基于ITIAS的课堂教学视频分析软件设计与实现

李白桦 张晓艺

摘  要： 课堂教学行为研究是教学研究中的重要内容，而课堂教学视频分析是进行课堂教学行为研究的有效方法之一。本文从教学研究的实际需要出发，设计并开发了一款课堂教学视频分析软件，该软件基于ITIAS（基于信息技术的互动分析编码系统），对课堂教学视频进行定量的、高效的观察和统计，从而实现对课堂教学行为的可量化数据分析，促进分析的实证化和规范化。全文从该软件设计与开发的关联背景、需求及架构、功能模块、核心技术实现、总结及展望五个方面展开介绍。

关键词： 课堂教学视频;教学行为分析;ITIAS

中图分类号： TP391. 77    文獻标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.010

【Abstract】： Research into classroom teaching behavior constitutes an important part of teaching research， and analysis of classroom teaching is one of efficient methods for classroom teaching behavior research. Proceeding from practical needs of teaching research， this paper designs and develops a classroom teaching video analysis software. Based on the ITIAS （Information-Technology-Based Interaction Analysis System）， this software can conduct qualitative and efficient observation and statistics of classroom teaching videos， thus realizing quantitative data analysis of classroom teaching behaviors and promote empirical and standard analysis. To sum up， this paper discusses in five parts， including software design and development background and demand， realization of functional modules and core technologies， summary and future prospects.

【Key words】： Classroom teaching video; Teaching behavior analysis; ITIAS

0  引言

课堂教学是当前基础教育的主要活动[1]，而教师的课堂教学行为作为课堂教学活动的实体部分和最主要的外显行为，是课堂教学得以推进的落脚点，影响并决定着教学质量，因此教学行为研究一直是教育教学研究者关注的重点[2]，国内外学者都就此展开相关研究并取得了丰富的成果。随着对教学行为研究的深入，国内的研究方法逐步科学严谨，量化和实证成为热点。在教学行为的量化研究中，基于编码系统的教学视频分析是一种行之有效并被普遍接受的研究方法[3]。通过现场录制或远程控制等方式对教学过程进行实录，获取教学视频，然后依据教学行为编码系统对教学视频进行数据统计和分析，形成对教学行为的分析和诊断。

基于编码系统的教学视频分析过程是一项较为繁琐的工作，会有大量的记录和计算并产生大量的数据，需要花费一定的时间和精力。针对这些问题，教育研究和实践者们相继开发了教学视频分析软件，以实现统计自动化，减少工作量[4-5]。但目前现有的教学视频分析软件并不能完全满足实践需求，存在以下问题：一是收费，当今市场上比较成熟使用最广泛的分析软件是Nvivo，它可以整理、分析和找到非结构化或定性数据，但是需要承担一定的经济费用;二是操作复杂，需要使用者具有较高的专业知识水平和信息素养;三是效率相对不高，有些软件虽然具有较好的通用性，但正是由于集成了过多的功能导致专项统计效率不高[6]。基于上述背景，本文从教学研究的实际需要出发，设计并实现了一款课堂教学视频分析软件，该软件基于ITIAS（基于信息技术的互动分析编码系统），对课堂教学视频进行定量的高效的观察和统计，从而实现对课堂教学行为的可量化数据分析，促进分析的实证化和规范化。

1  ITIAS简介

教学视频的量化分析需要运用视频编码分析系

统，弗兰德斯互动分析系统（Flanders Interaction Analysis System，FIAS）无疑是其中最具有影响力的，该系统是美国学者弗兰德斯于上世纪60年代提出的一种课堂行为分析技术。这种技术采用中立和客观的观察态度、特定的编码系统、每三秒记载一次的记录方式，对课堂教学中师生语言互动具体十个行为进行编码和统计分析，具有强烈的结构化和定量化的特点，表现出对课堂教学细节进行分析的技术性功能[7]。

随着社会的发展，课堂的信息化程度越来越高，信息技术与课堂教学深度融合，FIAS显然不具备评价信息技术运用的能力。针对这一点，华东师范大学顾小清教授、王炜对FIAS加以改进，提出了基于信息技术的互动分析编码系统（Information Tec hnology-based Interaction Analysis System，ITIAS）。ITIAS细化了课堂教学中的有效语言，增加学生行为评价要素，最为突出的是，增加了技术语言要素。改进后的ITIAS在基础教育课堂中得以实践验证[8]。

ITIAS由三部分构成：描述教学行为的编码系统、观察和记录编码的准则、用于显示和分析数据的矩阵表格。其核心是编码系统，如表1所示。

进行编码操作时，对教学视频样本每3秒取样一次，根据编码系统规定的标准给每个课堂活动赋予一个编码，按照时间顺序依次记录，形成课堂行为观察表。在观察表的基础上建立数据矩阵，通过矩阵表中各行为频次间的比例关系以及它们在矩阵中的分布情况[9]对课堂教学行为做出分析。

2  分析与设计

2.1  需求分析

软件需要实现视频处理与数据分析两大功能。

2.1.1  视频处理

视频处理是对课堂教学视频进行分析的基础。为了使编码时间更加精准，需要一个可以播放课堂视频的组件，该组件包含最基本的视频播放功能，且每間隔3秒自动暂停，方便研究人员观察并录入编码。观察视频时需要显示编码录入页面，提供ITIAS中定义的18种教学行为，操作者对视频仔细观察判断后只需选择编码即可，为避免误操作，需提供返回及清除功能。

2.1.2  数据分析

软件需要实现大量数据的统计与分析并可视化呈现，分为四部分功能：数据统计、数对生成、数对统计、数据分析可视化。用户录入教学视频的行为编码后，即可实时获得数据的统计与分析结果，包括：数对、矩阵分析表、课堂比率分析数据图、比值信息、时间线统计结果。

2.2  架构设计

结合目前开发语言的优缺点，选用Java语言作为数据分析及程序图形界面的开发语言，将视频挂载在静态HTML页上利用HTML5的新特性及JavaScript语言来处理视频，软件的总体架构设计如图1所示。

3  主要功能实现

3.1  交互界面

交互界面的绘制由Java中的一个GUI工具包——Swing来实现。如图2所示，交互界面大体可以分为三个区域：左上角为导航栏区，可跳转至原始数据、编码矩阵、统计结果和分析结果四个页面。主界面所显示内容即为原始数据选项卡的内容。右上角蓝字区域为编码标准区，将ITIAS中的18个标准以按钮的形式呈现;下面表格区域为数据采集及显示区，用以显示已经采集的编码数据。

打开软件后，输入视频时长即实时生成图2所示交互界面。视频每3秒自动暂停，仔细观察后在编码标准区进行选择，此时原始数据制表区与编码数对制表区自动生成并显示原始数据与数对，同时统计结果制表区将每一组数对的坐标与之对应并进行统计显示，最终在统计结果制表区汇总呈现。同时，分析结果通过课堂比率分析数据统计图、比值信息、时间线分析统计图三种可视化行为方式呈现。

3.2  数据处理功能

录入数据后，原始数据只包含了教学采集时间点、教学行为及参与者这三种基本信息，必须基于数据源进行分类与整理，才能一步进行数据分析。点击“编码矩阵”选项卡，生成如图3所示编码矩阵。点击“统计结果”选项卡，生成如图4所示统计结果。该页面将数据以不同颜色分类，其中红色区域为缺陷区，黄色区域为积极整合区，绿色文字为稳态格。

3.3  数据可视化呈现

为了使统计结果对问题的描述更加清晰直观，软件在ITIAS分析标准的基础上进行分析、计算和比对，在“分析结果”中加入了 “课堂比率分析图”、“课堂比值信息图”、“时间线分析图”三种可视化分析图。研究者可以通过可视化分析图快速便捷的分析出课堂类型及风格，直接给出分析结果，同时只需将分析图保存即可。

3.3.1  课堂比率分析图

ITIAS将课堂教学行为分为四大类：教师语言、学生语言、沉默和技术应用。软件基于前期编码数据，依据表2所示公式，计算并生成课堂比率分析数据图，选用饼状图直观的展现这四类教学行为在课堂中所占百分比。其页面呈现效果如图5所示。

3.3.2  课堂比值信息图

3.3.3  时间线分析图

相比课堂比率图和比值信息图，时间线分析图呈现的分析结果更为直观具体，可以表达课堂教学整体效果。时间线分析法以时间轴为横坐标，以编码标准为纵坐标，标记整节课中的所有教学行为，以坐标点的方式统计，最终以数据线的方式呈现，如图7所示。

图7中纵坐标的上面6行代表较开放的教学行为和间接教学风格，教师在课堂教学中使用这些行为可以引导学生主动表达自己的想法，体现 “学生主体，教师主导”的教学理念。而纵坐标下面2行代表的教学行为刚好相反，它们属于直接教学风格，教师会限制学生表达自己的想法，属于较为强势的教学过程，一般代表模式为“教师讲授，学生接受”。

4  软件测试

为了验证软件的准确性和可靠性，在测试和试用阶段，采用了两种验证方式。一是与公开发表的数据进行比对。在陕西师范大学冯亮的硕士学位论文《陕西省高中教师信息化教学能力个案研究》[10]中，公布了教学实录《指数函数的图像与性质》一课的ITIAS系统分析数据，笔者找到该课教学视频并利用本软件进行数据分析，与上述论文中的数据比对，最终结果大体一致。经分析，由于在编码时对于一些相近选项的标准存在主观认识上的分歧，导致最终的统计结果出现微小差异，但总体来看分析结果整体一致。第二种验证方式是实践应用验证，选取8节不同课堂实录进行了数据采集与分析，其分析结果与课堂中师生之间呈现的教学关系基本相符，能够客观的展示教师在课堂的教学状态。

5  结论

本文从教学研究的实际需要出发，设计并开发了一款简单易用、快捷且免费的应用软件——基于ITIAS的课堂教学视频分析软件。该软件可以帮助教育教学研究者和实践者客观的描述课堂教学行为的特征，高效准确的分析其优点与不足，促进教师专业化发展。

目前本软件只提供单机版本，未来可升级为Web和App版本，支持从本地或网络两种途径上传视频。此外，可以增加视频慢放功能，避免操作者在观察视频和标注编码时手忙脚乱。最后，软件应进一步实现将多个教学视频进行比对分析的功能，改变当前分析结构的单一化。

参考文献

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