第一章教育信息處理

1、教育信息處理 第一章 教育信息概述 第一節(jié) 有關(guān)信息的基本概念 第二節(jié) 教育信息的特點 第三節(jié) 教育信息的數(shù)量化 第四節(jié) 教育信息的結(jié)構(gòu)形式 第五節(jié) 教育信息處理的對象 第六節(jié) 教育信息處理的方法 第七節(jié) 教育信息處理的數(shù)學(xué)方法 第一節(jié) 有關(guān)信息的基本概念 什么是信息 簡單地講，通過信息，可以告訴我們某件事情，可以使我們增加一定的知識。英語中的信息是“information”，表示信息可以讓受者產(chǎn)生某種形式的變化，這種變化可以讓受者從認識上的不完全、不理解、不確定變?yōu)橥耆?、理解和確定。 信息論的奠基者香農(nóng)（C.E.Shannon）對信息下了如下定義。 香農(nóng)將信息定義為熵的減少，即信息可以消除人

2、們對事物認識的不確定性，并將消除不確定程度的多少作為信息量的量度。 天氣預(yù)報 說者無心，聽者有意信息的價值因人而異。 所謂有用的信息，因人而異。例如，“公司開發(fā)出了一種新的超大規(guī)?！边@樣的信息，對計算機專業(yè)人員是有用的信息，但對其他的一般人員可能就沒有意義。因此，是否是信息，不是由受者所決定。 數(shù)據(jù)是信息的素材，是在各種現(xiàn)象和事件中收集的。當我們根據(jù)一定的利用目的，采取相應(yīng)的形式對數(shù)據(jù)進行處理后，就可得到新的信息（制作出新的信息）。 數(shù)據(jù)處理是一種對數(shù)據(jù)的有意義的操作。 知識是一種信息，是在對數(shù)據(jù)、信息理解的基礎(chǔ)上，以某種可利用的形式，高度民主組織化后的可記憶的信息。 信息的特點 沒有大小 由

3、于信息不具大小，無論怎樣小的空間，都可存放大量的信息，無論怎樣狹窄的通道，都能高速地傳遞大量的信息。信息產(chǎn)業(yè)是一種省空間、省能源的產(chǎn)業(yè)。 沒有重量 信息由于沒有重量，在處理時，不需要能量。信息產(chǎn)業(yè)是一種省能源產(chǎn)業(yè)。 容易復(fù)制 信息一旦產(chǎn)生，很容易復(fù)制，它有利于大量生產(chǎn)。 信息科學(xué) 信息論是一種研究信息過程的一般規(guī)律的科學(xué)。信息論有狹義的和廣義的兩種劃分。狹義的信息論是應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)的方法研究通信系統(tǒng)中信息傳遞和信息處理的科學(xué)。 廣義的信息論是應(yīng)用數(shù)學(xué)和其他科學(xué)的方法，研究一切現(xiàn)實系統(tǒng)中存在的信息傳遞和信息處理的科學(xué)。香農(nóng)和信息論 美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)1948年發(fā)表的“關(guān)于通信的數(shù)學(xué)理論”一書被認為是信息

4、論正式誕生的標志。他第一次從理論上闡明了通信的基本問題，提出了通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了定量描述信息的計算方法，為信息的定量描述提供了理論根據(jù)。維納和控制論 美國的維納提出了維納濾波器的理論和預(yù)測的理論，他為控制理論的發(fā)展做出了重要貢獻。維納的理論對于研究機器和生物中信息的傳遞，變換、處理和控制具有重要意義。系統(tǒng)理論信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)往往是一種十分復(fù)雜的系統(tǒng)。對于這些系統(tǒng)的分析、設(shè)計需要系統(tǒng)理論的指導(dǎo)。系統(tǒng)理論是一種研究系統(tǒng)化和最佳化的科學(xué)。第二節(jié) 教育信息的特點 教育系統(tǒng)主要研究人的內(nèi)部，或人與人之間所發(fā)生的信息。教育系統(tǒng)的這些特點，為教育系統(tǒng)的分析，為教育系統(tǒng)中的信息處理帶來了很大的困難，

5、它也決定了教育信息的基本特點。 1.2.1量度水平低 教育過程中的某些信息，例如學(xué)習(xí)成績，學(xué)生身高、體重等量度水平較高，處理也較為容易。然而，教育過程中的許多信息，例如學(xué)習(xí)課程、教學(xué)方法等，大多量度水平較低，處理較為困難。此外，例如，對問題的反應(yīng)、學(xué)習(xí)的愛好等，多是一些反映個人的思想、意志的信息，它與個人的思想模式、思維特點、認知水平有關(guān)，對于這些信息的描述、處理十分困難。 教育信息的基本特點教育信息的基本特點1.2.2教育數(shù)據(jù)多是一些小樣本的數(shù)據(jù) 教育數(shù)據(jù)中，有些涉及較大的范圍，例如一個學(xué)校，其數(shù)據(jù)量較大，樣本數(shù)據(jù)較多，可有效地利用數(shù)理統(tǒng)計的方法進行處理。而實際的教學(xué)過程中，往往僅涉及一個班

6、，由于樣本較少，它給數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理帶來了很大的困難。 教育信息的基本特點1.2.3注重個體數(shù)據(jù)的分析 教育過程中，往往還要注重某些學(xué)生個體的分析，分析某個學(xué)生的個體特性，分析某個學(xué)生個體在集團教學(xué)中的位置。教育改革中，我們強調(diào)學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。對學(xué)生個體數(shù)據(jù)的分析，可為個性化學(xué)習(xí)提供重要的信息，可實現(xiàn)有效的個別指導(dǎo)。 1.2.4教育信息多是一些模糊信息 以教育測試時學(xué)生的應(yīng)答為例，對于學(xué)生的錯誤應(yīng)答，可能有多種情況，有近似正確的誤答，也有完全不能理解問題的應(yīng)答。對于各種誤答，要設(shè)置一個誤答的標準是十分困難的。教育信息的這種模糊性與教育系統(tǒng)是一種包含人在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)是密切相關(guān)的。 教育信息的基本

7、特點第三節(jié) 教育信息的數(shù)量化 1.3.1教育信息數(shù)量化的特點 教育研究中，根據(jù)教育現(xiàn)象的特點，需要對該現(xiàn)象賦以一定的數(shù)量，稱之為數(shù)量化（quantification）.例如,一個小班有五個組,為了區(qū)分的方便,我們分別賦予它們?yōu)橐唤M、二組五組。 教育信息數(shù)量的特點 在教育信息的統(tǒng)計處理中，應(yīng)根據(jù)教育信息數(shù)量化的方法不同、特點不同，決定對這種信息進行統(tǒng)計處理的具體方法。這是進行教育信息處理的重要關(guān)鍵。 數(shù)量化的尺度數(shù)量化的尺度 教育數(shù)據(jù)中，有些涉及較大的范圍，例如一個學(xué)校，其數(shù)據(jù)量較大，樣本數(shù)據(jù)較多，可有效地利用數(shù)理統(tǒng)計的方法進行處理。而實際的教學(xué)過程中，往往僅涉及一個班，由于樣本較少，它給數(shù)據(jù)的

8、統(tǒng)計處理帶來了很大的困難。 1名義尺度(nominal scale) 名義尺度的數(shù)值僅具符號的意義。前面我們談到的一組、二組、的數(shù)值就是名義尺度數(shù)值，它僅是表示不同組別的符號，數(shù)字之間不能進行代數(shù)運算。它為教育信息的表示，存貯帶來了很大的方便。 2序數(shù)尺度(ordinal scale) 表示教育現(xiàn)象的順序排列時，多用序數(shù)尺度的數(shù)字。例如，全班有50名學(xué)生，按測試成績從高到低排序，可排出1至50名。這里的150是一種序數(shù)尺度的數(shù)字。序數(shù)尺度數(shù)字可比較其大小，但不能進行四則運算，對這類數(shù)字的數(shù)值群的處理較多。 數(shù)量化的尺度 3距離尺度(interval scale,equal unit scale

9、) 距離尺度又稱間隔尺度，是指數(shù)值間的距離（間隔），具有加法性。距離尺度要求具有等價的單位，但不要求確定的零點位置。例，將10C和20C等量的水混合（相加）在一起，可得到15C的水處理的過程中，零點的位置可以任意設(shè)定。對距離尺度的數(shù)字可以計算算術(shù)平均值、計算標準差，求相關(guān)系數(shù)據(jù)等各種統(tǒng)計處理。 4比例尺度(ratio scale) 比例尺度是一種具有絕對零度的距離尺度值。表示身長、體重的數(shù)值是比例尺度值。對比例尺度的數(shù)字可進行各種統(tǒng)計處理。 數(shù)量化的尺度第四節(jié) 教育信息的結(jié)構(gòu)形式 1.4.1矩陣 矩陣是表示教育信息結(jié)構(gòu)的一種基本形式。 詳細分析： 設(shè)某班有n名學(xué)生，經(jīng)過m門課程的測試，其測試成

10、績?nèi)绫?.2所示。表1.2 學(xué)生測試成績表 式中，xij表示第I名學(xué)生第j門課程的測試成績。稱這樣的矩形為得分矩陣。顯然，矩陣中，第 I行各元素之和為第I名學(xué)生的各科成績之和，第j列各元素之和為第j門課程全班學(xué)生的得分之和。1.4.1矩陣 使用時間序列（簡稱時序列）研究教學(xué)過程。對于某個教學(xué)過程，可以用 xi ti i=1n (1-2) 這樣的概率模型所表示，式中 第I個行為狀態(tài)的類型； ti：產(chǎn)生第I個行為的時間； n：教學(xué)過程中所出現(xiàn)行為狀態(tài)的總數(shù) 例：上課，45分鐘 考試，2小時 為了進行時序列分析，首先應(yīng)對教學(xué)過程中的行為進行分類。分類時，應(yīng)對教師的行為、學(xué)生的行為分別進行。 時間序列

11、 1.4.3圖 所謂圖是指由一些點和連接這些點的線所構(gòu)成的總體。以數(shù)學(xué)的語言表示，圖是一個有序?qū)Γ╒，E）。 1.4.3圖 V=(V1,V2,)是一些點的集合(如下圖中的V=(A,B,C)，E=（E1，E2）是?。ㄓ址Q邊）的集合(在右圖戶弧E=(BA,AC,BC)。圖又分為無向圖(左圖)和有向圖（右圖）。無向圖中，E是V上的無序關(guān)系，即Ek由無序?qū)Γ╒i，Vj）所定義（即如左圖弧AB由無序?qū)Γˋ,B）定義）。有向圖中，Ek由有序?qū)λx。教育信息中，多為有向圖，即連接點的邊是有序（有方向）的。 1.4.3圖 第五節(jié) 教育信息處理的對象 教學(xué)活動是學(xué)校教育中最重要、最基本的活動。教育信息處理所討

12、論的對象僅涉及教學(xué)活動中的有關(guān)信息。 教學(xué)活動的基本周期是教學(xué)的測試往往與評價聯(lián)系在一起，是評價的一個重要組成部分。測試可用于學(xué)習(xí)結(jié)果的評價，測試也可用于學(xué)習(xí)過程的完善。 測試結(jié)果除包括尺度水平較高的測試得分外，還包括尺度水平較低的應(yīng)答信息。測試得分可利用一般的統(tǒng)計方法進行處理。作為多重選擇問題的應(yīng)答信息的尺度水平很低，我們可采用S-P表分析、IRS分析的方法進行處理。通過對測試結(jié)果的分析，教師可以了解學(xué)生對于知識的掌握程度，從而可以為她下一步指導(dǎo)學(xué)生完善學(xué)習(xí)提供信息，促進了學(xué)習(xí)過程的完善。 1.5.1有關(guān)測試的教育信息 教學(xué)是一種教師與學(xué)生間的信息交流。教學(xué)過程中的各種信息是教育信息中的一個

13、重要類別。以教學(xué)過程中的各種信息及其交流作為研究對象的分析方法稱之為教學(xué)分析。教學(xué)分析中，將教師的行為、學(xué)生的行為進行分類，通過對這些行為類型的遷移和行為內(nèi)容的分析實現(xiàn)教學(xué)過程的分析 。1.5.2有關(guān)教學(xué)過程的教育信息 教學(xué)過程不僅要考慮教學(xué)內(nèi)容，更要考慮這些內(nèi)容以怎樣的過程傳遞給學(xué)生。在此過程中，構(gòu)成教學(xué)系統(tǒng)的各要素間所進行的信息傳遞、信息交流、相互作用是十分重要的。 為了有效地實現(xiàn)各種信息的傳遞，應(yīng)對教學(xué)過程中所傳遞的各種信息進行分析和處理，以實現(xiàn)教學(xué)過程的有效控制。教學(xué)分析、GSR反應(yīng)分析是分析這類信息的重要方法。 1.5.4有關(guān)傳遞過程的教育信息 教學(xué)過程中，需要使用包括黑板、文字、電

14、視、計算機等各種媒體，并以各種媒體呈現(xiàn)、傳遞各種教育信息。各種媒體是教學(xué)的重要環(huán)境和資源，對這些環(huán)境，資源及其傳遞信息的分析、處理，可獲得最佳的教學(xué)效果。 1.5.5有關(guān)學(xué)習(xí)環(huán)境的教育信息 1.教育信息的表示 教育信息處理是以教育信息作為處理對象的。教育系統(tǒng)的特點決定了教育信息的復(fù)雜性、多樣性和模糊性。對于這樣的信息如何去表示，如何去編碼，是教育信息分析、處理應(yīng)解決的第一個問題。 1.6.1教育信息處理應(yīng)解決的問題 處理方法應(yīng)適用于教育信息的特點和要求。所謂處理是指對給定的信息所進行的某種運算、變換和邏輯的分析。對于信息施加的各種運算、變換、分析，不應(yīng)給教育現(xiàn)象產(chǎn)生任何矛盾。 2.處理方法 處

15、理的有效性是指經(jīng)過處理后所得到的信息在多大的程度上達到了處理目的要求。處理的結(jié)果不僅應(yīng)能有效地達到預(yù)期的目的，而且要求它與處理前的信息不產(chǎn)生任何矛盾。處理前的原始信息所說明的教育現(xiàn)象，處理后的信息不僅能更清楚地表明該現(xiàn)象中的某些實質(zhì)性的內(nèi)容，且和原始信息所說明的現(xiàn)象不應(yīng)產(chǎn)生任何矛盾。3.有效性 1.6.2教育信息的處理方法1加強與其他學(xué)科的交流 教育信息處理是一種跨多門學(xué)科的綜合性學(xué)科領(lǐng)域。它涉及教育學(xué)、心理學(xué)、認知科學(xué)、信息科學(xué)等多門學(xué)科的研究。教育信息處理應(yīng)努力與這些學(xué)科進行交流，學(xué)習(xí)他們的思想、方法，學(xué)習(xí)它們的理論、技術(shù)，努力地完善自己，在實踐的基礎(chǔ)上，確立自己的理論和方法。 1.6.2

16、教育信息的處理方法 2從行為向認知變換 在教育信息處理時，不僅要注意教學(xué)過程中的各種行為，更要注意產(chǎn)生這種行為的思想，產(chǎn)生這種行為的認知過程。作為教育信息處理的方法，應(yīng)將對行為表現(xiàn)的分析、處理，逐漸轉(zhuǎn)換為對人們內(nèi)在認知特點、認知過程的分析、處理，即從行為向認知變換。在教學(xué)過程的設(shè)計、教材的構(gòu)成、教學(xué)模式的決定中，教師的教育思想、教學(xué)觀點、認知特點起到重要的作用。在對有關(guān)的教育信息分析、處理中，應(yīng)從認知的觀點上進行分析和處理。 1.6.2教育信息的處理方法3從集團向個體變換 教育的發(fā)展，不僅要求我們注重集團（班級）的教育，更要注意學(xué)生的個性發(fā)展。教育信息處理不僅要注重集團，例如：學(xué)校、年級、班的

17、有關(guān)信息的處理，更應(yīng)注重學(xué)生個體信息的處理，例如，某個學(xué)生學(xué)習(xí)過程的分析，學(xué)生個體與班級關(guān)系的研究等。這種變換有利于學(xué)習(xí)個性化的研究和實施。1.6.2教育信息的處理方法 4數(shù)量化向結(jié)構(gòu)化變換 許多信息處理，往往只注重數(shù)量化程度較高的信息處理（當然，這種信息處理較為容易），而忽視了數(shù)量化程度較低的信息，在這種信息中，往往具有較明顯的結(jié)構(gòu)化特點。教育信息處理中，應(yīng)根據(jù)教育信息的特點，將注重數(shù)量化的處理變換為注重結(jié)構(gòu)化的處理。 1.7.1 教育信息處理的數(shù)學(xué)方法教育信息處理應(yīng)根據(jù)教育信息的特點和處理的目的，選擇合適的數(shù)學(xué)方法，實現(xiàn)教育信息的有效處理。 1信息理論法 教學(xué)過程是一種信息過程，以信息理論

18、來研究教學(xué)過程是教育信息處理的重要內(nèi)容。以信息理論作為指導(dǎo)，通過信息量的計算，可實現(xiàn)教學(xué)過程的有效研究。 2系統(tǒng)分析法 在很多情況下，教學(xué)系統(tǒng)是一種定性系統(tǒng)，我們可利用系統(tǒng)科學(xué)中有關(guān)定性系統(tǒng)的分析方法，以圖作為工具，對這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行分析。 1.7.1 教育信息處理的數(shù)學(xué)方法3模糊數(shù)學(xué)法 教育信息往往是一種模糊信息，利用模糊教學(xué)的方法可對這種信息進行處理。 1.7.1 教育信息處理的數(shù)學(xué)方法4數(shù)理統(tǒng)計法 教學(xué)實踐中，更多地使用數(shù)理統(tǒng)計的方法對教育信息進行處理。最為常用的就是多元分析法（教育系統(tǒng)是一個多變量系統(tǒng)，為了研究和評價這種系統(tǒng)，使用單變量法，即一個一個變量單獨地進行分析、處理存在著很多問題，需要我們對這多個變量綜合地進行分析、處理。）例如，當一次測試結(jié)束后，要計算得分的平均值，偏差，要計算各門課程的相關(guān)系數(shù)，要作出得分的分布。數(shù)理統(tǒng)計是教育信息處理中使用得最為廣泛的一種數(shù)學(xué)方法。1.7.1 教育信息處理的數(shù)學(xué)方法1.7.1 教育信息處理的數(shù)學(xué)方法為了說明教育信息處理中各種數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用情況及其發(fā)展趨勢，我們借用日本教育工學(xué)雜志自1976年創(chuàng)刊到1996年共20年間發(fā)表的論文中使用各種數(shù)學(xué)方法的累計表