基于Python語言對小學信息技術教學行為的分析
——以“學會打字”項目為例

魏運根 吳永豪 廣東省深圳市光明區(qū)外國語學校

課堂教學分析是指依據(jù)一定的評價指標對課堂教學過程（師生行為、教學策略和工具）進行分析和評判，根據(jù)課堂教學過程的一般原則、教學目的和要求、學科性質(zhì)等研究教學活動，為未來改進教學質(zhì)量提供依據(jù)和判斷。課堂教學行為分析的主要對象是教師和學生行為，以及教師采用的教學策略和教學工具。Python是一門入門簡單且功能強大的編程語言，具有眾多功能豐富的第三方庫，被應用于人工智能、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡爬蟲等方面。下面，筆者用Python語言分析小學信息技術教學行為的一般過程，并以《學會打字》一課為示范案例進行詳細闡述。

● 研究現(xiàn)狀

筆者通過中國知網(wǎng)檢索發(fā)現(xiàn)，近年來基于Python語言分析課堂教學行為的研究逐漸增多，主要集中在開發(fā)基于Python語言的教學工具和使用Python語言分析教學行為方面。

基于Python語言開發(fā)的教學工具被運用在不同學科的教學上，得到了一線教師的青睞。在英語教學中，李俊飛使用Python NLTK工具包輔助教學，NLTK是一個內(nèi)置各類文體的文本資料的海量語料庫，在詞匯短語和句法語篇等教學方面提供了重大幫助。在分析物理實驗數(shù)據(jù)方面，李震春借助雨課堂在實驗教學的擴展功能，開發(fā)了基于Python的實驗數(shù)據(jù)實時檢測分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測分析學生實驗數(shù)據(jù)存在的問題，對學生的實驗操作成績給出客觀的評定，提高了教師指導效率及教學質(zhì)量。劉婷等人基于Python和Django框架設計了一個具備數(shù)據(jù)分析、案例交流等功能的可視化數(shù)據(jù)分析平臺，師生可以快速、清晰地獲得可視化分析結果。

使用Python語言分析教學行為的研究主要涉及常規(guī)教學、教學模式、學情診斷等方面。在常規(guī)教學中，侯巖利用Python分析教學過程中師生行為，繪制了S-T圖、Rt-Ch圖，計算得出本節(jié)課的教學模式，為提高課堂教學效率和促進教師自我發(fā)展提供了可行依據(jù)。在新冠疫情背景下，梁偉利用Python的大數(shù)據(jù)技術對在線教學情況進行數(shù)據(jù)可視化分析，為優(yōu)化線上教學模式提供了改進方向。在成績分析方面，有研究者使用Python語言對學生成績進行了若干分析，可視化呈現(xiàn)各個班總分分數(shù)段人數(shù)占比、各班分數(shù)橫向?qū)Ρ?、學生各學科的縱向成績比較以及科目與總分之間的關系等情況，為教師提高教學質(zhì)量提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

● 基于Python語言的研究流程

在信息技術課堂教學中，使用Python語言研究教學行為的一般流程為：①確定研究主題和研究特征。從大方向確定研究主題，通過查找文獻、分析研究主題篩選研究特征，通過實驗分析主題與特征之間的關系。②確定技術路線。通過分析研究主題和特征，確定與其匹配的Python語言第三方庫，熟練掌握第三方庫的使用方法，制訂技術路線。③制訂實驗方案。分析教材和學情，根據(jù)研究主題與研究特征可能存在的關聯(lián)性制訂實驗方案。④實施實驗方案。在科學、客觀的情況下開展實驗，收集實驗數(shù)據(jù)，編寫、運行Python程序，分析實驗結果得出結論。

● 分析《學會打字》的教學行為

1.確定研究主題和研究特征

廣東省小學信息技術B版第一冊下的“學會打字”主題從認識計算機鍵盤的應用與布局開始，了解使用鍵盤的基本規(guī)范，掌握英文打字指法與擊鍵要領，借助金山打字軟件進行針對性的指法練習。在信息時代，計算機辦公與學習已是大勢所趨，而打字是學生使用計算機了解外界信息的基礎技能。所以，筆者選擇“學會打字”作為研究教材，將提高學生打字水平作為研究主題。

筆者通過檢索中國知網(wǎng)文獻和總結日常教學經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)提高學生重視程度、采用游戲式教學和鼓勵式教學等方法能提高學生打字水平。同時，周旺純提出要注重課程導入，創(chuàng)設各種情境，激發(fā)學生學習主動性。盡管老師們提出了許多教學方法，但仍然存在一些需要解決的問題，如低年段學生專注力較差，如何處理一節(jié)課中練習時長與教學效果間的關系、如何提高練習速度和練習準確率等。因此，根據(jù)學生專注力、課堂時間、學生能力，設置合適的練習時長有利于提高練習質(zhì)量，保持學生學習熱情。最終，筆者把打字練習時長、練習準確率、練習速度作為研究特征。

2.Python技術路線

為了確定打字練習時長、練習準確率、練習速度三個特征之間的關系，筆者采用最小二乘多項式函數(shù)擬合其特征，用Matplotlib庫繪制三個特征之間的可視化圖表。

（1）最小二乘多項式庫

最小二乘多項式（Least Squares Polynomial Fit）庫是基于最小二乘法（Least Square Method，LSM）構建而成的，用于擬合一組數(shù)據(jù)間規(guī)律（曲線）。最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最優(yōu)函數(shù)匹配。假設給定一組數(shù)據(jù)點Hi(X,Y)，其中i=1,2,…,m,H來源于多項式

的多次采樣，針對樣本數(shù)據(jù)集H內(nèi)各數(shù)據(jù)點的誤差平方和為：

進而取得近似曲線Y=φ(X),近似曲線φ(X)與Y=F(X)的偏差最小，本實驗粗略求得數(shù)據(jù)間的線性關系。

（2）Matplotlib庫

Matplotlib是Python的一個2D繪圖庫，主要用于生成繪圖，如直方圖、錯誤圖、散點圖等，它以各種硬拷貝格式和跨平臺的交互式環(huán)境生成高質(zhì)量圖形。Matplotlib基于Python語言，不僅具有不亞于Matlab的作圖能力，還具有勝于Matlab的編程能力。筆者借助Matplotlib利用Numpy和Xlrd庫進行數(shù)據(jù)處理和關系擬合，繪制練習時長與練習準確率、練習速度之間的關系圖，為發(fā)現(xiàn)特征之間的規(guī)律提供依據(jù)。

3.探究打字練習時長對打字效果的影響的實驗方案

（1）實驗準備

學生在不同年齡段的專注力是不一樣的，研究表明7～10歲兒童的連續(xù)集中注意力時長不足20分鐘，在注意力集中的階段完成打字練習，效果是最佳的。筆者在所在學校信息技術課中展開實驗，探究練習時長與打字效果的最優(yōu)解。文字輸入實驗的練習內(nèi)容主要是“英文打字”，共11個鍵位課程，其內(nèi)容如表1所示。

表1

（2）實驗步驟

步驟一：分組進行練習，不同組設置不同練習時長，練習時長為12～20分鐘，每節(jié)課練習1～2課內(nèi)容，練習周期為10周，實驗總時長為兩學年。

步驟二：在打字練習結束后，將“金山打字通2010”中的練習成績（如圖1）記錄在成長記錄表中（如表2），實驗中收集了277名學生10個課程的練習數(shù)據(jù)。

圖1

表2

步驟三：剔除異常數(shù)據(jù)，編寫、運行Python程序，擬合出練習時長、準確率、練習速度之間的函數(shù)關系，制圖并進行分析。

4.實施探究打字練習時長對打字效果的影響的實驗方案

（1）實施實驗方案

實驗在筆者所在學校三年級展開，選取人數(shù)、學習基礎、班風學風均相近的班級作為教學班級，嚴格按照既定教學設計進行教學。班里以小組為單位，組內(nèi)練習時間相等，由組長記錄每個學生的練習數(shù)據(jù)。本實驗分兩輪，每輪10周。在進行數(shù)據(jù)分析之前，筆者剔除了異常數(shù)據(jù)，然后采用Xlrd庫讀取Excel表格中已過濾的數(shù)據(jù)，分別將練習時長、練習準確率、練習速度賦予變量x、y、z，代碼如圖2所示。

圖2

使用Numpy庫中的polyfit函數(shù)擬合練習時長與練習速度、練習速度與練習準確率之間的關系，代碼如圖3所示。

圖3

最后使用matplotlib庫中的pyplot函數(shù)繪制練習時長、練習速度和練習準確率之間的散點圖和直線圖，代碼如下頁圖4所示。

圖4

（2）實驗分析

首先，分析同一課程中練習時長、練習速度與準確率的關系?；赑ython語言，筆者將收集到的數(shù)據(jù)通過最小二乘多項式庫擬合出練習時長與準確率、練習速度與準確率之間的關系，用Matplotlib庫作圖。筆者以學生課程4GH的練習數(shù)據(jù)為例，繪制了練習時長與準確率的散點圖，如下頁圖5（a）中黑點。采用Matplotlib庫中polyfit函數(shù)來擬合出練習時長與準確率之間的關系，如圖5（a）中的直線。筆者發(fā)現(xiàn)，練習時長和準確率呈正相關，隨著練習時長的增加，打字準確率也在增加。在時間充裕的情況下，學生練習心態(tài)良好，而且適當增加打字練習時長可以提高學生的打字水平。

用同樣的方法繪制打字速度與準確率的散點圖和關系，如圖5（b）所示，其中黑點表示散點圖，虛線表示速度與準確率的函數(shù)關系。筆者發(fā)現(xiàn)打字速度與準確率呈負相關，隨著打字速度的增加，準確率緩慢下降，說明在練習過程中如果過于追求打字速度，則不利于打字水平的提高，因此，在打字練習初期，教師要時刻端正學生的打字態(tài)度，注重打字練習的質(zhì)量和準確率。筆者將時間與準確率函數(shù)和速度與準確率函數(shù)重合，如圖5（c）所示，兩個函數(shù)存在相交點，其x軸為20.09分鐘，表明練習時長、速度與準確率的最優(yōu)解為20.09分鐘左右。同樣，筆者研究了其他打字課程的最優(yōu)解，發(fā)現(xiàn)練習時長在15.87～20.35分鐘時準確率較高（結合三年級學生注意力集中時間不超過20分鐘），建議練習時長為16～19分鐘。

圖5

其次，筆者比較了不同課程的平均準確率，如上頁表3所示。第一次練習的課程是ASDF，平均準確率為90.86%，后面依次練習的課程是EI、PQZ、GH，平均準確率分別為90.98%、91.01%、92.93%，隨著練習課程的增加，準確率也在逐漸增加，這說明可以通過增加練習次數(shù)來提高打字準確率。此外，筆者還比較了平均速度，發(fā)現(xiàn)隨著練習次數(shù)的增加，平均速度也在緩慢提高。因此，在“學會打字”主題教學中，教師應該增加學生練習時長和次數(shù)，鼓勵學生在家每周保持1次打字練習，以提高打字水平。

表3

（3）驗證實驗效果

為了驗證練習時長的有效性，筆者挑選了學情、基礎、人數(shù)都基本一致的兩個平行班進行檢驗。實驗班練習時長為16分鐘，對照班級不固定練習時長，其他教學內(nèi)容均一致。通過10周的教學檢驗，筆者發(fā)現(xiàn)實驗班的學生打字準確率和速度都優(yōu)于對照班（如圖6）。

圖6

● 結束語

本文基于Python語言分析了課堂教學行為，以“學會打字”項目為例，利用Numpy庫和Matplotlib庫探究了不同練習時長對掌握打字技巧的影響，通過多次實驗，筆者發(fā)現(xiàn)練習時長在16～19分鐘之間時，三年段學生練習打字效果較佳，學習興趣濃厚，此外，增加練習次數(shù)也能提高練習效果。因此，在教學中，教師要時刻端正學生的打字態(tài)度，提醒學生注重打字練習的質(zhì)量和準確率。在未來的教學中，筆者將繼續(xù)研究學生的有效練習時長以及如何在有效練習時長內(nèi)盡可能提高練習效果，研究文章提出的方法在高年段教學的效果。