高等教育数字化发展研究｜李志飞 曾文颖 张龑：融合可视化教学的高校智慧课堂互动行为研究
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李志飞 曾文颖 张龑.融合可视化教学的高校智慧课堂互动行为研究[J].中国教育信息化,2023,29(7):098-105.DOI: 10.3969/j.issn.1673-8454.2023.07.012
高等教育数字化发展研究
融合可视化教学的高校智慧课堂互动行为研究
李志飞 曾文颖 张 龑
摘 要： 集成丰富信息技术的智慧课堂让可视化教学形式变得丰富、高效，为分析该课堂环境下的高校师生互动行为特点，以湖北大学智慧课堂9节课程教学案例为研究对象，基于自主设计的课堂互动分类指标对教学视频进行量化编码与统计，从教学行为整体、学科性质比较与视觉表征差异3个层面对融合可视化教学的智慧课堂师生互动行为特点进行深入分析。研究发现，在此教学环境下，学生的“主体性”地位得到提升，对于可视化技术或工具的应用还有待适应；教师在进行言语教学的同时运用可视化教学进行知识表示，有助于提高理工类课堂的学生互动率；智慧课堂下的可视化教学流畅度高，且学生的参与氛围更浓厚，各种动态视频动画、可视化工具的使用能够进一步调动学生的学习积极性。
关键词： 可视化教学；智慧课堂；视频编码；互动行为；统计分析中图分类号： G434文献标志码： A文章编号： 1673-8454（2023）07-0098-08作者简介： 李志飞，湖北大学计算机与信息工程学院讲师，博士（湖北武汉 430062）；曾文颖，湖北大学计算机与信息工程学院本科生（湖北武汉 430062）；张龑，通讯作者，湖北大学计算机与信息工程学院教授，博士（湖北武汉 430062）
基金项目： 2022年国家自然科学基金青年项目“基于多源语义融合表示的非全及动态教育知识图谱推理研究”（编号：62207011）；2019年国家自然科学基金面上项目“基于知识图谱的按专业招生高考志愿智能推荐方法研究”（编号：61977021）一、引言
随着以学习者为中心的理念不断加强，教育研究者开始思考通过重塑教学空间来适应更多的主动学习活动。并且在信息技术快速发展的背景下，教育领域形成一批各具特色的智慧课堂。[1-3]作为一种典型的智慧学习环境，智慧课堂是传统多媒体教室的高级阶段，是高校信息化发展与智慧学习时代的必然选择。[4]与此同时，学校还应注重教师教学能力和教学质量的提升，在教学过程中不断贯彻知识可视化理念。依据内容呈现、资源获取、及时交互等方面的特性，智慧课堂为可视化教学方法的广泛应用创造条件。[5]
近年来，融合可视化教学方法的智慧课堂逐渐在我国高等教育中应用与推广。[6]其中，可视化教学策略与案例设计最受研究者关注，对优化教学环境、创新教学模式起到一定的推动作用。同时，在交互式设备和环境感知型智能技术的支持下，可视化教学活动不断被创新，学生的活动形式变得更加丰富，学习的空间也更加开放。在此背景下，有必要开展融合可视化教学的智慧课堂互动行为研究，总结师生的课堂互动行为特点，进而探索合适的教学策略。二、文献综述
智慧课堂经过近10年的发展，各种智能终端和软件资源成为其不可或缺的组成部分。当前，智慧课堂的显示设备多为具有交互功能的电子白板，相较于传统电子投影，其在教学组织、内容呈现、师生互动等方面更具优势，可以优化课堂教学环节，有助于学生的学习兴趣激发、深层次互动和情境化学习。[7]学习工具使用纸质课本与电子平板相结合，既能满足可视化教学的内容呈现，也能使教师通过软件的自动反馈调整教学内容与教学活动、与学生进行高效互动，实现个性化的学习指导。[8]纸笔数字技术的应用作为智慧课堂教学的新模式，它的异屏同书性能够有效增强师生之间的互动体验，[9]提高学生的学习兴趣、积极性和主动性。[10]在智慧课堂中，智能终端的支持能够显著促进课堂交互，为学生提供更为丰富的学习体验。与简易多媒体环境下的教学相比，智慧课堂的教学环境能够更好地激发学生的主动性和创造性，课堂教学互动更加深入、有效，并且学生的情感投入和行为参与也更加积极。[11]此外，智慧课堂环境支持多种互动方式和互动内容，能有效促进课堂互动的开展和提升互动的效果。[12]多种设备、系统、平台深度融合打造出的智慧课堂，不断优化课堂教学环节，打破空间限制，为师生提供远程双向互动条件，并为教学与学生管理提供新的方法。[13]设计的灵活性使智慧课堂能够克服传统课堂单调乏味学习环境的弊端，增强课堂间的互动，使学生更加主动地融入课堂学习。[14]基于高效的技术性、灵活性和实时性，智慧课堂为师生互动创造更好的空间，同时也增加师生间的互动时间和互动机会。[15]
可视化教学旨在研究如何通过视觉表达来促进知识在群体间的传递。其关注点在于如何将知识以视觉形式进行表征和展示，以更加生动、形象、直观的方式来帮助学生理解和掌握知识。[16]在智慧课堂丰富的软硬件与数字化资源支持下，其表征方式正在由二维图表向三维视频动画转变，近来流行的VR&AR（虚拟现实和增强现实）等技术也开始在教学领域中应用。[17]而5G的迅速发展让VR&AR技术得到更有力的支撑，使学生身临其境地感受和探索课堂教学中所提到的虚拟物体，使知识变得更加可观可感，有助于激发学生的学习兴趣和提高他们的学习参与度。[18]同时，可视化教学方式也在逐渐发生变化。有学者利用智能终端进行交互式可视化教学，支持学生在学习过程中进行假设、分析、理解和结论的提炼，可促进学生探究性和理解性知识的学习，以及意义构建方面的发展和提高。[19]有学者提出结合电子白板的可视化教学方法，将图像与文字同时显示从而进行双轨教学，探索智慧课堂中的可视化教学模型。[20]有学者通过对数字化学习领域的可视化教学模型进行比较分析，挖掘可视化教学的过程与方法，用于进一步指导可视化教学实践。[21]有学者将可视化教学工具运用于翻转课堂，通过实证研究证明其在促进学生课堂参与和自主学习方面的有效作用。[22]有学者运用编程知识地图通过可视化呈现教学内容及各内容间的关系，能有效降低学习信息的冗杂程度，提升教学指导效果，更好地帮助学生减少认知负荷等。[23]有学者以可视化编程课程为载体，衔接促进深度学习的学习模型，旨在将学生放在主体位置，教师进行情境创设，通过实证研究证明其有助于学生计算思维水平的提升。[24]
随着可视化教学在智慧课堂中的推广与应用，在此环境下的可视化教学应如何开展、其师生互动行为有何特点等问题还有待研究。为此，本研究选取湖北大学部分可视化教学案例为实验对象，基于已有课堂交互编码系统设计适合该智慧课堂的课堂互动分类指标，将教学视频依据分类指标进行量化编码，对融合可视化教学的高校智慧课堂互动行为进行统计分析与讨论。三、智慧课堂中运用可视化教学的优势分析
（一）丰富的视觉表征
可视化教学的理论基础之一是视觉表征，而恰当的视觉表征设计则是发挥其最大效果的关键。当遇到难以通过纯文本和数据解释的信息或关系，教师可借助智慧课堂中的智能显示设备，运用不同的视觉元素（图像、文字、颜色等）来进行表示。学习者通过编译知识的信息、颜色、深度等信息，进行组织与简化，实现对图像转化为知识意义的理解。[25]在此过程中，其优势在于将抽象知识仿真化、复杂知识虚拟化、文本知识形象化，借助视觉语言传播的优势，可以减少文本知识的认知负荷，促进学生的深度学习。设计者在进行视觉表征时，需要使可视化知识与原始知识结构保持一致，减少无关信息干扰并保持简单明了。同时，在教学过程中可以借助触控终端使用一些标记技术，如文字标记、颜色填充、符号使用等，引导学习者选择性关注重点知识。
（二）双轨的图文共显
采用文字和可视化知识相结合的双轨教学方式，能够增强学生对知识的理解和记忆，从而有效提升学生的学习效果，[26]其理论基础来源于双重编码理论。可视化教学通过多种视觉表征方法来呈现知识，在提供文本或语言信息的同时，帮助学生理解信息，从而提高学习效率并降低认知负荷。在此理论下，智慧课堂中的多屏显示设备可实现双轨教学。交互式电子白板作为一种新型的教学工具和手段，融合人机交互技术，相比传统的黑板和投影设备，它具有更加丰富和灵活的功能，并借鉴和创新传统教学模式，将传统课堂活动（如板书、演示、推理和注释）带回智慧课堂。多屏电子白板不仅可以同时呈现文本信息和图像动画，还支持学生与媒体进行互动，创造出更加丰富的教学形式。这种教学形式能够满足不同学习者的需求，让他们更加积极地参与到教学活动中。
（三）多端的课堂互动
课堂互动的丰富程度是建立积极、高效、和谐课堂的重要因素之一，它能够提供更多机会供学生与多媒体、教师，以及同学之间进行互动。传统教学模式往往以教师为主导，学生的互动水平较低，处于被动接受知识的状态。在多端互动的教学模式中，学生可以更自然地融入教师的教学活动。学生逐步由知识的接受者转变为课堂活动的主动参与者，教师逐步由知识传授者和灌输者转变为课堂活动的引导者和组织者。在这种教学模式下，多元化的互动教学方式让学生在不同触控终端上进行学科竞赛、合作学习、同步练习，增强学生的学习体验、动手能力和团队协作能力；同时，教师可用思维导图加资源的组织、多端同步的可视化教学、实时数据分析的作业等，协助学生参与课堂互动，了解学生的学习状态，创设互动课堂和探究式学习，提高教学效果和实施有效教学。四、融合可视化教学的初中智慧课堂互动行为研究设计
（一）研究对象
本研究选取湖北大学9节智慧课堂教学案例作为研究对象，具体信息如表1所示，包括数学、物理、化学、地理、音乐等多个学科，教学内容使用不同的可视化表征方式（包括静态图表、动态视频或可视化学科工具），平均教学时长在43分钟左右。在教学案例中，所有授课教师均具有丰富的教学经验，且课堂师生互动行为特征明显，数据统计与分析结果具有较强的解释力与代表性，因此作为本研究分析对象。
（二）研究工具
研究课堂的互动行为特点，需要基于课堂互动分析方法对教学视频进行量化编码与分析。弗兰德斯互动分析法（Flanders’Interaction Analysis System，FIAS）[27] 将教学过程中师生间的语言信息分为教师发言、学生发言、沉默或混乱等3大类10种编码。FIAS采用抽样的方式，每隔 3 秒观察一次课堂教学，并按相应编码加以记录。将这些编码按照时间顺序连接，形成一个序列，用于反映课堂教学的结构与风格。然而，FIAS方法存在显著的缺陷，过于关注课堂教学中教师的行为表现（7种编码），忽视学生的行为表现（3种编码），且没有考虑到教学技术和环境的影响。因此，在FIAS基础上，有学者对教师和学生的言语行为进行更为详细的分类，并引入信息技术因素的影响，提出基于信息技术的互动分析编码系统（Information Technology-Based Interaction Analysis System，ITIAS）。[28]而在多样化技术支持下，智慧课堂中互动行为分析需求日益增加，ITIAS已无法很好地满足分析需求。
近年来，有关智慧课堂环境下的互动分析方法不断被提出。叶新东从教师因素、学生因素、技术环境因素等3个方面构建智慧课堂的分析指标。[29]有学者则从言语（教师言语、学生言语）和技术（教师与技术、学生与技术）两个角度进行分类。[11]笔者结合上述两种智慧课堂互动分析方法的特点并进行相应的整合，设计适合湖北大学智慧课堂的课堂互动分类指标，较为全面地涵盖智慧课堂教学中一切互动行为的课堂互动分类指标，具体内容如表2所示。经邀请有关专家访谈，结果表明这套编码系统具有良好的结构效度。对多个课堂教学录像进行编码结果分析后，取得良好的统计效果，为进一步提升课堂教学质量提供有力支持。
（三）统计方法
本研究根据上文课堂互动分类指标，对课堂教学每隔3秒钟进行取样并进行编码标记。将每个编码与其前后的编码结合形成序对，可以反映互动行为的持续或变化情况。例如，序对（1，1）表示教师持续进行教学内容讲解，序对（5，10）表示教师在提出开放式问题后有学生进行主动回答。最终，将所有统计的序对频次填入对应列表中，以完成对课堂互动行为的编码矩阵记录。每个序对代表一个事件，每个事件代表一小段时间片段，将序对按照时间顺序连接起来形成总的时间序列，以此反映整个教学过程中的互动行为。
五、统计与分析
本研究基于表2所设计的课堂互动行为分类指标，结合9节教学案例视频编码记录得到课堂互动行为序列，按照上文划分的教学行为分析变量对每门课堂进行数据统计。依据统计结果与数据分析，本研究从课堂教学行为整体、学科性质比较、视觉表征差异3个层面对融合可视化教学的智慧课堂师生互动行为特点进行深入分析。
（一）教学行为整体分析
如表3所示，通过对课堂的教学行为整体统计结果可以发现：首先，在融合可视化教学的智慧课堂中，教学活动仍多由教师主导（平均教师活动率RT=61.5%），但学生活动的平均占比也不低（平均学生活动率RS=37.6%），超过总教学时间的三分之一，并且在课堂时间利用方面效率较高，能够将沉寂或混乱时间控制在1分钟以内（平均沉寂混乱率RQC=0.9%）。其次，师生在课堂中多以言语活动为主（平均言语活动率RLI=75.5%），对各种技术设备的应用时间较少（平均技术活动率RTI=23.6%），从侧面说明师生仍习惯于传统的讲授式教学，对新兴技术的使用还有待适应。最后，可以发现整个课堂的平均师生互动率RTS占比为50.4%，表明在大多数教学过程中，教师并没有直接地全程灌输知识，学生在可视化教学下也有较强的学习兴趣，能够充分与教师进行课堂互动，有助于教学活动的顺利进行。
（二）学科性质比较分析
为比较不同学科之间的课堂互动行为差异，本研究对9节教学案例进行独立统计，其结果如表4所示。参照CTBAS分析法的课堂类型判断条件，可以得知讲授型、互动型、混合型分别包含3门课堂。其中，互动型课堂分别为“化学与社会”（师生互动率RTS=63.7%）、“音乐欣赏”（师生互动率RTS=67.1%）、“乡村地理学”（师生互动率RTS=60.9%），属于理工科与艺术类课堂，表明可视化教学有助于提高此类课堂的学生互动积极性。理工类课堂需要学生具有对抽象问题思考的能力，借助于能够直观表达的知识可视化模型，学生能够更为容易地理解教学内容并主动参与课堂互动，这也从侧面支持上述研究结果。另外，可以发现3门讲授型课堂属于偏数学类科目，课堂的教师活动率RT占比均超过70%，这与课堂的学习内容有关，此类课堂侧重于知识的理解与推导。
（三）视觉表征差异分析
本研究使用SPSS24.0对静态视觉表征课堂（包括课堂S1、S3、S4、S5、S8）与动态视觉表征课堂（包括课堂S2、S6、S7、S9）的统计数据进行差异性检验，其结果如表5所示。从统计数据可以发现，两种课堂之间的教师活动率（t=2.764，p=0.028<0.05）与学生活动率（t=-2.867，p=0.024<0.05）均存在显著性差异。其中，静态课堂在教师活动率上高出19.0%，而动态课堂在学生活动率上高出19.7%，说明智慧课堂环境下的可视化教学呈现出流畅度高的特点，同时学生的积极参与氛围更加浓厚。使用各种图像、动画以及可视化学科工具，有效地吸引学生的注意力，进而激发他们的学习兴趣。在课堂的平均沉寂混乱率、言语活动率与技术活动率方面，两种课堂之间的差异不大（p值均大于0.5）。关于教学过程中的师生互动率方面，使用动态视觉表征的课堂显著高于使用静态视觉表征的课堂（t=-3.448，p=0.011<0.05），说明在课堂上使用动态视频或可视化教学工具对促进课堂的互动起到非常明显的作用。
六、总结与展望
本研究对融合可视化教学的高校智慧课堂互动行为特点展开研究，通过对9节教学案例视频的互动编码进行统计分析，发现：①在此教学环境下，学生的“主体性”地位得到一定提升，但师生在课堂中多以言语活动为主，对可视化技术或工具的使用还有待适应；②教师在言语教学的同时运用可视化资源进行展示，对理工类学生的抽象问题的思考能力和课堂互动率的提高都有很大的帮助，减少认知的难度；③各种动态视频、动画和可视化工具的应用使教学流畅度更高，同时也增强学生的参与度，进一步激发学生的学习积极性。
信息技术与教育深度融合是未来的发展趋势，关于智慧课堂环境下的可视化教学研究将会更加深入。一方面，可视化教学在不同学科的应用有效性还需更多的实证研究来检验与证明；另一方面，随着智慧课堂的发展，具有更高交互性的可视化教学工具会应运而生。
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（School of Computer Science and Information Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, Hubei）
编辑：王天鹏 校对：王晓明
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