數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在交互課堂中的應(yīng)用研究

沈華英

摘 要：交互課堂的教學(xué)互動過程也是一種信息的交互和處理過程，闡述了應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對課堂交互信息進行分析的模型，用以實現(xiàn)對課堂教學(xué)過程的反饋。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)；交互課堂；特點

課堂教學(xué)是一個具有一定周期性的過程，作為授業(yè)者的教師，通過不斷的教學(xué)實踐，對教學(xué)設(shè)計不斷地進行優(yōu)化、更新、管理及評價的過程。本文探討通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立一個可以對課堂交互中的信息進行有效整理、合理分析的信息處理模型，從而有效促進教學(xué)設(shè)計的不斷更新。

一、課堂互動中信息的特點

在課堂教學(xué)中的信息交互是通過師生人際交流、教學(xué)過程等實現(xiàn)的，這決定了這些信息具有以下基本特點：

1.信息采集工作量大

在課堂互動中由于交流過程中所表達的信息類型較多，包括教師的講授、提問、指示等方面的信息、教師接受學(xué)生的意見信息、教師給予學(xué)生的鼓勵表揚、對學(xué)生的建議批評、學(xué)生答問信息、學(xué)生之間的討論、思考問題等信息，還有一些是課堂上與正常教學(xué)行為不相關(guān)的其他信息、課堂外有學(xué)生的作業(yè)、教師的批改以及自身學(xué)習(xí)與發(fā)展方面信息等。對這些信息數(shù)據(jù)的采集、處理工作量比較大。

2.可量化性低

課堂內(nèi)外互動中的信息絕大多數(shù)是由言語、肢體語言來交互的，其中一些類似如學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容與方式的反應(yīng)、學(xué)習(xí)中的興趣愛好、教師與學(xué)生互動中交流信息等不容易進行定性量化，導(dǎo)致處理起來比較困難。

3.信息的包容性大

在教學(xué)互動過程中的各類信息，如教師的教學(xué)方式、教學(xué)風(fēng)格、教學(xué)內(nèi)容的組織、師生的個人思維動態(tài)等都包含了各種各類的信息綜合體，非常難以從這些信息的表面就判斷信息的類屬。同時這些信息有些還屬于生物信息范疇，難以分析。

4.信息的不確定性

在課堂互動教學(xué)過程中對學(xué)生當(dāng)前學(xué)習(xí)狀態(tài)、知識的掌握程度的判斷是基于教師的個人理解，具有不確定性，是具有一定的誤差的。而在教學(xué)過程中對提問中學(xué)生的反應(yīng)，判定學(xué)生的回答正確與否，都具有教師的主觀性。

正是由于課堂互動中的信息具有以上特征，從而使得數(shù)據(jù)信息采集工作量大，定性量化比較困難。所以很久以來從事教育信息整合的研究者常喜歡于用質(zhì)的定性研究來評價，隨著當(dāng)前數(shù)據(jù)處理科學(xué)的進步，如何更客觀地對課堂中的交互信息進行定性、量化、處理變得尤為重要。通過對潛在信息數(shù)據(jù)中有價值的內(nèi)容的提煉、整合、處理，可以及時從里面發(fā)現(xiàn)有用的數(shù)據(jù)信息，從大量互動數(shù)據(jù)中找到教育規(guī)律，用以教師對教學(xué)的改進。歸根結(jié)底，我們對課堂互動中信息的數(shù)據(jù)挖掘，是為了處理過后的信息反饋與我們的教學(xué)，從而更加有效地改進我們教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、評價等系統(tǒng)。

二、數(shù)據(jù)挖掘及其技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘（DataMining）是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數(shù)據(jù)中提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程，其目標(biāo)是支持利用數(shù)據(jù)進行合理的決策。

根據(jù)信息存儲格式的不同，用于挖掘的對象有關(guān)系數(shù)據(jù)庫、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫、文本數(shù)據(jù)源、多媒體數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、時態(tài)數(shù)據(jù)庫、異質(zhì)數(shù)據(jù)庫以及Internet等。其任務(wù)主要是關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、分類、預(yù)測、時序模式分析等。

數(shù)據(jù)挖掘的流程包括以下過程，這些過程不是一次完成的，其中某些步驟或者全過程可能要反復(fù)進行：（1）問題的定義；（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；（3）數(shù)據(jù)挖掘；（4）結(jié)果分析；（5）知識表示。

三、交互課堂中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用

在交互課堂的設(shè)計中我們可以根據(jù)課堂互動信息的相關(guān)特點，通過整合數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢，從包含海量信息的師生行動和語言互動中發(fā)掘并定性出有用的信息。然后通過對這些信息的統(tǒng)計等處理，讓隱藏在自然語言下的信息變成電子信息數(shù)據(jù)，通過教師對數(shù)據(jù)挖掘規(guī)則的參與，有效利用這些信息，從而產(chǎn)生可以指導(dǎo)我們教學(xué)實踐的數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果。下面我們深入探討一下課堂交互中的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用。

1.課堂互動中數(shù)據(jù)挖掘的主要任務(wù)

利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可從以下三個方面對零碎的、不容易識別的課堂互動信息進行挖掘。

（1）對教師教學(xué)信息的挖掘。①對教師教學(xué)風(fēng)格、特點的信息挖掘：包括對教師語言特點、提問的比率、提問的開放性程度、與學(xué)生的互動能力等主觀性因素進行量化，可視化。②對教學(xué)信息中可重復(fù)部分的挖掘：利用分類、統(tǒng)計、甄別等工具把一些共性的信息提煉出來，拆分教學(xué)內(nèi)容，概括出課堂交互中所傳遞信息的共性點，分析交互的信息量，進行定性。還可以根據(jù)特定的課程進行分析。③教學(xué)設(shè)計、教學(xué)科目設(shè)置結(jié)構(gòu)等信息：通過對不同的科目的教學(xué)設(shè)計的分析，可以了解科目類別之間的關(guān)系。通過數(shù)據(jù)挖掘后直觀地分析表和圖，系統(tǒng)可為教師提供教學(xué)設(shè)計對比，促進教學(xué)過程的改進。④教師對新技術(shù)應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)：隨著社會的發(fā)展和進步，各種各樣的信息技術(shù)手段在課堂交互中被利用，這些手段為改進課堂互動的效率提供了有效的環(huán)境。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對教師對新技術(shù)手段的應(yīng)用效果及比例進行觀察，對新技術(shù)手段對課堂交互的促進效果進行評估。⑤師生交互的模式：師生交互的模式有多種多樣，數(shù)據(jù)挖掘利用課程、科目、交互的模式、交互的效果等等進行分析，找出各種因素之間的關(guān)聯(lián)，為教師提供基于實際應(yīng)用的合理模式推薦。⑥課堂互動過程變動信息：利用定性量化的課堂交互數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘得出所需評估科目在交互過程中的變化，以提高教師對交互課堂的教學(xué)進程的把握程度。

（2）學(xué)生相關(guān)信息的挖掘。可以從以下幾個方面對學(xué)生的課堂反應(yīng)和表現(xiàn)進行數(shù)據(jù)挖掘：①課堂參與的投入程度：首先觀察學(xué)生的參與比例，其次定性參與學(xué)生的投入程度。可以對不同的參與程度定性為全部、大多數(shù)、少數(shù)等，對參與投入的定性可以為：積極、一般。②交互的狀態(tài)：首先看交互中是不是有多方參與的信息互動，其次看互動中交互是否友善、是否合作良好。③思維反饋的狀態(tài)：通過學(xué)生的反饋及主動性的互動，來看課堂交互的思維反饋狀態(tài)是否良好。④情緒表現(xiàn)：首先看學(xué)生互動中是否有情感上的投入，比如緊張與愉快；其次看學(xué)生是否能根據(jù)課堂交互的進行及時轉(zhuǎn)變狀態(tài)，比如前一段談?wù)摎夥諢崃遥D(zhuǎn)入后一段的靜靜聆聽。⑤課程狀態(tài)：首先看學(xué)生能否在課程進行中，感到有收獲感；其次看學(xué)生對后續(xù)的課程交互是否抱有期待。

日常的教學(xué)實踐證明，課堂交互中的學(xué)生投入與否，對交互的教學(xué)效果有著決定性的影響。假設(shè)學(xué)生的課堂交互狀態(tài)不夠，那么要找原因的話，就要從教師的教學(xué)設(shè)計或課堂氣氛營造上來找。我們利用學(xué)生信息的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，分析學(xué)生在交互的過程中的狀態(tài)，形成直觀的信息材料，為教師課堂教學(xué)的組織的改進提供支撐，同時也可以為教師教學(xué)效果評價提供依據(jù)。

（3）教師、學(xué)生課堂交互信息的挖掘。“師生交互”是教學(xué)設(shè)計實施中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，交互意味著師生有語言上的交流及行為上的互動。在課堂教學(xué)交互過程中一般互動是在授課者與聽課者、課程設(shè)計與教學(xué)實際之間進行的。師生間的交互信息主要表現(xiàn)在師生的互動交流、教師為學(xué)生直接提供的課程內(nèi)容、課程內(nèi)容的問答和學(xué)生錯誤的反饋等。通過使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，深入挖掘教學(xué)中的交互信息，讓老師改進自己的教學(xué)設(shè)計及課堂行為，提高實際教學(xué)效果，實現(xiàn)師生之間進行有效的互動。

2.挖掘課堂中互動信息的流程

建立課堂互動信息處理的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)→現(xiàn)場記錄或通過WEB在線應(yīng)用收集交互信息→信息的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化處理→課堂互動信息分類編碼→數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)換、處理→數(shù)據(jù)挖掘→挖掘結(jié)果分析→反饋教學(xué)過程。

3.課堂互動信息數(shù)據(jù)挖掘方法

在數(shù)據(jù)挖掘方法的選擇上，我們主要采用數(shù)據(jù)挖掘中應(yīng)用廣泛的統(tǒng)計學(xué)、關(guān)聯(lián)分析等方法，同時通過數(shù)據(jù)庫軟件的數(shù)據(jù)技術(shù)對信息進行處理。在挖掘課堂互動信息的時候，我們需要對時序數(shù)據(jù)庫和序列數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)挖掘，時序數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是一些反映隨時間變化的序列值或事件組成的數(shù)據(jù)庫，這些值是等時間間隔采集的數(shù)據(jù)。利用統(tǒng)計類挖掘工具和數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以在時序數(shù)據(jù)和序列數(shù)據(jù)的挖掘中實現(xiàn)對課堂教育信息的趨勢分析、相似性搜索、與時間有關(guān)數(shù)據(jù)的序列模式挖掘和周期性模式的挖掘。

4.基于課堂交互的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘模型及課堂互動信息的特點，基于課堂交互的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)可由如下四個部分組成。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：模塊采集的信息主要包括課堂教學(xué)中教師、學(xué)生的各種行為、語言，師生間互動等信息。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：解決語義模糊性，數(shù)據(jù)庫按照元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進行清理、集成和變換，檢查數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

（3）數(shù)據(jù)分析模塊：通過分析經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘的基本策略，對數(shù)據(jù)進行分析處理，得出結(jié)果并輸出。如，利用統(tǒng)計類數(shù)據(jù)挖掘工具對反映一般變化方向的教學(xué)趨勢變化進行分析，采用加權(quán)平均或最小乘2法對時序圖上的數(shù)據(jù)進行處理，以確定數(shù)據(jù)變化趨勢，為后續(xù)的教學(xué)決策與評價提供依據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)評價模塊：對提取的信息進行分析，將結(jié)果與課堂教學(xué)的教育理論，學(xué)習(xí)理論相結(jié)合，根據(jù)起始目標(biāo)的量規(guī)對課堂教學(xué)效果進行評價、反思教學(xué)。將有價值的信息區(qū)分出來，通過決策支持工具提交決策者。根據(jù)每個處理模塊的結(jié)果可以決定是否重新進行某些處理過程，在處理的任意階段可以返回以前階段進行再處理。在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實際運用過程中，教師可以根據(jù)自身對信息需求的不同，通過對數(shù)據(jù)挖掘的一些語義規(guī)則的選擇和自定義得到不同的個性化結(jié)果。

數(shù)據(jù)挖掘的最終目的是希望得到相關(guān)的規(guī)則，而我們教育心理學(xué)中通過研究師生的前置互動行為來解析教育教學(xué)效果，建立特定的教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)來達到教學(xué)效果。本文利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)探討教學(xué)互動與學(xué)生發(fā)展及學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)系，對課堂教學(xué)情境中師生互動的特點及主要影響因素進行研究。

（作者單位 浙江省衢州市中等專業(yè)學(xué)校電子信息學(xué)部）

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