劉海 李姣姣 張維 張昭理 易澤順

【摘 要】

隨著在線教學(xué)平臺(tái)在國(guó)內(nèi)高校的興起，學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。如何對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，挖掘教學(xué)環(huán)境中存在的不足，幫助教學(xué)者優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程，逐漸成為教育研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。本文在分析教學(xué)平臺(tái)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一系列面向教學(xué)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)可視化方法。通過(guò)數(shù)據(jù)可視化方法的編程實(shí)現(xiàn)，教師可以為學(xué)生直觀地呈現(xiàn)知識(shí)，及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，并有針對(duì)性地進(jìn)行課堂教學(xué)、教學(xué)評(píng)價(jià)等；學(xué)生可以形成知識(shí)框架與互聯(lián)體系，促進(jìn)知識(shí)表達(dá)與內(nèi)化，并完成自我評(píng)估、發(fā)現(xiàn)自己的學(xué)習(xí)問(wèn)題；教學(xué)管理者可以掌握教師教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)情況，調(diào)整教學(xué)管理與決策的目標(biāo)。本文結(jié)合自主研發(fā)的在線教學(xué)平臺(tái)——師大云課堂，將實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)可視化方法應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)，產(chǎn)生了良好的實(shí)踐效果，有效地促進(jìn)了智慧教育發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 教育大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)可視化；在線教學(xué)平臺(tái)；教學(xué)研究；智慧教育

【中圖分類號(hào)】 G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1009-458x（2018）1-0037-08

一、引言

隨著信息技術(shù)的日益發(fā)展，人們開始通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的傳播和學(xué)習(xí)?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確指出“信息技術(shù)對(duì)教育具有革命性影響”。因此，許多學(xué)校及教育機(jī)構(gòu)都研發(fā)了自己的在線教學(xué)平臺(tái)，對(duì)教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)環(huán)境等方面進(jìn)行變革與創(chuàng)新，有效地提高了教育信息化水平（蔡慧英， 等， 2013； 榮榮， 等， 2014； 劉婷婷， 等， 2016）。在線教學(xué)平臺(tái)的興起，也引發(fā)了在線學(xué)習(xí)的熱潮，越來(lái)越多的學(xué)習(xí)者參與其中。同時(shí)，平臺(tái)匯集了大量的學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)資源，以及學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的各種行為數(shù)據(jù)，蘊(yùn)含著大量有價(jià)值的信息。因此，如何提高人們快捷理解數(shù)據(jù)的能力，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人們更容易理解的形式，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)作為一種直觀呈現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的方式，越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視。相關(guān)研究表明，大腦處理的信息多數(shù)與視覺(jué)有關(guān)，處理與視覺(jué)相關(guān)信息的腦細(xì)胞超過(guò)80%。人眼對(duì)可視符號(hào)的感知度比對(duì)文本或數(shù)字要快得多?？梢暬夹g(shù)將數(shù)據(jù)信息以“一圖勝千言”（Labrinidis & Jagadish， 2012； 鄧烈君， 等， 2016）的表達(dá)方式呈現(xiàn)，充分利用了人們對(duì)可視模式快速識(shí)別的自然能力，完美地提高人們理解及分析數(shù)據(jù)的速度，幫助人們更有效地對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，從而突破教育大數(shù)據(jù)分析的桎梏。

本文在闡述和探究數(shù)據(jù)可視化的內(nèi)涵及技術(shù)分類的基礎(chǔ)上，分析了在線教學(xué)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)類型特點(diǎn)，提出了一系列面向教學(xué)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)可視化方法，并在華中師范大學(xué)國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的在線教學(xué)平臺(tái)——華師大云課堂中應(yīng)用實(shí)踐，以期對(duì)用戶（包括教師、學(xué)生和教育管理者三種角色）產(chǎn)生積極的影響。

二、數(shù)據(jù)可視化內(nèi)涵及相關(guān)工作

（一）數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化，目前存在著多種不同的定義形式。從廣義講，數(shù)據(jù)可視化囊括了較成熟的科學(xué)可視化和較年輕的信息可視化。除此之外，還包含了在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的知識(shí)可視化（Card et al.， 1999； 李芒， 等， 2013）。從狹義講，數(shù)據(jù)可視化是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)和圖像處理技術(shù)，以可交互式圖形圖像的方式來(lái)展現(xiàn)數(shù)據(jù)的理論、方法和技術(shù)（陳為， 等， 2013； 斯蒂爾， 等， 2011），其可視化對(duì)象僅僅為狹義理解的數(shù)據(jù)。結(jié)合自主開發(fā)的云課堂教學(xué)平臺(tái)，對(duì)以下教育教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化：課程和課堂的建設(shè)情況、教學(xué)中的資源建設(shè)情況、教師參與云課堂情況和學(xué)生在線學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)等。

（二）數(shù)據(jù)可視化分類

數(shù)據(jù)可視化分類是可視化研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行分類能夠指導(dǎo)人們?cè)O(shè)計(jì)出合理的可視化方案，促進(jìn)可視化技術(shù)從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用階段。數(shù)據(jù)可視化有不同的分類，從文獻(xiàn)常用的角度可將可視化分為科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化和知識(shí)可視化四種類型。Shneiderman（1996）依據(jù)數(shù)據(jù)類型將數(shù)據(jù)可視化分為一維數(shù)據(jù)可視化、二維數(shù)據(jù)可視化、三維數(shù)據(jù)可視化、多維數(shù)據(jù)可視化、時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化、層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化等幾種數(shù)據(jù)類型。Keim（2002）提出了一種基于可視數(shù)據(jù)分析技術(shù)的可視化分類方法，認(rèn)為數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)類型和交互變形技術(shù)三個(gè)要素構(gòu)成了數(shù)據(jù)可視化?；谶@三個(gè)要素將數(shù)據(jù)可視化技術(shù)分為以下四種類型（如圖1所示）。

1. 基于幾何的數(shù)據(jù)可視化

基于幾何的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是通過(guò)幾何學(xué)中的投影和變換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多維數(shù)據(jù)的可視化（Sibbet，2010）。標(biāo)準(zhǔn)2D/3D技術(shù)是在數(shù)據(jù)可視化過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的一種可視化技術(shù)，常用的可視化圖形有柱狀圖、餅圖、折線圖等，本文將其歸為幾何技術(shù)中的一種。幾何技術(shù)分為兩種：幾何變換技術(shù)和幾何投影技術(shù)。幾何變換技術(shù)是以二維圖形點(diǎn)、線、面等表示多維數(shù)據(jù)的一種映射變換技術(shù)；幾何投影技術(shù)是以幾何投影的方式來(lái)表示將要可視化的數(shù)據(jù)。常用的基于幾何的可視化技術(shù)包括平行坐標(biāo)（Parallel coordinates）、散點(diǎn)圖（Scatter plots）和地形圖（Landscapes）等。

2. 基于圖標(biāo)的可視化技術(shù)

基于圖標(biāo)的可視化技術(shù)也是常見的可視化技術(shù)之一（Nahum & Stephen， 1997）。將可視化數(shù)據(jù)中的每一項(xiàng)記錄都映射成一個(gè)小圖標(biāo)，N個(gè)小圖標(biāo)表示N條數(shù)據(jù)項(xiàng)，且每個(gè)小圖標(biāo)之間是相互獨(dú)立的?；趫D標(biāo)的可視化技術(shù)包括彩色圖標(biāo)（Color icons）、枝形圖（Stick figures）、切爾諾夫臉（Chernoff faces）等，適用于屬性值在二維平面上容易展開的數(shù)據(jù)集。

3. 面向像素的可視化技術(shù)

面向像素的可視化技術(shù)是由德國(guó)慕尼黑大學(xué)的Keim教授提出的，在此技術(shù)上成功研發(fā)了VisDB可視化系統(tǒng)（Keim & Kriegel， 1994），該系統(tǒng)充分展示了面向像素的技術(shù)在可視化方面的優(yōu)勢(shì)。面向像素的可視化技術(shù)的主要思想是將每一數(shù)據(jù)項(xiàng)的N個(gè)屬性值映射到N個(gè)帶有顏色的屏幕像素上。每個(gè)屏幕反映一個(gè)屬性，每一個(gè)像素反映一個(gè)屬性值，像素不同的顏色代表屬性值的大小。面向像素的可視化技術(shù)適用于維度高、數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)集，能將不同維度的數(shù)據(jù)集在不同的窗口密集顯示。這種屏幕劃分技術(shù)所呈現(xiàn)出的可視化結(jié)果充分解釋了“物以類聚”的含義，有利于用戶對(duì)數(shù)據(jù)集的宏觀掌控。

4. 基于層次的可視化技術(shù)

基于層次的可視化技術(shù)主要針對(duì)具有層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集，如文件組織結(jié)構(gòu)、家族圖譜、人事組織等（任磊， 等， 2014； 陳誼， 等， 2016； 李志飛， 等， 2016）。該技術(shù)的基本思想是把所有維劃分成子集，即子空間，將這些子空間按層次進(jìn)行可視化。典型的基于層次的可視化技術(shù)有n-Vision技術(shù)、錐形數(shù)（Cone trees）、樹圖（Treemap）、維棧（Dimensional stacking）等。

三、在線教學(xué)平臺(tái)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及可視化方法

本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的在線教學(xué)平臺(tái)——師大云課堂（如圖2所示），分為PC端和移動(dòng)端兩種版本，為學(xué)習(xí)者提供多種學(xué)習(xí)方式。依據(jù)師大云課堂在實(shí)際運(yùn)行時(shí)采集的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，對(duì)在線教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并將數(shù)據(jù)分為低維數(shù)據(jù)、高維數(shù)據(jù)、層次數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)六種數(shù)據(jù)類型（如圖3所示）。根據(jù)數(shù)據(jù)不同的類型提出不同的可視化方法，使可視化結(jié)果能夠滿足各類用戶的實(shí)際需求。

（依據(jù)師大云課堂在實(shí)際運(yùn)行時(shí)采集的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)情況）

（一）低維數(shù)據(jù)

低維數(shù)據(jù)中包含了一維線性數(shù)據(jù)、具有兩種屬性的二維數(shù)據(jù)和具有立體屬性的三維數(shù)據(jù)。一維數(shù)據(jù)分為定量型和非定量型兩種。定量型采用有向線段上的點(diǎn)映射，非定量型則一般運(yùn)用色塊展示。

針對(duì)二維數(shù)據(jù)的可視化，本文根據(jù)視覺(jué)通道的不同分為兩種：基于位置的方法以及基于顏色和面積的方法?；谖恢玫姆椒ㄊ侵笖?shù)據(jù)的兩個(gè)維度映射為位置來(lái)表現(xiàn)差異，其中典型的統(tǒng)計(jì)圖包括柱形圖、折線圖和簡(jiǎn)單散點(diǎn)圖。基于顏色和面積的方法是指數(shù)據(jù)的一個(gè)維度映射為顏色，另一個(gè)維度映射為面積，這類方法包含餅圖和藍(lán)丁格爾玫瑰圖等。

針對(duì)三維數(shù)據(jù)的可視化，本教學(xué)平臺(tái)采用分類降維法與面積映射法，將三維數(shù)據(jù)變?yōu)槎S數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。分類降維法適合第三個(gè)維度是分類字段的數(shù)據(jù)，通常用顏色或者分組對(duì)其進(jìn)行映射，如有色散點(diǎn)圖、分組柱形圖或折線圖。面積映射法適合第三個(gè)維度是連續(xù)字段的數(shù)據(jù)，一般運(yùn)用面積對(duì)其進(jìn)行展示，如氣泡圖等。

（二）高維數(shù)據(jù)

高維數(shù)據(jù)具有多個(gè)獨(dú)立屬性，如何將多個(gè)屬性呈現(xiàn)于二維空間內(nèi)是高維數(shù)據(jù)可視化的難點(diǎn)。高維數(shù)據(jù)的可視化需要先降維。降維方法有很多種，從方法上分可以分為線性和非線性兩類。線性的方法有MDS（多尺度分析）、NMF（非負(fù)矩陣分解）及PCA（主成分分析）等；非線性的方法包括LLE（局部線性嵌套）和ISOMAP（等距特征映射）。針對(duì)高維數(shù)據(jù)，本平臺(tái)采用的數(shù)據(jù)可視化的方法包括兩類：基于幾何圖形的方法和基于圖標(biāo)的方法。基于幾何圖形的方法主要包括散點(diǎn)圖矩陣、平行坐標(biāo)和平行集可視化；基于圖標(biāo)的方法通過(guò)具有多個(gè)容易識(shí)別的特征圖標(biāo)來(lái)展現(xiàn)高維數(shù)據(jù)，每一個(gè)特征映射一個(gè)維度。比較著名的是切爾諾夫臉譜圖和雷達(dá)圖。

（三）層次數(shù)據(jù)

多層次數(shù)據(jù)本質(zhì)上是樹狀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)之間既有并列關(guān)系又有從屬關(guān)系。非根節(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)與其子節(jié)點(diǎn)是一對(duì)多的關(guān)系，節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系可以分為兄弟關(guān)系和父子關(guān)系。本教學(xué)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)的層次數(shù)據(jù)可視化方法主要有節(jié)點(diǎn)鏈接法和空間填充法。節(jié)點(diǎn)鏈接法用線條表示節(jié)點(diǎn)之間的父子關(guān)系，用點(diǎn)表示每一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體；空間填充法有代表性的是Treemap矩形樹圖布局，用遞歸的方法以嵌套的方式對(duì)矩形進(jìn)行劃分，每個(gè)矩形區(qū)域表示一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體，矩形的子區(qū)域表示其子代節(jié)點(diǎn)。

（四）文本數(shù)據(jù)

文本數(shù)據(jù)可視化將文字中隱藏的規(guī)律以視覺(jué)容易捕獲的形式表達(dá)出來(lái)，同時(shí)提供必要的交互方式使人能快速獲取其中蘊(yùn)藏的有用信息。在師大云課堂平臺(tái)中，文本可視化方式主要有基于文本內(nèi)容的可視化和基于文本關(guān)系的可視化。基于文本內(nèi)容的可視化，典型的有標(biāo)簽云（Tag cloud）（Gas & Wattenberg， 2008； 張昭理， 等， 2017）；基于文本關(guān)系的可視化，它的關(guān)注點(diǎn)主要是文本語(yǔ)義之間的關(guān)系和文本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如Word Tree、Phrase Net等。

（五）地理數(shù)據(jù)

地理數(shù)據(jù)可視化指通過(guò)在可視化過(guò)程中加入地理維度，同時(shí)運(yùn)用具體的視覺(jué)表征和人的視覺(jué)能力使空間的上下文（Context）和問(wèn)題顯現(xiàn)出來(lái)的方法和技術(shù)（Kwan， 2000）。地理數(shù)據(jù)可視化與GIS（地理信息系統(tǒng)）密不可分。地理信息系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的工具，包含分析、存儲(chǔ)、處理、可視化地理信息幾個(gè)部分。針對(duì)地理類數(shù)據(jù)的展現(xiàn)形式，本教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式大致分為三類，分別是基于點(diǎn)、線和區(qū)域的展現(xiàn)方式。

（六）關(guān)系數(shù)據(jù)

關(guān)系數(shù)據(jù)不同于層次數(shù)據(jù)，沒(méi)有固定的自頂向下或由底向上的層次關(guān)系，反映了數(shù)據(jù)之間存在的直接或間接的關(guān)系，表達(dá)方式更加自由。關(guān)系數(shù)據(jù)的可視化即圖的可視化。本教學(xué)平臺(tái)采用的是基于邊和節(jié)點(diǎn)的可視化。為避免大量節(jié)點(diǎn)的重疊，使用的是力導(dǎo)布局方式。

四、可視化方法在教學(xué)平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

將上述可視化方法編程并實(shí)現(xiàn)，集成于師大云課堂教學(xué)平臺(tái)中。目前，云課堂已在學(xué)校教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，學(xué)校的領(lǐng)導(dǎo)、教師及學(xué)生都在云課堂上進(jìn)行管理、教學(xué)及學(xué)習(xí)。華師大云平臺(tái)上已開設(shè)了6，000多門課程，超過(guò)45，000個(gè)課堂，用戶數(shù)量（包括教育管理者、教師、助教及學(xué)生）達(dá)到4萬(wàn)人，上傳資源70余萬(wàn)條，總?cè)萘砍^(guò)15TB。這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含了平時(shí)教師的教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)行為?；谠摻虒W(xué)平臺(tái)，學(xué)生不僅能夠在課堂上進(jìn)行學(xué)習(xí)，還可以在食堂、實(shí)驗(yàn)室、戶外及寢室等任何互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的地方通過(guò)云課堂進(jìn)行學(xué)習(xí)（如圖4所示）。將可視化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際教育教學(xué)，對(duì)學(xué)生、教師和教育管理者都產(chǎn)生了良好的應(yīng)用效果。

（一）學(xué)生：內(nèi)化學(xué)習(xí)，促進(jìn)自我評(píng)估

目前，云課堂的使用人數(shù)達(dá)到4萬(wàn)人，其中學(xué)生的人數(shù)已超過(guò)3.4萬(wàn)人，超過(guò)全校總學(xué)生人數(shù)的80%。為滿足學(xué)生的需求，本平臺(tái)記錄了他們各個(gè)學(xué)期所選修的課程以及課程的教學(xué)內(nèi)容和各個(gè)課程所取得的成績(jī)，還記錄了課堂的平均成績(jī)、課堂的教師、班級(jí)成員分布及資源建設(shè)情況等。

如圖5（a）所示，外圈是某位大三學(xué)生所有選修課程的平均成績(jī)，中圈實(shí)線所覆蓋區(qū)域?yàn)槊块T課程的班級(jí)平均分?jǐn)?shù)，內(nèi)圈虛線為各個(gè)課程的及格線。當(dāng)鼠標(biāo)停在某門課程時(shí)，會(huì)出現(xiàn)該課程的平均分?jǐn)?shù)和學(xué)生的個(gè)人成績(jī)。通過(guò)這張圖，學(xué)生可以一目了然地看出自己的學(xué)習(xí)成績(jī)與班級(jí)平均水平的差距，從而能夠?qū)Τ煽?jī)較差的課程進(jìn)行有針對(duì)性的學(xué)習(xí)。

如圖5（b）所示的是計(jì)算機(jī)學(xué)院某位大一學(xué)生在第二學(xué)期的期末考試成績(jī)。該圖不僅清晰地展示出該學(xué)生每門課程的最終成績(jī)，還將學(xué)生每門試卷中各個(gè)題型的總分以及學(xué)生的得分呈現(xiàn)出來(lái)。如該學(xué)生的英語(yǔ)學(xué)科總分為78分，其中選擇題得分與總分比為13/15，完形填空為14/20，閱讀理解為26/30，改錯(cuò)為6/10，寫作為19/25。從此圖可以看出，該生的失分項(xiàng)在完形填空和寫作。應(yīng)當(dāng)在后期的英語(yǔ)學(xué)習(xí)過(guò)程中著重練習(xí)完形填空，并多看多寫英語(yǔ)作文。同理，通過(guò)該圖可以看出“高等數(shù)學(xué)”和“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”等其他學(xué)科中存在的問(wèn)題，對(duì)于此學(xué)生可以有針對(duì)性地進(jìn)行補(bǔ)習(xí)。

如圖6所示，以“教與學(xué)”課程中的“學(xué)習(xí)理論”一章為例，將該章的教學(xué)內(nèi)容以思維導(dǎo)圖（趙國(guó)慶， 2012）的形式呈現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生對(duì)將要學(xué)習(xí)的知識(shí)在課前有一個(gè)整體的概念。學(xué)生通過(guò)此圖可明確看出，“學(xué)習(xí)理論”這一章節(jié)共有五種學(xué)習(xí)理論，分別是學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)與類型、聯(lián)結(jié)學(xué)習(xí)理論、認(rèn)知學(xué)習(xí)理論、人本主義學(xué)習(xí)理論和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。在每個(gè)學(xué)習(xí)理論下還有更細(xì)化的分支。在授課過(guò)程中，教師利用此類型導(dǎo)圖，使教學(xué)內(nèi)容更加形象具體，加深學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解和記憶。思維導(dǎo)圖中各個(gè)分支所代表的教學(xué)內(nèi)容可以合攏。利用這個(gè)特性，教師可以突出教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維。另外，還可以在該圖的分支上做標(biāo)記，標(biāo)識(shí)出學(xué)習(xí)內(nèi)容的重難點(diǎn)，以便學(xué)生有針對(duì)性地進(jìn)行課后復(fù)習(xí)。通過(guò)思維導(dǎo)圖，學(xué)生在頭腦中形成了清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)知識(shí)的理解和記憶也更加深刻，達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

（二）教師：教學(xué)反饋，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)

隨著信息技術(shù)與課程整合理論的提出，教師也越來(lái)越傾向于線上、線下相融合的混合式課堂教學(xué)。使用云課堂平臺(tái)教學(xué)的教師也越來(lái)越多，意味著教師對(duì)在線教學(xué)平臺(tái)的要求越來(lái)越高。教師希望不僅能夠在教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行教學(xué)，與學(xué)生進(jìn)行溝通，還能夠給自己的授課帶來(lái)反饋，課后可以根據(jù)教學(xué)反饋及時(shí)對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)模式做出適當(dāng)調(diào)整。

圖7展示了“數(shù)字化教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)”課程的學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)圖，并以學(xué)生的總成績(jī)由低到高進(jìn)行排序。實(shí)心圓圈折線代表學(xué)生的總成績(jī)，實(shí)心菱形折線代表平時(shí)作業(yè)成績(jī)，實(shí)心方框折線代表在線學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)。觀察得出，總成績(jī)與平時(shí)作業(yè)的成績(jī)有較緊密的關(guān)系。平時(shí)作業(yè)完成得越好則總成績(jī)分?jǐn)?shù)高的概率越大，反之，平時(shí)作業(yè)完成得差則總成績(jī)分?jǐn)?shù)較低。然而，在線學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)對(duì)總成績(jī)的影響卻沒(méi)有這個(gè)規(guī)律，部分學(xué)生在線學(xué)習(xí)的時(shí)間較長(zhǎng)，但總成績(jī)卻相對(duì)較低。教師了解這種情況并找出原因后，對(duì)這些學(xué)生開展了個(gè)性化教學(xué)與輔導(dǎo)。

圖8顯示了學(xué)生在“馬克思主義基本原理”這門課的論壇討論情況，統(tǒng)計(jì)了學(xué)生在課下對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行主題討論并發(fā)帖的情況。根據(jù)每個(gè)主題下回帖數(shù)量，設(shè)定主題字體的大小及顏色。學(xué)生回的帖數(shù)越多，則字體越大，顏色也越深。根據(jù)此圖，教師可以快速分析出學(xué)生感興趣或者有疑問(wèn)的知識(shí)點(diǎn)。如“馬克思恩格斯的奮斗歷程對(duì)你的啟迪”“馬克思主義物質(zhì)觀的基本內(nèi)容及其當(dāng)代價(jià)值”“社會(huì)意識(shí)和社會(huì)存在的辯證關(guān)系”等，討論的主題較多。針對(duì)這些主題，教師將在下一節(jié)課中給學(xué)生更加詳細(xì)的講述或答疑。

圖9呈現(xiàn)了學(xué)生在云課堂學(xué)習(xí)的時(shí)空分布情況。圖9（a）和9（b）展示了學(xué)生移動(dòng)學(xué)習(xí)的空間位置分布，可以看出學(xué)生學(xué)習(xí)的主要位置集中在學(xué)校7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)教學(xué)樓這3個(gè)地方。在其他地方，包括學(xué)生宿舍、餐廳、操場(chǎng)等，也有部分學(xué)生通過(guò)云課堂進(jìn)行學(xué)習(xí)。觀察得出，云課堂移動(dòng)端支持多場(chǎng)景的學(xué)習(xí)方式，在教學(xué)樓學(xué)習(xí)的學(xué)生最多。圖9（c）不僅反映出了24小時(shí)學(xué)生平均在線學(xué)習(xí)的人數(shù)，還分別展示了24小時(shí)使用PC端、移動(dòng)端（Android和iOS）在線學(xué)習(xí)的人數(shù)。圖9（d）展示了從8月下旬到10月上旬每天在線學(xué)習(xí)的人數(shù)，也將學(xué)習(xí)的人數(shù)按PC端和移動(dòng)端進(jìn)行了劃分，可以看出大部分學(xué)生是通過(guò)PC端來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)的。因此，教師應(yīng)盡可能地將課堂教學(xué)內(nèi)容及資源上傳到云課堂，滿足學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)的需求。

（三）教育管理者：科學(xué)管理，協(xié)助教育決策

學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)及管理層需要掌握云課堂的整體使用情況。如研究生和本科生分別開設(shè)的課程數(shù)、課堂數(shù)、使用云課堂的學(xué)生人數(shù)，以及各個(gè)學(xué)院的教師人數(shù)、上傳資源的數(shù)量和容量等方面，以便規(guī)劃下一步教學(xué)任務(wù)和教學(xué)決策。

圖10展示了云課堂的課程、課堂、教師、學(xué)生和資源的整體概貌。圖的左側(cè)展示了課程、課堂的開設(shè)情況和學(xué)生的使用情況，其中本科生人數(shù)有26，044人，開設(shè)的課程數(shù)為5，480門，課堂數(shù)為44，632節(jié)；研究生人數(shù)有8，246人，開設(shè)的課程數(shù)為405門，課堂數(shù)為752節(jié)。右側(cè)上半部分展示的是上傳資源的數(shù)量及容量，并對(duì)資源的類型進(jìn)行了劃分，分為文檔、視頻、音頻、動(dòng)畫、圖片和壓縮包六種。從圖中可以看出文檔的上傳個(gè)數(shù)最多，表明教師在教學(xué)過(guò)程中還是傾向于使用word、ppt、txt等文本文檔。因此，可以鼓勵(lì)教師在將來(lái)的教學(xué)中適當(dāng)?shù)厥褂靡曨l、動(dòng)畫等教材，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加課堂效率。右側(cè)下半部分是各個(gè)學(xué)院的教師人數(shù)，因?yàn)槿W(xué)生必修“大學(xué)生英語(yǔ)”或“研究生英語(yǔ)”，還有部分學(xué)生會(huì)選修特色英語(yǔ)，可以看出外國(guó)語(yǔ)學(xué)院的教師人數(shù)最多，達(dá)到191人。而湖北經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展研究院的特色英語(yǔ)教師人數(shù)最少，僅有1人，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)重視學(xué)院的發(fā)展，對(duì)這個(gè)剛開設(shè)的學(xué)院將根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求決定引進(jìn)若干人才。

圖11展示了化學(xué)學(xué)院在云課堂任課的教師數(shù)據(jù)集的可視化情況。教育管理者可以點(diǎn)擊任意教師的圖標(biāo)，查看教師教的所有課程，以及某一門課程的具體教學(xué)情況。

綜上所述，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以幫助教學(xué)管理者建立學(xué)習(xí)者模型，對(duì)學(xué)生的在線學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，完善教學(xué)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)功能，提供更好的教學(xué)支持服務(wù)，促進(jìn)教學(xué)組織的發(fā)展。

五、結(jié)論與展望

在線教學(xué)數(shù)據(jù)可視化是大數(shù)據(jù)發(fā)揮教育價(jià)值的重要環(huán)節(jié)，本文將在線教學(xué)平臺(tái)使用過(guò)程中產(chǎn)生的教育數(shù)據(jù)分成六大類：低維數(shù)據(jù)、高維數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、層次數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)。在分析了教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，本文提出了一系列面向教學(xué)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)可視化方法。通過(guò)數(shù)據(jù)可視化工具和技術(shù)，教師可以為學(xué)生直觀呈現(xiàn)知識(shí)，及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，進(jìn)行課堂教學(xué)、教學(xué)評(píng)價(jià)等。學(xué)生可以形成知識(shí)框架與互聯(lián)體系，促進(jìn)知識(shí)表達(dá)與內(nèi)化，并自我評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的學(xué)習(xí)問(wèn)題。教學(xué)管理者可以掌握教師教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)情況，調(diào)整教學(xué)管理與決策的目標(biāo)。數(shù)據(jù)可視化方法在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，并以師大云課堂為例進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)和展示，解決了本校教育教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題，產(chǎn)生了良好的應(yīng)用效果，有效地促進(jìn)了智慧教育的發(fā)展。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況，在線教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)可視化研究還存在以下不足之處：第一，收集到的數(shù)據(jù)不能涵蓋所有在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)類型（如時(shí)序性數(shù)據(jù)），云課堂投入使用的時(shí)間不夠長(zhǎng)；第二，不能滿足部分用戶自主指定圖表類型的需求，本文只是根據(jù)數(shù)據(jù)類型提供特定的可視化結(jié)果。在未來(lái)的研究中將針對(duì)數(shù)據(jù)為用戶推薦多種可視化布局類型，以增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)。數(shù)據(jù)可視化作為教育信息化發(fā)展的重要途徑，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初步探索階段，需要我們不斷地探討與實(shí)踐。

[參考文獻(xiàn)]

蔡慧英，陳婧雅，顧小清. 2013. 支持可視化學(xué)習(xí)過(guò)程的學(xué)習(xí)技術(shù)研究[J]. 中國(guó)電化教育（12）：27-33.

陳為，張嵩，魯愛(ài)東. 2013. 數(shù)據(jù)可視化的基本原理與方法[M]. 北京： 科學(xué)出版社.

陳誼，甄遠(yuǎn)剛，胡海云. 2016. 一種層次結(jié)構(gòu)中多維屬性的可視化方法[J]. 軟件學(xué)報(bào)（05）：1091-1102.

鄧烈君，王小根，王露露，等. 2016. 可視化教學(xué)生態(tài)化發(fā)展的知識(shí)圖譜分析[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)程教育（12）：15-21.

李芒，蔡旻君，蔣科蔚，等. 2013. 可視化教學(xué)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[J]. 電化教育研究（03）：6-22.

劉婷婷，陳增照，劉三女牙，等. 2016. 創(chuàng)新信息技術(shù)支撐教學(xué)變革——以蘇州市“未來(lái)教室”教育信息化建設(shè)為例[J]. 中國(guó)教育信息化（18）：12-15.

李志飛，張昭理，劉海，等. 2016. 信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下資源環(huán)境學(xué)科的教育創(chuàng)新[J]. 中國(guó)教育信息化（12）：30-33.

任磊，杜一，馬帥，2014. 大數(shù)據(jù)可視分析綜述[J]. 軟件學(xué)報(bào)（09）：1909-1936.

榮榮，楊現(xiàn)民，陳耀華. 2014. 教育管理信息化新發(fā)展：走向智慧管理[J]. 中國(guó)電化教育（03）：30-37.

斯蒂爾，伊林斯基，祝洪凱，李妹芳. 2011. 數(shù)據(jù)可視化之美[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

張湘. 2014. 英語(yǔ)閱讀教學(xué)中的圖式交互可視化研究[J]. 中國(guó)電化教育（03）：123-128.

張昭理，李志飛，劉海，等. 2017. 利用電子雙板的知識(shí)可視化教學(xué)研究[J]. 中國(guó)遠(yuǎn)程教育（3）：16-21，79.

趙國(guó)慶. 2012. 概念圖、思維導(dǎo)圖教學(xué)應(yīng)用若干重要問(wèn)題的探討[J]. 電化教育研究（05）：78-84.

Card， S. K.， Mackinlay， J. D.， & Shneiderman， B. （1999）. Readings in Information Visualization： Using Vision to Think. Morgan Kaufmann Publishers Inc.， San Francisco， CA， USA.

David， Sibbet. 2010. Visual Meetings： How Graphics， Sticky Notes and Idea Mapping Can Transform Group Productivity. New Jersey： John Wiley & Sons：1-10.

Keim， D. A.， （2002）. Information visualization and visual data mining. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 8（1）：1-8.

Keim， D. A.， & Kriegel， H. P. （1994）. VisDB： database exploration using multidimensional visualization. IEEE Computer Graphics and Applications，14（5）：40-49.

Gas， F. B.， & Wattenberg， M.（2008）. Timelines： Tag clouds and the case for vernacular visualization. Interactions， 15（4）：49-52.

Kwan， M. P. （2000）.Interactive geovisualization of activity-travel patterns using three-dimensional geographical information systems： a methodological exploration with a large data set.Transportation Research Part C Emerging Technologies， 8（1）：185-203.

Labrinidis A.， & Jagadish， H. V. （2012）. Challenges and opportunities with big data. Proc VLDB Endow， 5（12）： 2032-2033.

Nahum， D. G.， & Stephen， G. E. （1997）. Information Visualization. IEEE Computer Graphic and Applications， 17（4）：29-31.

Shneiderman， B. 1996. The eyes have it： a task by data type taxonomy for information visualizations. IEEE Symposium on Visual Languages， Boulder， CO，336-343.

收稿日期：2017-04-10

定稿日期：2017-08-01

作者簡(jiǎn)介：劉海，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師；李姣姣，在讀碩士；張維（通訊作者），博士，副教授，碩士生導(dǎo)師；張昭理，博士，教授，博士生導(dǎo)師；易澤順，在讀碩士。華中師范大學(xué)國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心（430079）。

責(zé)任編輯 韓世梅