張聚 廣東省深圳市龍華區(qū)第三實驗學校

孫瀟楠 華南師范大學中山附屬中學

● 引言

《中國教育現(xiàn)代化2035》《教育信息化2.0行動計劃》中強調(diào)義務教育階段需要深化信息技術(shù)與教育教學的融合發(fā)展，推動信息技術(shù)在教學中深入、廣泛應用，這就要求教學過程中的教學手段和教學方法要適應新的教學環(huán)境?；ヂ?lián)網(wǎng)與云端技術(shù)的發(fā)展，提升了在線教育平臺的易用性和穩(wěn)定性，加速了在線教育的發(fā)展。新冠肺炎疫情的暴發(fā)再次推動在線教育的普及與應用。在線教育在迅速擴張的同時，也暴露出了諸多問題，其中，如何及時掌握學生的學情信息變得尤其重要。

本研究通過梳理數(shù)據(jù)可視化在教學過程中的相關(guān)研究，從數(shù)據(jù)賦能學情分析的角度出發(fā)，采用數(shù)據(jù)分析與可視化技術(shù)，基于在線課堂后臺數(shù)據(jù)，從廣度和深度上挖掘隱藏在數(shù)據(jù)背后的信息，刻畫學生學習情況，達到學情可量化、學情可視化，助力教師精確診斷學情。

● 相關(guān)研究

數(shù)據(jù)可視化，是關(guān)于數(shù)據(jù)視覺表現(xiàn)形式的科學技術(shù)研究。劉歡等提出數(shù)據(jù)可視化具有直觀展示數(shù)據(jù)、增強理解數(shù)據(jù)、輔助探索數(shù)據(jù)的應用價值。劉迎春等通過對學生考試數(shù)據(jù)的分析，構(gòu)建學生學習數(shù)據(jù)可視化反饋模式，提高了數(shù)據(jù)的可解釋性。郭世豪使用FineReport工具制作了50種類型的數(shù)據(jù)圖表，用于展示智慧課堂統(tǒng)計數(shù)據(jù)。張雷借助visdom工具和Python機器學習庫，實現(xiàn)學生成績的可視化。針對學生的可獲取數(shù)據(jù)維度越來越豐富，近期的研究嘗試引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實現(xiàn)多維度刻畫學生畫像，從而進行精準教學。翟鳴宇等人采用K-protype聚類的方法，針對高效教育大數(shù)據(jù)，構(gòu)建學生群體畫像。劉思宇和那達林構(gòu)建學生數(shù)據(jù)獲取流程，采用K-means聚類方法，分析首都醫(yī)科大學19級學生的U校園學習數(shù)據(jù)，刻畫學生畫像。秦爭妍對教學系統(tǒng)中的學生行為進行數(shù)據(jù)分析，依據(jù)數(shù)據(jù)的時變性，建立學生動態(tài)畫像。

學情分析，是指教師對學生學習情況的分析，在新課程改革下，學情分析逐漸走入教育教學實踐。學情數(shù)據(jù)是在課堂實踐中產(chǎn)生的，其來源主要分為行為數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。行為數(shù)據(jù)是學生參與教學活動的數(shù)據(jù)，如學習時長、答題次數(shù)等；結(jié)果數(shù)據(jù)是學生階段性取得的成果，如作業(yè)正確率、答題正確率等?，F(xiàn)有研究探索了學情的不同方面，張維霞提出了分層學習、趣味課堂、預習和遙控管策略。黃香花和高忠信探索針對性的練習講評，提升學生興趣，夯實知識點掌握度。趙煜等人基于學生為中心，構(gòu)建混合式教學模式，提升學生核心素養(yǎng)。潘華萍關(guān)注學生個體間的差異，以案例分析的方式提出有效的教學過程，彌補差異提升教學有效性。劉煒和張林通過課程學習平臺數(shù)據(jù)構(gòu)建評價體系對學生學習效果進行評價。

● 數(shù)據(jù)來源與介紹

本文數(shù)據(jù)來自小學三年級數(shù)學在線教學過程。直播教學采用的平臺為Classin，作業(yè)收集與統(tǒng)計來自微信小程序班級小管家。通過對兩個平臺導出的數(shù)據(jù)進行歸類，將采集到的數(shù)據(jù)來源時段分為課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)（如下表）。

收集的學生在線學習數(shù)據(jù)可進一步劃分為考勤、參與度和效果評測。課堂考勤，課前在平臺的花名冊中可以快速看到出勤和遲到名單，課后可在平臺中導出每位學生具體的考勤情況和在線時長課堂數(shù)據(jù)。學習參與度包含課堂中獎杯發(fā)放、每位學生具體的舉手次數(shù)、搶答次數(shù)、發(fā)言時長、攝像頭開放時長等，課后通過具體的數(shù)據(jù)對學生的學習參與度進行量化。

來源時段 數(shù)據(jù)具體情況課前 在線人數(shù)統(tǒng)計課中答題情況統(tǒng)計獎杯排行榜課后在線時長統(tǒng)計舉手次數(shù)、攝像頭打開時長等作業(yè)情況統(tǒng)計

學習效果評測數(shù)據(jù)包括課堂中答題器的使用，通過發(fā)布、收集學生答案、獲取全班的正確率，從而了解在規(guī)定時間內(nèi)提交答案的人數(shù)和正確率（此數(shù)據(jù)在課后可導出）；課后作業(yè)的完成情況在微信小程序班級小管家中進行統(tǒng)計與發(fā)布。

● 可視化設計

可視化界面采用Python3.7開發(fā)環(huán)境，使用streamlit庫編寫數(shù)據(jù)可視化界面腳本，完成數(shù)據(jù)文件上傳、文件自動解析、時間序列可視化和對比可視化。其中，時間序列可視化是指可以篩選學生在多節(jié)課中不同維度學情數(shù)據(jù)的可視化。通過時間序列數(shù)據(jù)可視化，實現(xiàn)學情精準追蹤，挖掘?qū)W生狀態(tài)的時變性。對比可視化是指可以篩選不同學生在不同維度的學情數(shù)據(jù)比較。通過對比可視化，挖掘?qū)W生間學情差異。此外，對于課堂表現(xiàn)數(shù)據(jù)采用K-means聚類方法，實現(xiàn)學生課堂表現(xiàn)的粗略分類統(tǒng)計，可視化頁面數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1

針對多維度特征可視化設計，筆者采用特征集成的方式來刻畫學生，拋棄了離散化的數(shù)據(jù)可視化方式，避免了單一特征可視化的孤立感，豐富了學生的數(shù)據(jù)維度，使可視化結(jié)果變得更加豐滿，如圖2所示是數(shù)據(jù)整合可視化策略示意圖。

圖2

● 結(jié)果展示

1.數(shù)據(jù)上傳

在數(shù)據(jù)可視化前端頁面運行之后，點擊“Browse files”按鈕搜索整合后的在線教學數(shù)據(jù)文件，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和加載過程。在數(shù)據(jù)加載完成之后，通過顯示數(shù)據(jù)文件的前5行數(shù)據(jù)來校對文件，如圖3所示是上傳數(shù)據(jù)后可視化頁面展示結(jié)果。

圖3

2.數(shù)據(jù)對比

對比數(shù)據(jù)可視化可以顯示出某一節(jié)課部分學生在某些維度中的具體比較，筆者以第4節(jié)課的8、25、38三位學生為例進行詳細說明。以實際上課時長和攝像頭打開時長進行比較，圖4中橫坐標表示8、25、38三位學生，縱坐標表示具體的數(shù)值，可以看出，在實際上課時長相似的情況下，25號學生攝像頭打開時長明顯低于另外兩名學生（不打開攝像頭不易及時觀察學生注意力是否集中），因此，教師可在課后與學生進行深度溝通，了解其不愿打開攝像頭的原因，認真傾聽其情感需求，在有困難時給予適當?shù)膸头觥?/p>

圖4

從篩選舉手次數(shù)、搶答次數(shù)、發(fā)言時長和獲得獎杯數(shù)四個特征得到的圖5來看，8號學生在課堂上的表現(xiàn)較為積極，說明其積極參與課堂活動，學習積極性較高；38號學生較8號學生而言，在搶答、發(fā)言時長、獲得獎杯數(shù)方面稍微少了一些，后期應加大表揚力度，鼓勵其更加積極地參與課堂互動，同時也應該反思此節(jié)課預設的教學活動設計是否能成功激發(fā)學生積極參與的熱情；25號學生在此節(jié)課中表現(xiàn)情況不太理想，僅僅搶答了一次，參與課堂互動的積極性較低，教師應該在課后了解學生不愿意積極參加互動的原因，同時根據(jù)學生的差異性，設計分層、有梯度的問題，使學生體會到答對問題、積極參與課堂互動的滿足感。

圖5

篩選出課堂答題正確率和作業(yè)情況統(tǒng)計后得到的數(shù)據(jù)如圖6所示，課堂答題正確率是根據(jù)課堂練習統(tǒng)計得出的，此堂課設置了4道選擇題，要求學生在規(guī)定的時間內(nèi)作答，并根據(jù)結(jié)果統(tǒng)計出正確率。答對4道正確率為100%，答對3道正確率為75%，即0.75，以此類推。作業(yè)情況統(tǒng)計為對當天提交的作業(yè)情況進行統(tǒng)計記錄，分為優(yōu)、良、中三個等級，其中優(yōu)為1，良為0.67，以此類推?？梢钥闯?，25號學生并未參加課堂的答題，課后作業(yè)的完成情況較其他兩名學生也不理想，教師需要在課后了解其未參加課堂答題的原因。8號學生和38號學生整體表現(xiàn)差距不大，但8號學生的課堂答題存在錯誤，可以根據(jù)具體題目判斷其是否在本節(jié)課的學習重難點上存在障礙，并增加類似的題目進行鞏固。

圖6

3.時序數(shù)據(jù)顯示

時間序列可視化可以顯示出某位學生在連續(xù)的課節(jié)中某一個特征或多個特征的變化，以17號學生在連續(xù)5節(jié)課的變化為例（如圖7），篩選出舉手次數(shù)、搶答次數(shù)等特征。隨著時間的推移，17號學生在線上學習的表現(xiàn)有所進步，每個特征變量都有所增加。搶答和舉手及獲得的獎杯數(shù)增長較為明顯，可以推斷出此學生逐漸適應了線上教學的授課模式，學習的積極性逐漸增強。其作業(yè)完成情況進步幅度較小，教師可以對學生作業(yè)進行細致分析，同時給予有效反饋。

圖7

4.數(shù)據(jù)分類

可視化界面可以實現(xiàn)對某一節(jié)課學生的分類，以第一節(jié)課為例，選擇類別數(shù)為3，可以將50名學生分成三類，如圖8所示。圖中橫坐標與縱坐標沒有實際的含義，圖中的三個粉色五角星表示三類的中心點，綠色為一類，紅色為一類，藍色為一類；1～49號表示此班49名學生。可以看出，綠色與紅色兩類的邊界較為明顯，而藍色和紅色的邊界模糊，說明此兩類中臨界學生較多，如20、33、44號三位學生。結(jié)合此三位學生的具體表現(xiàn)來看，這三位學生在各維度的表現(xiàn)差距較大，不是很穩(wěn)定。例如，20號學生在課堂表現(xiàn)方面十分積極，但在作業(yè)完成情況方面卻不盡如人意。33號學生課堂很少舉手搶答問題，但是在課堂答題和作業(yè)完成情況方面都較為優(yōu)異。此類學生教師應該針對性地進行幫扶，促進其多維度均衡發(fā)展。

圖8

● 總結(jié)

本文通過設計在線課堂數(shù)據(jù)可視化界面，整合多維特征刻畫學生，助力教師分析學情。在線上教學中，每位教師都應該具備數(shù)據(jù)意識，掌握在線平臺學習數(shù)據(jù)的獲取與分析方法，意識到數(shù)據(jù)對日常教學的促進作用，將學生的課堂表現(xiàn)、作業(yè)和測評的完成情況作為評判學生的具體數(shù)據(jù)來源，實現(xiàn)對學生學習情況的精準分析，及時調(diào)整后續(xù)教學。