智慧課堂學(xué)生行為數(shù)據(jù)挖掘與分析

張佳莉 柯維海 龍美霖

摘? 要 通過文獻(xiàn)分析對(duì)智慧課堂學(xué)生行為進(jìn)行解讀，并探討課堂觀察系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘模型建構(gòu)等數(shù)據(jù)挖掘方法，以及討論數(shù)據(jù)分析結(jié)果在學(xué)業(yè)成就診斷、預(yù)測(cè)和措施建議等方面的應(yīng)用，進(jìn)一步凸顯智慧課堂學(xué)生行為數(shù)據(jù)背后的教育教學(xué)價(jià)值與意義。

關(guān)鍵詞 智慧課堂;學(xué)生行為;教育大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)挖掘;學(xué)習(xí)分析

中圖分類號(hào)：G635.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）09-0042-03

1 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)教育大數(shù)據(jù)的研究重點(diǎn)從理念層面轉(zhuǎn)向應(yīng)用層面，從側(cè)重宏觀分析變?yōu)榫劢褂诮膛c學(xué)微觀數(shù)據(jù)的挖掘和分析，采集粒度盡可能小的數(shù)據(jù)為因材施教、個(gè)性化成長(zhǎng)提供可用于教育發(fā)展的支持[1]。

智慧課堂是融合教育大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)打造的教與學(xué)微觀數(shù)據(jù)挖掘和分析的重要載體之一，討論智慧課堂的數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining，DM）和學(xué)習(xí)分析（Learning Analysis，LA）是教育大數(shù)據(jù)的兩大重要話題，也是回答智慧課堂關(guān)鍵問題的必然要求，如討論智慧課堂行為的描述、推斷、解釋、預(yù)測(cè)、建議等[2-3]。

智慧課堂自動(dòng)化、多源化、智能化地采集、存儲(chǔ)、分析課堂中的教師行為、學(xué)生行為和師生互動(dòng)行為等。站在教育大數(shù)據(jù)分析的角度看，學(xué)生既是數(shù)據(jù)提供者，也是數(shù)據(jù)的使用者。本文重點(diǎn)關(guān)注智慧課堂中的學(xué)生行為，對(duì)學(xué)生行為進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與學(xué)習(xí)分析方面的討論是智慧課堂微觀研究的基礎(chǔ)。

2 智慧課堂學(xué)生行為及其分類

學(xué)生是課堂的主體，促進(jìn)學(xué)生成長(zhǎng)是課堂教育教學(xué)目標(biāo)。陶行知先生說：“先生的責(zé)任不在教，而在教學(xué)生學(xué)?！比绻弧敖虝被蛑皇恰敖虒W(xué)生”，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，調(diào)動(dòng)不起學(xué)生的積極性，也不能啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考。通過智慧課堂載體，可有效挖掘原本被隱藏的教育信息，使“課堂學(xué)生行為”的含義得到擴(kuò)充。相較于黑（白）板、投影儀等傳統(tǒng)多媒體環(huán)境的課堂，智慧課堂的數(shù)據(jù)一般采用非入侵的伴隨式數(shù)據(jù)采集，學(xué)生行為數(shù)據(jù)隨著智慧課堂的開展不斷生成。一方面，智慧課堂可快速進(jìn)行學(xué)生行為的記錄與統(tǒng)計(jì)，如小組互動(dòng)次數(shù)、小組互動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、知識(shí)點(diǎn)掌握情況;另一方面，智慧課堂可挖掘原本隱藏的信息，如學(xué)生走神次數(shù)、走神人數(shù)、答題軌跡、書寫軌跡等。豐富的信息可使學(xué)生畫像更精準(zhǔn)，通過學(xué)生行為的全程記錄、數(shù)據(jù)分析、互動(dòng)和實(shí)時(shí)呈現(xiàn)等實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)設(shè)計(jì)、教授、研習(xí)、評(píng)估與輔導(dǎo)，有效提高課堂學(xué)習(xí)的效率[4]。通過平臺(tái)采集類技術(shù)、視頻錄制類技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可獲取學(xué)生的各種表現(xiàn)行為[5]。

3 學(xué)生行為數(shù)據(jù)挖掘

智慧課堂學(xué)生行為數(shù)據(jù)挖掘是綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、學(xué)習(xí)算法以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)智慧課堂學(xué)生行為大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果與學(xué)習(xí)行為之間的關(guān)系，并預(yù)測(cè)學(xué)生未來的學(xué)習(xí)結(jié)果趨勢(shì)。即學(xué)生行為數(shù)據(jù)挖掘是解決“為什么”“是什么”等描述性問題，關(guān)注行為的規(guī)律。

在學(xué)校信息化發(fā)展過程中，學(xué)生行為信息無處不在，包括基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子書包應(yīng)用、云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等獲取學(xué)生行為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)非常龐雜。為了使數(shù)據(jù)挖掘更具方向性，智慧課堂中學(xué)生學(xué)習(xí)行為的挖掘一般依托某個(gè)測(cè)評(píng)工具或建立數(shù)據(jù)挖掘與分析模型。

許多研究利用ITIAS或其他課堂觀測(cè)工具來量化課堂行為，以此挖掘智慧課堂中的學(xué)生行為[6-9]。這種數(shù)據(jù)挖掘方法可借用相關(guān)信息技術(shù)來提高數(shù)據(jù)采集與分析的效率，為教師教學(xué)反思提供支持;但這種方法對(duì)圖像抓取和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)要求較高，且較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化記錄課堂中的隱藏信息[10]。

部分學(xué)者將智慧課堂看作教師與學(xué)生之間進(jìn)行信息交換的過程，在智慧課堂教學(xué)中，將教師與學(xué)生作為參與主體，通過構(gòu)建教師—泛在信息—學(xué)生之間的“三角用戶模型”，對(duì)智慧課堂用戶之間的交互關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)描述，將行為類別分為“教師生成、讀取泛在信息”“學(xué)生生成、讀取泛在信息”“教師對(duì)學(xué)生的互動(dòng)行為”“學(xué)生對(duì)教師的互動(dòng)行為”和“學(xué)生間互動(dòng)行為”五種類型。然而，這種模型僅僅是提供數(shù)據(jù)采集的方向和數(shù)據(jù)分類方法，數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理還需要借助其他數(shù)據(jù)挖掘方法。

數(shù)據(jù)挖掘模型是綜合利用多種數(shù)據(jù)挖掘方法建立學(xué)生畫像，搜索可刻畫學(xué)生優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)、預(yù)測(cè)未來發(fā)展的數(shù)據(jù)。其中，最為經(jīng)典的是科大訊飛的做法?？拼笥嶏w針對(duì)智慧課堂的數(shù)據(jù)挖掘與分析提出“四建模三分析”研究方法，圍繞學(xué)生的內(nèi)外部特征與影響展開，對(duì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)行為進(jìn)行行為建模，對(duì)學(xué)習(xí)路徑與知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行領(lǐng)域建模，對(duì)學(xué)習(xí)過程中的客觀行為進(jìn)行組件分析[1]。其中，對(duì)行為建模和組件分析進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型和分析需求，可采用線性回歸、邏輯回歸、逐步回歸等方法;對(duì)領(lǐng)域建模進(jìn)行文本分析挖掘[1，11-13]。

無論采取哪種數(shù)據(jù)挖掘方式，其基本思路應(yīng)體現(xiàn)可用性和可得性，即緊貼學(xué)生學(xué)習(xí)影響因素、智慧課堂產(chǎn)品可獲取的學(xué)生行為數(shù)據(jù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集框架的設(shè)計(jì)。例如，挖掘可能影響學(xué)習(xí)成效的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)活動(dòng)過程與學(xué)習(xí)結(jié)果三個(gè)層面的學(xué)習(xí)行為 [14]。再如，挖掘課堂學(xué)習(xí)參與度識(shí)別器可獲得的學(xué)生面部表情等[15]。

4 學(xué)生行為數(shù)據(jù)分析結(jié)果的應(yīng)用

學(xué)習(xí)分析因其分析過程的完整性、數(shù)據(jù)來源的多樣性與廣泛性、分析結(jié)果的可視化和學(xué)習(xí)結(jié)果的可預(yù)測(cè)與可干預(yù)等特征，引起教育研究者的關(guān)注。越來越多的學(xué)習(xí)分析的理論模型與框架、學(xué)習(xí)分析工具被提出，主要涉及學(xué)習(xí)者個(gè)人、學(xué)習(xí)者群體、課程、內(nèi)容和教師等。在進(jìn)行學(xué)習(xí)分析前，需確認(rèn)分析的對(duì)象、內(nèi)容、工具和數(shù)據(jù)來源。

學(xué)生行為數(shù)據(jù)分析側(cè)重發(fā)現(xiàn)學(xué)生行為的規(guī)律，回答“如何用”的問題。智慧課堂學(xué)生行為分析是一個(gè)系統(tǒng)化的過程，通過對(duì)學(xué)生行為數(shù)據(jù)的記錄和分析，用于不斷探討智慧課堂學(xué)生行為的基本理論、學(xué)習(xí)分析工具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的可視化設(shè)計(jì)與分析、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析和基于學(xué)習(xí)活動(dòng)過程的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)與語境等內(nèi)容。即通過行為建模不斷優(yōu)化學(xué)生畫像，系統(tǒng)性、連續(xù)性地分析學(xué)生偏好，實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)診斷，預(yù)測(cè)學(xué)生發(fā)展趨勢(shì)，探求最優(yōu)學(xué)生學(xué)習(xí)行為策略[16]。

智慧課堂學(xué)生行為分析通過分析主、客觀學(xué)生行為對(duì)學(xué)業(yè)成就的影響因素，利用因子分析、相關(guān)性分析、回歸分析等方法探求影響學(xué)業(yè)成就的主要學(xué)生行為，以及不同學(xué)生群體的學(xué)習(xí)行為路徑。并通過關(guān)聯(lián)規(guī)則分析，使各項(xiàng)學(xué)業(yè)成就或綜合成果與各類學(xué)生行為實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，以此根據(jù)學(xué)習(xí)行為等數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)學(xué)業(yè)成就，并提供學(xué)習(xí)活動(dòng)策略的優(yōu)化建議等。從行為到預(yù)測(cè)再到策略建議，促進(jìn)了智慧課堂數(shù)據(jù)的生成和流動(dòng)，使教師能夠有效調(diào)整教育教學(xué)策略[14]。

另外，在智慧課堂環(huán)境下，學(xué)生與教師、與同伴、與資源、與平臺(tái)產(chǎn)生大量的互動(dòng)行為，通過社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析法、回歸分析法等分析學(xué)生互動(dòng)行為，可獲得學(xué)生的學(xué)習(xí)投入度，由此掌握學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與情感傾向狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)課堂學(xué)生正負(fù)情緒分析和及時(shí)干預(yù)等[1，17]。

學(xué)習(xí)分析研究還將繼續(xù)發(fā)展，提供更加符合學(xué)習(xí)者個(gè)性特征（而不僅僅是學(xué)習(xí)行為）的學(xué)習(xí)服務(wù)，將學(xué)習(xí)活動(dòng)過程和結(jié)果可視化，加強(qiáng)應(yīng)用自適應(yīng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)平臺(tái)的過程監(jiān)控，知識(shí)網(wǎng)絡(luò)與社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的脈絡(luò)更加清晰和廣泛，更加體現(xiàn)跨學(xué)科的研究合作。[18]。

5 結(jié)語

綜上所述，智慧課堂依托不同的技術(shù)和產(chǎn)品架構(gòu)可獲取泛在信息，通過數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析模型可為智慧課堂學(xué)生行為分析提供方向性。根據(jù)分析的需要，分析各類數(shù)據(jù)挖掘方法的利弊，構(gòu)建出符合學(xué)生畫像等分析需求的數(shù)據(jù)挖掘模型。智慧課堂學(xué)生學(xué)習(xí)分析通過分析和研究學(xué)生行為，為學(xué)生提供個(gè)性化診斷、發(fā)展預(yù)測(cè)和行為建議。智慧課堂學(xué)生學(xué)習(xí)分析中的學(xué)生畫像更全面，自適應(yīng)系統(tǒng)更完備，智慧性的特點(diǎn)更加凸顯。

另外，智慧課堂學(xué)生行為關(guān)注全過程、全方位的數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用需求，除了學(xué)生用戶的數(shù)據(jù)，還應(yīng)考量教師行為、信息技術(shù)環(huán)境等因素，通過多源數(shù)據(jù)采集、綜合建模和智能分析，如將教師與外部環(huán)境的因素納入學(xué)生學(xué)習(xí)分析中，將為智慧課堂的學(xué)習(xí)分析提供更加廣闊的延伸空間和實(shí)現(xiàn)更高的精確度，并將學(xué)習(xí)行為建議或者教學(xué)建議綜合地應(yīng)用于課前預(yù)習(xí)、探求新知、知識(shí)復(fù)習(xí)與鞏固、知識(shí)遷移等多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，以此提高教育教學(xué)的質(zhì)量，有效推進(jìn)教育教學(xué)改革。

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