數據挖掘技術在交互課堂中的應用研究

沈華英

摘 要：交互課堂的教學互動過程也是一種信息的交互和處理過程，闡述了應用數據挖掘技術對課堂交互信息進行分析的模型，用以實現對課堂教學過程的反饋。

關鍵詞：數據挖掘技術；交互課堂；特點

課堂教學是一個具有一定周期性的過程，作為授業者的教師，通過不斷的教學實踐，對教學設計不斷地進行優化、更新、管理及評價的過程。本文探討通過數據挖掘技術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，從而有效促進教學設計的不斷更新。

一、課堂互動中信息的特點

在課堂教學中的信息交互是通過師生人際交流、教學過程等實現的，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、教師接受學生的意見信息、教師給予學生的鼓勵表揚、對學生的建議批評、學生答問信息、學生之間的討論、思考問題等信息，還有一些是課堂上與正常教學行為不相關的其他信息、課堂外有學生的作業、教師的批改以及自身學習與發展方面信息等。對這些信息數據的采集、處理工作量比較大。

2.可量化性低

課堂內外互動中的信息絕大多數是由言語、肢體語言來交互的，其中一些類似如學生對教學內容與方式的反應、學習中的興趣愛好、教師與學生互動中交流信息等不容易進行定性量化，導致處理起來比較困難。

3.信息的包容性大

在教學互動過程中的各類信息，如教師的教學方式、教學風格、教學內容的組織、師生的個人思維動態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

在課堂互動教學過程中對學生當前學習狀態、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。而在教學過程中對提問中學生的反應，判定學生的回答正確與否，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，從而使得數據信息采集工作量大，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的定性研究來評價，隨著當前數據處理科學的進步，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。通過對潛在信息數據中有價值的內容的提煉、整合、處理，可以及時從里面發現有用的數據信息，從大量互動數據中找到教育規律，用以教師對教學的改進。歸根結底，我們對課堂互動中信息的數據挖掘，是為了處理過后的信息反饋與我們的教學，從而更加有效地改進我們教學系統的設計、評價等系統。

二、數據挖掘及其技術

數據挖掘（DataMining）是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數據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，其目標是支持利用數據進行合理的決策。

根據信息存儲格式的不同，用于挖掘的對象有關系數據庫、面向對象數據庫、數據倉庫、文本數據源、多媒體數據庫、空間數據庫、時態數據庫、異質數據庫以及Internet等。其任務主要是關聯分析、聚類分析、分類、預測、時序模式分析等。

數據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進行：（1）問題的定義；（2）數據準備；（3）數據挖掘；（4）結果分析；（5）知識表示。

三、交互課堂中數據挖掘技術的應用

在交互課堂的設計中我們可以根據課堂互動信息的相關特點，通過整合數據挖掘應用的數據處理優勢，從包含海量信息的師生行動和語言互動中發掘并定性出有用的信息。然后通過對這些信息的統計等處理，讓隱藏在自然語言下的信息變成電子信息數據，通過教師對數據挖掘規則的參與，有效利用這些信息，從而產生可以指導我們教學實踐的數據挖掘結果。下面我們深入探討一下課堂交互中的數據挖掘應用。

1.課堂互動中數據挖掘的主要任務

利用數據挖掘技術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）對教師教學信息的挖掘。①對教師教學風格、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、與學生的互動能力等主觀性因素進行量化，可視化。②對教學信息中可重復部分的挖掘：利用分類、統計、甄別等工具把一些共性的信息提煉出來，拆分教學內容，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。還可以根據特定的課程進行分析。③教學設計、教學科目設置結構等信息：通過對不同的科目的教學設計的分析，可以了解科目類別之間的關系。通過數據挖掘后直觀地分析表和圖，系統可為教師提供教學設計對比，促進教學過程的改進。④教師對新技術應用的發現：隨著社會的發展和進步，各種各樣的信息技術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境。利用數據挖掘技術，對教師對新技術手段的應用效果及比例進行觀察，對新技術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，數據挖掘利用課程、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聯，為教師提供基于實際應用的合理模式推薦。⑥課堂互動過程變動信息：利用定性量化的課堂交互數據，通過數據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進程的把握程度。

（2）學生相關信息的挖掘。可以從以下幾個方面對學生的課堂反應和表現進行數據挖掘：①課堂參與的投入程度：首先觀察學生的參與比例，其次定性參與學生的投入程度?？梢詫Σ煌膮⑴c程度定性為全部、大多數、少數等，對參與投入的定性可以為：積極、一般。②交互的狀態：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：通過學生的反饋及主動性的互動，來看課堂交互的思維反饋狀態是否良好。④情緒表現：首先看學生互動中是否有情感上的投入，比如緊張與愉快；其次看學生是否能根據課堂交互的進行及時轉變狀態，比如前一段談論氣氛熱烈，轉入后一段的靜靜聆聽。⑤課程狀態：首先看學生能否在課程進行中，感到有收獲感；其次看學生對后續的課程交互是否抱有期待。

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

（3）教師、學生課堂交互信息的挖掘?！皫熒换ァ笔墙虒W設計實施中的關鍵環節，交互意味著師生有語言上的交流及行為上的互動。在課堂教學交互過程中一般互動是在授課者與聽課者、課程設計與教學實際之間進行的。師生間的交互信息主要表現在師生的互動交流、教師為學生直接提供的課程內容、課程內容的問答和學生錯誤的反饋等。通過使用數據挖掘技術，深入挖掘教學中的交互信息，讓老師改進自己的教學設計及課堂行為，提高實際教學效果，實現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據挖掘系統→現場記錄或通過WEB在線應用收集交互信息→信息的標準化和信息化處理→課堂互動信息分類編碼→數據信息進行轉換、處理→數據挖掘→挖掘結果分析→反饋教學過程。

3.課堂互動信息數據挖掘方法

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

4.基于課堂交互的數據挖掘系統設計

根據數據挖掘模型及課堂互動信息的特點，基于課堂交互的數據挖掘系統可由如下四個部分組成。

（1）數據采集模塊：模塊采集的信息主要包括課堂教學中教師、學生的各種行為、語言，師生間互動等信息。

（2）數據處理模塊：解決語義模糊性，數據庫按照元數據標準對數據進行清理、集成和變換，檢查數據的完整性和一致性。

（3）數據分析模塊：通過分析經過轉換的數據，根據數據挖掘的基本策略，對數據進行分析處理，得出結果并輸出。如，利用統計類數據挖掘工具對反映一般變化方向的教學趨勢變化進行分析，采用加權平均或最小乘2法對時序圖上的數據進行處理，以確定數據變化趨勢，為后續的教學決策與評價提供依據。

（4）數據評價模塊：對提取的信息進行分析，將結果與課堂教學的教育理論，學習理論相結合，根據起始目標的量規對課堂教學效果進行評價、反思教學。將有價值的信息區分出來，通過決策支持工具提交決策者。根據每個處理模塊的結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。在數據挖掘技術實際運用過程中，教師可以根據自身對信息需求的不同，通過對數據挖掘的一些語義規則的選擇和自定義得到不同的個性化結果。

數據挖掘的最終目的是希望得到相關的規則，而我們教育心理學中通過研究師生的前置互動行為來解析教育教學效果，建立特定的教學設計環節來達到教學效果。本文利用數據挖掘技術探討教學互動與學生發展及學習效果之間的關系，對課堂教學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學校電子信息學部）

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