◆肖立英 李中旗 文 燦

?

基于深度學(xué)習(xí)的個性化智能導(dǎo)學(xué)平臺的研究

◆肖立英 李中旗 文 燦

（中南大學(xué)信息與網(wǎng)絡(luò)中心 湖南 410075）

首先對背景和現(xiàn)狀進行了分析，然后研究和構(gòu)建了一個個性化的智能導(dǎo)學(xué)平臺。通過智慧校園大數(shù)據(jù)分析獲得用戶個性化模型，對網(wǎng)絡(luò)教育資源進行整合建設(shè)導(dǎo)學(xué)知識庫，設(shè)計個性化導(dǎo)學(xué)策略，最終實現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的個性化智能推送服務(wù)。

智慧校園；大數(shù)據(jù)分析；個性化導(dǎo)學(xué)；深度學(xué)習(xí)；智能推送

1 背景與研究現(xiàn)狀

2010年，在信息化“十二五”規(guī)劃中，提出“智慧校園”的概念，就是建設(shè)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧化的校園工作、學(xué)習(xí)和生活一體化環(huán)境。這個一體化環(huán)境以各種應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)為載體，將教學(xué)、科研、管理和校園生活進行充分融合。通過智慧校園實現(xiàn)無處不在的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、融合創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)科研、透明高效的校務(wù)治理、豐富多彩的校園文化、方便周到的校園生活。在此背景下，人們提出了建設(shè)一種“能優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)、便利學(xué)習(xí)資源獲取、促進教學(xué)課堂交互開展，具有情境感知和環(huán)境管理功能的新型教室”，這種教室被被稱為智慧教室。2012年3月，發(fā)布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》，提出“推動信息技術(shù)與教育深度融合”;2012、2015年，先后召開2次全國教育信息化工作電視電話會議，將教育信息化作為國家信息化的戰(zhàn)略重點優(yōu)先部署，切實加快教育信息化進程。

人才培養(yǎng)是一個多序列、多層次、多因素的動態(tài)過程，傳統(tǒng)的教育教學(xué)方式受到傳統(tǒng)理念和教學(xué)環(huán)境的制約，不能充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，學(xué)生缺乏對學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)應(yīng)有的思考，不利于高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。

現(xiàn)階段對個性化學(xué)習(xí)的理論探索還處在研究階段。建構(gòu)主義、人本主義和多元智能理論為個性化學(xué)習(xí)提供了豐富的理論指導(dǎo)。深度學(xué)習(xí)理念促使個性化學(xué)習(xí)過程的信息加工更加個性化、有意義和向深層次學(xué)習(xí)發(fā)展。有學(xué)者認(rèn)為，所謂的移動終端的個性化學(xué)習(xí)、個人學(xué)習(xí)空間等模式，只是為學(xué)習(xí)者提供了系統(tǒng)可支持的多樣的交互模式和相對自由、自主的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生的課程學(xué)習(xí)、知識點推送、活動參與等還是由授課教師完全控制，無法彰顯學(xué)生個體差異。

導(dǎo)學(xué)也還處于研究和實驗階段，并沒實際應(yīng)用到大的教學(xué)場景中。目前的網(wǎng)絡(luò)個性化學(xué)習(xí)平臺、導(dǎo)學(xué)平臺提供了許多便利，但在以學(xué)習(xí)者為中心的服務(wù)理念上還存在不足。同時，還應(yīng)在支持學(xué)習(xí)的理念上追求深度學(xué)習(xí)、個性化學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的設(shè)計。因此，需要一種全方位體現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心，提高在線學(xué)習(xí)效率，提升支持服務(wù)質(zhì)量，促進學(xué)習(xí)有效性的個性化導(dǎo)學(xué)設(shè)計，在設(shè)計中還需要考慮提升輔導(dǎo)教師的網(wǎng)絡(luò)及導(dǎo)學(xué)能力，探索各方面的協(xié)同創(chuàng)新，幫助學(xué)生克服網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中的困難，促進深度學(xué)習(xí)等。

網(wǎng)絡(luò)教育資源數(shù)量巨大、種類繁多，因此，個性化導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)需要根據(jù)用戶偏好和用戶需求，采取智能化信息技術(shù)策略，即通過構(gòu)建導(dǎo)學(xué)知識庫和個性化的教育資源推送方法，將相關(guān)用戶所需的資源推送給用戶，以促進學(xué)生高效學(xué)習(xí)。

縱觀現(xiàn)有的研究，現(xiàn)階段比較成熟的個性化的資源推送方法有基于協(xié)同過濾的推送、基于內(nèi)容的推送、基于知識的推送、基于數(shù)據(jù)挖掘的推送和組合推送等。基于知識的推送不能自我學(xué)習(xí)，難以獲得足夠的知識構(gòu)建模型；基于內(nèi)容的推送需要資源本身的關(guān)鍵信息，很多資源上傳者在描述資源時，只是簡單的描述視頻信息，沒有全面、詳細(xì)地描述視頻資源介紹的相關(guān)知識；基于數(shù)據(jù)挖掘的推送存在著關(guān)聯(lián)規(guī)則抽取難、耗時、個性化程度低等問題。因此，基于協(xié)同過濾和基于內(nèi)容的推送是目前最基本、最常用的兩種推送方法?；趨f(xié)同過濾的推送適合用戶發(fā)現(xiàn)新興趣，推送效果隨著用戶的數(shù)量增加而提高，自適應(yīng)好，推送的個性化、自動化程度高；基于內(nèi)容的推送結(jié)果直觀易懂，沒有冷開始和稀疏問題。但是基于協(xié)同過濾的推送存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)稀疏、新用戶和新對象的引入以及推送質(zhì)量依賴于歷史數(shù)據(jù)的問題；基于內(nèi)容的推送存在對資源對象的屬性描述限制(如不易對音樂和視頻信息提取)、新用戶問題、分類訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)支撐等問題。雖然上述推送方法在很多方面已得到廣泛應(yīng)用，但是其各自固有的缺點表明不能直接將其應(yīng)用在智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)的教育資源推送上。

目前在我校已經(jīng)建成了包括智慧教室、一卡通、網(wǎng)絡(luò)信息化等智慧校園體系，迫切需要通過以整合、建設(shè)和引入等手段建立一個資源豐富、貼合需求的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫的基礎(chǔ)上，研究如何利用現(xiàn)有智慧教室的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和軟件平臺，實現(xiàn)面向不同學(xué)習(xí)需求的學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)資源推送，引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動思考，把教學(xué)過程由老師主導(dǎo)變成師生互促，把按部就班的考生變成孜孜以求的學(xué)生，建立一個基于深度學(xué)習(xí)的個性化智能導(dǎo)學(xué)平臺。此研究與實踐密切結(jié)合學(xué)校的工作實際，具有強烈的現(xiàn)實意義和重大的應(yīng)用價值。同時，也是推進現(xiàn)代教育技術(shù)不斷發(fā)展的有益嘗試和探索。

2 個性化的智能導(dǎo)學(xué)平臺

2.1用戶個性化模型

圖1 用戶個性化模型的構(gòu)建

現(xiàn)有的智慧校園環(huán)境，擁有海量的數(shù)據(jù)資源：校園一卡通的普及能獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)和生活行為數(shù)據(jù)，包括課堂考勤、圖書借閱、自習(xí)室打卡、宿舍門禁、食堂、學(xué)校店面消費、熱水及水電費信息等；通過學(xué)生注冊系統(tǒng)可以獲得學(xué)生的基本信息，包括個人情況、家庭背景、興趣愛好等；教務(wù)系統(tǒng)包含學(xué)生的作業(yè)、學(xué)分、成績等學(xué)習(xí)信息，還有獲獎、證書、處分等獎懲數(shù)據(jù)，以及社團、比賽、實習(xí)等學(xué)生的社會和教學(xué)實踐情況。而網(wǎng)上教學(xué)資源庫的訪問日志，可以捕獲學(xué)生訪問的內(nèi)容、時長以及對教學(xué)資源的評價反饋。這些海量數(shù)據(jù)資源組成了智慧校園大數(shù)據(jù)中心，再通過分布式存儲計算、數(shù)據(jù)采集清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、智能檢索、智能分析、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，構(gòu)建出用戶個性化模型（圖1），而用戶個性化模型是個性化智能導(dǎo)學(xué)平臺的重要組成部分。

2.2導(dǎo)學(xué)知識庫

通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教育資源的整合與優(yōu)化、國內(nèi)外MOOC課程的引入、自助式慕課課程建設(shè)體系構(gòu)建，實現(xiàn)海量網(wǎng)絡(luò)教育資源平臺的建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建導(dǎo)學(xué)知識庫。

將我校現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和資源進行整合，包括Blackboard網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、在線課程平臺、精品課程網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院“學(xué)習(xí)資源開放服務(wù)”網(wǎng)站等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺等，充分利用大量高品質(zhì)的精品課程、視頻公開課、網(wǎng)絡(luò)課程等資源，實現(xiàn)教學(xué)資源的統(tǒng)一調(diào)配和推送，通過對推送情況的統(tǒng)計與分析，不斷優(yōu)化和強化優(yōu)秀教學(xué)資源。

網(wǎng)絡(luò)教育資源呈井噴式增長，尤其是2013年以來，MOOC（massive online open courses）課程、微課得到了迅速發(fā)展。在全國乃至世界范圍內(nèi)選擇最優(yōu)質(zhì)的教育資源，進一步突破傳統(tǒng)教學(xué)活動的時空限制，促使教育發(fā)生深刻變革。通過引入優(yōu)質(zhì)國內(nèi)外MOOC課程，不斷豐富和擴充網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，實現(xiàn)國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的及時推送。

自助式慕課課程建設(shè)體系構(gòu)建包括硬件環(huán)境建設(shè)和軟件平臺搭建。建設(shè)2-3個自助式慕課（微課）視頻資料錄制機位，面向全體老師開放。老師可通過網(wǎng)上預(yù)約，確定視頻錄制時間和機位，在管理員的簡單培訓(xùn)之后便可使用傻瓜式的集成錄制設(shè)備進行自助式錄制。在約定的時間內(nèi)，使用者可自由選擇錄制內(nèi)容，或?qū)σ唁浿埔曨l不滿意部分、更新部分等進行重新錄制。

建設(shè)慕課課程運行平臺，結(jié)合個人空間建設(shè)，和智慧教室電腦桌面虛擬化建設(shè)，為老師提供信息互通、資源共享的私有云空間；老師可在個人云空間上傳音視頻資料、學(xué)習(xí)課件，給學(xué)生進行網(wǎng)上答疑、布置作業(yè)、分組討論等；對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為（觀看視頻音像、閱看課件資料、參與討論、作業(yè)完成等）進行統(tǒng)計和分析，引導(dǎo)學(xué)生加強學(xué)習(xí)和思考。

2.3個性化導(dǎo)學(xué)策略

在校學(xué)生和非在校學(xué)生，采用不同的個性化導(dǎo)學(xué)策略及實現(xiàn)方式。

在線學(xué)生通過采集學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、課程學(xué)習(xí)、圖書館學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)和考試成績、獲獎情況等學(xué)習(xí)效果數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)分析，建立個性化導(dǎo)學(xué)策略，實現(xiàn)極具針對性的個性化導(dǎo)學(xué)推送。

（1）普通學(xué)生的優(yōu)化導(dǎo)學(xué)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)考試情況和專業(yè)知識結(jié)構(gòu)要求，推送相關(guān)學(xué)習(xí)資源，指導(dǎo)學(xué)生不斷完善知識結(jié)構(gòu)、提高學(xué)術(shù)水平。

（2）特長學(xué)生的強化導(dǎo)學(xué)，根據(jù)學(xué)生興趣愛好和個人學(xué)習(xí)特長，推送相應(yīng)的深層次、高水平的學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生在其特長領(lǐng)域不斷強化、提高。

（3）后進學(xué)生的補足導(dǎo)學(xué)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)考試情況和學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析，推送其急需補足的學(xué)習(xí)和思想內(nèi)容，鼓勵學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度、提高學(xué)習(xí)效率，指導(dǎo)學(xué)生查漏補缺，全面發(fā)展。

非在校學(xué)生通過引進和自建等方式構(gòu)建優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫，在突破大學(xué)培養(yǎng)過程中普通課程時間與空間的限制的基礎(chǔ)上，還可實現(xiàn)大學(xué)培養(yǎng)過程進行前移和后延。

（1）向基地中學(xué)的中學(xué)生推送英語類、數(shù)理類、文史類等慕課學(xué)習(xí)資源，完成慕課課程的中學(xué)生在考入大學(xué)后承認(rèn)該課程的學(xué)分，實現(xiàn)大學(xué)培養(yǎng)過程的前移。

（2）向尚未完成學(xué)分的“大四后”學(xué)生推送相關(guān)慕課課程資源，畢業(yè)生可以邊工作邊學(xué)習(xí)，實現(xiàn)“低成本”畢業(yè)，實現(xiàn)大學(xué)培養(yǎng)過程的后移。

（3）通過比對學(xué)生所學(xué)專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)和現(xiàn)從事工作的知識要求，推送給畢業(yè)生適合的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，不斷強化學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)技能。

2.4個性化智能推送

個性化智能推送服務(wù)(如圖2)是個性化的智能導(dǎo)學(xué)平臺的核心及關(guān)鍵所在。如何利用大數(shù)據(jù)分析得到的用戶個性化模型、海量教學(xué)資料所組成的導(dǎo)學(xué)知識庫以及個性化的導(dǎo)學(xué)策略，來實現(xiàn)對用戶有效的推送服務(wù)，這是我們需要研究突破的重點問題。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)的個性化智能推送服務(wù)

國內(nèi)外的深度學(xué)習(xí)研究成果表明，個性化的人才培養(yǎng)需要注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，包括知識構(gòu)建、知識遷移、批判思維、整合分析、運用決策等。而人工智能領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)，是機器學(xué)習(xí)研究中的一個新領(lǐng)域，也是近年來研究和發(fā)展的熱點。其動機是模仿人腦的機制來解釋數(shù)據(jù)，采用含多隱層的多層感知器建立深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過組合低層特征形成更加抽象的高層表示屬性類別或特征，來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示。將這兩個深度學(xué)習(xí)的概念相結(jié)合，能有效解決現(xiàn)有個性化導(dǎo)學(xué)研究和實踐的不足。前者幫助我們思考如何針對學(xué)習(xí)者選擇更有益的推薦內(nèi)容，而后者所提供的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使系統(tǒng)可以更精準(zhǔn)地實現(xiàn)個性化智能推送服務(wù)。

推送服務(wù)包含基于Android、IOS APP的推送和基于網(wǎng)頁和電腦客戶端的推送，同時要收集用戶反饋對推送結(jié)果進行評價和分析，從而不斷優(yōu)化。

3 結(jié)語

把個性化智能導(dǎo)學(xué)平臺部署實施在高校中，能為廣大學(xué)生提供良好的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)學(xué)環(huán)境，充分體現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心的理念，提高學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率、教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，為高校雙一流建設(shè)做出有益的貢獻。

[1]陳敏，余勝泉，楊現(xiàn)民等.泛在學(xué)習(xí)的內(nèi)容個性化推薦模型設(shè)計[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011.

[2]姜強，趙蔚，王朋嬌等.基于大數(shù)據(jù)的個性化自適應(yīng)在線學(xué)習(xí)分析模型及實現(xiàn)[J].中國電化教育，2015.

[3]宦婧，周偉祝，呂海燕等.基于導(dǎo)學(xué)模式的高校學(xué)生個性化學(xué)習(xí)研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017.

[4]張丹陽.基于數(shù)據(jù)挖掘的智能性個性化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2012.

[5]李寶，張文蘭.智慧教育環(huán)境下學(xué)習(xí)資源推送服務(wù)模型的構(gòu)建[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2015.

[6]韓建華，姜強，趙蔚等.智能導(dǎo)學(xué)環(huán)境下個性化學(xué)習(xí)模型及應(yīng)用效能評價[J].電化教育研究，2016.

[7]曾明星，李桂平，周清平等.從MOOC到SPOC:一種深度學(xué)習(xí)模式建構(gòu)[J].中國電化教育，2015.

[8]樊雅琴，王炳皓，王偉等.深度學(xué)習(xí)國內(nèi)研究綜述[J].中國遠(yuǎn)程教育，2015.

[9]卜彩麗，馮曉曉，張寶輝.深度學(xué)習(xí)的概念、策略、效果及其啟示——美國深度學(xué)習(xí)項目(SDL)的解讀與分析[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2016.

[10]騫宇澄，劉昭策.深度學(xué)習(xí)的實現(xiàn)與發(fā)展——從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到機器學(xué)習(xí)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017.

中南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目：智慧校園環(huán)境下的個性化導(dǎo)學(xué)模式研究（項目編號2016jy70）。