基于Python語言對小學信息技術教學行為的分析
——以“學會打字”項目為例

魏運根 吳永豪 廣東省深圳市光明區外國語學校

課堂教學分析是指依據一定的評價指標對課堂教學過程（師生行為、教學策略和工具）進行分析和評判，根據課堂教學過程的一般原則、教學目的和要求、學科性質等研究教學活動，為未來改進教學質量提供依據和判斷。課堂教學行為分析的主要對象是教師和學生行為，以及教師采用的教學策略和教學工具。Python是一門入門簡單且功能強大的編程語言，具有眾多功能豐富的第三方庫，被應用于人工智能、大數據、網絡爬蟲等方面。下面，筆者用Python語言分析小學信息技術教學行為的一般過程，并以《學會打字》一課為示范案例進行詳細闡述。

● 研究現狀

筆者通過中國知網檢索發現，近年來基于Python語言分析課堂教學行為的研究逐漸增多，主要集中在開發基于Python語言的教學工具和使用Python語言分析教學行為方面。

基于Python語言開發的教學工具被運用在不同學科的教學上，得到了一線教師的青睞。在英語教學中，李俊飛使用Python NLTK工具包輔助教學，NLTK是一個內置各類文體的文本資料的海量語料庫，在詞匯短語和句法語篇等教學方面提供了重大幫助。在分析物理實驗數據方面，李震春借助雨課堂在實驗教學的擴展功能，開發了基于Python的實驗數據實時檢測分析系統，該系統能檢測分析學生實驗數據存在的問題，對學生的實驗操作成績給出客觀的評定，提高了教師指導效率及教學質量。劉婷等人基于Python和Django框架設計了一個具備數據分析、案例交流等功能的可視化數據分析平臺，師生可以快速、清晰地獲得可視化分析結果。

使用Python語言分析教學行為的研究主要涉及常規教學、教學模式、學情診斷等方面。在常規教學中，侯巖利用Python分析教學過程中師生行為，繪制了S-T圖、Rt-Ch圖，計算得出本節課的教學模式，為提高課堂教學效率和促進教師自我發展提供了可行依據。在新冠疫情背景下，梁偉利用Python的大數據技術對在線教學情況進行數據可視化分析，為優化線上教學模式提供了改進方向。在成績分析方面，有研究者使用Python語言對學生成績進行了若干分析，可視化呈現各個班總分分數段人數占比、各班分數橫向對比、學生各學科的縱向成績比較以及科目與總分之間的關系等情況，為教師提高教學質量提供了有力的數據支撐。

● 基于Python語言的研究流程

在信息技術課堂教學中，使用Python語言研究教學行為的一般流程為：①確定研究主題和研究特征。從大方向確定研究主題，通過查找文獻、分析研究主題篩選研究特征，通過實驗分析主題與特征之間的關系。②確定技術路線。通過分析研究主題和特征，確定與其匹配的Python語言第三方庫，熟練掌握第三方庫的使用方法，制訂技術路線。③制訂實驗方案。分析教材和學情，根據研究主題與研究特征可能存在的關聯性制訂實驗方案。④實施實驗方案。在科學、客觀的情況下開展實驗，收集實驗數據，編寫、運行Python程序，分析實驗結果得出結論。

● 分析《學會打字》的教學行為

1.確定研究主題和研究特征

廣東省小學信息技術B版第一冊下的“學會打字”主題從認識計算機鍵盤的應用與布局開始，了解使用鍵盤的基本規范，掌握英文打字指法與擊鍵要領，借助金山打字軟件進行針對性的指法練習。在信息時代，計算機辦公與學習已是大勢所趨，而打字是學生使用計算機了解外界信息的基礎技能。所以，筆者選擇“學會打字”作為研究教材，將提高學生打字水平作為研究主題。

筆者通過檢索中國知網文獻和總結日常教學經驗，發現提高學生重視程度、采用游戲式教學和鼓勵式教學等方法能提高學生打字水平。同時，周旺純提出要注重課程導入，創設各種情境，激發學生學習主動性。盡管老師們提出了許多教學方法，但仍然存在一些需要解決的問題，如低年段學生專注力較差，如何處理一節課中練習時長與教學效果間的關系、如何提高練習速度和練習準確率等。因此，根據學生專注力、課堂時間、學生能力，設置合適的練習時長有利于提高練習質量，保持學生學習熱情。最終，筆者把打字練習時長、練習準確率、練習速度作為研究特征。

2.Python技術路線

為了確定打字練習時長、練習準確率、練習速度三個特征之間的關系，筆者采用最小二乘多項式函數擬合其特征，用Matplotlib庫繪制三個特征之間的可視化圖表。

（1）最小二乘多項式庫

最小二乘多項式（Least Squares Polynomial Fit）庫是基于最小二乘法（Least Square Method，LSM）構建而成的，用于擬合一組數據間規律（曲線）。最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找數據的最優函數匹配。假設給定一組數據點Hi(X,Y)，其中i=1,2,…,m,H來源于多項式

的多次采樣，針對樣本數據集H內各數據點的誤差平方和為：

進而取得近似曲線Y=φ(X),近似曲線φ(X)與Y=F(X)的偏差最小，本實驗粗略求得數據間的線性關系。

（2）Matplotlib庫

Matplotlib是Python的一個2D繪圖庫，主要用于生成繪圖，如直方圖、錯誤圖、散點圖等，它以各種硬拷貝格式和跨平臺的交互式環境生成高質量圖形。Matplotlib基于Python語言，不僅具有不亞于Matlab的作圖能力，還具有勝于Matlab的編程能力。筆者借助Matplotlib利用Numpy和Xlrd庫進行數據處理和關系擬合，繪制練習時長與練習準確率、練習速度之間的關系圖，為發現特征之間的規律提供依據。

3.探究打字練習時長對打字效果的影響的實驗方案

（1）實驗準備

學生在不同年齡段的專注力是不一樣的，研究表明7～10歲兒童的連續集中注意力時長不足20分鐘，在注意力集中的階段完成打字練習，效果是最佳的。筆者在所在學校信息技術課中展開實驗，探究練習時長與打字效果的最優解。文字輸入實驗的練習內容主要是“英文打字”，共11個鍵位課程，其內容如表1所示。

表1

（2）實驗步驟

步驟一：分組進行練習，不同組設置不同練習時長，練習時長為12～20分鐘，每節課練習1～2課內容，練習周期為10周，實驗總時長為兩學年。

步驟二：在打字練習結束后，將“金山打字通2010”中的練習成績（如圖1）記錄在成長記錄表中（如表2），實驗中收集了277名學生10個課程的練習數據。

圖1

表2

步驟三：剔除異常數據，編寫、運行Python程序，擬合出練習時長、準確率、練習速度之間的函數關系，制圖并進行分析。

4.實施探究打字練習時長對打字效果的影響的實驗方案

（1）實施實驗方案

實驗在筆者所在學校三年級展開，選取人數、學習基礎、班風學風均相近的班級作為教學班級，嚴格按照既定教學設計進行教學。班里以小組為單位，組內練習時間相等，由組長記錄每個學生的練習數據。本實驗分兩輪，每輪10周。在進行數據分析之前，筆者剔除了異常數據，然后采用Xlrd庫讀取Excel表格中已過濾的數據，分別將練習時長、練習準確率、練習速度賦予變量x、y、z，代碼如圖2所示。

圖2

使用Numpy庫中的polyfit函數擬合練習時長與練習速度、練習速度與練習準確率之間的關系，代碼如圖3所示。

圖3

最后使用matplotlib庫中的pyplot函數繪制練習時長、練習速度和練習準確率之間的散點圖和直線圖，代碼如下頁圖4所示。

圖4

（2）實驗分析

首先，分析同一課程中練習時長、練習速度與準確率的關系。基于Python語言，筆者將收集到的數據通過最小二乘多項式庫擬合出練習時長與準確率、練習速度與準確率之間的關系，用Matplotlib庫作圖。筆者以學生課程4GH的練習數據為例，繪制了練習時長與準確率的散點圖，如下頁圖5（a）中黑點。采用Matplotlib庫中polyfit函數來擬合出練習時長與準確率之間的關系，如圖5（a）中的直線。筆者發現，練習時長和準確率呈正相關，隨著練習時長的增加，打字準確率也在增加。在時間充裕的情況下，學生練習心態良好，而且適當增加打字練習時長可以提高學生的打字水平。

用同樣的方法繪制打字速度與準確率的散點圖和關系，如圖5（b）所示，其中黑點表示散點圖，虛線表示速度與準確率的函數關系。筆者發現打字速度與準確率呈負相關，隨著打字速度的增加，準確率緩慢下降，說明在練習過程中如果過于追求打字速度，則不利于打字水平的提高，因此，在打字練習初期，教師要時刻端正學生的打字態度，注重打字練習的質量和準確率。筆者將時間與準確率函數和速度與準確率函數重合，如圖5（c）所示，兩個函數存在相交點，其x軸為20.09分鐘，表明練習時長、速度與準確率的最優解為20.09分鐘左右。同樣，筆者研究了其他打字課程的最優解，發現練習時長在15.87～20.35分鐘時準確率較高（結合三年級學生注意力集中時間不超過20分鐘），建議練習時長為16～19分鐘。

圖5

其次，筆者比較了不同課程的平均準確率，如上頁表3所示。第一次練習的課程是ASDF，平均準確率為90.86%，后面依次練習的課程是EI、PQZ、GH，平均準確率分別為90.98%、91.01%、92.93%，隨著練習課程的增加，準確率也在逐漸增加，這說明可以通過增加練習次數來提高打字準確率。此外，筆者還比較了平均速度，發現隨著練習次數的增加，平均速度也在緩慢提高。因此，在“學會打字”主題教學中，教師應該增加學生練習時長和次數，鼓勵學生在家每周保持1次打字練習，以提高打字水平。

表3

（3）驗證實驗效果

為了驗證練習時長的有效性，筆者挑選了學情、基礎、人數都基本一致的兩個平行班進行檢驗。實驗班練習時長為16分鐘，對照班級不固定練習時長，其他教學內容均一致。通過10周的教學檢驗，筆者發現實驗班的學生打字準確率和速度都優于對照班（如圖6）。

圖6

● 結束語

本文基于Python語言分析了課堂教學行為，以“學會打字”項目為例，利用Numpy庫和Matplotlib庫探究了不同練習時長對掌握打字技巧的影響，通過多次實驗，筆者發現練習時長在16～19分鐘之間時，三年段學生練習打字效果較佳，學習興趣濃厚，此外，增加練習次數也能提高練習效果。因此，在教學中，教師要時刻端正學生的打字態度，提醒學生注重打字練習的質量和準確率。在未來的教學中，筆者將繼續研究學生的有效練習時長以及如何在有效練習時長內盡可能提高練習效果，研究文章提出的方法在高年段教學的效果。