學(xué)生編程行為分析工具

徐遠(yuǎn)謀 陳奇玖

當(dāng)前，很多同學(xué)在校外學(xué)習(xí)編程，部分中小學(xué)校也開(kāi)設(shè)了相應(yīng)的編程課程。教師一般通過(guò)查看學(xué)生提交的編程作品，歸納作品中出現(xiàn)的高頻錯(cuò)誤，再在課堂上進(jìn)行統(tǒng)一講解。

在編程活動(dòng)中，每個(gè)學(xué)生面對(duì)同一個(gè)問(wèn)題時(shí)，解決方案各不相同。這就意味著，教師需要花費(fèi)大量的時(shí)間分析、指出每個(gè)學(xué)生可能出現(xiàn)的問(wèn)題，再提出解決方案。然而教師的精力和時(shí)間有限，無(wú)法及時(shí)糾正每個(gè)學(xué)生的錯(cuò)誤，以致很多學(xué)生在學(xué)習(xí)編程的過(guò)程中遇到問(wèn)題卻得不到及時(shí)指導(dǎo)，影響了學(xué)習(xí)效率。

要想改變這一現(xiàn)狀，必須加深教師對(duì)學(xué)生編程行為的了解程度。換言之，需要一種方便教師更好地了解學(xué)生編程行為的工具。因此，開(kāi)發(fā)并使用自動(dòng)數(shù)據(jù)收集和分析技術(shù)，及時(shí)掌握學(xué)生在編程活動(dòng)中的行為是非常有必要的。

收集、分析資料后我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)分析技術(shù)能幫助教師解決上述問(wèn)題。學(xué)習(xí)分析技術(shù)是指收集大量的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行深度分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、預(yù)測(cè)其未來(lái)的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)其在學(xué)習(xí)過(guò)程中的潛在問(wèn)題。

如果能將學(xué)生編程活動(dòng)的編程環(huán)境整合到學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)中，并追蹤其編程的每個(gè)步驟，不僅能幫助教師對(duì)學(xué)生的思維和編程任務(wù)的演變過(guò)程進(jìn)行分析，還能讓教師及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容或方式，加強(qiáng)針對(duì)性的輔導(dǎo)。然而，目前學(xué)習(xí)分析技術(shù)應(yīng)用于學(xué)生編程活動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的相關(guān)研究相對(duì)較少。

為此，我們基于鼠標(biāo)點(diǎn)擊流技術(shù)，使用Python編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了一個(gè)收集、分析學(xué)生在編程活動(dòng)中與編程環(huán)境交互數(shù)據(jù)的工具。

一、設(shè)計(jì)原理

編程行為分析工具收集學(xué)生在編程活動(dòng)中的鼠標(biāo)軌跡、停留時(shí)間等數(shù)據(jù)，得到在編程環(huán)境的不同區(qū)域中，學(xué)生鼠標(biāo)停留時(shí)間的可視化圖形，進(jìn)而對(duì)學(xué)生在編程活動(dòng)中的行為模式進(jìn)行分析。利用該工具還能發(fā)現(xiàn)學(xué)生在編程中遇到的問(wèn)題，有效引導(dǎo)教師有針對(duì)性地幫助學(xué)生解決問(wèn)題。

學(xué)生運(yùn)行該工具并按照教師的說(shuō)明與工具給出的提示進(jìn)行操作，即可在軟件編輯環(huán)境中進(jìn)行區(qū)域的劃分。然后，工具會(huì)自動(dòng)收集學(xué)生在編程過(guò)程中鼠標(biāo)點(diǎn)擊的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存為文本文檔，通過(guò)socket局域網(wǎng)傳送到教師端。其工作流程如圖1所示。

通過(guò)運(yùn)行該工具的教師端，教師可按照工具給出的提示，選擇以柱狀圖、散點(diǎn)圖或熱力圖的形式，查看每個(gè)學(xué)生在不同區(qū)域的鼠標(biāo)停留時(shí)間，進(jìn)而對(duì)學(xué)生的編程行為模式進(jìn)行分析，及時(shí)采取有針對(duì)性的措施，提升教學(xué)效果。

二、結(jié)構(gòu)組成

編程行為分析工具分為基本信息錄入、編程環(huán)境區(qū)域劃分、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)四部分。

1.基本信息錄入

學(xué)生端電腦開(kāi)機(jī)后，編程行為分析工具即可自動(dòng)開(kāi)啟運(yùn)行，并對(duì)目標(biāo)程序（即學(xué)生使用的編程軟件）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。若監(jiān)測(cè)到目標(biāo)程序啟動(dòng)，則彈出相應(yīng)的對(duì)話窗口，如圖2所示。

學(xué)生可以根據(jù)提示輸入其基本信息（姓名或?qū)W號(hào)等）登錄，之后選擇“開(kāi)始監(jiān)測(cè)”，即可對(duì)鼠標(biāo)點(diǎn)擊行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種登錄方式不僅簡(jiǎn)單快捷，而且可在學(xué)期結(jié)束后有針對(duì)性地對(duì)學(xué)生的編程學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行整體呈現(xiàn)，便于教師指導(dǎo)。

2.編程環(huán)境區(qū)域劃分與數(shù)據(jù)收集

編程環(huán)境區(qū)域一般被劃分為4個(gè)。以慧編程軟件為例，分別是舞臺(tái)區(qū)、積木區(qū)、角色區(qū)和腳本區(qū)，如圖3所示。

若要更改環(huán)境區(qū)域，學(xué)生可以在程序主界面按照提示選擇進(jìn)入?yún)^(qū)域劃分工具，該工具就會(huì)給出相應(yīng)的提示信息。如圖4所示。

學(xué)生只需根據(jù)提示信息輸入需創(chuàng)建的區(qū)域個(gè)數(shù)，并按照提示，將鼠標(biāo)移動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置確定兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（分別是矩形區(qū)域的左上角頂點(diǎn)和右下角頂點(diǎn)），即可劃分一個(gè)區(qū)域。重復(fù)上述過(guò)程就可以確定多個(gè)區(qū)域。

該工具使用兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)確定區(qū)域的方法，增加了工具的可移植性，意味著教師可將該工具應(yīng)用于學(xué)生使用的各類編程環(huán)境。通過(guò)在不同編程環(huán)境中對(duì)區(qū)域的劃分進(jìn)行更改，收集學(xué)生在編程中鼠標(biāo)移動(dòng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，教師可識(shí)別學(xué)生的編程行為，并了解學(xué)生的編程學(xué)習(xí)情況。

待編程環(huán)境區(qū)域劃分完成之后，學(xué)生即可進(jìn)行正常的編程活動(dòng)。工具在指定的時(shí)間間隔內(nèi)，自動(dòng)記錄存儲(chǔ)鼠標(biāo)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，分析坐標(biāo)數(shù)據(jù)后自動(dòng)推算出其所處區(qū)域。

學(xué)生鼠標(biāo)行為數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖如圖5所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)基本信息和鼠標(biāo)行為之間的互動(dòng)關(guān)系。每次互動(dòng)都包含創(chuàng)建、開(kāi)啟和響應(yīng)三個(gè)階段，學(xué)生在編程中的鼠標(biāo)行為數(shù)據(jù)將被統(tǒng)一存放在鼠標(biāo)行為表中，并與基本信息表相對(duì)應(yīng)。

3.數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)

學(xué)生關(guān)閉編程軟件后，程序自動(dòng)將鼠標(biāo)行為數(shù)據(jù)發(fā)送到教師端。教師端通過(guò)調(diào)用Pyecharts、matplotlib和Pygame三個(gè)模塊，對(duì)學(xué)生數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)化，以柱狀圖、散點(diǎn)圖和熱力圖等形式呈現(xiàn)不同學(xué)生的鼠標(biāo)在四個(gè)區(qū)域停留時(shí)間的數(shù)據(jù)。

柱狀圖和散點(diǎn)圖便于教師理解學(xué)生的鼠標(biāo)點(diǎn)擊流數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，快速、直觀地讀取原始數(shù)據(jù)。熱力圖以特殊高亮的形式顯示學(xué)生鼠標(biāo)停留的區(qū)域，還能通過(guò)不同區(qū)域顏色的深淺，判斷學(xué)生在哪些區(qū)域中停留的時(shí)間最久，進(jìn)而推斷學(xué)生在該區(qū)域的學(xué)習(xí)是否遇到困難。

通過(guò)對(duì)可視化柱狀圖、散點(diǎn)圖和熱力圖的分析，教師可以了解不同學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和整體的疑難點(diǎn)。

三、測(cè)試與效果評(píng)價(jià)

我們邀請(qǐng)幾位同學(xué)在同一局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行工具的測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目案例為“彈球游戲”，這幾位同學(xué)各自在電腦上的慧編程軟件中獨(dú)立、自主地完成“彈球游戲”的制作。

在制作游戲的過(guò)程中，編程行為分析工具對(duì)被測(cè)者鼠標(biāo)活動(dòng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集。待“彈球游戲”制作完成，退出慧編程軟件后，工具將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到教師端，在教師端的程序中成功導(dǎo)出被測(cè)者編程數(shù)據(jù)的柱狀圖、散點(diǎn)圖和熱力圖。

結(jié)合圖6中二號(hào)同學(xué)在編寫彈球游戲過(guò)程中的散點(diǎn)圖和熱力圖可發(fā)現(xiàn)，該同學(xué)在屏幕左側(cè)和中間的區(qū)域鼠標(biāo)停留的時(shí)間較長(zhǎng)。由該同學(xué)使用的編程軟件慧編程及其分區(qū)可分析得出，該同學(xué)可能對(duì)編程模塊的選擇以及對(duì)展示區(qū)對(duì)象的調(diào)整用時(shí)較長(zhǎng)。

結(jié)合圖7中三號(hào)同學(xué)在編寫“彈球游戲”過(guò)程中的散點(diǎn)圖和熱力圖可以發(fā)現(xiàn)，該同學(xué)在調(diào)整展示區(qū)對(duì)象用時(shí)較短，對(duì)編程模塊選擇用時(shí)較長(zhǎng)，在腳本區(qū)調(diào)整程序順序的用時(shí)也很長(zhǎng)。

因上述散點(diǎn)圖和熱力圖只能看出同學(xué)編程時(shí)在各個(gè)區(qū)域的使用時(shí)間占比，所以還要通過(guò)柱狀圖了解同學(xué)的編程總時(shí)長(zhǎng)。如圖8，三號(hào)同學(xué)整體編程時(shí)間久于二號(hào)同學(xué)，可以推斷三號(hào)同學(xué)在該程序的思維或?qū)懛ㄉ喜蝗缍?hào)同學(xué)熟練。

不同的圖像也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如：散點(diǎn)圖可以看出單位時(shí)間內(nèi)鼠標(biāo)停留的位置，但不能準(zhǔn)確地顯示在各個(gè)分區(qū)停留的時(shí)長(zhǎng);柱狀圖呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)一目了然，但更細(xì)致的數(shù)據(jù)如鼠標(biāo)停留的具體位置無(wú)法展現(xiàn);……

在測(cè)試結(jié)束后，我們和參與測(cè)試的同學(xué)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的交流，發(fā)現(xiàn)通過(guò)數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)的結(jié)果，判斷同學(xué)可能出現(xiàn)的疑難點(diǎn)與他們實(shí)際遇到的疑難點(diǎn)有較高的契合度。這進(jìn)一步說(shuō)明了該工具的可行性。

四、結(jié)論與展望

在整個(gè)項(xiàng)目中，陳奇玖負(fù)責(zé)編寫主要程序，徐遠(yuǎn)謀負(fù)責(zé)撰寫文稿、組織學(xué)生測(cè)試。

我們基于鼠標(biāo)點(diǎn)擊流技術(shù)，使用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的分析學(xué)生編程行為工具并進(jìn)行測(cè)試，證明了該工具對(duì)學(xué)生編程學(xué)習(xí)狀態(tài)的可視化有良好的作用，解決了以往相關(guān)研究中不能直接監(jiān)控學(xué)生編程活動(dòng)中的鼠標(biāo)行為和不能適用于不同編程的軟件等問(wèn)題。

該工具對(duì)幫助教師了解學(xué)生編程活動(dòng)中的行為情況有良好的作用，能提高課堂效率，對(duì)編程教學(xué)，尤其是針對(duì)較低年級(jí)的編程教學(xué)有極大的幫助。今后將擴(kuò)大參與測(cè)試工具的人數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證工具的有效性。（指導(dǎo)老師：趙明? ?解蒸? ?楊楚霜）

專家點(diǎn)評(píng)

徐遠(yuǎn)謀、陳奇玖同學(xué)的學(xué)生編程行為分析工具，是一個(gè)富有前瞻性和生命力的創(chuàng)新課題。

當(dāng)今，人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，它是一個(gè)以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)，由計(jì)算機(jī)、心理學(xué)、哲學(xué)等多學(xué)科融合的交叉學(xué)科、新興學(xué)科，而編程則是讓計(jì)算機(jī)代碼解決某個(gè)問(wèn)題，對(duì)某個(gè)計(jì)算體系規(guī)定一定的運(yùn)算方式，使計(jì)算體系按照該計(jì)算方式運(yùn)行，并最終得出相應(yīng)結(jié)果的過(guò)程。因此，編程是人工智能的基礎(chǔ)。

兩位同學(xué)能找到這樣的課題并進(jìn)行實(shí)踐，旨在突破編程教與學(xué)中的難點(diǎn)，其敢想、敢做的創(chuàng)新精神值得推崇。這個(gè)課題，從應(yīng)用前景來(lái)看，如果能真正運(yùn)用好，將給中小學(xué)編程教學(xué)帶來(lái)跨越式的發(fā)展。

但是，僅將鼠標(biāo)停留的時(shí)間作為學(xué)生編程行為分析的依據(jù)，其科學(xué)性還值得商榷。希望兩位同學(xué)在課余時(shí)間繼續(xù)探索。

譚迪熬 中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)院士專家咨詢工作委員會(huì)首任專家，中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)中小學(xué)創(chuàng)造教育分會(huì)會(huì)長(zhǎng)，科技創(chuàng)新教育特級(jí)教師，教育部國(guó)培計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇?/p>