智慧課堂的數(shù)據(jù)流動機(jī)制與生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

晉欣泉　邢蓓蓓　楊現(xiàn)民　狄璇

【關(guān)鍵詞】? 教育大數(shù)據(jù);智慧課堂;課堂數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)流動;課堂生態(tài);生態(tài)系統(tǒng);構(gòu)成要素;模型構(gòu)建

【中圖分類號】? G434????? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】? A????? 【文章編號】? 1009-458x（2019）4-0074-09

一、引言

云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等多種新興信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在教育教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，推動著教育教學(xué)邁入一個新時代。2018年4月，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0行動計劃》（教育部， 2018），首次提出“智慧教育”這一名詞，并將“智慧教育創(chuàng)新發(fā)展行動”列為推動教育信息化2.0發(fā)展的“八大行動”之一。一場智慧教育變革運(yùn)動在全國范圍內(nèi)推廣施行。

構(gòu)建智慧課堂是實(shí)現(xiàn)智慧教育的必由之路，也是實(shí)現(xiàn)課堂變革的重要抓手（邱藝， 等， 2018）。作為一種新興課堂形式，智慧課堂將課堂教學(xué)與信息技術(shù)深入融合，促使傳統(tǒng)課堂向數(shù)據(jù)化、可視化、智能化方向發(fā)展（楊現(xiàn)民， 等， 2017），成為教學(xué)研究的新熱點(diǎn)。關(guān)于智慧課堂的內(nèi)涵解讀主要有兩種觀點(diǎn)：一是以教育教學(xué)為主導(dǎo)的智慧課堂研究，認(rèn)為智慧課堂是“充滿智慧”（吳永軍， 2008）的，是“輕松、愉快、個性化、數(shù)字化”的（龐敬文， 等， 2015），旨在促進(jìn)學(xué)習(xí)者智慧的全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展（祝智庭， 等， 2012）。為了提升學(xué)生創(chuàng)造性思維能力和解決問題能力，李祎等（2017）從技術(shù)——學(xué)習(xí)雙維度對智慧課堂進(jìn)行特征分析，圍繞認(rèn)知策略、元認(rèn)知策略與交互策略三大類，列舉了促進(jìn)智慧生成的11子類策略，并分別給出了技術(shù)支持方式，以便有效促進(jìn)學(xué)生的智慧生成。二是以信息化為主導(dǎo)的智慧課堂研究。有學(xué)者認(rèn)為智慧課堂是指“配備無線通信、個人數(shù)字設(shè)備、傳感器以及虛擬學(xué)習(xí)平臺”（Hwang， Chu， Shih， Huang， & Tsai， 2010），具有“個性協(xié)同化、智能跟蹤化、工具豐富化及活動智慧化”（唐燁偉， 等， 2015）等智能化特性的高技術(shù)含量教室。越來越多的學(xué)者從不同的角度對智慧課堂智能設(shè)備的有效性開展實(shí)證研究，加州大學(xué)圣迭戈分校的Matt Ratto等（2003）為提高在課堂教學(xué)中學(xué)生的參與度，開展了基于無線移動設(shè)備ActiveClass的課堂教學(xué)實(shí)踐，并設(shè)計了相應(yīng)的教學(xué)方法與策略;Michelle Lui和James D. Slotta（2014）提出基于技術(shù)增強(qiáng)的沉浸式教學(xué)環(huán)境有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，等等。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”大數(shù)據(jù)時代的到來，人與技術(shù)、人與人之間因交互而生成的數(shù)據(jù)可被真實(shí)采集與永久存儲，研究者逐漸意識到數(shù)據(jù)在智慧課堂中的核心作用。在教學(xué)模式構(gòu)建方面，晉欣泉等（2018）構(gòu)建了基于大數(shù)據(jù)的智慧課堂教學(xué)模型并驗(yàn)證了該模型的教學(xué)有效性;在課堂數(shù)據(jù)采集方面，王冬青、韓后等（2018）基于情境感知技術(shù)從用戶、任務(wù)、位置、時間、設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)備六類教學(xué)情境構(gòu)建了智慧課堂數(shù)據(jù)采集模型，并定義了智慧課堂動態(tài)生成性數(shù)據(jù)描述框架與云端數(shù)據(jù)交換機(jī)制;在數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用方面，劉邦奇等（2018）基于智慧課堂大數(shù)據(jù)構(gòu)建了學(xué)習(xí)行為影響分析、學(xué)習(xí)行為路徑分析、學(xué)生行為關(guān)聯(lián)性分析和學(xué)業(yè)成績預(yù)測分析四類應(yīng)用模型，并通過分析真實(shí)數(shù)據(jù)挖掘了學(xué)習(xí)行為路徑與學(xué)業(yè)成績變動的聯(lián)系。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用推動了課堂教學(xué)變革發(fā)展的研究，基于數(shù)據(jù)的智慧課堂逐步受到學(xué)術(shù)界與實(shí)踐領(lǐng)域的共同關(guān)注。然而，數(shù)據(jù)類別繁雜冗余、課堂教學(xué)復(fù)雜多變、師生數(shù)據(jù)素養(yǎng)不足等現(xiàn)實(shí)，使得課堂數(shù)據(jù)的教學(xué)價值無法充分發(fā)揮，對于如何將數(shù)據(jù)合理有效地應(yīng)用到課堂中，打造高質(zhì)量、高效能的智慧課堂還有待進(jìn)一步探究。基于此，為了全面認(rèn)識智慧課堂教學(xué)環(huán)境，本研究從課前、課中和課后三大教學(xué)場景詳細(xì)闡述智慧課堂的數(shù)據(jù)流動機(jī)制，并圍繞該機(jī)制從生態(tài)學(xué)的視角，重新定位整個智慧課堂的組成要素與各要素間的關(guān)聯(lián)性，最后提出了構(gòu)建智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)的四條路徑，旨在營造一個協(xié)同、共生、持續(xù)發(fā)展的智慧課堂。

二、智慧課堂的數(shù)據(jù)流動

從廣義上講，課堂泛指進(jìn)行各種教學(xué)活動的場所，而狹義的課堂是指存在于學(xué)校情境中被用來進(jìn)行教學(xué)活動的場所。本研究所說的課堂是指廣義的課堂，即凡是發(fā)生教學(xué)活動的地方都存在課堂，包含課前、課中和課后三種場景。由此，智慧課堂是指依據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)“云+網(wǎng)+端”在課前、課中和課后教學(xué)全過程數(shù)據(jù)運(yùn)用的智能、高效的課堂形態(tài)（孫曙輝， 等， 2018），旨在通過智慧的教與學(xué)促進(jìn)學(xué)生智慧發(fā)展。

智慧課堂是隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在教學(xué)中的不斷應(yīng)用與融合而逐步發(fā)展的。智慧課堂中多元化的教學(xué)活動、多維度的師生交互、多節(jié)點(diǎn)的智能檢測以及跨平臺、跨產(chǎn)品的人機(jī)交互，會產(chǎn)生海量的教育數(shù)據(jù)。掌握這些數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)機(jī)制是生成課堂智慧、構(gòu)建高效能智慧課堂的前提。師生依托各種信息系統(tǒng)開展基于智慧課堂教學(xué)模式的教學(xué)活動，同時各系統(tǒng)能夠持續(xù)采集師生生成的多模態(tài)教學(xué)數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析的中間過程，這些數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為具有價值的教學(xué)知識，并被及時反饋到課堂教學(xué)中，幫助教師優(yōu)化教學(xué)活動，促進(jìn)教學(xué)數(shù)據(jù)的流動，實(shí)現(xiàn)智慧課堂的智能化及效益產(chǎn)出最大化，以此循環(huán)。接下來將從課前、課中、課后三個方面對智慧課堂的數(shù)據(jù)流動機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)分析（如圖1所示）。

（一）課前數(shù)據(jù)的生成與流動

課前，根據(jù)學(xué)生的歷史學(xué)習(xí)檔案和課后任務(wù)完成情況，教師使用備課系統(tǒng)靈活選取或開發(fā)預(yù)習(xí)資源（課件、微課、習(xí)題等），將其發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)平臺，會生成備課內(nèi)容、備課時間、備課方式、資源好評率等數(shù)據(jù)。學(xué)生按照學(xué)習(xí)任務(wù)要求利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)資源，并完成預(yù)習(xí)測評，針對預(yù)習(xí)過程中遇到的問題，與同伴或教師討論交流，會生成資源學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)（如瀏覽時長、預(yù)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)路徑、重播節(jié)點(diǎn)等）、課前測試數(shù)據(jù)（如題目類型、測試總分、答題正確率、錯誤重復(fù)率等）與討論交流數(shù)據(jù)（如師生交互指數(shù)、生生交互指數(shù)、話題參與度等）。

教學(xué)目標(biāo)的制定與教學(xué)方案的設(shè)計是開展智慧課堂教學(xué)的重要基礎(chǔ)。在課前教學(xué)活動中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，如學(xué)習(xí)儀表盤、海星預(yù)警系統(tǒng)等（張振虹， 等， 2014），能夠持續(xù)監(jiān)控、記錄整合與云端存儲學(xué)生在線學(xué)習(xí)行為，并按照使用者需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，將分析結(jié)果以可視化形式呈現(xiàn)出來，幫助教師精準(zhǔn)掌握班級整體與學(xué)生個體的當(dāng)前學(xué)情與學(xué)習(xí)需求，精心設(shè)計出科學(xué)合理的教學(xué)方案與策略。教師備課系統(tǒng)通過分析教師備課數(shù)據(jù)以及時診斷教師當(dāng)前的備課狀態(tài)與投入程度，為教師教學(xué)反思與績效考核提供依據(jù)。

（二）課中數(shù)據(jù)的生成與流動

以學(xué)生為中心的智慧課堂教學(xué)活動需要教師不僅能夠根據(jù)學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況做好課堂預(yù)設(shè)與應(yīng)急處理方案，還應(yīng)結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和測評結(jié)果反饋數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整教學(xué)計劃，增強(qiáng)師生間的互動與交流，實(shí)現(xiàn)智慧課堂的高效教學(xué)。

課中，教師基于課前學(xué)情分析報告，應(yīng)用課堂互動教學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)不同的教學(xué)情境導(dǎo)入新課，并提供多樣化的學(xué)習(xí)設(shè)備與資源來支撐學(xué)生進(jìn)行自主或協(xié)作探究。在此過程中，師生會生成互動行為數(shù)據(jù)（如教師講授時長、師生問答類型、學(xué)生發(fā)言次數(shù)、活動參與度等）、師生情緒數(shù)據(jù)（如情緒狀態(tài)、持續(xù)時長等）和班級管理數(shù)據(jù)（如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、使用次數(shù)、使用時長等）。教師利用電子白板的同屏展示功能同步批注與點(diǎn)評個人或團(tuán)隊(duì)成果，進(jìn)而采用隨堂檢測的方式檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果。最后，通過分析學(xué)生答題正確率、錯誤重復(fù)率、答題時長、成績分布區(qū)間、主觀題答題詞云等隨堂測試數(shù)據(jù)，教師按照共性問題重點(diǎn)精講、個別問題個別輔導(dǎo)的原則，有的放矢地實(shí)施教學(xué)策略。

課堂互動是智慧課堂的核心特征，學(xué)生與同伴、教師、資源的多向互動數(shù)據(jù)能夠在一定程度上反映出學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)、情感傾向狀態(tài)、課堂教學(xué)效果等。智能錄播系統(tǒng)能夠自動識別一名或多名教師和學(xué)生的行為、語音與面部特征，持續(xù)追蹤師生互動行為數(shù)據(jù)及情緒數(shù)據(jù)（Lukas， Mitra， Desanti， & Krisnadi， 2016），幫助教師了解學(xué)生共有的學(xué)習(xí)模式，進(jìn)而科學(xué)安排教學(xué)內(nèi)容與進(jìn)度，以優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)。與此同時，教師借助課堂互動系統(tǒng)能夠?qū)崟r分析學(xué)生資源學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)與隨堂測試數(shù)據(jù)，即時反饋與評判學(xué)生“學(xué)”的成效，以此動態(tài)調(diào)控“教”的行為，增強(qiáng)智慧課堂教學(xué)的針對性，實(shí)現(xiàn)師生高效智能教學(xué)。

（三）課后數(shù)據(jù)的生成與流動

課后，教師通過匯聚學(xué)生課前與課中的互動表現(xiàn)、測評成績、學(xué)習(xí)情緒等學(xué)情分析報告，結(jié)合學(xué)生能力模型、興趣愛好、學(xué)習(xí)風(fēng)格等，全面評估每位學(xué)生的學(xué)業(yè)能力，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，進(jìn)而利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)向?qū)W生分層布置個性化課后作業(yè)與開展一對一學(xué)業(yè)輔導(dǎo)，系統(tǒng)將自動采集教師的輔導(dǎo)答疑數(shù)據(jù)，如輔導(dǎo)學(xué)生的人數(shù)、內(nèi)容、時長及學(xué)生滿意度等。學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)提交作業(yè)后，能夠即時得到客觀題反饋結(jié)果，在了解自身知識掌握情況、反思學(xué)習(xí)過程與結(jié)果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用移動學(xué)習(xí)APP隨時隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，查漏補(bǔ)缺，促進(jìn)自我全面發(fā)展。在這個過程中會生成作業(yè)練習(xí)數(shù)據(jù)（如作業(yè)完成進(jìn)度、正確率、時長、方式等）與個人反思數(shù)據(jù)（如反思主題、內(nèi)容、時間、深度等）。

課后輔導(dǎo)是智慧課堂必不可少的環(huán)節(jié)之一，是在精準(zhǔn)評價的基礎(chǔ)上針對學(xué)生課堂存在的問題“對癥下藥”。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)⒁苿訉W(xué)習(xí)APP上的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)同步上傳并對其進(jìn)行分析，利用智能批改技術(shù)自動批閱學(xué)生作業(yè)練習(xí)數(shù)據(jù)，快速診斷知識薄弱點(diǎn)，并通過建立個人檔案與個性題庫提供多維度學(xué)習(xí)報告，為學(xué)生推薦最優(yōu)化的學(xué)習(xí)同伴、資源與路徑。如適應(yīng)性學(xué)習(xí)平臺將教育資源語義庫與學(xué)習(xí)行為模型庫做整合分析，向?qū)W生提供個性化的學(xué)習(xí)解決方案。與此同時，在學(xué)習(xí)報告的支持下，學(xué)生也可以借助信息雙向反饋機(jī)制將對教、學(xué)、考、評、管等教學(xué)業(yè)務(wù)的評價反饋給教師，幫助教師反思教學(xué)行為，有針對性地改進(jìn)與優(yōu)化下節(jié)課的教學(xué)活動，提高課堂教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量。

三、智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

（一）信息生態(tài)系統(tǒng)

信息生態(tài)系統(tǒng)是信息生態(tài)學(xué)中的核心組成部分，是由信息人、信息資源和信息環(huán)境三大要素之間相互影響、相互作用而構(gòu)成的有機(jī)整體，其核心并非技術(shù)，而是技術(shù)所服務(wù)的人（Friedlander， 2003）。隨著數(shù)字媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)已成為生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)的要素，信息生態(tài)學(xué)逐漸發(fā)展成為生態(tài)學(xué)的一個分支學(xué)科。一般認(rèn)為，“信息生態(tài)學(xué)”一詞最早出現(xiàn)于德國學(xué)者Rafael Capurro（1989）發(fā)表的論文《信息生態(tài)學(xué)進(jìn)展（Towards an Information Ecology）》中。國內(nèi)學(xué)者李美娣（1998）從基本要素、系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)成分三方面剖析了信息生態(tài)系統(tǒng)，指出信息生態(tài)系統(tǒng)是由信息自身、生命體及其周圍環(huán)境三者相互聯(lián)系與作用的有機(jī)整體。近年來，學(xué)者逐漸意識到信息生態(tài)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用（劉智明， 等， 2018），期望構(gòu)建完整的課堂體系，促進(jìn)教學(xué)的變革與創(chuàng)新。

大數(shù)據(jù)時代，信息生態(tài)系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)環(huán)境間的關(guān)聯(lián)越來越密切。從海量的數(shù)據(jù)中處理、分析和挖掘有價值的信息，并將其應(yīng)用于系統(tǒng)中，有助于促進(jìn)信息生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，由此大數(shù)據(jù)已然成為信息生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成要素（陳茫， 2015）。由于教育數(shù)據(jù)挖掘與分析是智慧課堂的核心應(yīng)用，并且在智慧課堂教學(xué)主體之間、主體與教學(xué)環(huán)境之間同樣存在知識傳遞、技術(shù)融合和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的關(guān)系，故我們可以從大數(shù)據(jù)與信息生態(tài)學(xué)的視角出發(fā)，將智慧課堂視為一個微觀的生態(tài)系統(tǒng)，圍繞智慧課堂數(shù)據(jù)流動機(jī)制，分析智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中的組成要素及各要素間的關(guān)聯(lián)性。

（二）智慧課堂生態(tài)要素分析

智慧課堂是一種基于數(shù)據(jù)架構(gòu)的教學(xué)信息生態(tài)系統(tǒng)。結(jié)合祝智庭等（2017）提出的智慧學(xué)習(xí)生態(tài)與張立敏等提出的基于未來教育空間站的課堂生態(tài)系統(tǒng)，本研究認(rèn)為智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成要素主要為教學(xué)主體、課堂環(huán)境、教學(xué)資源和教學(xué)數(shù)據(jù)（如圖2所示）。系統(tǒng)中的主體是指從事課堂教和學(xué)活動的生命有機(jī)體，即智慧型教師和智慧型學(xué)生。各主體間、主體與環(huán)境間正是通過教學(xué)資源相互作用的。對作用過程中生成的教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，有助于維持與調(diào)控智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)向著動態(tài)平衡的方向發(fā)展。

1. 教學(xué)主體

“信息人”處于信息生態(tài)系統(tǒng)的主體地位，是指具有一定的信息需求并參與信息活動中的相關(guān)人員。其信息素養(yǎng)直接決定著信息資源、信息生態(tài)環(huán)境的狀況，影響著整個信息生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和穩(wěn)定。智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中的“信息人”是智慧課堂教學(xué)的主體，包括智慧型學(xué)生、智慧型教師、學(xué)生群落和教師群落。其中，智慧型學(xué)生作為新一代的智慧型學(xué)習(xí)者能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)資源滿足自我需求，是智慧課堂教學(xué)知識的獲取者、建構(gòu)者和創(chuàng)造者;智慧型教師是智慧課堂教學(xué)的組織者、引導(dǎo)者和協(xié)調(diào)者，既要將自己所掌握的知識傳遞給學(xué)生，也要在教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)自我成長，具有較高的教學(xué)智慧與良好的信息素養(yǎng)。與此同時，相對于某一智慧型教師或?qū)W生而言，其他智慧型教師和學(xué)生則通過協(xié)作探究學(xué)習(xí)匯聚成群落，分為教師群落和學(xué)生群落。

2. 教學(xué)資源

信息是聯(lián)結(jié)“信息人”和信息環(huán)境的紐帶，同信息生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞過程一樣，教學(xué)過程實(shí)質(zhì)上是教學(xué)資源雙向傳遞的過程，智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中的教學(xué)資源主要是指課堂教學(xué)中在不同生態(tài)要素之間及要素內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散的具有教學(xué)價值的信息。隨著各種新型信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，教學(xué)資源在呈現(xiàn)方式、優(yōu)化更新等方面發(fā)生了改變，不僅包括原有的素材類資源（如課本教材、教具教案等）與教學(xué)類資源（如網(wǎng)絡(luò)公開課、微課等），還增加了管理服務(wù)類資源（如教學(xué)資源公共服務(wù)平臺等）與應(yīng)用軟件類資源（如網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、APP學(xué)習(xí)軟件等）（方兵， 等， 2013）。教師和學(xué)生的資源使用數(shù)據(jù)會轉(zhuǎn)化為有效的資源評價信息，不斷提高教學(xué)資源的質(zhì)量和可信度，以滿足教學(xué)主體不斷增長的信息需求。

3. 課堂環(huán)境

智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中的課堂環(huán)境是指影響教學(xué)主體進(jìn)行教學(xué)活動的環(huán)境因素，由物理環(huán)境和文化環(huán)境構(gòu)成，是整個系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)。物理環(huán)境是指由教學(xué)場所和各種現(xiàn)代信息技術(shù)教學(xué)設(shè)備集合而成的外部基礎(chǔ)環(huán)境，主要包括建筑形態(tài)、溫度亮度、學(xué)習(xí)空間等，具有動態(tài)重組和可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)教學(xué)需求與反饋進(jìn)行教育化改造，為智慧課堂高效教學(xué)提供了重要的實(shí)踐場所。文化環(huán)境是指具有和諧、平等、民主、開放課堂氛圍的內(nèi)部教學(xué)環(huán)境，主要包括學(xué)習(xí)風(fēng)氣、管理制度、考核方式等。課堂環(huán)境為師生、生生和師師進(jìn)行全方位的交流溝通提供了一個便捷有效的平臺，促進(jìn)了師生與教學(xué)設(shè)備間的交互，推動了教學(xué)數(shù)據(jù)和教學(xué)資源的傳遞與共享。

4. 教學(xué)數(shù)據(jù)

智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中的教學(xué)數(shù)據(jù)不是孤立的數(shù)據(jù)，而是跨場景、跨平臺、多維的動態(tài)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。從紛繁無序的教學(xué)大數(shù)據(jù)中采集、處理和分析出來的信息，影響著生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行、創(chuàng)新和發(fā)展。教學(xué)數(shù)據(jù)作為智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中的一個新事物，由各生態(tài)要素之間的相互作用生成，具體而言是根據(jù)教育需求對課堂中生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，并將分析結(jié)果應(yīng)用到教學(xué)活動中的數(shù)據(jù)集合，按教學(xué)場景可劃分為課前、課中和課后教學(xué)數(shù)據(jù)。課前教學(xué)數(shù)據(jù)由資源學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、教師備課數(shù)據(jù)、課前測試數(shù)據(jù)和討論交流數(shù)據(jù)構(gòu)成;課中教學(xué)數(shù)據(jù)由互動行為數(shù)據(jù)、隨堂測試數(shù)據(jù)、班級管理數(shù)據(jù)和師生情緒數(shù)據(jù)構(gòu)成;課后教學(xué)數(shù)據(jù)由作業(yè)練習(xí)數(shù)據(jù)、輔導(dǎo)答疑數(shù)據(jù)和個人反思數(shù)據(jù)構(gòu)成。需要強(qiáng)調(diào)的是，依據(jù)信息生態(tài)學(xué)的信息行為原則在應(yīng)用教學(xué)數(shù)據(jù)的同時也要加強(qiáng)對數(shù)據(jù)的安全與隱私保護(hù)。

（三）智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)模型構(gòu)建

教學(xué)主體的多樣性和系統(tǒng)不同要素間相互關(guān)系的復(fù)雜性，決定了智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的層級系統(tǒng)。本研究著眼于智慧課堂中各要素間的關(guān)聯(lián)性，基于多層次分析法構(gòu)建了智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)模型，包含核心層、基礎(chǔ)層、交互層和匯聚層（如圖3所示）。該模型以教學(xué)主體互動為核心，注重構(gòu)成智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)的不同要素及其在智慧課堂教學(xué)過程中的協(xié)同作用，并對生成的課堂數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯聚、價值分析與教學(xué)應(yīng)用，旨在保證各要素和諧良好地互動、交流與循環(huán)，促進(jìn)智慧課堂形成一個相互聯(lián)系和作用的有機(jī)生命整體。

1. 核心層

核心層由智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中具有生命活力的教學(xué)主體開展基于教學(xué)資源的教與學(xué)活動而構(gòu)成，如師生互動、同伴互助以及師師協(xié)作等。教學(xué)主體不僅是智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)的“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”，更是“傳遞者”和“管理者”，推動著智慧課堂的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)與能量流動。一方面，智慧型學(xué)生通過參與課堂教學(xué)中的新課授導(dǎo)、協(xié)作探究、成果分享等環(huán)節(jié)，不僅能夠從教學(xué)環(huán)境和其他教學(xué)主體等生態(tài)因子中吸收能量，聚集智慧，還可以向外界釋放自己的想法與建議;另一方面，智慧型教師依據(jù)學(xué)情分析數(shù)據(jù)報告能夠精準(zhǔn)把控教學(xué)目標(biāo)與活動安排。

2. 交互層

交互層由各種相互關(guān)聯(lián)的教學(xué)資源組成，是教學(xué)主體之間、教學(xué)主體與教學(xué)環(huán)境之間建立聯(lián)系的紐帶。在智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中，教學(xué)資源的傳遞過程為：首先，教師通過設(shè)備呈現(xiàn)、口頭表達(dá)等方式將教學(xué)資源知識點(diǎn)按照一定的邏輯順序言簡意賅地傳遞給學(xué)生;其次，學(xué)生將捕捉到的有效信息知識進(jìn)行自我建構(gòu)，并把加工過的知識反饋傳遞給教師;最后，教師結(jié)合教學(xué)實(shí)際分析反饋信息，針對學(xué)生學(xué)情優(yōu)化課堂知識與調(diào)整傳遞過程，保障教學(xué)資源內(nèi)容的傳輸質(zhì)量。與此同時，教師會利用一些課堂環(huán)境中的輔助工具，如3D虛擬實(shí)訓(xùn)軟件、VR交互視頻資源等，來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)在動機(jī)與活力，促使教學(xué)資源被持久、有效地在課堂教學(xué)中傳遞。

3. 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層由文化環(huán)境和物理環(huán)境與課堂教學(xué)間的互動相融而構(gòu)成。只有在一個充滿正確價值導(dǎo)向、良好課堂風(fēng)氣的課堂環(huán)境中，學(xué)生與教師才能更好地?fù)碛衅降让裰鞯膸熒P(guān)系以及攜手共進(jìn)的合作關(guān)系（李森， 等， 2011），各教學(xué)主體間才能圍繞優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源和精準(zhǔn)的教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行知識分享與情感傳遞。營造一種以人為本、充滿活力的課堂環(huán)境有助于促使師生、生生雙方友好地對話和互動，進(jìn)而不斷創(chuàng)造出新能量。課堂環(huán)境中各種技術(shù)存在的本質(zhì)不是工具的使用，而是與教學(xué)業(yè)務(wù)的交互融合，根據(jù)師生操作與需求即時提供正確反饋，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)形式的創(chuàng)新與教學(xué)資源的豐富，助力智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)有序運(yùn)行。

4. 匯聚層

智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中的教學(xué)數(shù)據(jù)隨著各要素間的互動交流不斷遞增，進(jìn)而形成了匯聚層。教學(xué)數(shù)據(jù)在教學(xué)情境的協(xié)助下被賦予教學(xué)價值，經(jīng)過工具分析加工轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)信息，再經(jīng)教師進(jìn)一步認(rèn)知加工演變?yōu)榻虒W(xué)知識，進(jìn)而在教學(xué)應(yīng)用中升華為教與學(xué)的智慧，營造了一個“教學(xué)數(shù)據(jù)—教學(xué)信息—教學(xué)知識—教學(xué)智慧”的動態(tài)循環(huán)流程。從大數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，不僅為互動雙方提供了雙向反饋，有助于系統(tǒng)的自我修復(fù)和自我調(diào)節(jié)，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，更是各生態(tài)因子提高自身優(yōu)勢的重要途徑，有效促進(jìn)了以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向的智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)的良性、穩(wěn)步發(fā)展。

（四）智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)特征

傳統(tǒng)的課堂生態(tài)系統(tǒng)一般具有整體性、共生性、多樣性、交互性與開放性等特征。在此基礎(chǔ)上，本研究從智慧課堂數(shù)據(jù)流動的角度分析，認(rèn)為智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)具有以下三大核心特征。

1. 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)貫通性課堂設(shè)計

教學(xué)數(shù)據(jù)貫穿智慧課堂的整個教學(xué)流程，是連接各教學(xué)環(huán)節(jié)的“橋梁”。教師從數(shù)據(jù)貫通的角度整體設(shè)計課堂教學(xué)方案，增進(jìn)各要素間的協(xié)同作用，為智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供了支持。課前，依據(jù)學(xué)生課后作業(yè)完成情況與課前預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)分析報告，教師精心設(shè)計本節(jié)課的教學(xué)計劃;課中，教師在深入分析學(xué)情數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各教學(xué)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，按照學(xué)習(xí)需求動態(tài)調(diào)整教學(xué)方法與策略，做到教學(xué)張弛有度;課后，根據(jù)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果，教師分層布置個性化作業(yè)，并進(jìn)行教學(xué)反思，及時優(yōu)化與改進(jìn)下節(jié)課的教學(xué)設(shè)計與目標(biāo)，如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計的貫通性?；跀?shù)據(jù)的課堂教學(xué)設(shè)計打破了學(xué)習(xí)需求與教學(xué)活動間的壁壘，提高了不同課堂活動間的連續(xù)性與相關(guān)性，促使系統(tǒng)各要素在相互作用中有效互動、協(xié)同進(jìn)化。

2. 數(shù)據(jù)增值，激發(fā)師生創(chuàng)造活力

智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)量化師生教學(xué)行為，將師生生成的教學(xué)數(shù)據(jù)“翻譯”成有價值的信息，為教師反思與優(yōu)化課程教學(xué)、學(xué)生自我評價與規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑提供科學(xué)依據(jù)，以激發(fā)課堂活力。師生作為智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中具有生命力的教學(xué)主體，影響著課堂活力的生成與價值的創(chuàng)造。一方面，學(xué)生應(yīng)用可視化技術(shù)將學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)結(jié)果可視化，能夠直觀地看到自己的學(xué)習(xí)時間、答題正確率、歷史錯題記錄等過程性學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，有助于學(xué)生更客觀、全面地認(rèn)識與評估自我，從而主動規(guī)劃自身的發(fā)展方向與路徑，增強(qiáng)學(xué)習(xí)自主性，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情與活力;另一方面，教師通過分析、捕捉教學(xué)過程中有價值的課堂數(shù)據(jù)，如了解學(xué)生創(chuàng)造性的解題方式與內(nèi)容、掌握學(xué)生對不同教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計的滿意度等，開展符合學(xué)生學(xué)習(xí)需求的多樣化教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生在探究實(shí)踐中不斷迸發(fā)知識的火花，實(shí)現(xiàn)多元學(xué)習(xí)和智慧碰撞。

3. 數(shù)據(jù)決策，追求教學(xué)效益最大化

教學(xué)決策決定著智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展與優(yōu)化的方向。可視化的數(shù)據(jù)分析結(jié)果為教師動態(tài)調(diào)整教學(xué)節(jié)奏、合理配置教學(xué)資源提供了科學(xué)決策的基礎(chǔ)，使教師具備更高水平的教學(xué)決策能力。在教學(xué)設(shè)計方面，通過對學(xué)生生成的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)分析與智能挖掘，有助于教師掌握學(xué)生全景式的學(xué)習(xí)診斷結(jié)果，并及時發(fā)現(xiàn)與科學(xué)預(yù)測學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能存在的問題，進(jìn)而實(shí)施有針對性的干預(yù)措施，以提高教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成率。在課堂管理方面，通過分析教室內(nèi)各教學(xué)設(shè)備的使用頻率、維修頻率、教學(xué)效果、師生滿意度等數(shù)據(jù)，將師生隱性的教學(xué)需求顯性化，有助于教學(xué)資源和教學(xué)環(huán)境圍繞教學(xué)主體的切實(shí)需求制定升級與優(yōu)化策略。利用數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析技術(shù)，從原本看似散亂無關(guān)的課堂數(shù)據(jù)中挖掘出隱性而有用的信息，洞察智慧課堂中關(guān)鍵問題所在，引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)向著有序、平衡、積極的方向發(fā)展，有利于充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的教學(xué)價值，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效益最大化。

四、智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建路徑

（一）強(qiáng)化課堂即時反饋，實(shí)現(xiàn)教學(xué)數(shù)據(jù)的閉環(huán)運(yùn)行

即時反饋是協(xié)助開展教學(xué)活動的重要技術(shù)手段，是指生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各因子能夠“知情”自身以及其他部分的狀態(tài)（祝智庭， 等， 2017），并能根據(jù)指令或變化快速做出相應(yīng)的決策、活動或行為，以維持系統(tǒng)特定的發(fā)展軌跡。由于智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)各個要素和活動之間都是緊密聯(lián)系、互相影響的共生關(guān)系，各要素應(yīng)能針對教學(xué)需求立即做出相應(yīng)的有效反饋，保證教學(xué)數(shù)據(jù)被快速、正確地生成、獲取與流動。

教師可選取合適的教學(xué)互動工具，在促進(jìn)學(xué)生積極參與課堂活動的同時實(shí)時采集與分析生成的教學(xué)數(shù)據(jù)。教師既可以借助互動工具，采用隨堂測試、彈幕討論、趣味知識競賽等互動方式，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也可以利用智能錄播系統(tǒng)及時捕捉學(xué)生的動作性反饋，通過分析學(xué)生面部表情與動作姿態(tài)獲取學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)情緒與教學(xué)活動的參與度，進(jìn)而直觀掌握每位學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。如清華大學(xué)開發(fā)的“雨課堂”，是一款課堂教學(xué)交互工具，應(yīng)用習(xí)題發(fā)布、問卷調(diào)查、投票統(tǒng)計、彈幕等功能，教師能即時獲取答題正確率、錯誤率、知識圖譜分布等學(xué)生反饋信息，為學(xué)情診斷和教學(xué)反饋提供科學(xué)依據(jù)。此后，教師要將學(xué)情分析常態(tài)化應(yīng)用于課堂教學(xué)活動，如設(shè)計多個少而精的隨堂測試題、增加對學(xué)生的問答頻率、積極參與學(xué)生的討論交流等，并根據(jù)反饋信息不斷改進(jìn)與調(diào)整教學(xué)活動，從而推動新一輪的數(shù)據(jù)生成與流動，實(shí)現(xiàn)教學(xué)數(shù)據(jù)的閉環(huán)運(yùn)行。

（二）培養(yǎng)師生數(shù)據(jù)素養(yǎng)，促進(jìn)課堂數(shù)據(jù)效能的發(fā)揮

系統(tǒng)的波動性是信息生態(tài)系統(tǒng)的固有屬性（Taylor， 2016），智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中任何要素的動態(tài)特性都會在相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化中有所體現(xiàn)。智慧型學(xué)生與教師是生產(chǎn)與運(yùn)用教學(xué)數(shù)據(jù)的主體，具備較高數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平的師生能夠捕捉數(shù)據(jù)所帶來的教學(xué)價值，加強(qiáng)對教與學(xué)過程的統(tǒng)籌規(guī)劃，最大限度地發(fā)揮教學(xué)數(shù)據(jù)效能。

為掌握中小學(xué)教師數(shù)據(jù)素養(yǎng)的整體發(fā)展水平，本研究團(tuán)隊(duì)通過對我國東中西部10個省份、不同學(xué)科、不同背景（城鄉(xiāng)）的中小學(xué)教師進(jìn)行分層抽樣調(diào)查，得出教師在意識態(tài)度層面、基礎(chǔ)知識層面、核心技能層面以及思維方法層面的平均得分分別是3.24、3.12、3.13和3.06，低于平均分?jǐn)?shù)，表明當(dāng)前我國中小學(xué)教師的數(shù)據(jù)素養(yǎng)整體水平較為一般。由此，教師不僅需要掌握培養(yǎng)廣博的數(shù)據(jù)處理技能和敏銳的數(shù)據(jù)洞察力，學(xué)會正確收集、處理與分析學(xué)生的學(xué)習(xí)和行為數(shù)據(jù)，找到其中的問題，并采取相應(yīng)的措施及時干預(yù)，還應(yīng)培養(yǎng)正確的數(shù)據(jù)解讀能力與常態(tài)化數(shù)據(jù)應(yīng)用能力，能夠通過分析學(xué)生學(xué)情報告深入了解學(xué)生的學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)，以此改進(jìn)教學(xué)方法和策略，提升課堂教學(xué)的可行性、科學(xué)性與精準(zhǔn)性，真正發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值。同樣，學(xué)生也要培養(yǎng)自身的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。正所謂“知人者智，自知者明”，學(xué)生要學(xué)會借助學(xué)情大數(shù)據(jù)認(rèn)清自我，對自己的知、情、意、行等特征進(jìn)行科學(xué)、客觀的評價，從而制定符合個人能力基礎(chǔ)的發(fā)展路徑，并在規(guī)劃執(zhí)行中根據(jù)學(xué)情數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，有助于增強(qiáng)整個生態(tài)系統(tǒng)的活力指數(shù)，創(chuàng)造出更大的數(shù)據(jù)智慧。

（三）強(qiáng)化智能感知與分析，實(shí)現(xiàn)教學(xué)環(huán)境的智能運(yùn)行

在智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)中動態(tài)生成的教學(xué)數(shù)據(jù)與教學(xué)情境密切相關(guān)，在不同的情境下相同教學(xué)行為下的師生潛在需求存在一定的差異性。強(qiáng)化智能感知與分析課堂教學(xué)情境信息有助于更深入地理解與洞察師生真實(shí)的教與學(xué)需求，進(jìn)而為教師和學(xué)生提供更舒適的物理環(huán)境條件與更適用的教學(xué)支持服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智慧課堂智能運(yùn)行。

在智慧課堂教學(xué)環(huán)境中，應(yīng)利用各種傳感器裝備，將課堂教學(xué)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)教學(xué)物理環(huán)境監(jiān)測變量與教學(xué)環(huán)境設(shè)備間的智能聯(lián)動，即通過檢測室內(nèi)的聲音、空氣、溫度、光線等參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)預(yù)設(shè)的理想?yún)?shù)自動調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備，如教室的溫濕度與空調(diào)、光照度與燈光、二氧化碳含量與通風(fēng)系統(tǒng)等?；跀z像頭、可穿戴設(shè)備等，運(yùn)用情境感知、面部識別等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對教學(xué)情境的智能化識別、定位與分析，能夠感知與獲取師生的位置、操作、情緒等情境數(shù)據(jù)，并結(jié)合個人行為特征模型進(jìn)一步分析與預(yù)判教學(xué)主體的行為動機(jī)與集成化、個性化教學(xué)需求，為師生主動推送信息負(fù)載合適、滿足教與學(xué)需求的教學(xué)支持服務(wù)。如通過人臉檢測、輪廓檢測和主體動作幅度檢測三方面獲取數(shù)據(jù)，利用貝葉斯因果網(wǎng)推斷視頻主體行為特征，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)視頻的計算機(jī)自動化S-T分析（周鵬霄， 等， 2018），增強(qiáng)了人與技術(shù)之間的智能交互。

（四）豐富智慧環(huán)境給養(yǎng)，滿足師生多樣化教學(xué)需求

智慧課堂生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展離不開教學(xué)環(huán)境對教學(xué)主體的支持，環(huán)境中正向、多樣的教育給養(yǎng)不僅有助于教師將信息技術(shù)與課堂教學(xué)有效融合，還能幫助學(xué)生認(rèn)識到如何借助信息技術(shù)提高學(xué)習(xí)（賀斌， 等， 2012）。生態(tài)心理學(xué)家Gibson（1979）從生態(tài)學(xué)的層面揭示了有機(jī)體與環(huán)境之間整體、互惠、動態(tài)的相互作用關(guān)系，提出了“給養(yǎng)”（Affordance）的概念，被用以描述教學(xué)環(huán)境對教學(xué)主體的支持關(guān)系，強(qiáng)調(diào)給養(yǎng)是屬于環(huán)境的，并由環(huán)境提供給有機(jī)體。Liu（2009）基于普化教育資源環(huán)境（Environment of Ubiquitous Learning with Educational Resources， EULER）開展了為期16周的課程教學(xué)活動，通過對學(xué)生進(jìn)行訪談和問卷調(diào)查提出EULER可以提供知識建構(gòu)、應(yīng)用、綜合、評價、互動、協(xié)作學(xué)習(xí)、基于游戲的學(xué)習(xí)和情境感知學(xué)習(xí)八種教育給養(yǎng)。該研究結(jié)果不僅便于教師理解如何更好地將信息技術(shù)與課堂教學(xué)相融合，還可以幫助學(xué)生了解如何利用信息技術(shù)改善學(xué)習(xí)。

位于相同教學(xué)環(huán)境中的不同教學(xué)群體所感知到的環(huán)境給養(yǎng)是不同的，因此教學(xué)環(huán)境對于他們而言也具有一定的差異性。教師在創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)境時，一方面要遵循學(xué)生在教學(xué)環(huán)境中的感知覺和行動規(guī)律開展教學(xué)活動。教師在設(shè)計學(xué)生預(yù)期行為的同時應(yīng)重視學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，在實(shí)際的課堂教學(xué)中根據(jù)學(xué)情不斷地調(diào)整教學(xué)活動，以激活和引導(dǎo)學(xué)生正確的自我學(xué)習(xí)意圖。另一方面，要提供與教學(xué)活動和學(xué)生學(xué)習(xí)需求相匹配的學(xué)習(xí)工具與資源。教師應(yīng)充分了解不同學(xué)習(xí)工具所具有的給養(yǎng)并針對具體的教學(xué)活動與多樣化的學(xué)習(xí)需求，為學(xué)生提供一系列不同的學(xué)習(xí)工具，創(chuàng)建與完善個性化的積極給養(yǎng)，抵制與彌補(bǔ)負(fù)面給養(yǎng)，以維護(hù)有機(jī)體與教學(xué)環(huán)境間良好的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。

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