網絡學習空間課堂教學活動建模研究*

周 鵬，劉佩文，張 丹，王紫琴，吳 砥

(華中師范大學 國家數字化學習工程技術研究中心，湖北 武漢 430079)

2018年4月教育部發布《教育信息化2.0行動計劃》提出，要實施“網絡學習空間覆蓋行動”，旨在“使網絡學習空間真正成為廣大師生利用信息技術開展教與學活動的主陣地”[1]。早在2017年教育部發布的《2017年教育信息化工作要點》中就提出，要“鼓勵教師應用空間開展備課授課、家校互動、網絡研修、學習指導等活動；鼓勵學生應用空間進行預習、作業、自測、拓展閱讀、網絡選修課等學習活動，養成自主管理、自主學習、自主服務的良好習慣”[2]，支撐師生開展各類教育教學活動成為了網絡學習空間的主要服務內容。目前，網絡學習空間上已開展大量的教學活動，并積累了大量的行為數據。2017年華中地區W市在學習空間上共開展教學活動逾6萬節次，累計產生動作數據已超過1.39億條。教學活動過程中的學習經歷數據可能承載著教育價值[3]，采用適當的挖掘方法可以使這些反映學習行為的數據成為跟蹤、評價與改進學習的最佳數據來源[4]。但網絡學習空間上的這些教學活動數據并沒有被充分應用于支持學習分析和學校管理，究其原因在于缺少對網絡學習空間課堂教學活動數據的建模與分析技術，如何構建能分析網絡學習空間課堂教學活動過程的模型成為網絡學習空間深層應用亟待解決的關鍵問題。

當前對教與學活動行為建模的研究主要包括個人學習行為和課堂教學行為兩類。在個人學習行為方面，主要研究網絡環境下學習者的學習行為，如喬惠等人提出了基于xAPI的開放學習環境下學習者行為分析模型[5]；歐陽健權等人構建了基于Trustie平臺的學生學習行為關系模型[6]；吳淑蘋立足于教師網絡學習實踐，設計了教師網絡學習行為模型。在課堂教學行為方面，王冬青構建了基于情境感知的智慧課堂動態生成性數據采集模型[7]；程云在課堂教學行為編碼系統的基礎上，提出了“課堂教學行為云”模型[8]。現有研究探索了網絡學習平臺的個人學習行為建模，為本研究提供了理論支撐。而面向網絡學習空間的教學活動，構建空間課堂教學活動的模型成為亟待解決的理論問題。

本研究面向網絡學習空間課堂教學活動的建模問題，首先在總結現有理論研究的基礎上歸納了網絡學習空間課堂教學活動的主要類型，其次設計了面向網絡學習空間教學活動的三層模型，再建立了空間平臺數據與空間課堂教學活動間的映射關系，最后選擇W市網絡學習空間中三節課程為實例以所構建的模型表示并分析了網絡學習空間中課程，總結網絡學習空間課程特點，以驗證本研究所提建模方法的科學性和可行性。

一、理論基礎

網絡學習空間是基于實名制的面向正式學習與非正式學習，能支持教與學過程和不同角色主體(教師、學生、家長等)交流，且運行于一定的學習支持服務平臺之上的虛擬空間[9]。網絡學習空間課堂教學活動是以網絡學習空間平臺為支撐，面向正式學習，以班級為單位，師生之間、生生之間開展的教學活動，是網絡學習空間與物理學習空間的融合互動。穆肅等從活動類型維度把課堂教學活動分為教師活動、學生活動、無意義教學活動[10]；王朋嬌等從教學設計模式的維度把課堂教學活動分為課前導入活動、課中授課活動、結課活動[11]；張娜等從認知類型的維度把課堂教學活動分為記憶型、理解型、探究型、創造型活動[12]；吉菁從教學活動模式的維度把教學活動分為情境教學、教師講解、小組活動、師生互動、生生互動、活動與作業等六項活動[13]。在課堂教學活動的基礎上，信息技術支撐下的課堂又新增了一些教學活動，如網絡學習組織和學習支持活動[14]、在線討論活動[15]、在線作業提交及評分活動[16]、模擬實驗與自主探究活動[17]、在線測試活動、游戲競賽活動[18]等。網絡學習空間拓展了課堂教學內容、創新了課堂教學方法以及改變了課堂教學模式，但空間課堂教學從形式和內容上的拓展也增加了網絡空間課堂教學建模分析的難度。

現有研究從不同的角度構建了不同的學習行為分析模型，如彭文輝等人針對網絡學習過程中學習者的網絡學習行為，“從學習行為多樣性角度，構建了多維度、多層次的網絡學習行為模型，以反映網絡學習行為在行為類型多樣性和行為層次性上的特點”[19]；毛剛等人以網絡學習活動開展過程中出現的如不符合正常學習規范的行為等各種問題學習行為為研究對象，提出了網絡問題學習行為分析模型，一方面從過程評價的角度改善學習者的學習習慣，另一方面也為教師改進教學提供指導意見[20]；胡藝齡等人針對學習者的在線學習行為，以學習分析需求為導向，從遵循問題解決流程模式出發，自底向上建立了數據、機制、結果三層次的、可循環的在線學習行為分析模型[21]，以理解和優化學習者的學習。但現有研究很少從數據采集與處理角度構建模型。

網絡學習空間課堂教學活動研究已有一定基礎，并歸納了傳統教學活動和信息化條件下的教學活動的主要類型和內容。而在網絡學習空間的條件下，教與學的形式和內容是一個不斷擴展和進化的過程，要求本研究所提出的建模方法能夠適應網絡學習空間課堂教學。而現有教學活動建模方法及技術研究尚不能支撐空間課堂教學活動的表示以及空間教學數據的分析，設計空間課堂教學活動的建模表示方法成為銜接空間課堂教學和空間后臺數據的關鍵。

二、網絡學習空間中的課堂教學活動

通過分析現有文獻與觀察總結網絡學習空間下的課堂教學視頻，本研究從課堂教學的類型、課堂活動的流程和說明以及空間活動操作，提出了七種類型網絡學習空間課堂教學活動，如下頁圖1所示。

教學活動是一種師生共同參加的教育活動，且遵循一定的結構與規律[22]。通過對網絡學習空間中課堂教學活動的總結，本研究歸納了包括教師講授、隨堂測試、分組合作探究、教師提問、自主探究、游戲競賽、模擬實驗在內的七種主要教學活動。這七類課堂教學活動涵蓋了大部分網絡學習空間課堂教學活動的內容，課堂活動反映網絡學習空間的課堂教學形式，空間活動反映網絡學習空間的后臺的行為動作，以數據形式記錄。

教學動作是教學活動的實體和細節，它包含一定的操作步驟，即按照一定程序完成動作，表現出一定的連續性和序列性[23]。網絡學習空間課堂教學活動都可以在網絡學習空間中分解為一系列具體且具有代表性的動作，例如：教師講授活動的角色僅是教師，包括講解、板書和演示三類可隨機或穿插使用的動作，其他教學活動則是唯一的動作流程。每類教學活動具有一定的規律，例如：隨堂測試教學活動的基本過程為“教師發布試題—學生接收試題—學生完成試題—學生提交試題—教師查看、評價測試結果”，其中“教師發布試題”這一代表性動作即活動開始動作，“教師查看、評價測試結果”即活動結束動作，從開始到結束這一系列動作即為隨堂測試活動。

三、網絡學習空間課堂教學活動三層模型

(一)模型的總體結構

面向網絡學習空間課堂教學活動的建模問題，本研究把網絡學習空間課堂教學活動劃分為三個層次：課堂教學層、課堂教學活動層、教學活動操作行為層，并通過連接現實的課堂教學活動與網絡學習空間中的數據，據此構建了網絡學習空間教學活動三層模型，如下頁圖2所示。其中，課堂教學活動是指師生利用網絡學習空間的相應教學功能和學習資源開展的課程，空間動作數據是指師生在網絡學習空間課堂教學活動中進行的具體操作行為。課堂教學層表示在網絡學習環境下師生共同參與所構成的課堂；課堂教學活動層表示網絡學習空間中的課堂教學活動；教學活動操作行為層表示師生進行網絡學習空間課堂活動時進行的具體操作行為。課堂教學層是由一節課內的課堂教學活動組成，而課堂教學活動層是由完成這個教學活動的所有網絡學習空間操作動作組成的。

圖1 網絡學習空間課堂教學活動分類

圖2 網絡學習空間課堂教學活動三層模型

(二)課堂教學層

課堂教學層以課堂為單位，把空間支持下的課堂表示成教學活動及其相互關系。教師使用網絡學習空間的教學支持服務和空間教學資源開展包括課堂講授、分組合作探究、隨堂測試在內的各類教學活動，把網絡學習空間課堂教學表示為若干個課堂教學活動組成的時間序列，如下頁公式(1)所示。

其中，課堂i代表師生利用網絡學習空間所開展的課堂教學集合，代表第i個課堂教學中采用的教學活動序列，包括：教師講授、隨堂測試、分組合作探究、教師提問、自主探究、游戲競賽、模擬實驗等教學活動類型。

(三)課堂教學活動層

課堂教學活動層以教學活動為單位，把空間教學活動表示成操作及其相互關系。教學由一些具有時間序列的活動或事件組成[24]。美國教育家弗蘭德斯提出的互動分析系統(Flanders'Interaction Analysis System)對教師的言語行為、學生的言語行為及沉寂三類動作進行了編碼[25]。本研究將課堂教學活動表示成活動參與者、活動類型、活動時間的三元組，但三元組并非活動的最小單位，因此也可表示成若干空間操作行為的序列，如公式(2)所示。

其中，操作者j代表操作網絡學習空間教學支持服務完成課堂教學活動中的師生集合；三元組中的類型j代表教學活動的具體分類；三元組中的時長j代表在網絡學習空間上開展課堂教學活動所用時長；行(n取值1、2、3……)代表操作者在網絡學習空間中的操作行為，其中教師與學生的操作行為可以同時發生。

(四)教學活動操作行為層

教學活動操作行為層以教學活動的空間操作為單位，設計空間教學活動操作的表示方法。基于xAPI提供的表示方法[26]，本研究把網絡學習空間中課堂教學活動中的操作行為表示為操作者、動作、對象、時間的四元組，如公式(3)所示。

其中，操作者k和公式(2)中的操作者j不同，公式(2)中操作者j表示參與同一個課堂教學活動的師生集合，而公式(3)中操作者k的表示在網絡學習空間具體某一個教學活動操作的操作者；四元組中的動作k代表教師或學生在網絡學習空間課堂教學活動中執行的具體操作；四元組中的對象k代表具體的教學內容或教學單元，以及在網絡學習空間中對應的資源對象；四元組中的時間k代表在網絡學習空間上進行教學行為發生的具體時間。

本研究截取了網絡學習空間后臺數據片段，其中以教師在網絡學習空間支持下的課堂講授為例，教師啟動網絡學習空間的錄課功能并打開課件開始講授的一系列操作[27]，如表1所示。

表1 準備錄課操作的動作序列

四、網絡學習空間課堂教學活動與平臺數據的映射

通過本研究提出的網絡學習空間課堂教學活動的三層模型，試圖將空間數據逐層還原為一個空間支撐下的課堂教學的全過程。反向來看，還可以用本研究提出的網絡學習空間課堂教學活動三層模型，可將一個空間支撐下的課堂分解成空間數據的集合。根據后臺數據中的有效數據可以識別出操作者的操作行為，其中包括教師行為和學生行為，按照時間序列還原教師或學生的課堂行為，如點擊、暫停、播放等，并以此識別對應的課堂教學活動，如教師講授教學、學生答題互動等，從而將多個課堂教學活動組合成為一段完整的網絡學習空間課堂教學，映射關系如下頁圖3所示。從平臺數據到空間課堂教學的映射關系包括從空間數據到操作層的映射、從操作層到教學活動層的映射和從教學活動層到課堂教學層的映射。

(一)空間動作數據到教學活動操作行為層的映射

在課堂教學過程中，教師和學生在網絡學習空間中的一切行為數據都將記錄在網絡學習空間數據庫中，這些數據可轉化為動作行為，可將空間動作數據表示為操作者、動作、對象、時間的四元組。對于網絡學習空間中任何一條數據，在動作層中都能找到唯一的行為和它對應。

(二)教學活動操作行為層到課堂教學活動層的映射

由上頁圖1可知，每一類網絡學習空間課堂教學活動都有相應的活動流程，而這些活動流程由特定的動作行為序列構成。以隨堂測試為例，學生答題和教師查看測試結果都為特定行為動作，通過將課堂教學活動表示成活動參與者、活動類型、活動時間的三元組將這一連串行為動作序列可轉化為教學活動。對于動作層的行為序列，在活動層都可以找到唯一的教學活動和它對應。

(三)課堂教學活動層到課堂教學層的映射

課堂以特定的教學模式為支撐，教學模式是在一定教學理論指導下建立起來的較為穩定的教學活動結構和活動程序。在網絡學習空間課堂教學中，通過公式(1)將課堂教學活動序列組合成一節完整的課堂教學。對于活動層的各類教學活動序列，在課堂層都能找到課堂教學模式與它對應。

圖3 三層模型映射

五、基于建模的網絡學習空間課堂教學活動實例分析

(一)研究過程

W市網絡學習空間平臺由W市政府購買，無償為中小學師生提供多種軟件應用，支持包括PC端、平板端和手機端等多平臺接入和跨平臺協同服務，支持教師講授、教師提問、自主探究等教學活動。本研究選取了W市網絡學習空間上三節小學階段不同學科的網絡學習空間課堂教學視頻作為實例，通過構建課堂活動與平臺數據之間的關系，驗證本研究的科學性和合理性。上述三節課實例均來源于W市網絡學習空間平臺中的高效云課堂優秀教學案例，如表2所示。一方面，教師使用網絡學習空間提供的工具備課和授課，平臺記錄了教師授課時的全部操作動作數據；另一方面，整個授課過程以視頻的形式記錄下來，發布到網絡學習空間上作為優秀教學案例供全市教師學習。實例分析依據本研究所構建的網絡學習空間課堂教學活動的三層模型，將課例視頻表示成課堂教學活動序列；其次從次數、時長和平均時長三個方面對課例1-3的課堂教學活動進行統計分析，以了解現階段W市網絡學習空間課堂教學活動應用情況和不同學科所使用的課堂教學活動；最后對分析結果進行了討論。

表2 實例基本信息

雖然當前W市網絡學習空間平臺已經能夠較好支撐圖1所示的各類型課堂教學活動，但對師生空間操作軌跡的采集和存儲仍不完備。因此本研究通過對課例視頻分析，以本研究所提出的空間課堂教學活動的三層模型，將課例表示成課堂教學活動序列。下頁表3展示了課例3的課堂教學活動序列片段。

(二)實例分析

1.課堂教學活動類型統計

本研究首先用公式(2)將教學活動表示成如下頁表3所示的課堂教學活動序列，再將課例按照教師講授、隨堂測試、分組合作探究、教師提問、自主探究和游戲競賽七類課堂教學活動的類別，分別統計了這些活動的次數、時長以及平均活動時長，如表4所示。

表3 課例3的課堂教學活動序列片段

表4 課例1-3各類課堂教學活動統計結果

2.教學活動的頻次、時長分析

本研究統計了各類課堂教學活動次數、時長和平均時長，結果如圖4所示。在次數方面，教師講授和教師提問是三門學科中出現次數最多的教學活動，其中教師講授出現的頻次最多，占45.45%。在時長方面，教師提問的總時間最長，占30.62%；分組合作探究活動時長接近教師講授，占20.19%。在平均時長方面，分組合作探究和自主探究平均每次開展的活動時長最長，分別占25.37%和30%。

圖4 空間課堂教學中活動統計

3.教學活動的學科分析

為探究網絡學習空間中不同學科采用的教學活動，本研究統計了不同學科教學活動的次數，結果如圖5所示。不同學科在各類活動次數方面大同小異，均以教師講授和教師提問為主，隨堂測試、分組合作探究、自主探究和游戲競賽為輔，各學科中教師講授和提問活動的次數均占各活動總次數的大半。

圖5 不同學科中課堂教學活動的次數分布情況

本研究還統計了不同學科教學活動持續時長，結果如圖6所示。在數學課堂上，教師提問的時長最長，占41.29%；在英語課堂上，教學活動類型多樣，且各類教學活動使用時長較為平均；在語文課堂上，教師提問和分組合作探究使用的時間相對較長，占到31.20%和30.93%。

圖6 不同學科中課堂教學活動持續時長分布情況

(三)實例討論

數據統計結果顯示，W市網絡學習空間各類課堂教學活動的使用情況存在較大差異，且不同學科所使用教學活動也有所區別。本研究結合統計結果，對現階段W市網絡學習空間課堂教學活動應用情況和不同學科所使用的課堂教學活動情況進行了討論。

1.學習空間支持下的課堂教學活動還是以教師講授和提問為主要形式

由圖4可見，雖然網絡學習空間支持多種課堂教學活動，但現階段網絡學習空間中教師常用的課堂教學活動仍是教師講授和教師提問。一方面，受到傳統教學思想和教學觀念的影響，教師對網絡學習空間的應用習慣僅僅是將其作為一種輔助教學的工具，對網絡學習空間的使用仍停留在傳統多媒體設備使用層面，課堂教學模式和教學策略并未產生較大的改變。另一方面，“教師使用信息技術優化課堂教學的能力較強，但對于應用技術素養能力轉變學習方式的能力還需進一步發展”[28]。網絡學習空間不僅提供輔助課堂教學的功能，也可支撐學生課前課后自主學習、教師備課教研等活動，教師在利用網絡學習空間豐富教學活動性方面還有很大的發展空間。

2.學習空間為分組合作探究等教學活動提供了支撐

由上頁圖4可見，由于網絡學習空間提供了充分的工具支持，分組合作探究等教學活動受到教師的關注。新課程改革的具體目標之一是培養學生搜集和處理信息、獲取新知識、分析和解決問題、交流與合作的能力，網絡學習空間為多種教學活動的開展提供了技術支持。為追求信息技術支撐下課堂教學活動的新突破，教師設計組織了分組合作探究和自主探究等多種體現學生主體地位的教學活動。在信息技術與課程整合的浪潮下，將以“教師為中心的傳統教學結構改變為既充分發揮教師主導作用，又能突出體現學生主體地位的主導—主體相結合的教學”[29]，教師正有意識地促進師生的雙向交互，推動課堂教學結構的改變。

3.學習空間滿足了不同學科的課堂教學活動的個性化需求

由上頁圖5和圖6可見，不同學科的課堂教學活動各有側重點，而網絡學習空間中的各類教學工具也滿足了學科教學的需求。語文作為知識與情感交織的學科，具有豐富的人文內涵，而網絡學習空間提供的分組合作探究活動，可以整體提高學生的語文素養。數學學科主要培養學生邏輯能力與創新思維能力，教師通過網絡學習空間隨機抽取學生進行有效提問能激發學生興趣，引發學生思考。英語學科作為語言性的學科，重視“實踐性和應用性”，提倡培養學生的交流能力，教師綜合應用網絡學習空間提供的隨堂測試、分組探究、多媒體講授等活動，更適應語言學習的特點。學習空間為學科教師提供了不同學習活動支持工具的選擇，教師可以根據學科的特點挖掘網絡學習空間中的特色功能，選擇合適的教學活動來傳授知識內容。

六、結語

網絡學習空間課堂教學活動三層模型既可以自底向上識別課堂，也可以自上而下解構課堂，通過該三層模型可以總結網絡學習空間課堂教學活動過程的一般規律和特點。本文首先通過分析相關文獻以及觀察網絡學習空間環境下的多節課堂教學視頻歸納了網絡學習空間中的課堂教學活動，然后構建了網絡學習空間課堂教學活動三層模型，最后以W市網絡學習空間三節課程為實例驗證了本研究方法的科學性和可行性。

本研究也存在許多不足之處，雖然筆者在實際研究中采集了大量的課堂教學過程數據，但是受平臺數據標準以及大數據采集功能的局限，本研究僅從網絡學習空間課堂教學活動層角度對網絡學習空間課堂教學進行分析，并未從平臺后臺數據(教學活動操作行為層)入手實現自底向上的識別。在未來的研究中將考慮從不同學科、不同年級等方面進行探討，以及從數據層面識別課堂，以實現智能化分析，從而真正地為提高師生的教學效果服務。