數(shù)據(jù)可視化賦能學(xué)情分析

張聚 廣東省深圳市龍華區(qū)第三實(shí)驗(yàn)學(xué)校

孫瀟楠 華南師范大學(xué)中山附屬中學(xué)

● 引言

《中國教育現(xiàn)代化2035》《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中強(qiáng)調(diào)義務(wù)教育階段需要深化信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合發(fā)展，推動(dòng)信息技術(shù)在教學(xué)中深入、廣泛應(yīng)用，這就要求教學(xué)過程中的教學(xué)手段和教學(xué)方法要適應(yīng)新的教學(xué)環(huán)境?；ヂ?lián)網(wǎng)與云端技術(shù)的發(fā)展，提升了在線教育平臺(tái)的易用性和穩(wěn)定性，加速了在線教育的發(fā)展。新冠肺炎疫情的暴發(fā)再次推動(dòng)在線教育的普及與應(yīng)用。在線教育在迅速擴(kuò)張的同時(shí)，也暴露出了諸多問題，其中，如何及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)情信息變得尤其重要。

本研究通過梳理數(shù)據(jù)可視化在教學(xué)過程中的相關(guān)研究，從數(shù)據(jù)賦能學(xué)情分析的角度出發(fā)，采用數(shù)據(jù)分析與可視化技術(shù)，基于在線課堂后臺(tái)數(shù)據(jù)，從廣度和深度上挖掘隱藏在數(shù)據(jù)背后的信息，刻畫學(xué)生學(xué)習(xí)情況，達(dá)到學(xué)情可量化、學(xué)情可視化，助力教師精確診斷學(xué)情。

● 相關(guān)研究

數(shù)據(jù)可視化，是關(guān)于數(shù)據(jù)視覺表現(xiàn)形式的科學(xué)技術(shù)研究。劉歡等提出數(shù)據(jù)可視化具有直觀展示數(shù)據(jù)、增強(qiáng)理解數(shù)據(jù)、輔助探索數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。劉迎春等通過對(duì)學(xué)生考試數(shù)據(jù)的分析，構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化反饋模式，提高了數(shù)據(jù)的可解釋性。郭世豪使用FineReport工具制作了50種類型的數(shù)據(jù)圖表，用于展示智慧課堂統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。張雷借助visdom工具和Python機(jī)器學(xué)習(xí)庫，實(shí)現(xiàn)學(xué)生成績(jī)的可視化。針對(duì)學(xué)生的可獲取數(shù)據(jù)維度越來越豐富，近期的研究嘗試引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多維度刻畫學(xué)生畫像，從而進(jìn)行精準(zhǔn)教學(xué)。翟鳴宇等人采用K-protype聚類的方法，針對(duì)高效教育大數(shù)據(jù)，構(gòu)建學(xué)生群體畫像。劉思宇和那達(dá)林構(gòu)建學(xué)生數(shù)據(jù)獲取流程，采用K-means聚類方法，分析首都醫(yī)科大學(xué)19級(jí)學(xué)生的U校園學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，刻畫學(xué)生畫像。秦爭(zhēng)妍對(duì)教學(xué)系統(tǒng)中的學(xué)生行為進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，依據(jù)數(shù)據(jù)的時(shí)變性，建立學(xué)生動(dòng)態(tài)畫像。

學(xué)情分析，是指教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的分析，在新課程改革下，學(xué)情分析逐漸走入教育教學(xué)實(shí)踐。學(xué)情數(shù)據(jù)是在課堂實(shí)踐中產(chǎn)生的，其來源主要分為行為數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。行為數(shù)據(jù)是學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的數(shù)據(jù)，如學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、答題次數(shù)等；結(jié)果數(shù)據(jù)是學(xué)生階段性取得的成果，如作業(yè)正確率、答題正確率等。現(xiàn)有研究探索了學(xué)情的不同方面，張維霞提出了分層學(xué)習(xí)、趣味課堂、預(yù)習(xí)和遙控管策略。黃香花和高忠信探索針對(duì)性的練習(xí)講評(píng)，提升學(xué)生興趣，夯實(shí)知識(shí)點(diǎn)掌握度。趙煜等人基于學(xué)生為中心，構(gòu)建混合式教學(xué)模式，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。潘華萍關(guān)注學(xué)生個(gè)體間的差異，以案例分析的方式提出有效的教學(xué)過程，彌補(bǔ)差異提升教學(xué)有效性。劉煒和張林通過課程學(xué)習(xí)平臺(tái)數(shù)據(jù)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

● 數(shù)據(jù)來源與介紹

本文數(shù)據(jù)來自小學(xué)三年級(jí)數(shù)學(xué)在線教學(xué)過程。直播教學(xué)采用的平臺(tái)為Classin，作業(yè)收集與統(tǒng)計(jì)來自微信小程序班級(jí)小管家。通過對(duì)兩個(gè)平臺(tái)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，將采集到的數(shù)據(jù)來源時(shí)段分為課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)（如下表）。

收集的學(xué)生在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步劃分為考勤、參與度和效果評(píng)測(cè)。課堂考勤，課前在平臺(tái)的花名冊(cè)中可以快速看到出勤和遲到名單，課后可在平臺(tái)中導(dǎo)出每位學(xué)生具體的考勤情況和在線時(shí)長(zhǎng)課堂數(shù)據(jù)。學(xué)習(xí)參與度包含課堂中獎(jiǎng)杯發(fā)放、每位學(xué)生具體的舉手次數(shù)、搶答次數(shù)、發(fā)言時(shí)長(zhǎng)、攝像頭開放時(shí)長(zhǎng)等，課后通過具體的數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度進(jìn)行量化。

來源時(shí)段 數(shù)據(jù)具體情況課前 在線人數(shù)統(tǒng)計(jì)課中答題情況統(tǒng)計(jì)獎(jiǎng)杯排行榜課后在線時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)舉手次數(shù)、攝像頭打開時(shí)長(zhǎng)等作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)

學(xué)習(xí)效果評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)包括課堂中答題器的使用，通過發(fā)布、收集學(xué)生答案、獲取全班的正確率，從而了解在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交答案的人數(shù)和正確率（此數(shù)據(jù)在課后可導(dǎo)出）；課后作業(yè)的完成情況在微信小程序班級(jí)小管家中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與發(fā)布。

● 可視化設(shè)計(jì)

可視化界面采用Python3.7開發(fā)環(huán)境，使用streamlit庫編寫數(shù)據(jù)可視化界面腳本，完成數(shù)據(jù)文件上傳、文件自動(dòng)解析、時(shí)間序列可視化和對(duì)比可視化。其中，時(shí)間序列可視化是指可以篩選學(xué)生在多節(jié)課中不同維度學(xué)情數(shù)據(jù)的可視化。通過時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化，實(shí)現(xiàn)學(xué)情精準(zhǔn)追蹤，挖掘?qū)W生狀態(tài)的時(shí)變性。對(duì)比可視化是指可以篩選不同學(xué)生在不同維度的學(xué)情數(shù)據(jù)比較。通過對(duì)比可視化，挖掘?qū)W生間學(xué)情差異。此外，對(duì)于課堂表現(xiàn)數(shù)據(jù)采用K-means聚類方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)生課堂表現(xiàn)的粗略分類統(tǒng)計(jì)，可視化頁面數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1

針對(duì)多維度特征可視化設(shè)計(jì)，筆者采用特征集成的方式來刻畫學(xué)生，拋棄了離散化的數(shù)據(jù)可視化方式，避免了單一特征可視化的孤立感，豐富了學(xué)生的數(shù)據(jù)維度，使可視化結(jié)果變得更加豐滿，如圖2所示是數(shù)據(jù)整合可視化策略示意圖。

圖2

● 結(jié)果展示

1.數(shù)據(jù)上傳

在數(shù)據(jù)可視化前端頁面運(yùn)行之后，點(diǎn)擊“Browse files”按鈕搜索整合后的在線教學(xué)數(shù)據(jù)文件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和加載過程。在數(shù)據(jù)加載完成之后，通過顯示數(shù)據(jù)文件的前5行數(shù)據(jù)來校對(duì)文件，如圖3所示是上傳數(shù)據(jù)后可視化頁面展示結(jié)果。

圖3

2.數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比數(shù)據(jù)可視化可以顯示出某一節(jié)課部分學(xué)生在某些維度中的具體比較，筆者以第4節(jié)課的8、25、38三位學(xué)生為例進(jìn)行詳細(xì)說明。以實(shí)際上課時(shí)長(zhǎng)和攝像頭打開時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行比較，圖4中橫坐標(biāo)表示8、25、38三位學(xué)生，縱坐標(biāo)表示具體的數(shù)值，可以看出，在實(shí)際上課時(shí)長(zhǎng)相似的情況下，25號(hào)學(xué)生攝像頭打開時(shí)長(zhǎng)明顯低于另外兩名學(xué)生（不打開攝像頭不易及時(shí)觀察學(xué)生注意力是否集中），因此，教師可在課后與學(xué)生進(jìn)行深度溝通，了解其不愿打開攝像頭的原因，認(rèn)真傾聽其情感需求，在有困難時(shí)給予適當(dāng)?shù)膸头觥?/p>

圖4

從篩選舉手次數(shù)、搶答次數(shù)、發(fā)言時(shí)長(zhǎng)和獲得獎(jiǎng)杯數(shù)四個(gè)特征得到的圖5來看，8號(hào)學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)較為積極，說明其積極參與課堂活動(dòng)，學(xué)習(xí)積極性較高；38號(hào)學(xué)生較8號(hào)學(xué)生而言，在搶答、發(fā)言時(shí)長(zhǎng)、獲得獎(jiǎng)杯數(shù)方面稍微少了一些，后期應(yīng)加大表揚(yáng)力度，鼓勵(lì)其更加積極地參與課堂互動(dòng)，同時(shí)也應(yīng)該反思此節(jié)課預(yù)設(shè)的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)是否能成功激發(fā)學(xué)生積極參與的熱情；25號(hào)學(xué)生在此節(jié)課中表現(xiàn)情況不太理想，僅僅搶答了一次，參與課堂互動(dòng)的積極性較低，教師應(yīng)該在課后了解學(xué)生不愿意積極參加互動(dòng)的原因，同時(shí)根據(jù)學(xué)生的差異性，設(shè)計(jì)分層、有梯度的問題，使學(xué)生體會(huì)到答對(duì)問題、積極參與課堂互動(dòng)的滿足感。

圖5

篩選出課堂答題正確率和作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)后得到的數(shù)據(jù)如圖6所示，課堂答題正確率是根據(jù)課堂練習(xí)統(tǒng)計(jì)得出的，此堂課設(shè)置了4道選擇題，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)作答，并根據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)出正確率。答對(duì)4道正確率為100%，答對(duì)3道正確率為75%，即0.75，以此類推。作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)為對(duì)當(dāng)天提交的作業(yè)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，分為優(yōu)、良、中三個(gè)等級(jí)，其中優(yōu)為1，良為0.67，以此類推?？梢钥闯?，25號(hào)學(xué)生并未參加課堂的答題，課后作業(yè)的完成情況較其他兩名學(xué)生也不理想，教師需要在課后了解其未參加課堂答題的原因。8號(hào)學(xué)生和38號(hào)學(xué)生整體表現(xiàn)差距不大，但8號(hào)學(xué)生的課堂答題存在錯(cuò)誤，可以根據(jù)具體題目判斷其是否在本節(jié)課的學(xué)習(xí)重難點(diǎn)上存在障礙，并增加類似的題目進(jìn)行鞏固。

圖6

3.時(shí)序數(shù)據(jù)顯示

時(shí)間序列可視化可以顯示出某位學(xué)生在連續(xù)的課節(jié)中某一個(gè)特征或多個(gè)特征的變化，以17號(hào)學(xué)生在連續(xù)5節(jié)課的變化為例（如圖7），篩選出舉手次數(shù)、搶答次數(shù)等特征。隨著時(shí)間的推移，17號(hào)學(xué)生在線上學(xué)習(xí)的表現(xiàn)有所進(jìn)步，每個(gè)特征變量都有所增加。搶答和舉手及獲得的獎(jiǎng)杯數(shù)增長(zhǎng)較為明顯，可以推斷出此學(xué)生逐漸適應(yīng)了線上教學(xué)的授課模式，學(xué)習(xí)的積極性逐漸增強(qiáng)。其作業(yè)完成情況進(jìn)步幅度較小，教師可以對(duì)學(xué)生作業(yè)進(jìn)行細(xì)致分析，同時(shí)給予有效反饋。

圖7

4.數(shù)據(jù)分類

可視化界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一節(jié)課學(xué)生的分類，以第一節(jié)課為例，選擇類別數(shù)為3，可以將50名學(xué)生分成三類，如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)沒有實(shí)際的含義，圖中的三個(gè)粉色五角星表示三類的中心點(diǎn)，綠色為一類，紅色為一類，藍(lán)色為一類；1～49號(hào)表示此班49名學(xué)生?？梢钥闯?，綠色與紅色兩類的邊界較為明顯，而藍(lán)色和紅色的邊界模糊，說明此兩類中臨界學(xué)生較多，如20、33、44號(hào)三位學(xué)生。結(jié)合此三位學(xué)生的具體表現(xiàn)來看，這三位學(xué)生在各維度的表現(xiàn)差距較大，不是很穩(wěn)定。例如，20號(hào)學(xué)生在課堂表現(xiàn)方面十分積極，但在作業(yè)完成情況方面卻不盡如人意。33號(hào)學(xué)生課堂很少舉手搶答問題，但是在課堂答題和作業(yè)完成情況方面都較為優(yōu)異。此類學(xué)生教師應(yīng)該針對(duì)性地進(jìn)行幫扶，促進(jìn)其多維度均衡發(fā)展。

圖8

● 總結(jié)

本文通過設(shè)計(jì)在線課堂數(shù)據(jù)可視化界面，整合多維特征刻畫學(xué)生，助力教師分析學(xué)情。在線上教學(xué)中，每位教師都應(yīng)該具備數(shù)據(jù)意識(shí)，掌握在線平臺(tái)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的獲取與分析方法，意識(shí)到數(shù)據(jù)對(duì)日常教學(xué)的促進(jìn)作用，將學(xué)生的課堂表現(xiàn)、作業(yè)和測(cè)評(píng)的完成情況作為評(píng)判學(xué)生的具體數(shù)據(jù)來源，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的精準(zhǔn)分析，及時(shí)調(diào)整后續(xù)教學(xué)。