转引自：教育大数据国家工程实验室
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基于智慧课堂的学科教学模式创新与应用研究
刘邦奇1 李新义2 袁婷婷1 董晶晶1
（1.讯飞教育技术研究院 2.蚌埠市中小学教师进修学校）
导读
智能时代智慧课堂的构建与学科应用迎来新的发展契机。文章通过对智慧课堂三个发展阶段及应用现状类型分析，结合智能时代对课堂变革的新要求，提出新一代智慧课堂是以促进学生核心素养发展为宗旨，利用人工智能等技术打造智能高效的课堂，推动学科教学模式创新，促进学习者转识为智、智慧发展；新一代教学体系由智能资源服务、智能评测服务、智能终端服务和智能教学应用四个部分组成；结合学科教学特点提出学科智慧课堂“4 N”特征模型，包括4 个共性特征以及语文、数学、英语、自然学科和社会学科的N 个个性特征；并基于教改实验，以高中数学概念课为例阐述了数学智慧课堂教学模式的构建与应用方法。文章来源于电化教育研究|2019年第4期
【关键词】智能时代；新一代智慧课堂；教学结构变革；学科教学模式；高中数学
【中图分类号】 G434 【文献标志码】 A
【作者简介】刘邦奇（1962—），男，江苏靖江人。教授，主要从事教育技术应用、人工智能 教育、智慧学习环境、智慧课堂的研究。
引言
从信息化的视角提出与构建智慧课堂已有近十年的时间，初步探索了智慧课堂的概念、技术框架和应用模式[1]。随着教育信息化进入2.0 时代，人工智能、大数据等智能技术对课堂教学产生深刻影响[2]，智慧课堂发展在服务理念、技术策略、体系架构、实践模式等方面面临新的挑战[3]，基于智慧课堂的学科教学应用也进入新的阶段，迎来新的契机。本文对智能化背景下智慧课堂的发展及学科教学模式创新与应用进行专门探讨。
信息化视阈下智慧课堂发展现状及分类
（一）智慧课堂的发展历程
智慧课堂最早源于21 世纪初素质教育和新课程改革的实施，强调从注重知识传授的“知识课堂”向注重开发智慧的“智慧课堂”转变[4]。但真正使智慧课堂得到快速发展和广泛应用的是前些年兴起的信息化教学改革，特别是以物联网、大数据等为代表的“智慧”技术在教学中的应用[5]，从使用传统手段教学的“传统课堂”转向基于“智慧”技术构建富有智慧的学习环境、促进学生智慧发展的“智慧课堂”，由此“智慧课堂”概念不断发展和深化。
基于信息化视角的智慧课堂的发展历程大体上可分为三个阶段：第一阶段为初步探索、试点应用阶段。起始于2008 年IBM 提出的“智慧地球”战略，“智慧”概念在教育教学中得到推广与应用，从体现物联网“感知”特点的智能教室，到基于“电子书包”的智慧学习，再到基于“云、网、端”平台的智慧课堂，进行了多样化的探索实践，提出了智慧课堂1.0 定义[6]，出版了《智慧课堂》专著[1]，初步建立了智慧课堂理论、平台和应用框架。第二阶段为集成建设、综合应用阶段。在各类智能教室平台、资源系统的基础上，基于大数据、云计算等技术，将“教”“学”“评”“管”等信息化教学系统进行集成建设，开展智慧课堂全面应用和教改实验与理论研究， 结合学科特点探索学科智慧课堂教学模式，提出了智慧课堂升级版定义[7]，形成了智慧课堂2.0概念和常态应用模式[7]。第三阶段为融合创新、智能发展阶段。在智能时代和教育信息化2.0 背景下，利用人工智能、大数据等智能技术对信息化课堂赋能[8]，增强课堂互动能力，提升课堂教学智能化水平，促进智慧课堂创新应用和学生智慧发展[9]，预示着新一代智慧课堂应运而生。
（二）智慧课堂的应用现状及分类
在智慧课堂建设与应用实践中，由于使用不同的信息技术，着眼于不同的应用目的与场景，针对不同的学科教学应用，使得智慧课堂的概念和类型丰富多样。依据不同的标准可以有不同的分类（见表1）。
按所采用的信息技术划分， 包括基于物联网和云端一体化技术的智能课堂[10]、基于电子书包的智慧课堂[11]、基于云计算和互联网技术应用的“智慧课堂”[12]、基于网络教学平台的智慧课堂[13]、基于大数据学习分析的智慧课堂[14]等种类。
按学校类型和层次划分， 智慧课堂可分为中小学智慧课堂[15]、职教智慧课堂[16]和大学智慧课堂[17]等种类。
按学科专业应用类型划分，可分为各学科、各专业、各类课程或课型的智慧课堂，如基础教育学校的语文、数学、英语、自然学科、社会学科等学科教学的智慧课堂[18-19]；高校和职业教育院校的公共课、专业基础课、专业课、综合实践课等各类课程的智慧课堂[20]。
智能化背景下智慧课堂的升级发展
（一）智慧课堂面临新挑战、亟须新对策
当今社会进入智能时代，人工智能、大数据等智能技术加速推进教育信息化发展，推动人才培养模式和教学方式变革，智慧课堂发展面临新的挑战，亟须新的应对之策。
服务宗旨转变。从“教学信息化”向“信息化教学”转变， 适应新时代人才培养和新课程改革的需要，以促进学生核心素养发展为根本宗旨；坚持以建构主义、联通主义等学习理论为指导，突出以学生为中心，将系统功能从“支持课堂教学为主”向“支持学生个性化学习”拓展，聚焦学生成长和素养提升，促进知识转化为智慧，实现学习者个性化成长。
技术策略转变。充分利用人工智能、大数据等智能技术打造智能、高效的课堂；以“云—台—端”为核心支撑，构建新一代智慧课堂服务平台；提升和利用课堂教学大数据智能[2]，开发应用智能化检索、测评、推荐、交互等技术，创设网络化、数据化、交互化、智能化，有利于协作交流和意义建构的智能学习环境。
体系架构转变。以“智能化”为核心进行系统优化升级， 利用人工智能核心技术实现智能教学应用落地，从“云平台”向“智能云服务”转变，从“微云服务器”向“教室智能平台”转变，从“移动终端”向“智能终端”转变，从“信息化服务”向“智能化服务”转变，构建基于智能技术的智能化服务平台，构筑AI 赋能、体系优化的智慧教学生态体系。
应用场景转变。进一步拓展智慧课堂的多领域、多形态应用， 基于智慧课堂智能化服务平台， 支持线上与线下、课内与课外、虚拟与现实全场景教与学应用，实现精准化教学、个性化学习、智能化评测和精准化管理，真正实现学校智慧课堂教学的全领域、全场景、全过程应用，为智慧教育的实施提供典型的应用场景和范例[21]。
实践模式转变。大力开展智能教育教学应用最佳实践，从试点应用向常态应用、深度应用发展，从智慧课堂教学的共性特征分析向各学科智慧课堂教学的个性特征模型构建发展，从一般智慧课堂教学模式向各学科智慧课堂教学模式发展，从知识教学向核心素养培养和智慧发展转变[22]。
（二）新一代智慧课堂的定义及内涵
适应智能时代发展新要求，我们在继承已有定义和近几年智慧课堂教改实验成果基础上，提出智慧课堂的新定义、新模式。所谓新一代智慧课堂，也称智慧课堂3.0， 是以建构主义、联通主义等学习理论为指导，以促进学生核心素养发展为宗旨，利用人工智能、大数据等智能技术打造智能、高效的课堂；通过构建“云—台—端”整体架构，创设网络化、数据化、交互化、智能化学习环境，支持线上线下一体化、课内课外一体化、虚拟现实一体化的全场景教学应用；推动学科智慧教学模式创新， 实现个性化学习和因材施教，促进学习者转识为智、智慧发展。
其中，智慧课堂“云—台—端”架构是基于人工智能、大数据、云计算、移动互联网等智能信息技术打造的智能化教学服务平台。智慧课堂建设通过打造以教室智能平台为核心（形成通讯中枢、数据中心、能力中心、控制中心），配合智能教育云服务（实现资源管理、微课服务、智能评测、在线学习、决策服务、网络教研功能）， 并结合各类智能教学管终端和智能环境终端（教师端、学生端、管理者端、家长端、环境端），提供资源服务、互动服务和教学工具，形成了智能化的课堂教学服务支撑环境。智慧课堂的“云—台—端”智能化服务平台如图1 所示。
基于智慧课堂的教学体系架构
根据上述定义，智慧课堂教学在智能技术支持下实现线上与线下、课内与课外、虚拟与现实的全过程、全场景教学应用，体现了人与技术、环境融为一体的特征，形成了智慧课堂教学的生态体系。
（一）智慧课堂教学体系总体框架
新一代智慧课堂作为基于智能技术构建的新型课堂形态，一方面它是技术应用的结果，体现了智能技术的应用特征，离不开技术系统的支撑；同时，它是技术系统支持下的课堂教学变革与创新，表现为智能技术与教学融为一体所形成的新的课堂教学结构、教学形态。因此，智慧课堂不同于一般的智能教室、未来教室，不是指单纯的技术系统、技术环境，实际上是由智能系统（智能化平台和工具）、人（教师和学生）及其活动（课前、课中、课后教学环节）等组成的新型智能化课堂教学体系。
何克抗教授认为[23]，教学系统由教师、学生、教学内容和教学媒体四个要素组成， 信息技术与课程教学整合的本质是要用信息技术改变传统的教学结构，形成新的教学系统结构形态。随着教学信息化的深入发展， 新一代智能信息技术的出现及其在教学中的深度融合和创新应用， 教学系统要素与结构形态将发生新的变化，如从传统的教学内容向教学资源体系转变，从静态的组成要素向动态的过程要素转变，从教学系统向信息化教学生态体系转变。在智慧课堂教学中，人、系统与活动相互关系及结构形成了“智慧课堂”教学生态体系，由智能资源服务、智能评测服务、智能终端服务和智能教学应用构成。其总体框架如图2 所示。
（二）智慧课堂教学体系组成部分
1.智能资源服务层
智能资源服务是智慧课堂教学体系的基础服务层，为智慧课堂教与学提供教学内容资源、数据信息资源等。智能资源服务基于智慧教学云服务方式，利用智能管理、智能检索、智能推荐等技术，建立智能资源管理与服务平台，为教学全过程应用提供智能化的学习资源管理和服务。智能资源服务的主要内容包括各类学科课程标准、多版本数字化教材、微课课程资源、多媒体素材和课件、作业和考试题库、教学管理信息、教学动态数据等资源。
2. 智能评测服务层
智能评测服务是智能化教学服务平台的核心功能，也是智慧课堂教学应用服务的关键支撑。通过建立综合素质评价系统、多元学习测试系统、动态评价分析系统等子系统，基于全过程实时数据采集、汇聚，利用智能评测、学习分析、数据挖掘等新技术进行处理分析，提供对教与学的形成性评价、总结性评价和诊断性评价服务，重构教学评价体系。
3. 智能终端服务层
智能终端服务是智慧课堂教学应用的终端实现方式，由终端应用支持软件和硬件组成。针对各类教学应用终端设备，如智能手机、PAD、笔记本电脑、台式电脑、可穿戴智能设备等，开发相应的教学应用软件，实现教学、学习、管理等各类应用功能，包括智能微课制作、微课应用、测验评价、统计分析、学习资源智能推送、沟通交流工具和第三方APP 应用等。智能终端服务主要有教师端、学生端、管理端、家长端、环境端等类型。
4. 智能教学应用层
智能教学应用主要是智能化教学应用流程，提供教师的“教”与学生的“学”的应用程序和方式，实现对课前、课中、课后的全过程沟通交流和信息服务支持。课前环节包括学情分析、预习测评、教学设计；课中环节包括课题导入、探究学习、实时检测、总结提升；课后环节包括课后作业、微课辅导、反思评价等。
智慧课堂学科应用特征分析
智慧课堂不是抽象的理论概念，而是基于技术的教学系统及教学实践形态，具体落脚到学科教学活动和教学过程中。因此，应注重从学科教学应用的视角对智慧课堂特征进行研究。从近几年部分名校进行的全学科智慧课堂教学实验来看，可以构建“4 N”智慧课堂学科特征模型。
（一）智慧课堂“4 N” 学科特征模型
与传统课堂及早期CAI 应用相比，智慧课堂呈现了教学决策数据化、评价反馈即时化、交流互动立体化、资源推送智能化等显著特征[24]，这是对各个学科教学应用都应该具有的、通用的智慧课堂共性特征，早期智慧课堂主要关注共性特征[1]。
近年来，通过智慧教学实践运用可以发现，中小学课堂教学是按学科课程分类进行教学实施的， 由于不同学科在教学内容、教学方式、教学评价等方面存在显著的差异， 各个学科的智慧课堂教学也具有不同的个性化特点。智慧课堂“4 N”特征就是从全学科智慧课堂教学应用的视角，提出的学科智慧课堂特征模型。其中“4”是指一般智慧课堂的共性特征，“N”是各个不同学科智慧课堂的个性特征。为便于讨论，本文分为语文学科、数学学科、英语学科、自然学科、社会学科五个学科类型进行特征分析。“4 N”特征模型分析见表2。
（二）各学科智慧课堂的个性特征
1.语文学科智慧课堂特征
鉴赏点评交互化。基于智慧课堂智能化平台，语文课中的文本鉴赏与点评能够更为即时、立体、直观、灵活、生动。师生、生生之间通过“云—台—端”智能化平台，无论课中学习，还是课前预习、课后复习，都能实现即时无障碍的沟通与交流。这样有助于师生之间充分互动，碰撞出更多的思想火花，促进文本鉴赏的成果更全面、丰富和深刻。
表达分享富媒化。智能化平台提供给学生更多样的表达分享媒介，学生可以根据自身需求，自由选择诸如文字、图片、视频、语音等方式表达思想观点或分享优秀的学习资源及个人学习成果；教师也可以通过平台使用富媒体资源和呈现方式，更恰当地表达自己的观点想法；师生之间可以实现多元化、即时化、智能化的互动交流，从而促进共同的进步。
阅读资源库量化。智能化平台能够提供强大的资源库， 教师能够根据需要筛选整合优秀阅读资源，分类上传到平台资源库。学生通过平台能够即时查阅或下载自己所需的阅读资源，或者获得智能化的资源推荐服务。整合后的资源库中资源质量高、针对性强，学生查找方便，能够节省搜索时间，有利于提高学生学习效率和质量。
2. 数学学科智慧课堂特征
感受体验情境化。数学课堂多以抽象概念、定理、公式为主，仅依靠学生的大脑想象很难从本质上认识数学、理解数学。通过多媒体、VR/AR 等技术，以图片、语音、视频等方式，创设接近真实的问题情境，可以唤起学生的好奇心，激发学生主动参与、探究的欲望，使学生直观感受数学知识，为难以理解的数学知识学习预设铺垫，也可以使学生感受体验数学来源于生活，又服务于生活。
抽象探究模型化。基于智能化平台，针对数学抽象问题，通过计算机和多媒体技术，让学生亲身经历将实际问题抽象成数学模型。用计算机仿真建立数学模型并进行计算分析， 就是对实际问题进行抽象、概括、提炼、转化为数学问题，再利用已学过的数学知识解决问题，实现抽象问题直观化、复杂问题简单化。引导学生从直观具体的事物中抽象概括出数学问题的本质，进一步理解数学、运用数学。
3. 英语学科智慧课堂特征
作文批阅信息化。在英语智慧课堂教学中，使用高精准度的手写文字识别、自然语言理解、智能评测等手段，实现计算机应用于主观题的智能阅卷，包括作文智能批阅、自动生成测试报告、提供答题结果的大数据分析， 解决了传统教学手段无法解决的问题，减轻教师阅卷负荷，智能诊断出问题所在，帮助教师实现基于智能批改和数据分析的英语习题讲评，实现“精准教学”。
听说读写情境化。各种听说读写情境的创设是英语课堂教学的重要基础。通过智慧课堂智能化平台提供的多元化学习资源， 特别是各种视听说学习资源，极大地丰富了英语教学手段，创设情境化的听说读写活动和互动性的高效课堂， 改变了原来“粉笔 录音机”的单调教学手段，利用新技术手段来变革和改进课堂教学。
4. 自然学科智慧课堂特征
实验过程数字化。在物理、化学、生物等实验探究教学中，借助传感器、数据采集器等设备对现象不明显的实验进行实时监测，跟踪采集过程数据，实现实验过程的数据化采集。同时，进行曲线拟合、对比及数据分析，将更多的定性实验转化成定量实验，为师生定量化研究实验数据提供支撑平台，有助于学生理解科学的本质。
微观结构可视化。对自然学科中的微观结构等难以观察或抽象的事物，运用新媒体技术手段，可以使教学呈现可视化，比如实现由大变小、由小变大、由快变慢、由慢变快、平面立体化、静态动态化、无形有形化等。借助AR 技术增强现实感，实现物质微观结构、反应微观过程的宏观化。
5. 社会学科智慧课堂特征
材料实证数字化。材料实证指利用智能信息技术对政治、历史和地理等社会学科教学中使用的材料进行科学辨析，准确呈现出材料的含义，服务教学过程。通过智能化平台的数据采集、处理，将政治、历史和地理课堂中复杂的材料实证的过程转变为可以度量的数字、数据，依靠直观的数据精准地掌握学情和调整教学策略。
理解分析情境化。理解分析是指政治、历史和地理等学科的“学科知识理解”，它是指把事实的叙述提升为理解其意义的理性认识和情感取向。通过智能化平台，教师有目的地构建具有一定情绪色彩的、以形象为主体的生动具体的场景，以引起学生一定的情感体验，从而帮助学生更好地分析并理解政治、历史和地理学科中的知识。
学科智慧课堂教学模式构建与应用
———以高中数学概念课为例
根据智慧课堂“4 N”特征模型，结合数学学科个性特征和应用优势，可以建立数学学科智慧课堂教学模式。这里结合笔者研究团队在安徽省蚌埠二中进行的全学科智慧课堂教改实验研究，以高中数学概念课为例分析构建数学智慧课堂教学模式。
（一）数学智慧课堂教学总体设计
数学智慧课堂依据建构主义理论进行系统性教学设计与实施，以数学学科核心素养提升为宗旨，以学生为主体，关注学生的发展，实现学生自主学习、探究学习；突出“感受体验情境化、抽象探究模型化”，充分利用智能化服务平台推送学习资源， 创设多样化学习情境，实施线上、线下多元互动和协作探究等教学方式；实施“先学后教，以学定教”策略，通过课前、课中、课后全过程学习评价， 基于动态数据精准掌握学情，优化教学预设和教学进程，促进个性化教与学[25]。
在数学智慧课堂教学中遵循主体性原则、个性化教学原则和教学系统性原则。学生在课前自主学习、知识检测、数据处理、提交学习任务，教师及时处理，根据得到的学生课前自主学习情况，制订相应的个性化教学方案，实现“以学定教”；课中突出教学互动、协作探究，重点、有效解决学生存在的问题和疑惑；课后通过个性化辅导和练习巩固知识点，针对学生薄弱知识点加强训练， 并实时监测和反馈学生的学习情况，以提高教学的针对性和有效性。
（二）数学智慧课堂教学流程结构
高中数学概念课教学过程一般分为概念引入、形成、巩固、运用等阶段。数学概念课的根本任务是正确地揭示数学概念的内涵和外延，使学生深刻理解和牢固掌握概念，并且能够灵活运用所学概念。数学智慧课堂教学整体结构包括三个方面，即教学流程、学习方式、技术支持，三者相辅相成、融合共生，形成多层次、多策略、多环节的数学智慧课堂教学模式。基于这一模式，使得数学概念课的教学更加高效，学习者得到智慧发展，数学核心素养得到有效提升。数学智慧课堂教学的基本流程结构具体如图3 所示。
（三）数学智慧课堂教学应用环节
问题引领，感受体验。基于智慧课堂智能化平台，利用网络资源、多媒体、虚拟现实等技术，设置与概念课有关的学习情境，使学生有明确的学习目标、学习动机。引入概念方式很多，如以数学故事和数学史创设问题情境引入数学概念， 通过活动或实验引入概念，回顾知识引入概念，联系实际问题引入概念，通过视频、图片等方式引入概念等。
抽象概括，获取新知。在创设情境过程中，教师设置问题，让学生自主实践、探索，引导学生类比感性经验，并对感性事物进行抽象概括，抓住问题本质，可采用在线互动、自主探究、计算机仿真、小组合作、师生相互讨论等多种方式探讨分析， 从而得到数学概念，掌握概念的内涵和外延，从具体到抽象，实现从感性认识到理性认识的飞跃。
应用新知，巩固提高。应用新知识，引导学生从不同途径求解问题的方法，通过知识概念的联系，加深概念理解，可以利用移动终端教学，采取个性化、多样化方式，如随机点名、限时训练、学习作答过程展示、在线提交、数据处理等，帮助教师及时掌握学生的学习情况，实现动态化、针对性教学，有效巩固和提高。
拓展延伸，反思提升。通过设置一些开放性、创新性问题， 使学生对概念的学习理解得到拓展和延伸。这一过程可以利用移动终端拟制个性检测题，向不同层次的学生推送不同的题型，达到因材施教，不同学生得到相应的提升。学生也可以利用移动终端整理回顾，随时查阅，形成属于自己的学习资料库，有助于提升学生的反思和自我综合能力。
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