对展示页面的规划设计。

5 结论与讨论

智慧课堂是信息化发展的产物，是以泛雅超星学习通平台为基础，以各类教学资源为支撑，充分利用Linux云服务器等软硬件信息平台展开作业、考试、答疑、讨论、评价等互动教学活动。本文从智慧教学系统的基本概念、采用的技术及其功能架构、功能模块、大数据分析几个方面对“一平三端”智慧教学系统进行阐述，重点从教学大数据、移动分析系统、数据大屏管理3个方面对该系统进行了分析。