吳雅娟,楊壯壯,尚福華,解紅濤,杜睿山
(東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院,黑龍江大慶 163318)
射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)油田工人在射孔取心等領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)有著重要意義[1],但其存在著缺少對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)的深入分析及學(xué)習(xí)者無(wú)法實(shí)時(shí)了解自己學(xué)習(xí)狀況等問(wèn)題。學(xué)習(xí)儀表盤(pán)正是學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域典型的數(shù)據(jù)可視化工具,它通過(guò)收集到的數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)信息進(jìn)行可視化,并評(píng)估學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài),預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)結(jié)果,促進(jìn)學(xué)習(xí)者自我監(jiān)控、自我反思[2]。
目前國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的研究較少,且多以科普形式介紹國(guó)內(nèi)外學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的發(fā)展現(xiàn)狀及成果。張振虹等人分析并闡述了國(guó)內(nèi)外相對(duì)成熟的學(xué)習(xí)儀表盤(pán)特征、功能及發(fā)展趨勢(shì),并指出未來(lái)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的優(yōu)化方向[3]。姜強(qiáng)等人在對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行梳理后,分別設(shè)計(jì)了針對(duì)個(gè)人、同伴和班級(jí)的學(xué)習(xí)儀表盤(pán)[4]。但學(xué)習(xí)分析研究領(lǐng)域并沒(méi)有明確學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的功能,使學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的展示內(nèi)容與功能呈現(xiàn)多樣性,這也導(dǎo)致多數(shù)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的學(xué)習(xí)儀表盤(pán)缺少科學(xué)性與規(guī)范化設(shè)計(jì),學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果與學(xué)習(xí)行為的關(guān)系缺少深入挖掘,學(xué)習(xí)者無(wú)法憑借展示的信息深入了解自己真實(shí)的學(xué)習(xí)狀況。如何規(guī)范化設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的呈現(xiàn)內(nèi)容及如何深入分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀況成為學(xué)習(xí)儀表盤(pán)研究亟待解決的問(wèn)題。
本文以學(xué)習(xí)者、呈現(xiàn)內(nèi)容、呈現(xiàn)形式等為核心要素對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)框架進(jìn)行設(shè)計(jì);運(yùn)用邏輯回歸分析數(shù)據(jù),確定學(xué)習(xí)效果的影響因素,構(gòu)建出學(xué)習(xí)效果與影響因素的關(guān)系模型,并將學(xué)習(xí)效果影響因素作為學(xué)習(xí)儀表盤(pán)呈現(xiàn)的核心內(nèi)容;融入油田射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜,從學(xué)習(xí)行為、知識(shí)點(diǎn)掌握情況等多維度分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài),并提供指導(dǎo)與建議。最后將學(xué)習(xí)儀表盤(pán)應(yīng)用于油田射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng),通過(guò)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行效果驗(yàn)證。
實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)在射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用首先需要對(duì)其框架進(jìn)行設(shè)計(jì),學(xué)習(xí)儀表盤(pán)呈現(xiàn)的形式與內(nèi)容決定著學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)過(guò)程中的自我認(rèn)知,影響著后續(xù)學(xué)習(xí)進(jìn)程。因此,以符合學(xué)習(xí)規(guī)律的教育理念作為支撐,對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的呈現(xiàn)形式與內(nèi)容進(jìn)行規(guī)范化、科學(xué)性的設(shè)計(jì)具有必要性。本文以油田射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)為基礎(chǔ),以給誰(shuí)使用、呈現(xiàn)什么、怎么呈現(xiàn)作為核心要素,基于已有研究[5]以使用者確定層、指標(biāo)選擇層、數(shù)據(jù)處理層、內(nèi)容呈現(xiàn)層、呈現(xiàn)形式層作為設(shè)計(jì)框架對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì),見(jiàn)圖1。
圖1 學(xué)習(xí)儀表盤(pán)設(shè)計(jì)框架Fig.1 Learning dashboard design framework
學(xué)習(xí)者作為學(xué)習(xí)過(guò)程的主體是整個(gè)設(shè)計(jì)框架的核心。隨著信息化的發(fā)展,各行各業(yè)的人群都需要進(jìn)行學(xué)習(xí),都有成為“學(xué)習(xí)者”的可能。因此,設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)首先要解決的問(wèn)題就是“給誰(shuí)使用”。不同年齡與職業(yè)的學(xué)習(xí)者有著不同的學(xué)習(xí)目的和學(xué)習(xí)期望,而且興趣和偏好也存在差別,確定使用者的群體特征是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。而射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)是針對(duì)油田領(lǐng)域職業(yè)為“射孔取心”的工人進(jìn)行職業(yè)培訓(xùn),其使用者確定為成人學(xué)習(xí)者。使用者確定層指導(dǎo)著指標(biāo)選擇層、數(shù)據(jù)處理層、內(nèi)容呈現(xiàn)層和呈現(xiàn)形式層。
選擇指標(biāo)的目的是篩選學(xué)習(xí)信息,為分析學(xué)習(xí)效果的影響因素提供支持。指標(biāo)的選擇受到使用者群體特征的影響。射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)作為成人職業(yè)培訓(xùn)平臺(tái),其使用者具有成人學(xué)習(xí)者的特征。在對(duì)成人學(xué)習(xí)分析的研究中,Park從性別、年齡、教育程度、家庭支持、組織支持、學(xué)習(xí)者滿意度等變量對(duì)成人學(xué)習(xí)者的輟學(xué)率進(jìn)行研究[6]。本研究參考已有的研究成果并結(jié)合開(kāi)發(fā)的成人培訓(xùn)系統(tǒng)的獨(dú)特性,從學(xué)習(xí)者基本信息、測(cè)試情況、行為特征等三個(gè)維度十三個(gè)指標(biāo)對(duì)學(xué)業(yè)狀態(tài)的影響因素進(jìn)行分析研究,見(jiàn)表1。
表1 變量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Variable index statistics
收集到指標(biāo)選擇層確定的數(shù)據(jù)指標(biāo)后,如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理直接影響著學(xué)習(xí)分析效果的好壞,決定著學(xué)習(xí)儀表盤(pán)是否具有使用價(jià)值。當(dāng)前對(duì)在線學(xué)習(xí)效果影響因素的研究常用方法包括聚類(lèi)、分類(lèi)、回歸、關(guān)系樹(shù)、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、序列模式挖掘等[7]。其中邏輯回歸(Logistic 回歸)可以根據(jù)多個(gè)離散型或連續(xù)型的自變量對(duì)離散型的因變量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。二元邏輯回歸其因變量為兩個(gè)類(lèi)別的值,可以對(duì)射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)者學(xué)業(yè)狀態(tài)(安全與危險(xiǎn))的影響因素進(jìn)行分析來(lái)構(gòu)建學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型。
本研究遵循科學(xué)性、規(guī)范性原則并結(jié)合射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)將學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的主要呈現(xiàn)內(nèi)容分為三類(lèi)。第一類(lèi)直接展示隨著時(shí)間的推移學(xué)習(xí)者課程學(xué)習(xí)情況,如學(xué)習(xí)進(jìn)度、練習(xí)測(cè)試成績(jī)、知識(shí)點(diǎn)掌握情況等。第二類(lèi)展示經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后確定的對(duì)學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生重要影響的變量指標(biāo),如系統(tǒng)登錄次數(shù)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)、討論情況、在線時(shí)長(zhǎng)、測(cè)試成績(jī)等。第三類(lèi)內(nèi)容需要較為深入的數(shù)據(jù)分析后才能進(jìn)行展示,如學(xué)習(xí)努力指數(shù)、學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)、指導(dǎo)與建議等。
學(xué)習(xí)儀表盤(pán)常見(jiàn)的呈現(xiàn)形式有文字、數(shù)值、表格、圖(折線圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖、雷達(dá)圖等)等。此外,為激發(fā)射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)使用者的學(xué)習(xí)興趣,以信號(hào)燈展示學(xué)習(xí)者的當(dāng)前學(xué)習(xí)狀態(tài),以勛章形式獎(jiǎng)勵(lì)每次測(cè)試成績(jī)超過(guò)90 分的學(xué)習(xí)者,以三維化的表格展示學(xué)習(xí)者知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)進(jìn)度等。
學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建和學(xué)習(xí)狀態(tài)分析結(jié)果展示。學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型一方面用于對(duì)處于學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)的學(xué)習(xí)者進(jìn)行預(yù)警,另一方面模型中與學(xué)業(yè)狀態(tài)呈顯著相關(guān)的變量指標(biāo)作為學(xué)習(xí)儀表盤(pán)展示的核心內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)深入分析與建議,本研究根據(jù)已構(gòu)建的射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜并結(jié)合影響學(xué)業(yè)狀態(tài)的主要因素對(duì)學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行分析與可視化,根據(jù)當(dāng)前在學(xué)習(xí)行為與知識(shí)點(diǎn)上存在的問(wèn)題進(jìn)行具體的指導(dǎo)與建議。
2.1.1 前期分析與預(yù)處理
經(jīng)過(guò)對(duì)射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)使用者的信息進(jìn)行前期分析發(fā)現(xiàn),學(xué)習(xí)者大部分為男性且受教育程度大致相同,因此將變量指標(biāo)中的性別和受教育程度剔除。每個(gè)學(xué)習(xí)者單機(jī)測(cè)試的平均成績(jī)與聯(lián)網(wǎng)測(cè)試平均成績(jī)相似度高,如果兩個(gè)變量都代入回歸模型會(huì)干擾模型的構(gòu)建,影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度,因此剔除單機(jī)測(cè)試平均成績(jī)指標(biāo),選擇將聯(lián)網(wǎng)測(cè)試平均成績(jī)指標(biāo)代入回歸模型。學(xué)習(xí)者的聯(lián)網(wǎng)測(cè)試次數(shù)都大致相同,經(jīng)調(diào)查了解聯(lián)網(wǎng)測(cè)試是班級(jí)統(tǒng)一組織,聯(lián)網(wǎng)測(cè)試次數(shù)無(wú)法對(duì)預(yù)測(cè)模型產(chǎn)生影響,因此剔除聯(lián)網(wǎng)測(cè)試次數(shù)變量指標(biāo)。
本研究使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 將年齡、是否婚配、聯(lián)網(wǎng)測(cè)試成績(jī)、發(fā)起討論數(shù)、回復(fù)討論數(shù)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)、系統(tǒng)登錄時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)登錄次數(shù)等八個(gè)指標(biāo)與學(xué)業(yè)狀態(tài)(期末考試成績(jī)低于60 分為處于學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài),高于或者等于60 分為安全狀態(tài))進(jìn)行相關(guān)性分析[8],見(jiàn)表2。
表2 自變量與學(xué)業(yè)狀態(tài)的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between independent variables and academic status
通過(guò)表2 可以看出,是否婚配、發(fā)起討論數(shù)、鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)三個(gè)指標(biāo)與學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)沒(méi)有顯著相關(guān)性。而年齡、聯(lián)網(wǎng)測(cè)試成績(jī)、回復(fù)討論數(shù)、系統(tǒng)登錄時(shí)長(zhǎng),系統(tǒng)登錄次數(shù)與學(xué)業(yè)狀態(tài)在0.05 水平上顯著相關(guān),因此將學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)作為因變量,將上述五個(gè)指標(biāo)作為自變量代入到回歸模型中。
2.1.2 構(gòu)建模型
本研究以二元邏輯回歸對(duì)學(xué)業(yè)安全狀態(tài)的發(fā)生概率進(jìn)行預(yù)測(cè),設(shè)P為學(xué)業(yè)安全狀態(tài)的發(fā)生概率,則(1-P)為危險(xiǎn)狀態(tài)的概率,P/(1-P)為學(xué)業(yè)危險(xiǎn)狀態(tài)的邏輯回歸發(fā)生比,再取自然對(duì)數(shù)為ln [P/(1 -P) ]。設(shè)自變量為X1,X2,· · ·,Xn,因變量為P,則邏輯回歸方程表達(dá)式表示為
因此可得出預(yù)測(cè)學(xué)業(yè)安全狀態(tài)概率的方程式為
其中,
使用SPSS 22 將射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中與學(xué)業(yè)狀態(tài)呈顯著相關(guān)的100 條指標(biāo)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本代入到二元邏輯回歸方程分析,見(jiàn)表3。
由表3可以得出
將公式(4)代入到公式(2)即可得出最終的預(yù)測(cè)學(xué)業(yè)安全狀態(tài)概率方程。
2.1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證得出的學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型的有效性,將83個(gè)測(cè)試樣本的數(shù)據(jù)代入方程中進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison between the predicted results and the actual results
其中預(yù)測(cè)結(jié)果為“安全”狀態(tài)的71個(gè)樣本中,實(shí)際為“安全”狀態(tài)的樣本個(gè)數(shù)是69個(gè);預(yù)測(cè)結(jié)果為“危險(xiǎn)”狀態(tài)的12個(gè)樣本中,實(shí)際為“危險(xiǎn)”狀態(tài)的樣本個(gè)數(shù)是6個(gè)。最終預(yù)測(cè)結(jié)果中有75個(gè)與實(shí)際結(jié)果一致,預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為90.4%,表明該模型有較高的準(zhǔn)確性與適用性。
2.2.1 知識(shí)點(diǎn)掌握情況可視化展示
知識(shí)點(diǎn)掌握情況的可視化展示:一是圖形展示,將已經(jīng)學(xué)習(xí)但未掌握的知識(shí)點(diǎn)變?yōu)榧t色,并根據(jù)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系生成學(xué)習(xí)路徑。二是文字提示,對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)問(wèn)題的具體知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行描述,并結(jié)合學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)學(xué)習(xí)行為提出具體建議。知識(shí)點(diǎn)的可視化借助射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜進(jìn)行表示。
射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜的知識(shí)元分為章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)三種。知識(shí)元之間的關(guān)系包括:章與節(jié)、節(jié)與知識(shí)點(diǎn)的包含關(guān)系;知識(shí)點(diǎn)之間的前驅(qū)關(guān)系、后繼關(guān)系和并列關(guān)系。且包含關(guān)系、前驅(qū)關(guān)系、后繼關(guān)系、并列關(guān)系都具有傳遞性。以射孔取心工理論知識(shí)中“技師”章為例,共11 節(jié),172 個(gè)知識(shí)點(diǎn)。用“hasPartOf”表示包含關(guān)系,“isDescendentOf”表示前驅(qū) 關(guān)系,“isApposedWith”表示并列關(guān)系[9]。通過(guò)構(gòu)建出的射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)掌握情況的分析與可視化,見(jiàn)圖2。
圖2 “智能分析”頁(yè)面Fig.2 “Intelligent analysis”page
2.2.2 學(xué)習(xí)行為可視化展示
僅有知識(shí)點(diǎn)的掌握情況無(wú)法全方位了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀況,還需要對(duì)學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型中影響成績(jī)的重要因素,如聯(lián)網(wǎng)測(cè)試成績(jī)、系統(tǒng)登錄時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)登錄次數(shù)、發(fā)起討論數(shù)、回復(fù)討論數(shù)等進(jìn)行分析與可視化。使用開(kāi)源的數(shù)據(jù)可視化工具——ECharts 圖表庫(kù),借助其提供的柱狀圖、折線圖、餅圖、氣泡圖、雷達(dá)圖等對(duì)學(xué)習(xí)行為進(jìn)行展示。通過(guò)學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行分析與可視化展示,見(jiàn)圖3。
圖3 “學(xué)情總覽”頁(yè)面Fig.3 “Learning situation overview”page
在原射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)中加入學(xué)習(xí)儀表盤(pán)功能,并在油田試油試采公司進(jìn)行測(cè)試與使用。經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的跟蹤調(diào)查并對(duì)183 位員工的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,結(jié)果顯示,使用加入學(xué)習(xí)儀表盤(pán)功能的射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)的員工平均每周在線時(shí)長(zhǎng)從11.2小時(shí)上漲至13.1小時(shí),培訓(xùn)合格率從86%提升至92%。
通過(guò)發(fā)放150 份調(diào)查問(wèn)卷了解使用者對(duì)學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的滿意度,調(diào)查結(jié)果如表5所示。
表5 學(xué)習(xí)儀表盤(pán)使用評(píng)價(jià)Tab.5 Evaluation of learning dashboard
其中78% 的使用者認(rèn)為學(xué)習(xí)儀表盤(pán)有助于實(shí)時(shí)了解學(xué)習(xí)狀態(tài);62% 的使用者認(rèn)為學(xué)習(xí)儀表盤(pán)能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣;58% 的使用者認(rèn)為有助于明確學(xué)習(xí)目標(biāo);70%的使用者認(rèn)為有利于提高學(xué)習(xí)效果;86% 的使用者認(rèn)為學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的培訓(xùn)系統(tǒng)優(yōu)于原有培訓(xùn)系統(tǒng)。
綜合以上數(shù)據(jù)可以得出,學(xué)習(xí)儀表盤(pán)能激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣,幫助學(xué)習(xí)者實(shí)時(shí)掌握自己的學(xué)習(xí)狀態(tài),明確學(xué)習(xí)目標(biāo),有利于提高學(xué)習(xí)效果。將學(xué)習(xí)儀表盤(pán)應(yīng)用于射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)增加了使用者的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng),提升了測(cè)試成績(jī),提高了射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)的培訓(xùn)效率。
在線學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)習(xí)狀態(tài)分析與可視化對(duì)促進(jìn)學(xué)習(xí)者的自我監(jiān)督、提高教學(xué)效率有著重要意義。學(xué)習(xí)儀表盤(pán)作為學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化的載體,學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域?qū)ζ溲芯空饾u深入。就學(xué)習(xí)儀表盤(pán)存在的呈現(xiàn)內(nèi)容不規(guī)范以及對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)分析不夠全面和深入的問(wèn)題,本研究設(shè)計(jì)出學(xué)習(xí)儀表盤(pán)的設(shè)計(jì)框架,為呈現(xiàn)規(guī)范化、科學(xué)性的學(xué)習(xí)信息做支撐。并在學(xué)習(xí)儀表盤(pán)中融入射孔取心工領(lǐng)域知識(shí)圖譜,多維度分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài),從學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)路徑等角度對(duì)學(xué)習(xí)者提出具體建議。將學(xué)習(xí)儀表盤(pán)應(yīng)用到射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)后,使用者每周學(xué)習(xí)時(shí)間增加,平均測(cè)試成績(jī)提升,明顯提高了射孔取心工培訓(xùn)系統(tǒng)的培訓(xùn)效率。