基于多模态数据的大学生认知深度评价框架构建及应用.pdf
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1、现代远距离教育 年第 期总第 期【基金项目】国家自然科学基金资助项目“小样本困境下的多模态协作学习情感智能识别研究”(编号:);中央高校基本科研业务费专项资金社科重点项目“大规模在线教学服务质量测评、控制与优化研究”(编号:);年湖北省高等学校省级教学研究项目“智能 时代成人远程教育质量保障机制研究”(编号:)。【作者简介】范福兰,博士,中南民族大学教育学院讲师,硕士生导师;李韩婷,中南民族大学教育学院硕士研究生;戚天姣,美国康考迪亚大学芝加哥分校教育学院博士研究生;梅林,博士,湖北开放大学导学中心副教授;雷雪英,中南民族大学教育学院硕士研究生。教育信息化基于多模态数据的大学生认知深度评价框架
2、构建及应用范福兰,李韩婷,戚天姣,梅林,雷雪英(中南民族大学,湖北 武汉 ;美国康考迪亚大学芝加哥分校,伊利诺伊州 芝加哥市 ;湖北开放大学,湖北 武汉 )【摘要】提高学生课堂认知深度是本科教育高质量发展的核心目标,如何对认知深度展开科学评价是关乎此目标达成的关键,也是深化本科课程教学改革的迫切需求。为此,首先基于经典认知深度评价理论,结合新兴多模态数据分析技术,搭建大学生认知深度多模态评价框架。其次,基于此框架开展实证研究:以 高校教育技术专业课程“学习科学与技术”为例,通过智能录播系统、在线学习平台等工具从多维学习空间采集主题讨论、自我反思、思维导图、课堂问答、头部姿势等多模态学习数据,采
3、用机器学习方法处理并分析学习数据,综合评价学生认知深度并进行反馈。结果显示,多模态数据支持的评价更能准确地反映学生认知深度,具有显著的以评促学效能,最佳数据源是自我反思、思维导图和课堂问答。【关键词】认知深度;多模态数据;学习评价【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】()一、引言认知深度是学习者在理解学习材料内涵并对其进行加工过程中的心智活动和知识建构水平,包括使用认知策略和高度投入心理资源 。学习者认知深度发展过程呈现由低到高的螺旋式发展,是衡量学习与教学质量的重要指标 。高水平认知深度表现为学生积极思考,主动理解并关联知识内容,建构知识体系,在特定情境中对指定知识所产生的认知结构和思维水
4、平的转变与迁移 。有研究表明,学生课堂认知深度与学业成绩间呈正相关关系 。然而,在当前本科课堂教学实践中存在浅层化学习的问题,主要表现为学生不主动思考、无法将已有知识迁移到新情境中解决问题 ,即认知深度处于低水平状态。因此,提升大学生认知深度是当前本科教育教学改革和促进大学生核心素养发展的第一要务。评价可为适时调整课堂学习策略提供科学依据,有助于促进深度学习。因此,探索从评价改革入手,全面检验学习效果并促进学习者认知深度达成之策是一个重要的研究问题 。当前关于认知深度的评价方式主要以问卷调查或纸笔测试为主。然而,学习者的认知过程复杂多变,主流的认知深度评价方式形成的数据较为单一,难以客观、全面
5、地刻画动态复杂的学习状态,压制了评价对认知深度的促进作用。多模态数据技术可动态捕获、融合、分析两种及以上来源的数据,尤其是自然交互过程中产生的数据(文本、图像、音频、视频等),为复杂学习行为的客观评价和深入洞察提供技术支撑 。使用多模态数据技术进行学习分析,可获得更全面的信息,更准确地预测学习者学业成效并分析关键影响因素 。因此,多模态数据技术支持的学习分析与评价研究受到广泛关注,正逐步应用于认知深度评价领域。在经典认知深度评价理论的基础上,搭建基于多模态数据技术的大学生认知深度评价框架,并将其应用到本科课堂认知深度评价研究中,通过采集、处理与分析学习过程中的多模态数据,探明大学生认知深度多模
6、态评价路径及评价框架的运用效果。以此,可为教师及研究者开展大学生学习评价改革、充分发挥评价对学习的促进作用提供借鉴与参考。二、文献综述(一)认知深度评价研究认知深度评价在长期研究中积累了丰富的理论基础。在评价内容方面,主要包括主动理解、关联知识、思维迁移等内容。美国研究院组织实施的 项目(:)以掌握核心学业内容、批判性思维和问题解决作为认知领域的评价内容,关注学生理解知识与迁移运用的能力 。等从分析、理解、评价、创造等维度评价认知深度,强调认知深度的动态发展 。等将认知划分为主动认知、建构性认知和互动性认知三个由浅入深的层次 。张浩等以布鲁姆认知目标分类法为参照,提出认知深度的层次包括简单描述
7、、记忆或复制、深度理解和迁移应用 。在认知深度评价方式上以测试和问卷调查为主。等通过学习过程问卷 测量学生学习的深浅层次 。全美学生投入度调查项目 ()通过问卷测评学生的学习投入程度,评估学生认知目标达成水平 。陈蓓蕾等采用问卷和测试的方式评价大学生社会层面的深度学习水平、课程层面的认知水平和研究能力水平 。殷常鸿等构建“皮亚杰 比格斯”深度学习评价模型及其量化标准测量学生的思维及认知过程 。以上测评方式虽然可以评价认知深度,但形成的数据模态单一且主观依赖性强,在一定程度上影响了评价结果的全面性与准确性,制约了评价改进教与学的价值体现,是认知深度评价研究中的难题。(二)多模态数据支持的学习评价
8、研究多模态数据支持的学习评价通过动态捕获学习者两种及以上来源的学习数据,并对各类数据进行融合分析,刻画全面立体的学习图景,实现对复杂学习过程的客观准确评价及深入洞察 。多模态数据支持的学习评价具有以下特性:()动态性。研究者采用红外摄像机、智能穿戴传感器等新技术动态自动采集真实课堂教学情境中的学生肢体动作、生理行为、交互对话、作品文本等数据并自动标注 ,与认知深度的动态知识建构性相契合。()空间多维性。物理学习空间的言语信息、面部表情、肢体动作等数据,与网络学习空间的日志数据、档案信息、鼠标点击流数据等相整合,实现对学生学习的立体评价 ,与认知深度的多学习情境迁移特性高度契合。()高准确性。多
9、模态数据支持的学习评价可有效提升数据分析准确性,比单模态数据高 。等通过比较分析多项多模态数据支持的学习评价研究发现,综合使用眼动、脑电和面部视频的多模态数据预测模型比任何单模态数据预测模型的准确度更高 。基于以上优势,多模态数据支持的学习评价被广泛应用。然而,由于线上数据更易存储与采集,研究者侧重线上学习数据的处理与分析来评价学生的学习状态 ,导致线下日常真实学习场景中的数据融入不够,存在片面性问题。另外,多模态数据支持的学习评价常发生在实验室环境下,通过自动录播、智能可穿戴设备等技术,完成对少量学生多模态数据的采集与分析,难以在日常课堂教学中推广使用。综上所述,科学评价认知深度是提高本科教
10、学质量的关键。当前认知深度评价以问卷调查和测试等方式为主,形成的数据模态较为单一,存在评价结果准确性不高等问题。多模态数据支持的学习评价具有动态性、空间多维性、高准确性,为认知深度评价提供了新思路,但存在忽视线下学习数据的采集与挖掘、对学习空间和采集设备要求较高等问题,在常态化教学中运用受限。如何在常态化教学环境中动态捕获并分析学习过程中的多模态数据,继而开展大学生认知深度评价,是当前亟需解决的问题。三、基于多模态数据的大学生认知深度评价框架构建(一)评价框架构建学习者在课堂中的认知发展动态多维,涉及多方式、多空间、多主体。教育与技术深度耦合的数据采集场景分为物理空间和网络空间。物理空间面向真
11、实教学场景,分析物理空间的学习数据可以精准刻画真实教学场景中的相关要素;网络空间指向虚拟教学场景,易于采集和存储海量学习数据,为学习评价提供重要数据支撑。因此,可以利用多种设备及工具采集多维学习空间中的多模态学习数据并进行数据挖掘分析,以精准刻画学习过程,达成对认知深度的科学评价 。田浩等采集学习过程中的文本、生理、语音和心理数据表征协作学习环境下的学习者认知投入状态 。等通过分析教学视频来定位学习者的认知状态 。李艳丽等以话语类型和特点来评价学习者认知状态 。等通过捕获学习者的身体姿势并结合测验等方式来评价学生的学习状态 。刘哲雨等指出,可以通过思维导图、评估练习题、作业作品等图片数据评估学
12、习者的认知水平 。研究者们从理论和实践两方面为基于多模态数据评价认知深度提供了思路。基于此,在经典认知深度评价理论及多模态数据支持的学习评价研究的基础上,确定从物理空间和网络空间采集学习过程中的文本、图片、语音、视频等多模态数据来表征学习者认知深度,并按照数据所携带信息的特性对其进行筛选和汇聚,最后运用多种算法对学习数据进行分析和呈现,以评价学习者认知深度。同时,应根据不同的采集场景和研究对象合理选择采集方法,最大限度地规避单一采集方法的局限,达到增强可靠性、降低操作难度和成本、减少入侵程度的效果 。因此,在充分考虑日常教学中可利用的智能感知设备及便于采集的学习数据类型,构建常态化教学环境下基
13、于多模态数据的大学生认知深度评价框架(如图 所示)。图 基于多模态数据的大学生认知深度评价框架评价框架包括常态化本科课堂教学、多模态学习数据采集以及多模态学习数据处理与分析三个模块。首先,在常态化本科课堂教学中,教师和学生是两类活动主体,教师常采用“线上”和“线下”两种途径开展教学,两种教学模式相结合有利于解决过度使用讲授法而导致学生学习主动性不高、认知参与度不足、不同学生的学习结果差异过大等问题。教学环境包括智能录播系统、电子白板、在线学习平台等硬件设施和软件资源。其次,开展多模态学习数据采集,借助智能录播系统、摄像机、通讯工具等设备在物理空间和网络空间两种学习场景中,按照数据模态(文本、图
14、片、语音、视频)对多种学习数据进行采集与存储。再次,处理与分析多模态学习数据,剔除原始数据中的无效数据后进行编码,再采用机器学习方法分析编码后的数据,据此评定学生认知深度水平。最后,依据评价结果反馈改进课堂教学,促进学生认知深度发展,实现由主动理解、关联知识向思维迁移转变。(二)评价框架结构解析 认知深度粒度解析认知深度发展过程呈螺旋式上升,注重对知识的理解与建构,其最终目的是学生能灵活地迁移运用知识以理解现实世界、创造性地解决实际问题 。基于此,文章构建认知深度评价三维度模型,包括主动理解、关联知识和思维迁移,如图 所示。图 认知深度评价三维度模型主动理解是认知深度发展的基础,指学习者对当前
15、信息简要记忆,初步领会其内涵,并未概括或总结,划分为重述和理解 。重述是对当前信息的简要记忆,并未概括和总结;理解指基本掌握当前学习内容,并初步领会其内涵。关联知识指学习者整合当前问题或信息,与原有知识建立联系,构建更高层次的知识结构,划分为抽象和重构 ,。抽象指对当前问题或信息进行抽象、概括和总结,形成低层次新概念;重构指结合新旧概念并打散重构,形成抽象层次更高的概念。学习者只有不断更新个体内部知识结构,认知深度才可能向高水平转变。思维迁移指学习者在关联知识基础上对问题全面思考,概括出抽象特征用以解决问题,并生成一般性假设在新情境中运用来拓展问题本身意义,划分为迁移和创新 ,。迁移指对概念进
16、行升华,并能应用到其他情境中去,以解决关联问题;创新指把握学习问题的内在逻辑,能灵活运用所学知识解决新问题。多模态数据类型及其表征判断学习者认知深度需记录和表述学习过程中学习者的认知状态,有效方法是利用外显学习数据表征内隐认知过程 ,并对学习数据进行采集、处理与分析。常态化教学环境中,可通过智能录播系统、在线学习平台、录音笔等设备采集学习数据,包括主题讨论、思维导图、课堂问答、头部姿势等,依据数据模态可划分为文本、图片、语音和视频数据。基于此,探寻了不同模态的数据与认知深度评价的表征关系(如图 所示)。图 多模态数据类型及其表征文本数据与语音数据均可从学习者思考角度的多样性与全面性、知识结构的
17、关联度与逻辑性、知识内容的迁移度与创新性等方面表征学习者认知深度,即学习者思考问题的角度全面多样、自身知识结构体系科学完整并能利用已学知识解决相似问题、懂得合理创 新 则 表 明 学 习 者 认 知 深 度 处 于 高 水 平 状态 ,。图片数据除以上三方面,还可从图片与文字的适配程度表征学习者认知深度 。视频数据从课堂专注程度和学习积极性等方面反映学习者参与知识学习的情况,间接表征学习者认知深度水平 。不同模态学习数据对认知深度表征侧重方面各有不同,但均可从主动理解、关联知识、思维迁移三个维度进行表征,来定位学习者认知深度水平。多模态数据处理与分析多模态数据处理与分析可分为三个阶段(如图 所
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