高等教育数字化发展研究｜孙翔 罗巾 林海英 冯庆革 梁艳：“互联网+”背景下智慧教学模式设计与实践
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孙翔 罗巾 林海英 冯庆革 梁艳.“互联网+”背景下智慧教学模式设计与实践[J].中国教育信息化,2023,29(10):093-101.DOI:10.3969/j.issn.1673-8454.2023.10.010
高等教育数字化发展研究
“互联网+”背景下智慧教学模式设计与实践
孙翔 罗巾 林海英 冯庆革 梁艳
摘 要： 智慧教育是一种基于新兴信息技术的教育模式，它将互联网、大数据、人工智能等技术应用于教学中，旨在实现教育的个性化、智能化和互动化。随着技术的不断发展，智慧教育正逐渐成为高等教育领域改革的重要方向。智慧教学快速发展主要体现在智慧教育理论内涵的丰富、智慧教学平台与关键技术的创新、智慧教学主体的变革、智慧教学模式的设计和多维评价体系的构建。为顺应时代的发展，智慧教学产生线上智慧教学模式和混合教学模式（轻型智慧教学、深度智慧教学），混合教学模式结合线上和线下教学的优势，更好地实现教学的互动性和实效性。从多角度阐述智慧教育内涵、智慧教学平台，以及智慧教学要素的发展，设计出适应高等教育教学实情的教学模式和评价体系，为积极推进高等教育改革、打造新型智慧教学整体提供建议。关键词： 互联网+；智慧教学；网络学习；高等教育；多维评价中图分类号： G434文献标志码： A文章编号： 1673-8454（2023）10-0093-09作者简介： 孙翔、冯庆革，广西大学资源环境与材料学院教授，博士（广西南宁530004）；罗巾，广西大学资源环境与材料学院硕士研究生（广西南宁530004）；林海英，广西大学资源环境与材料学院讲师，博士（广西南宁530004）；梁艳，广西大学资源环境与材料学院副教授，博士（广西南宁530004）
基金项目： 2019 年广西高等教育本科教学改革工程重点项目“信息技术支持下全过程大数据驱动的智慧教学模式研究与实践”（编号：2019JGZ100）；2022 年广西高等教育本科教学改革工程一般A类项目“‘PBL+线上线下混合式教学’在《环境监测》课程教学改革的探索与实践”（编号：2022JGA117）
2021年12月，中央网络安全和信息化委员会印发的《“十四五”国家信息化规划》提出，要推进信息技术、智能技术与教育教学融合的教育教学变革，加快提升教育教学质量和效率。[1]2022年，教育部明确要积极探索信息技术、智能技术与教育教学融合发展的新机制，加强在课程教学、学习方式、评价方式等方面的创新探索，深入推进“智慧课堂”建设，不断改进课堂教学模式的工作要求。[2]“互联网+”的发展势头异常迅猛，而在此基础上提出的智慧教学是将新一代信息技术与教育教学深度融合，是在“互联网+”背景下进行的创新实践。随着信息化的不断探索，教育也正朝着“教育+信息技术”深度融合的智慧化、智能化方向发展。然而，实际运用中，教学模式机械老旧、课堂教学生硬被动、师生缺乏观点争鸣、大数据追踪流程不完善的问题层出不穷，智慧教学仍停留在互联网促进教育变革的初始阶段。[3]因此，本文拟探究信息技术与教学改革深度融合的特征、规律和途径，结合线上课程、智慧教辅工具、翻转课堂的混合实践，总结出可复制推广的大数据驱动下智慧教育教学模式，以期为高等教育教学改革提供有益参考。
智慧教学是当前教育信息化研究的热词，纵观国内外学术研究与一线教学，关于智慧教学的研究主要包括理论内涵探讨、学习平台与关键技术创新改革、教学模式构建及应用等方面。
（一）智慧教育理论内涵
智慧教育起源于钱学森于1997年提出的“大成智慧学”（science of wisdom in cyberspace），早在那时他就已经预见到信息化是发展智慧教育的必由之路。2008年，时任IBM首席执行官的塞缪尔·帕米沙诺 （Samuel Palmisano，中文名彭明盛）在一份名为《智慧地球：下一代领导议程》的报告中首次提出智慧地球（smarter planet）的概念，对智慧教育的推进极具影响力。2009年9月，美国中西部爱荷华州的迪比克市与IBM共同宣布，将建设美国首座“智慧城市”，智慧教育也随之破茧而出。智慧教育的真正含义，就是要运用现代智能技术，创造出一个智能的信息教育环境，对教师教学和学生学习的方式加以改进，使教育中的不能变成可能，由小能变成大能，以此来为社会的发展提供好的价值取向、高的思维品质和高的施为能力。最近几年，不同学者从不同视角对智慧教育进行阐述，极大丰富了智慧教育理论内涵。有学者从智慧教育功能与技术的融合角度认为，智慧教育是一个较为复杂的生态系统，由多个教育活动、过程以及功能技术模块组成，并且还具有相互反馈机制。[4]刘伟提出，教育目标和教育方法之间有一种内在的一致性，这与语言学中的“概念整合理论”非常吻合，使智能教育从“语义融合”走向“概念融合”，再对系统融合进行探讨。[5]柳春艳从可能性和必要性角度通过对循证教育思想与教育技术之间关系的探讨，提出运用循证教学的理论体系及运作方式，可以弥补教育技术的内在缺陷，充分发挥自己的长处，做“智慧教育”的先锋。[6]有学者认为智慧教育理论的实质，就是要用转识成智来培养出有个性的智慧主体，从而让人类的个体得到解放，主动、自由、自觉地发展。[7]有学者利用人工智能探索个性化智慧教育路径，打开智慧教育新思路。[8]有学者对国内智慧教学相关文献深入分析发现，对智慧教学内涵的认识具有多样性，具体体现为：技术与教育双重视角的认识论，物的智能、人的智慧、“物的智能+人的智慧”三种本体论，以及技术、艺术、技艺与教学互促共进的方法论。[9]
（二）智慧学习平台与关键技术
智慧学习环境是依托信息平台构建的一个宏大系统工程，构建这个系统工程需要技术、学习资源与智能化服务的长期发展融合。在智慧学习环境的具体设计与关键技术研究方面，研究人员将其与现有的研究基础相结合，并加以具体化，延伸出智慧化校园、智慧化教室、未来学习中心等典型的智慧学习环境，同时，还对教育模型构建、平台实现方式、实际应用场景等展开研究。王晓春提出多终端协同的智慧教学平台框架，在此架构的基础上，开发出一个以 Pad为主体的多终端协同智慧教学支持系统原型，使多终端协同智慧教学支持系统开发进入快车道。[10]有学者创新实训教学空间，在实训教学空间中融入人工智能等先进技术，创建出一种全新的类似于“游泳池”的沉浸式工程实践环境，在系统中“压力系统”与“吸引力系统”是共存的，该系统能在实训教学中有效提升学生的自主学习、实践、创新和抗压能力。[11]有学者使用大数据分析Hbase数据库与 SQL计算执行引擎，结合对智慧教育数据的分析，得到学生、教师以及资源信息等，并将其传递至智慧教育信息云服务层，教师学生可以利用此平台，享受存储文件、课程管理和课程发布等服务，从而有效地简化智慧教学的流程。[12]有学者构想出5G时代智慧教学人智赋教、远程教学、云端教学、虚拟教学的应用场景，展望5G网络在智慧教学的主体、学习方式、实验教学模式、教学评测等方面，及其催生的定制化课程、VR课程、游戏化课程等15个典型应用，创新智能环境下人才培养范式。[13]有学者从“技术—社会”互构的角度出发，对教育元宇宙产生的时代背景、理论基础及其特征和应用案例进行发散分析，对教育元宇宙的生态框架加以详细阐述。[14]有学者从智慧教育平台建设、教育资源共建共享、制定资源保障机制等角度提出虚拟教研室建设新路径，助力构建智慧教学体系。[15]
在典型智慧学习环境以及设计方面，国外学者的研究变得更多样化，也更开放。在对典型智慧学习环境的研究之外，还加入借助教育游戏、 Agent等新模式来构建智慧学习环境和个人智慧学习环境的内容。有学者开发一种智能系统，在基础教育中加入视频游戏进行交互式教学，增加教学过程的趣味性和体验感。[16]有学者使用虚拟现实（VR）平台和头戴式显示器在虚拟世界中进行教学探索，通过不断改进Metaverse平台以及课程内容，减少剩余技术限制，证明元宇宙是对精益教学的有效补充。[17]
（三）智慧教学模式构建及应用
目前，智能学习环境的建设发展迅速，学习者在智能学习环境中的学习过程和效果引起大量研究者的关注。有学者以学习体验界定为基础，以刺激对象为主要视角，识别出智能学习体验的组成元素，并运用量表编写方法，研制出一套可靠性高、有效性强的智能课堂学习体验评价量表。[18]有学者以认知负荷理论为基础，明确知识、技术、策略和学习者这四个主要因素在智慧学习环境中对学习者认知负荷产生的作用，并对知识建构与信息加工、媒体技术和工具的选择与配置、教学与学习的策略原则、学习者特点等在智慧学习环境中的关键性问题进行详细说明。[19]有学者对智慧学习环境在培养学生创造力方面的支持作用进行深入分析，在此基础上，建立一种以智慧学习环境为基础的学习者创造力培养模式，将其重点放在合作、探究、迭代等方面，来提高学习者的创造力；在进行实证研究之后，发现这种模式可以明显提高学习者的创造力。[20]有学者在发展信息技术的过程中，推动“智慧教室+ MOOC+虚拟仿真”以及超算资源的高效使用，从而有效激发教学的活力，旨在深度普及计算的思想、构建一个有利于人才培养的良好教学生态环境。[21]有学者建立“互联网（Internet）+智慧（Smart）+大数据（Data）+云计算（Cloud）”的个性化智慧教学 ISDC模式，从提高教学环境信息化水平、开展智慧教学管理和服务、进行教学大数据分析、促进教学互动等方面，提出个性化智慧教学 ISDC模式的实现途径，促进我国个性化智慧教学的落地实施。[22]有学者在社会大系统中对教育问题进行定性、定量的分析，利用多维度的数据进行综合分析，对教育问题进行准确的定位，加强对教师基础数字能力的培养，发挥以学校为中心的多主体合作优势。[23]
国外对智慧学习环境的教学应用研究也主要围绕学习者进行。有学者结合著名的柯式评估模型及分层评估框架，提出对智慧在线学习环境中学生模型的有效性及准确性进行评估的方法“Pe RSIVA”，可以对学生满意度、绩效、过程、行为、状态等结果进行模拟，教师在这个模型的基础上对其进行评价，并出台适应性决策。[24]研究人员为了验证智慧班级对相关专业学生学业成绩的有效性，在使用智慧班级进行教学后，发现学生的学习成绩明显提升。[25]有学者对监控学习管理系统（Learning Management System, LMS）下教学风格、平台上的学生行为类型、学习成果的情况进行评估，分析LMS下的协作行为，发现协作小组的学习成果同质化，但小组成员行为仍具有差异性。[26]
通过对国内外智慧教育环境的研究现状进行分析和梳理，可以看出，目前对智慧学习环境的研究，主要围绕智慧教育的概念、内涵、特征，以及智慧学习环境的构成要素、框架和实现的关键技术加以阐述。但是，对智慧教育的教学目标、教学主体、教学平台、教学过程、应用效果等的研究，却显得比较薄弱。因为智慧教育理论本身的复杂度，以及智能技术发展的限制，到现在为止，在建立一个具有完整功能的智慧教学模型方面，仍然存在不足之处。当前，智慧教育研究的疑问点主要包括：①针对现实教学中的学习者如何开展智慧教学工作；②学习者、教师、教学环境等教学要素如何实现高效交流，并进行公平有效的教学评价；③影响教学的归因与要素有哪些，该如何识别、规避、完善智慧教学效果。针对上述疑问点，本研究基于智慧教育实质要求，从智慧教学模式构建入手，对智慧学习环境的功能和总体架构、在线与移动交互学习环境、教育大数据分析应用、教学模式优化构建等方面深入探讨，以实际应用的独特视域给智慧教育教学提供新的模式，为智慧教学模式评价提供新路径。三、智慧教学要素
（一）教学目标
明确教学目标是智慧教学模式构建的根本，主要体现在课堂教学变革、课堂结构优化、单一传统实体课堂向智慧课堂的转化，如图1所示。在课堂教学变革中，需要分析“互联网+”信息技术与课堂教学变革的关系，阐明“互联网+”信息技术与课堂教学深度融合的必要性与意义。智慧教学要求揭示课前、课中、课后全过程智慧教学的内涵和特点，剖析MOOC、SPOC、微课、翻转课堂等不同模式下智慧教学的区别和联系，明晰单一的传统实体课堂转向网络课堂、翻转课堂、混合课堂的多元共生渐进关系。课堂结构明确“教师、学习者、在线学习资源”三位一体、线上线下混合、全程双向互动的教学生态体系重建要求，体现“参与化的教、智慧化的学、个性化的管”新课堂结构变革和教学流程再造要求，并展现出信息技术与课堂教学深度融合的实施途径、多种可行模式、主要制约因素、破解方法和环境要求。
图1 智慧教学目标图解
（二）教学主体
传统教学模式的教学主体主要为“教师”或“学生”，单一型知识灌输带来的是学生对学习兴趣的丧失，逐渐产生“局外人”的自我定位，陷入“教师痛苦教、学生麻木学”的困境。改进教学模式的教学主体为“教师+学生”后，教师与学生之间的互动更加频繁，交流更加密切。智慧教学将教学主体定位为“教师+学生+智慧系统”三元复合主体，如图2所示，找到线上学习捷径，开启教学资源和教学设施共享平台，突破师生交流壁垒。智慧教学的发展需要唤醒智慧教师主体，让教师成为智慧教学的主导者，在教学过程中尊重学生个体差异、适时改良教学方法、丰富教学资源、引导学生知识体系建构。[27]同时，唤醒智慧学生主体，配合教师教学安排、利用智慧教学平台、自我调整学习状态、发挥主观能动性。智慧系统是链接教师和学生的桥梁，监测教师教学情况、评价学生教学状态、警示学习成果不合格的学生，并给出学习计划指导。三元复合主体相辅相成，是完善智慧教学模式建构的中流砥柱。
图2 智慧教学主体
（三）教学平台
智慧教学平台是以中国大学MOOC、爱课程、智慧树、学堂在线、学银在线、优客联盟等主流慕课学习平台为评估对象，以界面友好性、交互灵活性、管理智能性、过程学习行为数据的丰富度、学情分析的及时性和精确性、功能完整性、适需服务和自适应导学服务的多功能性、社交存在感等为评估指标，评估筛选出更符合智慧教学标准的虚拟学习支撑载体。同时，以“雨课堂”、超星“学习通”、科大讯飞旗下“智学网”大数据个性化教学系统、“纸笔智慧课堂”系统、蓝墨云班课移动教学助手等智慧教学主流教辅工具为评估对象，以互动界面的友好性、与线上学习资源平台的兼容性、服务功能的多样性、学习过程记录的完整性、学情分析的及时性和精确性，以及是否有“发红包+弹幕”、有助于提高趣味性的功能模块等为评估指标，评估筛选出更符合智慧教学标准的、用于配合线上线下以及混合教学课堂使用的移动教学助手工具。打造以大数据、云计算、人工智能等技术为支撑，能实现差异化教学、精准化教学、智能导学、O2O（Online to Offline）无缝链接、实体课堂虚拟课堂一体化，以及更加智能化、更加有利于促进教与学绩效提高的新型智慧教学软硬件支撑体系，如图3所示。四、智慧教学设计
（一）线上智慧教学模式探索与实践
笔者团队以在广西大学SPOC平台以及大型主流全社会开放的MOOC平台上成功运行多期的“环境管理学”“环境遥感”“环境信息处理技术”等课程为依托，筛选出符合智慧教学标准的网络课程平台为服务支撑“媒介”。针对目前线上课程教学内容静态单一，学生线上学习倾向、态度等学习行为数据捕捉和反馈环未形成，教师的导学作用不强，师生与生生之间互动对话不足，学生学习自适应匹配导学和差异化导学功能较弱等问题，实现在线课程的智慧教学设计，线上智慧教学模式如图4所示。教学中“普适设计”与能增加学习兴趣的“心动”设计相结合，理清需要掌握的基本知识点和拓展知识点，针对每个知识点掌握相匹配的有难易层级的测试题库，增加与知识点延伸相匹配的科普视频和拓展阅读资料，理顺与知识识记、知识应用、突破创新相对应的“教材”“学材”“创材”。与网站“媒介”服务商合作，通过学习行为数据捕捉识别学生学习状态，发现网上学习潜在作弊行为（如使用刷课神器、打开视频后做其他事情等）并能加以纠正、预警劝导。以学生在知识点微教学视频中学习时间反刍比、辅助知识点巩固的课后测试题答错率等学习行为和绩效数据为基础，通过人工智能算法推测学生未掌握的知识点，给出进一步导学建议，以及重新模块化组卷生成新的测试题帮助学生最终完成知识点的掌握，精细化导学功能。课后，根据学生对非强制要求学习的拓展知识点学习痕迹数据，自动推送更多与知识点相关的拓展材料，实现个性化服务功能。
图4 线上智慧教学模式
（二）线上线下混合智慧教学模式探索与实践
混合教学模式根据实际应用场景可分为轻型智慧教学和深度智慧教学。笔者团队以“环境质量评价”“生态设计”等未拍摄教学视频的课程为依托，筛选出符合智慧教学标准的各类教辅工具APP，将其当成服务媒介，设计能提高趣味性、交互性和学习绩效的教学模式。在面授课堂中实践“教学PPT课件”与智慧教辅工具相结合的轻型混合教学。课前通过智慧教辅工具发送PPT，课中借助智慧教辅工具讲解PPT并进行当堂测试。智慧教辅工具允许学生根据自己的理解程度留下“懂”与“不懂”的反馈以及其他相关疑问，智慧教辅工具记录课前学生针对PPT的预习状态、课后复习情况以及课中当堂测试题的答题表现。教师根据学生反馈“不懂”的知识点以及当堂测试错误率较高的知识点，及时调整讲课的进程进行重点讲解，答题正确率较高的知识点加快进度避免浪费更多的时间，做到教学环节的自适应调整。同时，借助智慧教辅工具进行课堂二维码签到、摇一摇随机点名、互动弹幕讨论实时直播、发送红包奖励等，增加课堂的紧凑度和趣味性；智慧教辅工具自动记录每堂课每位学生的学习行为数据和学习表现，给出学情分析和表现优异学生排行榜，作为平时成绩的量化依据。
笔者团队在广西大学SPOC平台以及大型主流全社会开放的MOOC平台上成功运行多期的“环境管理学”“环境遥感”课程，视智慧教学标准的各类教辅工具APP等为服务媒介，实践在线学习平台、智慧教辅工具、翻转课堂相结合的深度混合教学。除了上述轻度混合提到的智慧功能外，在捕捉评估分析学生在线学习平台的学习行为数据、智慧教辅工具的学习表现数据基础上，在翻转课堂环节，通过优化教学设计，重点探究问题学习（Problem Based Learning，PBL）、项目学习（Project Based Learning，PBL）、模拟学习、问究学习、辩论学习、协作学习、案例学习、沉浸式学习（learning by doing）等相结合的混合智慧教学模式，如图5所示，在翻转课堂中，提升学生的主动性，提升学生的知识应用和创新能力。
图5 线上线下混合智慧教学模式
（三）智慧教学下基于大数据的多维评价分析
多维评价分析是根据学生在网络学习平台环境、智能移动教辅工具中生成的过程性学习行为大数据，期末考试结果性表现数据，分析过程性学习行为数据的价值性，确定过程性评价应该包括的指标及其合理性和评价标准、评价权重，分析过程性评价不同导向对学生学习主观能动性、互动性、参与性等的促进效果；分析过程性评价结果与期末考试结果的相关性；评估诊断在增加形式上趣味性的同时学生对知识点掌握的整体水平是否提高；通过网络问卷调查收集学生自评信息、对智慧教学模式的欢迎程度和意见反馈，反思智慧教学模式下的得与失，以不断改进智慧教学改革的模式、方式和途径，如图6所示。图6 智慧教学多维度评价体系
五、结语
在“互联网+”教育的发展过程中，本文探讨智慧教育的理论内涵、智慧教学平台与关键技术的发掘、教学模式的分析、多情境智慧教学方案设计，以及基于大数据多维度评价等构建智慧教学体系的要点。在“互联网+”时代，智慧教育通过“教师+学生+智慧系统”三重主体的合作，致力于改革课堂教学和课堂结构，实现单一实体课堂向多元智慧课堂的转变。通过合理运用智慧教学平台，轻型智慧教学和深度智慧教学可以灵活切换，同时构建多维度评价体系，及时获取学习状态并进行引导，为全国经济建设和发展提供人才支持，丰富高等教育向智能化转型的改革路径。
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Design and Practice of Smart Teaching Model under the Background of “Internet Plus”
Xiang SUN, Jin LUO, Haiying LIN, Qingge FENG, Yan LIANG（College of Resources, Environment and Materials, Nanning 530004, Guangxi）
编辑：王天鹏 校对：王晓明
期刊简介
《中国教育信息化》创刊于1995年8月，是由中华人民共和国教育部主管，教育部教育管理信息中心主办，面向国内外公开发行的国家级学术期刊。期刊内容力求全面深入地记录我国教育信息化的建设进展、研究与应用成果和行业发展状况，开展我国教育信息化发展状况调研和教育信息化国际比较研究，服务于国家教育宏观决策；力求全面准确地把握教育信息化相关的方针政策和标准规范，及时追踪ICT前沿技术的发展趋势及其与教育的融合，深度挖掘教育信息化建设与应用的体制、机制创新，服务于我国教育信息化实践。
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