在線協(xié)作學(xué)習(xí)中面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具設(shè)計與應(yīng)用研究

包昊罡 邢爽 李艷燕 鄭婭峰 蘇友

【摘要】在線協(xié)作學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)分析技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。教師作為協(xié)作學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，在協(xié)作學(xué)習(xí)中扮演著重要的角色但也面臨巨大的挑戰(zhàn)。面對眾多的學(xué)習(xí)者和復(fù)雜的任務(wù)，教師難以及時了解協(xié)作學(xué)習(xí)情況，便不能有效地指導(dǎo)學(xué)習(xí)。隨著學(xué)習(xí)分析技術(shù)的發(fā)展，可視化學(xué)習(xí)分析工具成為研究熱點。本研究通過梳理現(xiàn)有可視化學(xué)習(xí)分析相關(guān)理論和支持，提出了可視化工具的設(shè)計原則。并在此原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計了KBS-T可視化工具。同時，研究采用準(zhǔn)實驗的方法研究了教師對工具的接受度以及工具在教學(xué)過程中對教師認(rèn)知負(fù)荷的影響。結(jié)果表明，教師對工具有較高的接受度，認(rèn)可工具的功能和作用，愿意進一步使用工具;并且，可視化工具對于教師認(rèn)知負(fù)荷沒有顯著的提升，可以支持教師更好地開展教學(xué)。本研究嘗試為提升可視化工具設(shè)計的科學(xué)性，以及提升工具的用戶體驗提供理論和實踐支持。

【關(guān)鍵詞】? 學(xué)習(xí)分析;在線協(xié)作學(xué)習(xí);教師;可視化分析工具;認(rèn)知負(fù)荷;實證研究

【中圖分類號】? G434? ? ? ?【文獻標(biāo)識碼】? A? ? ? ?【文章編號】? 1009-458x（2019）6-0013-09

引言

學(xué)習(xí)分析就是測量、收集、分析和報告關(guān)于學(xué)習(xí)者及其學(xué)習(xí)情境的數(shù)據(jù)，以期了解和優(yōu)化學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)情境的技術(shù)與方法（Siemens， G. & Baker， R. S. J. D.， 2012; 李艷燕等， 2012）。伴隨著大規(guī)模在線教育的普及以及教育大數(shù)據(jù)技術(shù)的逐漸成熟，學(xué)習(xí)分析技術(shù)受到越來越多的重視，其應(yīng)用場景也不斷豐富。在線協(xié)作學(xué)習(xí)作為促進學(xué)生問題解決、知識建構(gòu)、合作交流等高階能力發(fā)展的重要手段，是在線教育質(zhì)量和效果的根本保證（琳達(dá)·哈拉西姆， 2015），也是學(xué)習(xí)分析技術(shù)應(yīng)用實踐的重要領(lǐng)域（毛剛等， 2016）。

在線協(xié)作學(xué)習(xí)不僅關(guān)注學(xué)生通過團隊協(xié)作完成知識建構(gòu)，而且強調(diào)教師指導(dǎo)的重要性（琳達(dá)·哈拉西姆， 2015）。但現(xiàn)有研究主要關(guān)注學(xué)生在協(xié)作學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)，教師的角色往往被忽略。這導(dǎo)致了協(xié)作學(xué)習(xí)中協(xié)作效率不高、成員參與程度低等問題。越來越多的研究表明，教師在協(xié)作學(xué)習(xí)過程中扮演著重要的角色（李艷燕等， 2008）。教師在協(xié)作學(xué)習(xí)過程中監(jiān)督學(xué)習(xí)者的協(xié)作情況、發(fā)現(xiàn)其存在的問題并進行干預(yù)，能夠有效提高小組成員參與協(xié)作活動的積極性，促進成員之間的交流互動，提升其知識建構(gòu)水平，對保證協(xié)作學(xué)習(xí)質(zhì)量具有重要作用（Kaendler， C.， Wiedmann， M.， Rummel， N.， & Spada， H.， 2015）。

在線協(xié)作學(xué)習(xí)中教師扮演重要角色的同時也面臨巨大的挑戰(zhàn)。在協(xié)作過程中，面對多組學(xué)生，教師承擔(dān)著巨大的工作負(fù)荷，難以監(jiān)控學(xué)習(xí)者認(rèn)知、元認(rèn)知、交互和協(xié)作等多種信息，更不易對出現(xiàn)的問題進行及時有效的干預(yù)。特別是在當(dāng)前在線學(xué)習(xí)人數(shù)不斷擴充、學(xué)習(xí)環(huán)境和任務(wù)日益復(fù)雜的背景下，這一挑戰(zhàn)更加突出。而利用學(xué)習(xí)分析技術(shù)，可視化呈現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)行為，可以幫助教師了解各組協(xié)作學(xué)習(xí)情況，降低教師監(jiān)控協(xié)作學(xué)習(xí)的工作負(fù)荷，提升教師的教學(xué)質(zhì)量（van Leeuwen， A.， 2015）。

當(dāng)前，國際上已經(jīng)開展了一些關(guān)于面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具的設(shè)計與應(yīng)用研究，但這些研究注重技術(shù)實現(xiàn)，缺乏相關(guān)可視化理論以及教育理論的支持（Vieira， C.， Parsons， P.， & Byrd， V.， 2018）。與此同時，國內(nèi)對于可視化學(xué)習(xí)分析工具的研究還處于起步階段，尚未對面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具進行深入探討。本研究系統(tǒng)梳理了信息可視化理論、認(rèn)知理論、協(xié)作學(xué)習(xí)分析理論以及現(xiàn)有的可視化學(xué)習(xí)分析工具，提出了面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具的設(shè)計原則。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了可視化學(xué)習(xí)分析工具并進行了應(yīng)用研究，以期為面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具的設(shè)計與開發(fā)提供理論與實踐支持。

一、面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具研究

可視化學(xué)習(xí)分析工具，又稱為“學(xué)習(xí)儀表盤”，是“對學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)行為進行精密追蹤，記錄并整合大量個體學(xué)習(xí)信息和學(xué)習(xí)情境信息，按照使用者的需求進行數(shù)據(jù)分析，最終以數(shù)字和圖表等可視化形式呈現(xiàn)信息的學(xué)習(xí)支持工具”（張振虹等， 2014）。簡單來說，可視化學(xué)習(xí)分析工具就是采用可視化技術(shù)將學(xué)習(xí)分析結(jié)果依據(jù)使用需求合理呈現(xiàn)，以支持使用者查看和理解數(shù)據(jù)，降低使用者的認(rèn)知負(fù)荷。

在線協(xié)作學(xué)習(xí)中，教師主要扮演監(jiān)督者、指導(dǎo)者和支持者等角色，為了更好地完成教學(xué)任務(wù)，其對學(xué)習(xí)過程的及時、有效了解十分必要。面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具，主要是對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)表現(xiàn)以及參與情況進行反饋，以幫助教師實時了解和監(jiān)督學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生問題并給予干預(yù)。面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具是學(xué)習(xí)分析研究的熱點之一（Schwendimann， B. A.， et al.， 2017）。為了全面了解當(dāng)前面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具相關(guān)研究，本研究總結(jié)了典型的18種面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具，如表1所示。

對表1中的工具進行分析可知，當(dāng)前面向教師的可視化工具的主要功能是對學(xué)生的學(xué)習(xí)活動、成績信息與社交關(guān)系進行統(tǒng)計和呈現(xiàn)，來為教師提供教學(xué)參考、學(xué)生學(xué)習(xí)情況預(yù)測等方面的支持。基于LOCO（Learning Object Context Ontologies）框架，LOCO-analyst從小組和個人兩個層面對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與社交特征進行了分析（Ali， L.， Hatala， M.， Ga?evi， D.， & Jovanovi， J.， 2012）。Student Success System通過對學(xué)生任務(wù)完成情況、參與度和社交情況進行分析，可以完成學(xué)生學(xué)習(xí)情況的多維呈現(xiàn)與預(yù)測（Essa， A.， & Ayad， H.， 2012）。SAM系統(tǒng)通過對學(xué)生學(xué)習(xí)時間的可視化分析，可以為教師提供學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的參考（Govaerts， S.， Verbert， K.， Duval， E.， & Pardo， A.， 2012）。另外，隨著可視化技術(shù)的成熟以及用戶數(shù)據(jù)、群體的擴大，在一些綜合平臺上，更加復(fù)雜和多維的分析工具也不斷涌現(xiàn)。例如，可汗學(xué)院（Kehan academy， https：//www.khanacademy.org/）于2013年推出了數(shù)學(xué)課程的可視化學(xué)習(xí)分析工具。該工具采用“任務(wù)進度”的方式，將學(xué)習(xí)者的知識進展可視化表達(dá)出來，可以支持整個學(xué)習(xí)和教學(xué)過程。牛頓平臺（Knewton， https：//www.knewton.com/）通過對學(xué)生與教師、學(xué)習(xí)內(nèi)容等不同對象開展交互的數(shù)據(jù)進行分析，可以產(chǎn)生多種圖表，對學(xué)生的知識水平、學(xué)習(xí)狀態(tài)和熟練程度進行實時推斷與呈現(xiàn)（萬海鵬等， 汪丹， 2016）。

近年來，國內(nèi)關(guān)于可視化學(xué)習(xí)分析工具的研究快速起步，研究開始關(guān)注到可視化學(xué)習(xí)分析工具的設(shè)計與應(yīng)用。張振虹等（2014）通過對可視化學(xué)習(xí)分析工具的梳理，總結(jié)了可視化學(xué)習(xí)分析工具的應(yīng)用現(xiàn)狀、功能特點與本質(zhì)屬性，并提出了集成化、高效性和動態(tài)性等發(fā)展趨勢。張琪等（2017; 2018）使用眼動儀，以實驗設(shè)計的方法，采用“線索”和“數(shù)據(jù)可視化”提升儀表盤的有效性，對不同可視化方法進行分析并提出了學(xué)習(xí)者個性化儀表盤的設(shè)計方案。姜強等（2017）基于Few可視化設(shè)計原則和Kirkpatrick四層評價模型設(shè)計了可視化學(xué)習(xí)分析工具概念框架并采用相關(guān)工具進行了驗證。

綜上所述，當(dāng)前可視化學(xué)習(xí)分析工具的研究已經(jīng)從理念倡導(dǎo)階段進入實際的應(yīng)用實施階段，但可視化分析工具的研究依然存在以下幾點不足：

其一，數(shù)據(jù)來源單一，缺少過程性數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)有可視化分析工具主要是分析學(xué)生的日志信息（如學(xué)習(xí)時間、文檔與工具使用等）、社交信息（交互次數(shù)、交互對象等）以及學(xué)習(xí)產(chǎn)出（如測試成績、上傳資源等）三類信息，缺少對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的對話、討論等文本信息和行為信息的分析與呈現(xiàn)，不能滿足教師使用需求。

其二，分析深度與粒度不足，缺少多維數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)?，F(xiàn)有工具主要是對學(xué)生淺層信息的歸類或簡單統(tǒng)計，沒有采用聚類、分類或者文本分析等更加深入的數(shù)據(jù)挖掘方法，難以深入地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)行為。在分析粒度方面，當(dāng)前工具主要對學(xué)生個體的情況進行分析，對于小組或者班級的分析較少，不能多維呈現(xiàn)分析結(jié)果。

其三，缺乏設(shè)計學(xué)理論支持，實證研究不足。當(dāng)前工具的設(shè)計主要從教育領(lǐng)域需求出發(fā)，缺少設(shè)計學(xué)和信息可視化方面的理論支持。而在工具的驗證方面，研究多采用問卷方式進行簡單的“易用性”和“技術(shù)接受度”調(diào)查，缺乏關(guān)于工具影響的更加深入的實證研究。

其四，國內(nèi)研究較少關(guān)注教師需求。在國際可視化學(xué)習(xí)分析工具研究領(lǐng)域，教師支持工具是主要的研究方向之一。但當(dāng)前國內(nèi)關(guān)于可視化學(xué)習(xí)分析工具的研究主要針對學(xué)生，鮮見面向教師的相關(guān)研究。

針對以上不足，本研究通過對可視化設(shè)計相關(guān)理論的系統(tǒng)梳理，提出面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具設(shè)計原則。在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)了KBS-T可視化學(xué)習(xí)分析工具，并展開了相關(guān)實證研究。

二、面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具的設(shè)計

（一）面向教師的可視化學(xué)習(xí)分析工具設(shè)計理論基礎(chǔ)

1. 信息可視化理論基礎(chǔ)

信息可視化是指采用計算機技術(shù)支持的、交互性的、對幾何屬性和空間特征的抽象數(shù)據(jù)的可視化表示法，以增強人們對抽象信息的認(rèn)知（趙國慶等， 2005）。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)量的幾何式增長與數(shù)據(jù)挖掘方法的進步，使得信息可視化的呈現(xiàn)內(nèi)容豐富多元，造成了可視化的“信息過載”。為了更好地呈現(xiàn)可視化信息，讓用戶能夠快速理解可視化內(nèi)容，在進行信息可視化設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同的信息類型設(shè)計不同的可視化方案，以促使用戶更好地理解可視化信息。Few（Few， S.， 2006）提出了可視化設(shè)計的基本特征和原則，認(rèn)為，一個好的可視化設(shè)計應(yīng)該能夠讓使用者快速理解數(shù)據(jù)與其期望目標(biāo)的相關(guān)性，并從中分析出結(jié)論以指導(dǎo)下一步的計劃或動作。

2. 認(rèn)知心理學(xué)理論基礎(chǔ)

用戶是可視化處理的主體，可視化信息離不開用戶的感知和理解。因此信息可視化設(shè)計需要關(guān)注用戶是如何感知和獲取信息的。當(dāng)前在認(rèn)知心理學(xué)的研究中，格式塔理論、雙重編碼理論以及認(rèn)知負(fù)荷理論解釋了人如何感知可視化信息。

格式塔理論（Gestalt）是早期的認(rèn)知心理學(xué)理論之一。其在可視化領(lǐng)域以“完型理論”而受到關(guān)注（李文燕， 2013）。該理論認(rèn)為視覺形象首先是作為統(tǒng)一的整體被認(rèn)知的，而后才以部分的形式被認(rèn)知，人們在進行觀察的時候，傾向于將視覺感知內(nèi)容理解為常規(guī)的、簡單的、相連的、對稱的或有序的結(jié)構(gòu)（陳必坤， 2014）。

雙重編碼理論由Paivio于1986年提出，其核心思想是：人類的認(rèn)知能夠同時對語言與非語言方面的信息進行處理，兩個子系統(tǒng)各自的信息加工過程對于人類認(rèn)知是同等重要的（Paivio， A.， 1986）。雙重編碼理論表明，將數(shù)據(jù)、知識通過可視化的方式進行表征可以增強人們利用非語言通道對信息的理解，提升信息加工的效率與質(zhì)量。

認(rèn)知負(fù)荷理論是在工作記憶的基礎(chǔ)上，由John Sweller基于有限資源理論和圖示理論提出的。認(rèn)知負(fù)荷是指在一定的時間內(nèi)，任務(wù)施加于個體認(rèn)知系統(tǒng)的心理活動的總和（Sweller， J.， 1988）。認(rèn)知負(fù)荷理論的觀點認(rèn)為降低圖形信息的冗余，將標(biāo)簽、指導(dǎo)語放在其所指代物體的旁邊，避免過多呈現(xiàn)不同類型信息，以及提供結(jié)構(gòu)化圖形等方式，有助于促進用戶對相關(guān)信息的深層加工，降低用戶的認(rèn)知負(fù)荷（高媛等， 2017）。

3. 在線協(xié)作學(xué)習(xí)分析理論基礎(chǔ)

研究者通過多個維度對在線協(xié)作學(xué)習(xí)本質(zhì)和過程進行了探究，提出了不同的在線協(xié)作學(xué)習(xí)分析框架?；诓煌睦碚撘暯呛蛯嵺`環(huán)境，研究者從學(xué)習(xí)者、行為特征、交互特點、認(rèn)知發(fā)展、元認(rèn)知能力等不同方面提出了協(xié)作學(xué)習(xí)分析模型。但傳統(tǒng)的協(xié)作學(xué)習(xí)分析模型主要是面向人工編碼的研究方法，一方面只關(guān)注協(xié)作學(xué)習(xí)的某個側(cè)面，沒有系統(tǒng)和全局地分析協(xié)作學(xué)習(xí)過程（Kim， M. & Lee， E.， 2012），另一方面也難以支持自動化的可視化分析與呈現(xiàn)（Zheng， Y.， Xu， C.， Li， Y.， & Su， Y.， 2018）。為此，鄭婭峰等（2017）提出了KBS協(xié)作學(xué)習(xí)分析模型，從知識加工、社交關(guān)系、行為模式三個維度構(gòu)建面向計算機支持的協(xié)作學(xué)習(xí)分析模型。該模型從學(xué)習(xí)分析的視角出發(fā)，對在線協(xié)作學(xué)習(xí)過程進行了全面刻畫。同時，其提出的方法可以自動測量協(xié)作過程中的知識水平與知識發(fā)展，深入挖掘協(xié)作過程中交互模式的序列與規(guī)律，有效識別群組成員的交互結(jié)構(gòu)，使得分析模型可以支持自動的可視化分析，滿足可視化學(xué)習(xí)分析工具的設(shè)計需求。KBS協(xié)作學(xué)習(xí)分析模型如圖1所示。