一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境研究*

王偉東，金義富

(1.嶺南師范學院 廣東高校數字化學習工程技術開發中心 信息與教育技術中心， 廣東 湛江 524048；2.嶺南師范學院 教育技術研究所， 廣東 湛江 524048)

一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境研究*

王偉東1，金義富2

(1.嶺南師范學院 廣東高校數字化學習工程技術開發中心 信息與教育技術中心， 廣東 湛江 524048；2.嶺南師范學院 教育技術研究所， 廣東 湛江 524048)

為了實現課堂教學中及時全面的互動反饋，靈活開展各種模式的學習和評價分析管理，該文以互動反饋系統為基礎，結合電子書包、一對一數字化學習、云桌面、知識庫、基于大數據的學習分析、虛擬課堂等數字化學習相關技術進行改進后，構建了一種一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境。形成的知識庫，可進行基于大數據的學習分析、個性化學習資源推薦、啟發式聯想搜索知識、主觀題的自動評分等。該文提出了一種主觀題交叉評分的方法，并給出了主要流程方案，實現了復雜主觀題也能進行互動并可當堂反饋。

互動反饋；電子書包；一對一數字化學習；知識庫；主觀題評分

現在學校里的常規教學，主要采取的形式是以班為單位的課堂教學。這種由一位教師同時向多個學生進行集體授課的傳統課堂，自古代一直延續傳承到今天，操作簡單方便，但也有不足。傳統課堂中由于是一位教師同時對多位學生講課，一般認為教師講完了學生應該就學會了，或者有個別學生學會了，就認為全部學生都學會了，還有不會的學生課后再自行學習或問老師。接受能力弱或上課不專心走神了的學生，課后如果不花更多時間及時補救，每堂課的問題就會不斷累積，這些學生自然淪成差生，日后師生都要為他們花費更多時間來彌補也難以有成效。而對接受能力強的學生，可能每堂課要在等待其他同學的過程中浪費時間，或促成他們很快上課走神。在傳統課堂中，教師通過提問或抽測方式，只能了解個別學生的學習情況，課后作業則要花很多時間進行批改和統計，當堂課中未能對每個學生的學習情況及時了解和反饋。

我國教育部在《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》中強調要探索建立以學習者為中心的教學新模式[1]。很多教學一線的老師早已經注意到學生的個性差異是客觀存在的，也認可學生是學習活動中主體，想方設法盡力改進教學，但在一對多的傳統課堂中老師獨力難支，很難及時應對每個學生的互動反饋進行因材施教。1995年Wilson等認為學生在課堂中的學習環境是以學習活動為中心的，并提出了以“學習環境”的稱呼來代替傳統所言的“教學環境”，以下沿用這種稱呼。為了滿足學生個性化學習的需求，國內外從關注改進教師的教，到注重優化學生的學，不斷進行課堂教學改革，結合課堂教學各方面的情況研究實踐了：探究性學習[2]、研究性學習[3]、協作學習[4]、反思性學習[5]、實踐性學習[6]、自主學習[7]等學習模式，每種學習模式有對應支持的學習環境，本文結合數字化學習相關技術，研究基于互動反饋的一對一數字化智能課堂學習環境。

一、數字化學習相關技術

(一) 互動反饋系統

如下頁圖1所示，互動反饋系統[8](Interactive Response System, 以下簡稱，IRS)主要由三部分組成：學生每人一個的無線手持式表決器學生終端(常被形象地稱為遙控器)、一臺可連接教師機的無線收發主控器及一套互動反饋軟件。該系統可在多媒體課室中使用，主控器連接講臺的教師計算機，將接收到的各學生終端的互動反饋結果顯示到投影或大屏幕上。當教師需要檢測學生在課堂上某小節的學習情況時，可以將預設的題目(一般是判斷題或選擇題)顯示出來，讓大家當場作答。學生作答的結果即時統計在屏幕上顯示出來，可以看出哪些學生未答題或已答題、哪些學生先答或后答、哪些學生選了什么選項等。最后老師可以公布標準答案和評講，及時糾正不正確的作答。

心理學家皮亞杰(Jean Piaget)認為，學生在學習過程中與外界進行交流互動，有利于逐步建立起自身的認知結構，可有效地提高學習效率。所以在課堂中應用IRS，教師適時地安排學生進行互動反饋，可以及時地全面了解每位學生的學習情況，而且學生在積極參與課堂上互動反饋的過程中也促進了本人知識的建構，有問題時老師還可以及時了解糾正。稍有不足是：(1)目前的產品未支持填空題、問答題、計算題等主觀題的反饋；(2)未支持手機、平板電腦等作為學生終端。

圖1 互動反饋系統結構

(二) 電子書包

電子書包[9](Electronic-schoolbag)主要是一臺裝有數字化學習資源和學習管理軟件的平板電腦，通過無線網絡可以接入服務器端，檢索和獲取授權的學習資源，上課互動、做作業、測驗考試、進行學習交流等，具有比傳統書包強大得多的功能。利用電子書包，在課前學生可以查看學習計劃、進行預習和自主學習，在課堂中可接收老師共享的學習資料，參與課堂的互動反饋，進行探究性學習、研究性學習、分組協作學習、反思性學習、實踐性學習、自主學習等，課后可以復習、做作業、考試等。在教師的組織下學生可用電子書包實現全階段的個性化學習。稍有不足之處是：由于版權原因通常都不允許免費使用自帶的智能手機、平板電腦等設備成為電子書包。

(三) 一對一數字化學習

為了解決傳統課堂中一位教師同時對多位學生授課存在的不足，有人提出了一對一[10](One-to-One)數字化學習的方案，近年有不少這方面的研究和改進，如文獻[11]中的作者在阿蘭·凱靈頓的Padagogy輪的基礎上，綜合了活動理論、移動學習系統四大功能和混合學習理論，提出了一種基于平板電腦(PAD)的一對一數字化學習的教學法理論模型。一對一數字化學習的主要內容是：為課堂上的每位師生都配一臺數字化設備，該設備裝有各種學習資源和學習軟件，接入無線網絡后，學生可進行個性化學習、參與互動反饋和測評等學習活動?！耙粚σ弧钡闹匾饬x在于：在教師的組織引導下，課堂中的每位學生都有一臺數字化學習設備，可分別同時應對各學生用戶的個性化交互反饋，每位學生都有自己的獨立學習空間，可按自己的實際進行個性化學習。課堂上教師可按教學計劃要求學生們對某題進行作答，也可以安排分組研討、收發作業、考試等教學活動。

(四) 云桌面

云計算[12]技術可以實現將軟硬件資源動態地按需分配，應用該技術實現的虛擬桌面是一種虛擬機，虛擬機與我們日常辦公用的實體個人計算機的功能一樣，虛擬機系統的CPU、內存和硬盤存儲空間等都來自服務器的硬件資源，所以性能可以達到很高，且虛擬機的批量管理更加方便，在服務器端可以快速生成或刪除虛擬機，快速更換虛擬機的操作系統等。用戶可以通過自已的智能手機、平板電腦、筆記本電腦、功能差的舊PC等登錄虛擬機，虛擬機的應用效果和用實體計算機一樣，其操作系統的桌面和實體機的沒區別，故稱為虛擬桌面，在教育領域又常稱為云桌面[13](Cloud Desktop)。在數字化課堂環境中，學生的終端機可以是一臺性能較弱的智能手機或平板電腦或很舊的PC，用了云桌面后，使用的是服務器上的硬件資源可達到很高的硬件性能，功能強大而且方便管理和維護，本地的實體機只要能聯網和顯示云桌面即可。

(五) 知識庫和基于大數據的學習分析

大數據[14]是出現在數字化時代中的一種現象。大數據為我們分析和解決數字化環境下的學習問題提供了新思路，在數字化課堂開展期間，自動采集師生在教學活動中的表現和環境等多個維度的大量數據，及時整合篩選構建基于語義網的知識庫[15]，可以進行統計分析和數據挖掘，并將結果反饋給師生，協助師生及時有效地調整教和學?；诖髷祿膶W習分析[16]能夠詳細描述每個學生的學習過程、學生在各階段的學習情況，可以有效地幫助師生改善課堂教學效果。

(六) 遠程課堂與虛擬課堂

如果有學生跌傷了腳好幾天都到不了課室現場參加集體的課堂學習怎么辦？如果教師突然有緊急任務要出差幾天如何開展課堂教學？等，這些傳統課堂的疑難問題，在數字化學習環境中已經可以通過遠程課堂或虛擬課堂來解決。

1. 遠程異步課堂

教師可以將上課的過程錄制成視頻放到網上共享，學生下載課堂視頻觀看，再按要求做作業和測評，目前很多網上教學都采用這種方式，包括大部分的MOOCs[17](Massive Open Online Courses)。該方式主要的特點是學生不用準時到現場學習，可以按自己的實際選擇適時的時間進行學習。當然老師出差時也可以在住的地方找時間錄制講課。不足之處是：在視頻中不能進行師生間的實時互動交互操作，但可以通過其他交流平臺進行學習交流等。

2. 遠程同步課堂

用具有遠程視頻會議類功能的軟件可以開展遠程同步課堂教學，師生可進行遠程同步的即時互動，有條件的甚至可以開展沉浸式逼真體驗的網真課堂[18]。可以實現不到課堂現場的也能同步體驗現場課堂的學習，參與課堂中的即時交流互動反饋。

3. 虛擬課堂

對于沒有音視頻實時錄制設備的用戶，可以通過設計開發游戲化的虛擬課堂[19]，讓虛擬角色代替自己進去虛擬課堂場景中體驗學習。像角色扮演游戲一樣，通過人機交互操作，在虛擬課堂中也可以與師生進行學習的實時交互反饋。

二、一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境

(一) IRS+

嶺南師范學院數字化學習工程技術開發團隊，近年在研究開發搶答器的基礎上，設計了具有IRS功能的多功能無線投票評分搶答反饋考勤系統[20]，以下簡稱為IRS+。它除了具有目前IRS的各項功能外，還支持藍牙、Wifi等多種通信方式，學生終端可以有三種類型：外型像傳統手機般的簡易型終端、類似平板電腦的智能型終端，以及外加型終端允許將手機、平板等常用的智能電子設備安裝軟件后作終端使用。外加型終端可以是學生自己的智能手機、平板電腦(PAD)、筆記本電腦或個人電腦等，存在的問題是：進行搶答時由于不同通信協議的速度不一致可能會有時間誤差，這需在以后的研究中改進，其他功能與專用終端上的一樣。學生信息、互動反饋的題目等各種基礎數據，可保存到本地硬盤和遠程服務器端，可用本地軟件界面或遠程網站界面進行管理。支持各種主觀題的互動，其結果和統計信息可以導出成通用的Excel或Word格式文檔。

IRS+已經具備電子書包的主要功能，這時的主控器與教師機合起來稱為服務端，采用智能型終端作為學生終端，在課堂上使用則成為一對一數字化學習環境，學生可以方便地使用教師在服務端共享的數字化學習資源，進行自主學習，也可以在教師的組織引導下進行分組協作學習、探究學習、參與課堂互動反饋等學習活動。配套的管理平臺軟件，主要功能有：基礎數據管理、考勤、搶答、投票、評分、互動反饋、電子舉手、淘汰賽、統計分析等。

(二) IRS++

為了增強學生終端的性能和功能，本文對IRS+再做進一步的改進，以構成一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境，為了區別之前的IRS+，將改進后的簡稱為IRS++。在IRS++中將服務端升級為基于云架構的云服務端，提供云桌面讓學生終端使用，使得學生終端具有個人PC一樣的性能和功能。在管理平臺軟件中加入：教務管理平臺、自主學習平臺、問卷調查平臺和測驗考試平臺。其中的教務管理平臺主要實現：單位部門、班級、學科、課程、學籍、教師信息、學期、教學計劃、開課計劃、課程表、成績等教務方面的管理。自主學習平臺是一種個人學習環境[21](Personal Learning Environment)，可進行課堂內及課外各種模式的學習活動和反思。有了強大性能及功能的學生終端和服務端后，就可以方便地對課堂開展過程中師生教學活動的各項數據進行及時全面地采集了，學習狀態、學習情況的數據和學生要學習的知識內容可以存到基于語義網的知識庫中，以便于進行基于大數據的學習分析，以輔助修正學生的學和教師的教。用聚類、離群、決策樹等算法挖掘出總體教學問題、優差生的學習行為表現、學習能力、學習路徑等，利用語義分析推理可實現個性化學習方案和學習資源推薦[22]，還能夠實現啟發式聯想搜索知識，結合模糊識別算法甚至可以進行字符類主觀題的自動評分[23]，實現填空、問答等部分基于字符的主觀題的即時互動反饋。其他復雜主觀題的互動，可用測驗考試平臺中的主觀題交叉評分功能來實現當堂評分及時反饋，復雜主觀題交叉評分的主要實現流程如下頁圖2所示。

1. 教師公布題目。將學生自動分組或手動分組。

2. 學生通過大屏幕看題或將題下載到自己的終端機上看。

3. 倒計時，學生按教師的要求做題。實驗實踐操作題可錄制自己終端的屏幕生成視頻文件上交，或截圖生成圖片文件上交，或交操作結果生成的文件；數學計算題等可以用畫圖軟件演算后存成圖片文件上交，或在紙上演算后用終端的攝像頭拍成照片文件上交。做題過程中，服務端教師機的大屏幕上列出各學生的答題上交情況，誰什么時侯開始交，交成功了，誰還沒交。至于在一個課室空間的范圍內，走兩步即可到現場看了是否還有必要拍照片上傳，這個要求由上課的教師定。拍照雖看似麻煩但可以有完整的原始數據存檔積累等好處。

圖2 其他復雜主觀題的交叉評分流程

4. 教師控制停止上交作答。公布題目的答案和評分標準。開啟學生分組交叉評分功能。

5. 學生下載應評人的答卷，根據評分標準進行交叉評分，這個過程中學生可向教師請教答疑。服務端教師機的大屏幕上列出每個組評了多少，還有多少應評的未評，可查每個學生還有多少應評的未評，顯示那些被所有應評的評完后的學生平均分，可按分數從高到低排名。每個小組都有組長，該組中同一答卷如果被兩個或兩個以上組員評不同分時，組長要組織討論進行仲裁，給出仲裁分，這種情況以仲裁分為最后得分，必要時可向教師請教。

6. 教師控制停止評分。抽查一兩組復核，最后對該次互動反饋作總結。所有數據記錄保存到服務器，可生成學習評價，師生可以按權限查詢統計分析結果。

再在課室的前后各加一個攝像機，條件允許的情況下盡量用帶云臺控制的攝像機，配上話筒(或拾音器)和音響設備，實時錄播課堂學習過程，則可以開展遠程課堂或虛擬課堂。這樣就構成了一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境，其總體物理結構的示意如右圖3所示。

圖3 一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境總體物理結構的示意

(三) IRS++對教學的影響

智能手機、平板電腦(PAD)等智能終端設備中可以安裝大量具有教學的功能軟件，采用這些智能終端設備開展教學被認為是一種新的教學法，國內外有不少學者作過深入研究。由IRS++構建的一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境，功能更強大，是智能終端設備，可以使學生養成在遇到問題時立即搜索相關資源、嘗試親自動手驗證實踐探究，主動與別人交流分享經驗的學習研究習慣。這種學習環境對學生學習的影響類似于能量場對場內粒子的作用，不斷地影響促進著每個學生個體的求知欲望，推動學生間的交流互動，為學生學習提供工具和信息資源，為教師精確細致地掌控教學過程提供方便，為教學管理人員提供決策支持。

一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境所追求的目標不是全班同學達到一樣的水平，而是盡可能讓全班同學都學會應該學的內容，都超越達標水平，對智力正常的學生能避免未充分參與課堂交互而造成的落伍，個別學有余力的同學也可利用學習環境中的拓展學習資源向更高層次進一步提高學習水平。學習環境的功能再強，也要在教師的正確組織引導下才能發揮出好的作用。學習環境升級后，教師的教學模式也要相應地改進，在研究充分利用IRS++的工具和資源的過程中，也會不斷提高教師自身的信息化應用水平。

三、結語

以互動反饋系統為基礎，結合了電子書包、一對一數字化學習、云桌面、知識庫、基于大數據的學習分析、遠程課堂與虛擬課堂等數字化學習的相關技術，構建的一對一數字化互動反饋智能課堂學習環境，其實也是一種未來課堂[24][25](Future Classroom)學習環境，只是本文更加強調以學生的學習為中心，在數字化環境里的課堂教學活動中，實現智能化“一對一”全面及時的互動反饋課堂學習，允許遠程的學生或用虛擬替身的學生參與課堂實時交互，進行因材施教，提高教學效能。

目前該智能課堂學習環境正在實驗室中構建和進行小范圍的測試，下一步將要對該環境的應用作實證研究，并不斷優化，為相關領域的應用和研究提供參考。

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王偉東：實驗師，碩士，研究方向為智能系統、知識工程、教育信息化(wwd33@qq.com)。

金義富：教授，博士，研究方向為數據庫技術、知識工程、教育信息化(yfjin@tom.com)。

2015年5月16日

責任編輯：趙興龍

Research of One-to-One Digital Learning Environment in Interactive Response Smart Classroom

Wang Weidong1, Jin Yifu2
(1.Information and Educational Technology Center, Guangdong University Engineering Development Center for E-Learning, Lingnan Normal University, Zhanjiang Guangdong 524048; 2. Institute of Educational Technology, Lingnan Normal University, Zhanjiang Guangdong 524048)

In order to realize the comprehensive and timely interactive response in classroom teaching,flexible carry out learning of various pattern, evaluation, analysis and management, with interactive response system as the foundation, combined with the e-Schoolbag, one-to-one digital learning, cloud desktop, knowledge base and virtual classroom digital learning related technical analysis, large data based learning more improved, we establish a one-to-one digital interactive response smart classroom learning environment. The formation of the knowledge base, can be used for analysis of the learning based Big Data, personalized learning resource recommendation, association search heuristic knowledge, the subjective questions’ automatic scoring. This paper putted forward a method of subjective score of the cross, and gives the main flow scheme. it is realized that the complex subjective questions can also be interactive and quickly feedback in the class.

Interactive Response; Electronic-schoolbag; One-to-One Digital Learning; Knowledge Base; Subjective Questions Scoring

G 434

A

1006—9860(2015)07—0055—05

* 本文系廣東省自然科學基金項目“基于教育云的學習分析與教育大數據研究”(項目編號：S2013010016994)、嶺南師范學院自然科學研究一般項目“智能化學習環境的構建及關鍵技術研究”(項目編號：L1304)成果。