如何構(gòu)建智慧課堂

鐘紹春 鐘卓 張琢

[摘? ?要] 盡管人工智能等技術(shù)在課堂教學(xué)中已經(jīng)規(guī)?；占皯?yīng)用，但到目前為止，還沒有真正給課堂教學(xué)帶來層次深、規(guī)模大、范圍廣的革命性改變。文章對智慧課堂相關(guān)研究做了梳理和分析，討論了智慧課堂構(gòu)建的方向與思路，分析了課程量化目標(biāo)、課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)、教與學(xué)路徑、教與學(xué)活動實施方法以及質(zhì)量評價體系等影響智慧課堂構(gòu)建的主要因素。提出了從知識和能力兩個境界，由課程目標(biāo)、知識點分級組織體系、知識點間關(guān)聯(lián)關(guān)系和知識點內(nèi)容，以及能夠衡量知識點掌握與相應(yīng)能力形成程度的量化評價體系等組成的課程圖譜結(jié)構(gòu)模型。提出了基于內(nèi)核問題/任務(wù)與知識點、能力點關(guān)聯(lián)關(guān)系的知識及能力體系建模方法，以及基于過程和結(jié)果數(shù)據(jù)建立學(xué)習(xí)畫像的方法。從課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)樣態(tài)創(chuàng)新、教與學(xué)路徑優(yōu)化和教學(xué)活動實施難點破解三個層面，分層次討論技術(shù)支持下的課堂教學(xué)方法創(chuàng)新途徑。

[關(guān)鍵詞] 智慧課堂; 課程圖譜; 學(xué)習(xí)畫像; 學(xué)習(xí)路網(wǎng)

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 鐘紹春（1965—），男，吉林雙遼人。教授，博士，主要從事智慧教育、人工智能和數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境研究。E-mail：sczhong@sina.com。

一、智慧課堂發(fā)展現(xiàn)狀與問題分析

隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”和AR/VR等技術(shù)的快速發(fā)展，以及移動學(xué)習(xí)終端設(shè)備的大規(guī)模普及應(yīng)用，智慧課堂也應(yīng)運而生，給課堂教學(xué)帶來了前所未有的沖擊和改變。特別是在人工智能強(qiáng)勢發(fā)展的大背景下，很多區(qū)域都加大了投入力度，部分市區(qū)縣甚至一次性投入數(shù)億、數(shù)十億的資金建設(shè)智能教育系統(tǒng)。政府部門的高度重視，對于教育信息化的發(fā)展是非常有意義的[1]。然而，盡管人工智能等技術(shù)在課堂教學(xué)中已經(jīng)規(guī)模化普及應(yīng)用，但到目前為止，還沒有真正給課堂教學(xué)帶來層次深、規(guī)模大、范圍廣的革命性改變[2]。

各地在開展智慧課堂構(gòu)建活動時，大多數(shù)領(lǐng)導(dǎo)和教師都寄希望于在購買智慧教室等設(shè)備基礎(chǔ)上，通過設(shè)備的操作性培訓(xùn)后，就能夠直接帶來課堂教學(xué)的革命性改變。但事與愿違，從當(dāng)前大多數(shù)實際應(yīng)用的效果來看，智慧教室的主要作用是為師生提供了便利的手段。有很多應(yīng)用時間比較長的教師普遍感覺到智慧教室在教學(xué)中的應(yīng)用與學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量提升的相關(guān)性很小。那么，問題究竟出在哪里呢？難道說這些智能教學(xué)系統(tǒng)對于學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的提升真的沒有作用嗎？人工智能等技術(shù)就真的不能帶來學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的革命性改變嗎？

事實上，出現(xiàn)這一問題的根本性原因不是人工智能等技術(shù)真的不能帶來學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的革命性改變，而是很多教育管理部門和學(xué)校負(fù)責(zé)人、教師簡單地將智慧教室及其應(yīng)用等同于智慧課堂，對智慧課堂的認(rèn)識出現(xiàn)了偏差[3]。

從目前各地建設(shè)的實際情況看，大部分資金主要投入到智慧教室等環(huán)境建設(shè)中。而當(dāng)前購買的PAD智慧教室，主要功能是課堂互動教學(xué)基本支持、課堂練習(xí)發(fā)布與答題、成績統(tǒng)計分析及相應(yīng)微課學(xué)習(xí)等功能[4]。

從學(xué)生學(xué)習(xí)角度看，教師的備課、課堂教學(xué)及作業(yè)批改等，不論便捷性多么好，還是效率多么高，都不可能等同于學(xué)生的學(xué)習(xí)是高質(zhì)量的。當(dāng)前絕大多數(shù)所謂的智慧課堂，還沒有真正全面、徹底地解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所遇到的各種瓶頸性問題，這些正是導(dǎo)致很多問題出現(xiàn)的根本原因。

二、智慧課堂構(gòu)建方向與思路

智慧課堂是課堂教學(xué)的一種高級形態(tài)，是指教師組織、引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生，在智慧教室中，基于云平臺和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，充分利用智慧教學(xué)和學(xué)習(xí)系統(tǒng)等信息化環(huán)境，所開展的能夠有效解決課堂教學(xué)中存在的瓶頸問題的教學(xué)和學(xué)習(xí)活動。它的基本特征是聚焦課堂教學(xué)問題的解決，動態(tài)捕捉學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和方式數(shù)據(jù)，實時分析個體和群體學(xué)生學(xué)習(xí)情況，構(gòu)建反映學(xué)生學(xué)習(xí)情況的知識與能力體系，并建立學(xué)習(xí)畫像;根據(jù)個體和群體學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，篩選和優(yōu)化教學(xué)與學(xué)習(xí)路徑，精準(zhǔn)調(diào)控教學(xué)活動安排，并提供深層次理解、體驗和探究知識的工具、套件和學(xué)習(xí)路網(wǎng)資源;根據(jù)學(xué)生個性學(xué)習(xí)畫像，引導(dǎo)學(xué)生個性化學(xué)習(xí);全面、系統(tǒng)分析學(xué)生、班級、教師、教研組、年級等總體情況以及信息化教學(xué)應(yīng)用情況等。

（一）智慧課堂構(gòu)建方向

從課堂教學(xué)角度看，任何技術(shù)引入到課堂教學(xué)中來，是否能夠在教學(xué)中真正發(fā)揮技術(shù)應(yīng)有的價值和作用，不能只看技術(shù)是否先進(jìn)，更重要的是要看課堂教學(xué)本身是否需要。如果課堂教學(xué)本身沒有實際需要的話，任何技術(shù)都是毫無用途的。由此可見，智慧課堂構(gòu)建的方向就是要在人工智能等技術(shù)的支持下，解決常規(guī)條件下難以解決的教與學(xué)瓶頸問題。

在課堂教學(xué)中，制約學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量提升的瓶頸問題是多種多樣的。對于不同的學(xué)生而言，可能存在的瓶頸問題也不盡相同。比較典型的瓶頸問題有：在課堂教學(xué)中沒有很好地幫助學(xué)生搞清楚知識產(chǎn)生的緣由，或者說，即便是試圖幫助學(xué)生搞清楚知識產(chǎn)生緣由，但實際上往往并未真正給學(xué)生闡述清楚，即缺乏學(xué)習(xí)邏輯;在課堂教學(xué)中沒有很好地幫助學(xué)生建立起知識之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即便是已經(jīng)在一定程度上建立起來了，但也存在著不完整或不清晰的情況，學(xué)生很難形成完整的學(xué)科知識及相應(yīng)的應(yīng)用能力體系;對于疑難知識，缺乏幫助學(xué)生理解和探究疑難知識的有效支撐手段，導(dǎo)致學(xué)生逐漸失去學(xué)習(xí)興趣和信心;在課堂教學(xué)中無法根據(jù)學(xué)生個性特點，幫助學(xué)生安排適切的教與學(xué)路徑開展學(xué)習(xí)活動;在課堂教學(xué)中無法根據(jù)學(xué)生適切的教與學(xué)路徑，幫助學(xué)生找到最佳教師和學(xué)伴完成學(xué)習(xí)活動;在課堂教學(xué)中無法幫助學(xué)生實時、全面、精準(zhǔn)掌握學(xué)習(xí)狀況，并以迭代優(yōu)化的方式完成個性化學(xué)習(xí)活動等。

因此，智慧課堂應(yīng)針對課堂教學(xué)普遍存在的瓶頸問題，在人工智能等技術(shù)條件下，從課堂教學(xué)有效組織結(jié)構(gòu)與樣態(tài)、課堂教與學(xué)路徑，以及課堂教學(xué)活動實施新思路和新方法等方面進(jìn)行創(chuàng)新和重構(gòu)，并建立與之相適應(yīng)的課堂教學(xué)智能支撐環(huán)境和智慧教學(xué)資源，進(jìn)而全面、系統(tǒng)、高質(zhì)量地解決存在的課堂教學(xué)問題。

（二）智慧課堂構(gòu)建思路

要想把課堂提升為真正的智慧課堂，首先，需要研究清楚在常規(guī)教學(xué)條件下，課堂教學(xué)到底遇到了什么困難，出現(xiàn)了哪些問題？梳理出問題清單，并對問題做好分級處理。其次，需要完成的工作是，針對第一層級問題，選擇合適的教學(xué)資源、工具和支撐系統(tǒng)等，有針對性地開展信息化教學(xué)應(yīng)用。針對第二層級問題，則需要研究出切實可行的解決思路和辦法，而這需要從課堂教學(xué)理念、思路和方法等方面有所突破，再按新思路、新方法的實際需要[5]，應(yīng)用人工智能等技術(shù)建立相應(yīng)的有效智能支撐環(huán)境和智慧學(xué)習(xí)資源，并在教與學(xué)活動中加以有效應(yīng)用。

因此，智慧課堂構(gòu)建成功與否，最主要的標(biāo)志是課堂教學(xué)中信息化的作用由提供便利和提高效率升級為支撐教學(xué)創(chuàng)新，即通過信息化不僅解決課堂教學(xué)第一層級問題，更重要的是系統(tǒng)、全面地解決課堂教學(xué)第二層級問題[6]。

在應(yīng)用人工智能、大數(shù)據(jù)、5G、“互聯(lián)網(wǎng)+”和AR/VR等技術(shù)構(gòu)建智慧課堂的過程中，應(yīng)堅持以下基本原則：（1）應(yīng)以學(xué)生品行修養(yǎng)、學(xué)業(yè)能力、強(qiáng)健體魄、陽光心態(tài)和溝通合作等方面的能力培養(yǎng)和素養(yǎng)形成為目的;（2）應(yīng)著重解決課堂教學(xué)中普遍存在的知識產(chǎn)生緣由不清楚，知識之間關(guān)聯(lián)關(guān)系模糊，疑難知識難于理解和探究，無法因人而異進(jìn)行教學(xué)，難以獲得最佳教師和學(xué)伴，難以實時、全面、精準(zhǔn)掌握學(xué)習(xí)狀況等課堂教學(xué)瓶頸問題;（3）應(yīng)著重通過教學(xué)創(chuàng)新與重構(gòu)的途徑來構(gòu)建智慧課堂，建立課程教與學(xué)質(zhì)量量化標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化有效教與學(xué)路徑，形成教與學(xué)情況數(shù)據(jù)采集規(guī)范，建立5G、大數(shù)據(jù)、人工智能條件下的學(xué)習(xí)結(jié)果、學(xué)習(xí)過程與行為等教與學(xué)情況智能感知環(huán)境，動態(tài)采集教與學(xué)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)教與學(xué)數(shù)據(jù)融合互通，為實現(xiàn)教與學(xué)創(chuàng)新提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持;（4）應(yīng)充分應(yīng)用5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，通過迭代優(yōu)化，分類創(chuàng)建線下和線上教師相結(jié)合的有效教與學(xué)的組織結(jié)構(gòu)樣態(tài)，最大限度地將區(qū)域及學(xué)校優(yōu)質(zhì)教師資源合理、均衡、優(yōu)化配置;（5）應(yīng)充分應(yīng)用5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，建立有效的學(xué)習(xí)路網(wǎng)資源，為每個學(xué)生建立精準(zhǔn)畫像，構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)情況準(zhǔn)確判定、學(xué)習(xí)路徑合理引導(dǎo)、學(xué)習(xí)路網(wǎng)資源精準(zhǔn)匹配、教師精準(zhǔn)調(diào)控課堂教學(xué)活動的“人網(wǎng)融合”的有效教與學(xué)新模式，實現(xiàn)學(xué)生精準(zhǔn)學(xué)習(xí)和教師智慧教學(xué);（6）應(yīng)針對移動學(xué)習(xí)終端、多媒體交互教學(xué)設(shè)備、MR教室、數(shù)字紙筆教室及“互聯(lián)網(wǎng)+”互動教學(xué)環(huán)境等，充分應(yīng)用5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，從教學(xué)組織形式、教學(xué)活動類別和教學(xué)階段等方面分類、分層次構(gòu)建有效的教與學(xué)新模式。

總而言之，要想在人工智能等技術(shù)條件下，構(gòu)建真正意義上的智慧課堂，就必須對教與學(xué)活動中可能存在的瓶頸問題做系統(tǒng)分類、分層次梳理，并分別探索能夠解決每類問題的有效途徑和方法，再按照問題解決的途徑和方法選擇合適的資源、工具和系統(tǒng)應(yīng)用于教與學(xué)活動中，只有這樣，才可能真正在智能技術(shù)條件下構(gòu)建出智慧課堂。

（三）智慧課堂構(gòu)建影響因素

智慧課堂的首要影響因素就是課程教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容。能夠量化的課程教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容，直接影響著學(xué)生課程學(xué)習(xí)質(zhì)量水平和學(xué)科素養(yǎng)體系形成程度的評測，它是學(xué)生學(xué)習(xí)與教師教學(xué)情況數(shù)據(jù)采集的依據(jù)，是智慧課堂構(gòu)建的基礎(chǔ)。

課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)問題的系統(tǒng)、準(zhǔn)確診斷，直接決定著課堂教學(xué)路徑與方法的選擇，直接影響智慧課堂構(gòu)建的效果，是影響智慧課堂構(gòu)建的第二個因素。

在智能技術(shù)條件下，針對課堂教學(xué)存在問題尋找破解思路與方法，并根據(jù)群體學(xué)生學(xué)習(xí)情況數(shù)據(jù)和教師教學(xué)情況數(shù)據(jù)，篩選教與學(xué)路徑，優(yōu)化教學(xué)活動安排，動態(tài)調(diào)控教與學(xué)活動，是課堂教學(xué)質(zhì)量提升、構(gòu)建智慧課堂的根本，是影響智慧課堂構(gòu)建的第三個因素。

此外，課堂教學(xué)中所選擇的教學(xué)資源、學(xué)科教學(xué)工具、教學(xué)系統(tǒng)與教學(xué)終端環(huán)境等，直接決定著智慧課堂構(gòu)建的效果。教師的信息化教學(xué)能力，以及學(xué)生課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與所形成的學(xué)科素養(yǎng)水平等，也是影響智慧課堂構(gòu)建的關(guān)鍵因素。

三、基于課程圖譜的知識與能力體系建構(gòu)

課堂教學(xué)的目的是讓學(xué)生學(xué)會知識，形成相應(yīng)的問題解決能力，并以課程為載體提升創(chuàng)新思維能力和綜合素養(yǎng)等。課程圖譜是課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)，也是評測教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)情況的量化依據(jù)。學(xué)習(xí)畫像則是知識與能力體系等建構(gòu)情況的有效呈現(xiàn)手段，是學(xué)生課程學(xué)習(xí)水平和課程學(xué)習(xí)規(guī)律的綜合體現(xiàn)。它是在依據(jù)課程圖譜所采集的教與學(xué)過程和結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過知識與能力體系的建模計算分析得出的。下文將圍繞課程圖譜結(jié)構(gòu)模型、能夠反映學(xué)生知識與能力體系建構(gòu)情況的課程學(xué)習(xí)畫像等展開討論。

（一）課程圖譜結(jié)構(gòu)模型

課程的基本構(gòu)成應(yīng)包括課程目標(biāo)、課程結(jié)構(gòu)、課程內(nèi)容、課程實施、課程評價和課程管理等方面。廣義上講，課程是由一組具體課程按照課程結(jié)構(gòu)組成的，其中的每一門具體課程都有其明確的目標(biāo)和內(nèi)容。下文在討論課程圖譜相關(guān)問題時，限定在一門具體課程上。

1. 課程圖譜結(jié)構(gòu)模型基本構(gòu)成

一門具體課程的圖譜應(yīng)至少包括課程目標(biāo)、知識點（片段）集、知識點（片段）分級組織體系、知識點（片段）間關(guān)聯(lián)關(guān)系和知識點（片段）內(nèi)容，以及能夠衡量所有知識點（片段）掌握和相應(yīng)能力形成程度的量化評價體系。為了便于處理，可以將知識點（片段）內(nèi)容，以及能夠衡量所有知識點（片段）掌握和相應(yīng)能力形成程度的量化評測體系整合在一起，稱之為知識點（片段）圖譜。

目前，課程目標(biāo)大多數(shù)是通過定性且籠統(tǒng)的語言來描述的。這種做法不僅很難實現(xiàn)量化評測，而且學(xué)習(xí)目標(biāo)導(dǎo)向性也不是很明確。課程內(nèi)容則基本上是通過教材的形式給出的，而教材主要是將基本知識體系完整呈現(xiàn)出來，并配以典型例題、練習(xí)和作業(yè)等。無論是教師還是學(xué)生，都希望在教材的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⒄n程的知識體系和應(yīng)當(dāng)形成的能力體系以定量方式清晰地呈現(xiàn)出來，即給出完整的課程圖譜。然而，在常規(guī)條件下，僅通過教材及教輔材料的方式，無法將深層次知識體系及應(yīng)當(dāng)形成的能力體系完整地呈現(xiàn)出來。

智能技術(shù)的快速發(fā)展，為這些問題的解決提供了切實可行的支撐條件。但要想在智能技術(shù)條件下，將課程圖譜以定量的方式呈現(xiàn)出來，并基于量化的課程圖譜將學(xué)生所建構(gòu)的知識體系及相應(yīng)的能力體系以可視化的形式完整呈現(xiàn)出來，就需要構(gòu)建課程圖譜的定量結(jié)構(gòu)模型。

2. 課程圖譜定量結(jié)構(gòu)模型

一門具體課程C的課程圖譜的定量結(jié)構(gòu)模型可形式化表達(dá)為：T（C）=（K，G，R_K，C_T），其中，K是課程C的知識點（片段）集，K=（k1，k2，…，km），ki代表一個知識點（片段）。G是所有知識點（片段）分層、分類組織結(jié)構(gòu)，諸如章節(jié)等。R_K是所有知識點（片段）間關(guān)聯(lián)關(guān)系集，知識點之間可能存在先后順序關(guān)系，也可能沒有任何關(guān)聯(lián)。因此，所有知識點間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可能是一張有向圖（網(wǎng)），也可能是多張有向圖，即星空圖。R_K可表示為：R_K=（R_K（k1），R_K（k2），…，R_K（km）），對應(yīng)任意一個知識點（片段）ki，它與其他知識點（片段）間的關(guān)聯(lián)關(guān)系R_K（ki）可表示為：R_K（ki）=（F_ord（ki），P_ord（ki）），其中，F(xiàn)_ord（ki）是所有ki前序知識點（片段）集，P_ord（ki）是所有ki后序知識點（片段）集。C_T是所有知識點（片段）的圖譜集，C_T=（C_T（K1），C_T（K2），…，C_T（Kn）），C_T（Ki）是知識點（片段）ki的圖譜，分為能力和知識兩個層面，是衡量該知識點（片段）學(xué)習(xí)水平的量化依據(jù)。能力層面是通過一組內(nèi)核問題/任務(wù)體現(xiàn)的，而知識層面則是指與能力層面的每類問題/任務(wù)相對應(yīng)的策略與方法、基礎(chǔ)知識，以及知識點（片段）之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。

（二）支持知識與能力體系建構(gòu)的知識點（片段）量化圖譜

評測學(xué)生課程學(xué)習(xí)的實際水平，應(yīng)從對知識體系的學(xué)習(xí)，以及在知識體系基礎(chǔ)上所形成的各種問題解決能力和創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行。在評測過程中，需要注意的一點是，從教學(xué)目標(biāo)角度看，并非所有知識點（片段）的學(xué)習(xí)程度要求都在一個層次上。有的知識點要求程度高，而有的知識點則要求程度低。因此，需要對知識體系和相應(yīng)的能力體系可能的建構(gòu)層次做合理區(qū)分，以便對教學(xué)活動的安排和評測層次有更好的把握。

1. 學(xué)習(xí)境界與層次劃分

總體上看，學(xué)習(xí)可分為兩個境界：一個是知識學(xué)習(xí)境界;另一個則是能力境界。根據(jù)學(xué)習(xí)程度要求不同，知識境界可分為記憶和理解兩個層次，它是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)性目標(biāo)。能力境界則是在知識學(xué)習(xí)境界的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成問題解決能力、創(chuàng)新性思維能力和課程綜合素養(yǎng)，它也是學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)。根據(jù)問題/任務(wù)的復(fù)雜性的不同，能力境界可以分為應(yīng)用、分析、綜合、評價和創(chuàng)造五個層次。應(yīng)用是指能夠直接應(yīng)用知識解決問題的能力;分析是指要對問題做剖析和轉(zhuǎn)化后才能夠應(yīng)用知識解決問題的能力;綜合則是指要對問題做剖析、分解和轉(zhuǎn)化后才能夠應(yīng)用知識解決問題的能力。應(yīng)用、分析和綜合這三個層次，都是以知識為基礎(chǔ)形成問題的解決能力。評價是指學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)知識和所形成的能力做系統(tǒng)梳理總結(jié)、判定自己實際水平的能力;創(chuàng)造則是指能夠觸類旁通歸納出新知識的能力。

五個能力層次中的每一個層次又分為不同檔次，例如：一元二次方程求解的應(yīng)用層次，就是給出方程式，直接求解。但是，所給出的方程式也都是難度不一的。至少可以有三種基本檔次，一是將y=ax2+bx+c方程式左邊的y設(shè)為0，變成ax2+bx+c=0;二是將y設(shè)為dx+e，即方程式變成ax2+bx+c=dx+e;三是將y設(shè)為dx2+ex+f，即方程式變成ax2+bx+c=dx2+ex+f。

對應(yīng)五個層次的內(nèi)核問題/任務(wù)，從大的類別上看，記憶和理解兩個層次的問題/任務(wù)可以劃分為一個維度，應(yīng)用、分析和綜合三個層次的問題/任務(wù)可以劃分為一個維度，而評價和創(chuàng)造則是另外兩個單獨的維度。

2. 知識點（片段）量化圖譜

以知識點（片段）為單位的知識與能力體系評測，需要建立該知識點（片段）的課程圖譜。一個知識點（片段）Ki的課程圖譜C_T（Ki），應(yīng)從知識境界的兩個層次和能力境界的五個層次，以及每個層次的不同情況來建立。建立每一個層次及不同檔次的評測體系，只能通過問題、任務(wù)及專項活動等來完成。而具體的問題、任務(wù)或?qū)ｍ椈顒樱瑒t是需要給出內(nèi)核類別的。

一個知識點（片段）Ki的課程圖譜C_T（Ki）可以表示為：C_T（Ki）=（K_T（Ki），A_T（Ki）），其中，K_T（Ki）表示知識點（片段）Ki的知識境界，K_T（Ki）=（R_mem（Ki），U_s（Ki）），其中，R_mem（Ki）表示知識點（片段）Ki的記憶類內(nèi)核問題及與知識掌握程度間的關(guān)系，U_s（Ki）表示知識點（片段）Ki的理解類內(nèi)核問題及與知識掌握程度間的關(guān)系。它們都可以表示為（（Que_C1，Bel1），…，（Que_Cn，Beln））的形式，每一個（Que_CI，Beli）表示如果問題Que_CI答對了，則意味著該知識點（片段）的記憶或理解程度為Beli。A_T（Ki）表示知識點（片段）Ki的能力境界，A_T（Ki）=（App_L（Ki），An_L（Ki），Syn_L（Ki），Ev_L（Ki），Cr_L（Ki））。App_L（Ki）、An_L（Ki）、Syn_L（Ki）、Ev_L（Ki）和Cr_L（Ki）分別代表應(yīng)用、分析、綜合、評價和創(chuàng)造五個層次的內(nèi)核問題/任務(wù)及與能力形成程度間的關(guān)系。每個能力層次又分為多種情況，即Cond1，Cond2，…，Condn。

因此，當(dāng)確定一個問題/任務(wù)后，應(yīng)針對該問題/任務(wù)給出（Que，Lev，Cond，Bel）信息表。其中，Lev代表App_L（Ki）、An_L（Ki）、Syn_L（Ki）、Ev_L（Ki）、Cr_L（Ki）中的任意一個層級。當(dāng)所有能力層次的每一種情況都確定了內(nèi)核問題/任務(wù)后，課程圖譜的建立工作也就完成了。

上面關(guān)于知識點（片段）Ki的課程圖譜C_T（Ki）的建立，主要是利用內(nèi)核問題/任務(wù)來完成的。除了以內(nèi)核問題/任務(wù)來建立課程圖譜外，還應(yīng)當(dāng)按照知識和能力兩個境界，建立完整的知識體系。完整的知識體系應(yīng)包括基本知識體系和應(yīng)用知識體系兩個部分?；局R體系主要根據(jù)知識境界的兩個層次建立，而應(yīng)用知識體系則是依據(jù)能力境界中五個層次的每一個情況為線索建立。

一個知識點（片段）Ki的完整知識體系可表示為K_sys（Ki），它的基本知識體系可表示為 B_K（Ki），它的應(yīng)用知識體系可表示為A_K（Ki）。K_sys（Ki）=（B_K（Ki），A_K（Ki）），其中，應(yīng)用知識體系A(chǔ)_K（Ki）對應(yīng)每一個層級Levj的每一種具體的問題情況Cond，都有相應(yīng)的解決方法和策略， 可表示為：Cond={（M1，M2，…，Mk）， App_S， Tra_S， Dis_S}，其中，M1，M2，…，Mk是指對應(yīng)問題情況的解決方法;App_S、Tra_S、Dis_S分別是應(yīng)用策略、轉(zhuǎn)化策略和分解策略。

只有按照上述方法建立課程圖譜，才可能建立起課程學(xué)習(xí)的量化目標(biāo)和評價指標(biāo)，課堂教學(xué)才真正做到基于數(shù)據(jù)安排和調(diào)控教與學(xué)活動，實現(xiàn)智慧教學(xué)和智慧學(xué)習(xí)。

（三）課程學(xué)習(xí)畫像構(gòu)建

1. 課程學(xué)習(xí)畫像主要構(gòu)成要素

課程學(xué)習(xí)畫像是指學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中所形成的問題解決能力及相應(yīng)的知識體系，通過課程學(xué)習(xí)形成的創(chuàng)新思維能力與綜合素養(yǎng)，以及課程學(xué)習(xí)中所表現(xiàn)出來的課程特有的認(rèn)知能力和興趣偏好等方面的特征，主要構(gòu)成要素包括課程能力體系、課程知識體系、課程素養(yǎng)體系和課程學(xué)習(xí)特性等。

課程能力體系和知識體系是指按照課程圖譜所界定的能力和知識兩個層面的具體要求，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)完成的知識體系建立程度和能力體系形成水平。對應(yīng)到每一個知識點（片段），學(xué)生的能力體系分為應(yīng)用、分析、綜合、評價和創(chuàng)造五個層次。其中，應(yīng)用、分析、綜合是反映學(xué)生運用知識解決問題和完成任務(wù)的能力。學(xué)生的能力體系形成情況，可以通過五個層次的內(nèi)核問題/任務(wù)來完成相應(yīng)的檢測。顯而易見，在能力水平的檢測過程中，也同時完成了方法與策略性知識的檢測。課程的知識體系則是指學(xué)生所建構(gòu)的、對應(yīng)五個能力層次的方法和策略等方面的知識，以及與之相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)性知識。對于基礎(chǔ)性知識以及僅是想獲得學(xué)生對于方法與策略性知識的記憶和理解程度，則可以直接通過知識的記憶和理解方面的問題來檢測即可完成。

課程學(xué)習(xí)特性是指學(xué)生在課堂教學(xué)、實習(xí)實訓(xùn)、項目研究、論文撰寫等學(xué)習(xí)活動中所體現(xiàn)出的知識學(xué)習(xí)、問題解決、抽象歸納、邏輯推理、興趣愛好等方面的傾向和專長等。

2. 課程學(xué)習(xí)畫像計算建模

由于課程學(xué)習(xí)畫像是由課程能力體系、課程知識體系、課程素養(yǎng)體系和課程學(xué)習(xí)特性等主要要素構(gòu)成，因此，應(yīng)通過分別研究這些要素的建立方法來完成課程學(xué)習(xí)畫像的建立。課程學(xué)習(xí)畫像任意方面內(nèi)容的建立，都需要利用學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果和過程數(shù)據(jù)，通過計算建模完成。

因此，課程學(xué)習(xí)畫像建立的首要任務(wù)是學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果和過程數(shù)據(jù)的獲取。在不同的教育階段，能夠獲得學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果和過程數(shù)據(jù)的途徑與方式也不盡相同。在中小學(xué)教育階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果數(shù)據(jù)主要是由課堂練習(xí)、作業(yè)和考試完成情況，以及各類與課程相關(guān)的專題學(xué)習(xí)活動參與情況等數(shù)據(jù)構(gòu)成。而職業(yè)教育、高等教育階段的學(xué)生學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)，除了課堂練習(xí)、作業(yè)和考試完成情況外，更關(guān)注的是學(xué)生在課程項目、實習(xí)實訓(xùn)、課程設(shè)計及畢業(yè)論文等方面的完成情況。

學(xué)生的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)獲取方式，不論是哪一個教育階段，都是通過采集學(xué)習(xí)過程相關(guān)數(shù)據(jù)完成的。重點采集的過程數(shù)據(jù)應(yīng)包括教學(xué)組織結(jié)構(gòu)、教與學(xué)路徑安排、教與學(xué)活動實施方法以及教與學(xué)活動實施支撐條件、資源等方面信息。

在獲取學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果和過程數(shù)據(jù)之后，接下來的任務(wù)是利用學(xué)習(xí)結(jié)果和過程數(shù)據(jù)，通過計算完成課程學(xué)習(xí)畫像不同內(nèi)容的實際情況建模。要完成建模工作，除了獲取學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果和過程數(shù)據(jù)以外，還需要做一定的基礎(chǔ)工作。最關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作是將能夠檢測能力和知識水平的問題、任務(wù)及專項學(xué)習(xí)活動等，與知識點（片段）及相應(yīng)能力點、課程素養(yǎng)點等建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，并給出關(guān)聯(lián)程度。基于檢測問題、任務(wù)及專項活動等的完成情況數(shù)據(jù)，以及檢測問題、任務(wù)及專項活動與知識和能力體系、素養(yǎng)體系等的關(guān)聯(lián)關(guān)系，就可以通過計算建模完成知識點體系及相應(yīng)能力體系，以及素養(yǎng)體系的建構(gòu)。

由于任意一個知識點（片段）Ki的課程圖譜包括知識境界K_T（Ki）和能力境界A_T（Ki），而知識境界K_T（Ki）又分為R_mem（Ki）和U_s（Ki）兩個層次，能力境界A_T（Ki）分為App_L（Ki）、An_L（Ki）、Syn_L（Ki）、Ev_L（Ki）、Cr_L（Ki）五個層次。因此，對應(yīng)到知識體系知識點（片段）Ki的知識體系建構(gòu)，就應(yīng)當(dāng)對應(yīng)R_mem（Ki）和U_s（Ki）兩個層次來設(shè)計，每個層次的計算建模依據(jù)應(yīng)當(dāng)是同層次問題/任務(wù)的完成情況、問題/任務(wù)與該層次知識的關(guān)聯(lián)度，以及以往同層次問題/任務(wù)的計算建模結(jié)果。對應(yīng)到知識體系知識點（片段）Ki的能力體系建構(gòu)，則應(yīng)當(dāng)對應(yīng)App_L（Ki）、An_L（Ki）、Syn_L（Ki）、Ev_L（Ki）、Cr_L（Ki）五個層次來設(shè)計，且按照與知識體系計算建模原理相同的方法來完成能力體系的計算建模。

四、課堂教學(xué)方法創(chuàng)新途徑

課堂教學(xué)方法涉及教師和學(xué)生間的組織結(jié)構(gòu)、教與學(xué)路徑安排和每一個教學(xué)活動實施方法與策略等多個層面。不同層面可創(chuàng)新的方向和做法不盡相同，因此，教學(xué)方法的創(chuàng)新需要分層次進(jìn)行。下文，從課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、教與學(xué)路徑優(yōu)化和教學(xué)活動中難點破解途徑三個層面，分別討論人工智能等技術(shù)條件下的課堂教學(xué)方法創(chuàng)新途徑。課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)組織樣態(tài)屬于宏觀層面，教與學(xué)路徑屬于中觀層面，教學(xué)活動實施屬于微觀層面。

（一）課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)樣態(tài)創(chuàng)新途徑

課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)樣態(tài)是指課堂教學(xué)過程中，教師和學(xué)生之間的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系。這種組織結(jié)構(gòu)關(guān)系受到教學(xué)環(huán)境、可利用的教師情況和學(xué)生情況等因素影響。

一般情況下，教室中只能安排一個教師。教師的教學(xué)能力水平直接決定著班級整體教學(xué)的質(zhì)量。但是，無論是好的學(xué)校，還是差的學(xué)校，教師之間永遠(yuǎn)存在差異。在任何學(xué)校的教師群體中，優(yōu)秀教師比例都是較低的。特別是在偏遠(yuǎn)落后的農(nóng)村學(xué)校，某些課程甚至沒有能夠勝任教學(xué)工作的教師，這種常規(guī)條件下的課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)樣態(tài)是很難打破的。因此，如果沒有其他途徑的話，教學(xué)質(zhì)量的大幅度提升相對而言是難以實現(xiàn)的。

人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展和普及為課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)樣態(tài)的創(chuàng)新提供了新的機(jī)遇和支撐條件。這種課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，主要有兩種途徑：一是通過網(wǎng)絡(luò)視頻互動教學(xué)平臺，將優(yōu)質(zhì)教師引入課堂教學(xué)，與任課教師聯(lián)合完成課堂教學(xué)活動，或者建立網(wǎng)上互動課堂，教師和學(xué)生在網(wǎng)上完成教學(xué)活動;二是建立虛擬教師，通過虛擬教師將最優(yōu)秀的教師教學(xué)智慧按照教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，引入課堂教學(xué)中。未來課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)樣態(tài)的創(chuàng)新，應(yīng)當(dāng)朝著任課教師和虛擬教師融合供給教育服務(wù)的方向發(fā)展。

建立虛擬教師，涉及教與學(xué)引擎（智能導(dǎo)引）、課程圖譜、學(xué)習(xí)路網(wǎng)、智能答疑、學(xué)習(xí)情況感知、學(xué)生學(xué)習(xí)情況建模分析、教師教學(xué)情況分析、迭代訓(xùn)練等方面內(nèi)容。其中，教與學(xué)引擎，要能夠根據(jù)群體學(xué)生學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)，規(guī)劃、篩選和優(yōu)化教與學(xué)路徑，為任課教師推薦教學(xué)路徑，為學(xué)生推薦學(xué)習(xí)路徑，并按照教與學(xué)路徑的需要，幫助教師選擇合適的教學(xué)資源和工具，引導(dǎo)學(xué)生利用學(xué)習(xí)路網(wǎng)進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)。

課堂教學(xué)環(huán)境直接影響課堂教學(xué)的組織樣態(tài)，主要分為面對面教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)互動教學(xué)兩大類型。面對面教學(xué)環(huán)境又分為常規(guī)教學(xué)環(huán)境、多媒體教學(xué)環(huán)境、PAD等智能終端教學(xué)環(huán)境、AR/VR教學(xué)環(huán)境等。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境又分為專遞課堂、雙向互動課堂、網(wǎng)上直播教室等。

（二）教與學(xué)路徑篩選及優(yōu)化途徑

理論上講，一節(jié)課可能的教與學(xué)路徑很多。例如：一節(jié)課有10個教學(xué)活動，每一個活動有3種做法，那么，一節(jié)課可能的教與學(xué)路徑就有59049種可能。顯而易見，任何教師都不可能按照所有可能的教與學(xué)路徑全部上一遍課之后，再篩選最佳的教與學(xué)路徑。

盡管從理論上講，一節(jié)課可能的教與學(xué)路徑會很多，但實際上絕大多數(shù)路徑是沒有實際價值的。教與學(xué)路徑是否有實際價值，主要取決于教師試圖讓學(xué)生按照什么樣的教與學(xué)方式完成課程的學(xué)習(xí)。目前，從知識獲得途徑的角度看，教與學(xué)的方式總體上可以分為三種基本類別，即講授/聽講+訓(xùn)練（實踐）/指導(dǎo)+拓展/指導(dǎo)，布置問題（任務(wù)）+自學(xué)/指導(dǎo)+訓(xùn)練（實踐）/指導(dǎo)+拓展/指導(dǎo)，布置問題（任務(wù)）+探究/指導(dǎo)+訓(xùn)練（實踐）/指導(dǎo)+拓展/指導(dǎo)。從學(xué)生的角度講，在學(xué)習(xí)過程中，可以是獨立完成，也可以是小組合作完成。

因此，教與學(xué)路徑的篩選和優(yōu)化，就需要在三種基本教與學(xué)方式框架下，按照一定的策略做合理的限定，大幅度刪減可選擇教與學(xué)路徑集合，再通過實踐進(jìn)行比對篩選。在對可能的教與學(xué)路徑集做了大幅度刪減的情況下，就需要通過教與學(xué)情況感知系統(tǒng)，全程獲取學(xué)生學(xué)習(xí)情況數(shù)據(jù)、教與學(xué)活動過程數(shù)據(jù)。利用學(xué)習(xí)結(jié)果和過程數(shù)據(jù)，通過知識和能力計算建模分析，以及班級群體學(xué)生總體學(xué)習(xí)情況分析等，完成教與學(xué)路徑的比對和篩選。應(yīng)當(dāng)針對群體學(xué)生實際學(xué)習(xí)情況、教師教學(xué)水平和教學(xué)內(nèi)容特點，分層、分類篩選出優(yōu)化的教與學(xué)路徑集，給出每一個教與學(xué)路徑適合的學(xué)生群體、教學(xué)內(nèi)容和教師水平等。幫助學(xué)生實時、全面、精準(zhǔn)掌握學(xué)習(xí)狀況，并以迭代優(yōu)化的方式完成個性化學(xué)習(xí)活動。

（三）教與學(xué)活動實施策略及方法創(chuàng)新途徑

在明確了課堂教學(xué)組織結(jié)構(gòu)和教與學(xué)路徑后，就已經(jīng)確定了課堂教學(xué)的具體活動。在這種情況下，需要進(jìn)一步研究的是每一個具體的教學(xué)活動如何更好地完成，這直接決定著課堂教學(xué)的質(zhì)量。

在這一層面，需要梳理出教與學(xué)活動類別、實施過程中可能存在的主要問題。針對所存在的問題，在人工智能等技術(shù)條件下，探索有效破解問題的新思路和新方法，以及所需要的支撐資源、工具、系統(tǒng)和終端環(huán)境等。應(yīng)著重利用人工智能和虛擬仿真技術(shù)，研發(fā)知識深度理解工具、問題體驗探究工具。諸如實驗教學(xué)所需要的原理理解、體驗式交互操作、交互式仿真探究等虛擬教學(xué)工具。在開發(fā)教與學(xué)活動支撐工具和資源時，應(yīng)以問題解決為導(dǎo)向，以有效破解問題的新思路和新方法為統(tǒng)領(lǐng)。

在具體的教與學(xué)活動實施過程中，可能存在的問題是多種多樣的。比較典型的問題主要有：缺乏知識的學(xué)習(xí)興趣、缺乏知識的學(xué)習(xí)邏輯、缺乏易于理解和探究知識的有效支撐手段、難以根據(jù)學(xué)生適切的教與學(xué)路徑找到最佳教師和學(xué)伴等。缺乏知識學(xué)習(xí)邏輯問題出現(xiàn)的原因，一方面是沒有很好地幫助學(xué)生搞清楚知識產(chǎn)生的緣由，或者說，即便是試圖幫助學(xué)生搞清楚知識產(chǎn)生的緣由，但實際上往往并未真正給學(xué)生闡述清楚;另一方面是沒有很好地幫助學(xué)生建立起知識之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即便是已經(jīng)在一定程度上建立了起來，但也存在著不完整或不清晰的情況，學(xué)生很難形成完整的學(xué)科知識及相應(yīng)的應(yīng)用能力體系。因此，解決學(xué)習(xí)邏輯問題，一定要先研究清楚知識產(chǎn)生的緣由和與其他知識的關(guān)系，再應(yīng)用技術(shù)支撐知識的學(xué)習(xí)。對于缺乏易于理解和探究知識的有效支撐手段問題，則需要充分應(yīng)用VR/AR等技術(shù)，開發(fā)學(xué)科工具和仿真實驗室等，提升知識學(xué)習(xí)品質(zhì)。對于難以根據(jù)學(xué)生適切的教與學(xué)路徑找到最佳教師和學(xué)伴問題，則應(yīng)充分利用全息影像技術(shù)建立學(xué)習(xí)路網(wǎng)資源，建立虛擬教師，人網(wǎng)融合供給優(yōu)質(zhì)教師服務(wù)。只有按照這樣的思路應(yīng)用技術(shù)，技術(shù)的價值和作用才能夠真正顯現(xiàn)出來。

五、結(jié)? ?語

智慧課堂的構(gòu)建，是在人工智能、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真等技術(shù)支持下，解決教學(xué)和學(xué)習(xí)瓶頸問題的全新途徑。但是，智慧課堂的構(gòu)建，絕不是技術(shù)的簡單應(yīng)用，而是課堂教學(xué)的變革與創(chuàng)新，是課堂教學(xué)的一場革命。因此，應(yīng)牢牢把握以課堂教學(xué)問題解決為目的，以創(chuàng)新教學(xué)思路和方法為根本，以提供有效、便捷手段為保障，以全面育人為目標(biāo)的基本原則開展構(gòu)建工作，特別是應(yīng)著重關(guān)注高素質(zhì)和有創(chuàng)造力的人的培養(yǎng)。

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How to Construct Smart Classroom

ZHONG Shaochun，? ZHONG Zhuo，? ZHANG Zhuo

（Ministry of Education Digital Learning Support Technology Engineering Research Center， Changchun Jilin 130117）

[Abstract] Although artificial intelligence and other technologies have been widely used in classroom teaching， so far， they have not really brought the revolutionary changes of deep level， wide scale and full scope to classroom teaching. This paper combs and analyzes the relevant researches on smart classroom， discusses the direction and thinking of smart classroom construction， and analyzes the main factors influencing the construction of smart classroom， such as the quantitative objectives of curriculum， the organizational structure of classroom teaching， the teaching and learning path， the implementation method of teaching and learning activities and the quality evaluation system. This paper puts forward a curriculum map structure model from two states of knowledge and ability， which is composed of curriculum objectives， a hierarchical organization system of knowledge points， the relationship between knowledge points and the content of knowledge points， as well as a quantitative evaluation system which can measure the degree of mastery of knowledge points and the formation of corresponding abilities. The method for modeling knowledge and ability systems based on the relationship between core problems/ tasks， knowledge points and ability points， and the method for building learning profiles based on process and result data are proposed. This paper discusses the innovative ways of classroom teaching methods under the support of technology from three aspects： the innovation of classroom teaching organization structure， the optimization of teaching and learning path and the solution of difficulties in teaching activities.

[Keywords] Smart Classroom; Curriculum Map; Learning Portrait; Learning Road Network