SPOC学习者认知行为及序列模式的差异性分析

本文由《开放教育研究》授权发布

作者：刘智 杨重阳 刘三女牙 柴唤友 尼尔斯·平克瓦特

摘要

SPOC论坛的话语数据是反映学习者知识建构方式、认知策略和互动质量的重要载体。作为一种限制性学习社区，SPOC论坛存在大量与学习成效相关的认知行为样本，但学习者互动话语的认知行为类型及其序列模式未被充分发掘。为此，本研究先制定话语认知的评定规则以实现论坛帖子的认知行为分类；然后基于语义内容的自动化编码机制统计学习者认知行为类型（定义、描述、比较、推断或解释）；最后采用卡方检验与滞后序列分析法验证不同群体关键认知行为及其序列模式的差异。研究结果包括：1）必修、旁听类群体倾向于发布高阶认知行为帖，在讨论中呈现“循序渐进”“一鸣惊人”的序列模式，选修类群体倾向于发布低阶认知行为贴，表现出“循环往复”的序列模式；2）不同性别群体的认知行为无显著差异，然而，在序列模式方面，男性呈现“循序渐进”的模式，女性表现出“反向补救”模式；3）高、中成就群体倾向于发布低阶认知行为帖且呈现“循序渐进”“反向补救”序列模式，低成就群体呈现“一鸣惊人”的序列模式。教师可对不同群体的认知目标、讨论内容和互动形式进行调适或指导，促进学习群体的互动学习积极性及认知水平的提升。

关键词：SPOC；认知行为；差异性分析；卡方检验；二阶序列分析

一、引言

SPOC的广泛应用为高校教育工作者分析学习者的学习状态和优化教学策略提供了契机。其中，SPOC论坛是促进高校学习者参与交互式在线学习的主要交流载体，为学习者沟通协作、意见交换、问题探究及同伴互助等提供了技术支持（ Garrison et al.，2005；Garrison et al.，2001）。教师可通过分析学习者论坛讨论的交互特征与活跃度，观察学习者互动参与模式的差异性和学习流畅度，监测学习者对话内容与实际学习主题之间的契合度，评估个体学习任务的完成率和质量等（Lopez et al.，2012）。

学习者在论坛中的学习不仅发生在与课程资源的交互中，还发生在与教师或同伴的互动中。英国开放大学教授朗特里·德里克（ Rowntree Derek）认为，学习者的互动不仅是静态的知识习得过程，更是创造性的认知过程（ Derek，1995）。学习者在论坛中发布的与课程内容相关的分析、评价、争辩等话语蕴含着丰富的语义信息，往往映射出其隐藏的认知水平和自主探究模式，如与学习任务相关和无关的话语内容、主动和被动的互动行为、建构型与描述型对话模式等。因此，话语作为学习者思维表达和知识加工的外显形式，是甄别学习者认知模式、知识建构水平和自主探究能力的重要依据（ Wang et al.，2015）。然而，由于学习者的背景信息、兴趣和学习动机等的不同，其认知水平也可能表现出差异。例如，有研究发现，不同认知水平的学习者在组织、处理加工信息和接受学习等方面存在差异（Messick，1984），呈现不同的认知模式。同时，数据驱动的认知行为分类对学习者认知过程的追踪尤其重要（ Coffield et al. ，2004），不仅能辨别学习者在讨论式学习中的认知水平和认知序列模式，还能帮助学习者更有效地开展自主探究学习。值得注意的是，学习者的自主探究能力不一定是自然习得的，大多通过后天的学习或训练获得（Holec，1981）。因此，通过分析并可视化SPOC论坛学习者的认知行为及序列模式，可协助教师了解其差异并制定智能化的导学或激励机制，提升学习者的问题解决能力和自主探究学习能力。

二、认知行为及其分类

卡内基梅隆大学人机交互学院王旭等人（ Wanget al.，2015）指出，在线论坛的认知行为指与认知相关的学习行为，且体现在学习者有意识的话语互动中。为了深入探索认知行为与学习成效的关系，卡内基梅隆大学话语分析项目组基于ICAP框架（Interactive-Constructive- Active-Passive） （Chi，2009）制定了行为编码体系，对论坛的话语信息进行认知行为分类。宾夕法尼亚州立大学帕克分校王建源等（Wongetal.，2015）基于布鲁姆认知目标分类理论，采用关键话题词匹配法对慕课论坛的话语数据进行认知行为分类，以明确学习者论坛对话的学习交互类型及认知规律。研究结果表明，随着课程的进展，高阶认知学习事件不断增加。李良等人（2012）采用人工编码对Moodle论坛的发帖数据进行认知行为分类，探索积极与消极参与者交互过程中表现出的认知水平差异。研究发现，高层次认知行为多出现在积极参与者的互动话语中，消极参与者仅对主题帖进行简单描述，且缺乏较高目标层次的认知交互。因此，对群体学习者认知行为的量化分析有助于判断交互质量与认知水平以及对互动行为的认知归因。

然而，在线讨论具有大规模和非结构化特点，且认知行为的评测和量化相对抽象，研究者很难通过算法模型对其进行自动化特征提取和归类，这无疑对计算机建模提出了挑战。为了限定认知行为的范畴，本研究基于蔡今中等人提出的认知分类体系（Wu et al. ，2005），结合SPOC论坛学习者发布的讨论帖的特征，对其进行认知行为归类并制定评定规则（见表一）。值得注意的是，SPOC环境的学习者为了提高平时成绩会表现出较高的讨论参与性，可能发布与课程无关或无实际意义的讨论帖（如报到帖、灌水帖、后勤帖等，其中后勤帖指与课程平台技术支持相关的内容）。为了确保认知行为分类的精准性，研究者需筛选和剔除无实际意义的讨论帖。

蔡今中等（2005）将前三种认知行为（定义、描述、比较）归为低阶认知行为，将推断或解释归为高阶认知行为。高阶认知行为意味着学习者结合实际案例解释整合的知识、表达观点、评估共享信息并反思自身的理解等。社交互动、课程参与和知识共享等是高阶认知行为的触发因素之一（ McKendree etal. ，1998），因为学生在交互平台不仅可以了解教师和同伴解释与应用知识的过程，还能巩固与加深自身对知识的理解。然而，学习者在论坛中发布的讨论帖可能对应多种认知行为类型（Artzetal.，2001），因此对讨论帖进行二元认知行为分类易出现类别混淆，依据此方式划分的认知行为帖可能影响最终分析结果。为了规避该不足，本研究假定一条讨论帖仅对应一种认知行为，基于上述评定规则采用语义内容自动化编码机制对讨论帖进行认知行为分类，并结合Kappa系数及查准率对分类结果的一致性及准确性进行检测。

三、研究设计

（一）研究问题

认知序列模式代表学习者获取、加工、处理信息的方式，不同类型学习者的序列模式有差异，即思考问题或内化知识的方式不同，最终呈现不同的认知水平。因此，探究学习者认知行为及序列模式的差异，有助于了解不同学习者的信息加工、使用等隐性思维方式。本研究通过对SPOC论坛讨论帖进行认知行为的归纳、整理和模式分析，按照选课类别、性别及学业成就对学习群体进行划分，围绕以下三个问题考察不同学习群体:

1)不同选课类别学习者的认知行为类型和认知序列模式是否存在差异？

2)不同性别学习者的认知行为类型和认知序列模式是否存在差异？

3)不同学业成就学习者的认知行为类型和认知序列模式是否存在差异?

（二）研究对象和数据来源 

研究采用的数据源于华中师范大学云课堂平台“心理学基础”课程论坛学期的发帖记录。该课程是师范生的公共必修课，共有311名大二学生参与，其中，189名学习者将其作为公共必修课，48名学习者将其作为公共选修课，另有74名学习者旁听。本研究共收集4712条课程讨论帖，经过对讨论帖的匹配与筛选，剔除教师发帖和回帖，以及灌水、报到、后勤等非认知行为帖，最终有1835条有效讨论帖。学习者期末的总评成绩平均分为83.91，标准差8.33。学习者成绩的标准差相对较小，即学习者之间知识掌握水平差异不大。

 （三）数据分析

为了精准呈现学习者认知行为及序列模式的差异性，本研究首先借助Eclipse开发平台并结合表一的认知行为分类法对讨论帖进行内容分析和量化处理，并使用Kappa系数及查准率对结果进行检测；其次，基于关键词和短语的正则匹配法统计每个学习者一个学期内认知行为出现的频率和时序行为序列频率，借助SPSS19.0采用四格表卡方检验探索不同类型学习群体认知行为类型的差异；最后，采用滞后序列分析法探究不同学习群体的认知行为序列模式，并借助Visio软件对显著性行为序列模式进行可视化处理。

 四、研究结果与分析

本研究随机抽取500条论坛帖进行分析，邀请两位专家对认知行为分类结果的一致性及准确性进行检测。两位专家通过讨论和协商澄清模糊定义，经多次修改语义规则，最终的Kappa系数为0.825，这表明两位专家对分类结果达到高度一致。在此基础上，一位专家从整体数据集中随机抽取1200条帖子进行检测，查准率为0.794，表明该分类规则的准确率较高（见表二）。

（一）不同选课类别学习者的认知行为及序列模式存在显著差异

学习者可根据自身的学习目标、动机或喜好自由地在SPOC平台选择满意的课程，然而课程选修方式并非一种（必修、选修、旁听），不同选课类别对应的最终学分也不同（必修课3学分，选修课2学分，旁听课无学分）。不同选课类别学习者的最终课程考核方式和难度不同，且所选课程的学分高低对学习者的成就动机有潜在影响，因而选课类别不同可能是引起论坛互动表现差异的主要因素。研究者通过统计不同选课类别学习者在四种认知行为帖的发布频次，采用四格表卡方检验（Lin et al.，2012）探究三种选课类别学习者认知行为的差异性，结果发现，不同选课类别学习者的认知行为类型存在显著差异（ Chi-square = 13.02，p =0.043）。

为了深度剖析不同选课类别学习者认知行为类型的差异，本研究基于卡方检验生成结果，结合不同选课类别学习者认知行为帖的比例分布，探求不同选课类别学习者互动的认知结构及行为倾向。结果发现：选修类学习者倾向发布描述帖（32.9%）及比较帖（27.8%）；必修、旁听类学习者倾向发布描述：帖及推断或解释帖（必修类：29.4% ,24. 1% ；旁听类：35.8% ，24.7%）。因此，在论坛中，学习者往往通过描述所学知识表达自身的观点或态度。此外，相对于选修类学习者，必修类学习者使用高阶认知行为的频率较高，对所学知识的归纳整合能力较强；旁听类学习者出于对课程内容感兴趣，往往自发选择该课程，其发帖数量（必修类>选修类>旁听类）相对较少，但对课程的理解程度较深。此外，本研究采用滞后序列分析法探究不同选课类别学习者获取新知识所呈现的认知序列模式。与以往所采用的一阶序列分析不同，本研究结合已有研究经验对滞后序列分析算法进行调整和重构，生成二阶序列分析法（刘智等，2017），以此为基础分别统计认知行为时间顺序的序列转移频率和序列转移条件概率，并获得调整后的残差表，从中选取统计上最显著（Z -score>1. 96，Z值越高，显著性越强）的序列行为进行可视化分析（见图1）。其中，箭头代表行为转移方向，数字代表序列Z值，箭头越粗表明对应序列Z值越大，即学习群体在该行为序列的活跃度越显著。

结果显示，必修、选修类学习者均存在D→J→K序列且Z值相等，必修、 旁听类学习者均存在K→K→K和D→D→D序列。在行为序列的差异方面，必修类学习者的显著认知行为序列为C→D→D和J→J→J，选修类学习者为C→D→C，旁听类学习者为K→J→C。这表明，必修与选修类、必修与旁听类学习者对某类知识认知程度的内在结构无明显差异，即认知序列模式相似，但整体认知序列模式存在显著差异。

基于SPOC混合式学习的特性，学生首先在课堂学习新知识，然后到论坛发帖。因此，内化新知识时，必修类学习者优先对知识进行简要描述；随着课程内容的不断推进，必修类学习者对新知识的认知达到更高程度——比较，并对其进行简要描述以辅助理解；部分学习者对新知识的认知达到深度理解，使用高阶认知行为进行回答。选修类学习者倾问于对所学知识内容进行比较、概括、再比较，从中发现其异同以便将其内化。旁听类学习者往往从新知识的定义入手，根据定义对实际案例进行推断或解释，再进行比较，以便深度了解和掌握知识。

（二）不同性别学习者认知行为序列模式存在显著差异

性别对在线学习者认知序列模式的表征存在一定影响，但影响程度可能因不同的表现水平而异（ Khalid et al.，2009）。 本研究采用卡方检验方法进行分析后发现，不同性别学习者认知行为类型无显著差异（p>0.05）。

此外，本研究按时间顺序对不同性别学习者发布的认知行为帖进行排序，并对其进行二阶序列分析，将显著性行为序列进行可视化处理以了解不同性别学习者获取新知识的认知序列模式（见图2）结果显示：男、女性学习者的K→K→K序列均表现出统计显著性。在行为序列的差异性方面，男性学习者较显著的行为序列为D→D→J、C→D→D和D→J →K、女性学习者为K→J→J、J→K→K和D→C →C。这表明，不同性别学习者获取和内化新知识的认知序列模式不同。在初始阶段，男性学习者优先从新知识的定义开始理解和内化；随着课程的推进，他们在知识定义的基础上进行描述并结合实际案例进行推断或解释，部分学习者对不同知识的定义进行比较并加以描述以便将其内化。女性学习者则优先结合实际案例对新知识的定义进行分析和推断，再基于推断或解释的内容印证定义，部分女性学习者通过对知识进行描述和比较达到更深程度的认知。

（三）不同学业成就学习者的认知行为及序列模式存在显著差异

为了分析不同学业成就学习者的认知行为差异，本研究依据杜鲁门·凯利（Kelley，1939 ）提出的高——低水平分群准则，结合学习者的课程总评成绩进行分组，即成绩排名前27%的学习者为高成就组（90≤S <98），排名后27%的学习者为低成就组（S<82），中间46%的学习者为中等成就组（82≤S<90），并基于上述方法探索不同学业成就学习者的认知行为类型的差异。研究结果表明，不同学业成就学习者的认知行为类型存在显著差异（ Chi -square=19.21，p=0. 004）。

此外，本研究结合不同学业成就学习者各类认知行为帖所占比例发现，高成就学习者倾向于发布描述帖（31.9%）及比较帖（24.9% ）；中等成就学习者发帖类型较均匀，倾向于发布定义（25.7%）及比较帖（25.2%）；低成就学习者倾向于发布描述帖（37.2%）及推断或解释帖（25.1%）。因此，高成就学习者的论坛发帖行为较多、活跃程度更高（高成就组>中等成就组>低成就组），且使用比较学习的频率较高；中等成就学习者四种认知行为的使用频率大体一致；低成就学习者发帖数量相对较少，少部分学习者通过推断或解释掌握知识。最后，本研究采用滞后序列分析法对不同学业成就学习者发布的认知行为帖进行二阶序列分析和可视化处理（见图3）。结果显示：高、中等成就学习者均存在C→D→D序列，且Z值相等，高、低成就学习者均存在D→K→K序列。在行为序列差异方面，高成就学习者较显著的行为序列为K→C→J和J→J→K；中等成就学习者为D→C→C和J→J→J；低成就学习者为K→J→C。

该现象表明，高、中成就学习者以及高、低成就学习者的互动对话存在相似的认知序列模式，但整体认知序列模式表现出显著差异。高、中成就学习者内化新知识时均优先对内容进行比较并配以适当的描述以加深理解。部分高成就学习者通过分析定义和比较异同，对新知识达到一定程度的认知水平后，结合实际案例对其进行推断或解释。部分中等成就学习者直接对新知识进行整合与重构。低成就学习者优先针对定义进行理解；随着时间的推移，学习者基于定义的内容结合实际问题对其进行深度加工，然后对该知识达到高阶认知后选择相应内容进行比较。

五、结论、讨论与建议

（一）结论与讨论

在SPOC论坛中，交互式文本数据不仅能反映学习者真实的学习动机，而且能反映学习者当下的认知状态（刘三女牙等，2017）。有研究表明，高阶认知能力、高阶思维能力的学习者能有效进行深度学习，且学习者个体的认知模式具有非线性、渐进性和突变性等特点（张浩等，2012；邢红军，2009）。为了探求不同类别群体的认知倾向性与隐性思维方式，本研究基于蔡今中提出的认知分类标准，结合论坛讨论帖的特点对学习者发布的话语数据进行认知分类，进而采用定性与定量相结合的研究方法分析不同选课类别、性别、学业成就群体论坛讨论的显著性认知行为及序列模式的差异，结果发现：

1）必修、旁听类群体倾向发布高阶认知行为帖，内化新知识时表现出“渐进性”“突发性”的认知序列模式；选修类群体倾向发布低阶认知行为帖，表现出“非线性”认知序列模式；

2）不同性别群体的认知行为不存在显著差异，但内化新知识时男性呈“渐进性”认知序列模式，女性呈“非线性”认知序列模式；

3）高、中成就群体倾向发布低阶认知行为帖，内化新知识时表现出“渐进性”“非线性”认知序列模式，低成就群体发帖数量最少，但倾向发布高阶认知行为帖且表现出“突发性”认知序列模式。

在选课类别方面，以往的研究证实：有学分压力的群体拥有更高的外部目标倾向（Kursun，2016）。与该结论相对应，本研究的必修类学习者作为学分目标最强的群体，表现出的认知程度较深（即高阶认知行为运用最多），能结合实际案例反思并深化自身整合的知识；在获取并内化新知识时又能采用“循序渐进”的思维方式，即呈现“描述知识→比较异同→推断或解释内容”的渐进性认知序列模式。选修类群体更多地通过对比不同知识的内涵以提升自身认知水平并表现出“循环往复”的非线性思维方式，即呈现“比较异同→描述内容→比较异同”的认知序列模式。旁听类群体发帖频次较低，但在无学分压力的情况下仍能积极主动地参与讨论，且部分群体的认知程度较深，表现出“一鸣惊人”的突发性思维方式，即“理解定义→推断或解释知识→比较异同”的认知序列模式。这与卡内基梅隆大学话语分析项目组（Wang et al.，2016）的研究结果类似，即学习主动性强的群体更倾向呈现高阶认知行为，且高阶认知行为能促进学生更有效地学习。因此，教师可设置不同的分组形成互补的群体认知体系，使有强烈学习动机、主动学习态度和高成就动机驱动的学习者带动整个群体的高阶认知活动和复杂思维能力的培养；学生个体也可以从中借鉴优秀的思维模式并加以磨合，进而形成适合自身的思维方式。

在性别方面，女性对在线学习表现出更积极主动的态度，认为在线学习内容充实、有益、多样和有教育性（Chen，2007）。与该结论类似，本研究男性发帖频次相对较低且呈现“循序渐进”思维方式，即“理解定义→描述知识→推断或解释知识”的渐进性认知序列模式，女性在获取和内化新知识时表现出“反向补救”的思维方式，即“推断反思→定义辅助→内容描述”的非线性认知序列模式。因此，教师可对不同性别群体制定不同的在线学习活动（知识问答或有奖竞猜），扩大字习者（尤具是男性群体）的学习机会，并鼓励其在理解、重构知识的基础上运用高阶认知思维解决问题，使不同性别群体均得到有效的学习支持。

在学业成就方面，高成就群体倾向发布描述帖和比较帖且呈“循序渐进”思维方式，即“理解定义→比较异同→推断或解释知识”的渐进性认知序列模式。中等成就群体倾向发布定义和比较性的知识且表现出“反向补救”思维方式，即“比较异同→描述内容→推断反思知识”的非线性认知序列模式。低成就群体发布帖子频次低，但对知识的描述、推断和解释行为更活跃，且部分学习者更多地趋向于“一鸣惊人”的思维方式，即“定义内容→推断反思→比较异同”的突发性认知序列模式。有研究表明，相较于低成就者，高成就者往往表现出更综合的认知思维模式和更有效的信息处理方法（Tsai，1999）。因此，教师可对潜在的低成就学习者提供针对性的互动方案或知识理解模式，使其更积极、有效地参与讨论。

（二）建议

本研究的贡献在于：

1）为群体互动学习行为与认知模式的关联性研究提供了新的思路和方法，能从互动讨论的知识建构中发现群体认知倾向与认知序列模式；

2）制定了适用于SPOC论坛讨论的认知行为分类规则，能对认知行为帖进行有效分类；

3）为探究SPOC学习环境的互动讨论对知识建构质量和认知水平的影响作用提供实证性支撑。

本研究对群体认知行为及其序列模式进行的编码、分析和深入洞察，仍存在不足和局限性。首先，研究使用的数据规模较小，仅选取一门课程的论坛讨论数据。因此，实验结果可能会限制其他课程中相关情境的解释性。其次，该研究缺少对学习者知识能力和认知水平的前测，可能导致结果有所偏差。最后，认知行为的编码机制还需优化，以提升认知行为模式鉴别的准确性与可靠性。因此，后续研究将通过增加认知行为的标注样本提高认知行为检测的精准度，以便于对更大规模的样本进行多种认知维度的检测。基于上述讨论，本研究对SPOC平台的改进及学生培养方案提出以下优化建议。

1.可视化认知模式

论坛讨论中学习者的认知行为是以非结构化形式存在的。为了使教师和学习者深入洞察互动的个体和群体认知行为及序列模式，行为数据可视化是未来SPOC论坛学习分析研究的趋势（ Fu et al.，2017）。对学习者来说，认知序列模式可视化能帮助了解自己和同伴互动讨论的认知表现及隐性思维方式；对教学者来说，探索群体认知序列模式在不同讨论活动中的概率分布，以及鉴别知识建构存在困难的个体能协助教学者实施针对性互动教学策略及讨论活动（Amold et al.，2012）。特别是，统计SPOC论坛学习者个体认知性学习活动（按认知行为进行编码分类）的活跃度、持续时间等，并将统计结果及差异性分析以多维度可视化的形式在个人学习空间动态呈现，将有助于激发个体学习动机及自主学习意识，进而带动群体互动学习氛围。

2.提高自我监控能力

SPOC论坛是学习者自主探究学习的交互式学习社区。实现自主学习需要学习者具备一定的自我监控能力，即个体需通过调整自身的动机与行为，提高学习效率以达到预期学习目标（董奇等，1994）。自我监控能力不是先天就有的，而是通过学习活动逐渐形成的，教师引导、智能化导学或激励机制可帮助学习者培养自我监控式学习技能（Cho et al.，2015）。例如，教师可提前制定少量针对性的教学检测与干预策略，通过创设专题讨论、问题互助、智慧共享等激励式在线学习活动，并结合认知行为及序列模式的可视化促进学习者对其互动学习的认知策略进行计划、检查和调控，以便逐步培养自我监控能力及对知识的组织推断和总结归纳技能，实现在SPOC环境中的自主学习。

3.培养高阶思维

高阶思维的培养可帮助学习者以逐层递进的思维模式，包括远迁移能力、发散思维能力等（钟志贤，2004）对事物或现象的本质做出合理的推导、判断和评估。卡内基梅隆大学话语分析项目组认为，在创设开放性和推演性讨论活动的基础上，能得到对学习者认知行为测量结果与其学习成效间关系的更深入的洞察（Wang et al.，2015）。因而，教师作为SPOC论坛的引导者，可在讨论中鼓励学习者从多角度对学习对象的本质进行探究，对论坛参与者之间观点的分析、解释与争辩以培养其高阶思维，塑造更具建构性和互动性的对话。然而，当前的SPOC论坛仍缺乏针对性问题引导。未来的研究设计需要在论坛中引入开放式问题讨论与解决场景，创设的问题不再给定具体可供选择或判断的答案，而是提供有问题导向和递进式的互动讨论机制，达到激发学习者自主探究意识及高阶思维能力的目的，提高学习成功率。

基金项目：国家自然科学基金青年项目“多场景网络学习中基于行为——情感——主题联合建模的学习者兴趣挖掘关键技术研究”（61702207），教育部人文社会科学研究青年基金项目“高校慕课环境下的互动话语行为及其对学习效果的影响机理研究”（16YJC880052）；湖北省自然科学基金面上项目“大规模在线教育环境中基于深度行为——主题概率建模的群体学习兴趣挖掘”（2018CFB518）。

作者简介：刘智，博士，讲师，硕士生导师，华中师范大学教育大数据应用技术国家工程实验室，研究方向：大数据与学习分析；杨重阳，硕士研究生，华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心，研究方向：教育大数据与学习行为分析；刘三女牙，教授，博士生导师，华中师范大学教育大数据应用技术国家工程实验室与国家数字化学习工程技术研究中心常务副主任，研究方向：人工智能和教育大数据。