基于学习分析技术的藏汉双语数学题库的设计与实现

王 铮，赵 颖

(1.西北民族大学教育科学与技术学院，甘肃 兰州 730030；2.西北民族大学网络与信息管理中心，甘肃 兰州 730030)

基于学习分析技术的藏汉双语数学题库的设计与实现

王 铮1，赵 颖2

(1.西北民族大学教育科学与技术学院，甘肃 兰州 730030；2.西北民族大学网络与信息管理中心，甘肃 兰州 730030)

以“互联网＋教育”为指导思想，结合学习分析技术的方法和目前国家倡导的双语教育教学模式，以藏汉双语数学题库入手，系统的对其功能设计、关键技术以及实现途径等方面做出阐述，这为日后进一步加强民族地区的教育信息化程度和个性化教学有着重要的意义.

学习分析技术；藏汉双语；数学题库

在2011年的首届学习分析与国际知识会议上首次明确提出了“学习分析技术”这一概念，并为其作出定义——学习分析技术是测量、收集、分析和报告有关学习活动的数据，用以理解和优化学习及其环境的技术.此后作为世界范围内教育技术领域最具影响力的刊物《NMC地平线报告》也多次提及大数据与学习分析技术是未来教育的发展趋势.

2015年8月召开的第六次全国民族教育工作会议中着重强调了加快推进双语教育及其资源开发工作的进程，与此同时我们也深刻的认识到边远少数民族地区尤其是藏族地区由于经济、地域、人文环境等因素的影响，在理科教育教学方面存在严重不足，虽然目前在藏族自治区内学生普遍接受的是藏汉双语教育，但在数字化学习领域中绝大多数资源都以汉语为主，这一个是有待我们去改善的现状.近年来由于互联网和大数据的快速兴起，教育领域也在发生着翻天覆地的变化，所以本研究力争在web3.0的背景下建设一款以藏汉两种语言文字同时呈现的智能化数学题库，进而扩充现有的藏汉双语教育资源.

每个学习者在学习的过程中，无论是教师还是自身都很难人为地记录整个学习过程，而计算机却可以帮助我们解决这一难题，利用网络环境和web程序建设智能化的数学题库，将藏、汉(其他)族同学在学习活动中生成的大量个性化数据进行存储、分析，从而为藏、汉(其他)族学生的数学学习提供一种科学、高效的新模式.

1 系统设计

1.1 系统的总体结构

本研究中的数学题库是在依托B/S的模式下进行搭建的.标准的B/S框架具备三层结构，分别是表示层、功能层和数据层，它们从三个方面担负了整个系统的正常运营工作.系统B/S框架如图1所示:

图1 系统整体B/S结构Fig.1 B/S structure of system as a whole

表示层在web开发中也被称为前端，是用户直观浏览的网页界面，本题库在表现层中融入了藏汉双语题目的这一亮点，使其更具有民族特色和现实意义.功能层主要存在于服务器的后台之中，负责整个系统的业务逻辑处理，具体作用于个性化学习分析方面.数据层通常是指数据库服务器的应用，是所有信息存储和加工的载体，题库中所涉及的数学题目和用户在学习活动中生成的个性化数据都记录其中.

1.2 系统的功能模块设计

通过问卷、访谈等方式对校园中藏、汉(其他)民族同学及老师进行了调研和前期需求分析，明确了本系统包含的4个主要模块，它们各自独立并且担负相应的职责，题库也正是由于这些模块的存在才能实现一系列的复杂功能，系统的功能需求分析如图2所示:

图2 系统的功能分析Fig.2 Functional analysis of the system

1.2.1 用户管理模块

用户管理模块主要承担用户的账号注册和登录校验任务.在注册环节要实时反馈给用户的账号是否已被占用或是否包含非法字符，并且将已填写的个人资料存储到数据库中.在登录过程中该模块主要负责校对账号和密码是否匹配，同时为防止恶意登录等攻击行为还需进行验证码的审核.除服务器端的SESSION数据外，用户管理模块也会将用户的部分信息和基础设置存储到本地的cookie文件中，这样可以为用户今后的使用提供最大便利.

1.2.2 交互模块

交互模块主要为使用者提供交流沟通和智能化信息呈现的功能.首先在所有的交互过程中都设置了藏汉两种语言文字同时呈现的模式，使双语的概念得到真正体现.其次交互模块设置了与学习者之间、师生之间的好友模式，支持在线即时通讯.交互模块是前端和后台紧密衔接的组件，主要任务是通过在浏览器中的输入和点击动作完成表单的指定发送，同时也要读取近期的聊天记录并显示出来，这里所采用的关键技术是JQuery库中的Dialog窗体和AJAX异步更新数据，利用鼠标点击事件控制Dialog的开启和关闭，AJAX可以让用户在不刷新页面的前提下实时获取聊天记录，这两种方法的融合为题库实现高效通信起到了保障作用.

1.2.3 资源管理模块

该模块是对“学习分析技术”概念在系统中的进一步落实，是数据层中的主要应用技术.笔者认为在本研究中最重要的资源应该是数字化的藏汉双语题目，尤其是翻译成藏语的题目资源更是十分珍贵，那么如何高效合理地管理这些资源是题库建设者必须认真思考的问题.依托web程序搭建的题库平台在数字化题目管理方面有着得天独厚的优势，资源管理模块利用数据库服务器可以永久无损的保存数量繁多的题目.此外这些习题随着时间的推移也不可能毫无疏漏或一成不变，这就涉及了对于这些数字化题目的增、删、改、查等操作，这也是资源管理模块中的核心任务.该模块除了数字化习题的管理外还有一项重要的功能就是存储学习者在学习活动中生成的个性化学习数据.同一道题对每个人来说都可能会经历不同的解答过程、得到不同的结果，而这一环节对于指导个性化学习有着至关重要的意义.资源管理模块可以将学生在学习过程中的全部数据(答题知识点频数、正确率、答题耗时、所得分数等)进行记录，将这些数据保存到用户个人的数据库表单中，在需要的时候可以将这些信息进行提取，这是实施个性化学习辅助过程中最重要的现实依据.

1.2.4 学习分析模块

学习分析模块位于功能层的业务逻辑处理环节中，可以说它既是本研究的创新之处也是整个体系的灵魂，它可以直接促成个性化学习的指导行为，使因材施教不仅仅停留在理论层面，通过“学习分析”等技术的支持以实证研究的方式为学习者提供私人订制级别的优质服务.在资源管理模块中已经提及关于学习者个性化数据的存储功能，而学习分析模块的设计正是为了如何更好地使用这些数据让他们发挥自身的功效.学习分析模块处于后台服务器脚本之中，其自身的本质是一类复杂的数据算法，首先服务器从数据库中提取出指定学习者的数据，然后将其按照预定的评价程序进行分类和运算处理，最后将结果反馈至学习者，使学习者可以明确的认识到自己存在的问题，从而有针对性的进行整改，这就是学习分析模块设置的初衷.除了反馈分析结果外，该模块还可以提供干预措施，如某一知识点错误率较高需要强化练习，那么系统会引导学习者反复练习该知识点的内容，最后直至合格为止.以上就是题库设计的主体思路和结构，本着以学习者为核心的理念，融入藏汉双语的呈现方式，强调个性化辅助学习是本题库的发开原则.

2 系统的实现

本系统在Windows的环境下进行研发，采用目前最主流的web开发模式—LAMP中的Apache、MySql、PHP进行搭建，所有技术开源稳定，并且已经得到互联网行业的广泛认可，题库运行的概要流程如图3所示:

2.1 数据结构

本研究采用MySql数据库的可视化操作系统—PHPMyAdmin，通过对题库业务需求的分类、聚集和概括，建立抽象的概念模型，明确题库中的各个实体及其属性、实体之间的关系，以及制约条件等.本研究所涉及的主要实体包括:习题、知识点、学习者、试卷、答题记录五部分.作为一款题库系统，习题自然是本研究的重中之重，所以它拥有较多的属性字段，此外答题记录能够为日后开展个性化学习分析提供数据依据，这二者构成了系统的核心业务要素，其它实体主要负责描述性数据的存储.系统E-R结构如图4-1所示:

图3 运行流程图Fig.3 Flow chart of operation

图4 系统E-R图Fig.4 E-R chart of System

在E-R图中除了各个实体所包含的属性外，我们也不难发现，在本系统实体之间关系的键主要分为二种，一是1:1即每个实体的键都是关系的候选键，二是1:n即n端实体的键是关系的键，这样从而实现了将实体、属性和联系转换为关系模式.在落实好逻辑设计的基础上，我们就可以将E-R图转化为二维表格，本研究中的核心功能数据主要位于习题表(Exercises)和答题记录表(Record)中，因此现将该两张表的物理结构实现进行展示，如下表1和2.

表1 习题表4-2Table 1 4-2 Exercise

表2 答题记录表4-3Table 2 4-3 Record

习题表、知识点表等是由网站管理人员事先将数据导入的，在PHPMyAdmin的界面中可以非常容易的对这些数据进行添加或删除，其他表单中的内容均为用户在学习活动中动态生成的数据.当整个数据库搭建完毕后，如果想进一步得到更具意义的个性化分析结果，还需要我们使用SQL语句对答题记录进行一系列的操作，这其中包括以 SESSION为条件的WHERE、LIMIT限制命令、模糊查询、表与表之间的联立查询和嵌套查询等.学习者在题库中的学习行为越多，所得到的相关学习活动数据就越趋近于客观，最后形成到的个性化分析结果也就越准确，这是在线学习“形成性评价”积累的过程.

2.2 PHP后台脚本

PHP程序存在于后台服务器中，它可以良好的与Apache进行通信并执行相应操作，是系统处理业务逻辑的关键所在，是实现个性化学习分析的主要途径.在本研究中PHP脚本承担了对数据库的增删改查操作以及分析运算的功能，它作为功能层的核心元素使整个系统更具有智能化的特征.答题、查看答案等常规实现就不再过多赘述，本研究新引入了记录学习者相关活动数据的功能，并以此为基础展开“学习分析”，相关分析功能的流程图如图5所示:

图5 学习分析流程图Fig.5 Flow chart of learning analysis

在图5中我们可以清晰的看到PHP脚本在系统运行的过程中所履行的各项使命，总的来说它起到了关键桥梁纽带的作用.首先在与数据库进行交互方面，由于本题库在答题页面中所使用的全部为＜form/＞表单并且采用method＝”post”方式发送，所以我们可以运用PHP的内置方法——＄_POST[‘form-Name’]来获取学习者在前端所填写的内容，进而与正确答案进行比对，并写入答题记录表中.在获取数据的环节中，通过面向对象的new mysqli()方法，将查询到的结果集以对象的形式进行输出，其表的字段名称就作为对象的成员属性，然后利用分页类(class page)来控制数据显示规则.“学习分析”的核心就在于获取答题记录表中的数据，并将其整合、运算，再结合习题表与知识点表的联立，便可以形成就某一学习者个体而言的，关于习题、知识点、正确率、平均耗时、分数、答题难度分布等多项要素的综合分析报告.此外在学习指导干预环节中，以正确率和分数为主要的测量依据，在项目文件中创建指导类(class guide)并在其中设置强化练习方法，若学习者就某一知识点掌握情况不理想时，则获取正确率较低的知识点ID(字段名KnowledgePoint_id)，并生成该知识点的专项练习试卷，以供学习者巩固该内容.除了“形成性的学习分析”外，每当学习者答完任一套试题后系统会立即将刚才的所得分数、标准答案进行及时反馈，从而确保在线学习的有效性.以上就是PHP脚本程序在答题与个性化分析过程中所发挥的主要作用.

2.3 前端开发

本研究中的前端开发首先以HTML＜framset/＞框架标签和CSS样式布局为页面基础，同时在汉语题目的上方预留出相应的div层作为题目藏文翻译的展示区域.在注册、登录、答题等模块中都融入了大量JavaScript脚本控制，这样可以将部分运算任务从后台转移至用户浏览器中从而减轻服务器的负荷，并且还能够很大程度上提升用户的操作体验.配合JQuery库中的AJAX{}方法实现网页在不刷新的情况下完成更新，此技术在检测注册账号是否被占用、登录密码错误提示、题库公告以及在线信息交互的环节中均有所涉及.在前端开发过程中采用最核心的技术就是PHP的Smarty模板技术，它可以将PHP的变量动态地解析到浏览器页面中，并且使HTML标签与后台PHP代码完全分离.Smarty模板是在.tpl文件中写入HTML元素，然后在起到控制器作用的php文件中注入变量，通过模板引擎(解析类)将{＄xxx}特定形式的变量进行解析(例如＜strong id＝"title"＞{＄title}＜/strong＞)并将结果置入编译文件中，再由编译文件向浏览器进行输出的同时也生成了相应的缓存文件，这样可以极大的提高下次访问的速度.系统最终效果如图6所示:

图6 最终效果图Fig.6 The final result

3 结语

本研究中的藏汉双语数学题库以WEB程序为依托，基于学习分析技术的方法对在线学习活动中生成的数据进行收集、处理并得到具有指导意义的个性化分析结果，从而有针对性地指出当前存在的不足，使因材施教的理念在数据分析的支持下得以实现.在语言呈现方面具备藏汉双语的特色，这是在积极弘扬少数民族文化的基础上，使少数民族文字与现代科学知识相融合，让广大藏族同学在母语和汉语双重呈现的情况下进行学习，这不仅对藏族同学学习数学等自然科学知识有极大的促进作用，同时也能为藏族地区的双语教育注入新的活力.

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(责任编辑：张阳，付强，李建忠，罗敏；英文编辑：周序林)

Design and implementation of Tibetan-Chinese bilingual math question bank based on learning analysis technology

WANG Zheng1，ZHAO Ying2

(1.Education Institute of Science and Technology，Northwest University for Nationalities，Lanzhou 730030，P.R.C.；2.Network and Information Management Center，Northwest University for Nationalities Lanzhou 730030，P.R.C.)

Based on the Internet＋education，this paper combines the method of learning analysis technology with current national advocacy of bilingual education teaching mode，starts with Tibetan-C-hinese bilingual math question bank，and systematically explains the design of its function，key technology and realization ways and so on.This is significant in further strengthening the informationization level of education in ethnic regions，and individualized teaching.

learning analysis technology；Tibetan-Chinese bilingual；math question bank

TP311.52

A

2095-4271(2016)04-0436-07

10.11920/xnmdzk.2016.04.012

2016-03-20

王铮(1989-)，男，汉族，吉林长春人，硕士研究生，研究方向:动态网站的设计与开发.

赵颖(1973-)，男，回族，教授，研究方向:新媒体技术与应用.

西北民族大学研究生科研创新项目(项目编号:Yxm2015081).