基于大数据的STEM教育测评系统及方法技术方案

一种基于大数据的STEM教育测评系统及方法，系统主要包括信息采集与存储模块，教学方案生成模块，课程实施模块，学生能力素养分析模块和能力素养可视化模块；信息采集与存储模块主要记录师生的基本信息和行为日志，教学方案生成模块帮助教师开发教学设计，在课程实施模块中实施教学活动，保存师生行为数据，学生能力素养分析模块依据能力素养指标分析学生的核心素养、学科知识和关键能力，在能力素养可视化模块中使用雷达图、知识地图等多种方式展示学生测评结果，保存到信息采集与存储模块。本发明专利技术应用于STEM教育测评，依据评价结果帮助教师和学生精准了解学生能力素养发展，帮助教师精准教学，提高学生学习效果。

STEM education evaluation system and method based on big data

A STEM education evaluation system and method based on large data is proposed. The system mainly includes information collection and storage module, teaching plan generation module, curriculum implementation module, student ability analysis module and ability visualization module. The learning plan generation module helps teachers develop teaching design, implements teaching activities in the curriculum implementation module, preserves the behavior data of teachers and students, and analyzes students'core accomplishment, subject knowledge and key ability according to the ability accomplishment index. Radar chart and knowledge are used in the ability accomplishment visualization module. Map and other ways to display student assessment results, saved to the information collection and storage module. The invention is applied to STEM education evaluation, and helps teachers and students to accurately understand the development of students'ability and quality, helps teachers to accurately teach, and improves students' learning effect according to the evaluation results.

【技术实现步骤摘要】
基于大数据的STEM教育测评系统及方法
本专利技术适用于STEM教育中教师教学活动实施与学生测评领域，提供了一种通过大数据采集学生全学习过程中的表现性行为数据，依靠大数据技术、学习分析技术而实施的学生测评方法。
技术介绍
STEM教育是指加强学生四个方面的教育，即科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)。目前，STEM教育日益受到国家和学校重视，针对STEM的教育评价逐渐得到重视。在教学系统和教育测评系统研究与设计方面，目前已有的技术与产品虽然能够抓住与教育教学有关的重要功能进行设计，例如在考试方面，网络考试系统能够帮助教师自动组卷、自动改卷、自动评判和显示结果。在教育测评系统方面有针对教师教学效果的测评系统，有针对教师培训和职业能力测评系统，有针对幼儿园多元智能发展的测评系统，有针对学生学习效果的教育测评网站系统，有能够辅助教学和教育测评的多媒体教学系统。但是目前的教学测评系统主要还是针对传统课堂教学和考试的评价方式进行设计的，主要用于在线教学、在线考试、在线改卷，不能满足STEM教育评价对学生核心素养、学科知识、关键能力等多方面的评价需求，不能满足教师、学生作为评价主体实施评价的需求，不能通过采集学生全学习过程的大数据来评价学生。美国为了更好地开展STEM教育促进21世纪人才的培养，以技术和社会、设计和系统、信息和通信技术为内容，开展基于情境的评价、基于计算机的评价和基于群体水平的结果评价，主要考查学生的技术与工程素养。美国STEM评价仍然是通过对各个学科的学生学业成绩的评价来间接反映STEM教育成果，并没有以学生全学习过程数据作为评价依据。英国倡导采用笔试和面试相结合的方法对STEM实践活动进行评价，而芬兰、新加坡、新西兰等国家除了采用标准化考试外，还利用以课堂为本的活动、研究性学习等途径来评价学生的学习进阶情况。STEM教育评价应从课程教学角度和学生角度出发，重点关注学生创新意识、实践能力和STEM素养的提升，采用聚焦成果和学习过程的多元评价方法，采用过程性评价、作品评价、小组互评、个人自评等，通过评价引导学生跨学科思维，引导学生学习。在教育测评系统中，需要开放的、可持续发展的指标体系、测评方式和测评内容，而且要保证测评指标精准，保障测评过程透明，实现多元主体参与测评，使用信息化测评手段，保持测评过程常态化，从而保证测评效果真实、准确。目前的教育测评系统主要对教学效果和学生学习成绩进行测评，并不能针对学生的核心素养、学科知识和关键能力进行测评，难以适用于STEM教育。
技术实现思路
为克服当前依靠单一的考试测评手段评估学生的知识学习的局限性，本专利技术提供了一种基于大数据实施表现性评价的STEM教育测评系统及方法，以实现教师、学生多元主体评价学生；通过收集教师和学生线上线下教与学过程中的大数据，评价学生的学科知识、核心素养与关键能力；此外该测评系统和方法还能够实现信息技术与课程教学的深度融合，实现大数据技术在教育测评中的应用，实现将核心素养作为评估学生发展的标准，实现多维度全面评价学生。本专利技术提供了一种基于大数据的STEM教育测评系统，该系统包括数据采集与存储模块，教学方案生成模块，课程实施模块，学生能力素养分析模块和能力素养可视化模块；其中，数据采集与存储模块，用于采集与存储学生和教师的个人信息和行为日志，存储课程信息、教学模式和核心素养框架集；所述核心素养框架集包括世界多个组织和主要国家的核心素养框架，用于作为评价学生核心素养的标准；教学方案生成模块，包括教学内容生成组件、教学活动生成组件、教学模式生成组件、教学目标生成组件；教学内容生成组件是指从课程信息中抽取符合课程大纲和标准的、与学生学习进度相符的教学内容；教学活动生成组件为教师提供多种教与学的活动，嵌入到教学方案中，并能够记录教师、学生参与教与学活动的行为数据以及师生交互数据；教学模式生成组件为教师提供适用于STEM教育的多种模式，教师可以从中选择适合课程、学生特征的教学模式；教学目标生成组件根据课程信息、学生信息，为教师提供适合课程大纲要求、适合教学内容和学生特征的教学目标；课程实施模块，包括教学交互组件、知识传授组件和实践操作组件；教学交互组件，用于支持教学活动过程中的师生交互、生生交互、学生与教学内容交互；知识传授组件，用于帮助教师传递信息和知识，为教师提供传播信息和知识的路径；实践操作组件，允许学生线上实践操作和线下实践活动，并将实践生成的产品上传到系统中；其中，课程实施模块中教师教学活动、学生学习活动生成的数据被数据采集与存储模块记录并存储，为后续的教师活动和学生评价提供支撑；学生能力素养分析模块，包含核心素养分析组件、学科知识分析组件、关键能力分析组件；学生能力素养分析模块内嵌学生能力模型，采集学生学习过程中的表现性行为数据、交互数据、学习结果数据等，从核心素养、学科知识和关键能力维度分析学生的能力素养发展；核心素养分析组件，利用存储的核心素养评价量表对数据采集与存储模块中的学生行为日志进行分析，分析结果与核心素养框架对应；学科知识分析组件，通过测验、测试、问答、作品评价等方式评价学生，了解学生的学科知识掌握程度；关键能力分析组件，从认知能力、合作能力、创新能力和职业能力四方面分析学生的关键能力培养情况；能力素养可视化模块，包含核心素养可视化组件、关键能力可视化组件和学科知识可视化组件；核心素养可视化组件，展示学生的核心素养评价结果，教师和学生可以选择相应国家或组织的核心素养框架查看学生的核心素养发展状况；关键能力可视化组件，呈现学生的认知能力、合作能力、创新能力和职业能力评价结果；学科知识可视化组件展示学生对知识的掌握程度；其中，能力素养可视化模块中的信息存储到数据采集与存储模块，为后续的教学方案生成和课程实施提供依据。上述基于大数据的STEM教育测评系统中，将核心素养、关键能力的每一个指标作为评价指标并进行编码，与测评项目一一对应测评项目包括：学生的表现性行为、学生活动数据、学生行为数据、学习结果以及问卷量表中的题目。如，学生的课堂表现行为中学生举手回答问题这个行为，如果出现的次数多，就说明学生上课积极，对应到核心素养的一个指标：“乐学善学”。学生在一次测验中的成绩，根据测验的知识点和成绩，就作为学科知识的评价数据来源。量表中的题目可以测试关键能力，将量表中的题目与关键能力的指标对应，收集到的就是学生的关键能力发展数据。当然，量表还可以收集核心素养的数据。上述基于大数据的STEM教育测评系统中，在所述能力素养可视化模块中，可视化的表达方式包括：使用雷达图、柱状图、条形图、折线图和/或知识地图。本专利技术提供了一种基于大数据的STEM教育测评方法，该方法包含以下步骤：步骤(1)数据采集与存储模块进行数据采集与存储的步骤；包括：采集与存储学生和教师的个人信息和行为日志；存储课程信息、教学模式，用于为教师设计、生成教学方案提供支撑；存储核心素养框架集，所述核心素养框架集包括世界多个组织和主要国家的核心素养框架，用于作为评价学生核心素养的标准；步骤(2)教学方案生成模块进行教学方案生成的步骤；包括：采用教学内容生成组件从课程信息中抽取符合课程大纲和标准本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于大数据的STEM教育测评系统，其特征在于，该系统包括数据采集与存储模块，教学方案生成模块，课程实施模块，学生能力素养分析模块和能力素养可视化模块；其中，数据采集与存储模块，用于采集与存储学生和教师的个人信息和行为日志，存储课程信息、教学模式和核心素养框架集；所述核心素养框架集包括世界多个组织和主要国家的核心素养框架，用于作为评价学生核心素养的标准；教学方案生成模块，包括教学内容生成组件、教学活动生成组件、教学模式生成组件、教学目标生成组件；教学内容生成组件是指从课程信息中抽取符合课程大纲和标准的、与学生学习进度相符的教学内容；教学活动生成组件为教师提供多种教与学的活动，嵌入到教学方案中，并能够记录教师、学生参与教与学活动的行为数据以及师生交互数据；教学模式生成组件为教师提供适用于STEM教育的多种模式，教师可以从中选择适合课程、学生特征的教学模式；教学目标生成组件根据课程信息、学生信息，为教师提供适合课程大纲要求、适合教学内容和学生特征的教学目标；课程实施模块，包括教学交互组件、知识传授组件和实践操作组件；教学交互组件，用于支持教学活动过程中的师生交互、生生交互、学生与教学内容交互；知识传授组件，用于帮助教师传递信息和知识，为教师提供传播信息和知识的路径；实践操作组件，允许学生线上实践操作和线下实践活动，并将实践生成的产品上传到系统中；其中，课程实施模块中教师教学活动、学生学习活动生成的数据被数据采集与存储模块记录并存储，为后续的教师活动和学生评价提供支撑；学生能力素养分析模块，包含核心素养分析组件、学科知识分析组件、关键能力分析组件；学生能力素养分析模块内嵌学生能力模型，采集学生学习过程中的表现性行为数据、交互数据、学习结果数据等，从核心素养、学科知识和关键能力维度分析学生的能力素养发展；核心素养分析组件，利用存储的核心素养评价量表对数据采集与存储模块中的学生行为日志进行分析，分析结果与核心素养框架对应；学科知识分析组件，通过测验、测试、问答、作品评价等方式评价学生，了解学生的学科知识掌握程度；关键能力分析组件，从认知能力、合作能力、创新能力和职业能力四方面分析学生的关键能力培养情况；能力素养可视化模块，包含核心素养可视化组件、关键能力可视化组件和学科知识可视化组件；核心素养可视化组件，展示学生的核心素养评价结果，教师和学生可以选择相应国家或组织的核心素养框架查看学生的核心素养发展状况；关键能力可视化组件，呈现学生的认知能力、合作能力、创新能力和职业能力评价结果；学科知识可视化组件展示学生对知识的掌握程度；其中，能力素养可视化模块中的信息存储到数据采集与存储模块，为后续的教学方案生成和课程实施提供依据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于大数据的STEM教育测评系统，其特征在于，该系统包括数据采集与存储模块，教学方案生成模块，课程实施模块，学生能力素养分析模块和能力素养可视化模块；其中，数据采集与存储模块，用于采集与存储学生和教师的个人信息和行为日志，存储课程信息、教学模式和核心素养框架集；所述核心素养框架集包括世界多个组织和主要国家的核心素养框架，用于作为评价学生核心素养的标准；教学方案生成模块，包括教学内容生成组件、教学活动生成组件、教学模式生成组件、教学目标生成组件；教学内容生成组件是指从课程信息中抽取符合课程大纲和标准的、与学生学习进度相符的教学内容；教学活动生成组件为教师提供多种教与学的活动，嵌入到教学方案中，并能够记录教师、学生参与教与学活动的行为数据以及师生交互数据；教学模式生成组件为教师提供适用于STEM教育的多种模式，教师可以从中选择适合课程、学生特征的教学模式；教学目标生成组件根据课程信息、学生信息，为教师提供适合课程大纲要求、适合教学内容和学生特征的教学目标；课程实施模块，包括教学交互组件、知识传授组件和实践操作组件；教学交互组件，用于支持教学活动过程中的师生交互、生生交互、学生与教学内容交互；知识传授组件，用于帮助教师传递信息和知识，为教师提供传播信息和知识的路径；实践操作组件，允许学生线上实践操作和线下实践活动，并将实践生成的产品上传到系统中；其中，课程实施模块中教师教学活动、学生学习活动生成的数据被数据采集与存储模块记录并存储，为后续的教师活动和学生评价提供支撑；学生能力素养分析模块，包含核心素养分析组件、学科知识分析组件、关键能力分析组件；学生能力素养分析模块内嵌学生能力模型，采集学生学习过程中的表现性行为数据、交互数据、学习结果数据等，从核心素养、学科知识和关键能力维度分析学生的能力素养发展；核心素养分析组件，利用存储的核心素养评价量表对数据采集与存储模块中的学生行为日志进行分析，分析结果与核心素养框架对应；学科知识分析组件，通过测验、测试、问答、作品评价等方式评价学生，了解学生的学科知识掌握程度；关键能力分析组件，从认知能力、合作能力、创新能力和职业能力四方面分析学生的关键能力培养情况；能力素养可视化模块，包含核心素养可视化组件、关键能力可视化组件和学科知识可视化组件；核心素养可视化组件，展示学生的核心素养评价结果，教师和学生可以选择相应国家或组织的核心素养框架查看学生的核心素养发展状况；关键能力可视化组件，呈现学生的认知能力、合作能力、创新能力和职业能力评价结果；学科知识可视化组件展示学生对知识的掌握程度；其中，能力素养可视化模块中的信息存储到数据采集与存储模块，为后续的教学方案生成和课程实施提供依据。2.根据权利要求1所述的基于大数据的STEM教育测评系统，其特征在于，将核心素养、关键能力的每一个指标作为评价指标并进行编码，与测评项目一一对应；测评项目包括：学生的表现性行为、学生活动数据、学生行为数据、学习结果以及问卷量表中的题目。3.根据权利要求1所述的基于大数据的STEM教育测评系统，其特征在于，在所述能力素养可视化模块中，可视化的表达方式包括：使用雷...

【专利技术属性】
技术研发人员：余胜泉，徐刘杰，李小文，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11