交互地理分析法在智慧课堂互动分析中的应用

□吴贵芬 杨现民 赵路瑶

一、引言

智慧课堂是智慧教育的核心场所，而课堂互动则是教学中不可或缺的主要活动形式，因此，智慧课堂互动研究近年来备受关注。国内外有关课堂互动的研究始于20 世纪60 年代（李红美，等，2022），从探究课堂互动要素和类型的划分到课堂互动分析方法和工具的提出（童慧，等，2022），逐渐深入探究课堂互动的动态过程及其对教育教学的影响。其中，智慧课堂互动分析主要是对弗兰德斯互动分析系统（FIAS）（Flanders，1963）进行设计升级，通过增加 “技术” 维度、细化互动类别而形成基于信息技术的互动分析编码系统（ITIAS）（顾小清，等，2004）、改进型弗兰德斯互动分析系统（iFIAS）（方海光，等，2012）等分析工具，从时间维度对课堂教学交互的肢体行为（杨九民，等，2022）、言语行为（刘喆，等，2021）、技术应用行为（郭炯，等，2023）等方面进行编码分析。由于时间的流逝性和一维性更为直观，当前的课堂互动分析方法侧重于从时间维度来编码和呈现课堂互动过程，而忽略了课堂互动的空间变化。因此，很难回答以下有关课堂互动的问题：在整个课堂教学过程中，教师和学生的运动轨迹是如何变化的？ 教师在课堂上的运动轨迹和空间行为是否会影响学生的学习行为和学习效果？ 不同的学习空间的类型或教室空间的布局是否会影响师生的互动？ 对此，需要从空间和时间两个维度对课堂教学过程进行深度分析和可视化呈现。

空间生成理论主张打破运用时间进行叙事的单一形式，强调利用空间思维来理解与思考世界（田晓伟，2014），从空间角度理解和推进智慧教育。智慧教育包括物质空间、精神空间、实践空间等空间形态，并注重空间交互的纵深度和流动性，有助于提升学生在不同文化情境中的交互能力，促进学生的智慧生成（刘丙利，等，2022）。基于此，本研究转向空间视角，基于交互空间分析智慧课堂互动，重点介绍交互地理分析法在智慧课堂互动分析中的具体应用，转录智慧课堂教学视频并以动态可视化方式呈现智慧课堂互动在空间和时间上的变化，以期为国内外学者研究智慧课堂互动提供新的思路与方法。

二、交互地理分析法（IGA）概述

（一）IGA 应用概况

交互地理分析法（Interaction Geography Analysis，IGA） 是佐治亚州立大学学习科学系的夏皮罗（Shapiro） 与范德比尔特大学皮博迪教育学院空间、学习和移动实验室的成员在2017 年共同提出的一种新方法，用于描述、表示和解释人们在物理环境中或跨物理环境移动时的互动（Shapiro，et al.，2017）。交互地理分析法提供了一种更加综合和多标量的方法来描述人与空间环境的交互和运动，并可视化呈现了学习者在空间和时间上的交互。

最初，夏皮罗及其团队设计开发交互地理分析法，是用于研究文化遗产博物馆的游客参与度，使博物馆专业人士能够以创新可视的方式感知游客的参与度和学习方法，从而支持他们未来的设计决策。随着交互地理分析法的实践发展，研究者认为其适用于许多其他环境，包括更正式的学习环境。例如，交互地理分析法可以在学校课堂教学环境中用于研究教学空间的公平性（Cleveland，2009）。同样，交互地理分析法可以扩展到室外空间，为基于地点或以移动为中心的学习活动的设计和分析提供新的框架（Taylor，et al.，2007）。此外，对于计算机支持的协同学习（CSCL）社区，交互地理分析法提供了新的方法来理解技术中介环境中随时间变化的群体互动，并将多视角音频/视频记录纳入反思性专业实践（Stahl，2007）。

随着持续的技术开发和理念完善，交互地理分析法能够支持教育、建筑、艺术等领域研究与实践。夏皮罗认为转录和呈现课堂视频数据是课堂教学研究的核心（Shapiro，et al.，2021），然而传统课堂互动分析通常忽略了空间教学数据的转录与呈现。空间教学是通过定位和运动来使用空间和其他符号资源（如语言、手势和教材）的教学模式，空间教学会影响教师的课程实施，从而影响学生的学习参与度（Lim，et al.，2012）。虽然有些研究人员试图将空间和运动纳入课堂互动的情境研究中，例如建筑教学法（Mccardle，2006）和公平教学空间（Cleveland，2009）等，但空间教学在教学实践过程中往往被忽视。交互地理分析法可以将课堂空间运动与课堂话语联系起来，整合不同类型的课堂数据（例如，物理位置、对话、音频/视频等数据），转录并以可视化方式显示课堂互动在空间和时间上的变化。

（二）IGA 软件介绍

IGA 主要是在蒙德里安转录软件和交互地理切片器两款软件的配合下使用的。首先，利用蒙德里安转录软件，根据平面图有效跟踪人或物的运动，转录生成空间运动数据的文本文件。然后，使用交互地理切片器对蒙德里安转录软件收集的数据进行动态可视化呈现。

1.蒙德里安转录软件

蒙德里安转录软件（Mondrian Transcription Software，MTS） 是一种映射人在空间和时间上的运动和对话的工具。MTS 是一种开源工具，通过平面图表示有效地跟踪人或物的运动，从视频中转录细粒度的运动数据，以生成定位数据的文本文件，映射人在空间和时间上的运动和对话的工具。MTS 形成的运动的脚本可以在交互地理切片器等软件中可视化。

2.交互地理切片器

交互地理切片器（Interaction Geography Slicer，IGS）是一种支持新形式交互和多模态分析的动态可视化工具，主要处理基于空间定位技术或蒙德里安转录软件（MTS）手动收集的空间运动数据。IGS 也是一种开源工具，它可以在空间和时间上可视化运动、对话和音频/视频等数据，生成的时空具有可视化效果。

三、基于IGA 的智慧课堂互动分析流程

互动的发生离不开空间的支撑，空间轨迹的变动证明了互动的发生。智慧课堂教学本质上是一个互动的过程（包括师生、生生、师生与媒介等），而基于IGA 从课堂互动空间轨迹的变化来跟踪互动，可动态可视化呈现智慧课堂互动的全过程。随着时代的变迁、技术的发展、教育的变革，课堂空间由工业时代的传统教室空间（物理空间）逐渐演变到信息时代的智慧教室，包含物理空间和网络空间（吴砥，等，2022）。因此，基于IGA 的智慧课堂互动分析包括物理空间互动分析和网络空间互动分析。

（一）IGA 分析物理空间互动的流程

物理空间互动是线下互动，是人和物在物理空间发生的交互轨迹。首先，物理空间的互动可以根据每个教室的平面布局直接来绘制课堂交互轨迹。其次，可以归纳智慧课堂物理互动所产生的物理空间位置，从而把智慧课堂划分为黑板区域、白板区域、操作台区域、讲台区域、走廊区域、小组区域以及座位区域等七大物理互动空间（见表1）。教师和学生是智慧课堂互动的主体，物理空间互动数据通过转录教师和学生在物理空间位置流动的路径获取。因此，利用IGA 分析物理空间互动的主要流程包括：（1）利用MTS 软件分别从教师和学生的视角，编码转录其在物理空间的运动轨迹；（2）利用IGS 软件动态可视化呈现教师和学生在智慧课堂教学过程中的互动位置流。

表1 智慧课堂互动分析空间

（二）IGA 分析网络空间互动的流程

网络空间互动是线上互动，是人和物在虚拟网络空间发生的交互轨迹。网络互动空间可根据互动所产生的空间功能划分为五类，包括资源空间、讨论空间、竞争空间、管理空间、演示空间（见表1），该类互动数据通过转录教师和学生在网络空间信息流动的方向获取。因此，利用IGA 分析网络空间互动的主要流程包括：（1） 利用MTS 软件分别从教师和学生的视角，编码转录其在网络空间的运动轨迹；（2）利用IGS 软件动态可视化呈现教师和学生在智慧课堂教学过程中的互动信息流。

（三）IGA 分析智慧课堂互动的流程

应用IGA 对上述两类互动空间数据进行转录切片分析，可以帮助教师或教育研究者掌握智慧课堂环境下教师和学生的互动空间偏好，分析师生互动轨迹以及互动空间流通度和丰富度，进而有针对性地进行教学干预和个性化指导。在具体的应用过程中，IGA 分析智慧课堂互动的主要流程（见图1）包括：（1）确定互动空间，互动是发生在物理空间还是网络空间，将会直接影响后续空间平面图的选择；（2）选择互动主体，选择将要编码转录交互运动轨迹的主体（教师或学生）；（3）导入原始文件，将空间平面图和智慧课堂的教学视频导入MTS 软件中；（4）编码转录视频，在MTS 软件中跟踪教学视频绘制教师或学生的运动轨迹，并生成移动文件；（5）导入多源数据，将空间平面图和教学视频，以及在MTS 软件中生成的移动文件导入IGS 软件中；（6）动态可视化呈现，在IGS 软件中以2D 或3D 方式动态可视化呈现教师或学生的交互过程；（7）解读可视化图，分析教师或学生在智慧课堂互动的位置流和信息流。

图1 基于IGA 的智慧课堂互动分析流程

四、基于IGA 的智慧课堂互动分析案例

（一）案例的选取

IGA 在智慧课堂互动分析中的应用，主要是对智慧课堂教学视频进行转录编码，并动态可视化呈现课堂互动过程。因此，智慧课堂教学案例应具备以下条件：一是教学视频声音录制清晰，能明确拾取到教师和学生的声音信息；二是教学视频画面录制为全景加特写，能整体观察到教学互动的全景和局部，看清师生运动轨迹；三是教学视频中师生均有网络互动工具。为了更加直观地呈现IGA 在智慧课堂互动分析中的应用情况，本研究以S 市 “智慧课堂” 研修活动中的五年级下册数学 “分数的意义” 的智慧课堂教学视频为案例。该案例是一节新授课，教学时长为43 分钟，前6 分钟为激活新知阶段，后15 分钟为巩固新知阶段，中间22 分钟为探究新知阶段。

（二）数据的处理

本研究应用IGA 对智慧课堂教学中的物理空间互动、网络空间互动进行分析。

1.物理空间互动分析

（1）编码转录。分别从教师和学生的视角编码转录其在物理空间的运动轨迹。首先，将案例教学视频和智慧课堂互动的物理空间平面图，加载到MTS 软件中（见图2）。然后，单击物理空间平面图上的任意位置，课堂教学视频开始播放，便可开始编码转录。随着视频的播放，研究者可通过移动鼠标，在平面图中绘制教师或学生在物理空间相应的移动路径，转录与视频同步的教师或学生在物理空间的运动轨迹。最后，通过蒙德里安转录软件对案例教学视频编码转录，将生成两个CSV 文件，分别为教师和学生在物理空间的运动轨迹。

图2 课堂互动在物理空间编码转录

（2）可视化呈现。将在MTS 软件中生成的教师物理空间互动文件和学生物理空间互动文件，以及物理空间的平面图导入IGS 软件中，便可动态可视化呈现教师和学生在43 分钟数学课堂教学中相应的物理空间互动轨迹（见图3）。其中，深色的运动轨迹为教师，浅色的运动轨迹为学生。在可视化呈现时，研究者可以切换教师或学生的移动路径，更换教师或学生运动轨迹的颜色，以2D 或3D 方式显示可视化效果。此外，研究者可以单击时间轴上的任意位置播放或暂停可视化物理空间位置的呈现，教师或学生随时间变化的空间位置与物理空间平面图的位置一一对应。

图3 师生课堂互动在物理空间的2D 可视化呈现

2.网络空间互动分析

（1）编码转录。分别从教师和学生的视角编码转录其在网络空间的运动轨迹。首先，将案例教学视频和智慧课堂互动的网络空间平面图，加载到MTS 软件中（见图4）。然后，单击网络空间平面图上的任意位置，课堂教学视频开始播放，便可开始编码转录。随着视频的播放，研究者可通过移动鼠标，在平面图中绘制教师或学生在网络空间相应的移动路径，转录与视频同步的教师或学生在网络空间的运动轨迹。最后，通过蒙德里安转录软件对案例教学视频编码转录，将生成两个CSV 文件，分别为教师和学生在网络空间的运动轨迹。

（2）可视化呈现。将在MTS 软件中生成的教师网络空间互动文件和学生网络空间互动文件，以及网络空间的平面图导入IGS 软件中，便可动态可视化呈现教师和学生在43 分钟的数学课堂教学中相应的网络空间互动轨迹（见图5）。

图5 师生课堂互动在网络空间的2D 可视化呈现

（三）结果的分析

本研究基于交互地理分析法，分别从教师视角和学生视角分析了智慧课堂互动所在的空间。其中，从物理空间视角分析随着时间的变化智慧课堂互动位置的流向，从网络空间视角分析随着时间的变化智慧课堂互动信息的流向。

1.互动位置流分析

互动位置流是指在课堂教学过程中，师生互动地理位置的流动情况，反映课堂组织的紧密程度和合理性。合理、有序的互动位置流，可以提高课堂互动效果，促进教学的顺利进行。本研究从物理空间视角对智慧课堂教学视频编码转录和可视化图进行观察，分析随着时间的变化师生智慧课堂互动位置的流向。

（1）教师视角。从教师视角来看，这节课的教学互动位置主要发生在讲台、白板、黑板以及走廊区域（见图6）。其中，教师的交互地理位置在讲台区域的占比为41%，说明整节课教师将近一半的时间都是在讲台区域发生的教学互动。作为一节新授课，教师整体的互动位置流多处于教室前部，扮演一个主导性、权威性的互动参与者。从互动类型来看，无论是单点互动（师个互动）还是多点互动（师组互动和师班互动）都较少，教师的互动位置流很少出现在小组区域和学生座位区域，特别是后排和两侧的学生座位。教师走近学生身边，与学生近距离交互的时间只有2 分钟左右（整节课43 分钟），教师忽略了与学生地理位置的交互。而在智慧课堂教学过程中，更为紧凑的小范围空间布局，为师生互动提供了更便利的条件，有利于营造平等融洽的互动氛围。

图6 教师物理空间的互动位置流

随着时间的变化，教师的互动位置流向不同的区域（见图6）。在课堂的激活新知阶段，教师为介绍教学主题和回顾已学知识，主要站在讲台区域与学生进行提问和对话；教师为展示学生课前学习任务的完成情况，主要站在讲台区域为学生讲解和展示他们的创客作品，并在黑板区域把学生说的部分分数进行板书。在课堂的探究新知阶段，教师的位置开始流向学生所在区域，但是更多的还是在讲台和白板区域。例如，教师为让学生理解分数中单位 “1” 的含义，让学生分组自主探究，教师则走进小组区域指导学生更好地完成任务。在讲授分数意义的获得以及探究分子、分母表示的意义时，教师除了在讲台与学生互动外，主要借助白板上的PPT 进行教学互动。在课堂的巩固新知阶段，教师通过习题检测学生知识点掌握情况，并巡视、指导学生答题，然后在白板上进行展示以及知识点总结。因此，在这一时间段内教师的位置流主要是在学生座位区域和白板区域。

（2）学生视角。从学生视角来看，这节课的教学互动位置主要发生在学生的座位区域（见图7）。但学生参与互动时的具体位置有所不同，可分为以下几种情形：一是所有学生在自己的位置上共同参与互动，占比为41%，表现在共同跟随教师回顾已学知识、共同交流探索分数的意义以及共同在iPad 学生端进行学习。二是部分学生在自己的位置上参与互动，占比为30%，可见教师对于学生的提问频率较高，智慧课堂下对于知识点的讨论更加集中；此外，前排座位学生参与互动的频率明显高于后排座位（前排为22%，后排为8%），这是课堂中的一个普遍现象。三是所有学生在自己的位置上参与组内互动，占比为20%，表现为学生使用iPad 学生端进行小组合作以及在小组内交流探讨。四是部分学生在白板区域参与互动，占比为9%，表现为两个小组上台在白板区域分享学习活动的成果。

图7 学生物理空间的互动位置流

作为一节新授课，还是以教师讲授为主，学生整体的互动位置流多处于教室的中后部，扮演被动的互动参与者。其中，学生的交互地理位置在所有座位区域的占比为41%，说明整节课学生将近一半的时间都是在自己的座位区域发生的教学互动。从互动类型来看，学生之间的互动主要是单组互动（组内互动），没有进行多组互动（组间互动）。学生的互动位置流很少出现在白板区域，讲台区域、黑板区域、操作台区域均未出现。

随着时间的变化，学生的互动位置流向不同的区域（见图7）。在课堂的激活新知阶段，学生的互动位置流向都是在座位区域。学生坐在自己的座位上倾听教师的讲解、回答教师的提问，以及察看学生课前制作的创客视频和课前任务的完成情况。在课堂的探究新知阶段，学生的位置开始流向组内区域和白板区域，但是更多的还是座位区域。例如，学生分组利用iPad 四叶草白板功能 “寻找不同的分数”，再由两个小组在白板区域演示交流其找到的分数及其分法，通过小组合作探究启发学生思考，从而掌握分数的意义及其获得。此外，在讲授新知的过程中，学生主要是在座位区域积极发言参与教学活动，但互动位置主要流向前排座位区域，离教师距离最远的后排右侧座位相对较少，后排右侧的学生可能会感到被忽视或孤立。在课堂的巩固新知阶段，学生在座位上利用iPad 做习题检测知识点掌握情况，并与教师交流阐述本节课的收获。因此，在这一时间段内学生的位置流是在座位区域。

（3）小结。从教师视角可知，这节课的互动位置主要流向讲台、白板、黑板区域；从学生视角可知，这节课的互动位置主要流向座位区域和小组区域。但是教师和学生的互动位置流向同一区域的时间较少，师生之间的互动更多的是远距离交互。这种情况可能导致教师忽视部分学生，剥夺部分学生参与互动的机会，从而影响这些学生的学习动机。长期以来，为了满足班级授课制高效率的要求，我国普遍采用秧田式的座位布局，这种布局方式过分强调教师在课堂中的主导作用，导致教师容易忽略与后排及边缘学生的互动。在智慧课堂环境下，师生互动也经常出现差别对待的情况。教师通常会有选择地与某些学生进行互动，而其他学生则被忽略（黄金，等，2017）。为了确保教学环境的公平和包容，教师需要积极尝试多样化的互动方式，以确保每个学生都能平等地参与到教学中。这意味着教师应努力克服位置带来的限制，积极与各个区域的学生进行互动，从而营造一个更加包容和平等的教学氛围。

2.互动信息流分析

基于信息流的教学分析是一种构建或还原教学真相的手段，是开展教学研究的基本分析方法（杨开城，等，2016）。教师和学生在智慧课堂的网络空间进行互动时，将产生大量的信息流动，这些信息流可以反映课堂教学情况和学习状态。本研究从网络空间视角对智慧课堂互动信息流进行分析，可以更好地了解学生的学习需求和表现，从而提供个性化的教学服务，明晰课堂的教学效果和改进方向。

（1）教师视角。从教师视角来看，网络空间互动的时长占据整个课堂的60%，说明在本课例中教师积极利用网络空间的信息流进行教学互动（见图8）。其中，资源空间占比为14%，表现在课堂的激活新知和探究新知阶段，教师通过播放、展示、推送和分享网络空间中的资源，回顾课前学习任务、强调知识点及布置讨论活动。讨论空间占比为38%，表现为师生围绕网络空间呈现的资源展开讨论、交流和评价，探索知识点、突破重难点。例如，教师于网络空间呈现包含分数的语句，让学生说一说其中分数的意义，学生积极发言，教师进行纠正与点评，在讨论中帮助学生巩固知识。管理空间则为教师查看学生错题、计时管理的空间，在课堂检测阶段，教师运用网络空间中的倒计时功能，管理学生的做题时间。

图8 教师网络空间的互动信息流

随着时间的变化，教师的互动信息流向不同的网络空间（见图8）。在课堂的激活新知阶段，教师利用白板呈现学生课前的学习情况和创客视频，互动信息流一直在资源空间。在课堂的探究新知阶段，教师借助iPad 推送学习资源、与学生进行讨论交流，并借助白板进行知识点的呈现。例如，教师为帮助学生更加透彻地理解分数的意义，利用白板呈现数轴上的分数，可视化直观地表达分数的意义。因此，在这一时间段内教师的互动信息流在讨论空间和资源空间交替出现。在课堂的巩固新知阶段，教师利用白板的计时功能管理教学活动（当堂检测），然后在网络空间对学生任务完成情况进行评价，因此课堂互动的信息流是由管理空间流向讨论空间。

（2）学生视角。从学生视角来看，网络空间互动的时长占据整个课堂的64%（见图9）。其中，讨论空间占比高达56%，说明在本课例中希沃多功能一体机、iPad 投屏设备，以及 “翼学院” 在线学习平台的联动使用，对于推进学生积极参与互动讨论的作用发挥较为明显，如在探究新知阶段，学生始终围绕网络空间中的资源呈现、活动布置等信息，展开互动交流，获取新知。

图9 学生网络空间的互动信息流

随着时间的变化，学生的互动信息流向单一，主要是在讨论空间（见图9）。在课堂的激活新知阶段，学生没有利用网络空间参与教学交互。在课堂的探究新知阶段，学生均是通过网络的讨论空间进行信息交互。例如，有两个小组上台利用iPad 和希沃白板展示小组成果，与教师和其他小组讨论交流分数的分法。在课堂的巩固新知阶段，学生的课堂互动信息流由演练空间流向讨论空间，表现为学生利用iPad在演练空间进行当堂检测，并讨论交流答题情况。

（3）小结。从教师视角可知，这节课的互动信息流主要在网络资源空间、讨论空间之间来回流动，以及短时间流向了管理空间；从学生视角可知，这节课的互动信息流从网络讨论空间流向演练空间再流回讨论空间。从整体看，这节课的互动信息流主要在网络资源空间和讨论空间，没有流向网络抢答、投票等竞争活动空间。虽然，教师和学生使用网络空间进行教学互动的时间较长（见图9），但网络互动空间利用不充分。在利用网络空间进行教学互动时，教师往往因应对信息设备和技术操作而感到疲惫，无法充分享受网络空间的便利，反而增加了额外的教学压力和负担。同样，学生的信息素养不高和技术操作能力不足，也使得他们在使用网络空间进行互动时承受了更多的技术负担，从而影响了他们的学习动机。

五、总结

IGA 从空间视角对智慧课堂互动过程进行转录切片分析和动态可视化呈现，为国内外学者研究智慧课堂互动分析提供了新的视角和方法，有助于教师和教育研究者掌握教师与学生的交互运动轨迹与互动空间偏好，也为教师有针对性地进行教学干预和个性化指导提供了新的依据。因此，IGA 在课堂互动分析领域有着较大的应用空间和发展前景。

在智慧课堂互动研究领域，IGA 的应用主要体现在三方面。一是应用IGA 研究不同互动主体的运动轨迹。研究者可以根据教师交互运动轨迹，探究教师是如何分配时间和注意力与课堂不同空间的学生进行互动的，帮助教师观察、反思其教学实践活动，从而促进教师专业发展；根据学生交互运动轨迹，可以探究学生在课堂互动过程中的参与度、学习投入度，以及是否会被教师忽略而导致其产生孤独感。二是应用IGA 研究混合式学习的互动类型。研究者可以根据物理空间的互动位置流和网络空间的互动信息流，观察线上线下空间互动的时长和频率，从而分析智慧课堂互动的类型是微混合式还是均衡混合式。三是应用IGA 研究不同课堂布局对师生互动的影响。不同的课型需要和互动需求，对智慧课堂的空间布局要求不同，会影响互动效果和教学效果。此外，IGA 还有助于智慧教室的建设实践，包括教室物理空间的布局和设计，以及网络学习空间的搭建和设计，从而提高教学空间的合理性和公平性。

IGA 的出现对智慧课堂互动分析研究领域具有积极贡献，研究者在应用中需要注意以下事项：一是在利用MTS 转录编码时，需要由两名以上研究者背靠背同时同地转录编码，以保证数据采集的信效度；二是在利用IGS 动态可视化呈现时，应导入多源数据（包括运动、对话、音频和视频等数据），进行多模态数据分析，以增强时空可视化效果；三是基于研究问题和分析目的，合理地划分智慧课堂空间区域，避免出现重叠和混淆的情况，并正确地绘制交互运动轨迹，以获得准确、可靠的分析结果。