基于大數(shù)據(jù)分析個(gè)性化教學(xué)研究

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當(dāng)前，教育手段日益多樣，多媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用，但大部分教育工作者依舊將學(xué)生同質(zhì)化對(duì)待，讓不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生每日完成同樣的作業(yè)，有的“吃不消”，有的“吃不飽”。應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)可促進(jìn)教育從普適化向個(gè)性化轉(zhuǎn)變。學(xué)生在大數(shù)據(jù)支持下在線學(xué)習(xí)，場(chǎng)景由實(shí)體課堂變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)空間——教師能夠全方位跟蹤、記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，了解學(xué)生學(xué)習(xí)需求，掌握學(xué)生思維特點(diǎn)。教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，綜合分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行有針對(duì)性的備課和個(gè)性化教學(xué)，針對(duì)學(xué)生特點(diǎn)建立學(xué)習(xí)模型，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)策略和資源，讓教育從“用經(jīng)驗(yàn)說(shuō)話”轉(zhuǎn)向“用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策”。例如，成都數(shù)字學(xué)校（以下簡(jiǎn)稱數(shù)校）在利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)方面已付諸實(shí)踐。數(shù)校為學(xué)生提供直播課程與點(diǎn)播課程以及豐富的試題和視頻資源，在預(yù)習(xí)、課前測(cè)、直播課、課后測(cè)、復(fù)習(xí)鞏固5個(gè)環(huán)節(jié)提供支持。同時(shí)，數(shù)校借助系統(tǒng)直接對(duì)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析，將學(xué)生的錯(cuò)題收錄到錯(cuò)題本中，再基于學(xué)生錯(cuò)題數(shù)據(jù)診斷學(xué)生的知識(shí)漏洞，為學(xué)生推送練習(xí)題和線上課程。數(shù)校利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)和診斷，通過(guò)精準(zhǔn)分析學(xué)生的薄弱點(diǎn)，幫助學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)，同時(shí)教師也能根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)需求，實(shí)施個(gè)性化指導(dǎo)與干預(yù)。

一、基于前端數(shù)據(jù)收集并融合過(guò)程數(shù)據(jù)挖掘的自動(dòng)用戶建模

應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)促進(jìn)教育從“靜態(tài)”向“動(dòng)態(tài)”轉(zhuǎn)變。要實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，首先需要對(duì)用戶進(jìn)行建模，即根據(jù)用戶的不同特征來(lái)分類，包括屬性特征和用戶行為特征，在區(qū)分出不同的用戶以后，再為不同的用戶設(shè)計(jì)合適的成長(zhǎng)路徑。數(shù)校收集每個(gè)學(xué)生的基本信息和在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生目前存在的問(wèn)題，為用戶畫像，在畫像的基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用模型（如圖1）。學(xué)生基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包含學(xué)生各種基本信息，如學(xué)生注冊(cè)時(shí)填寫的用戶名、學(xué)校、班級(jí)等。教師要收集學(xué)生以前的學(xué)習(xí)信息，需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行前測(cè)，發(fā)掘?qū)W生在知識(shí)學(xué)習(xí)方面的薄弱點(diǎn)，匹配學(xué)習(xí)方式。為確保向?qū)W生提供合適的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)路徑，不僅要記錄學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的行為，而且要參照以往的數(shù)據(jù)以及后續(xù)通過(guò)用戶調(diào)查等方式采集的信息。學(xué)校可以建立學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)，并借助系統(tǒng)的WEB日志挖掘和平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢功能，對(duì)圖2用戶建模學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，包括瀏覽次數(shù)、各種點(diǎn)擊次數(shù)、訪問(wèn)次數(shù)、訪問(wèn)時(shí)長(zhǎng)、活動(dòng)參與情況等信息，記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑、內(nèi)容及難點(diǎn)等（如圖2）。以北京師范大學(xué)成都實(shí)驗(yàn)中學(xué)（以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)中學(xué)）七年級(jí)某學(xué)生為例，該生在2017年暑假參與小升初銜接班學(xué)習(xí)，直到現(xiàn)在(八年級(jí))。該生入學(xué)考試成績(jī)中等，在班級(jí)內(nèi)排名第23位，語(yǔ)文與英語(yǔ)成績(jī)不佳。數(shù)校采集到的數(shù)據(jù)顯示，該生在數(shù)校網(wǎng)站的訪問(wèn)與停留行為也主要發(fā)生在薄弱科目上，對(duì)部分英語(yǔ)章節(jié)有反復(fù)聽(tīng)講的行為記錄。

二、構(gòu)建基因級(jí)知識(shí)圖譜，生成個(gè)性化動(dòng)態(tài)知識(shí)樹(shù)

傳授結(jié)構(gòu)性知識(shí)是教師教學(xué)中比較有價(jià)值的付出。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，將全部知識(shí)點(diǎn)匯總形成知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)基于“網(wǎng)絡(luò)式”知識(shí)結(jié)構(gòu)，智能識(shí)別數(shù)據(jù)之間、數(shù)據(jù)與知識(shí)結(jié)構(gòu)之間關(guān)聯(lián)教學(xué)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)每門課程之中主要知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，可視化、動(dòng)態(tài)化地呈現(xiàn)給師生，有助于學(xué)生建立知識(shí)體系。系統(tǒng)將教學(xué)中產(chǎn)生的每個(gè)學(xué)生的錯(cuò)題、收藏、課程、試題等都以知識(shí)點(diǎn)為主線進(jìn)行歸結(jié)，并將行為數(shù)據(jù)與知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)——知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)情況通過(guò)知識(shí)樹(shù)每片樹(shù)葉的顏色示意，顏色由學(xué)生學(xué)習(xí)行為和作答率決定。對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行基因級(jí)的拆解分析，用盡可能少的時(shí)間和題目，讓每個(gè)學(xué)生“栽種”一棵專屬的知識(shí)樹(shù)，依據(jù)“樹(shù)干、樹(shù)葉”的生長(zhǎng)狀態(tài)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)節(jié)奏，并找出最近發(fā)展區(qū)，這是完全可行的。知識(shí)樹(shù)的“栽種”也為分層教學(xué)、個(gè)性化教學(xué)以及因材施教奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也可作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的依據(jù)。例如，分層教學(xué)時(shí)教師布置20道題目，傳統(tǒng)課堂環(huán)境下學(xué)生需要1小時(shí)完成，知識(shí)樹(shù)建立后，不是每個(gè)學(xué)生每道題目都需要做，有的學(xué)生只需要做5道，大約15分鐘即可完成。教師抽取一棵知識(shí)樹(shù)可獲取豐富的信息——樹(shù)上的每片葉子記錄了各部分的知識(shí)內(nèi)容及其內(nèi)在聯(lián)系。每片葉子的顏色表征著學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)的學(xué)習(xí)情況，如綠色代表優(yōu)秀，紅色代表較差，每片樹(shù)葉的顏色不由某次測(cè)試的成績(jī)決定。知識(shí)樹(shù)的葉片隱含平時(shí)每堂課的學(xué)習(xí)情況記錄，如作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)等，學(xué)生點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)后可到與之相應(yīng)的知識(shí)和課程模塊中進(jìn)行學(xué)習(xí)。從數(shù)校采集的實(shí)驗(yàn)中學(xué)某學(xué)生的知識(shí)樹(shù)可以看到，該學(xué)生明顯存在語(yǔ)文文言文練習(xí)正確率較低的問(wèn)題（紅色樹(shù)葉所占比例較大）。數(shù)校題庫(kù)向該學(xué)生有針對(duì)性推送初中文言文閱讀訓(xùn)練與知識(shí)點(diǎn)講解視頻和練習(xí)。該學(xué)生多次訓(xùn)練后，語(yǔ)文知識(shí)樹(shù)呈現(xiàn)良好特征。數(shù)校采集的數(shù)據(jù)顯示，該學(xué)生在同期月考中成績(jī)與排名都有穩(wěn)步提升。

三、借助學(xué)情數(shù)據(jù)指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)備課和個(gè)性化教學(xué)

在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)方面，過(guò)去常常是“工業(yè)化”運(yùn)作，教學(xué)大綱長(zhǎng)期不變，備課筆記沿用多年，而教師應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)則可獲得學(xué)生個(gè)性化的畫像，掌握學(xué)生的需求和學(xué)情，為給每個(gè)學(xué)生量身設(shè)計(jì)教案，將獲得更佳的效果。教師和學(xué)生在線互動(dòng)過(guò)程中，后臺(tái)會(huì)利用積累的大數(shù)據(jù)，挖掘、分析和描述學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)偏好、認(rèn)知水平、知識(shí)掌握情況、答題速度等信息。教師根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果和學(xué)生參與課程前測(cè)題的作答情況，可充分認(rèn)識(shí)學(xué)生的個(gè)體差異，精準(zhǔn)備課，因材施教。例如，數(shù)校借助平臺(tái)對(duì)課前預(yù)習(xí)、測(cè)試的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，讓授課教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋結(jié)果精準(zhǔn)備課，通過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析以及挖掘?qū)W生看視頻、做習(xí)題等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，進(jìn)而在直播課中做重點(diǎn)講解，開(kāi)展個(gè)性化教學(xué)。

四、基于多維多聯(lián)的數(shù)據(jù)算法，實(shí)現(xiàn)分層學(xué)習(xí)推薦

為完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，保證教學(xué)質(zhì)量，除了提供精品課程資源外，教師還要為學(xué)生提供個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，根據(jù)用戶特征信息（如學(xué)習(xí)偏好、知識(shí)水平等）動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)活動(dòng)序列，改變以往“大水漫灌”的做法，實(shí)施“精準(zhǔn)滴灌”，從而更好地完成知識(shí)建構(gòu)，提高在線教育的個(gè)性化服務(wù)水平。整合相關(guān)資源并設(shè)計(jì)個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑，關(guān)鍵要整體考慮數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，對(duì)學(xué)生、資源、情境等進(jìn)行多維關(guān)聯(lián)分析。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)用戶行為數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、清洗、挖掘，采用相似用戶矩陣庫(kù)、基于特征匹配、基于學(xué)生反饋和基于內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)等混合推薦方法實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)資源的推送。學(xué)校可以從學(xué)生角度出發(fā)，基于學(xué)生個(gè)體的靜態(tài)數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)為主、靜態(tài)數(shù)據(jù)為輔構(gòu)建學(xué)生特征模型。大數(shù)據(jù)平臺(tái)主要從學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格和知識(shí)水平評(píng)估方面來(lái)發(fā)掘個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑并推送學(xué)習(xí)資源，通過(guò)抓取百萬(wàn)級(jí)用戶的看課類型、學(xué)習(xí)時(shí)間、瀏覽次數(shù)及互動(dòng)情況等數(shù)據(jù)推測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格。對(duì)知識(shí)水平的評(píng)估，一方面可利用常規(guī)方法評(píng)估；另一方面可利用人工智能算法，基于學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，如課程學(xué)習(xí)數(shù)量與點(diǎn)擊次數(shù)、作答時(shí)間與嘗試次數(shù)、答題比例與答題正確率等實(shí)時(shí)反映學(xué)生的知識(shí)水平，從知識(shí)理解等級(jí)和有較大難度級(jí)別兩個(gè)維度動(dòng)態(tài)地評(píng)估學(xué)習(xí)對(duì)象。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生前期學(xué)力測(cè)試，推薦相應(yīng)內(nèi)容，再結(jié)合課后作業(yè)情況進(jìn)行測(cè)評(píng)，再推薦現(xiàn)實(shí)難度和升級(jí)難度的視頻課程，讓學(xué)生在平臺(tái)上不斷學(xué)習(xí)并積累數(shù)據(jù)，以便教師提取學(xué)生的學(xué)習(xí)特質(zhì)與薄弱環(huán)節(jié)等信息，設(shè)計(jì)個(gè)性化學(xué)習(xí)方案。例如，某學(xué)生對(duì)一元二次方程和代數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)得較好，但對(duì)立體幾何學(xué)得不好，對(duì)此，教師對(duì)該生推送了一些比較難但是體量小的一元二次方程和代數(shù)作業(yè)，同時(shí)推送了一些比較簡(jiǎn)單但是體量較大的立體幾何作業(yè)，給每個(gè)學(xué)生的作業(yè)都不一樣。學(xué)校通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行智能推送，實(shí)現(xiàn)了與每個(gè)學(xué)生能力素質(zhì)、個(gè)性特征匹配的個(gè)性化教育。

五、大數(shù)據(jù)支撐下的線上線下個(gè)性化學(xué)習(xí)實(shí)證研究

從大數(shù)據(jù)本身來(lái)講，系統(tǒng)記錄個(gè)體行為的數(shù)據(jù)似乎是雜亂無(wú)章的，但當(dāng)數(shù)據(jù)累積到一定程度，群體的行為就會(huì)在數(shù)據(jù)上呈現(xiàn)一種秩序和規(guī)律。分析并利用這種秩序和規(guī)律，可以有效彌補(bǔ)線上與線下教育的不一致性。學(xué)校應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)線上線下教育的無(wú)縫對(duì)接。目前，在線教育提供方大多是利用教研產(chǎn)出的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)習(xí)產(chǎn)品并基于大數(shù)據(jù)提供個(gè)性化服務(wù)。在線教育提供方在標(biāo)準(zhǔn)化底層產(chǎn)品的構(gòu)建過(guò)程中投入大量資源，將若干專家、名師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)顯性化，構(gòu)建中小學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)能力圖譜，并基于標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)計(jì)整套集標(biāo)準(zhǔn)化課程、測(cè)評(píng)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)規(guī)劃、個(gè)性化訓(xùn)練系統(tǒng)、行為數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)于一體的“智能化學(xué)習(xí)系統(tǒng)”。數(shù)校就是基于這樣一種模式，用戶已達(dá)數(shù)百萬(wàn)，產(chǎn)生上億條用戶行為數(shù)據(jù)。當(dāng)線上這套標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)習(xí)產(chǎn)品成熟時(shí)，即可推動(dòng)線上學(xué)習(xí)產(chǎn)品和線下學(xué)校服務(wù)的融合。由數(shù)校負(fù)責(zé)提供線上的智能化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，而學(xué)校則組織教師根據(jù)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化輔導(dǎo)，打通數(shù)據(jù)，創(chuàng)設(shè)線上線下深度融合的智能化、個(gè)性化學(xué)習(xí)場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)中學(xué)是首批加入數(shù)校的35所基地學(xué)校之一。教學(xué)過(guò)程中，線下教師會(huì)按照在線學(xué)習(xí)平臺(tái)所提供的數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生的問(wèn)題進(jìn)行歸因和分析、解答，并做計(jì)劃管理，全程陪伴學(xué)生。在這一過(guò)程中，在線系統(tǒng)所呈現(xiàn)的學(xué)生數(shù)據(jù)為線下教師“照方抓藥”創(chuàng)造了條件，讓教師針對(duì)每個(gè)學(xué)生的知識(shí)盲點(diǎn)，提供真正個(gè)性化的輔導(dǎo)。對(duì)于學(xué)生而言，在線教育確保每個(gè)學(xué)生能得到同樣高品質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容和滿足個(gè)性化需求的學(xué)習(xí)產(chǎn)品，而線下教師的服務(wù)則讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題得以及時(shí)解決。數(shù)據(jù)互通共享的“線上線下混合學(xué)習(xí)模式”的應(yīng)用使得線下授課不再是簡(jiǎn)單重復(fù)線上教師的教學(xué)內(nèi)容，而是真正為每個(gè)學(xué)生提供基于大數(shù)據(jù)的個(gè)性化指導(dǎo)。筆者選取實(shí)驗(yàn)中學(xué)的40名七年級(jí)學(xué)生作為研究對(duì)象。在數(shù)學(xué)教學(xué)時(shí)，將40名學(xué)生隨機(jī)分為兩組，即常規(guī)組（非個(gè)性化學(xué)習(xí)）和實(shí)驗(yàn)組（個(gè)性化學(xué)習(xí)）各20人，兩組學(xué)生認(rèn)知能力沒(méi)有明顯差異。同時(shí)，根據(jù)前測(cè)成績(jī)又將各組學(xué)生分為學(xué)困生（0—80分）和優(yōu)等生（81—100分），經(jīng)過(guò)1個(gè)月的學(xué)習(xí)，教師安排常規(guī)組與實(shí)驗(yàn)組學(xué)生進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)后測(cè)，部分?jǐn)?shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，實(shí)驗(yàn)組中的后進(jìn)生學(xué)習(xí)成績(jī)提升最為明顯，成績(jī)由前測(cè)時(shí)的68分提高到后測(cè)時(shí)的91分，比較而言學(xué)優(yōu)生學(xué)習(xí)成績(jī)提升不明顯，實(shí)驗(yàn)組與常規(guī)組中的優(yōu)等生學(xué)習(xí)成績(jī)沒(méi)有顯著提高。原因在于后進(jìn)生完全按照系統(tǒng)推薦的個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑與恰當(dāng)難度的學(xué)習(xí)材料進(jìn)行學(xué)習(xí)，而優(yōu)秀學(xué)生自主性比較強(qiáng)，可見(jiàn)應(yīng)用個(gè)性化學(xué)習(xí)分析模型對(duì)后進(jìn)生進(jìn)行指導(dǎo)更有作用。此外，在學(xué)習(xí)時(shí)間、拋棄問(wèn)題數(shù)量方面，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生都要比常規(guī)組學(xué)生少，效率更高。主要原因在于，對(duì)于實(shí)驗(yàn)組學(xué)生而言，系統(tǒng)基于學(xué)生學(xué)習(xí)行為與知識(shí)點(diǎn)掌握情況等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地判斷學(xué)生的認(rèn)知能力，進(jìn)而推送難度恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題（符合學(xué)生的認(rèn)知水平），因此多數(shù)問(wèn)題能被學(xué)生準(zhǔn)確回答（不必放棄）。每個(gè)學(xué)生創(chuàng)造的數(shù)據(jù)就是“大數(shù)據(jù)”的一部分，每個(gè)學(xué)生都是大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和消費(fèi)者。應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，學(xué)習(xí)資源的個(gè)性化推送、學(xué)習(xí)質(zhì)量分析等都將有可行的解決方案。個(gè)性化學(xué)習(xí)訴求在大數(shù)據(jù)時(shí)代有新的實(shí)現(xiàn)途徑。目前，對(duì)于大數(shù)據(jù)在教育教學(xué)中應(yīng)用的相關(guān)研究仍然不夠深入，也缺乏足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。筆者提出的基于大數(shù)據(jù)的個(gè)性化教學(xué)應(yīng)用已基本上得到實(shí)證。借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，揭示數(shù)據(jù)隱藏的關(guān)系、模式和趨勢(shì)，了解學(xué)生學(xué)習(xí)軌跡和現(xiàn)狀，有助于教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律，進(jìn)而更全面地評(píng)價(jià)學(xué)生并給予個(gè)性化指導(dǎo)，優(yōu)化學(xué)習(xí)過(guò)程，提供個(gè)性化的服務(wù)，做到因材施教，讓教學(xué)回歸本質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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作者:羅清紅 單位:四川省成都市教育科學(xué)研究院