學習分析支持下的課堂互動工具設計與實現(xiàn)

劉清堂 馮小妹 翟慧清 勞傳媛

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學習分析支持下的課堂互動工具設計與實現(xiàn)

劉清堂 馮小妹[通訊作者]翟慧清 勞傳媛

（華中師范大學 教育信息技術學院，湖北武漢 430000）

智慧課堂中課堂互動工具對教學具有重要作用。針對現(xiàn)有課堂互動工具存在的操作復雜、互動主權偏頗以及互動行為缺乏管理和分析等問題，文章研究了課堂教學互動理論，設計并實現(xiàn)了一個學習分析支持下的課堂互動工具。該工具實現(xiàn)了課堂分組、響應答題、頭腦風暴、匯報展示、投票助手以及課堂檢測等六種互動功能，同時提供實時分析功能。最后，文章將工具試用于實際課堂，測試結果表明預期功能全部實現(xiàn)，教師能夠利用該工具完成課堂互動；同時，教師能夠獲取課堂互動行為數(shù)據(jù)，實時觀察學習者的互動情況，這對于提高課堂互動效率具有重要指導作用。

課堂互動；學習分析；微信；互動行為

引言

互聯(lián)網(wǎng)技術推動了高等教育信息化的深入發(fā)展。數(shù)字化校園作為教育信息化的呈現(xiàn)形式不斷被推進，且取得一定成效。然而，隨著社會信息化進程的加速，教與學的方式發(fā)生了巨大變革，建設智慧校園成為教育深度信息化的新目標[1]。智慧校園通過互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)資源共享，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，提供個性化的教與學服務。智慧課堂是智慧校園的重要組成部分，為師生提供即時交流的智能學習環(huán)境。利用數(shù)據(jù)挖掘技術對學生行為數(shù)據(jù)進行分析，了解學生特征和學習情況，提高學習效率，是實現(xiàn)智慧教學的有效方式。教學過程是師生主體間的互動學習過程，沒有互動就沒有教學[2]，積極的課堂互動對于有效教學具有重要意義。智慧課堂對課堂互動提出了更深層次的要求，以學生為主體的有效互動應該逐漸取代教師控制的機械型互動。分析當前大學課堂互動現(xiàn)狀，研究者發(fā)現(xiàn)存在的問題包括：①互動類型單一[3]；②互動主動權偏頗[4]，師生互動類型指向“控制—服從”型[5]；③互動深度不夠[6]；④互動頻率低、缺乏評價和管理[7]。

針對以上問題，本研究設計并實現(xiàn)了一個實時課堂互動工具。該工具提供搶答、抽答、測試、討論、投票、分組、匯報等多種互動形式，來促進多種主體間的互動；同時，融入了學習分析元素，將學生互動行為數(shù)據(jù)化，便于教師實時觀察學生的互動情況，及時調整教學狀態(tài)。

一 課堂互動的相關研究

1 課堂教學互動理論

國內外關于課堂互動行為的研究始于20世紀70年代，且一直在不斷發(fā)展。許多學者從不同角度提出了課堂互動類型的分類，并設計了互動行為分類體系。如Reigeluth等[8]依據(jù)互動媒介，將課堂中人與人的互動劃分為師生互動、生生互動，將人與物的互動劃分為師生與工具、師生與信息以及師生與環(huán)境之間的信息傳遞。吳康寧[9]根據(jù)教師行為對象，將課堂互動劃分為師個互動、師班互動和師組互動。Flanders[10]提出了一種結構性的、定量的課堂言語行為分析技術（Flanders Interaction Analysis System，F(xiàn)IAS），他將課堂言語互動行為分為教師言語行為、學生言語行為、沉默或混亂狀態(tài)三大類、十種行為。顧小清等[11]在FIAS的基礎上進行改進，提出了基于信息技術的互動分析系統(tǒng)（Information Technology-based Interaction Analysis System，ITIAS），將教師提問細化為封閉式提問和開放式提問，并添加了學生語言和技術的行為類別。穆肅等[12]從教學活動的視角分析了信息化教學環(huán)境中的課堂教學行為，將課堂教學分為教師活動、學生活動和無意義教學活動等三大類、十四種行為。

基于以上理論，本研究將搶答、抽答、測試、討論、投票、分組、匯報等七種互動形式融于互動工具中，以解決當前課堂存在的互動類型單一、互動主權偏頗、互動深度不夠等問題。

2 課堂互動工具的相關研究

隨著教育信息化的迅速發(fā)展，信息化工具的應用逐漸延伸至課堂教學。常用的課堂互動工具有學樂云、雨課堂、Kahoot！、UMU互動平臺等。不同的互動工具有不同特點：①實現(xiàn)資源共享和資源互動，如學樂云、雨課堂——學樂云是網(wǎng)絡環(huán)境下的新型教育技術工具[13]，通過大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術構建資源共享庫，為經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)的教師提供學習資源，減小學區(qū)差異[14]；雨課堂是清華大學“學堂在線”推出的混合式信息化教學工具[15]，它以插件形式嵌入至PPT中，教師在課堂上通過同屏操作能夠實時和學生共享學習資料、實現(xiàn)資源互動。②實現(xiàn)游戲化教學，如Kahoot！——教師在課堂上可利用Kahoot！將題目創(chuàng)建成小游戲的形式，搭配畫面和音樂，設置答題時間與分數(shù)，并通過積分競爭、限時搶答等形式來吸引學生參與互動[16]。

課堂互動工具層出不窮，但在實際應用過程中仍存在互動形式單一、操作復雜、互動行為缺乏管理和分析等問題。本研究致力于設計并實現(xiàn)一個操作簡單、互動形式多樣化的工具，同時融入學習分析、協(xié)作學習等元素，將學生的課堂行為數(shù)據(jù)化，解決當前互動工具存在的問題。

二 學習分析支持下的課堂互動工具設計

1 課堂互動工具的需求分析

表1 基于活動的課堂互動行為及功能需求分析

本研究針對當前大學課堂互動存在的問題，設計了一個學習分析支持下的課堂互動工具。該工具的設計原則如下：①多種課堂互動形式，包括答題、測試、討論、匯報、分組、投票等，以實現(xiàn)師生、生生、組組等多種主體間的交互；②數(shù)據(jù)驅動與學習分析，即記錄并分析學生的課堂互動行為數(shù)據(jù)，形成課堂評價指標；③協(xié)作學習，以實現(xiàn)學生的自由分組、小組匯報、小組評價；④使用便捷，即工具操作簡單、脫離內容，教師無需導入學習材料即可完成互動，不改變教師的教學習慣，并且工具基于微信開發(fā)，師生可通過手機進行互動。

課堂互動工具的設計理念源于課堂教學互動理論。本研究從互動主體的角度將課堂交互分為三種類型：師生互動、生生互動、學生—內容互動，并對每一種交互形式進行細分。以教學活動為主線，將每一種互動形式確定對應的教師和學生的具體行為，從而構建課堂互動行為分類體系，具體劃分如表1所示。

2 課堂互動工具的設計

課堂互動工具的設計基于微信公眾號，師生通過網(wǎng)頁和微信來完成互動。使用工具前需進行注冊、登錄。教師可創(chuàng)建課程和課堂活動，學生通過掃碼或輸入課程號進入活動界面。教師根據(jù)實際情況對班級學生進行分組。每次課堂活動，教師都可根據(jù)實際需求創(chuàng)建互動。學生響應互動后，系統(tǒng)的分析模塊會對學生數(shù)據(jù)進行即時分析，處理后將結果返回教師端。工作流程如圖1所示。

圖1 功能流程

課堂互動工具的設計分為功能模塊的設計和數(shù)據(jù)庫的設計，具體如下：

（1）功能模塊的設計

①基本功能模塊，主要包括用戶的注冊、登錄。

②課堂互動模塊，主要實現(xiàn)課堂分組、響應答題、頭腦風暴、匯報展示、課堂檢測、投票助手等功能，教師端收集的學生響應互動結果會實時顯示在大屏幕上。其中，課堂分組包括隨機分組和自由分組兩種模式——在隨機分組模式下，系統(tǒng)會根據(jù)教師輸入的分組數(shù)字自動分組；而在自由分組模式下，教師控制每組人數(shù)上限，輸入相同數(shù)字的學生成為一組，同時學生有退組的權力自由。響應答題功能實現(xiàn)教師提問與學生應答，包括隨機抽答模塊和學生搶答模塊。頭腦風暴功能實現(xiàn)全班學生的課堂主題討論，由教師設置討論主題和時長并發(fā)布討論，學生發(fā)表觀點，之后系統(tǒng)對學生的討論文本進行內容分析，教師根據(jù)發(fā)言情況可實時暫?；蚪Y束討論。匯報展示功能記錄小組的學習成果，每個小組可通過文字、圖片等形式上傳作業(yè)（只能上傳一次），系統(tǒng)會呈現(xiàn)所有小組的匯報情況，教師和學生均可對所有匯報進行點贊和文字評論。課堂檢測功能幫助教師觀察學生對知識點的掌握情況，支持單選和多選兩種題目類型，即教師發(fā)布題目，屏幕上展示題干和選項；學生提交答案，系統(tǒng)記錄學生的答案和作答時間。投票助手功能實時記錄學生的投票情況，其設計思路和課堂檢測功能一致。

③學習分析模塊。每個互動模塊內嵌學習分析功能，構成學習分析模塊，包括內容分析和數(shù)據(jù)分析。其中，內容分析主要對討論內容深度進行分析，即對所有學生的發(fā)言進行詞頻統(tǒng)計，實時呈現(xiàn)討論中出現(xiàn)頻率最高的詞語。數(shù)據(jù)分析則從四個方面對學生響應數(shù)據(jù)進行分析：“發(fā)言積極性”統(tǒng)計并分析每個學生的發(fā)言頻數(shù)；“答題積極性”實時呈現(xiàn)搶答的具體情況；“答題參與度”精準記錄每個學生的答案和作答時間，將答題情況形成可視化圖表；“投票參與度”實時呈現(xiàn)學生的票選情況。

（2）數(shù)據(jù)庫的設計

課堂互動與分析功能涉及數(shù)據(jù)的保存和讀取，其實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫的設計，對應的數(shù)據(jù)表之間有著密切的關聯(lián)。數(shù)據(jù)庫的E-R圖如圖2所示，可以看出課程與互動、學生與互動結果的關系。每一種互動形式對應一張表，每次互動過程可分為三個步驟：創(chuàng)建互動、開啟互動、響應互動。除了不需要進行內容交互的分組和問答功能，其它測試、匯報、投票、討論等功能需要首先創(chuàng)建互動，這些功能中學生響應互動的數(shù)據(jù)存放在測試結果、匯報記錄、投票結果、討論記錄這四張表中，這四張表均與學生表相關聯(lián)。

三 課堂互動工具的的實現(xiàn)

1 系統(tǒng)體系架構

課堂互動工具的開發(fā)采用B/S架構（瀏覽器端/服務器端架構），前端基于Vue框架進行單頁面設計，通過MVVM模式（Model-View-ViewModel模式）來實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)綁定，基于AJAX技術與后端進行數(shù)據(jù)交互。后端開發(fā)基于Python的Django框架，采用其MVC模式（Model View Controller模式）來響應用戶請求。同時，該工具基于微信公眾號，用戶登錄需要調用微信的第三方接口獲取用戶基本信息完成身份認證。圖3為系統(tǒng)技術架構。

圖2 數(shù)據(jù)庫E-R圖

圖3 系統(tǒng)技術架構

2 課堂互動功能的實現(xiàn)

（1）課堂互動模塊

①課堂分組功能的隨機分組通過Random.shuffle方法來實現(xiàn)數(shù)組隨機排序。自由分組的實現(xiàn)邏輯如圖4所示，學生通過輸入識別碼（Group_code）進入小組，識別碼相同的進入同一組。

②響應答題功能的隨機抽答模塊通過Random.randint方法實現(xiàn)隨機抽取。學生搶答模塊涉及與學生數(shù)據(jù)的交互，通過在教師客戶端輪詢服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，設置定時器持續(xù)向服務器發(fā)送Ajax請求（頭腦風暴、匯報展示、課堂檢測、投票助手等功能涉及的數(shù)據(jù)交互原理與搶答功能一致）。搶答開啟后，等待學生響應，獲取其搶答時間，將相關信息反饋給客戶端。

③頭腦風暴功能有“開啟”、“暫?！?、“繼續(xù)”、“結束”四種動作，分別對應Running、Pause、Running、End四種狀態(tài)。討論開啟后，等待學生響應。學生每次發(fā)送討論內容時，判斷當前討論狀態(tài)Status。只有當Status的值為Running時，學生的發(fā)言記錄才被創(chuàng)建成功。當討論時間達到Minutes_limit時，頭腦風暴任務將會結束，Running_func被重置為Unset。

④匯報展示功能以小組為單位，每個小組只能匯報一次。功能開啟后，等待學生響應。學生用戶發(fā)布匯報的實現(xiàn)邏輯如圖5所示。所有小組匯報記錄依據(jù)匯報時間從后至前排列顯示。

⑤課堂檢測功能題目類型有單選和多選，因此創(chuàng)建時應對題目的答案進行有效性檢驗，實現(xiàn)邏輯如圖6所示。開啟答題后，等待學生響應。學生提交答案的實現(xiàn)邏輯如圖7所示。

⑥投票助手原理與課堂檢測原理一致，唯一區(qū)別在于投票功能無需判斷答案是否正確。

圖4 自由分組實現(xiàn)邏輯

圖5 發(fā)布匯報的實現(xiàn)邏輯

圖6 創(chuàng)建檢驗的實現(xiàn)邏輯

圖7 提交答案的實現(xiàn)邏輯

圖8 學習分析模塊

（2）學習分析模塊

學習分析模塊如圖8所示，分為內容分析模塊和數(shù)據(jù)分析模塊兩個子模塊。其中，內容分析模塊中的詞頻分析利用Jieba分詞完成關鍵詞的提取，先通過Jieba.cut對討論內容進行分詞，去停用詞后得到所有關鍵詞；然后計算每個關鍵詞出現(xiàn)的頻數(shù)，最后利用D3插件的Svg制作詞云分析圖。數(shù)據(jù)分析模塊分為四個部分：“發(fā)言積極性”從發(fā)言記錄數(shù)組中獲取同一個學生的發(fā)言頻數(shù)，按頻數(shù)高低顯示前五名學生；“答題積極性”獲取每個學生的搶答時間，按搶答速度快慢顯示參與搶答的學生名單；“答題參與度”呈現(xiàn)答題總體情況和學生個人詳情——答題總體情況記錄了答題的數(shù)據(jù)總量、平均參與時間、正確和錯誤人數(shù)、選項分布，利用Echart插件形成可視化柱形分析圖，而學生個人詳情記錄了每個學生的姓名、答題起始時間、時長、答案、正誤；“投票參與度”呈現(xiàn)投票總體情況和學生個人詳情，其實現(xiàn)原理與“答題參與度”一致，唯一區(qū)別在于投票無需記錄答案的正誤。

四 課堂互動工具的測試與比較

課堂互動工具選取由30人組成的課堂作為試用對象，進行了多次的功能模塊測試、并發(fā)測試等，結果表明工具已經(jīng)能夠被穩(wěn)定使用，預期功能全部實現(xiàn)。課堂互動工具與其它互動工具的功能比較結果如表2所示，可以看出：工具的互動形式更加豐富，同時融合了協(xié)作學習與學習分析等元素，這有利于課堂互動更加高效地完成。

表2 課堂互動工具與其它互動工具的功能比較結果

師生互動是影響有效課堂教學的關鍵因素，促進高效課堂互動的產生是當前大學課堂亟待解決的關鍵問題。隨著教育信息化的不斷深入，基于信息化工具完成的多樣化互動逐漸取代了傳統(tǒng)單一的言語互動。本研究針對大學課堂互動存在的問題，結合課堂教學互動理論，設計并實現(xiàn)了一個學習分析支持下的課堂互動工具。該工具提供多種課堂互動形式，如搶答、抽答、測試、討論、投票、分組及匯報等，有助于提高課堂互動的完整性；同時，它能夠記錄學生的互動行為數(shù)據(jù)，便于教師實時把握學生的學習狀態(tài)，促進有效教學。此外，該工具操作便捷，符合大學生的學習特點，具有較高的應用價值。經(jīng)過多次測試與改進，該工具已能被穩(wěn)定使用，但目前仍處于推廣階段，應用過程中要根據(jù)具體的教學情境，利用相應的教學手段，配合完成互動。如何將工具與課堂教學進行有機結合從而促進教學，是后續(xù)研究需重點關注的問題。

[1]黃榮懷,張進寶,胡永斌,等.智慧校園:數(shù)字校園發(fā)展的必然趨勢[J].開放教育研究,2012,(4):12-17.

[2]王利,張景生,高國元,等.淺談多媒體課堂教學中的互動[J].電化教育研究,2009,(9):91-93.

[3][5][6]王曉晨,江紹祥,黃榮懷.面向智慧教室的中小學課堂互動觀察工具研究[J].電化教育研究,2015,(9):49-53.

[4]黃庭培,鄭秋梅,李世寶.教師和學生的課堂行為互動及優(yōu)化策略[J].教育理論與實踐,2016,(32):54-56.

[7]歐陽慧.我國大學本科課堂互動狀況研究[D].長沙:湖南大學,2013:55.

[8]Reigeluth C, Moore J.Cognitive education and the cognitive domain[J]. Instructional-design Theories and Models: A New Paradigm of Instructional Theory, 1999,(2):51-68.

[9]吳康寧,程曉樵,吳永軍,等.課堂教學的社會學研究[J].教育研究,1997,(2):64-71.

[10]陳瑤.課堂觀察指導[M].北京:教育科學出版社,2002:44.

[11]顧小清,王煒.支持教師專業(yè)發(fā)展的課堂分析技術新探索[J].中國電化教育,2004,(7):18-21.

[12]穆肅,左萍萍.信息化教學環(huán)境下課堂教學行為分析方法的研究[J].電化教育研究,2015,(9):62-69.

[13]吳小源.基于學樂云平臺的區(qū)域性微課資源建設與應用——以佛山市高明區(qū)為例[J].教育信息技術,2016,(12):79-80、22.

[14]智慧教學2.0時代的出口在哪里?大數(shù)據(jù)驅動的學樂云教學給出這樣的答卷[J].教育信息技術,2016,(9):11.

[15]臧晶晶,郭麗文.滴水成雨——走進雨課堂[J].信息與電腦(理論版),2016,(8):235-236.

[16]焦建利.Kahoot:一款基于游戲的評估平臺[J].中國信息技術教育,2015,(19):29-30.

The Design and Implementation of Classroom Interactive Tools Supported by Learning Analysis

LIU Qing-tang FENG Xiao-mei[Corresponding Author]ZHAI Hui-qing LAO Chuan-yuan

The classroom interactive tools in smart classroom play an important role in teaching.In order to solve the existing problems of complicated operation,biased interactive sovereignty, and lack of management and analysis on interactive behaviors in classroom interactive tools, the article investigated the interaction theory of classroom teaching, designed and implemented a classroom interaction tool supported by learning analysis.The tool realized six interactive functions, including classroom group, response answer, brainstorm, presentation, vote assistant and classroom test. Meanwhile, it enabled real-time analysis function.Finally, the tool was tried in the actual classroom. Test results showed that all expected functions were realized and teachers could use the tool to complete classroom interaction. At the same time, teachers can acquire students’ behavioral data and observe learners’ interaction status in real time, which had an important guiding role in improving classroom interaction efficiency.

classroom interaction; learning analysis; WeChat; interaction behavior

G40-057

A

1009—8097（2018）12—0094—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.12.014

基金項目：本文為湖北省技術創(chuàng)新專項“互聯(lián)網(wǎng)+精準教育關鍵技術研究與示范”（項目編號：No.2017ACA105）、教育部-中國移動科研基金2017年度項目“信息技術支持下的區(qū)域教研模式研究及試點”（項目編號：MCM20170502）、國家自然科學基金項目“面向Web信息的知識融合關鍵技術研究”（項目編號：61272205）的階段性研究成果。

劉清堂，常務副院長，教授，博士，研究方向為學習分析技術、數(shù)字化學習，郵箱為liuqtang@mail.ccnu.edu.cn。

2018年5月9日

編輯：小西