智慧教育下的教学数据可视化应用探索

唐小燕,楼 桦

(常州信息职业技术学院 软件与大数据学院，江苏 常州 213164)

在智慧教育背景下，呼吁创新教育教学方法的声音不断。习近平主席在致首届国际教育信息化大会的贺信中提到“积极推动信息技术与教育融合”，指明了教育要寻求以信息技术为支撑的教育新理念与新模式。智慧教育是教育信息化的创新路径，是当前信息时代的教育新形态，教育形态的革新也意味着教育方式和学习方式的创新[1]。

数据可视化是智慧教育的一种新型数据呈现方式，可视化技术极大促进了智慧教育的发展，它将数据信息以“一图胜千言”[2]的方式表达出来，充分利用人们对可视符号快速感知识别的自然能力，提高人们理解及分析数据的速度，洞察数据中隐含的态势信息，突破教育大数据分析的桎梏，从而辅助教育决策。

本研究在智慧教育视角下，对数据挖掘和可视化方法进行研究，结合教育信息化过程中的数据分析应用范例来剖析数据挖掘和可视化在智慧教育中所起的重要作用，以期为教育信息化发展、教学分析与决策提供新的思路。

一、教学数据存在的问题

目前，教学数据存在以下问题。

第一，在日常教学管理相关网站、平台系统中存在着海量的教学管理数据，如何充分挖掘数据，使资源利用最大化，并可视化呈现分析结果，将数据转换成人们更易理解的形式,为教学分析决策提供数字依据，是目前亟待解决的问题[3]。

第二，目前，很多高校多个信息系统相互独立，缺少统一的平台进行整合数据及关联分析，对数据中蕴含的深层次意义剖析不够深入，智慧化程度有待提升。

第三，常规简单的数据分析工具(如Excel等)对数据分析的呈现效果不够直观，表达不够生动，没有充分发挥对教学的指导作用，无法帮助教师及时进行教学决策、评价与反馈。

二、构建教学数据分析可视化平台

秉承“数据导向”理念，构建可视化数据采集和分析平台，形成教学工作数据采集、分析及可视化展示的规范流程，建立科学合理的诊断式评价闭环机制。平台主要包括五个模块：教学数据采集模块、数据筛选存储模块、数据处理模块、数据分析模块和数据可视化模块[4]，如图1所示。

图1 教学数据可视化应用体系

在实现教学数据可视化的过程中，结合教学、管理、督导等具体工作采集、分析数据，可视化呈现数据，探究数据背后隐藏的价值，为教师、学生、管理者等用户提供新型交互应用场景，以实现信息感知的可视性、教育手段的灵活性和服务响应的及时性[5]。具体如下:

(1)基于数据分析与数据可视化新技术，使用新方法挖掘数据的内隐价值，以新视角为教学管理工作提供指导。

(2)基于Python语言实现数据采集、构建分析平台，提取教学管理过程中产生的数据、文本文字，并进行数据筛选、数据聚合和数据分析，实现可视化展示，如图2所示。

图2 数据采集与分析平台

(3)形成教学数据采集、分析与可视化展示的规范流程，构建科学合理的诊断式评价闭环机制。

(4)在教师队伍中推广新技术，帮助教师转变工作思路，提高教学管理工作的实效性。

三、智慧教育中的数据分析与可视化应用

2019年以来，团队共对常州信息职业技术学院14—18级30多个班级的5000多个学习过程数据、290份教学小结文本、1500个学生提问标题、200多份教学反馈文本、教学内容文本等数据进行了多角度分析与可视化展示，获得了大量可靠的量化指标，变“数”为“图”，以数据为驱动，为推进信息化教学改革提供了有效的数字依据。

(一)在线学习平台成绩分析

借助可视化数据采集和分析平台对“网络与通信技术基础”课程教考分离实施结果进行分析，从班级平均分、85分以上及40分以下的学生分布、男女生成绩差异及网络学习平台对成绩的影响等方面进行数据分析和可视化呈现，取得多个可靠的关于授课教师评价、班级学风评价、精英班人才选拔、男女生学习差异及网络学习辅助作用分析的量化指标和结论，为回归“以学生为中心”的教育本质，为个性化培养项目的学生选拔、团队组建等工作提供数字依据。

从变异系数的排名来分析，如图3所示，逻辑1班的成绩均值最高、变异系数最低，证明该班整体水平较稳定，两极分化不明显；尽管10班的成绩均值最低，但是变异系数最高，证明班级成绩的差异性显著，存在两极分化。

图3 班级成绩均值及变异系数排名

去除班级访问数均值中最大和最小两个极值，计算班级成绩均值与班级人均访问次数的相关性，相关系数为0.9024(如图4所示)。表明班级的成绩均值与班级人均访问次数具有显著的正相关，说明在线学习平台对学生的学习成绩具有明显的促进作用。

通过在线学习平台实现教考分离，获取同一标准下的考核数据，可以帮助教学管理者建立学习者模型、学生画像，为后续课程团队实施教学改革提供借鉴，为动态调整教学策略、实施干预式教学管理做出有效指导。

(二)推动教学方法和手段相关数据可视化及教学信息化

收集2018年常州信息职业技术学院软件与大数据学院教师的教学小结，随机选取60份文本，分析结果显示，讲授、PPT教学、多媒体教学等传统教学方法占据主流，混合式教学、翻转课堂、慕课等教学法普及率不高。这一分析结果能为学校进一步推进信息化教学提供数据参考，并推动二级学院加大教师信息化培训的力度。

收集2020年常州信息职业技术学院软件与大数据学院教师的教学小结，随机选取100份文本，词云展示的分析结果显示，传统教学方法比重减少，信息化教学方法和手段如在线课程、混合式教学、学习平台等，所占比例有明显提升。说明常州信息职业技术学院“双高建设计划”正有序推进，多门在线开放课程的开发和建设带来了教学方式和教学环境的变革，教学管理环境和资源等发生实质性改变，教学服务水平显著提高。

(三)学习反馈教学数据可视化，监测疫情期间的教学效果

新冠肺炎疫情期间，线上教学成为主流。为了及时了解线上教学的效果，研究组收集了2020年4月份常州信息职业技术学院软件与大数据学院68个班级的学生信息员的教学反馈文本进行分析，结果显示，学生对校内教师的授课情况总体满意，教师们普遍认真负责，教学效果较好。同时，学生对企业教师的授课情况总体满意，但是教学效果“一般”“还好”等情况相对较多，学生对企业教师的满意度明显低于对校内教师的满意度。

分析结果有利于教学质量监测，能帮助教学管理者调整教学管理模式，为教学督导工作的顺利部署和开展提供决策依据，有效促进教学组织的发展。在此基础上，二级学院加强了对兼职教师的管理，为兼职教师提供了更好的教学支持，同时加强了教学督导，听课比例由原来的40%增加到近70%，有效促进了教学效果的提升。

(四)“师生心声”平台数据可视化，把握学生的思想和学习动态

“师生心声”是便于在校师生及时反映各类问题的网络平台。通过数据采集平台获取“师生心声”网站中学生提交的619个问题标题，通过数据分析得出学生最关心的问题。使用LDA主题模型文档生成模型，将学生提交的问题进行主题划分，得出学生反映的问题集中在各项考级考证的时间节点、各类奖学金的发放和毕业学分方面。这些信息的获取与分析有利于改进网站布局和栏目设置、把握学生的思想和学习动态，为解决教育教学中的现实问题提供依据。

(五)使用可视化知识图谱，帮助学生构建知识体系

在专业课程的学习中，可视化图形与文字文本相比有着巨大的优势。以“Python程序设计”为例，识别课程中的基本核心概念，抽取其关系，构建对应知识图谱，使用可视化图形将文本进行图像表征，可以帮助学生快速形成知识框架和互联体系，提高理解和记忆速度，促进知识的表达与内化。

根据可视化结果，学生可在脑海里勾勒出课程的基本结构，了解概念之间的层级关系，从整体上理解并把握课程脉络，并进行知识推理，同时还能激发学习兴趣，提高学习效率。可视化结果便于学生进行自我评估，及时发现学习问题，可为提高教学和人才培养质量提供辅助，为教学创新改革提供新的路径。

四、创新点

“互联网+”时代的智慧教育需要教学方式方法的革新，教育信息化对教育改革发展的支撑引领作用日益凸显[1]。本研究基于“数据导向”理念，对教学数据可视化设计手段及工具进行应用实践。

(一)理念创新——运用数据思维，挖掘教学数据中隐藏的价值

各类信息文本蕴含教师教学能力、学生学习效果、情感倾向等内容，对指导教师改进教学、加强师生沟通有着重要的参考价值。从海量的教学数据中提取真正有价值的内容，将内隐信息生动化显示，从而有效实现零散、抽象数据的具体化。

(二)方法创新——基于文本分析结果，提供可视化数据窗口

把文本信息以量化或者图解的手段直观、高效地呈现出来，提高人们获取数据的时效性、准确性和数据利用率，为教育质量管理者正确评估教育质量、调整教学方法、加强学生管理和专业课程建设等工作提供数据支持，为普通用户了解高校的教育质量提供可视化数据窗口，使教学管理过程智慧化。

(三)机制创新——利用数据导向，形成科学合理的诊断式评价闭环

教学数据可视化应用能从海量的教学数据中提取真正有价值的内容，有助于迅速找出问题并及时反馈给相关者。通过查找、分析、解决、反馈问题实现教育质量监控闭环，最终促进教育相关工作的持续改进。

(四)视角创新——应用新一代信息技术，打造高度专业化的教学队伍

智慧教育中的教学数据可视化是对可视化技术的尝试，也是对教育结构发展体系的有益探索。教学数据可视化的推广应用，极大地提高了常州信息职业技术学院软件与大数据学院教师和管理人员的教育管理水平。以此为创新点的应用研究实践在校级、省级各类大赛中获奖如下：2016—2018年，获得校级教学创新创意大赛铜奖；2019年，获得江苏省职业院校教学大赛二等奖；2020年，获得江苏省职业院校教学大赛一等奖。

五、结 语

使用信息技术对教学数据进行挖掘、统计、分析和展示，有利于营造智慧教育教学环境[6]，实现智慧教学、智慧管理、智慧服务，探索符合时代需求的教育管理新体制和教育教学运行新机制，促进学生、教师和学校的智慧发展。

本研究从海量的教学数据中提取真正有价值的内容并进行直观展示，为学生日常管理、课程教学评价、学习情况个性化评估、教师队伍管理等工作提供了有力的数据支撑，简化了文本材料归纳总结的流程，为推动教学管理改革、提高教育质量起到重要的指导作用。智慧教育理念下的教学数据可视化研究案例可以简便地向外传播，惠及更多的学校及师生。