成亞玲，譚愛(ài)平

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410208）

1 引言

教育資源配置公平、教育質(zhì)量提升和學(xué)生個(gè)性化發(fā)展是當(dāng)前教育面臨的三大時(shí)代難題[1]。為此國(guó)家發(fā)改委開(kāi)展了“基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)研發(fā)與應(yīng)用示范工程”計(jì)劃[2]，支持北京師范大學(xué)基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究院等38 個(gè)大數(shù)據(jù)發(fā)展重大工程項(xiàng)目。研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教與學(xué)難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理與精準(zhǔn)教學(xué)，主要體現(xiàn)在：難以獲知在線學(xué)習(xí)者的真實(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、不能科學(xué)評(píng)價(jià)教與學(xué)的實(shí)際水平、難以精確評(píng)判課程設(shè)計(jì)的有效性、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控教與學(xué)的過(guò)程、基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集片面、數(shù)據(jù)可視化展示與呈現(xiàn)水平低等方面。其中，采集與挖掘教與學(xué)的全程數(shù)據(jù)，是進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教育狀況、精確診斷教育問(wèn)題、有效評(píng)估學(xué)生發(fā)展、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)學(xué)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。現(xiàn)有研究中對(duì)于數(shù)據(jù)采集大多只停留在線上數(shù)據(jù)采集，而對(duì)線下課堂數(shù)據(jù)鮮有涉及。

互聯(lián)網(wǎng)智能時(shí)代催生了教育生態(tài)、課程形態(tài)與學(xué)習(xí)方式的深刻變革。智慧教室、智慧課堂應(yīng)運(yùn)而生。智慧課堂借助其物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備、圖像識(shí)別、視頻錄像等采集線下實(shí)體課堂教、學(xué)過(guò)程中的生物數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等多模態(tài)數(shù)據(jù)；借助學(xué)習(xí)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集工具持續(xù)采集線上教與學(xué)的全部數(shù)據(jù)。本文從線上、線下兩個(gè)維度，構(gòu)建智慧課堂數(shù)據(jù)采集分析框架，全面采集教與學(xué)全過(guò)程多模態(tài)數(shù)據(jù)，為后續(xù)對(duì)學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)建模并進(jìn)行挖掘分析，探究學(xué)習(xí)行為背后隱藏的教、學(xué)規(guī)律，為診斷改進(jìn)教學(xué)提供有效依據(jù)。

2 智慧課堂教學(xué)流程分析

智慧課堂[3]利用新一代信息技術(shù)再造傳統(tǒng)課堂教學(xué)流程，實(shí)現(xiàn)課前、課中、課后全過(guò)程高效互動(dòng)、即時(shí)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程智慧教學(xué)，最終達(dá)到學(xué)生個(gè)性化地學(xué)與教師精準(zhǔn)化地教。智慧課堂借助于新一代信息技術(shù)，促進(jìn)了教學(xué)實(shí)施過(guò)程中如資源傳送、資源呈現(xiàn)、交互方式、評(píng)價(jià)模式、反饋等方面發(fā)生了重要變化，使課堂教學(xué)流程產(chǎn)生了根本性變化。同時(shí)，在智慧課堂教與學(xué)的過(guò)程中，產(chǎn)生了多維度的海量教學(xué)行為大數(shù)據(jù)。全面采集海量教學(xué)行為數(shù)據(jù)并挖掘分析，為診斷改進(jìn)教學(xué)提供數(shù)據(jù)支撐。智慧課堂教學(xué)流程從整體上來(lái)看主要包括課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)[4]，如圖1 所示。

圖1 智慧課堂教學(xué)流程

2.1 課前階段

教學(xué)預(yù)設(shè)：教師在對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境、初始學(xué)習(xí)需求、群體學(xué)習(xí)者特征分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)。課前導(dǎo)學(xué)：教師向?qū)W習(xí)者推送適合的音視頻、文本素材等學(xué)習(xí)資料；同時(shí)下發(fā)導(dǎo)學(xué)任務(wù)單讓學(xué)習(xí)者按要求完成導(dǎo)學(xué)任務(wù)。課前測(cè)評(píng)：檢測(cè)導(dǎo)學(xué)階段學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。學(xué)情分析：教師通過(guò)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)者音視頻等學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、次數(shù)，導(dǎo)學(xué)測(cè)評(píng)等方面情況，對(duì)學(xué)習(xí)者在導(dǎo)學(xué)階段群體存在問(wèn)題、個(gè)體存在的問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，以調(diào)整教學(xué)策略、改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)下一階段的教學(xué)。

2.2 課中階段

教師首先對(duì)課前導(dǎo)學(xué)階段學(xué)習(xí)者存在的疑難困惑進(jìn)行針對(duì)性地解惑。課題導(dǎo)入：教師將本節(jié)學(xué)習(xí)任務(wù)導(dǎo)入、明確難重點(diǎn)、學(xué)習(xí)目標(biāo)及注意事項(xiàng)。探究學(xué)習(xí)：明確學(xué)習(xí)任務(wù)后，學(xué)習(xí)者以協(xié)作學(xué)習(xí)小組的形式進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題，教師予以適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)撥以提高學(xué)習(xí)效果。實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)：在課內(nèi)學(xué)習(xí)任務(wù)完成后，即時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)效果評(píng)測(cè)?？偨Y(jié)提升：在進(jìn)行學(xué)習(xí)成果展示后，教師對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)完成情況、尚存疑問(wèn)進(jìn)行總結(jié)反思。

2.3 課后階段

課后拓學(xué)：在課中學(xué)習(xí)階段的基礎(chǔ)上通過(guò)拓展項(xiàng)目訓(xùn)練提高對(duì)知識(shí)、技能的拓展應(yīng)用。資源推薦：基于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)等向?qū)W習(xí)者推送適切的個(gè)性化學(xué)習(xí)資源。精細(xì)輔導(dǎo)：對(duì)個(gè)別難點(diǎn)重點(diǎn)進(jìn)行線上/線下針對(duì)性輔導(dǎo)，以提高其學(xué)習(xí)成效。反思評(píng)價(jià)：教師、學(xué)習(xí)者反思教與學(xué)過(guò)程中存在不足需要改進(jìn)的地方，以便及時(shí)調(diào)整相應(yīng)教學(xué)策略和學(xué)習(xí)策略

3 智慧課堂數(shù)據(jù)類別與數(shù)據(jù)指標(biāo)

教學(xué)的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程，動(dòng)態(tài)生成多元的教學(xué)過(guò)程使得課堂數(shù)據(jù)的類別多、采集復(fù)雜?；谥腔壅n堂進(jìn)行教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的多維數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)全方位描述了教與學(xué)的行為和過(guò)程，為診斷并改進(jìn)教與學(xué)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在已有課堂要素[5]研究基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧課堂內(nèi)涵，將智慧課堂數(shù)據(jù)類別分為師生行為數(shù)據(jù)、情感數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、課堂管理數(shù)據(jù)。

3.1 師生行為數(shù)據(jù)

課堂教學(xué)體現(xiàn)學(xué)生的主體性、教師的主導(dǎo)性。教師是教學(xué)活動(dòng)的引導(dǎo)者與管理者，發(fā)起的某種行為能持續(xù)引起或促進(jìn)學(xué)生給予相應(yīng)。由于師生的學(xué)習(xí)行為既包含顯性學(xué)習(xí)行為（登錄、資源訪問(wèn)、檢索、交互等），同時(shí)也包含隱性學(xué)習(xí)行為（學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、信息獲取能力、學(xué)習(xí)態(tài)度、面部表情、沉思等）[6-7]。師生行為數(shù)據(jù)類別與數(shù)據(jù)指標(biāo)見(jiàn)表1 及表2 所示。

表1 線下師生行為數(shù)據(jù)類別及數(shù)據(jù)指標(biāo)

表2 線上師生行為數(shù)據(jù)類別及數(shù)據(jù)指標(biāo)

3.2 教與學(xué)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

評(píng)價(jià)是教學(xué)活動(dòng)中的基本行為，評(píng)價(jià)的目標(biāo)是為了改進(jìn)教與學(xué)[8]。評(píng)價(jià)貫穿學(xué)習(xí)全過(guò)程，評(píng)價(jià)既包含結(jié)果性評(píng)價(jià)也包含過(guò)程性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)主要包含教師評(píng)學(xué)數(shù)據(jù)、學(xué)生評(píng)教數(shù)據(jù)、生生互評(píng)數(shù)據(jù)、過(guò)程性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)與價(jià)值見(jiàn)表3 所示

表3 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)類別及數(shù)據(jù)指標(biāo)

表3 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)類別及數(shù)據(jù)指標(biāo)

3.3 師生情感數(shù)據(jù)

情感變化是影響學(xué)習(xí)效果的重要因素之一[9-10]，對(duì)教學(xué)行為起到促進(jìn)或抑制作用。智慧課堂師生情況數(shù)據(jù)主要包含教師情感、教師態(tài)度、學(xué)生情感和態(tài)度等方面。其中，師生情感數(shù)據(jù)采集中，可以通過(guò)可穿戴設(shè)備（智能手環(huán)、手表等）實(shí)時(shí)記錄師生心率、脈搏、熱量攝入等生理狀態(tài)數(shù)據(jù)；通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)技術(shù)挖掘師生文本信息潛在價(jià)值，或利用人臉識(shí)別、情感識(shí)別技術(shù)采集課堂教學(xué)活動(dòng)中師生的表情言語(yǔ)和行為數(shù)據(jù)。師生情感數(shù)據(jù)與價(jià)值見(jiàn)表4 所示。

表4 師生情感數(shù)據(jù)與價(jià)值

3.4 課堂管理數(shù)據(jù)

有效的課堂管理是順利開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的基石，課堂管理應(yīng)服務(wù)于課堂、服務(wù)于學(xué)生。課堂管理數(shù)據(jù)包含班級(jí)考勤、異常表現(xiàn)、學(xué)習(xí)進(jìn)度提醒/預(yù)警提醒等類型數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5 所示。

表5 課堂管理數(shù)據(jù)及價(jià)值

4 智慧課堂數(shù)據(jù)采集分析框架設(shè)計(jì)

智慧課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)既包括移動(dòng)終端的線上活動(dòng)，也包括應(yīng)用多種教學(xué)模式的線下活動(dòng)，數(shù)據(jù)隨著教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展而不斷生成。同時(shí)，由于學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)平臺(tái)和學(xué)習(xí)模式的不同，動(dòng)態(tài)生成大量的多元多模態(tài)數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)的采集更加復(fù)雜。本研究在行為科學(xué)、系統(tǒng)論及學(xué)習(xí)分析理論指導(dǎo)下，結(jié)合智慧課堂特點(diǎn)，從“課前導(dǎo)學(xué)、課中研學(xué)、課后拓學(xué)”[11]等環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位采集，智慧課堂數(shù)據(jù)采集分析框架見(jiàn)圖2 所示。

圖2 智慧課堂數(shù)據(jù)采集分析框架

課前導(dǎo)學(xué)階段數(shù)據(jù)采集與分析：教師基于線上學(xué)習(xí)平臺(tái)采集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)軌跡數(shù)據(jù)、導(dǎo)學(xué)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)、導(dǎo)學(xué)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)以及學(xué)籍成績(jī)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、學(xué)習(xí)分析等技術(shù)，分析學(xué)習(xí)者的共性與特性；通過(guò)分析學(xué)習(xí)者個(gè)體的已學(xué)讓知識(shí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)狀態(tài)及導(dǎo)學(xué)學(xué)習(xí)情況，得到學(xué)情分析報(bào)告。根據(jù)學(xué)情分析報(bào)告，教師可以精準(zhǔn)地識(shí)別學(xué)習(xí)者的認(rèn)識(shí)水平、學(xué)習(xí)興趣、預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)潛在問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，并調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)和策略；讓學(xué)生客觀認(rèn)識(shí)自己、調(diào)整學(xué)習(xí)策略，促進(jìn)有效地教與學(xué)。

課中研學(xué)階段數(shù)據(jù)采集與分析：通過(guò)智慧教室物聯(lián)感知、視頻錄制、圖像識(shí)別等技術(shù)采集線下課堂多模態(tài)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)；通過(guò)學(xué)習(xí)平臺(tái)工具采集學(xué)習(xí)者信息的檢索、溝通協(xié)作、交互、實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)等數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、去噪、轉(zhuǎn)換、缺失處理等預(yù)處理后，應(yīng)用聚類分析、關(guān)聯(lián)分析、序列分析等技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘。如，應(yīng)用關(guān)聯(lián)規(guī)則技術(shù)挖掘?qū)W習(xí)者個(gè)性特征、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)資源三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，為學(xué)習(xí)者推薦個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源；應(yīng)用序列分析技術(shù)挖掘出學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的規(guī)律、意愿，根據(jù)其個(gè)體特性推薦合適的學(xué)習(xí)路徑，促使教師中更加精準(zhǔn)地教、學(xué)習(xí)者更加個(gè)性化地學(xué)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在分析智慧課堂教學(xué)流程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧課堂特點(diǎn)及教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)的多樣性、大體量等特性，構(gòu)建了智慧課堂數(shù)據(jù)采集分析框架模型，旨在全面持續(xù)采集教與學(xué)過(guò)程中的全息數(shù)據(jù)，為后續(xù)診斷改進(jìn)教與學(xué)提高有效數(shù)據(jù)支撐。下一階段，我們將根據(jù)數(shù)據(jù)采集分析框架，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用實(shí)踐并不斷完善，以改進(jìn)教與學(xué)的過(guò)程、提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成效。