基于ITIAS的課堂教學(xué)視頻分析軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李白樺 張曉藝

摘? 要： 課堂教學(xué)行為研究是教學(xué)研究中的重要內(nèi)容，而課堂教學(xué)視頻分析是進(jìn)行課堂教學(xué)行為研究的有效方法之一。本文從教學(xué)研究的實(shí)際需要出發(fā)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一款課堂教學(xué)視頻分析軟件，該軟件基于ITIAS（基于信息技術(shù)的互動(dòng)分析編碼系統(tǒng)），對(duì)課堂教學(xué)視頻進(jìn)行定量的、高效的觀察和統(tǒng)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂教學(xué)行為的可量化數(shù)據(jù)分析，促進(jìn)分析的實(shí)證化和規(guī)范化。全文從該軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的關(guān)聯(lián)背景、需求及架構(gòu)、功能模塊、核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)、總結(jié)及展望五個(gè)方面展開(kāi)介紹。

關(guān)鍵詞： 課堂教學(xué)視頻;教學(xué)行為分析;ITIAS

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391. 77? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.010

【Abstract】： Research into classroom teaching behavior constitutes an important part of teaching research， and analysis of classroom teaching is one of efficient methods for classroom teaching behavior research. Proceeding from practical needs of teaching research， this paper designs and develops a classroom teaching video analysis software. Based on the ITIAS （Information-Technology-Based Interaction Analysis System）， this software can conduct qualitative and efficient observation and statistics of classroom teaching videos， thus realizing quantitative data analysis of classroom teaching behaviors and promote empirical and standard analysis. To sum up， this paper discusses in five parts， including software design and development background and demand， realization of functional modules and core technologies， summary and future prospects.

【Key words】： Classroom teaching video; Teaching behavior analysis; ITIAS

0? 引言

課堂教學(xué)是當(dāng)前基礎(chǔ)教育的主要活動(dòng)[1]，而教師的課堂教學(xué)行為作為課堂教學(xué)活動(dòng)的實(shí)體部分和最主要的外顯行為，是課堂教學(xué)得以推進(jìn)的落腳點(diǎn)，影響并決定著教學(xué)質(zhì)量，因此教學(xué)行為研究一直是教育教學(xué)研究者關(guān)注的重點(diǎn)[2]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都就此展開(kāi)相關(guān)研究并取得了豐富的成果。隨著對(duì)教學(xué)行為研究的深入，國(guó)內(nèi)的研究方法逐步科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，量化和實(shí)證成為熱點(diǎn)。在教學(xué)行為的量化研究中，基于編碼系統(tǒng)的教學(xué)視頻分析是一種行之有效并被普遍接受的研究方法[3]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)錄制或遠(yuǎn)程控制等方式對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行實(shí)錄，獲取教學(xué)視頻，然后依據(jù)教學(xué)行為編碼系統(tǒng)對(duì)教學(xué)視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，形成對(duì)教學(xué)行為的分析和診斷。

基于編碼系統(tǒng)的教學(xué)視頻分析過(guò)程是一項(xiàng)較為繁瑣的工作，會(huì)有大量的記錄和計(jì)算并產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力。針對(duì)這些問(wèn)題，教育研究和實(shí)踐者們相繼開(kāi)發(fā)了教學(xué)視頻分析軟件，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)自動(dòng)化，減少工作量[4-5]。但目前現(xiàn)有的教學(xué)視頻分析軟件并不能完全滿足實(shí)踐需求，存在以下問(wèn)題：一是收費(fèi)，當(dāng)今市場(chǎng)上比較成熟使用最廣泛的分析軟件是Nvivo，它可以整理、分析和找到非結(jié)構(gòu)化或定性數(shù)據(jù)，但是需要承擔(dān)一定的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用;二是操作復(fù)雜，需要使用者具有較高的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平和信息素養(yǎng);三是效率相對(duì)不高，有些軟件雖然具有較好的通用性，但正是由于集成了過(guò)多的功能導(dǎo)致專(zhuān)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)效率不高[6]。基于上述背景，本文從教學(xué)研究的實(shí)際需要出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款課堂教學(xué)視頻分析軟件，該軟件基于ITIAS（基于信息技術(shù)的互動(dòng)分析編碼系統(tǒng)），對(duì)課堂教學(xué)視頻進(jìn)行定量的高效的觀察和統(tǒng)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂教學(xué)行為的可量化數(shù)據(jù)分析，促進(jìn)分析的實(shí)證化和規(guī)范化。

1? ITIAS簡(jiǎn)介

教學(xué)視頻的量化分析需要運(yùn)用視頻編碼分析系

統(tǒng)，弗蘭德斯互動(dòng)分析系統(tǒng)（Flanders Interaction Analysis System，F(xiàn)IAS）無(wú)疑是其中最具有影響力的，該系統(tǒng)是美國(guó)學(xué)者弗蘭德斯于上世紀(jì)60年代提出的一種課堂行為分析技術(shù)。這種技術(shù)采用中立和客觀的觀察態(tài)度、特定的編碼系統(tǒng)、每三秒記載一次的記錄方式，對(duì)課堂教學(xué)中師生語(yǔ)言互動(dòng)具體十個(gè)行為進(jìn)行編碼和統(tǒng)計(jì)分析，具有強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)化和定量化的特點(diǎn)，表現(xiàn)出對(duì)課堂教學(xué)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析的技術(shù)性功能[7]。

隨著社會(huì)的發(fā)展，課堂的信息化程度越來(lái)越高，信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合，F(xiàn)IAS顯然不具備評(píng)價(jià)信息技術(shù)運(yùn)用的能力。針對(duì)這一點(diǎn)，華東師范大學(xué)顧小清教授、王煒對(duì)FIAS加以改進(jìn)，提出了基于信息技術(shù)的互動(dòng)分析編碼系統(tǒng)（Information Tec hnology-based Interaction Analysis System，ITIAS）。ITIAS細(xì)化了課堂教學(xué)中的有效語(yǔ)言，增加學(xué)生行為評(píng)價(jià)要素，最為突出的是，增加了技術(shù)語(yǔ)言要素。改進(jìn)后的ITIAS在基礎(chǔ)教育課堂中得以實(shí)踐驗(yàn)證[8]。

ITIAS由三部分構(gòu)成：描述教學(xué)行為的編碼系統(tǒng)、觀察和記錄編碼的準(zhǔn)則、用于顯示和分析數(shù)據(jù)的矩陣表格。其核心是編碼系統(tǒng)，如表1所示。

進(jìn)行編碼操作時(shí)，對(duì)教學(xué)視頻樣本每3秒取樣一次，根據(jù)編碼系統(tǒng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)給每個(gè)課堂活動(dòng)賦予一個(gè)編碼，按照時(shí)間順序依次記錄，形成課堂行為觀察表。在觀察表的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)矩陣，通過(guò)矩陣表中各行為頻次間的比例關(guān)系以及它們?cè)诰仃囍械姆植记闆r[9]對(duì)課堂教學(xué)行為做出分析。

2? 分析與設(shè)計(jì)

2.1? 需求分析

軟件需要實(shí)現(xiàn)視頻處理與數(shù)據(jù)分析兩大功能。

2.1.1? 視頻處理

視頻處理是對(duì)課堂教學(xué)視頻進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。為了使編碼時(shí)間更加精準(zhǔn)，需要一個(gè)可以播放課堂視頻的組件，該組件包含最基本的視頻播放功能，且每間隔3秒自動(dòng)暫停，方便研究人員觀察并錄入編碼。觀察視頻時(shí)需要顯示編碼錄入頁(yè)面，提供ITIAS中定義的18種教學(xué)行為，操作者對(duì)視頻仔細(xì)觀察判斷后只需選擇編碼即可，為避免誤操作，需提供返回及清除功能。

2.1.2? 數(shù)據(jù)分析

軟件需要實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析并可視化呈現(xiàn)，分為四部分功能：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)對(duì)生成、數(shù)對(duì)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析可視化。用戶錄入教學(xué)視頻的行為編碼后，即可實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果，包括：數(shù)對(duì)、矩陣分析表、課堂比率分析數(shù)據(jù)圖、比值信息、時(shí)間線統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.2? 架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合目前開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的優(yōu)缺點(diǎn)，選用Java語(yǔ)言作為數(shù)據(jù)分析及程序圖形界面的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，將視頻掛載在靜態(tài)HTML頁(yè)上利用HTML5的新特性及JavaScript語(yǔ)言來(lái)處理視頻，軟件的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3? 主要功能實(shí)現(xiàn)

3.1? 交互界面

交互界面的繪制由Java中的一個(gè)GUI工具包——Swing來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，交互界面大體可以分為三個(gè)區(qū)域：左上角為導(dǎo)航欄區(qū)，可跳轉(zhuǎn)至原始數(shù)據(jù)、編碼矩陣、統(tǒng)計(jì)結(jié)果和分析結(jié)果四個(gè)頁(yè)面。主界面所顯示內(nèi)容即為原始數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡的內(nèi)容。右上角藍(lán)字區(qū)域?yàn)榫幋a標(biāo)準(zhǔn)區(qū)，將ITIAS中的18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以按鈕的形式呈現(xiàn);下面表格區(qū)域?yàn)閿?shù)據(jù)采集及顯示區(qū)，用以顯示已經(jīng)采集的編碼數(shù)據(jù)。

打開(kāi)軟件后，輸入視頻時(shí)長(zhǎng)即實(shí)時(shí)生成圖2所示交互界面。視頻每3秒自動(dòng)暫停，仔細(xì)觀察后在編碼標(biāo)準(zhǔn)區(qū)進(jìn)行選擇，此時(shí)原始數(shù)據(jù)制表區(qū)與編碼數(shù)對(duì)制表區(qū)自動(dòng)生成并顯示原始數(shù)據(jù)與數(shù)對(duì)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果制表區(qū)將每一組數(shù)對(duì)的坐標(biāo)與之對(duì)應(yīng)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，最終在統(tǒng)計(jì)結(jié)果制表區(qū)匯總呈現(xiàn)。同時(shí)，分析結(jié)果通過(guò)課堂比率分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖、比值信息、時(shí)間線分析統(tǒng)計(jì)圖三種可視化行為方式呈現(xiàn)。

3.2? 數(shù)據(jù)處理功能

錄入數(shù)據(jù)后，原始數(shù)據(jù)只包含了教學(xué)采集時(shí)間點(diǎn)、教學(xué)行為及參與者這三種基本信息，必須基于數(shù)據(jù)源進(jìn)行分類(lèi)與整理，才能一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。點(diǎn)擊“編碼矩陣”選項(xiàng)卡，生成如圖3所示編碼矩陣。點(diǎn)擊“統(tǒng)計(jì)結(jié)果”選項(xiàng)卡，生成如圖4所示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。該頁(yè)面將數(shù)據(jù)以不同顏色分類(lèi)，其中紅色區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)，黃色區(qū)域?yàn)榉e極整合區(qū)，綠色文字為穩(wěn)態(tài)格。

3.3? 數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)

為了使統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)問(wèn)題的描述更加清晰直觀，軟件在ITIAS分析標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、計(jì)算和比對(duì)，在“分析結(jié)果”中加入了 “課堂比率分析圖”、“課堂比值信息圖”、“時(shí)間線分析圖”三種可視化分析圖。研究者可以通過(guò)可視化分析圖快速便捷的分析出課堂類(lèi)型及風(fēng)格，直接給出分析結(jié)果，同時(shí)只需將分析圖保存即可。

3.3.1? 課堂比率分析圖

ITIAS將課堂教學(xué)行為分為四大類(lèi)：教師語(yǔ)言、學(xué)生語(yǔ)言、沉默和技術(shù)應(yīng)用。軟件基于前期編碼數(shù)據(jù)，依據(jù)表2所示公式，計(jì)算并生成課堂比率分析數(shù)據(jù)圖，選用餅狀圖直觀的展現(xiàn)這四類(lèi)教學(xué)行為在課堂中所占百分比。其頁(yè)面呈現(xiàn)效果如圖5所示。

3.3.2? 課堂比值信息圖

3.3.3? 時(shí)間線分析圖

相比課堂比率圖和比值信息圖，時(shí)間線分析圖呈現(xiàn)的分析結(jié)果更為直觀具體，可以表達(dá)課堂教學(xué)整體效果。時(shí)間線分析法以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)，以編碼標(biāo)準(zhǔn)為縱坐標(biāo)，標(biāo)記整節(jié)課中的所有教學(xué)行為，以坐標(biāo)點(diǎn)的方式統(tǒng)計(jì)，最終以數(shù)據(jù)線的方式呈現(xiàn)，如圖7所示。

圖7中縱坐標(biāo)的上面6行代表較開(kāi)放的教學(xué)行為和間接教學(xué)風(fēng)格，教師在課堂教學(xué)中使用這些行為可以引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)表達(dá)自己的想法，體現(xiàn) “學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”的教學(xué)理念。而縱坐標(biāo)下面2行代表的教學(xué)行為剛好相反，它們屬于直接教學(xué)風(fēng)格，教師會(huì)限制學(xué)生表達(dá)自己的想法，屬于較為強(qiáng)勢(shì)的教學(xué)過(guò)程，一般代表模式為“教師講授，學(xué)生接受”。

4? 軟件測(cè)試

為了驗(yàn)證軟件的準(zhǔn)確性和可靠性，在測(cè)試和試用階段，采用了兩種驗(yàn)證方式。一是與公開(kāi)發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。在陜西師范大學(xué)馮亮的碩士學(xué)位論文《陜西省高中教師信息化教學(xué)能力個(gè)案研究》[10]中，公布了教學(xué)實(shí)錄《指數(shù)函數(shù)的圖像與性質(zhì)》一課的ITIAS系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，筆者找到該課教學(xué)視頻并利用本軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，與上述論文中的數(shù)據(jù)比對(duì)，最終結(jié)果大體一致。經(jīng)分析，由于在編碼時(shí)對(duì)于一些相近選項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)存在主觀認(rèn)識(shí)上的分歧，導(dǎo)致最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)微小差異，但總體來(lái)看分析結(jié)果整體一致。第二種驗(yàn)證方式是實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證，選取8節(jié)不同課堂實(shí)錄進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析，其分析結(jié)果與課堂中師生之間呈現(xiàn)的教學(xué)關(guān)系基本相符，能夠客觀的展示教師在課堂的教學(xué)狀態(tài)。

5? 結(jié)論

本文從教學(xué)研究的實(shí)際需要出發(fā)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一款簡(jiǎn)單易用、快捷且免費(fèi)的應(yīng)用軟件——基于ITIAS的課堂教學(xué)視頻分析軟件。該軟件可以幫助教育教學(xué)研究者和實(shí)踐者客觀的描述課堂教學(xué)行為的特征，高效準(zhǔn)確的分析其優(yōu)點(diǎn)與不足，促進(jìn)教師專(zhuān)業(yè)化發(fā)展。

目前本軟件只提供單機(jī)版本，未來(lái)可升級(jí)為Web和App版本，支持從本地或網(wǎng)絡(luò)兩種途徑上傳視頻。此外，可以增加視頻慢放功能，避免操作者在觀察視頻和標(biāo)注編碼時(shí)手忙腳亂。最后，軟件應(yīng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)將多個(gè)教學(xué)視頻進(jìn)行比對(duì)分析的功能，改變當(dāng)前分析結(jié)構(gòu)的單一化。

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