基于智慧課堂的學科教學模式創新與應用研究

轉引自：教育大數據國家工程實驗室

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基于智慧課堂的學科教學模式創新與應用研究

劉邦奇1 李新義2 袁婷婷1 董晶晶1

（1.訊飛教育技術研究院 2.蚌埠市中小學教師進修學校）

導讀

智能時代智慧課堂的構建與學科應用迎來新的發展契機。文章通過對智慧課堂三個發展階段及應用現狀類型分析，結合智能時代對課堂變革的新要求，提出新一代智慧課堂是以促進學生核心素養發展為宗旨，利用人工智能等技術打造智能高效的課堂，推動學科教學模式創新，促進學習者轉識為智、智慧發展；新一代教學體系由智能資源服務、智能評測服務、智能終端服務和智能教學應用四個部分組成；結合學科教學特點提出學科智慧課堂“4 N”特征模型，包括4 個共性特征以及語文、數學、英語、自然學科和社會學科的N 個個性特征；并基于教改實驗，以高中數學概念課為例闡述了數學智慧課堂教學模式的構建與應用方法。文章來源于電化教育研究|2019年第4期

【關鍵詞】智能時代；新一代智慧課堂；教學結構變革；學科教學模式；高中數學

【中圖分類号】 G434 【文獻标志碼】 A

【作者簡介】劉邦奇（1962—），男，江蘇靖江人。教授，主要從事教育技術應用、人工智能 教育、智慧學習環境、智慧課堂的研究。

引言

從信息化的視角提出與構建智慧課堂已有近十年的時間，初步探索了智慧課堂的概念、技術框架和應用模式[1]。随着教育信息化進入2.0 時代，人工智能、大數據等智能技術對課堂教學産生深刻影響[2]，智慧課堂發展在服務理念、技術策略、體系架構、實踐模式等方面面臨新的挑戰[3]，基于智慧課堂的學科教學應用也進入新的階段，迎來新的契機。本文對智能化背景下智慧課堂的發展及學科教學模式創新與應用進行專門探讨。

信息化視阈下智慧課堂發展現狀及分類

（一）智慧課堂的發展曆程

智慧課堂最早源于21 世紀初素質教育和新課程改革的實施，強調從注重知識傳授的“知識課堂”向注重開發智慧的“智慧課堂”轉變[4]。但真正使智慧課堂得到快速發展和廣泛應用的是前些年興起的信息化教學改革，特别是以物聯網、大數據等為代表的“智慧”技術在教學中的應用[5]，從使用傳統手段教學的“傳統課堂”轉向基于“智慧”技術構建富有智慧的學習環境、促進學生智慧發展的“智慧課堂”，由此“智慧課堂”概念不斷發展和深化。

基于信息化視角的智慧課堂的發展曆程大體上可分為三個階段：第一階段為初步探索、試點應用階段。起始于2008 年IBM 提出的“智慧地球”戰略，“智慧”概念在教育教學中得到推廣與應用，從體現物聯網“感知”特點的智能教室，到基于“電子書包”的智慧學習，再到基于“雲、網、端”平台的智慧課堂，進行了多樣化的探索實踐，提出了智慧課堂1.0 定義[6]，出版了《智慧課堂》專著[1]，初步建立了智慧課堂理論、平台和應用框架。第二階段為集成建設、綜合應用階段。在各類智能教室平台、資源系統的基礎上，基于大數據、雲計算等技術，将“教”“學”“評”“管”等信息化教學系統進行集成建設，開展智慧課堂全面應用和教改實驗與理論研究， 結合學科特點探索學科智慧課堂教學模式，提出了智慧課堂升級版定義[7]，形成了智慧課堂2.0概念和常态應用模式[7]。第三階段為融合創新、智能發展階段。在智能時代和教育信息化2.0 背景下，利用人工智能、大數據等智能技術對信息化課堂賦能[8]，增強課堂互動能力，提升課堂教學智能化水平，促進智慧課堂創新應用和學生智慧發展[9]，預示着新一代智慧課堂應運而生。

（二）智慧課堂的應用現狀及分類

在智慧課堂建設與應用實踐中，由于使用不同的信息技術，着眼于不同的應用目的與場景，針對不同的學科教學應用，使得智慧課堂的概念和類型豐富多樣。依據不同的标準可以有不同的分類（見表1）。

按所采用的信息技術劃分， 包括基于物聯網和雲端一體化技術的智能課堂[10]、基于電子書包的智慧課堂[11]、基于雲計算和互聯網技術應用的“智慧課堂”[12]、基于網絡教學平台的智慧課堂[13]、基于大數據學習分析的智慧課堂[14]等種類。

按學校類型和層次劃分， 智慧課堂可分為中小學智慧課堂[15]、職教智慧課堂[16]和大學智慧課堂[17]等種類。

按學科專業應用類型劃分，可分為各學科、各專業、各類課程或課型的智慧課堂，如基礎教育學校的語文、數學、英語、自然學科、社會學科等學科教學的智慧課堂[18-19]；高校和職業教育院校的公共課、專業基礎課、專業課、綜合實踐課等各類課程的智慧課堂[20]。

智能化背景下智慧課堂的升級發展

（一）智慧課堂面臨新挑戰、亟須新對策

當今社會進入智能時代，人工智能、大數據等智能技術加速推進教育信息化發展，推動人才培養模式和教學方式變革，智慧課堂發展面臨新的挑戰，亟須新的應對之策。

服務宗旨轉變。從“教學信息化”向“信息化教學”轉變， 适應新時代人才培養和新課程改革的需要，以促進學生核心素養發展為根本宗旨；堅持以建構主義、聯通主義等學習理論為指導，突出以學生為中心，将系統功能從“支持課堂教學為主”向“支持學生個性化學習”拓展，聚焦學生成長和素養提升，促進知識轉化為智慧，實現學習者個性化成長。

技術策略轉變。充分利用人工智能、大數據等智能技術打造智能、高效的課堂；以“雲—台—端”為核心支撐，構建新一代智慧課堂服務平台；提升和利用課堂教學大數據智能[2]，開發應用智能化檢索、測評、推薦、交互等技術，創設網絡化、數據化、交互化、智能化，有利于協作交流和意義建構的智能學習環境。

體系架構轉變。以“智能化”為核心進行系統優化升級， 利用人工智能核心技術實現智能教學應用落地，從“雲平台”向“智能雲服務”轉變，從“微雲服務器”向“教室智能平台”轉變，從“移動終端”向“智能終端”轉變，從“信息化服務”向“智能化服務”轉變，構建基于智能技術的智能化服務平台，構築AI 賦能、體系優化的智慧教學生态體系。

應用場景轉變。進一步拓展智慧課堂的多領域、多形态應用， 基于智慧課堂智能化服務平台， 支持線上與線下、課内與課外、虛拟與現實全場景教與學應用，實現精準化教學、個性化學習、智能化評測和精準化管理，真正實現學校智慧課堂教學的全領域、全場景、全過程應用，為智慧教育的實施提供典型的應用場景和範例[21]。

實踐模式轉變。大力開展智能教育教學應用最佳實踐，從試點應用向常态應用、深度應用發展，從智慧課堂教學的共性特征分析向各學科智慧課堂教學的個性特征模型構建發展，從一般智慧課堂教學模式向各學科智慧課堂教學模式發展，從知識教學向核心素養培養和智慧發展轉變[22]。

（二）新一代智慧課堂的定義及内涵

适應智能時代發展新要求，我們在繼承已有定義和近幾年智慧課堂教改實驗成果基礎上，提出智慧課堂的新定義、新模式。所謂新一代智慧課堂，也稱智慧課堂3.0， 是以建構主義、聯通主義等學習理論為指導，以促進學生核心素養發展為宗旨，利用人工智能、大數據等智能技術打造智能、高效的課堂；通過構建“雲—台—端”整體架構，創設網絡化、數據化、交互化、智能化學習環境，支持線上線下一體化、課内課外一體化、虛拟現實一體化的全場景教學應用；推動學科智慧教學模式創新， 實現個性化學習和因材施教，促進學習者轉識為智、智慧發展。

其中，智慧課堂“雲—台—端”架構是基于人工智能、大數據、雲計算、移動互聯網等智能信息技術打造的智能化教學服務平台。智慧課堂建設通過打造以教室智能平台為核心（形成通訊中樞、數據中心、能力中心、控制中心），配合智能教育雲服務（實現資源管理、微課服務、智能評測、在線學習、決策服務、網絡教研功能）， 并結合各類智能教學管終端和智能環境終端（教師端、學生端、管理者端、家長端、環境端），提供資源服務、互動服務和教學工具，形成了智能化的課堂教學服務支撐環境。智慧課堂的“雲—台—端”智能化服務平台如圖1 所示。

基于智慧課堂的教學體系架構

根據上述定義，智慧課堂教學在智能技術支持下實現線上與線下、課内與課外、虛拟與現實的全過程、全場景教學應用，體現了人與技術、環境融為一體的特征，形成了智慧課堂教學的生态體系。

（一）智慧課堂教學體系總體框架

新一代智慧課堂作為基于智能技術構建的新型課堂形态，一方面它是技術應用的結果，體現了智能技術的應用特征，離不開技術系統的支撐；同時，它是技術系統支持下的課堂教學變革與創新，表現為智能技術與教學融為一體所形成的新的課堂教學結構、教學形态。因此，智慧課堂不同于一般的智能教室、未來教室，不是指單純的技術系統、技術環境，實際上是由智能系統（智能化平台和工具）、人（教師和學生）及其活動（課前、課中、課後教學環節）等組成的新型智能化課堂教學體系。

何克抗教授認為[23]，教學系統由教師、學生、教學内容和教學媒體四個要素組成， 信息技術與課程教學整合的本質是要用信息技術改變傳統的教學結構，形成新的教學系統結構形态。随着教學信息化的深入發展， 新一代智能信息技術的出現及其在教學中的深度融合和創新應用， 教學系統要素與結構形态将發生新的變化，如從傳統的教學内容向教學資源體系轉變，從靜态的組成要素向動态的過程要素轉變，從教學系統向信息化教學生态體系轉變。在智慧課堂教學中，人、系統與活動相互關系及結構形成了“智慧課堂”教學生态體系，由智能資源服務、智能評測服務、智能終端服務和智能教學應用構成。其總體框架如圖2 所示。

（二）智慧課堂教學體系組成部分

1.智能資源服務層

智能資源服務是智慧課堂教學體系的基礎服務層，為智慧課堂教與學提供教學内容資源、數據信息資源等。智能資源服務基于智慧教學雲服務方式，利用智能管理、智能檢索、智能推薦等技術，建立智能資源管理與服務平台，為教學全過程應用提供智能化的學習資源管理和服務。智能資源服務的主要内容包括各類學科課程标準、多版本數字化教材、微課課程資源、多媒體素材和課件、作業和考試題庫、教學管理信息、教學動态數據等資源。

2. 智能評測服務層

智能評測服務是智能化教學服務平台的核心功能，也是智慧課堂教學應用服務的關鍵支撐。通過建立綜合素質評價系統、多元學習測試系統、動态評價分析系統等子系統，基于全過程實時數據采集、彙聚，利用智能評測、學習分析、數據挖掘等新技術進行處理分析，提供對教與學的形成性評價、總結性評價和診斷性評價服務，重構教學評價體系。

3. 智能終端服務層

智能終端服務是智慧課堂教學應用的終端實現方式，由終端應用支持軟件和硬件組成。針對各類教學應用終端設備，如智能手機、PAD、筆記本電腦、台式電腦、可穿戴智能設備等，開發相應的教學應用軟件，實現教學、學習、管理等各類應用功能，包括智能微課制作、微課應用、測驗評價、統計分析、學習資源智能推送、溝通交流工具和第三方APP 應用等。智能終端服務主要有教師端、學生端、管理端、家長端、環境端等類型。

4. 智能教學應用層

智能教學應用主要是智能化教學應用流程，提供教師的“教”與學生的“學”的應用程序和方式，實現對課前、課中、課後的全過程溝通交流和信息服務支持。課前環節包括學情分析、預習測評、教學設計；課中環節包括課題導入、探究學習、實時檢測、總結提升；課後環節包括課後作業、微課輔導、反思評價等。

智慧課堂學科應用特征分析

智慧課堂不是抽象的理論概念，而是基于技術的教學系統及教學實踐形态，具體落腳到學科教學活動和教學過程中。因此，應注重從學科教學應用的視角對智慧課堂特征進行研究。從近幾年部分名校進行的全學科智慧課堂教學實驗來看，可以構建“4 N”智慧課堂學科特征模型。

（一）智慧課堂“4 N” 學科特征模型

與傳統課堂及早期CAI 應用相比，智慧課堂呈現了教學決策數據化、評價反饋即時化、交流互動立體化、資源推送智能化等顯著特征[24]，這是對各個學科教學應用都應該具有的、通用的智慧課堂共性特征，早期智慧課堂主要關注共性特征[1]。

近年來，通過智慧教學實踐運用可以發現，中小學課堂教學是按學科課程分類進行教學實施的， 由于不同學科在教學内容、教學方式、教學評價等方面存在顯著的差異， 各個學科的智慧課堂教學也具有不同的個性化特點。智慧課堂“4 N”特征就是從全學科智慧課堂教學應用的視角，提出的學科智慧課堂特征模型。其中“4”是指一般智慧課堂的共性特征，“N”是各個不同學科智慧課堂的個性特征。為便于讨論，本文分為語文學科、數學學科、英語學科、自然學科、社會學科五個學科類型進行特征分析。“4 N”特征模型分析見表2。

（二）各學科智慧課堂的個性特征

1.語文學科智慧課堂特征

鑒賞點評交互化。基于智慧課堂智能化平台，語文課中的文本鑒賞與點評能夠更為即時、立體、直觀、靈活、生動。師生、生生之間通過“雲—台—端”智能化平台，無論課中學習，還是課前預習、課後複習，都能實現即時無障礙的溝通與交流。這樣有助于師生之間充分互動，碰撞出更多的思想火花，促進文本鑒賞的成果更全面、豐富和深刻。

表達分享富媒化。智能化平台提供給學生更多樣的表達分享媒介，學生可以根據自身需求，自由選擇諸如文字、圖片、視頻、語音等方式表達思想觀點或分享優秀的學習資源及個人學習成果；教師也可以通過平台使用富媒體資源和呈現方式，更恰當地表達自己的觀點想法；師生之間可以實現多元化、即時化、智能化的互動交流，從而促進共同的進步。

閱讀資源庫量化。智能化平台能夠提供強大的資源庫， 教師能夠根據需要篩選整合優秀閱讀資源，分類上傳到平台資源庫。學生通過平台能夠即時查閱或下載自己所需的閱讀資源，或者獲得智能化的資源推薦服務。整合後的資源庫中資源質量高、針對性強，學生查找方便，能夠節省搜索時間，有利于提高學生學習效率和質量。

2. 數學學科智慧課堂特征

感受體驗情境化。數學課堂多以抽象概念、定理、公式為主，僅依靠學生的大腦想象很難從本質上認識數學、理解數學。通過多媒體、VR/AR 等技術，以圖片、語音、視頻等方式，創設接近真實的問題情境，可以喚起學生的好奇心，激發學生主動參與、探究的欲望，使學生直觀感受數學知識，為難以理解的數學知識學習預設鋪墊，也可以使學生感受體驗數學來源于生活，又服務于生活。

抽象探究模型化。基于智能化平台，針對數學抽象問題，通過計算機和多媒體技術，讓學生親身經曆将實際問題抽象成數學模型。用計算機仿真建立數學模型并進行計算分析， 就是對實際問題進行抽象、概括、提煉、轉化為數學問題，再利用已學過的數學知識解決問題，實現抽象問題直觀化、複雜問題簡單化。引導學生從直觀具體的事物中抽象概括出數學問題的本質，進一步理解數學、運用數學。

3. 英語學科智慧課堂特征

作文批閱信息化。在英語智慧課堂教學中，使用高精準度的手寫文字識别、自然語言理解、智能評測等手段，實現計算機應用于主觀題的智能閱卷，包括作文智能批閱、自動生成測試報告、提供答題結果的大數據分析， 解決了傳統教學手段無法解決的問題，減輕教師閱卷負荷，智能診斷出問題所在，幫助教師實現基于智能批改和數據分析的英語習題講評，實現“精準教學”。

聽說讀寫情境化。各種聽說讀寫情境的創設是英語課堂教學的重要基礎。通過智慧課堂智能化平台提供的多元化學習資源， 特别是各種視聽說學習資源，極大地豐富了英語教學手段，創設情境化的聽說讀寫活動和互動性的高效課堂， 改變了原來“粉筆 錄音機”的單調教學手段，利用新技術手段來變革和改進課堂教學。

4. 自然學科智慧課堂特征

實驗過程數字化。在物理、化學、生物等實驗探究教學中，借助傳感器、數據采集器等設備對現象不明顯的實驗進行實時監測，跟蹤采集過程數據，實現實驗過程的數據化采集。同時，進行曲線拟合、對比及數據分析，将更多的定性實驗轉化成定量實驗，為師生定量化研究實驗數據提供支撐平台，有助于學生理解科學的本質。

微觀結構可視化。對自然學科中的微觀結構等難以觀察或抽象的事物，運用新媒體技術手段，可以使教學呈現可視化，比如實現由大變小、由小變大、由快變慢、由慢變快、平面立體化、靜态動态化、無形有形化等。借助AR 技術增強現實感，實現物質微觀結構、反應微觀過程的宏觀化。

5. 社會學科智慧課堂特征

材料實證數字化。材料實證指利用智能信息技術對政治、曆史和地理等社會學科教學中使用的材料進行科學辨析，準确呈現出材料的含義，服務教學過程。通過智能化平台的數據采集、處理，将政治、曆史和地理課堂中複雜的材料實證的過程轉變為可以度量的數字、數據，依靠直觀的數據精準地掌握學情和調整教學策略。

理解分析情境化。理解分析是指政治、曆史和地理等學科的“學科知識理解”，它是指把事實的叙述提升為理解其意義的理性認識和情感取向。通過智能化平台，教師有目的地構建具有一定情緒色彩的、以形象為主體的生動具體的場景，以引起學生一定的情感體驗，從而幫助學生更好地分析并理解政治、曆史和地理學科中的知識。

學科智慧課堂教學模式構建與應用

———以高中數學概念課為例

根據智慧課堂“4 N”特征模型，結合數學學科個性特征和應用優勢，可以建立數學學科智慧課堂教學模式。這裡結合筆者研究團隊在安徽省蚌埠二中進行的全學科智慧課堂教改實驗研究，以高中數學概念課為例分析構建數學智慧課堂教學模式。

（一）數學智慧課堂教學總體設計

數學智慧課堂依據建構主義理論進行系統性教學設計與實施，以數學學科核心素養提升為宗旨，以學生為主體，關注學生的發展，實現學生自主學習、探究學習；突出“感受體驗情境化、抽象探究模型化”，充分利用智能化服務平台推送學習資源， 創設多樣化學習情境，實施線上、線下多元互動和協作探究等教學方式；實施“先學後教，以學定教”策略，通過課前、課中、課後全過程學習評價， 基于動态數據精準掌握學情，優化教學預設和教學進程，促進個性化教與學[25]。

在數學智慧課堂教學中遵循主體性原則、個性化教學原則和教學系統性原則。學生在課前自主學習、知識檢測、數據處理、提交學習任務，教師及時處理，根據得到的學生課前自主學習情況，制訂相應的個性化教學方案，實現“以學定教”；課中突出教學互動、協作探究，重點、有效解決學生存在的問題和疑惑；課後通過個性化輔導和練習鞏固知識點，針對學生薄弱知識點加強訓練， 并實時監測和反饋學生的學習情況，以提高教學的針對性和有效性。

（二）數學智慧課堂教學流程結構

高中數學概念課教學過程一般分為概念引入、形成、鞏固、運用等階段。數學概念課的根本任務是正确地揭示數學概念的内涵和外延，使學生深刻理解和牢固掌握概念，并且能夠靈活運用所學概念。數學智慧課堂教學整體結構包括三個方面，即教學流程、學習方式、技術支持，三者相輔相成、融合共生，形成多層次、多策略、多環節的數學智慧課堂教學模式。基于這一模式，使得數學概念課的教學更加高效，學習者得到智慧發展，數學核心素養得到有效提升。數學智慧課堂教學的基本流程結構具體如圖3 所示。

（三）數學智慧課堂教學應用環節

問題引領，感受體驗。基于智慧課堂智能化平台，利用網絡資源、多媒體、虛拟現實等技術，設置與概念課有關的學習情境，使學生有明确的學習目标、學習動機。引入概念方式很多，如以數學故事和數學史創設問題情境引入數學概念， 通過活動或實驗引入概念，回顧知識引入概念，聯系實際問題引入概念，通過視頻、圖片等方式引入概念等。

抽象概括，獲取新知。在創設情境過程中，教師設置問題，讓學生自主實踐、探索，引導學生類比感性經驗，并對感性事物進行抽象概括，抓住問題本質，可采用在線互動、自主探究、計算機仿真、小組合作、師生相互讨論等多種方式探讨分析， 從而得到數學概念，掌握概念的内涵和外延，從具體到抽象，實現從感性認識到理性認識的飛躍。

應用新知，鞏固提高。應用新知識，引導學生從不同途徑求解問題的方法，通過知識概念的聯系，加深概念理解，可以利用移動終端教學，采取個性化、多樣化方式，如随機點名、限時訓練、學習作答過程展示、在線提交、數據處理等，幫助教師及時掌握學生的學習情況，實現動态化、針對性教學，有效鞏固和提高。

拓展延伸，反思提升。通過設置一些開放性、創新性問題， 使學生對概念的學習理解得到拓展和延伸。這一過程可以利用移動終端拟制個性檢測題，向不同層次的學生推送不同的題型，達到因材施教，不同學生得到相應的提升。學生也可以利用移動終端整理回顧，随時查閱，形成屬于自己的學習資料庫，有助于提升學生的反思和自我綜合能力。

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