学习分析视域下高校混合式“教”“学”探索与实践

石贵民，刘长勇，孟世敏，张为慧

（1.武夷学院 认知计算与智能信息处理福建省高校重点实验室，福建 武夷山 34300；2.武夷学院 数学与计算机学院，福建 武夷山 354300；3.武夷学院 教务处，福建 武夷山 354300；4.武夷学院 学报编辑部，福建 武夷山 354300）

《国家教育事业发展“十三五”规划》指出：“以教育信息化推动教育现代化，积极促进信息技术与教育的融合创新发展。”[1-2]“互联网+教育”适时地拓宽了混合式教学的广度与深度。2017年美国新媒体联盟（new media consortium，NMC）发布的《地平线报告（Horizon Report）》展示了信息技术与教育深度融合的创新实践趋势——深度学习[3]，如图1所示。

图1 信息技术与教育深度融合的趋势Fig.1 The trends of in-depth integration of information technology and education

国家鼓励高校利用大数据技术开展对教育教学活动和学生行为数据的收集、分析和反馈，注重学习测量、重构学习空间，鼓励教师利用信息技术创新教学模式、提升教学水平，以翻转课堂、混合式教学等多种方式充分利用优质数字资源[4]，为推动个性化学习和针对性教学提供支持。但目前对这些数据的运用还很有限，且有效性不高，离实时适应性学习系统的距离还较远。学习分析[5](learning analytics，LA)可以更有效的测量、收集、分析和报告学习者及其所在学习情境的海量数据，并用以评估学生、发现潜在问题、理解和优化学习过程及其环境。

《福建省“十三五”教育发展专项规划》指出：“深化教育教学改革，实行启发式、讨论式、探究式学习。”[6]推动示范性应用型本科高校建设，深化课程体系、教学内容、教学方式方法、教学管理制度等改革，提高应用型人才培养质量和增强学生就业创业能力。支持开展教学模式和方法的改革创新，支持课程教学改革，构建多层次、可选择、有特色的课程体系。本研究在深化课程与教学模式改革的同时，全面推进教学内容的优化改革，以反向思维方式设计教学目标、教学内容；全面推进课程教学模式改革，积极推行基于真实场景与实际应用的案例教学、项目教学、任务驱动等能力导向的教学模式与方法，大力推进“双师同堂、深度互动”等形式多样的双师教学新模式，改革课程考核方式，推行全过程、全方位、突出应用能力的课程考核方式。

“教”“学”的改革与创新，源于对学习者学习状态的深层掌控。而网络学习环境下，影响学习者知识建构的是教学情境、教师和学习者等因素[7]。起源于美国的翻转课堂[8]和引入国内高校后本土化的MOOC，多年的教学实践证明其效果是不尽人意的[9-11]，甚至变成“翻船课堂”。大学生作为接受高等教育的精英群体和SPOC（small private online course，小规模私有在线课程）[12]的主要学习人群，其学习情况直接影响着学习型社会的深度和广度。反思和反省性学习思维方法只能在一定程度上提高学习参与度[13]，高校要进一步应用学习分析来改善课堂参与边缘化状况，优化学习环境和学习过程、提升教学效果，才能有效推动“教”与“学”的协同发展。

1 应用型本科混合式教学“教”“学”机制构建

国内近七成的高校已经使用学习管理系统(learning management system，LMS)支持混合学习，近年来基于WEB的学习平台成为高校教学改革的重要技术支撑[14]，但存在各自为战，集成度不高的问题。为此，研究团队从深度融合的角度研发了“五化一体”混合式集成平台。

1.1 “五化一体”混合式教学模式

依托认知计算与智能信息处理福建省高校重点实验室，研究了信息技术与教育深度融合问题，从学习资源多样化、在线导学具身化、互动评价开放化、思维训练深度化、信息反馈立体化五个方面构建了线上线下、课内课外、校内校外、固定移动的“五化一体”混合式教学模式（如图2所示），有效地解决了学生碎片化学习需求、教师精细化教学管理、教学目标达成度以及学生思维能力训练等难题。

图2 “五化一体”混合式教学模式Fig.2 “Five-in-One”mode for blended teaching

1.2 “潜能在线”平台设计

“五化”之间相互促进、集成一体，形成了一个健康、可持续发展的教学生态系统，并通过“潜能在线”平台得以实施。“潜能在线”平台主要包括学习资源库、在线导学、电子黑板、问题空间图谱和深度学习等模块，如图3所示。

图3 潜能在线平台主要功能模块图Fig.3 Diagram of the main functional modules of the Qian Neng online platform

学习资源库包括微课视频、学科APP、教学PPT、电子化教材等多个平台的资料，实现了多种资源的整合与共享。在线导学是引导学生完成学习任务及过程的可视化导航器，实现了学生具身学习，满足了学生碎片化学习需求。电子黑板是课堂中师生互动，为学生提供问题质疑的互动系统，实现了教师主导、学生主体的互动课堂，提升了教师课堂教学精细化水平。问题空间图谱以教材问题成像、个体问题分布图、群体问题分布图和学科问题评价分布图等形式将分析结果反馈给师生，实现双向修正教学设计与学习策略，提高了教学目标达成度。深度学习包括黄卡训练、舒尔特方格、思维训练、文图转换、思维导图等训练模块，实现了学生思维能力的培养。

2 学习分析视域下混合式“教”“学”模块设计

2.1 构建跨平台、多载体的学习资源库

近五年来，通过精品课程建设、在线网络课程建设，与尔雅课程、智慧树、高校帮、好大学在线等平台合作，构建了近千门课程的学习资源库，并通过“潜能在线”平台实现了微课视频、学科APP、教学PPT、微信、QQ等多种载体的一体化应用，有效地解决了学习资源孤岛问题，实现了学习资源高度整合与共享，缓解了学生学习资源缺乏、学习资料单一的问题，为具身学习、互动课堂、深度学习提供多样化的资源保障。

2.2 构建多终端、跨时空的在线导学

利用多样的感知管理对象技术和教育情境矢量化技术，把优秀教师的教学经验、教学流程和教学资源转为可传播、可重复应用的在线导学流程，实现了学生具身学习。一是充分利用移动互联网技术、wifi技术以及Pad、笔记本、智能手机等多种具身设备，形成人人皆学、处处能学、时时可学的学习环境。二是通过在线导学，打破时间限制、空间界限，推行以学生为中心的启发式、合作式、参与式和研讨式学习方式，提高了学生分析解决问题的能力，培养了学生具身学习的积极性和主动性，学生碎片化学习需求得到了有效地解决。

2.3 构建双主体、多手段的互动课堂

利用人机认知交互技术和人机认知情景信息采集技术[15]，借助师生即有的具身设备，构建了开放化的互动课堂，实现课堂实时数据采集、实时信息反馈与共享，有效地提升了教师课堂教学精细化水平。一是发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，提高学生作为学习过程主体的主动性、参与性、积极性与创造性[16]，使手机成为教学助理，让教师和手机化敌为友。二是通过提问情境、问题内容可视化和互动评价等多种手段，让学生利用智能手机参与教师互动，边上课边向教师在线提问，对其他学生的提问及作业也可以在线评价，弥补了学生在课堂现场不敢提问、不敢质疑的不足，提高了学生对课堂教学的参与度和活跃度。同时，也给教师提供了一个面对众多学生同时互动的机会，及时采集学生在课堂内的学习行为和学习效果，掌握学生的学习动态，并将课堂学习信息及时反馈给学生，让每位学生实时共享其他学生在课堂中的表现，教师课堂教学精细化管理水平得到了有效地提升。

2.4 构建多维度、深层次的问题空间图谱

利用数字拓扑空间建构技术、学习分析技术和学习成像技术，构建了立体化的问题空间图谱，实现双向信息反馈，提高了教学目标的达成度。首先，构建基于认知内容、操作、数理的多维度认知标架，采集课前、课中和课后的学习数据并进行数字化处理，形成问题集。其次，利用学习分析技术对问题集进行分类、聚类、抽象等深层次挖掘，分析学生的认知结构和认知状态，获得学生群体性问题、个体性问题以及问题之间的关联逻辑与规律。再次，采用学习成像技术对分析结果进行可视化处理，形成立体化的问题空间图谱。最后，将问题空间图谱反馈给师生，一方面有利于教师改进教学策略，另一方面有利于学生改进学习方法，实现双向修正教学目标，有效地提升了教学目标的达成度。

2.5 构建重能力、多方法的思维训练框架

构建深度学习平台，实现对学生思维能力的深度化训练。一是通过一点凝视、黄卡训练和三色卡片来训练学生的专注自控能力。二是通过舒尔特方格、瞬间闪视、眼肌训练和记忆方格来训练学生的照相记忆能力。三是通过词语推理、思维训练和想象作文来训练学生的逻辑推理能力。四是通过文图转换、思维导图和一目十行来训练学生的快速阅读理解能力。通过深度化的思维训练框架，有效地提高了学生的学习力，达到了培养学生思维能力的目的。

3 应用实践与创新

研究团队以提升高校学生学习力为目标，设计了专门的课程《学习技术——来自认知神经学的学习力训练》，简称《学习技术》。此课程以脑认知神经科学为基础，开展学习力训练，涉及专注自控、快速阅读、深度理解、照相记忆、高效思维、系统方法、具身模拟等内容。试图培养学生的深度学习、具身学习、自主学习等学习能力，培养学生的高阶认知能力，以人机交互模式展开，发挥当前大学生都有笔记本电脑、平板等智能终端的优势，同时也降低教师教学强度。将通过人机环境采集学生学习过程数据，形成学习、认知大数据，通过学习分析、诊断提升学习效率。

在实践中，每周训练2个课时，学生在机房开展教师监督下的《学习技术》在线训练，或在课外开展人机无监督训练。

3.1 专注力、自控力获得提升

听课看书的专注力提升，学生能够比较长时间地坚持看书状态，看书阅读的效率提高，专注力甚至还超越阅读过程，表现到其它学习过程中，比如，能够更加长时间地专注解题、思考，不容易走神，很快能够沉浸在学习中。表1是2017—2018下学期，《学习技术》课程部分大学生的五阶舒尔特方格的训练数据。基于时间参数、训练次数可以看到明显的个性差别。

表1 大学生《学习技术》五阶舒尔特方格训练数据(四课时后)Tab.1 Data of the fifth-order Schulte Grid training of"learning techniques"for college students(after four class hours)

3.2 2 100字/min以上的快速阅读力

训练之前，大部分学生的阅读速度在500字左右，学生的深度阅读能力不足，经过训练后，眼球扫描，文字理解能力获得提升，基本能掌握一目十行的技能，阅读速读达到每分钟2 100字，甚至部分学生达到7 000字/min以上。表2是经过两周四节课《学习技术》人机训练后，部分大学生的阅读速读就可以达到1 000字/min，从数据中我们也可以看到学生的个性差异。从数据表简单分析，五阶舒尔特方格成绩靠前的大学生，一目十行的能力相对也较强，随着数据增多，我们可以获得更多可信关联。

表2 大学生《学习技术》一目十行快速训练数据(四课时后)Tab.2 Data of fast-reading training of"learning techniques"for college students(after four class hours)

总体上，此训练让学生短期内实现学习力的提升，形成“深度学习、具身学习、自主学习”习惯，尤其在专注力、记忆力、系统思维、具身模拟方面获得飞跃，建立全新的学习认知架构[17]、改善学生整体的学习能力。

4 研究总结与启示

通过多种信息技术与教育的深度融合，从学习资源多样化、在线导学具身化、互动评价开放化、思维训练深度化、信息反馈立体化五个方面构建了线上线下、课内课外、校内校外、固定移动的“五化一体”混合式教学模式。“五化”之间相互促进、集成一体，形成了一个健康、可持续发展的教学生态系统。

充分利用智能手机等自媒体设备，改变传统思维中“堵”的观念，让学生以第一者“我”的角度进行学习情境具身模拟和复演，拓展了学生的学习时空，形成了多样化的学习方式，激发了学生自主学习的积极性和主动性，有效地解决了学生碎片化学习需求、降低了学生课堂参与边缘化程度。

基于认知标架采集学生学习难点和热点，聚类分析学生学习数据，通过可视化处理形成立体化的问题空间图谱，并反馈给师生，让教师精准把握学生的学习状态与个体差异，及时改进教学设计，同时也让学生掌握自身的学习状态，依此调整自己的学习策略，最终达到提高教学目标达成度的目的。

从认知神经科学的视角，继承传统教育学、心理学、学科教学法的内容，吸收认知科学的最新成果，从层次性的信息抽象处理架构、多维度的信息分析操作架构、深度化的思维训练方法等方面构建深度学习框架，围绕专注力、速度、深度、创新、记忆、表达等维度对学生开展深度化的思维能力训练。

建立了基于“五化一体”混合式教学模式的“互联网+教育”实验区，并在北京、河南、辽宁、福建等地100余所中小学校推广应用。以人机交互训练云平台模式，通过“在线人机学习”和“离线人工教学”开展混合式教学；建立智能设备支持下的“课内辅导”和“课外训练”相结合的随时随地可学习模式；运用学习分析技术，通过大数据采集学习数据，开展开放、多元的学习评价，降低教学负担；实验区符合我国当前的教育环境和实际，研究成果已获得福建省教学成果二等奖2项，具有可推广的条件、价值和前景。

“互联网+教育”落脚点和本质是教育，互联网只是一种技术手段。从传统课堂到多媒体课堂，某种程度上只是用PPT代替了板书，对教师信息技术运用能力的要求并不高。但崭新综合的混合式教学，师生不仅需要具备熟练利用在线教学工具的数字素养，还应具备运用学习分析技术对教学情境的数据进行测量、收集、分析进而优化教学过程以及学习环境的信息素养[18]。要深度融合教学环境、教学过程、教学结果及师生情感体验四个层面[19]，数字化学习研究者需从信息技术和教育本质出发，一方面信息技术研发者要增强学习分析工具的适用性，另一方面，教育决策者要创设更加宽松的学习分析技术应用环境，帮助教师扫清教学能力障碍，提升教师教学智慧，以便搭建“教学者+信息技术+学习者”三位一体的新一代数字化教学环境。