高品質(zhì)課堂分析AI Classroom賦能高中數(shù)學(xué)精準(zhǔn)教學(xué)

【摘要】在數(shù)字賦能背景下，人工智能技術(shù)AI Classroom可以獲取精準(zhǔn)的課堂分析數(shù)據(jù)，從教師、學(xué)生、高品質(zhì)課堂分析標(biāo)準(zhǔn)等多角度幫助教師評價課堂和探索數(shù)字技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合.研究以具體的課例為載體，闡述如何借助精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析，改進課堂教學(xué)，構(gòu)建高品質(zhì)高中數(shù)學(xué)課堂.

【關(guān)鍵詞】數(shù)字賦能；高品質(zhì)課堂分析；精準(zhǔn)教學(xué)

教育數(shù)字化是我國開辟教育發(fā)展新賽道和塑造教育發(fā)展新優(yōu)勢的重要突破口.進一步推動數(shù)字教育，可為個性化學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)、擴大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面和教育現(xiàn)代化提供有效支撐.如何充分發(fā)揮數(shù)字技術(shù)“突破口”的作用，必須促進數(shù)字技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，才能推動教育的高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)教育發(fā)展的“變軌超車”.

2024年4月，我校成功入選由華東師范大學(xué)課程與教學(xué)研究所國際課堂分析實驗室和翼鷗教育·ClassIn聯(lián)合成立的AI Classroom——人工智能賦能教學(xué)變革項目，并立項子課題“高品質(zhì)課堂分析AI Classroom賦能高中精準(zhǔn)教學(xué)研究”.此項目基于人工智能技術(shù)輔助課堂教學(xué)，促使教學(xué)方式的轉(zhuǎn)型，幫助教師精準(zhǔn)把握課堂命脈，承擔(dān)學(xué)科育人的使命，落實立德樹人根本任務(wù)的目標(biāo).

1高品質(zhì)課堂分析AI Classroom賦能高中數(shù)學(xué)精準(zhǔn)教學(xué)內(nèi)涵解讀

AI Classroom是通過采集課堂音頻、視頻等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，深度運用人工智能技術(shù)對多模態(tài)數(shù)據(jù)進行量化分析、結(jié)合教育學(xué)理論從多個維度對課堂進行綜合診斷，形成一套系統(tǒng)的課堂教學(xué)評估報告的軟硬件方案.

精準(zhǔn)教學(xué)是采用信息化技術(shù)手段精準(zhǔn)地記錄、管理、分析學(xué)習(xí)全過程數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的因素，精準(zhǔn)判定“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)學(xué)生存在的當(dāng)前問題及潛在問題，在教學(xué)實踐過程精準(zhǔn)設(shè)定教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)過程，并不斷調(diào)整教學(xué)策略做出新的教學(xué)決策的一種方法論.

在數(shù)字賦能的背景下，推動高品質(zhì)課堂分析AI Classroom賦能精準(zhǔn)教學(xué)的建設(shè)，能精準(zhǔn)定位高中不同課型的不同任務(wù)，顯著提高課堂實效，也能助推教師開展基于動態(tài)分析的精準(zhǔn)教研，從而不斷提升教師的課堂把控、觀察、分析的能力和數(shù)據(jù)分析能力、數(shù)據(jù)決策能力.

2高品質(zhì)課堂分析AI Classroom賦能高中數(shù)學(xué)精準(zhǔn)教學(xué)研究案例

在理論的指導(dǎo)下，課題組選定典型性課例，重點針對高中新授課、復(fù)習(xí)課、習(xí)題課、試卷講評課等不同的授課類型，探索如何借助人工智能技術(shù)，采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，深度運用人工智能技術(shù)對多模態(tài)數(shù)據(jù)進行量化分析，結(jié)合教育學(xué)理論從多個維度進行綜合診斷，從而開展精準(zhǔn)教學(xué)新模式落地課堂的系列行動，促進學(xué)科教學(xué)方式轉(zhuǎn)型.作為課題主要負責(zé)人，本人錄制了一節(jié)示范課——“離散型隨機變量的方差”，得到了華東師大專家的指導(dǎo)和肯定，并上傳到診斷平臺，獲取了精準(zhǔn)的分析報告.現(xiàn)以這節(jié)新授課為例，具體闡述如何借助分析報告，基于數(shù)據(jù)分析、精準(zhǔn)定位，助推精準(zhǔn)教學(xué).

2.1課例分析

“離散型隨機變量的方差”是人教A版選擇性必修第三冊第七章第三節(jié)第二小節(jié)，在“離散型隨機變量的均值”學(xué)習(xí)之后.

本章“隨機變量及其分布”，是必修課程概率內(nèi)容的延續(xù)，通過學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生感悟離散型隨機變量及其分布列的含義，讓學(xué)生理解離散型隨機變量的分布列，可以全面地描述隨機變量取值的概率規(guī)律，但在實際問題中，需要用一些數(shù)值集中反映隨機變量在某個方面的特征，這些數(shù)值統(tǒng)稱為隨機變量的數(shù)字特征，比如均值和方差等.本節(jié)主要討論離散型隨機變量的方差.

教學(xué)中，首先創(chuàng)設(shè)問題情境，比較兩名運動員的射擊水平，從直觀判斷到定量刻畫，給出離散型隨機變量方差的定義.在刻畫一組數(shù)據(jù)的離散程度，以及用加權(quán)平均定義離散型隨機變量均值方面，學(xué)生已經(jīng)積累了經(jīng)驗，所以引導(dǎo)學(xué)生通過類比，逐步定義隨機變量方差的概念.之后，類比均值的性質(zhì)，自然想到要研究D（aX+b）與D（X）的關(guān)系，同樣啟發(fā)學(xué)生先猜想再驗證，與“隨機變量平移，均值也跟著平移”不同，根據(jù)方差的意義，隨機變量的平移不改變它的方差，即D（X+b）=D（X），而D（aX）=a2D（X）是顯然的.綜合，有D（aX+b）=a2D（X）成立.接著類比一組數(shù)據(jù)的方差的公式等價變形，由學(xué)生自主探究離散型隨機變量的方差的等價公式，并通過第一道例題引導(dǎo)學(xué)生比較兩種方差計算公式哪種更為簡潔；第二道例題及其變式是綜合利用均值和方差比較投資兩種股票收益的問題，意圖是使學(xué)生了解在實際問題中均值和方差的意義.在問題中，要讓學(xué)生深入理解均值表示平均收益，而方差表示風(fēng)險，即不確定性.最后與學(xué)生共同回憶本節(jié)課內(nèi)容，總結(jié)反思.

2.2高品質(zhì)課堂智能診斷報告簡要分析

平臺給出智能報告分為四大部分：概要、學(xué)生視角、教師視角和高品質(zhì)課堂分析標(biāo)準(zhǔn).

2.2.1概要

概要主要包括課堂基本信息表，教師基本情況，課堂關(guān)鍵詞分析，課堂互動ST分析.課堂基本信息最主要的是課堂活動時長分布，可看出教師對課堂的時間分配.

教師基本情況表主要分析教師提問數(shù)量（52個，參考范圍：50-200）、課堂話輪數(shù)（41），教師講授語速（204.44字/分鐘，參考范圍：150-300），括號內(nèi)數(shù)據(jù)是本節(jié)課情況及參考范圍，總體正常.

課堂top20關(guān)鍵詞，根據(jù)智能分析，在本課堂中，出現(xiàn)頻率最高的詞為“平方”，其次是“方差”，再次是“公式”.

課堂互動ST分析可知，教師行為在課堂中占26∶42，學(xué)生行為在課堂中占16∶42，教師占有率為0.62，學(xué)生占有率為0.38.在教學(xué)過程中，教師行為是指教師的言語、非言語的信息傳遞行為，主要包括教師課堂講解、演示及誦讀等；學(xué)生行為是指學(xué)生言語、非言語的信息傳遞行為，主要包括學(xué)生的發(fā)言、小組討論及展示、回答及提出問題等.

2.2.2學(xué)生視角

這部分內(nèi)容包括學(xué)生的發(fā)言情況，學(xué)生回答問題情況，學(xué)生活動時長分析.學(xué)生回答問題情況可分為三個層級：R1是學(xué)生的簡單回復(fù)，R2是學(xué)生對知識與概念的回憶性回復(fù)，指向的是知道、理解、應(yīng)用的學(xué)習(xí)目標(biāo)，R3是學(xué)生帶有推理性，解釋性的回復(fù)，指向的是分析、綜合、評價的學(xué)習(xí)目標(biāo).本節(jié)課，R2層級的發(fā)言占總發(fā)言的64%，R3層級占36%.

2.2.3教師視角

教師視角包括課堂類型、教學(xué)階段加涅9事件統(tǒng)計、師生互動IRE分析、課堂對話問句分析.

一般的教學(xué)分為四種模式：練習(xí)型、講授型、對話型、混合型，是聯(lián)合RT和CH的值來劃分的.RT是教師行為的占有比例，此值越多，說明教師的行為越多；CH是教師行為與學(xué)生行為之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)，此值越大說明教師—學(xué)生的轉(zhuǎn)換次數(shù)越多，本課教師行為占有率為RT=0.62，師生行為轉(zhuǎn)換率CH=0.26，為混合型授課模式.當(dāng)代著名教學(xué)設(shè)計大師加涅積累幾十年研究與實踐的經(jīng)驗提出了“九大教學(xué)事件”，就是將學(xué)習(xí)的內(nèi)部過程同教師的外部活動相適配的成功嘗試.本課時各環(huán)節(jié)的話語數(shù)如表1.

師生互動IRE分析，其中I表示教師的提問，R表示學(xué)生的回答，E表示教師對學(xué)生回答的反饋，本節(jié)課IRE占比如表2.

2.2.4高品質(zhì)課堂分析標(biāo)準(zhǔn)

高質(zhì)量課堂分析標(biāo)準(zhǔn)（CEED），由三個維度九個方面構(gòu)成，分別是課堂效率、課堂公平、課堂民主[1].一般分為3個水平，水平越高說明課堂效果越好.由課堂智能分析綜合判斷結(jié)果可知，本節(jié)課診斷為水平3的有以下三點：（1）在課堂效率方面，觀察點“學(xué)習(xí)是建構(gòu)的”.主要是指課堂中學(xué)生之間能展開深入研討或辯論，或針對某個問題或任務(wù)，學(xué)生之間能展開協(xié)作，在學(xué)習(xí)建構(gòu)上偏向于互動型；（2）在課堂公平方面，觀察點“程序是正義的”.主要指在課堂中沒有出現(xiàn)程序上不公平、不公正的情況；（3）在課堂民主方面，觀察點“學(xué)習(xí)是自控的”.即課堂中具有合理的、自主可控的學(xué)習(xí)時間，與學(xué)習(xí)目標(biāo)高度吻合，學(xué)生能夠在自主學(xué)習(xí)時間內(nèi)進行自主探究與建構(gòu)，其余均診斷為水平2.

3研究案例反思

3.1高品質(zhì)課堂分析AI Classroom是高中課堂精準(zhǔn)教學(xué)的有力工具

精準(zhǔn)教學(xué)在于精準(zhǔn)定位.在智慧課堂中，數(shù)據(jù)化分析為教學(xué)提供了前所未有的可能性．每一位學(xué)生在課堂中的行為，無論是回答問題，還是小組活動，都會被記錄下來．這些數(shù)據(jù)為教師提供了一個宏觀和微觀相結(jié)合的視角，來看待學(xué)生的學(xué)習(xí)過程[2]．在宏觀層面上，教師可以通過數(shù)據(jù)分析，快速了解課堂整體信息．例如課堂互動ST分析中，教師行為和學(xué)生行為被精確地計算出占比，本節(jié)課教師占有率為0.62，學(xué)生占有率為0.38.從數(shù)據(jù)很容易看出教師在課堂上的主導(dǎo)地位，這樣容易忽略學(xué)生的主體地位，教師應(yīng)深入思考改進教學(xué)方式，如何給學(xué)生更多的發(fā)揮空間；從微觀層面上，數(shù)據(jù)化分析能夠幫助教師更加精準(zhǔn)地了解每一個教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置的合理性，比如數(shù)據(jù)顯示本節(jié)課共40分零1秒，教師講授19分44秒，師生互動5分14秒，學(xué)生任務(wù)11分34秒，小組活動3分29秒，這樣精確到秒的數(shù)據(jù)是數(shù)字賦能的最佳體現(xiàn).

3.2高品質(zhì)課堂分析AI Classroom是高中教師精準(zhǔn)教研的助推器

AI Classroom可以通過課堂數(shù)據(jù)模型分析形成智能化報告，深度解讀后，教師可開展基于動態(tài)分析的多次精準(zhǔn)教研，從而不斷提升教師的課堂把控、觀察、分析的能力和數(shù)據(jù)分析能力、數(shù)據(jù)決策能力.分析報告的核心內(nèi)容就是教師視角，包括課堂類型、教學(xué)階段加涅9事件統(tǒng)計、師生互動IRE分析、課堂對話問句分析.這些數(shù)據(jù)的反饋真實地解讀了教師的課堂行為，例如本節(jié)課通過教學(xué)階段加涅9事件統(tǒng)計，教師“呈示材料”維度的話語數(shù)為40，說明教師講授時注意考慮了高中學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科特點；“誘引行為”維度的話語數(shù)為44，說明教師不斷嘗試促使學(xué)生主動參與課堂，積極對課堂任務(wù)做出反應(yīng)；“及時強化”維度的話語數(shù)為20，說明教師能給予學(xué)生行為及時的反饋評價；而在“引起注意”“告知目標(biāo)”等環(huán)節(jié)話語數(shù)少，說明教師課堂重心把握得宜.再比如課堂top20關(guān)鍵詞分析，本課出現(xiàn)頻率最高的詞為“平方”，數(shù)量為47；其次是“方差”，數(shù)量為40;再次是“公式”，數(shù)量為34.很多教師的課堂語言不嚴(yán)謹(jǐn)，關(guān)鍵詞分析可以幫助教師規(guī)范教學(xué)語言.

3.3高品質(zhì)課堂分析AI Classroom可提升高中學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)

精準(zhǔn)教學(xué)是探索目標(biāo)精準(zhǔn)、問題精準(zhǔn)、資源精準(zhǔn)和干預(yù)精準(zhǔn)的過程，是為實現(xiàn)學(xué)科知識教學(xué)向?qū)W科素養(yǎng)教學(xué)轉(zhuǎn)型的研究.數(shù)字技術(shù)賦能教與學(xué)是將課程內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學(xué)生素養(yǎng)的橋梁.傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)的講授式、單一化教學(xué)方式已不能適應(yīng)數(shù)字化時代的要求，但是數(shù)字技術(shù)賦能教與學(xué)并不意味著技術(shù)和傳統(tǒng)教學(xué)方法的簡單疊加，而是一種以學(xué)生為中心的面向更加復(fù)雜學(xué)習(xí)環(huán)境的技術(shù)與教學(xué)的融合式創(chuàng)新.比如課堂合作方面，本課是高質(zhì)量課堂分析標(biāo)準(zhǔn)水平2，即課堂中具備一定的協(xié)作、合作的學(xué)習(xí)時間與任務(wù)，小組合作任務(wù)與學(xué)習(xí)目標(biāo)的匹配度有待提高，合作學(xué)習(xí)時間不夠充分，本課的小組合作時間只有3分29秒，顯然不夠，雖然不是每一節(jié)課都要有小組合作環(huán)節(jié)，但是既然設(shè)置了這個環(huán)節(jié)，就應(yīng)實實在在讓學(xué)生去思考、去動手、去協(xié)作，體驗沉浸式、實踐式、交互式的課堂，這樣才能不斷提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).

進入數(shù)字時代和智能時代后，黨和國家對人才的需求和培養(yǎng)目標(biāo)都提出了更高的要求，我們教師要牢固樹立終身學(xué)習(xí)的理念，不斷更新信息觀念，提升數(shù)字素養(yǎng)，積極探索能改進課堂品質(zhì)的平臺或軟件，勇于實踐與創(chuàng)新，加速教育數(shù)字轉(zhuǎn)型.

參考文獻

[1]楊曉哲.基于人工智能的課堂分析架構(gòu)：一種智能的課堂教學(xué)研究[J].全球教育展望，2021（12）：55-65.

[2]胡繼東.基于智慧課堂的高中數(shù)學(xué)精準(zhǔn)教學(xué)實踐研究[J].數(shù)學(xué)之友，2023（21）：74-76.

作者簡介殷玲（1979—），江蘇無錫人，中學(xué)高級教師，無錫市教學(xué)能手；研究方向為高中數(shù)學(xué)教學(xué)研究.