学习分析支持下的课堂互动工具设计与实现

刘清堂 冯小妹 翟慧清 劳传媛



学习分析支持下的课堂互动工具设计与实现

刘清堂 冯小妹[通讯作者]翟慧清 劳传媛

（华中师范大学 教育信息技术学院，湖北武汉 430000）

智慧课堂中课堂互动工具对教学具有重要作用。针对现有课堂互动工具存在的操作复杂、互动主权偏颇以及互动行为缺乏管理和分析等问题，文章研究了课堂教学互动理论，设计并实现了一个学习分析支持下的课堂互动工具。该工具实现了课堂分组、响应答题、头脑风暴、汇报展示、投票助手以及课堂检测等六种互动功能，同时提供实时分析功能。最后，文章将工具试用于实际课堂，测试结果表明预期功能全部实现，教师能够利用该工具完成课堂互动；同时，教师能够获取课堂互动行为数据，实时观察学习者的互动情况，这对于提高课堂互动效率具有重要指导作用。

课堂互动；学习分析；微信；互动行为

引言

互联网技术推动了高等教育信息化的深入发展。数字化校园作为教育信息化的呈现形式不断被推进，且取得一定成效。然而，随着社会信息化进程的加速，教与学的方式发生了巨大变革，建设智慧校园成为教育深度信息化的新目标[1]。智慧校园通过互联网技术实现资源共享，培养学生的创新能力，提供个性化的教与学服务。智慧课堂是智慧校园的重要组成部分，为师生提供即时交流的智能学习环境。利用数据挖掘技术对学生行为数据进行分析，了解学生特征和学习情况，提高学习效率，是实现智慧教学的有效方式。教学过程是师生主体间的互动学习过程，没有互动就没有教学[2]，积极的课堂互动对于有效教学具有重要意义。智慧课堂对课堂互动提出了更深层次的要求，以学生为主体的有效互动应该逐渐取代教师控制的机械型互动。分析当前大学课堂互动现状，研究者发现存在的问题包括：①互动类型单一[3]；②互动主动权偏颇[4]，师生互动类型指向“控制—服从”型[5]；③互动深度不够[6]；④互动频率低、缺乏评价和管理[7]。

针对以上问题，本研究设计并实现了一个实时课堂互动工具。该工具提供抢答、抽答、测试、讨论、投票、分组、汇报等多种互动形式，来促进多种主体间的互动；同时，融入了学习分析元素，将学生互动行为数据化，便于教师实时观察学生的互动情况，及时调整教学状态。

一 课堂互动的相关研究

1 课堂教学互动理论

国内外关于课堂互动行为的研究始于20世纪70年代，且一直在不断发展。许多学者从不同角度提出了课堂互动类型的分类，并设计了互动行为分类体系。如Reigeluth等[8]依据互动媒介，将课堂中人与人的互动划分为师生互动、生生互动，将人与物的互动划分为师生与工具、师生与信息以及师生与环境之间的信息传递。吴康宁[9]根据教师行为对象，将课堂互动划分为师个互动、师班互动和师组互动。Flanders[10]提出了一种结构性的、定量的课堂言语行为分析技术（Flanders Interaction Analysis System，FIAS），他将课堂言语互动行为分为教师言语行为、学生言语行为、沉默或混乱状态三大类、十种行为。顾小清等[11]在FIAS的基础上进行改进，提出了基于信息技术的互动分析系统（Information Technology-based Interaction Analysis System，ITIAS），将教师提问细化为封闭式提问和开放式提问，并添加了学生语言和技术的行为类别。穆肃等[12]从教学活动的视角分析了信息化教学环境中的课堂教学行为，将课堂教学分为教师活动、学生活动和无意义教学活动等三大类、十四种行为。

基于以上理论，本研究将抢答、抽答、测试、讨论、投票、分组、汇报等七种互动形式融于互动工具中，以解决当前课堂存在的互动类型单一、互动主权偏颇、互动深度不够等问题。

2 课堂互动工具的相关研究

随着教育信息化的迅速发展，信息化工具的应用逐渐延伸至课堂教学。常用的课堂互动工具有学乐云、雨课堂、Kahoot！、UMU互动平台等。不同的互动工具有不同特点：①实现资源共享和资源互动，如学乐云、雨课堂——学乐云是网络环境下的新型教育技术工具[13]，通过大数据、移动互联网等技术构建资源共享库，为经济不发达地区的教师提供学习资源，减小学区差异[14]；雨课堂是清华大学“学堂在线”推出的混合式信息化教学工具[15]，它以插件形式嵌入至PPT中，教师在课堂上通过同屏操作能够实时和学生共享学习资料、实现资源互动。②实现游戏化教学，如Kahoot！——教师在课堂上可利用Kahoot！将题目创建成小游戏的形式，搭配画面和音乐，设置答题时间与分数，并通过积分竞争、限时抢答等形式来吸引学生参与互动[16]。

课堂互动工具层出不穷，但在实际应用过程中仍存在互动形式单一、操作复杂、互动行为缺乏管理和分析等问题。本研究致力于设计并实现一个操作简单、互动形式多样化的工具，同时融入学习分析、协作学习等元素，将学生的课堂行为数据化，解决当前互动工具存在的问题。

二 学习分析支持下的课堂互动工具设计

1 课堂互动工具的需求分析

表1 基于活动的课堂互动行为及功能需求分析

本研究针对当前大学课堂互动存在的问题，设计了一个学习分析支持下的课堂互动工具。该工具的设计原则如下：①多种课堂互动形式，包括答题、测试、讨论、汇报、分组、投票等，以实现师生、生生、组组等多种主体间的交互；②数据驱动与学习分析，即记录并分析学生的课堂互动行为数据，形成课堂评价指标；③协作学习，以实现学生的自由分组、小组汇报、小组评价；④使用便捷，即工具操作简单、脱离内容，教师无需导入学习材料即可完成互动，不改变教师的教学习惯，并且工具基于微信开发，师生可通过手机进行互动。

课堂互动工具的设计理念源于课堂教学互动理论。本研究从互动主体的角度将课堂交互分为三种类型：师生互动、生生互动、学生—内容互动，并对每一种交互形式进行细分。以教学活动为主线，将每一种互动形式确定对应的教师和学生的具体行为，从而构建课堂互动行为分类体系，具体划分如表1所示。

2 课堂互动工具的设计

课堂互动工具的设计基于微信公众号，师生通过网页和微信来完成互动。使用工具前需进行注册、登录。教师可创建课程和课堂活动，学生通过扫码或输入课程号进入活动界面。教师根据实际情况对班级学生进行分组。每次课堂活动，教师都可根据实际需求创建互动。学生响应互动后，系统的分析模块会对学生数据进行即时分析，处理后将结果返回教师端。工作流程如图1所示。

图1 功能流程

课堂互动工具的设计分为功能模块的设计和数据库的设计，具体如下：

（1）功能模块的设计

①基本功能模块，主要包括用户的注册、登录。

②课堂互动模块，主要实现课堂分组、响应答题、头脑风暴、汇报展示、课堂检测、投票助手等功能，教师端收集的学生响应互动结果会实时显示在大屏幕上。其中，课堂分组包括随机分组和自由分组两种模式——在随机分组模式下，系统会根据教师输入的分组数字自动分组；而在自由分组模式下，教师控制每组人数上限，输入相同数字的学生成为一组，同时学生有退组的权力自由。响应答题功能实现教师提问与学生应答，包括随机抽答模块和学生抢答模块。头脑风暴功能实现全班学生的课堂主题讨论，由教师设置讨论主题和时长并发布讨论，学生发表观点，之后系统对学生的讨论文本进行内容分析，教师根据发言情况可实时暂停或结束讨论。汇报展示功能记录小组的学习成果，每个小组可通过文字、图片等形式上传作业（只能上传一次），系统会呈现所有小组的汇报情况，教师和学生均可对所有汇报进行点赞和文字评论。课堂检测功能帮助教师观察学生对知识点的掌握情况，支持单选和多选两种题目类型，即教师发布题目，屏幕上展示题干和选项；学生提交答案，系统记录学生的答案和作答时间。投票助手功能实时记录学生的投票情况，其设计思路和课堂检测功能一致。

③学习分析模块。每个互动模块内嵌学习分析功能，构成学习分析模块，包括内容分析和数据分析。其中，内容分析主要对讨论内容深度进行分析，即对所有学生的发言进行词频统计，实时呈现讨论中出现频率最高的词语。数据分析则从四个方面对学生响应数据进行分析：“发言积极性”统计并分析每个学生的发言频数；“答题积极性”实时呈现抢答的具体情况；“答题参与度”精准记录每个学生的答案和作答时间，将答题情况形成可视化图表；“投票参与度”实时呈现学生的票选情况。

（2）数据库的设计

课堂互动与分析功能涉及数据的保存和读取，其实现基于数据库的设计，对应的数据表之间有着密切的关联。数据库的E-R图如图2所示，可以看出课程与互动、学生与互动结果的关系。每一种互动形式对应一张表，每次互动过程可分为三个步骤：创建互动、开启互动、响应互动。除了不需要进行内容交互的分组和问答功能，其它测试、汇报、投票、讨论等功能需要首先创建互动，这些功能中学生响应互动的数据存放在测试结果、汇报记录、投票结果、讨论记录这四张表中，这四张表均与学生表相关联。

三 课堂互动工具的的实现

1 系统体系架构

课堂互动工具的开发采用B/S架构（浏览器端/服务器端架构），前端基于Vue框架进行单页面设计，通过MVVM模式（Model-View-ViewModel模式）来实现双向数据绑定，基于AJAX技术与后端进行数据交互。后端开发基于Python的Django框架，采用其MVC模式（Model View Controller模式）来响应用户请求。同时，该工具基于微信公众号，用户登录需要调用微信的第三方接口获取用户基本信息完成身份认证。图3为系统技术架构。

图2 数据库E-R图

图3 系统技术架构

2 课堂互动功能的实现

（1）课堂互动模块

①课堂分组功能的随机分组通过Random.shuffle方法来实现数组随机排序。自由分组的实现逻辑如图4所示，学生通过输入识别码（Group_code）进入小组，识别码相同的进入同一组。

②响应答题功能的随机抽答模块通过Random.randint方法实现随机抽取。学生抢答模块涉及与学生数据的交互，通过在教师客户端轮询服务器实现数据更新，设置定时器持续向服务器发送Ajax请求（头脑风暴、汇报展示、课堂检测、投票助手等功能涉及的数据交互原理与抢答功能一致）。抢答开启后，等待学生响应，获取其抢答时间，将相关信息反馈给客户端。

③头脑风暴功能有“开启”、“暂停”、“继续”、“结束”四种动作，分别对应Running、Pause、Running、End四种状态。讨论开启后，等待学生响应。学生每次发送讨论内容时，判断当前讨论状态Status。只有当Status的值为Running时，学生的发言记录才被创建成功。当讨论时间达到Minutes_limit时，头脑风暴任务将会结束，Running_func被重置为Unset。

④汇报展示功能以小组为单位，每个小组只能汇报一次。功能开启后，等待学生响应。学生用户发布汇报的实现逻辑如图5所示。所有小组汇报记录依据汇报时间从后至前排列显示。

⑤课堂检测功能题目类型有单选和多选，因此创建时应对题目的答案进行有效性检验，实现逻辑如图6所示。开启答题后，等待学生响应。学生提交答案的实现逻辑如图7所示。

⑥投票助手原理与课堂检测原理一致，唯一区别在于投票功能无需判断答案是否正确。

图4 自由分组实现逻辑

图5 发布汇报的实现逻辑

图6 创建检验的实现逻辑

图7 提交答案的实现逻辑

图8 学习分析模块

（2）学习分析模块

学习分析模块如图8所示，分为内容分析模块和数据分析模块两个子模块。其中，内容分析模块中的词频分析利用Jieba分词完成关键词的提取，先通过Jieba.cut对讨论内容进行分词，去停用词后得到所有关键词；然后计算每个关键词出现的频数，最后利用D3插件的Svg制作词云分析图。数据分析模块分为四个部分：“发言积极性”从发言记录数组中获取同一个学生的发言频数，按频数高低显示前五名学生；“答题积极性”获取每个学生的抢答时间，按抢答速度快慢显示参与抢答的学生名单；“答题参与度”呈现答题总体情况和学生个人详情——答题总体情况记录了答题的数据总量、平均参与时间、正确和错误人数、选项分布，利用Echart插件形成可视化柱形分析图，而学生个人详情记录了每个学生的姓名、答题起始时间、时长、答案、正误；“投票参与度”呈现投票总体情况和学生个人详情，其实现原理与“答题参与度”一致，唯一区别在于投票无需记录答案的正误。

四 课堂互动工具的测试与比较

课堂互动工具选取由30人组成的课堂作为试用对象，进行了多次的功能模块测试、并发测试等，结果表明工具已经能够被稳定使用，预期功能全部实现。课堂互动工具与其它互动工具的功能比较结果如表2所示，可以看出：工具的互动形式更加丰富，同时融合了协作学习与学习分析等元素，这有利于课堂互动更加高效地完成。

表2 课堂互动工具与其它互动工具的功能比较结果

师生互动是影响有效课堂教学的关键因素，促进高效课堂互动的产生是当前大学课堂亟待解决的关键问题。随着教育信息化的不断深入，基于信息化工具完成的多样化互动逐渐取代了传统单一的言语互动。本研究针对大学课堂互动存在的问题，结合课堂教学互动理论，设计并实现了一个学习分析支持下的课堂互动工具。该工具提供多种课堂互动形式，如抢答、抽答、测试、讨论、投票、分组及汇报等，有助于提高课堂互动的完整性；同时，它能够记录学生的互动行为数据，便于教师实时把握学生的学习状态，促进有效教学。此外，该工具操作便捷，符合大学生的学习特点，具有较高的应用价值。经过多次测试与改进，该工具已能被稳定使用，但目前仍处于推广阶段，应用过程中要根据具体的教学情境，利用相应的教学手段，配合完成互动。如何将工具与课堂教学进行有机结合从而促进教学，是后续研究需重点关注的问题。

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[3][5][6]王晓晨,江绍祥,黄荣怀.面向智慧教室的中小学课堂互动观察工具研究[J].电化教育研究,2015,(9):49-53.

[4]黄庭培,郑秋梅,李世宝.教师和学生的课堂行为互动及优化策略[J].教育理论与实践,2016,(32):54-56.

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The Design and Implementation of Classroom Interactive Tools Supported by Learning Analysis

LIU Qing-tang FENG Xiao-mei[Corresponding Author]ZHAI Hui-qing LAO Chuan-yuan

The classroom interactive tools in smart classroom play an important role in teaching.In order to solve the existing problems of complicated operation,biased interactive sovereignty, and lack of management and analysis on interactive behaviors in classroom interactive tools, the article investigated the interaction theory of classroom teaching, designed and implemented a classroom interaction tool supported by learning analysis.The tool realized six interactive functions, including classroom group, response answer, brainstorm, presentation, vote assistant and classroom test. Meanwhile, it enabled real-time analysis function.Finally, the tool was tried in the actual classroom. Test results showed that all expected functions were realized and teachers could use the tool to complete classroom interaction. At the same time, teachers can acquire students’ behavioral data and observe learners’ interaction status in real time, which had an important guiding role in improving classroom interaction efficiency.

classroom interaction; learning analysis; WeChat; interaction behavior

G40-057

A

1009—8097（2018）12—0094—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.12.014

基金项目：本文为湖北省技术创新专项“互联网+精准教育关键技术研究与示范”（项目编号：No.2017ACA105）、教育部-中国移动科研基金2017年度项目“信息技术支持下的区域教研模式研究及试点”（项目编号：MCM20170502）、国家自然科学基金项目“面向Web信息的知识融合关键技术研究”（项目编号：61272205）的阶段性研究成果。

刘清堂，常务副院长，教授，博士，研究方向为学习分析技术、数字化学习，邮箱为liuqtang@mail.ccnu.edu.cn。

2018年5月9日

编辑：小西