基于学习分析技术理念的计算机网络教学平台设计与实现

谢延红，钱爱增

（德州学院信息管理学院，山东德州253023）

摘要：针对目前计算机网络教学存在的问题，提出根据学习分析技术理念设计一套计算机网络教学平台，阐述通过实时采集分析学生学习过程中产生的各种数据，较好地解决实时掌控学生学习情况的问题，提高教学水平。

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关键词 ：学习分析；教学设计；学习评价

第一作者简介：谢廷红，女，副教授，研究方向为教育技术应用、计算机网络应用和网络数据库开发，dzⅪeyh@163.com。

1 目前计算机网络教学存在的问题

(1)教师不能实时、全面地掌握学生的学习情况，因而无法实时调整教学策略和提高教学效果。高校普通本科教学中，除课堂时间外，学生与教师见面的机会很少，学生学得怎么样，教师无法得知。虽然学生可以通过BBS、Email反馈相关问题，教师可以利用QQ群等技术构建辅助教学平台解决部分交流问题，但是教师依然不能根据学生的学习情况指导其后续学习。

(2)学生不能实时、全面地把握自己的学习情况，因而无法实时调整学习方法，适应新的学习。学生在课堂学习结束后，对各知识点以及作业、单元测试、实验过程中存在的问题均没有一个全面的认识，因而不能实时调整自己的学习方法以弥补学习中的不足。

近年教育技术领域新兴起的学习分析技术为我们解决以上教学问题提供了一套较为完整的解决方案，它通过分析学习者学习过程中产生的各种数据，实时了解学生的学习情况，及时发现问题、调控教学策略、优化教学设计，实时进行学习评价，随时指导学生，提高教学效果。基于该理念，笔者设计了一套计算机网络教学平台（以下简称教学平台）并将其应用到实际教学中，取得了较好的教学效果。

2 利用教学平台有效提升计算机网络教学效果

1)教学平台帮助教师准确掌握学生学习情况，提高教学质量。

教学是一种有目的、有计划、多主体参与的认识与实践活动。教师要提高自身的思想修养、专业水平和教学能力，加强与学生的有效沟通；在教学过程中，随时都要了解学生的学习水平、已具备的知识与能力状况，这是教学的基点与起点，也是学生知识的增长点。

只有掌握学生的实际学习情况，教师才能有的放矢，才能高效地进行教学。教学平台能够全面、实时地采集学生在课程预习、复习、上机实验、论坛交流时的各种数据，对学生实验报告撰写的规范程度以及单元测试成绩、期中成绩、期末成绩等数据进行分析，进而帮助教师掌握学生对计算机网络课程的学习态度、对各知识点和课程整体的把握程度，令教师做到心中有数，从而能够实时调整教学策略，解决各种教学疑难问题，提高计算机网络教学质量。

2)教学平台帮助学生准确把握自己实际学习情况，提高学习成绩。

大学是一个大的环境，教师在学生学习过程中需要根据自身已有的知识经验给出必要的建议，为学生提供各种探索的机会，帮助学生整合新旧知识，纠正学习中的错误理念。教学平台使教师能够掌握学生的实际学习情况，在学生学习的各个阶段均给出有针对性的学习指导建议，指出学生学习存在的不足以及因此需要采取的措施或作出的努力，即“环境刺激”。根据教师的学习建议，学生能够对自己的实际学习情况有比较清晰的认知，为采取适当的学习方法奠定基础。

皮亚杰反对教师主动地教而学生却处于消极状态的教学，主张保持学生的学习自主性，使他们积极地参与学习活动。通过教师各阶段定期的指导性学习建议，学生能够明显感觉到教师对自己的重视，较大幅度地提高学习积极性和主动性。有了对自己学习情况的清晰认识，加上较高的学习积极性和主动性，学生能够较快地提高学习成绩。教学平台一方面有利于教师的教，使教师能够有的放矢、因材施教，另一方面有利于学生的学，使学生能够自我激励和提高，主动学习、乐于学习，因此教学平台能够有效提高计算机网络教学效果。

3 教学平台设计及实现

3.1 教学平台数据模型

学习分析技术的数据来自两方面：一是学生在学习过程中由移动终端、社会性软件和学习管理系统所记录的数据，即学习者数据；二是通过语义分析及连接技术处理的源自课程、学习考试和其他来源的数据，即智能化数据。学习分析技术在以某种形式对学习者数据、档案信息和课外数据进行分析的基础上，将这两部分数据收集起来并进行某种分析，以便能够更有针对性地对学习过程进行调整。

根据学习分析技术相关理论，可知学习分析技术的核心为数据采集、数据分析、预测和干预调整。结合计算机网络教学实际，我们提出图1所示的数据模型。首先对计算机网络教学平台进行初始化，导入系统所需要的原始数据，包括学生的基本信息、原始数据和各部分数据的采集点；然后把要采集的数据通过各种途径采集到系统，根据一定的规则对采集数据进行分析，将结果用直观的方式显示出来；根据显示结果，对数据进行评测，根据评测结果对教学策略进行调整，对相关学习者的学习过程、学习方法、学习态度进行干预；重复以上步骤，自始至终对学生的学习进行监控、进行教学策略调整、干预学习过程，直到课程结束。根据计算机网络教学平台数据模型设计的计算机网络教学平台功能模块如图1所示。

3.2 教学平台算法设计

教学平台依托校园网运行，系统平台为Linux RedHat．采用MySQL数据库、PHP和Dreamweaver开发工具。实现教学平台6个功能模块所涉及的各个功能需要设计的算法较多，限于篇幅，笔者仅列出统计实验日志中知识点和常见错误点的算法描述：①从实验表中读入指定实验知识点内容放入实验表数组，从实验日志表中读入指定实验日志内容放入实验日志数组；②取实验表数组第一条记录；③在实验日志表数组中进行检索，如匹配成功，则将相关数据项存入实验统计表中；④查看实验表数组是否为最后一条记录，如不是，则从实验表数组取下一条记录，转③，如是最后一条记录，则查看是否为实验日志数组最后一条记录，如不是，则从实验日志数组取下一条记录，转②，如是，则算法结束。

4 教学平台应用

4.1 数据采集

系统所采集的数据包括标准化和非标准化两种。

(1)标准化数据指用户访问课前知识点预习、课后单元测试等内容所产生的数据。这两种数据由于分析目的不同，采集的内容也不同：对于课前知识点预习主要查看学生对所学内容的积极程度，因此教师在记录学生账号的同时，还要记录学生预习的开始时间和结束时间，从花费在上面的时间评价学生的学习态度；对于课后单元测试内容主要测试学生对所学知识点的掌握程度，因此要记录学生账号、各测试项答案、测试开始和结束时间。

(2)非标准化数据包括期中试卷、期末试卷、实验报告、上机实验日志、论坛交流内容等。其中，期中试卷、期末试卷、实验报告由于均为纸质内容，可通过对其中所涵盖知识点的统计测试学生对相关知识的掌握程度，因此，教师在统计该类数据时可先定义每部分或每个题目所涉及的知识点，对于每份试卷或实验报告，如果试卷中每个客观题都正确，就统计所含知识点，否则均不统计；对于实验报告和试卷主观题部分则按照批阅情况将每部分或每个题目涉及的知识点统计到系统中。

上机实验日志、论坛交流内容等数据均为电子数据，对于上机实验日志，由于每个实验涉及的知识点、每次上课内容、每章节涉及的知识点都是明确的，因此可将每个知识点中最为标志性的词句定义为数据采集点，输入到系统中，查看匹配情况，将正确答案的标志性语句作为采集点与上机实验日志进行匹配，将匹配结果放人数据库。

交换机、路由器常见错误见表1。首先将常见错误标志性词句定义为数据采集点，和学生上机实验进行匹配，将匹配结果存人数据库。

学生在论坛中交流的内容多数属于学生感兴趣或掌握不牢固、概念不太清晰的部分，因此先定义所学计算机网络课程的各知识点，然后与论坛内容相匹配，将最后的匹配结果存人数据库。

4.2 数据分析

(1)课前知识点预习分析。根据所采集数据首先定义一个时间阀值T，此阀值一般根据教师经验设置，如5分钟或10分钟，用于衡量学生的预习时间是否合理；计算每个学生的学习时间，若该时间大于T，则累加1，否则不予统计；将每部分预习内容统计出一个数值，存人数据库，直到所有预习内容均统计完毕。

(2)课后单元测试成绩分析。根据所采集的数据统计每个测试单元中各个知识点的正确作答人数，与预设答案进行比较，如正确，则累加1，否则不予统计；统计出该数值后，将其与参加测试的人数作商，保留两位小数，存人数据库，直到将所有单元测试的所有知识点统计完毕为止。

(3)实验报告分析。根据采集数据统计学生对每个实验中每个知识点的掌握情况，和预设答案比较，如正确，则统计数值加1，否则不予统计，将统计后的数值和所有被统计的人数作商，保留两位小数存人数据库，直到将所有实验的所有知识点统计完毕。

(4)上机实验日志分析。根据采集数据统计学生对每个实验中每个知识点的掌握情况和常见错误的发生情况，设置两个记录变量分别记录知识点的掌握情况和常见错误的发生情况。根据预设答案，如正确，则统计加1，否则不予统计，直到将每个实验中学生的掌握情况和常见错误的发生情况统计完毕为止，与实际实验报告总人数作商，保留两位小数，存人数据库。

(5)论坛数据分析。根据采集数据将涉及的知识点数量加1，存人数据库，直到所有知识点统计完毕为止。

(6)期中、期末考试分析。根据采集数据统计每个知识点的掌握情况和每名学生的成绩，统计完后分别存人数据库，直到所有数据统计完毕为止。

4.3 数据显示和决策支持

数据显示根据一定的目标，依据某种算法将分析数据以较为直观的方式显示出来。决策支持根据显示的数据给出相应的干预策略。

1)课前知识点预习部分。

课前知识点预习部分所采集的数据主要是用来考查学生对计算机网络课程的兴趣，是一个趋势图，如预习的人数越来越多，则说明学生对课程的兴趣增强，反之则减弱。学生对计算机网络课程前10个内容单元的预习情况如图2所示，横坐标为预习内容，纵坐标为相应内容的预习人数。计算机科学与技术专业有效参与的学生有46名，内容1的预习人数为42人，内容4的预习人数为15人，到达最低点后曲折回升，分别到达内容8和内容10的40人。

图2的人数变化曲线基本符合学生的认知学习规律。由于课程刚刚开始，学生对于内容1的兴趣均较高，对于后续几个单元的兴趣逐渐减弱，至内容4降到最低点。随着课堂内容和实验课程的推进，学生的成绩分化明显，至内容4时，多数学生均进行了多次单元测试，成绩不理想的学生开始加大课程学习力度，加上老师的督促，预习人数逐步上升。

根据课前知识点预习变化曲线，教师能够发现学生对该课程学习态度和兴趣的变化趋势，若曲线一直降低，则应考虑导致该现象的原因并采取相应措施，如通过座谈、走访、讨论的形式获悉真正原因，随之调整教学策略。

2)课后单元测试部分。

该部分用来检查学生的课堂学习效果，进而帮助教师了解学生对课堂内容的掌握情况。由于每个单元测试内容所含知识点均较多，因此采用表格的形式进行测试统计，行与列交叉处为知识点的掌握程度（正确的人数与所有人数的比值），见表2。

表2中已经将知识点掌握程度低于50%的用下划线标出。对于这些掌握不好的知识点，教师应注意复习或进行重点讲解，以提高学生对知识的掌握程度；同时给这些知识点掌握不好的学生发送消息，提醒学生注意复习以保持进步。

3)实验报告部分。

实验报告主要是根据批阅情况统计学生对各实验涉及知识点的掌握情况，以表格方式显示，行与列交叉处为分析数据，即对知识点的掌握程度，按百分比表示，见表3。从表中数据可以看出，参与实验的学生对实验所涉及的知识点掌握得较好，仅实验五的知识点6稍差为67%，对此教师应给予重点讲解或复习，同时将所有知识点的统计情况发给所有学生。

4)上机实验日志部分。

上机实验日志是反映学生知识应用的情况，如哪些知识点易犯错误、哪些掌握得较好等。表4为前5个实验中常见错误信息在上机实验日志中的统计情况，交叉点处为分析数据，即该项错误在所有人数中出现的比例，错误率大于50%的用下划线标出。

从表4可以看出，一些错误的发生率非常高，教师应将对应的常见错误向学生仔细讲解，避免以后出现类似问题，同时将这些错误、强化练习内容、学习方法等发给所有学生。例如，实验一常见错误2为“Invalid input detected at’^’marker”，此错误出现的原因是学生对上机实验所用命令的模式不正确，所有命令操作时如果模式不正确均会出现该问题；实验四为静态路由配置实验，常见错误3为“Invalid command orparameter”，为学生对命令不熟所致，初学者很难一开始就掌握熟练命令，因此错误率很高，达到89%。

5)期中考试部分。

期中考试是计算机网络课程教学中的一个重要环节，起到承前启后的作用，可供教师和学生对前半学期的教学进行总结，对教学中存在的问题及时进行调整。我们对期中考试成绩的统计采用二维折线图的方式，横坐标为学生，纵坐标为成绩，包含4条曲线，分别为期中成绩、单元自测成绩、实验报告成绩和预习成绩。期中成绩曲线和其他3个成绩曲线在走势上基本一致，即单元自测成绩、实验报告成绩和预习成绩好的学生，期中成绩相应也好，而3个成绩较差的学生，期中成绩也比较差。

教师对于成绩差的学生应及时给予提醒，给出建议，督促其学习，同时对全班学生分级并分类给出建议：①对于平时课前不预习、课后不复习、不参与单元测试和实验报告错误较多的学生，应给出加强学习、加大学习力度等建议，使其尽快转变学习态度，以提高学习成绩；②对于平时课前预习、课后复习、也参与单元测试但期中成绩不理想的学生，应与其进行谈心交流，共同制订适当的学习策略，以尽快适应学习，提高学习成绩。

以上5项均为单项分析，计算机网络教学平台还可以对多项数据进行综合分析显示。例如，通过将课前知识点预习记录曲线与后面的单元测试曲线、期中和期末考试曲线、实验报告曲线等进行对比分析，从走向趋势看教学问题所在；将前几学期各科成绩曲线与现在各成绩曲线对比，从走向趋势看学生深层次变化等各种问题；从各走向趋势变化看出整体发展趋势；可分析单个学生的发展动态，也可预测全班学生的发展趋势。

5 结语

教学平台帮助教师实时掌握学生的学习情况，保证师生沟通交流的实时性，大幅度提高了学生学习的兴趣以及教学效果。虽然该教学平台最初仅为计算机网络课程教学而设计，但是只需稍作调整即可应用于其他课程教学。

在实际运行过程中，该平台也暴露出很多问题，需进一步改进：①对学生数据的分析还较为浅显，需要更进一步挖掘数据后深层次的含义，给出更为切实可行的指导建议，切实提高教学效果；②对学生的数据采集多数还是手工录入阶段，还需要采用更为先进的技术手段，如光电扫描、广电阅读等，实现机械化操作，提高系统运行效率。

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（编辑：宋文婷）