學習分析視域下高?；旌鲜健敖獭薄皩W”探索與實踐

石貴民，劉長勇，孟世敏，張為慧

（1.武夷學院 認知計算與智能信息處理福建省高校重點實驗室，福建 武夷山 34300；2.武夷學院 數學與計算機學院，福建 武夷山 354300；3.武夷學院 教務處，福建 武夷山 354300；4.武夷學院 學報編輯部，福建 武夷山 354300）

《國家教育事業發展“十三五”規劃》指出：“以教育信息化推動教育現代化，積極促進信息技術與教育的融合創新發展?！盵1-2]“互聯網+教育”適時地拓寬了混合式教學的廣度與深度。2017年美國新媒體聯盟（new media consortium，NMC）發布的《地平線報告（Horizon Report）》展示了信息技術與教育深度融合的創新實踐趨勢——深度學習[3]，如圖1所示。

圖1 信息技術與教育深度融合的趨勢Fig.1 The trends of in-depth integration of information technology and education

國家鼓勵高校利用大數據技術開展對教育教學活動和學生行為數據的收集、分析和反饋，注重學習測量、重構學習空間，鼓勵教師利用信息技術創新教學模式、提升教學水平，以翻轉課堂、混合式教學等多種方式充分利用優質數字資源[4]，為推動個性化學習和針對性教學提供支持。但目前對這些數據的運用還很有限，且有效性不高，離實時適應性學習系統的距離還較遠。學習分析[5](learning analytics，LA)可以更有效的測量、收集、分析和報告學習者及其所在學習情境的海量數據，并用以評估學生、發現潛在問題、理解和優化學習過程及其環境。

《福建省“十三五”教育發展專項規劃》指出：“深化教育教學改革，實行啟發式、討論式、探究式學習?！盵6]推動示范性應用型本科高校建設，深化課程體系、教學內容、教學方式方法、教學管理制度等改革，提高應用型人才培養質量和增強學生就業創業能力。支持開展教學模式和方法的改革創新，支持課程教學改革，構建多層次、可選擇、有特色的課程體系。本研究在深化課程與教學模式改革的同時，全面推進教學內容的優化改革，以反向思維方式設計教學目標、教學內容；全面推進課程教學模式改革，積極推行基于真實場景與實際應用的案例教學、項目教學、任務驅動等能力導向的教學模式與方法，大力推進“雙師同堂、深度互動”等形式多樣的雙師教學新模式，改革課程考核方式，推行全過程、全方位、突出應用能力的課程考核方式。

“教”“學”的改革與創新，源于對學習者學習狀態的深層掌控。而網絡學習環境下，影響學習者知識建構的是教學情境、教師和學習者等因素[7]。起源于美國的翻轉課堂[8]和引入國內高校后本土化的MOOC，多年的教學實踐證明其效果是不盡人意的[9-11]，甚至變成“翻船課堂”。大學生作為接受高等教育的精英群體和SPOC（small private online course，小規模私有在線課程）[12]的主要學習人群，其學習情況直接影響著學習型社會的深度和廣度。反思和反省性學習思維方法只能在一定程度上提高學習參與度[13]，高校要進一步應用學習分析來改善課堂參與邊緣化狀況，優化學習環境和學習過程、提升教學效果，才能有效推動“教”與“學”的協同發展。

1 應用型本科混合式教學“教”“學”機制構建

國內近七成的高校已經使用學習管理系統(learning management system，LMS)支持混合學習，近年來基于WEB的學習平臺成為高校教學改革的重要技術支撐[14]，但存在各自為戰，集成度不高的問題。為此，研究團隊從深度融合的角度研發了“五化一體”混合式集成平臺。

1.1 “五化一體”混合式教學模式

依托認知計算與智能信息處理福建省高校重點實驗室，研究了信息技術與教育深度融合問題，從學習資源多樣化、在線導學具身化、互動評價開放化、思維訓練深度化、信息反饋立體化五個方面構建了線上線下、課內課外、校內校外、固定移動的“五化一體”混合式教學模式（如圖2所示），有效地解決了學生碎片化學習需求、教師精細化教學管理、教學目標達成度以及學生思維能力訓練等難題。

圖2 “五化一體”混合式教學模式Fig.2 “Five-in-One”mode for blended teaching

1.2 “潛能在線”平臺設計

“五化”之間相互促進、集成一體，形成了一個健康、可持續發展的教學生態系統，并通過“潛能在線”平臺得以實施。“潛能在線”平臺主要包括學習資源庫、在線導學、電子黑板、問題空間圖譜和深度學習等模塊，如圖3所示。

圖3 潛能在線平臺主要功能模塊圖Fig.3 Diagram of the main functional modules of the Qian Neng online platform

學習資源庫包括微課視頻、學科APP、教學PPT、電子化教材等多個平臺的資料，實現了多種資源的整合與共享。在線導學是引導學生完成學習任務及過程的可視化導航器，實現了學生具身學習，滿足了學生碎片化學習需求。電子黑板是課堂中師生互動，為學生提供問題質疑的互動系統，實現了教師主導、學生主體的互動課堂，提升了教師課堂教學精細化水平。問題空間圖譜以教材問題成像、個體問題分布圖、群體問題分布圖和學科問題評價分布圖等形式將分析結果反饋給師生，實現雙向修正教學設計與學習策略，提高了教學目標達成度。深度學習包括黃卡訓練、舒爾特方格、思維訓練、文圖轉換、思維導圖等訓練模塊，實現了學生思維能力的培養。

2 學習分析視域下混合式“教”“學”模塊設計

2.1 構建跨平臺、多載體的學習資源庫

近五年來，通過精品課程建設、在線網絡課程建設，與爾雅課程、智慧樹、高校幫、好大學在線等平臺合作，構建了近千門課程的學習資源庫，并通過“潛能在線”平臺實現了微課視頻、學科APP、教學PPT、微信、QQ等多種載體的一體化應用，有效地解決了學習資源孤島問題，實現了學習資源高度整合與共享，緩解了學生學習資源缺乏、學習資料單一的問題，為具身學習、互動課堂、深度學習提供多樣化的資源保障。

2.2 構建多終端、跨時空的在線導學

利用多樣的感知管理對象技術和教育情境矢量化技術，把優秀教師的教學經驗、教學流程和教學資源轉為可傳播、可重復應用的在線導學流程，實現了學生具身學習。一是充分利用移動互聯網技術、wifi技術以及Pad、筆記本、智能手機等多種具身設備，形成人人皆學、處處能學、時時可學的學習環境。二是通過在線導學，打破時間限制、空間界限，推行以學生為中心的啟發式、合作式、參與式和研討式學習方式，提高了學生分析解決問題的能力，培養了學生具身學習的積極性和主動性，學生碎片化學習需求得到了有效地解決。

2.3 構建雙主體、多手段的互動課堂

利用人機認知交互技術和人機認知情景信息采集技術[15]，借助師生即有的具身設備，構建了開放化的互動課堂，實現課堂實時數據采集、實時信息反饋與共享，有效地提升了教師課堂教學精細化水平。一是發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，提高學生作為學習過程主體的主動性、參與性、積極性與創造性[16]，使手機成為教學助理，讓教師和手機化敵為友。二是通過提問情境、問題內容可視化和互動評價等多種手段，讓學生利用智能手機參與教師互動，邊上課邊向教師在線提問，對其他學生的提問及作業也可以在線評價，彌補了學生在課堂現場不敢提問、不敢質疑的不足，提高了學生對課堂教學的參與度和活躍度。同時，也給教師提供了一個面對眾多學生同時互動的機會，及時采集學生在課堂內的學習行為和學習效果，掌握學生的學習動態，并將課堂學習信息及時反饋給學生，讓每位學生實時共享其他學生在課堂中的表現，教師課堂教學精細化管理水平得到了有效地提升。

2.4 構建多維度、深層次的問題空間圖譜

利用數字拓撲空間建構技術、學習分析技術和學習成像技術，構建了立體化的問題空間圖譜，實現雙向信息反饋，提高了教學目標的達成度。首先，構建基于認知內容、操作、數理的多維度認知標架，采集課前、課中和課后的學習數據并進行數字化處理，形成問題集。其次，利用學習分析技術對問題集進行分類、聚類、抽象等深層次挖掘，分析學生的認知結構和認知狀態，獲得學生群體性問題、個體性問題以及問題之間的關聯邏輯與規律。再次，采用學習成像技術對分析結果進行可視化處理，形成立體化的問題空間圖譜。最后，將問題空間圖譜反饋給師生，一方面有利于教師改進教學策略，另一方面有利于學生改進學習方法，實現雙向修正教學目標，有效地提升了教學目標的達成度。

2.5 構建重能力、多方法的思維訓練框架

構建深度學習平臺，實現對學生思維能力的深度化訓練。一是通過一點凝視、黃卡訓練和三色卡片來訓練學生的專注自控能力。二是通過舒爾特方格、瞬間閃視、眼肌訓練和記憶方格來訓練學生的照相記憶能力。三是通過詞語推理、思維訓練和想象作文來訓練學生的邏輯推理能力。四是通過文圖轉換、思維導圖和一目十行來訓練學生的快速閱讀理解能力。通過深度化的思維訓練框架，有效地提高了學生的學習力，達到了培養學生思維能力的目的。

3 應用實踐與創新

研究團隊以提升高校學生學習力為目標，設計了專門的課程《學習技術——來自認知神經學的學習力訓練》，簡稱《學習技術》。此課程以腦認知神經科學為基礎，開展學習力訓練，涉及專注自控、快速閱讀、深度理解、照相記憶、高效思維、系統方法、具身模擬等內容。試圖培養學生的深度學習、具身學習、自主學習等學習能力，培養學生的高階認知能力，以人機交互模式展開，發揮當前大學生都有筆記本電腦、平板等智能終端的優勢，同時也降低教師教學強度。將通過人機環境采集學生學習過程數據，形成學習、認知大數據，通過學習分析、診斷提升學習效率。

在實踐中，每周訓練2個課時，學生在機房開展教師監督下的《學習技術》在線訓練，或在課外開展人機無監督訓練。

3.1 專注力、自控力獲得提升

聽課看書的專注力提升，學生能夠比較長時間地堅持看書狀態，看書閱讀的效率提高，專注力甚至還超越閱讀過程，表現到其它學習過程中，比如，能夠更加長時間地專注解題、思考，不容易走神，很快能夠沉浸在學習中。表1是2017—2018下學期，《學習技術》課程部分大學生的五階舒爾特方格的訓練數據?；跁r間參數、訓練次數可以看到明顯的個性差別。

表1 大學生《學習技術》五階舒爾特方格訓練數據(四課時后)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以上的快速閱讀力

訓練之前，大部分學生的閱讀速度在500字左右，學生的深度閱讀能力不足，經過訓練后，眼球掃描，文字理解能力獲得提升，基本能掌握一目十行的技能，閱讀速讀達到每分鐘2 100字，甚至部分學生達到7 000字/min以上。表2是經過兩周四節課《學習技術》人機訓練后，部分大學生的閱讀速讀就可以達到1 000字/min，從數據中我們也可以看到學生的個性差異。從數據表簡單分析，五階舒爾特方格成績靠前的大學生，一目十行的能力相對也較強，隨著數據增多，我們可以獲得更多可信關聯。

表2 大學生《學習技術》一目十行快速訓練數據(四課時后)Tab.2 Data of fast-reading training of"learning techniques"for college students(after four class hours)

總體上，此訓練讓學生短期內實現學習力的提升，形成“深度學習、具身學習、自主學習”習慣，尤其在專注力、記憶力、系統思維、具身模擬方面獲得飛躍，建立全新的學習認知架構[17]、改善學生整體的學習能力。

4 研究總結與啟示

通過多種信息技術與教育的深度融合，從學習資源多樣化、在線導學具身化、互動評價開放化、思維訓練深度化、信息反饋立體化五個方面構建了線上線下、課內課外、校內校外、固定移動的“五化一體”混合式教學模式?！拔寤敝g相互促進、集成一體，形成了一個健康、可持續發展的教學生態系統。

充分利用智能手機等自媒體設備，改變傳統思維中“堵”的觀念，讓學生以第一者“我”的角度進行學習情境具身模擬和復演，拓展了學生的學習時空，形成了多樣化的學習方式，激發了學生自主學習的積極性和主動性，有效地解決了學生碎片化學習需求、降低了學生課堂參與邊緣化程度。

基于認知標架采集學生學習難點和熱點，聚類分析學生學習數據，通過可視化處理形成立體化的問題空間圖譜，并反饋給師生，讓教師精準把握學生的學習狀態與個體差異，及時改進教學設計，同時也讓學生掌握自身的學習狀態，依此調整自己的學習策略，最終達到提高教學目標達成度的目的。

從認知神經科學的視角，繼承傳統教育學、心理學、學科教學法的內容，吸收認知科學的最新成果，從層次性的信息抽象處理架構、多維度的信息分析操作架構、深度化的思維訓練方法等方面構建深度學習框架，圍繞專注力、速度、深度、創新、記憶、表達等維度對學生開展深度化的思維能力訓練。

建立了基于“五化一體”混合式教學模式的“互聯網+教育”實驗區，并在北京、河南、遼寧、福建等地100余所中小學校推廣應用。以人機交互訓練云平臺模式，通過“在線人機學習”和“離線人工教學”開展混合式教學；建立智能設備支持下的“課內輔導”和“課外訓練”相結合的隨時隨地可學習模式；運用學習分析技術，通過大數據采集學習數據，開展開放、多元的學習評價，降低教學負擔；實驗區符合我國當前的教育環境和實際，研究成果已獲得福建省教學成果二等獎2項，具有可推廣的條件、價值和前景。

“互聯網+教育”落腳點和本質是教育，互聯網只是一種技術手段。從傳統課堂到多媒體課堂，某種程度上只是用PPT代替了板書，對教師信息技術運用能力的要求并不高。但嶄新綜合的混合式教學，師生不僅需要具備熟練利用在線教學工具的數字素養，還應具備運用學習分析技術對教學情境的數據進行測量、收集、分析進而優化教學過程以及學習環境的信息素養[18]。要深度融合教學環境、教學過程、教學結果及師生情感體驗四個層面[19]，數字化學習研究者需從信息技術和教育本質出發，一方面信息技術研發者要增強學習分析工具的適用性，另一方面，教育決策者要創設更加寬松的學習分析技術應用環境，幫助教師掃清教學能力障礙，提升教師教學智慧，以便搭建“教學者+信息技術+學習者”三位一體的新一代數字化教學環境。