魏運(yùn)根 吳永豪 廣東省深圳市光明區(qū)外國(guó)語(yǔ)學(xué)校

課堂教學(xué)分析是指依據(jù)一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程（師生行為、教學(xué)策略和工具）進(jìn)行分析和評(píng)判，根據(jù)課堂教學(xué)過(guò)程的一般原則、教學(xué)目的和要求、學(xué)科性質(zhì)等研究教學(xué)活動(dòng)，為未來(lái)改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提供依據(jù)和判斷。課堂教學(xué)行為分析的主要對(duì)象是教師和學(xué)生行為，以及教師采用的教學(xué)策略和教學(xué)工具。Python是一門(mén)入門(mén)簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大的編程語(yǔ)言，具有眾多功能豐富的第三方庫(kù)，被應(yīng)用于人工智能、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)等方面。下面，筆者用Python語(yǔ)言分析小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)行為的一般過(guò)程，并以《學(xué)會(huì)打字》一課為示范案例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

● 研究現(xiàn)狀

筆者通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)檢索發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)基于Python語(yǔ)言分析課堂教學(xué)行為的研究逐漸增多，主要集中在開(kāi)發(fā)基于Python語(yǔ)言的教學(xué)工具和使用Python語(yǔ)言分析教學(xué)行為方面。

基于Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的教學(xué)工具被運(yùn)用在不同學(xué)科的教學(xué)上，得到了一線教師的青睞。在英語(yǔ)教學(xué)中，李俊飛使用Python NLTK工具包輔助教學(xué)，NLTK是一個(gè)內(nèi)置各類(lèi)文體的文本資料的海量語(yǔ)料庫(kù)，在詞匯短語(yǔ)和句法語(yǔ)篇等教學(xué)方面提供了重大幫助。在分析物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面，李震春借助雨課堂在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的擴(kuò)展功能，開(kāi)發(fā)了基于Python的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測(cè)分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在的問(wèn)題，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)給出客觀的評(píng)定，提高了教師指導(dǎo)效率及教學(xué)質(zhì)量。劉婷等人基于Python和Django框架設(shè)計(jì)了一個(gè)具備數(shù)據(jù)分析、案例交流等功能的可視化數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，師生可以快速、清晰地獲得可視化分析結(jié)果。

使用Python語(yǔ)言分析教學(xué)行為的研究主要涉及常規(guī)教學(xué)、教學(xué)模式、學(xué)情診斷等方面。在常規(guī)教學(xué)中，侯巖利用Python分析教學(xué)過(guò)程中師生行為，繪制了S-T圖、Rt-Ch圖，計(jì)算得出本節(jié)課的教學(xué)模式，為提高課堂教學(xué)效率和促進(jìn)教師自我發(fā)展提供了可行依據(jù)。在新冠疫情背景下，梁偉利用Python的大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)在線教學(xué)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析，為優(yōu)化線上教學(xué)模式提供了改進(jìn)方向。在成績(jī)分析方面，有研究者使用Python語(yǔ)言對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行了若干分析，可視化呈現(xiàn)各個(gè)班總分分?jǐn)?shù)段人數(shù)占比、各班分?jǐn)?shù)橫向?qū)Ρ?、學(xué)生各學(xué)科的縱向成績(jī)比較以及科目與總分之間的關(guān)系等情況，為教師提高教學(xué)質(zhì)量提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

● 基于Python語(yǔ)言的研究流程

在信息技術(shù)課堂教學(xué)中，使用Python語(yǔ)言研究教學(xué)行為的一般流程為：①確定研究主題和研究特征。從大方向確定研究主題，通過(guò)查找文獻(xiàn)、分析研究主題篩選研究特征，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析主題與特征之間的關(guān)系。②確定技術(shù)路線。通過(guò)分析研究主題和特征，確定與其匹配的Python語(yǔ)言第三方庫(kù)，熟練掌握第三方庫(kù)的使用方法，制訂技術(shù)路線。③制訂實(shí)驗(yàn)方案。分析教材和學(xué)情，根據(jù)研究主題與研究特征可能存在的關(guān)聯(lián)性制訂實(shí)驗(yàn)方案。④實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案。在科學(xué)、客觀的情況下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，編寫(xiě)、運(yùn)行Python程序，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論。

● 分析《學(xué)會(huì)打字》的教學(xué)行為

1.確定研究主題和研究特征

廣東省小學(xué)信息技術(shù)B版第一冊(cè)下的“學(xué)會(huì)打字”主題從認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的應(yīng)用與布局開(kāi)始，了解使用鍵盤(pán)的基本規(guī)范，掌握英文打字指法與擊鍵要領(lǐng)，借助金山打字軟件進(jìn)行針對(duì)性的指法練習(xí)。在信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)辦公與學(xué)習(xí)已是大勢(shì)所趨，而打字是學(xué)生使用計(jì)算機(jī)了解外界信息的基礎(chǔ)技能。所以，筆者選擇“學(xué)會(huì)打字”作為研究教材，將提高學(xué)生打字水平作為研究主題。

筆者通過(guò)檢索中國(guó)知網(wǎng)文獻(xiàn)和總結(jié)日常教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)提高學(xué)生重視程度、采用游戲式教學(xué)和鼓勵(lì)式教學(xué)等方法能提高學(xué)生打字水平。同時(shí)，周旺純提出要注重課程導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)各種情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。盡管老師們提出了許多教學(xué)方法，但仍然存在一些需要解決的問(wèn)題，如低年段學(xué)生專注力較差，如何處理一節(jié)課中練習(xí)時(shí)長(zhǎng)與教學(xué)效果間的關(guān)系、如何提高練習(xí)速度和練習(xí)準(zhǔn)確率等。因此，根據(jù)學(xué)生專注力、課堂時(shí)間、學(xué)生能力，設(shè)置合適的練習(xí)時(shí)長(zhǎng)有利于提高練習(xí)質(zhì)量，保持學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。最終，筆者把打字練習(xí)時(shí)長(zhǎng)、練習(xí)準(zhǔn)確率、練習(xí)速度作為研究特征。

2.Python技術(shù)路線

為了確定打字練習(xí)時(shí)長(zhǎng)、練習(xí)準(zhǔn)確率、練習(xí)速度三個(gè)特征之間的關(guān)系，筆者采用最小二乘多項(xiàng)式函數(shù)擬合其特征，用Matplotlib庫(kù)繪制三個(gè)特征之間的可視化圖表。

（1）最小二乘多項(xiàng)式庫(kù)

最小二乘多項(xiàng)式（Least Squares Polynomial Fit）庫(kù)是基于最小二乘法（Least Square Method，LSM）構(gòu)建而成的，用于擬合一組數(shù)據(jù)間規(guī)律（曲線）。最小二乘法通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最優(yōu)函數(shù)匹配。假設(shè)給定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)Hi(X,Y)，其中i=1,2,…,m,H來(lái)源于多項(xiàng)式

的多次采樣，針對(duì)樣本數(shù)據(jù)集H內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差平方和為：

進(jìn)而取得近似曲線Y=φ(X),近似曲線φ(X)與Y=F(X)的偏差最小，本實(shí)驗(yàn)粗略求得數(shù)據(jù)間的線性關(guān)系。

（2）Matplotlib庫(kù)

Matplotlib是Python的一個(gè)2D繪圖庫(kù)，主要用于生成繪圖，如直方圖、錯(cuò)誤圖、散點(diǎn)圖等，它以各種硬拷貝格式和跨平臺(tái)的交互式環(huán)境生成高質(zhì)量圖形。Matplotlib基于Python語(yǔ)言，不僅具有不亞于Matlab的作圖能力，還具有勝于Matlab的編程能力。筆者借助Matplotlib利用Numpy和Xlrd庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和關(guān)系擬合，繪制練習(xí)時(shí)長(zhǎng)與練習(xí)準(zhǔn)確率、練習(xí)速度之間的關(guān)系圖，為發(fā)現(xiàn)特征之間的規(guī)律提供依據(jù)。

3.探究打字練習(xí)時(shí)長(zhǎng)對(duì)打字效果的影響的實(shí)驗(yàn)方案

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

學(xué)生在不同年齡段的專注力是不一樣的，研究表明7～10歲兒童的連續(xù)集中注意力時(shí)長(zhǎng)不足20分鐘，在注意力集中的階段完成打字練習(xí)，效果是最佳的。筆者在所在學(xué)校信息技術(shù)課中展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，探究練習(xí)時(shí)長(zhǎng)與打字效果的最優(yōu)解。文字輸入實(shí)驗(yàn)的練習(xí)內(nèi)容主要是“英文打字”，共11個(gè)鍵位課程，其內(nèi)容如表1所示。

表1

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

步驟一：分組進(jìn)行練習(xí)，不同組設(shè)置不同練習(xí)時(shí)長(zhǎng)，練習(xí)時(shí)長(zhǎng)為12～20分鐘，每節(jié)課練習(xí)1～2課內(nèi)容，練習(xí)周期為10周，實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為兩學(xué)年。

步驟二：在打字練習(xí)結(jié)束后，將“金山打字通2010”中的練習(xí)成績(jī)（如圖1）記錄在成長(zhǎng)記錄表中（如表2），實(shí)驗(yàn)中收集了277名學(xué)生10個(gè)課程的練習(xí)數(shù)據(jù)。

圖1

表2

步驟三：剔除異常數(shù)據(jù)，編寫(xiě)、運(yùn)行Python程序，擬合出練習(xí)時(shí)長(zhǎng)、準(zhǔn)確率、練習(xí)速度之間的函數(shù)關(guān)系，制圖并進(jìn)行分析。

4.實(shí)施探究打字練習(xí)時(shí)長(zhǎng)對(duì)打字效果的影響的實(shí)驗(yàn)方案

（1）實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在筆者所在學(xué)校三年級(jí)展開(kāi)，選取人數(shù)、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、班風(fēng)學(xué)風(fēng)均相近的班級(jí)作為教學(xué)班級(jí)，嚴(yán)格按照既定教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)。班里以小組為單位，組內(nèi)練習(xí)時(shí)間相等，由組長(zhǎng)記錄每個(gè)學(xué)生的練習(xí)數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)分兩輪，每輪10周。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，筆者剔除了異常數(shù)據(jù)，然后采用Xlrd庫(kù)讀取Excel表格中已過(guò)濾的數(shù)據(jù)，分別將練習(xí)時(shí)長(zhǎng)、練習(xí)準(zhǔn)確率、練習(xí)速度賦予變量x、y、z，代碼如圖2所示。

圖2

使用Numpy庫(kù)中的polyfit函數(shù)擬合練習(xí)時(shí)長(zhǎng)與練習(xí)速度、練習(xí)速度與練習(xí)準(zhǔn)確率之間的關(guān)系，代碼如圖3所示。

圖3

最后使用matplotlib庫(kù)中的pyplot函數(shù)繪制練習(xí)時(shí)長(zhǎng)、練習(xí)速度和練習(xí)準(zhǔn)確率之間的散點(diǎn)圖和直線圖，代碼如下頁(yè)圖4所示。

圖4

（2）實(shí)驗(yàn)分析

首先，分析同一課程中練習(xí)時(shí)長(zhǎng)、練習(xí)速度與準(zhǔn)確率的關(guān)系。基于Python語(yǔ)言，筆者將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘多項(xiàng)式庫(kù)擬合出練習(xí)時(shí)長(zhǎng)與準(zhǔn)確率、練習(xí)速度與準(zhǔn)確率之間的關(guān)系，用Matplotlib庫(kù)作圖。筆者以學(xué)生課程4GH的練習(xí)數(shù)據(jù)為例，繪制了練習(xí)時(shí)長(zhǎng)與準(zhǔn)確率的散點(diǎn)圖，如下頁(yè)圖5（a）中黑點(diǎn)。采用Matplotlib庫(kù)中polyfit函數(shù)來(lái)擬合出練習(xí)時(shí)長(zhǎng)與準(zhǔn)確率之間的關(guān)系，如圖5（a）中的直線。筆者發(fā)現(xiàn)，練習(xí)時(shí)長(zhǎng)和準(zhǔn)確率呈正相關(guān)，隨著練習(xí)時(shí)長(zhǎng)的增加，打字準(zhǔn)確率也在增加。在時(shí)間充裕的情況下，學(xué)生練習(xí)心態(tài)良好，而且適當(dāng)增加打字練習(xí)時(shí)長(zhǎng)可以提高學(xué)生的打字水平。

用同樣的方法繪制打字速度與準(zhǔn)確率的散點(diǎn)圖和關(guān)系，如圖5（b）所示，其中黑點(diǎn)表示散點(diǎn)圖，虛線表示速度與準(zhǔn)確率的函數(shù)關(guān)系。筆者發(fā)現(xiàn)打字速度與準(zhǔn)確率呈負(fù)相關(guān)，隨著打字速度的增加，準(zhǔn)確率緩慢下降，說(shuō)明在練習(xí)過(guò)程中如果過(guò)于追求打字速度，則不利于打字水平的提高，因此，在打字練習(xí)初期，教師要時(shí)刻端正學(xué)生的打字態(tài)度，注重打字練習(xí)的質(zhì)量和準(zhǔn)確率。筆者將時(shí)間與準(zhǔn)確率函數(shù)和速度與準(zhǔn)確率函數(shù)重合，如圖5（c）所示，兩個(gè)函數(shù)存在相交點(diǎn)，其x軸為20.09分鐘，表明練習(xí)時(shí)長(zhǎng)、速度與準(zhǔn)確率的最優(yōu)解為20.09分鐘左右。同樣，筆者研究了其他打字課程的最優(yōu)解，發(fā)現(xiàn)練習(xí)時(shí)長(zhǎng)在15.87～20.35分鐘時(shí)準(zhǔn)確率較高（結(jié)合三年級(jí)學(xué)生注意力集中時(shí)間不超過(guò)20分鐘），建議練習(xí)時(shí)長(zhǎng)為16～19分鐘。

圖5

其次，筆者比較了不同課程的平均準(zhǔn)確率，如上頁(yè)表3所示。第一次練習(xí)的課程是ASDF，平均準(zhǔn)確率為90.86%，后面依次練習(xí)的課程是EI、PQZ、GH，平均準(zhǔn)確率分別為90.98%、91.01%、92.93%，隨著練習(xí)課程的增加，準(zhǔn)確率也在逐漸增加，這說(shuō)明可以通過(guò)增加練習(xí)次數(shù)來(lái)提高打字準(zhǔn)確率。此外，筆者還比較了平均速度，發(fā)現(xiàn)隨著練習(xí)次數(shù)的增加，平均速度也在緩慢提高。因此，在“學(xué)會(huì)打字”主題教學(xué)中，教師應(yīng)該增加學(xué)生練習(xí)時(shí)長(zhǎng)和次數(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生在家每周保持1次打字練習(xí)，以提高打字水平。

表3

（3）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果

為了驗(yàn)證練習(xí)時(shí)長(zhǎng)的有效性，筆者挑選了學(xué)情、基礎(chǔ)、人數(shù)都基本一致的兩個(gè)平行班進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)班練習(xí)時(shí)長(zhǎng)為16分鐘，對(duì)照班級(jí)不固定練習(xí)時(shí)長(zhǎng)，其他教學(xué)內(nèi)容均一致。通過(guò)10周的教學(xué)檢驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生打字準(zhǔn)確率和速度都優(yōu)于對(duì)照班（如圖6）。

圖6

● 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Python語(yǔ)言分析了課堂教學(xué)行為，以“學(xué)會(huì)打字”項(xiàng)目為例，利用Numpy庫(kù)和Matplotlib庫(kù)探究了不同練習(xí)時(shí)長(zhǎng)對(duì)掌握打字技巧的影響，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)練習(xí)時(shí)長(zhǎng)在16～19分鐘之間時(shí)，三年段學(xué)生練習(xí)打字效果較佳，學(xué)習(xí)興趣濃厚，此外，增加練習(xí)次數(shù)也能提高練習(xí)效果。因此，在教學(xué)中，教師要時(shí)刻端正學(xué)生的打字態(tài)度，提醒學(xué)生注重打字練習(xí)的質(zhì)量和準(zhǔn)確率。在未來(lái)的教學(xué)中，筆者將繼續(xù)研究學(xué)生的有效練習(xí)時(shí)長(zhǎng)以及如何在有效練習(xí)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)盡可能提高練習(xí)效果，研究文章提出的方法在高年段教學(xué)的效果。