基于教育數(shù)據(jù)挖掘?qū)γ运几拍钅Ｊ降奶剿?/h1>
2017-02-22 16:46:10劉冬萍
中國信息技術(shù)教育 2017年2期
劉冬萍
編者按：一直以來，教育信息化都是一個(gè)超越教育科學(xué)的話題，不僅驅(qū)動(dòng)著教育領(lǐng)域的改革，同時(shí)也是我國在當(dāng)前社會(huì)轉(zhuǎn)型期背景下，社會(huì)結(jié)構(gòu)從農(nóng)業(yè)化社會(huì)向工業(yè)化社會(huì)轉(zhuǎn)型重構(gòu)的重要支撐點(diǎn)。教育信息化的理論與應(yīng)用研究必須超越教育科學(xué)領(lǐng)域的一隅之地，從整個(gè)自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)角度著眼切入研究。2017年，我們將關(guān)注教育數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域的國外研究新進(jìn)展，試圖通過數(shù)據(jù)科學(xué)引領(lǐng)，推動(dòng)教育科學(xué)在教育信息化這一教育深層改革的核心關(guān)鍵領(lǐng)域邁出關(guān)鍵的一步。
迷思概念就像是人腦中觀念的原住民，而科學(xué)概念是觀念移民。在一個(gè)有趣的教育實(shí)驗(yàn)中，一群哈佛的畢業(yè)生被要求闡述季節(jié)劃分的原因，這使他們?cè)俣认萑朊运几拍?，做出了錯(cuò)誤的回答，回答季節(jié)是由地球與太陽的距離引起的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)反映出迷思概念在人腦中的根深蒂固。在科學(xué)教育領(lǐng)域，迷思概念一直都是研究的焦點(diǎn)，但由于其本身的暗默性，世界各地的專家們普遍缺乏研究的方法。然而，今天教育數(shù)據(jù)挖掘手段和方法的興起，給迷思概念的發(fā)生提供了一條可行的途徑。人們可以通過診斷數(shù)據(jù)的挖掘，尋找迷思概念的發(fā)生模式，從而提供有效干預(yù)。
本文通過對(duì)美國研究者M(jìn)ins-trell研發(fā)并應(yīng)用近三十年的迷思概念數(shù)據(jù)挖掘工具DIAGNOSER的應(yīng)用與結(jié)論進(jìn)行介紹，期待對(duì)我國研究者有所啟示。
學(xué)習(xí)中的另面思維、迷思概念和診斷教學(xué)
當(dāng)學(xué)生持有一個(gè)錯(cuò)誤概念時(shí)，教師應(yīng)檢查學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過程中持有錯(cuò)誤概念的程度，然后向?qū)W生提供個(gè)性化的反饋。Minstrell開發(fā)了一種被稱為“診斷教學(xué)”的方法，這種方法首先向?qū)W生提供選擇題，然后根據(jù)每個(gè)問題和相應(yīng)的答案，試圖“診斷”出特定類型的思維，如果回答錯(cuò)誤，則采取適當(dāng)?shù)母深A(yù)。在Minstrell的框架中，這些精細(xì)且錯(cuò)誤的思維類型被稱為“另面思維（facet）”，并將其按主題編目，理論上它是可以預(yù)測后續(xù)行為的。另面思維被定義為“學(xué)生在課堂上說的或做的大致概括”，這在智能輔導(dǎo)系統(tǒng)中可以識(shí)別錯(cuò)誤響應(yīng)并提供反饋。
在學(xué)習(xí)過程中，教師基于錯(cuò)誤答案的反饋提出假設(shè)，學(xué)生一貫持有的錯(cuò)誤想法導(dǎo)致了可預(yù)測的反應(yīng)，而這就必須進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)，而不是基于很有限的學(xué)生知識(shí)模型，重新講授材料來糾正錯(cuò)誤。另外，學(xué)生可能經(jīng)常會(huì)對(duì)一個(gè)問題選擇相同的錯(cuò)誤答案，但這并不是說他們這樣做是由于他們的頭腦中有一個(gè)根深蒂固的迷思概念或是依據(jù)自己的偏好。“迷思概念”可以看作是對(duì)知識(shí)碎片化理解或顧名思義的表現(xiàn)。
Minstrell通過基于DIAGNOSER的診斷教學(xué)提出了問題，即“在一次評(píng)估的時(shí)間范圍內(nèi)，學(xué)生是否持有一致的迷思概念”？針對(duì)這個(gè)問題，教師可以依據(jù)DIAGNOSER收集的數(shù)據(jù)，向?qū)W生提供診斷問題，從而探索問題的答案。
DIAGNOSER工具介紹
DIAGNOSER是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的軟件系統(tǒng)，由Hunt和Minstrell設(shè)計(jì)，教師可以用它來診斷學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)中的困難。該系統(tǒng)包括一組簡短的選擇題，旨在引導(dǎo)中學(xué)生（6～12年級(jí)）圍繞物理學(xué)中的特定概念進(jìn)行思考。DIAGNOSER系統(tǒng)將問題的錯(cuò)誤答案與問題中的某些“另面思維”或主題中常見想法的描述相匹配。然后，教師根據(jù)學(xué)生的迷思概念，做出適當(dāng)?shù)母深A(yù)幫助他們達(dá)到目標(biāo)。
例如，在午餐期間，你的科學(xué)老師有30分鐘的時(shí)間從走廊上跑下去準(zhǔn)備下午課程，老師的動(dòng)作如下圖所示，請(qǐng)回答下面的問題（上表顯示了教師如何解釋下圖中問題的每個(gè)選項(xiàng)）。
你的老師在午餐期間行走的總距離是多少？
另外，在線系統(tǒng)中的問題可以集中匯總，每類問題集有6～13個(gè)問題，一些問題基于不同的另面思維，用于診斷一個(gè)學(xué)習(xí)主題內(nèi)的學(xué)生的迷思概念，這被稱為“另面思維集群”（如“平均速度”的另面思維集群）。同時(shí)，DIAGNOSER還支持多選題，多個(gè)響應(yīng)對(duì)應(yīng)多個(gè)另面思維。
迷思概念的模式挖掘
研究者對(duì)迷思概念模式的挖掘分為兩步展開研究。
第一，通過成對(duì)問題研究推理的一致性，即能否通過成對(duì)問題中的一個(gè)問題的答案來推測另一個(gè)問題的答案。例如，當(dāng)蒼蠅碰撞到卡車的擋風(fēng)玻璃時(shí)，如果一個(gè)學(xué)生說卡車對(duì)蒼蠅施加的力大于蒼蠅對(duì)卡車施加的力，那么該學(xué)生可能認(rèn)為更大的力量造成更大的傷害。這時(shí)教師就可以預(yù)測，當(dāng)要求學(xué)生比較錘子在釘子上的力量時(shí)，學(xué)生將回答錘子施加的力量大于釘子。研究者們?cè)谶@一研究中使用了條件熵的概念來量化從對(duì)問題的回答中獲得的附加“信息”，并從理論的角度挖掘了數(shù)據(jù)。
第二，可能存在涵蓋兩個(gè)以上問題的模式。當(dāng)學(xué)生做出不同的回答時(shí)將他們的響應(yīng)模式落在集群中，集群中的響應(yīng)模式更具相似性，教師可以根據(jù)每個(gè)集群迷思概念的整體特征來做出適當(dāng)?shù)母深A(yù)，而不是依據(jù)個(gè)體迷思概念的特征。針對(duì)在大約兩年的時(shí)間里審查的學(xué)生在DIAGNOSER學(xué)習(xí)問題的答案，研究者可以看出這些集包括物體的運(yùn)動(dòng)、力的性質(zhì)、解釋運(yùn)動(dòng)的力和人體系統(tǒng)的問題。
同時(shí)，DIAGNOSER軟件能夠有條件地提出一些問題，且系統(tǒng)只有在一個(gè)問題上獲得了一定回答，學(xué)生才能進(jìn)行下一個(gè)問題。針對(duì)這一模式研究者們使用了兩種分析方式：成對(duì)分析和聚類分析。
成對(duì)分析是指假設(shè)有問題對(duì)X和Y，通過從問題X的錯(cuò)誤回答獲得的信息，來預(yù)測問題Y的回答。首先，要通過X（信息增益）知道Y的附加信息的大小。通過公式可知，條件熵和信息增益（每個(gè)條的高度）之和是問題Y的熵。信息增益越小，學(xué)生對(duì)第一個(gè)問題的回答對(duì)預(yù)測第二個(gè)問題的回答的幫助就越小，如果能夠完全預(yù)測，則熵為0。
基于熵的聚類分析就是將一個(gè)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)劃分為若干子類，每個(gè)子類內(nèi)的數(shù)據(jù)盡可能相同，子類間的數(shù)據(jù)盡可能相異。劃分后的子類熵越小，劃分越合理，CU函數(shù)越大，劃分越合理。經(jīng)過劃分，多個(gè)具有獨(dú)特性的響應(yīng)模式的聚類支持再對(duì)學(xué)生個(gè)體進(jìn)行診斷。
結(jié)果表明，6～12年級(jí)的學(xué)習(xí)物理的中學(xué)生的推理是零散的、不一致的。因此，整體來看，從問題的成對(duì)分析或聚類分析中，基本不能夠在單個(gè)評(píng)估的時(shí)間范圍內(nèi)通過這種模式來系統(tǒng)地解釋學(xué)生迷思概念。
綜上所述，當(dāng)前研究沒有考慮到基于另面思維的教學(xué)對(duì)學(xué)生活動(dòng)參與及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的影響，也沒有考慮學(xué)生間的個(gè)體差異。然而，這正是課堂教學(xué)的重要組成部分，診斷教學(xué)是否能夠非常好地激勵(lì)學(xué)生從測試他們的迷思概念中學(xué)習(xí)，并且教師使用活動(dòng)和干預(yù)措施是否會(huì)增加學(xué)生對(duì)主題的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)機(jī)，也是今后要研究的問題。
項(xiàng)目基金：本文獲得東北師范大學(xué)教師教育研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目“卓越教師素質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)證研究”（項(xiàng)目號(hào)131005003），東北師范大學(xué)教師教育研究基金一般項(xiàng)目“卓越教師培訓(xùn)能力遷移影響因素實(shí)證研究”（項(xiàng)目號(hào)131005012），東北師范大學(xué)教師教學(xué)發(fā)展基金項(xiàng)目“面向高水平復(fù)合型傳媒人才UGMR創(chuàng)新培養(yǎng)模式的實(shí)踐型教師共同體建設(shè)”（課題號(hào)15T1JGJ004）資助。
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本文通過對(duì)美國研究者M(jìn)ins-trell研發(fā)并應(yīng)用近三十年的迷思概念數(shù)據(jù)挖掘工具DIAGNOSER的應(yīng)用與結(jié)論進(jìn)行介紹，期待對(duì)我國研究者有所啟示。
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當(dāng)學(xué)生持有一個(gè)錯(cuò)誤概念時(shí)，教師應(yīng)檢查學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過程中持有錯(cuò)誤概念的程度，然后向?qū)W生提供個(gè)性化的反饋。Minstrell開發(fā)了一種被稱為“診斷教學(xué)”的方法，這種方法首先向?qū)W生提供選擇題，然后根據(jù)每個(gè)問題和相應(yīng)的答案，試圖“診斷”出特定類型的思維，如果回答錯(cuò)誤，則采取適當(dāng)?shù)母深A(yù)。在Minstrell的框架中，這些精細(xì)且錯(cuò)誤的思維類型被稱為“另面思維（facet）”，并將其按主題編目，理論上它是可以預(yù)測后續(xù)行為的。另面思維被定義為“學(xué)生在課堂上說的或做的大致概括”，這在智能輔導(dǎo)系統(tǒng)中可以識(shí)別錯(cuò)誤響應(yīng)并提供反饋。
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Minstrell通過基于DIAGNOSER的診斷教學(xué)提出了問題，即“在一次評(píng)估的時(shí)間范圍內(nèi)，學(xué)生是否持有一致的迷思概念”？針對(duì)這個(gè)問題，教師可以依據(jù)DIAGNOSER收集的數(shù)據(jù)，向?qū)W生提供診斷問題，從而探索問題的答案。
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DIAGNOSER是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的軟件系統(tǒng)，由Hunt和Minstrell設(shè)計(jì)，教師可以用它來診斷學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)中的困難。該系統(tǒng)包括一組簡短的選擇題，旨在引導(dǎo)中學(xué)生（6～12年級(jí)）圍繞物理學(xué)中的特定概念進(jìn)行思考。DIAGNOSER系統(tǒng)將問題的錯(cuò)誤答案與問題中的某些“另面思維”或主題中常見想法的描述相匹配。然后，教師根據(jù)學(xué)生的迷思概念，做出適當(dāng)?shù)母深A(yù)幫助他們達(dá)到目標(biāo)。
例如，在午餐期間，你的科學(xué)老師有30分鐘的時(shí)間從走廊上跑下去準(zhǔn)備下午課程，老師的動(dòng)作如下圖所示，請(qǐng)回答下面的問題（上表顯示了教師如何解釋下圖中問題的每個(gè)選項(xiàng)）。
你的老師在午餐期間行走的總距離是多少？
另外，在線系統(tǒng)中的問題可以集中匯總，每類問題集有6～13個(gè)問題，一些問題基于不同的另面思維，用于診斷一個(gè)學(xué)習(xí)主題內(nèi)的學(xué)生的迷思概念，這被稱為“另面思維集群”（如“平均速度”的另面思維集群）。同時(shí)，DIAGNOSER還支持多選題，多個(gè)響應(yīng)對(duì)應(yīng)多個(gè)另面思維。
迷思概念的模式挖掘
研究者對(duì)迷思概念模式的挖掘分為兩步展開研究。
第一，通過成對(duì)問題研究推理的一致性，即能否通過成對(duì)問題中的一個(gè)問題的答案來推測另一個(gè)問題的答案。例如，當(dāng)蒼蠅碰撞到卡車的擋風(fēng)玻璃時(shí)，如果一個(gè)學(xué)生說卡車對(duì)蒼蠅施加的力大于蒼蠅對(duì)卡車施加的力，那么該學(xué)生可能認(rèn)為更大的力量造成更大的傷害。這時(shí)教師就可以預(yù)測，當(dāng)要求學(xué)生比較錘子在釘子上的力量時(shí)，學(xué)生將回答錘子施加的力量大于釘子。研究者們?cè)谶@一研究中使用了條件熵的概念來量化從對(duì)問題的回答中獲得的附加“信息”，并從理論的角度挖掘了數(shù)據(jù)。
第二，可能存在涵蓋兩個(gè)以上問題的模式。當(dāng)學(xué)生做出不同的回答時(shí)將他們的響應(yīng)模式落在集群中，集群中的響應(yīng)模式更具相似性，教師可以根據(jù)每個(gè)集群迷思概念的整體特征來做出適當(dāng)?shù)母深A(yù)，而不是依據(jù)個(gè)體迷思概念的特征。針對(duì)在大約兩年的時(shí)間里審查的學(xué)生在DIAGNOSER學(xué)習(xí)問題的答案，研究者可以看出這些集包括物體的運(yùn)動(dòng)、力的性質(zhì)、解釋運(yùn)動(dòng)的力和人體系統(tǒng)的問題。
同時(shí)，DIAGNOSER軟件能夠有條件地提出一些問題，且系統(tǒng)只有在一個(gè)問題上獲得了一定回答，學(xué)生才能進(jìn)行下一個(gè)問題。針對(duì)這一模式研究者們使用了兩種分析方式：成對(duì)分析和聚類分析。
成對(duì)分析是指假設(shè)有問題對(duì)X和Y，通過從問題X的錯(cuò)誤回答獲得的信息，來預(yù)測問題Y的回答。首先，要通過X（信息增益）知道Y的附加信息的大小。通過公式可知，條件熵和信息增益（每個(gè)條的高度）之和是問題Y的熵。信息增益越小，學(xué)生對(duì)第一個(gè)問題的回答對(duì)預(yù)測第二個(gè)問題的回答的幫助就越小，如果能夠完全預(yù)測，則熵為0。
基于熵的聚類分析就是將一個(gè)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)劃分為若干子類，每個(gè)子類內(nèi)的數(shù)據(jù)盡可能相同，子類間的數(shù)據(jù)盡可能相異。劃分后的子類熵越小，劃分越合理，CU函數(shù)越大，劃分越合理。經(jīng)過劃分，多個(gè)具有獨(dú)特性的響應(yīng)模式的聚類支持再對(duì)學(xué)生個(gè)體進(jìn)行診斷。
結(jié)果表明，6～12年級(jí)的學(xué)習(xí)物理的中學(xué)生的推理是零散的、不一致的。因此，整體來看，從問題的成對(duì)分析或聚類分析中，基本不能夠在單個(gè)評(píng)估的時(shí)間范圍內(nèi)通過這種模式來系統(tǒng)地解釋學(xué)生迷思概念。
綜上所述，當(dāng)前研究沒有考慮到基于另面思維的教學(xué)對(duì)學(xué)生活動(dòng)參與及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的影響，也沒有考慮學(xué)生間的個(gè)體差異。然而，這正是課堂教學(xué)的重要組成部分，診斷教學(xué)是否能夠非常好地激勵(lì)學(xué)生從測試他們的迷思概念中學(xué)習(xí)，并且教師使用活動(dòng)和干預(yù)措施是否會(huì)增加學(xué)生對(duì)主題的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)機(jī)，也是今后要研究的問題。
項(xiàng)目基金：本文獲得東北師范大學(xué)教師教育研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目“卓越教師素質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)證研究”（項(xiàng)目號(hào)131005003），東北師范大學(xué)教師教育研究基金一般項(xiàng)目“卓越教師培訓(xùn)能力遷移影響因素實(shí)證研究”（項(xiàng)目號(hào)131005012），東北師范大學(xué)教師教學(xué)發(fā)展基金項(xiàng)目“面向高水平復(fù)合型傳媒人才UGMR創(chuàng)新培養(yǎng)模式的實(shí)踐型教師共同體建設(shè)”（課題號(hào)15T1JGJ004）資助。
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