◆劉驥樂 張文輝

作者：劉驥樂、張文輝，北京郵電大學教育技術研究所（100876）。

1 前言

美國著名教育心理學家斯金納基于操作行為主義理論和強化原則提出的程序教學法，其影響從20 世紀50年代起直到現(xiàn)在。目前，隨著教育信息化的快速推進，程序教學在網(wǎng)絡教育平臺中的應用也越來越常見，尤其是在面向成人的遠程教育中，斯金納程序教學法幫助教師有效地提高了教學效率。然而，在實際的實踐過程中，程序教學并未有達到預期的教學效果，這說明該教學思想仍然存有一定的不足等待被補充或完善。

學習分析是近年來教育技術領域內的新熱點，它是運用先進的分析方法結合數(shù)據(jù)以及模型研究學習者投入的情況、績效和學習進展情況，以期及時將研究結果用于修訂課程、教學和評估[1]。學習分析理念的提出恰好可以運用在遠程教育平臺中，從客觀信息的基礎出發(fā)，去了解程序教學活動中學習者的真實進展情況，從而結合程序教學的不足，探索出一套適合遠程教育平臺的優(yōu)化方案。

2 斯金納程序教學法

斯金納程序教學法的興起程序教學法最初源于魯萊西設計的一種進行自動教學的機器，他試圖運用該機器替代或者輔助教師的部分工作，從而節(jié)省時間和精力，然而這種設計在當時并沒有引起重視和關注。二戰(zhàn)以后，美國的資本主義制度發(fā)展到了壟斷階段，為了最大限度地獲取利潤，必須充分地激發(fā)人的潛能去提高生產效率，才能滿足資本家們的需求。這種追求高效率的思想也逐步擴散到教育領域中，因為在當時學生的數(shù)量越來越龐大，而教師的數(shù)量已經不能滿足社會的需求，從而教育也必須注重效率，傳統(tǒng)的教學方法也迫切需要改變。1954年，斯金納從行為主義理論角度提出了程序教學法，恰好應對了當時傳統(tǒng)教學效率低下的弊端，在教育領域引起巨大的影響并且被推廣到其他國家的中小學教育中，從而有力地促進了程序教學運動的發(fā)展[2]。

斯金納程序教學思想斯金納的程序教學思想主旨是以操作反射條件和強化原則理論來設計教學機器和編制程序教材，并強調強化對學生自主學習的積極作用。程序教學主要分為兩類：直線式的程序和分支式的程序。斯金納程序教學屬于前者。其特點主要是把學習材料由淺入深地直線地編排，并把這些學習材料分成許多連續(xù)的步子，然后呈現(xiàn)給學生。在呈現(xiàn)每一個步子時，要求學生進行應答反應，如果答對了，機器就給出正確的答案，然后再進到下一步。每個學生都要按照機器規(guī)定的步驟，層層遞進地學習，最終完成材料中的所有學習內容[2]。

然而，程序教學畢竟是在20 世紀五六十年代提出的教學思想，隨著時代的發(fā)展，它在實際教學實踐中的不足也逐步顯現(xiàn)出來，通過總結歸納，主要有以下兩點。

1）缺乏對人性的認識。斯金納本人極度崇尚科學主義，認為人的行為規(guī)律完全可以用科學的方法來度量，而至于人的心理、情感、性格等不可度量因素只能被當作黑盒子被忽略。實際的教學中，學生自身的屬性以及學習風格是需要得到分析認知的，才能真正有效地做到個性化指導教學，僅從學生的學習結果和學生的自我認識來做程序教學還是太過淺顯[3]。

2）師生之間缺乏交流。在教學實踐中，學生極其需要和教師溝通交流在學習過程中發(fā)生的問題，以及對自身學習能力的評估。然而，事實上參與程序教學活動的學生只是單純地與教材聯(lián)結，教師僅僅只是做教材的設計，學生與教師之間嚴重缺乏交流，并不利于教學活動的可持續(xù)發(fā)展[4]。

因此，斯金納的程序教學法延續(xù)到今天必須要結合時代的需求才能在實踐中獲得良好的效果。現(xiàn)今，隨著科學技術的快速發(fā)展，程序教學的呈現(xiàn)形式也在不斷地更變，由傳統(tǒng)的教學機器遷移到計算機上，又由線下的程序教材轉變到線上的網(wǎng)絡化資源，雖然程序教學的呈現(xiàn)形式變得越來越新穎，但是這些形式的轉變并沒有為程序教學的不足帶來實際的解決方案?，F(xiàn)代教學的思想逐步超越行為主義向認知建構主義發(fā)展，注重構建學習環(huán)境，強調以學習者為中心，激發(fā)學生學習的主動性才是目前教學的重心[3]。而程序教學新的發(fā)展思路也應該從關注教學機器和程序教材的開發(fā)，逐步走向優(yōu)化系統(tǒng)教學設計上來。

3 學習分析的概念

學習分析是近年來在教育技術領域內備受關注的熱點，目前在教育學術界尚未形成統(tǒng)一的界定概念。學習分析研究協(xié)會（SoLAR）對學習分析技術的定義為：測量、收集、分析和報告關于學習者及其學習情境的數(shù)據(jù)，以期了解和優(yōu)化學習和學習發(fā)生的情境[5]。美國高等教育信息化推進組織E-DUCAUSE 對學習分析的描述是：使用數(shù)據(jù)和模型預測學生學習進程和績效以及使用該信息進行干預。盡管專家們對學習分析的理解有一定的差異，但是總體來說，學習分析的概念可以簡單總結為：運用先進的分析方法結合數(shù)據(jù)以及模型研究學習者投入的情況、績效和學習進展情況，以期及時將研究結果用于優(yōu)化學習以及學習情境[6]。

學習分析作為一類教學技術的集合，與傳統(tǒng)教學技術不同的是，它同時面向于學生和教師。學習分析技術通過學生參與系統(tǒng)或平臺學習過程的數(shù)據(jù)提供分析和建議，從而有助于教師提高教學質量和學生提高學習效率。因此，在遠程教育中，可以嘗試運用學習分析探索一套優(yōu)化方案，聯(lián)結學生與教師，從而補充傳統(tǒng)程序教學的不足。然而，學習分析與程序教學結合的設計則應該從教學研究目標和系統(tǒng)自身特點出發(fā)，才能因勢利導，使程序教學運動走向可持續(xù)的發(fā)展。

4 學習分析的設計

虛擬實務系統(tǒng)是北京郵電大學網(wǎng)絡教育學院面向成人培訓的遠程教育平臺，在該平臺上的實驗課程都是基于斯金納程序教學思想來設計的。本次研究主要是先選定其中的一門實驗課程——路由器配置實驗進行設計與實施，而后再拓展到其他實驗課程。

首先，應該結合學習分析的理念和模型，從整體出發(fā)，對虛擬實務系統(tǒng)做系統(tǒng)化設計。系統(tǒng)化設計應該分模塊地梳理，每一個模塊之間的聯(lián)系是緊密結合的，如圖1所示。

研究目標和系統(tǒng)特點首先，由研究目標可以清楚地知道教學管理者的學習分析需求。筆者通過與該系統(tǒng)的教學管理者張老師訪談交流得到教學研究目標，其中要點主要可以歸納為兩點：第一是如何根據(jù)學生的注冊信息以及在線學習記錄等數(shù)據(jù)，對學生進行分層教學；第二是參與實驗課程學習的學生通過分層后有哪些個性化差異。

然后是對虛擬實務系統(tǒng)特點的分析。虛擬實務系統(tǒng)是面向成人教育的網(wǎng)絡學習平臺，其中含有登錄模塊、注冊模塊、課程學習模塊、學習資訊模塊等。本次研究主要選取的是登錄記錄、注冊模塊中的用戶數(shù)據(jù)庫表，以及課程學習模塊的學習記錄等數(shù)據(jù)信息進行分析。

數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)預處理從研究目標和系統(tǒng)特點出發(fā)，筆者選定參與過路由器配置實驗的其中一個班級的數(shù)據(jù)記錄為研究對象，該班級的總人數(shù)為50 人，所要采集的數(shù)據(jù)主要有兩個方面：首先是學生第一次進行路由器配置實驗的完成學習的時間；其次是該班級學生的注冊信息以及登錄信息。之所以選取第一次參與實驗的記錄數(shù)據(jù)，是因為學生第一次做實驗得到的記錄信息是最自然的，沒被外界的因素干擾，更有利于做數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)的預處理主要是對學習記錄表中無用的信息進行清理。本次研究主要的對象是學生第一次完成路由器配置實驗的情況，事實上，通過對數(shù)據(jù)的采集發(fā)現(xiàn)，實驗課程的完成率達到90%以上，只有極少數(shù)人不能順利地完成實驗，而這些人的數(shù)據(jù)將暫時不納入研究的對象中。

數(shù)據(jù)分析和可視化報告數(shù)據(jù)分析和可視化報告的實現(xiàn)是在SPSS 軟件上進行的。SPSS 統(tǒng)計分析軟件集數(shù)據(jù)整理、分析功能以及圖表繪制于一身，恰好可以滿足本研究的功能需求。數(shù)據(jù)分析的實施要根據(jù)實際的學習分析需求制定一個清晰的數(shù)據(jù)流程，如圖2所示，才能確保分析工作順利地進行。

在虛擬實務系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖中可知，主要工作分兩步。

第一步分析工作是先對用戶注冊信息進行R 型聚類，通過對學生自身屬性變量相關度的分析來降低用戶注冊信息表的維度，其目的一方面是通過篩選掉冗余的屬性變量，降低后期分析工作的復雜度；另一方面從系統(tǒng)設計角度出發(fā)，減少一些冗余的注冊信息，方便下一期的學生注冊，同時也保護了學生更多的隱私。

第二步分析工作是研究工作的重心，通過將學生有效的注冊信息和學習成績的結合進行Q 型聚類，從而使學習品質相似的學生自然分層，進而做個性化差異分析，最終滿足教學管理人員的需要。

教師干涉和效果評估課程的教學管理人員得到反饋后，可以直接根據(jù)可視化報告重新制定教學的策略并對學生做個性化指導。效果評估的方式則可以通過問卷調查的形式，由學生直接反饋教師干預后的教學效果。

然而，這樣一個整體的分析過程并不是一次性的，而是一個循序漸進的過程，每一次的學習分析都會產生新的問題需要解決，只有不斷地迭代發(fā)展，才能完善整個系統(tǒng)的教學設計。

5 學習分析的實施

研究樣本的整理研究樣本中開始選定的班級人數(shù)為50 人，實際完成路由器配置實驗的人數(shù)為46 人，其中4 人因未能完成實驗將不被納入研究目標數(shù)據(jù)中。學生學習記錄信息主要是通過在虛擬實務系統(tǒng)的平臺日志記錄中查詢獲取，注冊信息和登錄信息則通過在后臺數(shù)據(jù)庫表中查詢得到。其中，學生的實驗成績數(shù)據(jù)是以學生完成整個實驗的時間為主要評價標準，因為該系統(tǒng)的實驗課程設計是基于斯金納程序教學思想的，所以最直觀衡量學生學習效率的依據(jù)是學生單次完成實驗課程的時間，同時也是學生的實驗成績。

筆者通過對后臺數(shù)據(jù)庫的查詢發(fā)現(xiàn)，注冊信息表有七組變量，分別是“用戶名”“密碼”“年齡”“工齡”“學歷”“專業(yè)背景”“電子郵箱”；而登錄信息表有三組變量，分別是“用戶名”“訪問IP”“登錄時間”。

由學生注冊信息表可知，學生自身屬性能影響到學習成績的變量有四個：“年齡”“工齡”“學歷”“專業(yè)背景”。其中“工齡”指的是學生參加工作時間的長短，而“專業(yè)背景”則著重強調學生過去專業(yè)的經歷是否與計算機或者通信專業(yè)相關。登錄信息表則可以結合平臺日志記錄查詢得到學生第一次參與實驗課程的學習記錄。

R 型聚類分析R 型聚類指的是對變量聚類分析，可以實現(xiàn)變量減少的方式，從而達到降維的目的。目前，清楚地知道有四個變量可能影響到學生的學習成績，然而并不是這四個變量的數(shù)據(jù)全部都要納入分層的聚類工作中，很可能存有一定的冗余，所以先通過R 型聚類了解它們之間的相關關系，從而篩選出真正有效的變量信息。在表1 中，由于“學歷”是類別變量，可以采用數(shù)值編碼的方式將其轉變?yōu)殚g距型：“大?；蛞韵隆保?），“本科”（2），“研究生或以上”（3）。再進行R 型聚類，聚類的結果如表1所示。

從表1 中可以明確看出，“年齡”與“工齡”之間的變量相關系數(shù)為0.967，是表中最大的，二者選取一個納入分析即可。根據(jù)與教學管理者的交流得知，“工齡”的數(shù)據(jù)比“年齡”的數(shù)據(jù)誤差要大一些，因為有的學生參加工作未滿一年也是按照一年算的，所以選取“年齡”的數(shù)據(jù)進行分析更優(yōu)一些。因此，通過降維后的有效注冊信息變量有三個：“年齡”“學歷”“專業(yè)背景”。而這三項變量將納入到下一步的Q 型聚類分析工作中。

表1 相似矩陣關系表

Q 型聚類分析Q 型聚類即分層聚類，是指對樣本聚類，使相似特征的樣本聚集在一起，差異大的分離開。有效的注冊信息和學習成績都是學生參與系統(tǒng)學習的顯著特征，故二者的變量值應該結合起來進行聚類分析，其樣本統(tǒng)計樣例如表2所示，專業(yè)背景中的“1”代表的是與實驗課程相關，“0”則是不相關。

表2 聚類樣本統(tǒng)計樣例表

以表2 為基礎，通過SPSS 分層聚類方法，預設分為3 ～5類，結果得到分為4 類的差距明顯、效果最佳，每一類的基本情況如表3所示。

依據(jù)表3 聚類結果顯示，樣本中最顯著的差異就是專業(yè)背景，其中第一、三類是有專業(yè)背景的，而第二、四類是無專業(yè)背景的，再依據(jù)此結果繪制雷達圖，如圖3所示。

由圖3 中的左邊的雷達圖可以得知，在學生有專業(yè)背景時，他們的學習成績主要受年齡和學歷層次的影響。再根據(jù)右邊的雷達圖可知，在學生無專業(yè)背景以及學歷背景差距不大的情境時，他們的學習成績主要受年齡影響。

由圖3 和表3 的比較結果可知，教師在面向第一、三類學生進行教學時，教學方法上可以不做過多的調整，然而針對第三類學生時間長的問題上，可以采取不同達標標準的方式鼓勵學生學習。根據(jù)與教學管理者的交流得知，年紀大的學生并不是學習能力上比較差，而是操作上來說相對年紀小的學生較慢，而對于第一類已經達標的學生，教師可以建議學生提高學習進度，進入下一個實驗課程。

表3 樣本聚類結果表

在面向第二、四類學生進行教學時，則應考慮到學生的專業(yè)背景因素，在做實驗指導時應進一步強化學生理論知識的基礎，才能提高學生的學習效率。至于學歷因素，由于聚類結果有限，并不能很明顯地得到它與學習成績之間的關系。

通過以上的可視化報告以及學習分析結果，教學管理者可以快速地了解到學生不同群體的個性化差異并做出分層教學的策略以及個性化實驗指導，進而實施有針對性的教學干預。

6 結語

本文主要針對斯金納程序教學法的弊端，結合時代的需求，運用學習分析的理念在虛擬實務系統(tǒng)上設計了一套學習分析的方法，并且通過實施該方法有效地為教學管理者提供了數(shù)據(jù)分析以及可視化報告，從而為程序教學運動的發(fā)展提供了新的思路。

[1]NMC. The Horizon Report 2011 Edition[EB/OL].[2011-11-20].http://wp.nmc.org/horizon2011/sections/learninganalytics/.

[2]斯金納.教學機器[J].Science，1958(1):969.

[3]李藝，單美賢.“教師”的智慧:談程序教學思想的興起與歸宿[J].電化教育研究，2013(7):5.

[4]趙紅.斯金納的程序教學與遠程教育的契合[J].湖北教育學院學報，2007，24(6):93-94.

[5]Call for Papers of the 1st International Conference on Learning Analytics & Knowledge (LAK 2011)[EB/OL].https://tekri.athabascau.ca/analytics/.

[6]李青，王濤.學習分析技術研究與應用現(xiàn)狀述評[J].中國電化教育，2012(8):129-133.