如何構建智慧課堂

鐘紹春 鐘卓 張琢

[摘? ?要] 盡管人工智能等技術在課堂教學中已經規?；占皯?，但到目前為止，還沒有真正給課堂教學帶來層次深、規模大、范圍廣的革命性改變。文章對智慧課堂相關研究做了梳理和分析，討論了智慧課堂構建的方向與思路，分析了課程量化目標、課堂教學組織結構、教與學路徑、教與學活動實施方法以及質量評價體系等影響智慧課堂構建的主要因素。提出了從知識和能力兩個境界，由課程目標、知識點分級組織體系、知識點間關聯關系和知識點內容，以及能夠衡量知識點掌握與相應能力形成程度的量化評價體系等組成的課程圖譜結構模型。提出了基于內核問題/任務與知識點、能力點關聯關系的知識及能力體系建模方法，以及基于過程和結果數據建立學習畫像的方法。從課堂教學組織結構樣態創新、教與學路徑優化和教學活動實施難點破解三個層面，分層次討論技術支持下的課堂教學方法創新途徑。

[關鍵詞] 智慧課堂; 課程圖譜; 學習畫像; 學習路網

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] 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、人工智能和數字化學習環境研究。E-mail：sczhong@sina.com。

一、智慧課堂發展現狀與問題分析

隨著5G、人工智能、大數據、“互聯網+”和AR/VR等技術的快速發展，以及移動學習終端設備的大規模普及應用，智慧課堂也應運而生，給課堂教學帶來了前所未有的沖擊和改變。特別是在人工智能強勢發展的大背景下，很多區域都加大了投入力度，部分市區縣甚至一次性投入數億、數十億的資金建設智能教育系統。政府部門的高度重視，對于教育信息化的發展是非常有意義的[1]。然而，盡管人工智能等技術在課堂教學中已經規模化普及應用，但到目前為止，還沒有真正給課堂教學帶來層次深、規模大、范圍廣的革命性改變[2]。

各地在開展智慧課堂構建活動時，大多數領導和教師都寄希望于在購買智慧教室等設備基礎上，通過設備的操作性培訓后，就能夠直接帶來課堂教學的革命性改變。但事與愿違，從當前大多數實際應用的效果來看，智慧教室的主要作用是為師生提供了便利的手段。有很多應用時間比較長的教師普遍感覺到智慧教室在教學中的應用與學生學習質量提升的相關性很小。那么，問題究竟出在哪里呢？難道說這些智能教學系統對于學生學習質量的提升真的沒有作用嗎？人工智能等技術就真的不能帶來學生學習質量的革命性改變嗎？

事實上，出現這一問題的根本性原因不是人工智能等技術真的不能帶來學生學習質量的革命性改變，而是很多教育管理部門和學校負責人、教師簡單地將智慧教室及其應用等同于智慧課堂，對智慧課堂的認識出現了偏差[3]。

從目前各地建設的實際情況看，大部分資金主要投入到智慧教室等環境建設中。而當前購買的PAD智慧教室，主要功能是課堂互動教學基本支持、課堂練習發布與答題、成績統計分析及相應微課學習等功能[4]。

從學生學習角度看，教師的備課、課堂教學及作業批改等，不論便捷性多么好，還是效率多么高，都不可能等同于學生的學習是高質量的。當前絕大多數所謂的智慧課堂，還沒有真正全面、徹底地解決學生學習過程中所遇到的各種瓶頸性問題，這些正是導致很多問題出現的根本原因。

二、智慧課堂構建方向與思路

智慧課堂是課堂教學的一種高級形態，是指教師組織、引導和指導學生，在智慧教室中，基于云平臺和網絡學習空間，充分利用智慧教學和學習系統等信息化環境，所開展的能夠有效解決課堂教學中存在的瓶頸問題的教學和學習活動。它的基本特征是聚焦課堂教學問題的解決，動態捕捉學生的學習結果和方式數據，實時分析個體和群體學生學習情況，構建反映學生學習情況的知識與能力體系，并建立學習畫像;根據個體和群體學生的學習情況，篩選和優化教學與學習路徑，精準調控教學活動安排，并提供深層次理解、體驗和探究知識的工具、套件和學習路網資源;根據學生個性學習畫像，引導學生個性化學習;全面、系統分析學生、班級、教師、教研組、年級等總體情況以及信息化教學應用情況等。

（一）智慧課堂構建方向

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

在課堂教學中，制約學生學習質量提升的瓶頸問題是多種多樣的。對于不同的學生而言，可能存在的瓶頸問題也不盡相同。比較典型的瓶頸問題有：在課堂教學中沒有很好地幫助學生搞清楚知識產生的緣由，或者說，即便是試圖幫助學生搞清楚知識產生緣由，但實際上往往并未真正給學生闡述清楚，即缺乏學習邏輯;在課堂教學中沒有很好地幫助學生建立起知識之間的關聯關系，即便是已經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，學生很難形成完整的學科知識及相應的應用能力體系;對于疑難知識，缺乏幫助學生理解和探究疑難知識的有效支撐手段，導致學生逐漸失去學習興趣和信心;在課堂教學中無法根據學生個性特點，幫助學生安排適切的教與學路徑開展學習活動;在課堂教學中無法根據學生適切的教與學路徑，幫助學生找到最佳教師和學伴完成學習活動;在課堂教學中無法幫助學生實時、全面、精準掌握學習狀況，并以迭代優化的方式完成個性化學習活動等。

因此，智慧課堂應針對課堂教學普遍存在的瓶頸問題，在人工智能等技術條件下，從課堂教學有效組織結構與樣態、課堂教與學路徑，以及課堂教學活動實施新思路和新方法等方面進行創新和重構，并建立與之相適應的課堂教學智能支撐環境和智慧教學資源，進而全面、系統、高質量地解決存在的課堂教學問題。

（二）智慧課堂構建思路

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教學條件下，課堂教學到底遇到了什么困難，出現了哪些問題？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，選擇合適的教學資源、工具和支撐系統等，有針對性地開展信息化教學應用。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]，應用人工智能等技術建立相應的有效智能支撐環境和智慧學習資源，并在教與學活動中加以有效應用。

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

在應用人工智能、大數據、5G、“互聯網+”和AR/VR等技術構建智慧課堂的過程中，應堅持以下基本原則：（1）應以學生品行修養、學業能力、強健體魄、陽光心態和溝通合作等方面的能力培養和素養形成為目的;（2）應著重解決課堂教學中普遍存在的知識產生緣由不清楚，知識之間關聯關系模糊，疑難知識難于理解和探究，無法因人而異進行教學，難以獲得最佳教師和學伴，難以實時、全面、精準掌握學習狀況等課堂教學瓶頸問題;（3）應著重通過教學創新與重構的途徑來構建智慧課堂，建立課程教與學質量量化標準，優化有效教與學路徑，形成教與學情況數據采集規范，建立5G、大數據、人工智能條件下的學習結果、學習過程與行為等教與學情況智能感知環境，動態采集教與學數據，實現教與學數據融合互通，為實現教與學創新提供精準數據支持;（4）應充分應用5G、大數據、人工智能等技術，通過迭代優化，分類創建線下和線上教師相結合的有效教與學的組織結構樣態，最大限度地將區域及學校優質教師資源合理、均衡、優化配置;（5）應充分應用5G、大數據、人工智能等技術，建立有效的學習路網資源，為每個學生建立精準畫像，構建學生學習情況準確判定、學習路徑合理引導、學習路網資源精準匹配、教師精準調控課堂教學活動的“人網融合”的有效教與學新模式，實現學生精準學習和教師智慧教學;（6）應針對移動學習終端、多媒體交互教學設備、MR教室、數字紙筆教室及“互聯網+”互動教學環境等，充分應用5G、大數據、人工智能等技術，從教學組織形式、教學活動類別和教學階段等方面分類、分層次構建有效的教與學新模式。

總而言之，要想在人工智能等技術條件下，構建真正意義上的智慧課堂，就必須對教與學活動中可能存在的瓶頸問題做系統分類、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、工具和系統應用于教與學活動中，只有這樣，才可能真正在智能技術條件下構建出智慧課堂。

（三）智慧課堂構建影響因素

智慧課堂的首要影響因素就是課程教學目標與內容。能夠量化的課程教學目標與內容，直接影響著學生課程學習質量水平和學科素養體系形成程度的評測，它是學生學習與教師教學情況數據采集的依據，是智慧課堂構建的基礎。

課堂教學和學習問題的系統、準確診斷，直接決定著課堂教學路徑與方法的選擇，直接影響智慧課堂構建的效果，是影響智慧課堂構建的第二個因素。

在智能技術條件下，針對課堂教學存在問題尋找破解思路與方法，并根據群體學生學習情況數據和教師教學情況數據，篩選教與學路徑，優化教學活動安排，動態調控教與學活動，是課堂教學質量提升、構建智慧課堂的根本，是影響智慧課堂構建的第三個因素。

此外，課堂教學中所選擇的教學資源、學科教學工具、教學系統與教學終端環境等，直接決定著智慧課堂構建的效果。教師的信息化教學能力，以及學生課程學習基礎與所形成的學科素養水平等，也是影響智慧課堂構建的關鍵因素。

三、基于課程圖譜的知識與能力體系建構

課堂教學的目的是讓學生學會知識，形成相應的問題解決能力，并以課程為載體提升創新思維能力和綜合素養等。課程圖譜是課程學習的目標，也是評測教師教學和學生學習情況的量化依據。學習畫像則是知識與能力體系等建構情況的有效呈現手段，是學生課程學習水平和課程學習規律的綜合體現。它是在依據課程圖譜所采集的教與學過程和結果數據的基礎上，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構模型、能夠反映學生知識與能力體系建構情況的課程學習畫像等展開討論。

（一）課程圖譜結構模型

課程的基本構成應包括課程目標、課程結構、課程內容、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構組成的，其中的每一門具體課程都有其明確的目標和內容。下文在討論課程圖譜相關問題時，限定在一門具體課程上。

1. 課程圖譜結構模型基本構成

一門具體課程的圖譜應至少包括課程目標、知識點（片段）集、知識點（片段）分級組織體系、知識點（片段）間關聯關系和知識點（片段）內容，以及能夠衡量所有知識點（片段）掌握和相應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）內容，以及能夠衡量所有知識點（片段）掌握和相應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，課程目標大多數是通過定性且籠統的語言來描述的。這種做法不僅很難實現量化評測，而且學習目標導向性也不是很明確。課程內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出來，并配以典型例題、練習和作業等。無論是教師還是學生，都希望在教材的基礎上，能夠將課程的知識體系和應當形成的能力體系以定量方式清晰地呈現出來，即給出完整的課程圖譜。然而，在常規條件下，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當形成的能力體系完整地呈現出來。

智能技術的快速發展，為這些問題的解決提供了切實可行的支撐條件。但要想在智能技術條件下，將課程圖譜以定量的方式呈現出來，并基于量化的課程圖譜將學生所建構的知識體系及相應的能力體系以可視化的形式完整呈現出來，就需要構建課程圖譜的定量結構模型。

2. 課程圖譜定量結構模型

一門具體課程C的課程圖譜的定量結構模型可形式化表達為：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、分類組織結構，諸如章節等。R_K是所有知識點（片段）間關聯關系集，知識點之間可能存在先后順序關系，也可能沒有任何關聯。因此，所有知識點間的關聯關系可能是一張有向圖（網），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）），對應任意一個知識點（片段）ki，它與其他知識點（片段）間的關聯關系R_K（ki）可表示為：R_K（ki）=（F_ord（ki），P_ord（ki）），其中，F_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）學習水平的量化依據。能力層面是通過一組內核問題/任務體現的，而知識層面則是指與能力層面的每類問題/任務相對應的策略與方法、基礎知識，以及知識點（片段）之間的關聯關系等。

（二）支持知識與能力體系建構的知識點（片段）量化圖譜

評測學生課程學習的實際水平，應從對知識體系的學習，以及在知識體系基礎上所形成的各種問題解決能力和創新能力等方面進行。在評測過程中，需要注意的一點是，從教學目標角度看，并非所有知識點（片段）的學習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的能力體系可能的建構層次做合理區分，以便對教學活動的安排和評測層次有更好的把握。

1. 學習境界與層次劃分

總體上看，學習可分為兩個境界：一個是知識學習境界;另一個則是能力境界。根據學習程度要求不同，知識境界可分為記憶和理解兩個層次，它是學習的基礎性目標。能力境界則是在知識學習境界的基礎上，進一步形成問題解決能力、創新性思維能力和課程綜合素養，它也是學習的最終目標。根據問題/任務的復雜性的不同，能力境界可以分為應用、分析、綜合、評價和創造五個層次。應用是指能夠直接應用知識解決問題的能力;分析是指要對問題做剖析和轉化后才能夠應用知識解決問題的能力;綜合則是指要對問題做剖析、分解和轉化后才能夠應用知識解決問題的能力。應用、分析和綜合這三個層次，都是以知識為基礎形成問題的解決能力。評價是指學生能夠對所學知識和所形成的能力做系統梳理總結、判定自己實際水平的能力;創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設為0，變成ax2+bx+c=0;二是將y設為dx+e，即方程式變成ax2+bx+c=dx+e;三是將y設為dx2+ex+f，即方程式變成ax2+bx+c=dx2+ex+f。

對應五個層次的內核問題/任務，從大的類別上看，記憶和理解兩個層次的問題/任務可以劃分為一個維度，應用、分析和綜合三個層次的問題/任務可以劃分為一個維度，而評價和創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、任務及專項活動等來完成。而具體的問題、任務或專項活動，則是需要給出內核類別的。

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的記憶類內核問題及與知識掌握程度間的關系，U_s（Ki）表示知識點（片段）Ki的理解類內核問題及與知識掌握程度間的關系。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）分別代表應用、分析、綜合、評價和創造五個層次的內核問題/任務及與能力形成程度間的關系。每個能力層次又分為多種情況，即Cond1，Cond2，…，Condn。

因此，當確定一個問題/任務后，應針對該問題/任務給出（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。當所有能力層次的每一種情況都確定了內核問題/任務后，課程圖譜的建立工作也就完成了。

上面關于知識點（片段）Ki的課程圖譜C_T（Ki）的建立，主要是利用內核問題/任務來完成的。除了以內核問題/任務來建立課程圖譜外，還應當按照知識和能力兩個境界，建立完整的知識體系。完整的知識體系應包括基本知識體系和應用知識體系兩個部分。基本知識體系主要根據知識境界的兩個層次建立，而應用知識體系則是依據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），它的應用知識體系可表示為A_K（Ki）。K_sys（Ki）=（B_K（Ki），A_K（Ki）），其中，應用知識體系A_K（Ki）對應每一個層級Levj的每一種具體的問題情況Cond，都有相應的解決方法和策略， 可表示為：Cond={（M1，M2，…，Mk）， App_S， Tra_S， Dis_S}，其中，M1，M2，…，Mk是指對應問題情況的解決方法;App_S、Tra_S、Dis_S分別是應用策略、轉化策略和分解策略。

只有按照上述方法建立課程圖譜，才可能建立起課程學習的量化目標和評價指標，課堂教學才真正做到基于數據安排和調控教與學活動，實現智慧教學和智慧學習。

（三）課程學習畫像構建

1. 課程學習畫像主要構成要素

課程學習畫像是指學生在課程學習過程中所形成的問題解決能力及相應的知識體系，通過課程學習形成的創新思維能力與綜合素養，以及課程學習中所表現出來的課程特有的認知能力和興趣偏好等方面的特征，主要構成要素包括課程能力體系、課程知識體系、課程素養體系和課程學習特性等。

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，通過課程的學習，學生已經完成的知識體系建立程度和能力體系形成水平。對應到每一個知識點（片段），學生的能力體系分為應用、分析、綜合、評價和創造五個層次。其中，應用、分析、綜合是反映學生運用知識解決問題和完成任務的能力。學生的能力體系形成情況，可以通過五個層次的內核問題/任務來完成相應的檢測。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生所建構的、對應五個能力層次的方法和策略等方面的知識，以及與之相關聯的基礎性知識。對于基礎性知識以及僅是想獲得學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。

課程學習特性是指學生在課堂教學、實習實訓、項目研究、論文撰寫等學習活動中所體現出的知識學習、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. 課程學習畫像計算建模

由于課程學習畫像是由課程能力體系、課程知識體系、課程素養體系和課程學習特性等主要要素構成，因此，應通過分別研究這些要素的建立方法來完成課程學習畫像的建立。課程學習畫像任意方面內容的建立，都需要利用學生學習結果和過程數據，通過計算建模完成。

因此，課程學習畫像建立的首要任務是學生學習結果和過程數據的獲取。在不同的教育階段，能夠獲得學生學習結果和過程數據的途徑與方式也不盡相同。在中小學教育階段，學生的學習結果數據主要是由課堂練習、作業和考試完成情況，以及各類與課程相關的專題學習活動參與情況等數據構成。而職業教育、高等教育階段的學生學習大數據，除了課堂練習、作業和考試完成情況外，更關注的是學生在課程項目、實習實訓、課程設計及畢業論文等方面的完成情況。

學生的學習過程數據獲取方式，不論是哪一個教育階段，都是通過采集學習過程相關數據完成的。重點采集的過程數據應包括教學組織結構、教與學路徑安排、教與學活動實施方法以及教與學活動實施支撐條件、資源等方面信息。

在獲取學生學習結果和過程數據之后，接下來的任務是利用學習結果和過程數據，通過計算完成課程學習畫像不同內容的實際情況建模。要完成建模工作，除了獲取學生學習結果和過程數據以外，還需要做一定的基礎工作。最關鍵的基礎工作是將能夠檢測能力和知識水平的問題、任務及專項學習活動等，與知識點（片段）及相應能力點、課程素養點等建立關聯關系，并給出關聯程度?；跈z測問題、任務及專項活動等的完成情況數據，以及檢測問題、任務及專項活動與知識和能力體系、素養體系等的關聯關系，就可以通過計算建模完成知識點體系及相應能力體系，以及素養體系的建構。

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，對應到知識體系知識點（片段）Ki的知識體系建構，就應當對應R_mem（Ki）和U_s（Ki）兩個層次來設計，每個層次的計算建模依據應當是同層次問題/任務的完成情況、問題/任務與該層次知識的關聯度，以及以往同層次問題/任務的計算建模結果。對應到知識體系知識點（片段）Ki的能力體系建構，則應當對應App_L（Ki）、An_L（Ki）、Syn_L（Ki）、Ev_L（Ki）、Cr_L（Ki）五個層次來設計，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、課堂教學方法創新途徑

課堂教學方法涉及教師和學生間的組織結構、教與學路徑安排和每一個教學活動實施方法與策略等多個層面。不同層面可創新的方向和做法不盡相同，因此，教學方法的創新需要分層次進行。下文，從課堂教學組織結構創新、教與學路徑優化和教學活動中難點破解途徑三個層面，分別討論人工智能等技術條件下的課堂教學方法創新途徑。課堂教學結構組織樣態屬于宏觀層面，教與學路徑屬于中觀層面，教學活動實施屬于微觀層面。

（一）課堂教學組織結構樣態創新途徑

課堂教學組織結構樣態是指課堂教學過程中，教師和學生之間的組織結構關系。這種組織結構關系受到教學環境、可利用的教師情況和學生情況等因素影響。

一般情況下，教室中只能安排一個教師。教師的教學能力水平直接決定著班級整體教學的質量。但是，無論是好的學校，還是差的學校，教師之間永遠存在差異。在任何學校的教師群體中，優秀教師比例都是較低的。特別是在偏遠落后的農村學校，某些課程甚至沒有能夠勝任教學工作的教師，這種常規條件下的課堂教學組織結構樣態是很難打破的。因此，如果沒有其他途徑的話，教學質量的大幅度提升相對而言是難以實現的。

人工智能等技術的快速發展和普及為課堂教學組織結構樣態的創新提供了新的機遇和支撐條件。這種課堂教學組織結構的創新，主要有兩種途徑：一是通過網絡視頻互動教學平臺，將優質教師引入課堂教學，與任課教師聯合完成課堂教學活動，或者建立網上互動課堂，教師和學生在網上完成教學活動;二是建立虛擬教師，通過虛擬教師將最優秀的教師教學智慧按照教師教學和學生學習的需要，引入課堂教學中。未來課堂教學組織結構樣態的創新，應當朝著任課教師和虛擬教師融合供給教育服務的方向發展。

建立虛擬教師，涉及教與學引擎（智能導引）、課程圖譜、學習路網、智能答疑、學習情況感知、學生學習情況建模分析、教師教學情況分析、迭代訓練等方面內容。其中，教與學引擎，要能夠根據群體學生學習大數據，規劃、篩選和優化教與學路徑，為任課教師推薦教學路徑，為學生推薦學習路徑，并按照教與學路徑的需要，幫助教師選擇合適的教學資源和工具，引導學生利用學習路網進行個性化學習。

課堂教學環境直接影響課堂教學的組織樣態，主要分為面對面教學和網絡互動教學兩大類型。面對面教學環境又分為常規教學環境、多媒體教學環境、PAD等智能終端教學環境、AR/VR教學環境等。網絡教學環境又分為專遞課堂、雙向互動課堂、網上直播教室等。

（二）教與學路徑篩選及優化途徑

理論上講，一節課可能的教與學路徑很多。例如：一節課有10個教學活動，每一個活動有3種做法，那么，一節課可能的教與學路徑就有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路徑全部上一遍課之后，再篩選最佳的教與學路徑。

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

因此，教與學路徑的篩選和優化，就需要在三種基本教與學方式框架下，按照一定的策略做合理的限定，大幅度刪減可選擇教與學路徑集合，再通過實踐進行比對篩選。在對可能的教與學路徑集做了大幅度刪減的情況下，就需要通過教與學情況感知系統，全程獲取學生學習情況數據、教與學活動過程數據。利用學習結果和過程數據，通過知識和能力計算建模分析，以及班級群體學生總體學習情況分析等，完成教與學路徑的比對和篩選。應當針對群體學生實際學習情況、教師教學水平和教學內容特點，分層、分類篩選出優化的教與學路徑集，給出每一個教與學路徑適合的學生群體、教學內容和教師水平等。幫助學生實時、全面、精準掌握學習狀況，并以迭代優化的方式完成個性化學習活動。

（三）教與學活動實施策略及方法創新途徑

在明確了課堂教學組織結構和教與學路徑后，就已經確定了課堂教學的具體活動。在這種情況下，需要進一步研究的是每一個具體的教學活動如何更好地完成，這直接決定著課堂教學的質量。

在這一層面，需要梳理出教與學活動類別、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、系統和終端環境等。應著重利用人工智能和虛擬仿真技術，研發知識深度理解工具、問題體驗探究工具。諸如實驗教學所需要的原理理解、體驗式交互操作、交互式仿真探究等虛擬教學工具。在開發教與學活動支撐工具和資源時，應以問題解決為導向，以有效破解問題的新思路和新方法為統領。

在具體的教與學活動實施過程中，可能存在的問題是多種多樣的。比較典型的問題主要有：缺乏知識的學習興趣、缺乏知識的學習邏輯、缺乏易于理解和探究知識的有效支撐手段、難以根據學生適切的教與學路徑找到最佳教師和學伴等。缺乏知識學習邏輯問題出現的原因，一方面是沒有很好地幫助學生搞清楚知識產生的緣由，或者說，即便是試圖幫助學生搞清楚知識產生的緣由，但實際上往往并未真正給學生闡述清楚;另一方面是沒有很好地幫助學生建立起知識之間的關聯關系，即便是已經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，學生很難形成完整的學科知識及相應的應用能力體系。因此，解決學習邏輯問題，一定要先研究清楚知識產生的緣由和與其他知識的關系，再應用技術支撐知識的學習。對于缺乏易于理解和探究知識的有效支撐手段問題，則需要充分應用VR/AR等技術，開發學科工具和仿真實驗室等，提升知識學習品質。對于難以根據學生適切的教與學路徑找到最佳教師和學伴問題，則應充分利用全息影像技術建立學習路網資源，建立虛擬教師，人網融合供給優質教師服務。只有按照這樣的思路應用技術，技術的價值和作用才能夠真正顯現出來。

五、結? ?語

智慧課堂的構建，是在人工智能、大數據、“互聯網+”、物聯網和虛擬仿真等技術支持下，解決教學和學習瓶頸問題的全新途徑。但是，智慧課堂的構建，絕不是技術的簡單應用，而是課堂教學的變革與創新，是課堂教學的一場革命。因此，應牢牢把握以課堂教學問題解決為目的，以創新教學思路和方法為根本，以提供有效、便捷手段為保障，以全面育人為目標的基本原則開展構建工作，特別是應著重關注高素質和有創造力的人的培養。

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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