基于xAPI數(shù)據(jù)的智慧課堂互動(dòng)行為模式發(fā)現(xiàn)及序列分析框架研究

摘要：智慧課堂是一種個(gè)性化教學(xué)的新型課堂，師生互動(dòng)行為作為智慧課堂研究的重要組成部分，是課堂教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。但是，當(dāng)下師生互動(dòng)行為研究多以某一方面行為質(zhì)性研究為主，缺少師生互動(dòng)行為序列的客觀數(shù)據(jù)支持，難以深刻剖析課堂運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律。因此，為深入研究師生互動(dòng)行為序列關(guān)聯(lián)性，本研究依托數(shù)據(jù)處理流程框架設(shè)計(jì)出基于xAPI數(shù)據(jù)的智慧課堂互動(dòng)行為序列分析框架，以某智慧示范區(qū)某學(xué)校的數(shù)學(xué)課作為研究樣本，借助智慧課堂行為占比與頻次、殘差值和行為轉(zhuǎn)換圖對(duì)師生互動(dòng)行為數(shù)據(jù)、互動(dòng)行為模式發(fā)現(xiàn)及LSA行為序列和序列可視化進(jìn)行分析并驗(yàn)證行為序列分析框架的可用性與科學(xué)性。最后，采用行為序列量化分析，佐以課堂質(zhì)性觀察，從中提取智慧課堂顯著性互動(dòng)行為序列特征，力求推動(dòng)教師專業(yè)發(fā)展，為今后優(yōu)化智慧課堂教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：xAPI數(shù)據(jù)；智慧課堂；模式發(fā)現(xiàn)；互動(dòng)行為序列

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）15-0102-06

問(wèn)題的提出

2018年，教育部出臺(tái)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)智慧教育示范區(qū)項(xiàng)目的批辦，提出“積極開(kāi)展智慧教育創(chuàng)新研究和示范，推動(dòng)新技術(shù)支持下教育的模式變革和生態(tài)重構(gòu)”。由此，智慧教育開(kāi)始從理論研究向?qū)嵺`探索逐步過(guò)渡。智慧課堂作為智慧教育環(huán)境的物化形態(tài)，以學(xué)生智慧生成作為培養(yǎng)起點(diǎn)，將智慧教育理念、技術(shù)和方法等融合應(yīng)用于課堂教學(xué)[1]，實(shí)現(xiàn)智慧育人。但當(dāng)前，針對(duì)智慧課堂的教學(xué)模式、課堂交互行為等研究，仍缺乏有效的研究工具。[2]近年來(lái)，大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)時(shí)代建設(shè)智慧教育的重要支持[3]，所以，本文通過(guò)探索性地使用滯后序列分析和課堂觀察的量化與質(zhì)性分析，以厘清行為間的因果關(guān)系，挖掘其中的關(guān)鍵行為序列，發(fā)現(xiàn)智慧課堂中師生互動(dòng)行為規(guī)律，從而為教師發(fā)展提供策略，優(yōu)化課堂教學(xué)。

相關(guān)概念和文獻(xiàn)綜述

1.智慧課堂

智慧課堂是由智慧教育衍生而來(lái)的，因此智慧課堂的含義可以從兩個(gè)方向予以解讀：一種是區(qū)別于傳統(tǒng)課堂“知識(shí)傳授”，以培養(yǎng)學(xué)生“智慧”能力和素質(zhì)為核心的課堂[4]；一種是區(qū)別于傳統(tǒng)課堂教學(xué)環(huán)境，以建構(gòu)主義作為理論基礎(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)打造的智能化、高效性的新型課堂。[5]基于此，本文提出的智慧課堂的核心是通過(guò)從信息化視角下構(gòu)建的有利于學(xué)生主動(dòng)完成知識(shí)的意義建構(gòu)，能夠使師生、生生協(xié)作探究的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，來(lái)促進(jìn)教育教學(xué)改革，加速教師專業(yè)發(fā)展。

2.xAPI數(shù)據(jù)

Experience API（xAPI）是一種用來(lái)存儲(chǔ)和檢索學(xué)習(xí)經(jīng)歷的技術(shù)規(guī)范[6]，其作為一種簡(jiǎn)單、輕量級(jí)且與實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)的技術(shù)規(guī)范對(duì)分析智慧課堂的智慧性具有基礎(chǔ)作用。[7]因此，本文從師生交互行為數(shù)據(jù)出發(fā)，以xAPI技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程中生成數(shù)據(jù)支持下的教學(xué)過(guò)程進(jìn)行分析，挖掘行為數(shù)據(jù)，從而為教育大數(shù)據(jù)支持下的課堂教學(xué)分析提供新的方法。

3.師生互動(dòng)行為分析

師生互動(dòng)分析是對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行教學(xué)類型的編碼與解讀過(guò)程[8]，其作為智慧課堂教學(xué)必不可少的組成部分，是衡量教師教學(xué)質(zhì)量的重要依據(jù)，影響最終的教學(xué)效果。目前，在國(guó)內(nèi)外已有的對(duì)教學(xué)行為量化分析方法的研究中，較為成熟的有FIAS、S-T分析、ITIAS以及iFIAS等，但仍存在該類研究多聚焦于行為頻數(shù)、時(shí)間占比等課堂數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的問(wèn)題，課堂行為之間的關(guān)聯(lián)仍需主觀論述，難以揭示課堂中教學(xué)行為的客觀運(yùn)作規(guī)律。本文注重對(duì)師生互動(dòng)過(guò)程中教與學(xué)特征的量化統(tǒng)計(jì)分析，并佐以課堂質(zhì)性觀察，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)行為分析方法中研究者主觀判斷造成的誤差。

4.互動(dòng)行為序列分析

在量化研究中，課堂互動(dòng)效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)主要是依據(jù)師生行為出現(xiàn)的頻次、占比時(shí)間等數(shù)據(jù)，以此來(lái)反映課堂互動(dòng)行為的效果質(zhì)量。但行為的發(fā)起含義往往與所處的情境相關(guān)聯(lián)，如果將行為單獨(dú)抽離出來(lái)，就很有可能偏離原本的意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多研究者開(kāi)始將LSA應(yīng)用于行為分析研究，如國(guó)內(nèi)學(xué)者馮仰存等利用LSA以骨干教師與新手教師共90名教師為樣本，對(duì)二者在教學(xué)決策行為上的差異進(jìn)行了比較。[9]國(guó)外有研究應(yīng)用LSA分析了研究生在異步討論區(qū)的小組交互行為模式。[10]因此，本文強(qiáng)調(diào)關(guān)注師生互動(dòng)行為序列，而非割裂的行為本身。[11]通過(guò)分析某種行為與其前后行為之間的關(guān)聯(lián)，呈現(xiàn)出行為所處的情境，從而挖掘師生互動(dòng)的深層次含義。這一轉(zhuǎn)向?yàn)樵擃I(lǐng)域的研究提供了新的分析視角，也為及時(shí)實(shí)施教學(xué)干預(yù)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率提供了新的途徑。[12]

基于xAPI數(shù)據(jù)的智慧課堂互動(dòng)行為序列分析框架研究

本文旨在發(fā)現(xiàn)智慧課堂中具有代表性和普適性的互動(dòng)行為模式，因此需完成數(shù)據(jù)清洗、模式發(fā)現(xiàn)、滯后序列分析等工作，以確保師生互動(dòng)行為序列的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)突破當(dāng)前xAPI技術(shù)規(guī)范后行為數(shù)據(jù)分類與內(nèi)在規(guī)律挖掘的困境。通過(guò)互動(dòng)行為數(shù)據(jù)分析、模式發(fā)現(xiàn)、滯后序列分析及結(jié)果應(yīng)用，自上而下設(shè)計(jì)系統(tǒng)，確立智慧課堂互動(dòng)行為序列模式的整體框架，如圖1所示。

該框架以數(shù)據(jù)處理流程為基礎(chǔ)，依托xAPI技術(shù)規(guī)范行為編碼體系發(fā)現(xiàn)師生互動(dòng)模式，利用LSA方法精細(xì)化該模式，并以轉(zhuǎn)化圖形式呈現(xiàn)。框架包括互動(dòng)行為數(shù)據(jù)分析、模式發(fā)現(xiàn)、LSA行為序列分析及可視化三部分。在數(shù)據(jù)分析階段，建立基于xAPI數(shù)據(jù)的智慧課堂交互體系，進(jìn)行清洗、過(guò)濾、排序等工作，提取有效行為數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流進(jìn)入第二階段，通過(guò)交互體系人工排序有效數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)粗粒度互動(dòng)模式，再結(jié)合x(chóng)API數(shù)據(jù)建立分類編碼體系，利用LSA方法驗(yàn)證師生行為頻次，得到細(xì)粒度互動(dòng)模式。由于前兩個(gè)階段主要梳理顯著性行為序列關(guān)系，但數(shù)據(jù)表現(xiàn)獨(dú)立，可視化不足，影響易用性，因此將行為序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化圖式，繪制轉(zhuǎn)換圖，實(shí)現(xiàn)序列模式可視化效果。

基于xAPI數(shù)據(jù)的智慧課堂互動(dòng)行為編碼分析

本文主要選取的是某智慧示范區(qū)某校線上集體授課的智慧課堂互動(dòng)行為數(shù)據(jù)作為研究樣本，提出將教學(xué)行為歸為講解、提問(wèn)、提示、發(fā)布任務(wù)、反饋、評(píng)價(jià)、多媒體演示、設(shè)備操作八個(gè)類別，將學(xué)習(xí)行為歸為應(yīng)答、完成任務(wù)、觀看媒體演示、使用媒體四個(gè)類別。基于此，筆者開(kāi)發(fā)了基于xAPI數(shù)據(jù)的智慧課堂互動(dòng)行為類型編碼分析系統(tǒng)，其具體行為劃分情況如表1所示。為方便后期編碼和行為區(qū)分，使用字母與阿拉伯?dāng)?shù)字對(duì)上述12類行為依次進(jìn)行編碼，并對(duì)每類行為進(jìn)行了描述。根據(jù)分析該校的教師教學(xué)行為和學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，參考xAPI限定動(dòng)詞類型表，規(guī)范智慧課堂中師生各自行為。

本文運(yùn)用LSA分析法對(duì)智慧課堂中師生互動(dòng)行為進(jìn)行分析和研究，在xAPI技術(shù)規(guī)范格式化后的教學(xué)行為分類編碼體系的基礎(chǔ)上，采用LSA揭示出智慧教室環(huán)境下師生互動(dòng)中存在的顯著行為序列。這一研究的目的聚焦于其出現(xiàn)的可能性和概率。當(dāng)某種行為序列具有顯著性時(shí)，預(yù)示著某種行為之后另一種行為的出現(xiàn)概率極高。通過(guò)GSEQ軟件分析已編碼的行為序列，生成MDS文件，并計(jì)算行為轉(zhuǎn)換頻率和殘差。若Z值大于1.96，則行為路徑具有顯著性。參照前期建立的智慧課堂互動(dòng)行為編碼體系，驗(yàn)證哪些行為序列路徑具有顯著特征，最終繪制得到存在顯著意義的行為序列模式。

基于xAPI數(shù)據(jù)的智慧課堂互動(dòng)行為模式發(fā)現(xiàn)及LSA序列分析

在xAPI技術(shù)規(guī)范下，將師生的互動(dòng)行為數(shù)據(jù)以活動(dòng)語(yǔ)句“statement”的形式記錄在LRS之中。本文中的操作對(duì)象主要是指教師和學(xué)生，以xAPI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分別對(duì)規(guī)范教師教學(xué)行為序列和學(xué)生學(xué)習(xí)行為序列進(jìn)行分析?；趚API數(shù)據(jù)的智慧課堂互動(dòng)行為模式發(fā)現(xiàn)如圖2所示。從本文實(shí)際案例中師生操作行為數(shù)據(jù)來(lái)看，可分別將教師操作行為和學(xué)生操作行為進(jìn)行劃分，即教師操作行為類型包括“講解”“提問(wèn)”“指示”“發(fā)布任務(wù)”“反饋”“評(píng)價(jià)”“媒體演示”和“設(shè)備操作”八種類型，學(xué)生操作行為類型包括“應(yīng)答”“完成任務(wù)”“觀看媒體演示”和“使用媒體”四種類型。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，來(lái)提取有效行為數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)組師生互動(dòng)數(shù)據(jù)顯示：教師行為總數(shù)為674，其中講解頻次最高，體現(xiàn)多媒體教學(xué)特色；技術(shù)展示與操作亦頻繁，但個(gè)性化教學(xué)應(yīng)用不足。學(xué)生行為主要包括應(yīng)答、完成任務(wù)、觀看媒體演示和使用媒體學(xué)習(xí)，線上學(xué)習(xí)行為類型相對(duì)單一，表明智慧課堂仍以教師為主導(dǎo)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，教師行為次數(shù)與類別均多于學(xué)生，技術(shù)應(yīng)用主要服務(wù)于講解，學(xué)生以接收知識(shí)為主，教師并沒(méi)有更多地使用技術(shù)組織開(kāi)展個(gè)性化教學(xué)活動(dòng)。

根據(jù)師生互動(dòng)行為頻次，以時(shí)間為切入點(diǎn)進(jìn)行分析，在xAPI技術(shù)規(guī)范下，在對(duì)二者行為數(shù)據(jù)格式規(guī)范后，發(fā)現(xiàn)互動(dòng)行為序列模式為“講解→聽(tīng)講→提問(wèn)→應(yīng)答→反饋→發(fā)布任務(wù)→反饋”。由于該模式是基于師生行為頻次結(jié)合時(shí)間序列分析得出，缺乏一定科學(xué)性，粒度較粗，為保證普適性的行為序列模式更具科學(xué)性，本文提出基于當(dāng)前研究結(jié)論可進(jìn)行下一步的智慧課堂互動(dòng)行為序列模式的研究工作。該分析機(jī)制的優(yōu)勢(shì)主要以xAPI規(guī)范當(dāng)前行為數(shù)據(jù)格式，基于LSA方法得到顯著行為序列，因此可以進(jìn)一步探究顯著行為序列的關(guān)聯(lián)程度。最終得到最具代表性和普適性的智慧課堂互動(dòng)行為模式，其中包括“講解—聽(tīng)講—提問(wèn)”“提問(wèn)—應(yīng)答—反饋”和“教師發(fā)布任務(wù)—學(xué)生完成任務(wù)—反饋”三類，具體如圖3所示。

基于xAPI數(shù)據(jù)的智慧課堂互動(dòng)行為模式發(fā)現(xiàn)及序列分析應(yīng)用案例

本文旨在驗(yàn)證智慧課堂中師生互動(dòng)行為序列模式的有效性和通用性，因此筆者先進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，篩選出有效互動(dòng)行為數(shù)據(jù)，并依托已構(gòu)建的互動(dòng)行為分析系統(tǒng)編碼體系，進(jìn)行滯后序列分析。鑒于智慧課堂環(huán)境的復(fù)雜性，詳細(xì)記錄行為間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，避免交叉重疊，確保數(shù)據(jù)的完整性和科學(xué)性。

基于前期數(shù)據(jù)記錄與分析，針對(duì)某英語(yǔ)優(yōu)質(zhì)課在線教師和學(xué)生課堂行為數(shù)據(jù)主要對(duì)外顯操作性行為進(jìn)行分類和定義，因此，可直接從學(xué)習(xí)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出。根據(jù)確立的智慧課堂互動(dòng)行為編碼體系對(duì)其進(jìn)行編碼，將編碼完成后的行為數(shù)據(jù)錄入到分析軟件進(jìn)行滯后序列分析得到相應(yīng)的互動(dòng)行為轉(zhuǎn)換頻率（如下頁(yè)表2）。將教師線上教學(xué)行為和學(xué)生線上學(xué)習(xí)行為整理出有效行為，結(jié)合前期發(fā)現(xiàn)的互動(dòng)行為模式，一一映射，對(duì)軟件生成的調(diào)整后殘差如表3所示，繪制解讀出顯著性行為序列模式如下頁(yè)圖4所示。依據(jù)解讀出來(lái)的行為序列關(guān)聯(lián)性，教師教學(xué)行為和學(xué)生學(xué)習(xí)行為的交互序列大致符合前期研究發(fā)現(xiàn)的互動(dòng)行為序列模式。在該課例中，教師在提問(wèn)學(xué)生之后會(huì)出現(xiàn)較高頻次的編輯操作行為。結(jié)合具體數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，教師行為特征表現(xiàn)為借助技術(shù)手段完成教學(xué)，且提問(wèn)后常伴隨編輯操作，主要用于根據(jù)學(xué)生的回答進(jìn)行講解答復(fù)和媒體編輯。從發(fā)現(xiàn)的師生互動(dòng)行為序列模式可以看出，基本的行為序列模式中的主要行為序列與圖3所示相同。

通常情況下，完全符合前期依據(jù)師生互動(dòng)行為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的行為模式的案例難以找到。一方面，智慧課堂技術(shù)手段豐富，教師多依賴此展示教學(xué)內(nèi)容，過(guò)程中存在不可控因素，可能導(dǎo)致分析結(jié)果與前期預(yù)測(cè)存在偏差；另一方面，教師使用技術(shù)呈現(xiàn)內(nèi)容的方式各異，與教授科目、課程形式等有關(guān)，且案例數(shù)據(jù)的有效性和樣本容量也影響分析結(jié)果。因此，通過(guò)滯后序列分析得到全面的行為序列模式非常困難，所以本文僅證明大部分智慧課堂互動(dòng)行為序列模式包含其中一種。要驗(yàn)證完整的智慧課堂互動(dòng)行為序列，需結(jié)合課堂觀察，以質(zhì)性研究法深入了解師生行為，這樣不僅有助于更深入地理解教師教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)和學(xué)生課堂參與度，也為后續(xù)研究智慧課堂相比傳統(tǒng)課堂的智慧性、如何調(diào)動(dòng)學(xué)生參與及針對(duì)師生互動(dòng)問(wèn)題設(shè)計(jì)教學(xué)干預(yù)措施提供幫助。

討論和總結(jié)

綜上所述，在同一學(xué)科下的智慧課堂中顯著的師生互動(dòng)行為序列基本是一致的，那么，在不同學(xué)科下的智慧課堂又會(huì)存在哪些顯著的行為序列，以及這些顯著的互動(dòng)行為序列是否適用于其他課堂教學(xué)場(chǎng)景，還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，本文存在一定局限性，如所選課例數(shù)據(jù)普適性不足，行為模式受復(fù)雜因素影響等。未來(lái)需從多角度驗(yàn)證完善編碼體系，開(kāi)發(fā)智能化分析工具，探究不同教學(xué)能力層級(jí)下的交互行為模式差異，以精準(zhǔn)支持教學(xué)反思與教師專業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱藝，謝幼如，李世杰，等.走向智慧時(shí)代的課堂變革[J].電化教育研究，2018，39（07）：70-76.

[2]Yu L，Cui Y，Zhang H.Teacher behavior sequence under smart learning environment[C].//2018 International Joint Conference on Information，Media and Engineering（ICIME），2018：158-161.

[3][6]方海光，陳俊達(dá)，詹偉華，等.基于xAPI標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的交互式學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)電化教育，2016（12）：78-82.

[4]張海，崔宇路，余露瑤，等.基于數(shù)據(jù)挖掘的智慧課堂教學(xué)行為事理圖譜研究[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2020，38（02）：80-88.

[5]劉邦奇，李鑫.智慧課堂數(shù)據(jù)挖掘分析與應(yīng)用實(shí)證研究[J].電化教育研究，2018，39（06）：41-47.

[7]李青，孔沖.下一代SCORM標(biāo)準(zhǔn)的新動(dòng)向——ADL TLA和Experience API解讀[J].電化教育研究，2013，34（08）：61-67+72.

[8]方海光，高辰柱，陳佳.改進(jìn)型弗蘭德斯互動(dòng)分析系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].中國(guó)電化教育，2012（10）：109-113.

[9]馮仰存，曹凡，張懷浩.基于滯后序列分析法的教學(xué)決策行為比較研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2022（02）：63-71.

[10]Jeong，A.C.The sequential analysis of group interaction and criticalthinking in online[J].The American Journal of Distance Education，2003，17（01）：25-43.

[11]Lefstein A，Snell J，Israeli M.From moves to sequences：expanding the unit of analysis in the study of classroom discourse[J].British Educational Research Journal，2015，41（05）：866－885.

[12]江毅，王煒，康苗苗.基于行為序列分析的師生互動(dòng)效果研究[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2019（06）：53-61.