智慧課堂：智能化與游戲化教學探索與實踐

徐 昊，黃 嵐，宋冬蕾，于 濤，肖 猛

( 1.吉林大學 公共計算機教學與研究中心，吉林 長春 130012；

2. 吉林大學 計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012；

3. 吉林大學 軟件學院，吉林 長春 130012 ）

智慧課堂：智能化與游戲化教學探索與實踐

徐 昊1，2，黃 嵐2，宋冬蕾2，于 濤3，肖 猛3

( 1.吉林大學 公共計算機教學與研究中心，吉林 長春 130012；

2. 吉林大學 計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012；

3. 吉林大學 軟件學院，吉林 長春 130012 ）

針對智能設備廣泛應用且成為生活中不可或缺的輔助設備這一現象，以及學生在課堂中使用手機的情況，分析國內外新型教育模式發展現狀，提出一種使用智能手機參與課堂教學的智慧學習平臺；結合吉林大學的實踐教學，說明智慧學習平臺的必要性并介紹教學實踐情況，以期提高學生的課堂參與度，增強學習熱情，讓學生更好地接受課堂知識。

智慧課堂；游戲化；教育；參與度；彈幕

0 引 言

當今智能設備在教育領域中的應用越來越普遍，人們也在不斷地研究如何將智能設備與教育更好地結合，達到更高層次的教育模式。從2004年提出的在線課堂，到后來的“可汗學院”[1]，再到被人們廣泛接受的MOOC（massive open online courses）[2]，智能設備與教育的結合愈發密切，提供給學生更多學習和獲取優秀教學資源的可能。

當今網絡視頻中的彈幕、微信搖一搖等功能，創造了一種新型的交互方式，使人們實現實時的互動。游戲化是將游戲元素和游戲思維運用到其他的領域中，以此吸引用戶[3]互動和使用，促使用戶接受并且激勵他們的行為。我們認為，將游戲化融入到教育可以調動學生的積極性并能使他們的學習動力更好地延續下去。

通過對智能設備輔助課堂教育情況的調研，我們發現在教學環境中加入智能設備的模式變得更加多樣化，智能手機、手環、VR（virtual reality）設備等屢屢出現在課堂教育中。我們認為，在課上引入智能手機進行交互，在課后采用游戲化的思維進行課后學習進度的推進，有助于學生課堂參與度、積極性、學習熱情、學習效率的提高，從而提升學習效果。

1 國內外新型教育模式發展現狀

美國教育學家 B. Joyce和 M. Weil[4]最先將“模式”一詞引入到教學領域，并加以系統研究。從宏觀上把握教學活動整體及各要素之間內部的關系和功能，具有一定的有序性及可操作性。許多國外的高校已經在教育中應用新型的教育模式，如SPOC（small private online course）、STEM（science, technology, engineering, and mathematics）等。SPOC由加州大學伯克利分校的Fawkes Armand教授提出和使用[5]，并相繼在哈佛大學、加州大學伯克利分校、麻省理工學院等高校進行實驗并推廣，取得了明顯的成效。又例如STEM教育源于美國，是科學、技術、工程和數學4門學科的簡稱，其強調多學科知識的交叉融合，以此培養學生創新性思維、工程性思維以及綜合學習能力等[6]。

在我國，浙江大學計算機科學與技術學院于2014年開始嘗試采用SPOC的方式來輔助課程。隨后天津大學、清華大學都相繼在教學中嘗試運用SPOC的教學方式。近期清華大學研發了“雨課堂”這一教學工具，并將其應用到教學中，期望以此形成一種新型的教育模式。學生使用“雨課堂”這一工具可以實現課前預習、課上互動、課后復習等功能。這種教育模式的主要思想是，通過在課上設置限時習題來提高學生課堂的注意力，使用彈幕、課堂簽到等方式來提高課程學習的趣味性以及學生的參與度，而課前課后推送的學習資料可以讓學生更加自主的學習；“雨課堂”也會為教師提供一定的反饋數據，并通過圖形化方式展示，使教師對學生的學習情況有一個總體的了解[7]。

我們可以看到，世界頂尖大學不斷在教學中嘗試新的教育模式，更加強調學生完整、深入的學習體驗，重新定義了教師的作用，并取得了顯著的效果。相比之下，我國高校在教學方式轉變方面起步較晚，而且對新型的教育模式有一定的排斥心理，因此許多高校在嘗試教育模式改變上并未取得顯著的成效。

游戲化教育其實已經不知不覺地進入到我們的生活，例如手機中的看圖猜成語、看圖識別知識等游戲都是運用了游戲和知識相結合。北京師范大學石中英教授認為：“從一定意義上說，教學活動中游戲狀態的缺乏是造成教師厭教和學生厭學的一個主要原因。游戲的精神應該滲透到教育活動的方方面面。”[8]

游戲化的思想已經成功地運用到了課堂中。在國外，PeerWise平臺就是一個非常成功利用游戲化元素輔助學習的例子[9]。PeerWise是一個在線的交流學習平臺，學生可以在這個平臺上提出自己的問題（通常是選擇題）并設置正確答案，然后由其他學生進行回答，回答的學生將能夠立刻獲得答題的反饋。新穎的地方是PeerWise推出了獎賞模式，答題的數目將會折算成學生個人的得分點數，完成任務就會得到對應的特殊徽章，并且通過排行榜的方式使學生對于自己的排名有著直觀的認識。這種機制會提高學生課后學習的參與度。文獻[10]展示了利用游戲化教學的模式教授“if判斷語句教學”，游戲化學習主題為“和計算機一起玩剪刀石頭布”，幫助學生更好地掌握計算機程序設計中的主要思想，實驗結果顯示接受了游戲化教學的學生在本知識點的掌握程度要高于平常教學的學生。

2 課堂變得“智慧”的必要性

改變傳統的教育模式，將其變得更加靈活和更具有吸引力，最終提高教學質量，是我們一直追求的目標。而探索新的教育模式并不意味著“見好即入”，不是所有看起來“高大上”的新事物都要加入到教學當中，要結合自身的實際情況，吸收國內外先進的教育理念（如STEM教育、創客教育等），再針對學生目前學習情況加以改變，使得個性化的教學不再僅是說說而已。這對未來的教學改革有著先驅探索性的意義。

通過消化吸收MOOC、翻轉課堂等新型教育模式，創新高校教學、管理模式，在教學中不斷發展符合自身教學特點的教育模式是很有必要的，但找到這樣的教育模式并不是一件輕松事，任何教育模式都需要經歷實踐的考驗，只有適應時代發展并充分滿足人們需求才能被人們認可。在新型教育模式上的不斷嘗試是不可或缺的，具體可以從3個方面體現：

1）以需求為導向，實現個性化教育。

在過去的幾年中，互聯網技術已經廣泛而深入地在各個領域普及，教育方面也不例外，針對學生的學習需求，定制個性化學習策略，進行個性化學習輔導等將是未來教學的趨勢，不分情況“填鴨式”教學注定會被淘汰。通過“課上課下一體化”的學習，獲取學生的課上行為數據（即需求）并進行數據分析，將學生的課上行為數據應用于課下學習，如推送與課上未理解知識點相關的習題，做到真正理解學生的學習需求，使學生有針對性地進行學習，從而形成個性化的學習路徑，最終形成基于需求的個性化教育空間，實現因材施教。

2）從知識到思維。

無論是何種教育模式，其最終目的都是為學生提供學習思維而非刻板的知識。我們需要考慮通過創新教學方式，在為學生提供知識的同時傳授他們學習思維，針對學生的不同性格特征進行有側重的培養，培養學生在不同情境下的學習和解決問題的能力。通過課上課下一體化的模式，來實現提高學生的課堂參與度、學習積極性及學習效率、解決教師與學生之間交互反饋問題以及提高學生的自我認知與自我效能的目的，實現由知識到思維的轉化。使學生可以了解自己的學習興趣，形成自己的個性化學習體系。為學生營造出合作競爭、參與、反饋的學習環境，并通過由此形成的個人學習路徑塑造學習思維導圖，幫助學生進行高效的學習，進一步培養學生創新性思維及發現問題、解決問題的能力。

3）為學生提供多樣化的學習模式。

傳統的教學方式是教師講授知識、學生學習知識，教師與學生之間缺乏有效的交流。而隨著在線教育和新的課堂教學模式的發展，在未來10年左右，全球可能只會有15%左右的人還在以這種傳統的方式進行學習，而其余的85%非傳統意義上的學習者，他們需要的是更加優質、有針對性、個性化、靈活多樣的學習體驗[11]。例如目前十分熱門的翻轉課堂、微課程、SPOC及MOOC等都是由于此類非傳統意義上的學習者數目不斷增加而更加火熱壯大。我們需要做的，就是以此為出發點，通過改善當前傳統教學環境上的不足，為學生提供有別于過去的學習體驗，并且更加具體和個性化，豐富學生的學習選擇。

3 智慧課堂教學實踐

為了實踐智慧課堂教學是否可以為學生帶來積極作用，我們在吉林大學的網頁設計課程中進行了一個學期的實驗。課上學生任意地發送彈幕和記錄自己不懂的知識點，課下每個學生針對自己課上所學知識選擇自己的學習路線。同時，我們對期末考試的方式也進行了改變，在課下的游戲化平臺上，每個學生通過選擇期望的期末成績作答相應難度的試卷。例如，選擇80分的試卷，學生將會得到80分難度的試題，如果想提高自己的分數，則需要通過加試題目來獲得90分。我們將課上、課下和期末考試與互聯網相結合，提高了學生的課堂參與積極性，讓學生在學習的同時也享受游戲的樂趣。

3.1 智慧教學的具體目標

網頁設計課程是一門校選課，它對全校所有專業的學生開放，希望通過一系列新型的師生互動方式，提供針對學生課上提出問題的反饋，并將課上數據結合到課下的學習中，形成連通課上課下學習的模式。該教育模式的主要目標包括以下3個方面：

1）最大化激發學生的學習熱情。

該模式課上通過發送彈幕、搖一搖等交互方式，課下通過結合游戲化的闖關答題模式，提高學生的課堂參與度，調動學生的學習積極性。課上的實時反饋可以及時解決學生學習過程中遇到的問題，而不會因為某個問題影響后續的學習，并且能夠為學生進行知識推薦，為拓展學習提供了指引。課下游戲化的學習利用闖關的游戲方式，使學生在自由選擇感興趣題目的同時，既解決課上未吸收的知識點，又對學生的選擇和答題結果進行實時分析，為學生提供學習效果的反饋和下一步的指導，使學生更高效、更富有趣味性地學習。通過課上課下結合的模式最大化激發學生的學習熱情。

2）轉變教師的教學理念。

該模式通過將學生課上課下學習行為反饋給教師，使教師對學生學習動態有所了解，從而有利于充分挖掘學生的興趣愛好及學習需求。在教學實踐中根據學生學習行為反饋不斷對課程進行改進，調整課程結構以適應當前階段的學生學習情況，并由此形成一套完整的教學思維，而不再是將教學技能簡單地混合使用。形成針對某門課程、某些學生的教學路徑，對課程體系擁有一個整體性的把握，并根據教學實踐不斷調整課程內容，教學方法以及教學思維等。

3）自主學習，因材施教。

通過在教學中應用這種教育模式，我們期望教師能形成自己的教學路徑，學生形成自己的學習路徑。通過營造合作競爭、參與、反饋的教育環境，使師生在實時交互中及時解決學習問題，讓學生能夠更好地自主學習。針對學生不同的學習特點，制定相應的學習方案，使學生形成個性化的學習空間。期末考試方式的改變，更能適應不同學習程度學生的不同選擇，不必再為未知的考試而擔憂。

3.2 智慧教學的知識模塊設置

智慧課堂的核心思想是讓學生課上及時提出問題、解決問題，在課下時段對課上的疑惑知識點以游戲化的輕松形式進行解答和強化，最終解決疑惑問題并提高學生的自信和積極性。具體的知識模塊設置如圖1所示。

圖1 智慧課堂教學模塊流程

（1）彈幕提問：學生在課上如果遇到產生疑惑的地方就將問題以彈幕的形式發送到教師的屏幕上，該屏幕將會被投影至課堂前方，每個問題教師和其他學生都可以看到。

（2）彈幕反饋：當其他學生看到問題時，可以用彈幕的形式對于問題做簡短的解答，學生可以通過這種方式進行討論。

（3）記錄不懂知識點：當學生對某處知識點產生疑惑并且不能在短時間內解決時，可以搖動自己的手機，此時教師正在講解的知識點就會被記錄下來，課后提示學生并在平臺進行詳細講解。

（4）知識點復習：課下通過平臺為學生提供本節課所有知識點的講解和習題，著重推薦他們在課上記錄的產生疑惑的知識點。

（5）知識點強化關卡：學生可以選擇自己的作業，每個關卡都會帶領學生進入不同的學習路線，讓學生能夠對本節課的知識進行鞏固掌握。

（6）獎勵：在不斷學習、不斷通過關卡的同時，根據學生的學習行為，他們將會獲得相應的獎勵，例如得分和徽章。學生學習的過程也是他們在“教學地圖”中闖關游戲的過程。

（7）提高自信：學生通過游戲的闖關環節，解決了課上問題，同時獲得榮譽徽章，提高了自信心。

4 結 語

通過調研國內外智能設備結合教學的教學模式，發現這些教學模式可以令學生的上課積極性有所提高，并且學生通過游戲化的方式學習知識的效率較高。目前，課上課下相結合的智能教學模式并不常見，利用課上收集學生的問題，課下來針對相應知識點強化訓練，是一種很好的教學模式，希望未來有更多的高校可以應用在自己的課堂教學中，將課堂教育做得更好，為學生創建“智慧”的課堂。

[1] Thompson C. How Khan academy is changing the rules of education[J]. Wired Magazine, 2011(126): 1-5.

[2] Kaplan A M, Haenlein M. Higher education and the digital revolution: about MOOCs, SPOCs, social media, and the Cookie Monster[J]. Business Horizons, 2016, 59(4): 441-450.

[3] Gee J P. What video games have to teach us about learning and literacy[J]. Computers in Entertainment (CIE), 2003, 1(1): 20.

[4] Joyce B R, Weil M, Calhoun E. Models of teaching[M]. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1986.

[5] Fox A. From moocs to spocs[J]. Communications of the ACM, 2013, 56(12): 38-40.

[6] Sanders M E. Stem, stem education, stemmania[J]. Technology Teacher, 2008, 68(4): 20-26.

[7] 清華大學.混合是教學工作坊-雨課堂傳授玩轉課堂新妙招[EB/OL]. [2016-03-29]. http://www.edu.cn/xxh/focus/xs_hui_ yi/201603/t20160329_1381267.shtml.

[8] 石中英.教育哲學[M]. 北京: 北京師范大學出版社, 2007: 73-76.

[9] Denny P, Hamer J, Luxton-Reilly A, et al. PeerWise: Students sharing their multiple choice questions[C]//Proceedings of the fourth international workshop on computing education research. ACM, 2008: 51-58, Sydney, Australia.

[10] 南京銀城小學.“游戲闖關”是寓考于樂的“素質測試”[EB/OL]. [2016-01-08]. http://comment.dbw.cn/ system/2016/01/08/057029071.shtml.

[11] 愛頭版在線教育. 展望未來教育的發展趨勢[EB/OL]. [2016-03-26]. http://mt.sohu.com/20150326/n410378987.shtml.

（編輯：彭遠紅）

1672-5913(2017)02-0010-04

G642

吉林省高等教育教學改革立項課題“面向交叉學科的大數據教育研究與實踐”（吉教高字[2015]46號）；教育部大學計算機課程改革項目子課題“大數據時代以計算思維能力培養為核心的數據處理與數據分析課程建設研究”（2-8-DJG-1-1）。

徐昊，男，副教授，研究方向為計算機教育與知識管理， xuhao@jlu.edu.cn；

黃嵐（通信作者），女，教授，研究方向為數據挖掘與商務智能， huanglan@jlu.edu.cn。