网络学习空间课堂教学活动建模研究*

周 鹏，刘佩文，张 丹，王紫琴，吴 砥

(华中师范大学 国家数字化学习工程技术研究中心，湖北 武汉 430079)

2018年4月教育部发布《教育信息化2.0行动计划》提出，要实施“网络学习空间覆盖行动”，旨在“使网络学习空间真正成为广大师生利用信息技术开展教与学活动的主阵地”[1]。早在2017年教育部发布的《2017年教育信息化工作要点》中就提出，要“鼓励教师应用空间开展备课授课、家校互动、网络研修、学习指导等活动；鼓励学生应用空间进行预习、作业、自测、拓展阅读、网络选修课等学习活动，养成自主管理、自主学习、自主服务的良好习惯”[2]，支撑师生开展各类教育教学活动成为了网络学习空间的主要服务内容。目前，网络学习空间上已开展大量的教学活动，并积累了大量的行为数据。2017年华中地区W市在学习空间上共开展教学活动逾6万节次，累计产生动作数据已超过1.39亿条。教学活动过程中的学习经历数据可能承载着教育价值[3]，采用适当的挖掘方法可以使这些反映学习行为的数据成为跟踪、评价与改进学习的最佳数据来源[4]。但网络学习空间上的这些教学活动数据并没有被充分应用于支持学习分析和学校管理，究其原因在于缺少对网络学习空间课堂教学活动数据的建模与分析技术，如何构建能分析网络学习空间课堂教学活动过程的模型成为网络学习空间深层应用亟待解决的关键问题。

当前对教与学活动行为建模的研究主要包括个人学习行为和课堂教学行为两类。在个人学习行为方面，主要研究网络环境下学习者的学习行为，如乔惠等人提出了基于xAPI的开放学习环境下学习者行为分析模型[5]；欧阳健权等人构建了基于Trustie平台的学生学习行为关系模型[6]；吴淑苹立足于教师网络学习实践，设计了教师网络学习行为模型。在课堂教学行为方面，王冬青构建了基于情境感知的智慧课堂动态生成性数据采集模型[7]；程云在课堂教学行为编码系统的基础上，提出了“课堂教学行为云”模型[8]。现有研究探索了网络学习平台的个人学习行为建模，为本研究提供了理论支撑。而面向网络学习空间的教学活动，构建空间课堂教学活动的模型成为亟待解决的理论问题。

本研究面向网络学习空间课堂教学活动的建模问题，首先在总结现有理论研究的基础上归纳了网络学习空间课堂教学活动的主要类型，其次设计了面向网络学习空间教学活动的三层模型，再建立了空间平台数据与空间课堂教学活动间的映射关系，最后选择W市网络学习空间中三节课程为实例以所构建的模型表示并分析了网络学习空间中课程，总结网络学习空间课程特点，以验证本研究所提建模方法的科学性和可行性。

一、理论基础

网络学习空间是基于实名制的面向正式学习与非正式学习，能支持教与学过程和不同角色主体(教师、学生、家长等)交流，且运行于一定的学习支持服务平台之上的虚拟空间[9]。网络学习空间课堂教学活动是以网络学习空间平台为支撑，面向正式学习，以班级为单位，师生之间、生生之间开展的教学活动，是网络学习空间与物理学习空间的融合互动。穆肃等从活动类型维度把课堂教学活动分为教师活动、学生活动、无意义教学活动[10]；王朋娇等从教学设计模式的维度把课堂教学活动分为课前导入活动、课中授课活动、结课活动[11]；张娜等从认知类型的维度把课堂教学活动分为记忆型、理解型、探究型、创造型活动[12]；吉菁从教学活动模式的维度把教学活动分为情境教学、教师讲解、小组活动、师生互动、生生互动、活动与作业等六项活动[13]。在课堂教学活动的基础上，信息技术支撑下的课堂又新增了一些教学活动，如网络学习组织和学习支持活动[14]、在线讨论活动[15]、在线作业提交及评分活动[16]、模拟实验与自主探究活动[17]、在线测试活动、游戏竞赛活动[18]等。网络学习空间拓展了课堂教学内容、创新了课堂教学方法以及改变了课堂教学模式，但空间课堂教学从形式和内容上的拓展也增加了网络空间课堂教学建模分析的难度。

现有研究从不同的角度构建了不同的学习行为分析模型，如彭文辉等人针对网络学习过程中学习者的网络学习行为，“从学习行为多样性角度，构建了多维度、多层次的网络学习行为模型，以反映网络学习行为在行为类型多样性和行为层次性上的特点”[19]；毛刚等人以网络学习活动开展过程中出现的如不符合正常学习规范的行为等各种问题学习行为为研究对象，提出了网络问题学习行为分析模型，一方面从过程评价的角度改善学习者的学习习惯，另一方面也为教师改进教学提供指导意见[20]；胡艺龄等人针对学习者的在线学习行为，以学习分析需求为导向，从遵循问题解决流程模式出发，自底向上建立了数据、机制、结果三层次的、可循环的在线学习行为分析模型[21]，以理解和优化学习者的学习。但现有研究很少从数据采集与处理角度构建模型。

网络学习空间课堂教学活动研究已有一定基础，并归纳了传统教学活动和信息化条件下的教学活动的主要类型和内容。而在网络学习空间的条件下，教与学的形式和内容是一个不断扩展和进化的过程，要求本研究所提出的建模方法能够适应网络学习空间课堂教学。而现有教学活动建模方法及技术研究尚不能支撑空间课堂教学活动的表示以及空间教学数据的分析，设计空间课堂教学活动的建模表示方法成为衔接空间课堂教学和空间后台数据的关键。

二、网络学习空间中的课堂教学活动

通过分析现有文献与观察总结网络学习空间下的课堂教学视频，本研究从课堂教学的类型、课堂活动的流程和说明以及空间活动操作，提出了七种类型网络学习空间课堂教学活动，如下页图1所示。

教学活动是一种师生共同参加的教育活动，且遵循一定的结构与规律[22]。通过对网络学习空间中课堂教学活动的总结，本研究归纳了包括教师讲授、随堂测试、分组合作探究、教师提问、自主探究、游戏竞赛、模拟实验在内的七种主要教学活动。这七类课堂教学活动涵盖了大部分网络学习空间课堂教学活动的内容，课堂活动反映网络学习空间的课堂教学形式，空间活动反映网络学习空间的后台的行为动作，以数据形式记录。

教学动作是教学活动的实体和细节，它包含一定的操作步骤，即按照一定程序完成动作，表现出一定的连续性和序列性[23]。网络学习空间课堂教学活动都可以在网络学习空间中分解为一系列具体且具有代表性的动作，例如：教师讲授活动的角色仅是教师，包括讲解、板书和演示三类可随机或穿插使用的动作，其他教学活动则是唯一的动作流程。每类教学活动具有一定的规律，例如：随堂测试教学活动的基本过程为“教师发布试题—学生接收试题—学生完成试题—学生提交试题—教师查看、评价测试结果”，其中“教师发布试题”这一代表性动作即活动开始动作，“教师查看、评价测试结果”即活动结束动作，从开始到结束这一系列动作即为随堂测试活动。

三、网络学习空间课堂教学活动三层模型

(一)模型的总体结构

面向网络学习空间课堂教学活动的建模问题，本研究把网络学习空间课堂教学活动划分为三个层次：课堂教学层、课堂教学活动层、教学活动操作行为层，并通过连接现实的课堂教学活动与网络学习空间中的数据，据此构建了网络学习空间教学活动三层模型，如下页图2所示。其中，课堂教学活动是指师生利用网络学习空间的相应教学功能和学习资源开展的课程，空间动作数据是指师生在网络学习空间课堂教学活动中进行的具体操作行为。课堂教学层表示在网络学习环境下师生共同参与所构成的课堂；课堂教学活动层表示网络学习空间中的课堂教学活动；教学活动操作行为层表示师生进行网络学习空间课堂活动时进行的具体操作行为。课堂教学层是由一节课内的课堂教学活动组成，而课堂教学活动层是由完成这个教学活动的所有网络学习空间操作动作组成的。

图1 网络学习空间课堂教学活动分类

图2 网络学习空间课堂教学活动三层模型

(二)课堂教学层

课堂教学层以课堂为单位，把空间支持下的课堂表示成教学活动及其相互关系。教师使用网络学习空间的教学支持服务和空间教学资源开展包括课堂讲授、分组合作探究、随堂测试在内的各类教学活动，把网络学习空间课堂教学表示为若干个课堂教学活动组成的时间序列，如下页公式(1)所示。

其中，课堂i代表师生利用网络学习空间所开展的课堂教学集合，代表第i个课堂教学中采用的教学活动序列，包括：教师讲授、随堂测试、分组合作探究、教师提问、自主探究、游戏竞赛、模拟实验等教学活动类型。

(三)课堂教学活动层

课堂教学活动层以教学活动为单位，把空间教学活动表示成操作及其相互关系。教学由一些具有时间序列的活动或事件组成[24]。美国教育家弗兰德斯提出的互动分析系统(Flanders'Interaction Analysis System)对教师的言语行为、学生的言语行为及沉寂三类动作进行了编码[25]。本研究将课堂教学活动表示成活动参与者、活动类型、活动时间的三元组，但三元组并非活动的最小单位，因此也可表示成若干空间操作行为的序列，如公式(2)所示。

其中，操作者j代表操作网络学习空间教学支持服务完成课堂教学活动中的师生集合；三元组中的类型j代表教学活动的具体分类；三元组中的时长j代表在网络学习空间上开展课堂教学活动所用时长；行(n取值1、2、3……)代表操作者在网络学习空间中的操作行为，其中教师与学生的操作行为可以同时发生。

(四)教学活动操作行为层

教学活动操作行为层以教学活动的空间操作为单位，设计空间教学活动操作的表示方法。基于xAPI提供的表示方法[26]，本研究把网络学习空间中课堂教学活动中的操作行为表示为操作者、动作、对象、时间的四元组，如公式(3)所示。

其中，操作者k和公式(2)中的操作者j不同，公式(2)中操作者j表示参与同一个课堂教学活动的师生集合，而公式(3)中操作者k的表示在网络学习空间具体某一个教学活动操作的操作者；四元组中的动作k代表教师或学生在网络学习空间课堂教学活动中执行的具体操作；四元组中的对象k代表具体的教学内容或教学单元，以及在网络学习空间中对应的资源对象；四元组中的时间k代表在网络学习空间上进行教学行为发生的具体时间。

本研究截取了网络学习空间后台数据片段，其中以教师在网络学习空间支持下的课堂讲授为例，教师启动网络学习空间的录课功能并打开课件开始讲授的一系列操作[27]，如表1所示。

表1 准备录课操作的动作序列

四、网络学习空间课堂教学活动与平台数据的映射

通过本研究提出的网络学习空间课堂教学活动的三层模型，试图将空间数据逐层还原为一个空间支撑下的课堂教学的全过程。反向来看，还可以用本研究提出的网络学习空间课堂教学活动三层模型，可将一个空间支撑下的课堂分解成空间数据的集合。根据后台数据中的有效数据可以识别出操作者的操作行为，其中包括教师行为和学生行为，按照时间序列还原教师或学生的课堂行为，如点击、暂停、播放等，并以此识别对应的课堂教学活动，如教师讲授教学、学生答题互动等，从而将多个课堂教学活动组合成为一段完整的网络学习空间课堂教学，映射关系如下页图3所示。从平台数据到空间课堂教学的映射关系包括从空间数据到操作层的映射、从操作层到教学活动层的映射和从教学活动层到课堂教学层的映射。

(一)空间动作数据到教学活动操作行为层的映射

在课堂教学过程中，教师和学生在网络学习空间中的一切行为数据都将记录在网络学习空间数据库中，这些数据可转化为动作行为，可将空间动作数据表示为操作者、动作、对象、时间的四元组。对于网络学习空间中任何一条数据，在动作层中都能找到唯一的行为和它对应。

(二)教学活动操作行为层到课堂教学活动层的映射

由上页图1可知，每一类网络学习空间课堂教学活动都有相应的活动流程，而这些活动流程由特定的动作行为序列构成。以随堂测试为例，学生答题和教师查看测试结果都为特定行为动作，通过将课堂教学活动表示成活动参与者、活动类型、活动时间的三元组将这一连串行为动作序列可转化为教学活动。对于动作层的行为序列，在活动层都可以找到唯一的教学活动和它对应。

(三)课堂教学活动层到课堂教学层的映射

课堂以特定的教学模式为支撑，教学模式是在一定教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构和活动程序。在网络学习空间课堂教学中，通过公式(1)将课堂教学活动序列组合成一节完整的课堂教学。对于活动层的各类教学活动序列，在课堂层都能找到课堂教学模式与它对应。

图3 三层模型映射

五、基于建模的网络学习空间课堂教学活动实例分析

(一)研究过程

W市网络学习空间平台由W市政府购买，无偿为中小学师生提供多种软件应用，支持包括PC端、平板端和手机端等多平台接入和跨平台协同服务，支持教师讲授、教师提问、自主探究等教学活动。本研究选取了W市网络学习空间上三节小学阶段不同学科的网络学习空间课堂教学视频作为实例，通过构建课堂活动与平台数据之间的关系，验证本研究的科学性和合理性。上述三节课实例均来源于W市网络学习空间平台中的高效云课堂优秀教学案例，如表2所示。一方面，教师使用网络学习空间提供的工具备课和授课，平台记录了教师授课时的全部操作动作数据；另一方面，整个授课过程以视频的形式记录下来，发布到网络学习空间上作为优秀教学案例供全市教师学习。实例分析依据本研究所构建的网络学习空间课堂教学活动的三层模型，将课例视频表示成课堂教学活动序列；其次从次数、时长和平均时长三个方面对课例1-3的课堂教学活动进行统计分析，以了解现阶段W市网络学习空间课堂教学活动应用情况和不同学科所使用的课堂教学活动；最后对分析结果进行了讨论。

表2 实例基本信息

虽然当前W市网络学习空间平台已经能够较好支撑图1所示的各类型课堂教学活动，但对师生空间操作轨迹的采集和存储仍不完备。因此本研究通过对课例视频分析，以本研究所提出的空间课堂教学活动的三层模型，将课例表示成课堂教学活动序列。下页表3展示了课例3的课堂教学活动序列片段。

(二)实例分析

1.课堂教学活动类型统计

本研究首先用公式(2)将教学活动表示成如下页表3所示的课堂教学活动序列，再将课例按照教师讲授、随堂测试、分组合作探究、教师提问、自主探究和游戏竞赛七类课堂教学活动的类别，分别统计了这些活动的次数、时长以及平均活动时长，如表4所示。

表3 课例3的课堂教学活动序列片段

表4 课例1-3各类课堂教学活动统计结果

2.教学活动的频次、时长分析

本研究统计了各类课堂教学活动次数、时长和平均时长，结果如图4所示。在次数方面，教师讲授和教师提问是三门学科中出现次数最多的教学活动，其中教师讲授出现的频次最多，占45.45%。在时长方面，教师提问的总时间最长，占30.62%；分组合作探究活动时长接近教师讲授，占20.19%。在平均时长方面，分组合作探究和自主探究平均每次开展的活动时长最长，分别占25.37%和30%。

图4 空间课堂教学中活动统计

3.教学活动的学科分析

为探究网络学习空间中不同学科采用的教学活动，本研究统计了不同学科教学活动的次数，结果如图5所示。不同学科在各类活动次数方面大同小异，均以教师讲授和教师提问为主，随堂测试、分组合作探究、自主探究和游戏竞赛为辅，各学科中教师讲授和提问活动的次数均占各活动总次数的大半。

图5 不同学科中课堂教学活动的次数分布情况

本研究还统计了不同学科教学活动持续时长，结果如图6所示。在数学课堂上，教师提问的时长最长，占41.29%；在英语课堂上，教学活动类型多样，且各类教学活动使用时长较为平均；在语文课堂上，教师提问和分组合作探究使用的时间相对较长，占到31.20%和30.93%。

图6 不同学科中课堂教学活动持续时长分布情况

(三)实例讨论

数据统计结果显示，W市网络学习空间各类课堂教学活动的使用情况存在较大差异，且不同学科所使用教学活动也有所区别。本研究结合统计结果，对现阶段W市网络学习空间课堂教学活动应用情况和不同学科所使用的课堂教学活动情况进行了讨论。

1.学习空间支持下的课堂教学活动还是以教师讲授和提问为主要形式

由图4可见，虽然网络学习空间支持多种课堂教学活动，但现阶段网络学习空间中教师常用的课堂教学活动仍是教师讲授和教师提问。一方面，受到传统教学思想和教学观念的影响，教师对网络学习空间的应用习惯仅仅是将其作为一种辅助教学的工具，对网络学习空间的使用仍停留在传统多媒体设备使用层面，课堂教学模式和教学策略并未产生较大的改变。另一方面，“教师使用信息技术优化课堂教学的能力较强，但对于应用技术素养能力转变学习方式的能力还需进一步发展”[28]。网络学习空间不仅提供辅助课堂教学的功能，也可支撑学生课前课后自主学习、教师备课教研等活动，教师在利用网络学习空间丰富教学活动性方面还有很大的发展空间。

2.学习空间为分组合作探究等教学活动提供了支撑

由上页图4可见，由于网络学习空间提供了充分的工具支持，分组合作探究等教学活动受到教师的关注。新课程改革的具体目标之一是培养学生搜集和处理信息、获取新知识、分析和解决问题、交流与合作的能力，网络学习空间为多种教学活动的开展提供了技术支持。为追求信息技术支撑下课堂教学活动的新突破，教师设计组织了分组合作探究和自主探究等多种体现学生主体地位的教学活动。在信息技术与课程整合的浪潮下，将以“教师为中心的传统教学结构改变为既充分发挥教师主导作用，又能突出体现学生主体地位的主导—主体相结合的教学”[29]，教师正有意识地促进师生的双向交互，推动课堂教学结构的改变。

3.学习空间满足了不同学科的课堂教学活动的个性化需求

由上页图5和图6可见，不同学科的课堂教学活动各有侧重点，而网络学习空间中的各类教学工具也满足了学科教学的需求。语文作为知识与情感交织的学科，具有丰富的人文内涵，而网络学习空间提供的分组合作探究活动，可以整体提高学生的语文素养。数学学科主要培养学生逻辑能力与创新思维能力，教师通过网络学习空间随机抽取学生进行有效提问能激发学生兴趣，引发学生思考。英语学科作为语言性的学科，重视“实践性和应用性”，提倡培养学生的交流能力，教师综合应用网络学习空间提供的随堂测试、分组探究、多媒体讲授等活动，更适应语言学习的特点。学习空间为学科教师提供了不同学习活动支持工具的选择，教师可以根据学科的特点挖掘网络学习空间中的特色功能，选择合适的教学活动来传授知识内容。

六、结语

网络学习空间课堂教学活动三层模型既可以自底向上识别课堂，也可以自上而下解构课堂，通过该三层模型可以总结网络学习空间课堂教学活动过程的一般规律和特点。本文首先通过分析相关文献以及观察网络学习空间环境下的多节课堂教学视频归纳了网络学习空间中的课堂教学活动，然后构建了网络学习空间课堂教学活动三层模型，最后以W市网络学习空间三节课程为实例验证了本研究方法的科学性和可行性。

本研究也存在许多不足之处，虽然笔者在实际研究中采集了大量的课堂教学过程数据，但是受平台数据标准以及大数据采集功能的局限，本研究仅从网络学习空间课堂教学活动层角度对网络学习空间课堂教学进行分析，并未从平台后台数据(教学活动操作行为层)入手实现自底向上的识别。在未来的研究中将考虑从不同学科、不同年级等方面进行探讨，以及从数据层面识别课堂，以实现智能化分析，从而真正地为提高师生的教学效果服务。