面向數學學科能力培養的智慧課堂技術應用行為分析研究 *

郭 炯，丁 添

(西北師范大學 教育技術學院，甘肅 蘭州 730070)

一、引言

智慧課堂是以發展學生智慧作為核心任務[1]，注重培養學生創造性思維、個性化學習能力等綜合素質[2]，是教師智慧教學和學生智慧學習順利開展的基礎條件。隨著人才培養模式的變革，智慧課堂逐漸轉變其服務宗旨，以培養學生核心素養，促進其終身發展為導向[3]。而核心素養是學生適應社會發展和終身學習的主要素養，其培養具有較高的抽象性，在教育教學實踐中難以具體操作。王磊等在探索知識經驗與能力表現聯系的基礎上提出，學科核心素養的實質是學生順利完成學習理解、應用實踐和遷移創新的學科認識活動和問題解決活動所形成的心理調節機制，即學生的學科能力[4]。因此，智慧課堂發展需要關注學生學科能力的培養，以智慧教學環境助推個性化教學和大規模教學相結合，實現教學的精準開展。核心素養導向下的學科能力精準培養即成為當前教學的核心目標，將學科能力培養貫穿教學目標設定、教學活動組織、教學評價開展等教學環節，從而提升教學精準性。

在人工智能、大數據等新興信息技術的支持下，智慧課堂提供培養學科能力的精準教學、個性化學習和適切性教學等服務，使得教學具有了決策數據化、評價反饋即時化、師生交流互動立體化、教學資源推送智能化等特點[5]。通過采集記錄學生過程性學習數據，教師熟知學生學科能力達成情況，從而制定精準教學目標、組織精準教學活動、開展精準教學評價[6]。以智能技術應用優化課堂教學為目的的教學實踐在不斷嘗試和探索，但其是否遵循智慧課堂教學的原則和核心任務，實現面向學科能力培養的精準教學目標尚待檢驗，對學科能力培養所發揮的作用仍需進一步分析探討。因此，本研究構建了面向學科能力培養的智慧課堂技術應用行為分析框架，聚焦一線教師智慧課堂應用行為進行分析，利用量化數據反映智慧課堂支持的學科能力培養，以及技術應用在學情定位、教學內容定制、教學活動開展、教學測評與反饋等環節的支持作用。

二、研究設計

(一)研究對象

本研究以某市“智慧課堂教學競賽活動”獲獎的30節小學數學教學視頻課例為研究對象，其中包括新授課、復習課、習題課等多種課型，教學內容涵蓋小學數學數與代數、圖形與幾何兩大主題，均關注學生學科能力培養。

(二)面向數學學科能力培養的課堂技術應用分析框架構建

1.智慧課堂教學原則及流程

智慧課堂是學生進行智慧學習的典型環境，是智慧教育的實踐載體[7]，將培養學生綜合能力的教學目標作為實現方式，通過創設情境、發布學習任務，讓學生在思考、運用、研究的過程中解決實際問題，從而實現創造性思維、綜合解決問題能力的培養[8]。在智慧課堂中運用智慧教學策略，有助于促進學生綜合素養和能力的形成，充分體現以學生為中心的思想[9]。劉邦奇等對智慧課堂教學體系總體架構進行研究，提出智慧課堂教學應遵循主體性原則、個性化教學原則和教學系統性原則[10]，認為在智能技術的幫助下，學生通過自主預習、即時檢測、提交學習任務等學習活動進行自主學習；教師根據學習情況制定個性化的教學方案，遵循以學習者為主體的原則；教學應以核心素養提升為根本宗旨，進行系統化設計與實施。在智慧課堂教學原則的指導下，有研究者構建了包括課前學情分析、預習檢測；課中探究學習、實時測評；課后微課輔導、反思評價等十個教學步驟的智慧課堂教學流程結構[11]。王月[12]、尹苗[13]等均以不同學科內容為例構建課前、課中、課后的智慧課堂教學模式，并強調智能技術在提供數字資源、創設學習情景、突破疑難問題、反思學習內容等過程中的作用。

根據以上對智慧課堂教學流程的分析，在智慧課堂教學中智能技術主要作用于教學流程的分析學生學情、提供數字化學習內容、開展各類課堂教學活動和教學評測四個方面。因此本研究將學情定位、內容推送、活動開展、測評反饋作為技術應用分析框架的一級維度，為確定具體觀察指標提供指引。

2.智慧課堂技術應用行為及作用分析

智慧課堂技術應用行為分析和技術在精準教學中的作用機理分析有助于確定框架一級維度下的具體觀測指標。當前課堂教學行為分析大多采用成熟分析框架，如弗蘭德斯互動行為分析系統[14]、基于信息技術的弗蘭德斯互動分析系統[15]、1:1數字化環境教學互動行為分析系統[16]等，主要圍繞教學互動行為[17-19]、教學話語交互行為[20]、教師肢體行為[21]等方面進行分析，雖然各分析框架的內容之間有所補充，但對課堂技術應用行為分析涉及較少，無法完全體現實際教學中的技術應用及其教學效果。另有部分研究構建了智慧課堂教學行為分析框架，以“技術—提問、技術—應答、技術—展示、技術—評價和反饋、技術—討論與協作、數據收集與呈現、實驗操作、技術—練習”等多種師生技術應用行為分析教學特征和優化策略[22]，或圍繞“教師講解、布置任務、糾錯評價、操控設備和使用傳統媒體”等維度探究教師智慧課堂技術應用能力[23]。可以發現，對智慧課堂技術應用行為分析的研究重點關注教師教學能力、技術應用行為結構、智慧課堂教學行為特征及效果等方面，對學科核心素養、學科能力培養的關注較少，待進一步討論分析。

智慧課堂技術在培養學科能力的各環節提供了不可或缺的支撐作用，顯現出學生問題診斷精準化、學習內容開放化、學習方式靈活化、學習反思實證化、學習成就多維化[24]等多種特征。卞金金等在構建智慧課堂學習模式時分析得到學情采集、資源共享、內容推送、學習分析、互動交流、反饋評價、通信互聯的智慧課堂七大技術特征[25]。在以培養學科能力為核心的智慧課堂教學中，學情數據采集、學情問題定位幫助構建指向學科能力的學習者畫像，精準把握學生學情。針對學生學情數據，聚焦學科能力缺失點，制定精準教學目標，開發使學生“心動”的數字化材料[26]，利用教學平臺的“資源推送”功能，為學生準確推送知識點微課、學科能力任務支架、設計學習問題導向的個性化學習方案，以此補充各學科能力層面缺失內容，解決學生的學習障礙。同時，教師根據學習者畫像組織課堂講授、分組討論、合作探究、隨堂問答等互動活動，將總結、概括、推理、說明、探究、設計等學科能力相關活動與智慧課堂相結合，及時記錄并呈現學生學習成果，對學生的認知觀點、課堂探究過程與結果、創意設計作品等進行評價。智慧教育對學生能力品質的真實測量和記錄也提出新訴求[27]，以此為導向的精準教學核心即是“以測輔學”。智慧課堂環境中開展隨堂測試，檢驗學生學科能力達成情況，收集學生相關測試數據，能夠輔助教師針對問題進行精準教學評價與反饋。

3.課堂技術應用行為分析框架構建

通過以上對智慧課堂技術應用行為和技術作用機理的分析，本研究參考已有研究提出的智慧課堂教學行為編碼體系，結合智能技術在培養學科能力教學中發揮的作用，對師生智慧課堂技術應用行為進行適當補充和歸納，提出學情分析、資源推送、教學內容展示、學習成果展示、隨機提問、任務布置、探究操作、資料搜集、在線討論與協作、成果分享、評價反饋、智能測試、在線互評等13種師生智慧課堂技術應用行為，作為框架的二級觀察指標，并將師生技術應用行為分別用T-Tn和S-Tn表示。

為了清楚地描述面向數學學科能力培養的智慧課堂技術應用行為，本研究具體分析了數學學習理解能力(觀察記憶、概括理解、說明論證)、實踐應用能力(分析計算、推測解釋、簡單問題解決)、創造遷移能力(綜合問題解決、猜想探究、發現創新)三個層面九個維度的外顯行為表現，并將“提取事物特征或屬性”“使用數學信息進行推理”“建立數學模型”“選擇問題解決策略”“設計探究方案”“評價探究結果”等數學學科能力外顯行為融入技術應用行為表述中，形成了面向數學學科能力培養的師生課堂技術應用行為分析框架，如表1所示。

表1 面向數學學科能力培養的師生課堂技術應用行為分析框架

續表1

(三)抽樣及編碼方法

本研究采用弗蘭德斯互動分析系統提出的按照確定抽樣頻率抽取視頻樣本進行編碼的方法，該系統采用的3秒一次的記錄方法過于繁瑣，有研究者基于弗蘭德斯互動分析系統提出了30秒記錄一次的觀察方法[28]，簡化記錄過程。本研究考慮到與師生言語互動行為相比，單個課堂技術應用行為所用時間較長，但30秒一次的記錄方法可能存在多個技術應用行為發生的情況，會同時產生多組行為序對，不便記錄，因此采用每15秒記錄一次的方法，觀察判斷15秒內師生是否有技術應用行為以及屬于哪類技術應用行為，并用相應的行為編碼進行標記，形成課堂技術應用行為的初始數據表。如表2所示，記錄了某一課例中的技術應用行為。

表2 技術應用行為初始數據表

數據表中每一行記錄了2分鐘內的行為樣本編碼，一共有21行，記錄了一節42分鐘的課堂教學技術應用行為數據。在原始數據表格的基礎上，將相鄰的兩個行為編碼依次組合成序對，如：(T-T9，T-T3)、(T-T3，T-T3)、(T-T3，T-T3)、(T-T3，T-T9)，以此類推，并統計每一個序對出現的次數，形成14類行為的14×14階行為遷移矩陣。根據遷移矩陣數據，使用課堂技術應用行為率(ST-Tn)量化分析智慧課堂教學的技術應用行為。課堂技術應用行為率的具體計算公式如下所示：

ST-Tn=Row(T-Tn)÷Total (1)

其中，Row(T-Tn)表示某列技術應用次數的加和，Total表示矩陣中所有技術應用次數的加和。

三、研究結論

對30個數學課例進行分析編碼后，按照課堂技術應用行為率計算公式獲得學情定位、內容推送、活動開展、測評反饋五個環節的技術應用行為率，并分析得到如下結論：

(一)學情分析技術應用初顯成效，對創造遷移能力分析不足

適切充分的學情分析能幫助教師精準掌握學生學科能力水平，深入了解學生原有心智模式，為教學活動中激活學生心智模式、反饋調節和優化新的心理認知模式提供基礎依據。從課堂觀察數據中看出，30節課例中教師均應用了智慧課堂功能進行學情分析，應用行為率在1%—10%不等，說明當前教師已開始逐漸利用客觀學情數據描繪學生學科能力水平，直觀反映學生學習困難，為教學起點的確定打下基礎。結合具體課例內容來看，教師對學生學情的考量多為再現長時記憶中的數學概念、重復既定的運算規則、分析計算簡單數學問題等，以課前或課中測試正誤率體現學生的觀察記憶、概括說明、分析計算、簡單問題解決等學科能力，此類學情聚焦于學習理解層面的記憶能力，實踐應用層面的分析計算與簡單問題解決能力。出現在教師視野中的分析內容則多是試題測評結果，而學生意義建構的過程性表現一直停留于分析盲區，學生對問題信息的篩選提取、問題解決策略的回憶以及運用心理框架解決問題等內在表現難以捕捉和刻畫。同時，學情分析對創造遷移能力的關注少之又少，特別是學生綜合問題解決和發現創新能力，學生解決問題產出的解決方案或完成探究任務產出的人工制品體現了學生綜合運用知識方法的創造性思維和能力，此類內容的分析漏洞一方面緣于教師對學科能力認知不足，慣于使用單一的測試正誤率測量所有能力表現，主觀經驗導致對學生學習情況分析的偏差。另一方面，教學平臺的學情分析功能尚未完善，數據的自動化采集與分析技術多應用于客觀選擇題或填空題，學生高階認知過程的學習數據難以采集。

(二)技術在教學活動中的應用失衡，忽視學生學習的內在建構過程

開展智慧課堂教學活動的技術應用中，以教師展示教學內容和展示學生學習成果居多，平均技術應用率為29.70%、12.56%，單節課例更有50%以上的應用率，可以看出教師日常慣于使用智慧課堂功能創設教學情境，呈現并傳遞教學信息，對數學演算、圖形變化過程進行交互演示，同時為學生展示課堂學習目標、任務、練習題等，輔助教師組織開展課堂活動。與教師相反，學生學習活動中的技術應用屈指可數，少部分課例使用了在線探究操作、資料搜集、成果分享的功能，用以記錄數學探究學習任務和設計探究方案，分享過程性觀點和結果，促進學生認知，技術應用率占比均在1%左右，學生在線討論與協作的技術應用率為0。不難發現，以教師為主體的教學導致了師生活動開展與技術應用的失衡。教師以激發興趣為由，利用技術創設與教學內容關聯性較弱的教學情境，阻礙學生學習的心理加工過程，學生需要同時激活兩種心智模式以聯接教學情境與教學內容的關系，一定程度上加重了自身的認知負荷[29]。而單純利用技術呈現教學信息，雖然提高了學生記憶大量知識的效率，但無益于高階認知能力的發展，學生的問題解決能力、猜想探究能力、發現創新能力在單一學習活動中難以得到培養。

學生學科能力的形成需要經歷具體知識到認知方式、外部定向到自覺內化的多重轉變過程[30]，實現知識的輸入、加工和輸出。而在智慧課堂教學課例中的學習活動多圍繞簡單淺顯的客觀問題開展，教師對活動及任務的設計雖可以激活學生長時記憶中的數學知識，對初步輸入的數學概念進行簡單推理和說明，但由于學生較少在復雜問題活動中表達主觀解釋和形成個人作品，難以引起認知沖突，導致學生無法自我調和內在認知，迷思概念尚存。教學缺少引導學生在學習過程中產出多種解決問題方案，僅關注活動是否能夠得到教學預設的答案，忽視了學生個體深化理解抽象知識的過程，學生建立數學知識之間的聯系、推理判斷數學信息、重組應用數學策略等外顯行為未能得到體現。智能技術應用還需要進一步與學科能力的形成機制相結合，缺少可視化學生認知觀點、無法提供多種真實問題情境以及缺少協作過程中的實時對話等問題同樣對促進學生學科能力的培養效果甚微。

(三)教學測評技術應用理想，測評內容需面向問題應用遷移

學習測評是了解學生學科能力達成情況的關鍵環節，利用智能技術開展的學科能力測評能夠直觀體現學生各學科能力層級的現狀，反映出教學效果。30節課例中，有2/3的課例使用了智能測評技術，智能測試技術應用率平均為4.32%。教師在完成課堂教學后，組織學生進行測試，自動掃描、批閱學生測試結果，并上傳至教學平臺，平臺自動生成每道題目的正誤率和百分比，以及每個學生的學情分析報告，以供教師分析學生現處學科能力水平，針對性開展后續的評價與反饋活動。如某一課例中，教師組織學生使用答題器完成多邊形面積計算的相關測試題，教學平臺根據學生答題情況自動生成題目正誤率圖表，教師針對測試中出現的問題重復講解。除智能測試外，師生、生生課堂評價的技術應用也有所涉及，有18節課例中應用了教師評價反饋技術，技術應用率在1%—12%不等，學生在線互評的技術應用僅有4節。從數據中反映出，部分教師已利用各類技術工具開展學習過程的測評，并以測試數據支持后續教學評價與反饋，也有教師使用評價系統對學生課堂表現、回答問題情況等進行評分。

知識是內化在個人認知結構中的，在其內部有特有的特征和規律[31]，因此學生學習不僅要記憶表面的概念和規律，還要掌握知識內部特有的思維方式[32]，這就要求智慧課堂教學測評在關注學生結果性學習行為的同時，還要關注過程中的學科能力外顯表現。但由于部分教師對學科能力認識不足，仍用教學慣性設計測試題目、分析學生課堂測試結果，測試題目大多指向觀察記憶、概括理解、分析計算、簡單問題解決等學科能力，難以有效將綜合問題解決、猜想探究等高階能力融入測試題目中。且對學生學科能力的分析局限于結果性數據，如測試正確率，忽視了學生形成綜合應用知識方法、批判創新等能力的過程性表現，并將學習問題模糊歸因于計算能力較弱或缺乏理解題目的能力等，無法準確定位學科能力缺失點，從而導致數學學科能力培養效果不佳。在教學測評中應減少大量“再現型問題”對記憶、再認行為的考察，增設多過程、多階段的“應用型問題”，用過程性測評數據考量學生在真實問題解決過程中表現出的數學信息提取、數學策略選擇、數學模型建構等認知過程，從而分析學生對數學思維方式的內化情況。

學生評價是從不同視角看待數學對象，對數學問題進行鑒別和解釋，提出自己肯定或否定的觀點，是將個體隱性知識外顯化的一種行為[33]。由于不同學生的思維圖式不同，對他人的評價能夠促進探究更深入進行。當前智慧課堂教學中學生評價活動以評價他人學習任務成果為主，學生相互給予優秀等級或表揚語句的評價內容。此類評價方式較少促進學生將個體認知進行外顯表達，學生缺少使用數學規則進行解釋、推理的說明論證過程，無法進行自我反思，將內在理解轉化為個人觀點進行輸出，無助于深層次的概念內化。

(四)教學整體尚未聚焦學科能力培養，教學效果有待提升

通過對教學課例的整體觀摩與分析發現，智慧課堂教學各環節對學科能力培養的關注度不同，少部分課例已經實現了指向學科能力的學情分析、教學目標設計、教學活動和教學評價的開展。如某一課例中，教師在課堂教學前要求學生完成復習和預習任務，并根據任務全過程數據分析學生學科能力表現，其中包括學生對方程的表征、問題影響因素的提取、數學關系模型的建立以及計算解答等，包含了概括理解能力、分析計算能力、簡單問題解決能力等相關學情，分析得到“本班學生在方程的分析與計算、解決問題策略選取、知識總結歸納方面存在缺陷和障礙”。基于此，教師制定符合學生實際情況的教學目標和教學活動，在課堂教學中通過“小組討論—習題練習—同伴互評—歸納總結—隨堂檢測”的學生活動序列，配合即時生成的學習成果調整教學，從而有效達成面向學科能力的教學目標。這類課例以學科能力培養為邏輯主線，將學生學科能力相關學情作為教學起點，設計環環相扣的教學環節，實現教學的精準性。

但仍有大部分課例存在學生學情分析籠統化、教學活動設計淺表化、教學測評同質化的問題。指向學科能力培養的學情分析對學生認知過程的外顯表現把握不準，以結果性數據分析學生內在的學科能力水平有失偏頗。教學活動缺少對學生輸出性學習成果的設計與引導，對復雜數學問題情境的創設、多知識選取與運用、數學方法及規律發現創新等教與學活動仍需要合理實施。教學測評多為再現型問題，而非應用型問題，僅能考察學生對數學知識的觀察記憶情況，忽視了學生面向未來社會發展和個人發展的遷移應用能力，指向學科能力培養的智慧課堂教學效果仍需優化。

四、討論與建議

(一)完善智慧教學平臺功能，支持學科能力精準培養

分析學科能力可以幫助教師精準定位學生能力素養，功能完備的技術平臺能為學科能力的精準培養提供全方位支撐。當前智慧教學平臺能夠支持教師采集的學生學習行為數據聚焦于知識點掌握情況，無法完全體現學生學科能力達成情況，也不能提供學生具體的學科能力分析報告。而多層面的學科能力分析為學生個性化學習提供了學科學習深度定位、學科潛力發掘、個體建模支撐等幫助[34]，輔助教師在充分定位學生學習狀況的基礎上開展智慧課堂教學。

因此，技術平臺需要以學科能力框架為指引，建立學科能力培養全過程數據采集及分析功能。借助數據挖掘、學習日志分析、語音識別、圖像識別、多模態分析等智能技術，采集學生在線交流討論數據、協同探究任務數據、學習平臺交互數據、學習難點監測數據等全過程多維數據，自動化分析數據內隱關聯，將學生學習過程性行為與學科能力緊密相連，分析學生學習理解、應用實踐、遷移創新三個學科能力層面達成情況和能力缺失點，預測學習發展趨勢，呈現全過程學情，解決教師對學科能力認識不充分的難題。其次，結合教育相關理論，以指向學科能力培養的學情分析結果為著力點，提供培養學科能力的相關教學建議。個性化助教為教師提供學科教學報告、能力分層作業、以及針對性教學建議，教師在此基礎上進行設計改進，實施個性化教學干預，提高教學效率；智能學伴為學生提供學科能力分析報告，直觀展示能力薄弱點，并針對性提供高適配度的學習資源，自動規劃學習路徑，布置學習任務，助力學生學科能力的形成。

(二)深化教師對學科能力的認識，提升教師教學能力

教師是智慧課堂教學的掌舵者，完成培養學生學科能力的核心任務需要教師具備較高的教學水平。教師需要從理念和方法兩方面提升面向學科能力培養的教學能力。首先，教師對學科能力內涵認識不清會導致無法精準定位學生各學科能力情況，由于學情分析是教學設計與實施的基礎，學情分析缺乏精準致使教學各個環節陷入經驗主義的束縛。因此，教師需要對學科能力與核心素養的關系、學科能力構成維度及概念內涵、學科能力外顯表現等進行系統學習和分析，構建自身認知結構，增強對學科能力的認同感。

其次，教師需要掌握培養學科能力的教學設計與實施方法，將學科能力教學理念應用于教學實踐場域中。學生在各類學習活動中的外顯觀點、作品等可以引起他人的認知沖突，設計有效的交流協作活動為學生自我調和概念沖突提供環境支持，達到學生觀念提升、破解迷思概念的目的。可見對于培養學科能力的學習活動問題設置與結果輸出設計至關重要，教師需要認識到學生原有迷思概念和學科能力外顯行為的缺失點，組織相應的協作學習活動，以學生的輸出成果為依據，評價學生學科能力達成結果。同時，對教學問題情境的設計需要從熟悉原型到簡單變式，再到復雜模式。在面對智慧課堂教學帶來的挑戰時，教師就要打破教學慣性思維，突破原有教學目標經驗化、教學活動孤立化的障礙，以共同體教研設計作為理論學習的主要途徑，以示范課教學實施作為理論應用實踐的關鍵方法，將學科能力融入教學的每個環節，促使學生經歷從陳述性知識到程序性知識，再到觀念化的自覺主動認識方式，不斷形成學科能力。

(三)提升教師人機協同素養，助力實現智慧課堂教學目標

為了適應由智能技術應用帶來的教師工作重心、教學身份轉變，以及教育觀念、教育目標和教學模式的革新，教師在具備原有素養的同時，需要拓展提升人機協同素養[35]。在面向學科能力培養的教學中，教師首先需要審視自身教學角色定位，由傳統知識傳授者轉變為智能技術的發展者、智能技術教育應用的建構者與責任者[36]。一方面結合教育實踐場域中教師存在的教學認知沖突和學科能力教學流程再造的真實教育需求，為智能技術的發展提供優化思路，幫助技術更加貼合教育教學場景，以技術升級迭代賦能學生素養能力生成；另一方面教師需要在持續的學習中重構知識結構，積極探索將技術理念融入日常教學活動和管理工作中，并承擔起相應教育責任，引導學生向接受者、協作者和建構者的人機協同角色轉變[37]。其次，主動學習智能技術基本知識，了解各類智能產品應用場域，將智能產品的應用特性與學科能力教學痛點深度融合。與智能機器合理分工，智能助教承擔基礎性、底層性工作，如學科能力學情數據挖掘分析、教學內容呈現、學習過程監測、學科能力水平分析等，教師重點承擔指向學科能力的教學目標、教學活動設計、教學精準干預調控以及學生綜合素質培養等創造性、復雜性的教學工作。

五、結語

智慧課堂教學應聚焦培養學生的學科能力，教學各環節的技術應用為學科能力培養提供了基礎支撐。當前，教師已經開始逐步關注智能技術支持的學情分析、教學活動、課堂測評與反饋等，也嘗試采集、分析并應用學生學習數據開展教學，但各環節對學科能力的涉及多處于學習理解能力與應用實踐能力，對創造遷移能力的培養仍待深入，教學還需更加關注學生的心理建構過程。此外教學平臺功能性支持和教師自身素養一定程度上制約了智慧課堂教學效果的提升。因此未來智慧課堂發展中，教師需要提升自身教學能力及人機協同素養，以應對培養學科能力的課堂教學帶來的挑戰。教學平臺也應構建相應功能，輔助教師認知學科能力、提供培養學科能力的教學建議等。