新一代信息技術在智慧課堂建設中的應用研究

鄒凌君，張利峰

（金陵科技學院信息化建設與管理中心，江蘇南京 211169)

我國頒布的《國家中長期教育改革與發展規劃綱要(2010—2020年）》中明確提出:信息技術對教育發展有革命性影響,必須高度重視。隨著《教育信息化十年發展規劃(2011—2020 年）》《教育信息化2.0 行動計劃》《中國教育現代化2035》[1]等一系列國家教育政策的頒布，全國各地各級各類學校相繼開啟了智慧教育新形態的探索與實踐。特色鮮明、形式各異、功能多樣的智慧課堂隨之應運而生?；仡欀腔壅n堂的發展歷程，分析新一代信息技術在智慧教學、智慧管理、智慧評價、智慧環境構建等方面所起的作用、展望新一代智能技術在智慧課堂建設中的融合應用方向，為今后智慧課堂構建和創新發展提供啟發與思考。

1 智慧課堂

1.1 智慧課堂概念與起源

智慧課堂目前還沒有一個明確的定義，從不同視野有多種闡述。從建構主義學習理論角度可解讀為：智慧課堂也稱未來課堂，是在智慧教育理念引領下，借助人工智能、大數據、物聯網等新一代信息技術構建的教學智能化、學習自主化、資源多樣化、場景泛在化的教育環境[2]?；仡欀腔壅n堂的演變過程，國內教育信息化方面的專家普遍認可“智慧課堂”的概念來源于錢學森[3]在20世紀90年代提出的“大成智慧說”。他認為智慧教育是培養聰明才智和創新能力的方法體系。這里的“智慧”含義側重人的聰慧和創智。從技術角度而言，智慧課堂的理念來源于2008年IBM公司首次提出的“智慧地球”戰略，由此引申出了智慧城市、智慧校園及智慧課堂等理念。這里的智慧則側重技術層面的自動化、智能化。此外，從近年的“互聯網+教育”視野而言，智慧教育是互聯網與教育深度融合的產物，而智慧課堂恰恰是智慧教育的主陣地和主戰場，這里的智慧突出是智能信息技術與人類聰明才智的深度融合。

1.2 智慧課堂構建模型[4]

1)S.M.A.R.T模型（圖1)：黃榮懷等指出智慧教室的智慧性應體現在Showing、Manageable、Accessible、Real-time Interactive、Testing 即內容呈現、環境管理、資源獲取、及時互動、情境感知五個方面。

圖1 智慧課堂S.M.A.R.T模型

2) iSmart 模型（圖2) ：聶風華等提出智慧教室由Infrastructure、Network Sensor、Visual Management、Augmented Reality、Real-time Recording、Ubiquitous Technology 即基礎設施、網絡感知、可視管理、增強現實、實時記錄、泛在技術六大系統組成。

圖2 智慧課堂iSmart模型

智慧課堂模型的任何一個組成部分都離不開信息技術的支持，而以人工智能、大數據、物聯網、云計算等新一代信息技術支撐了課堂智慧互動、智慧評價、智慧管理和智慧獲取學習資源。

1.3 我國智慧課堂的發展歷程

近十多年來，隨著我國教育信息化進入高速發展期，以上海虹口區提出的“電子書包”為核心，以3G移動終端、教育內容、服務平臺為要素的教學環境把智慧課堂帶入了1.0階段,這階段是以傳承知識為核心，培養學生記憶與接受理解能力為主。1997 年OECD（世界經合組織）開始了關于“素養”的研究，2002年美國制定了《21 世紀素養框架》，同年歐盟首次提出了“核心素養”的概念，2016 年我國教育界頒布了《中國學生發展核心素養》框架，正式要求教育教學從“知識本位”轉向“素養本位”。為實現這一目標，必須改革現有課堂教學生態系統，“顛覆”已有課堂教學結構，課堂教學要從“師本位”向“生本位”轉化，智慧課堂漸漸走入了以“核心素養培養”[5]為目標的2.0 階段。如今，隨著5G 移動網絡及更多前沿信息技術的發展與普及應用，智慧課堂正向著個性化、泛在化、全球化的3.0[6]階段邁進。

2 新一代信息技術對智慧課堂建設的技術支撐

國家“十二五”發展綱要提出的新一代信息技術分為六個方面，分別是下一代通信網絡、物聯網、三網融合、新型平板顯示、高性能集成電路和以云計算為代表的高端軟件。智慧課堂的信息技術架構如圖3，主要可分為三大類型：基礎支撐技術、分析計算技術和呈現技術。

圖3 智慧課堂的信息技術架構圖

2.1 智慧課堂建設中的基礎支撐技術[7]

智慧課堂的基礎支撐技術主要包含移動網絡技術、物聯網、大數據及區塊鏈技術。

當今移動網絡技術已經發展到了第五代。5G 技術具有高速率、低功耗、移動快、時延低、連接密度高等優勢，在智慧課堂與人工智能、大數據、云計算、虛擬現實等智能技術相結合，能快速可靠地搭建移動學習、交互溝通、沉浸互動的學習環境，全面推動智慧課堂效果的提升。

物聯網技術是智慧課堂建設的最基礎的支撐技術之一?！拔锫摼W”的概念起源于IBM公司2008 年的“智慧地球”項目及我國2009 年提出的“感知中國”計劃?；趥鞲屑夹g和射頻識別技術為主的物聯網技術，在智慧課堂中主要應用于以下兩個子系統：一是中央控制子系統，它可以本地或遠程按課表自動開關、實時對教室教學設備的監控、完成信號切換、實現設備狀態管理、異常報警等功能。二是感知子系統，即通過物聯網感知設備，對室內環境數據信息進行采集，并匯聚到控制中心，實現對教室內電器設備開關、燈光亮度調節、溫濕度等環境參數自動調整。

大數據是數量巨大、類型繁多、結構各異的數據集合體。大數據的意義不局限于數據量的龐大，更在于對這些海量并含有特定含義的數據進行專業的體系化處理，即需要技術人員通過專業化、體系化的平臺對數據信息進行挖掘和處理。通常一個完整的教學大數據平臺包含技術體系、數據體系、服務體系及運營體系，能實現數據加工、數據融合、數據可視化以及數據業務化功能。大數據技術在智慧課堂可應用于教、學、管理、監測、評價及服務多方面。通過對課堂教學過程性數據的記錄、整合、呈現，平臺能清晰展示學生的學習興趣、能力偏好及薄弱環節；老師可以通過大數據分析了解學生的真實需求，因人而異制定個性化教學方案；家長可以方便獲取孩子在校身體、心理及學習狀況，及時予以關愛；教學管理部門可以更全面掌握課堂教學狀態，以便提出科學精準的決策，驅動決策從粗放的經驗型向精細的智能化轉變。

區塊鏈的本質是一個分布式賬本[8]，因此區塊鏈在任何領域的應用都與數據存儲有關。所以區塊鏈在教育領域的基本應用就是存儲與分享教學數據。由于區塊鏈是一個去中心化的分布式賬本，它可以將包含課堂信息在內的教育信息存儲在全球數億節點構成的網絡系統中，存儲成本低而且無法輕易篡改，確保了學生學業成績及學業證書的真實性。

2.2 智慧課堂建設中的分析計算技術

智慧課堂的分析計算技術主要包含云計算、人工智能、邊緣計算技術。

云計算這個名詞借用了量子物理中的“電子云”概念，“計算”并不是指一般的數值計算，而是指一臺足夠強大的計算機提供的計算服務（包括各種功能，資源，存儲）。云計算突出計算的彌漫性、無所不在的分布性和社會特征性。這里的“云”是互聯網絡的一種隱喻說法，即互聯網及其建立互聯網所需要的底層基礎設施的抽象體?！霸朴嬎恪笨梢酝ㄋ椎乩斫鉃榫W絡上足夠強大的計算機為你提供的需按你的使用量進行付費的各種服務。云計算在智慧課堂中的應用就是通過互聯網向師生及教育管理者提供海量教育資源和各類教學應用程序，用于支撐課前準備、課堂教學、教學研究、教學評估、教學管理及自主學習等活動，旨在提升學生綜合素養和學習能力的在線平臺。其應用已極其廣泛，這對于解決教育不公平、不平衡，特別是促進貧困邊緣地區的教育發展起到了巨大的作用。

人工智能的概念最早是在1956 年的達特茅斯會議上提出的，人工智能屬于計算機科學的一個分支。它是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的邊沿交叉技術科學。人工智能學科研究范疇包括：計算機視覺、智能機器人、機器學習、自然語言理解、自動程序設計、知識表示和理解、自動推理和搜索方法、知識處理系統等方面。其中語音識別、人臉識別技術在智慧課堂中的應用較為成熟。人工智能技術可以根據學生以往的學習狀態來預測學生今后的學習表現，智能推薦最適合學生的學習內容，從而有效的提升學生的學習效果；圖像識別技術使得作業、試卷自動批改將會變得越來越實用、準確；人工智能技術還可以用于自動化輔導與答疑、智能測評、智能教育決策等方面。

邊緣計算是一種分布式的開放式AI架構，邊緣計算的主要目的是讓運算盡可能接近數據源，直接在邊緣計算節點進行數據處理，減輕了數據爆炸和高網絡流量帶來的高壓力。通過啟用移動計算和物聯網技術，使之具有數據分散處理能力，最大程度地減少客戶端與服務器之間進行遠程通信的需求，從而減少延遲和帶寬使用。邊緣計算最常見的用例是支持物聯網功能。對于日益互聯的校園，通過使服務器更靠近連接的傳感器和設備，可以利用大數據更快地確定下一步操作，提高數據處理效率，同時還能降低校園網帶寬要求。

2.3 智慧課堂建設中的呈現技術

智慧課堂呈現技術主要包含虛擬/增強(VR/AR)現實、擴展現實(XR)、全息影像技術。

虛擬/增強現實(VR/AR)所傳遞的信息是一系列實時生成的擬真聲像信息、觸覺和運動感知（未來還要延伸到嗅覺和味覺）等。虛擬/增強現實(VR/AR)最大的特點就是“身臨其境”，這正與教育理論中的“情景構建”理論不謀而合。將此技術應用于智慧課堂，學生可以身臨其境，通過視覺聽覺觸覺感受，加強記憶、加深理解，從生活中學、從游戲中學習、從思考學習，從而極大地提高學生的學習興趣。擴展現實(XR)則涵蓋了增強現實(AR)，虛擬現實(VR) 和混合現實(MR)的技術，是所有沉浸式技術的統稱，通過融合虛擬和現實世界或通過創建完全身臨其境的體驗來豐富課堂體驗。

全息技術是利用干涉和衍射原理來記錄并再現物體真實的三維圖像的技術。全息影像技術一般也被稱作虛擬成像技術或是全息成像。在智慧教學中典型的應用場景：線上教學時能將教師的身影投射到遠程課堂中去，仿佛教師就在眼前，避免了采用視頻畫面聽教師講課，沒有親臨現場的感受，帶給學生身臨其境的畫面，因而使課堂教學更加生動逼真。

5G 與擴展現實、全息影像技術的融合將打造出一個完美的無縫沉浸式虛實交映的學習空間，助力智慧教育發展。

3 智能信息技術在智慧課堂建設中的應用展望

新一代智能信息技術主要有生成式人工智能、機器人、邊緣智能計算、知識圖譜、區塊鏈及元宇宙技術等。通過與5G 技術的深度融合，新一代信息技術必將在智慧課堂建設中發揮引領作用。

生成式人工智能(AIGC)[9]是人工智能(AI)的一種最新應用。與以往熟知的Deep Blue、Alpha Go等只具有某一專項技能的AI不同，AIGC是一種基于大語言模型(LLM)、生成對抗網絡(GAN)，采用自然語言處理(NLP)技術、深度學習(DL)、機器學習(ML)等技術對大量已有文本和數據進行學習、識別，用適當泛化能力生成包含文本、音樂、圖像等多種文件內容的人工智能技術。OpenAI 的ChatGPT(Generative Pre-trained Transformer)意指“基于特征抽取轉換模型的預訓練語言生成聊天工具”，它是AIGC的一款杰出代表，是一種基于自然語言處理的人工智能模型，它能夠理解和生成自然語言文本，它徹底改變了以往的信息獲取方式。與Deep Blue、Alpha Go等應用不同，ChatGPT是一種不僅會學習，還能模仿人類分析比較、綜合概括、抽象判斷、邏輯推理會思考的“機器”。它可以為師生提供多種多樣的教學資料，進行一對一個性化輔導；能自助批改作業及試卷，并進行分析和反饋；能指導學生寫作甚至撰寫論文，這些對未來課堂的創新化教學、個性化學習支持、智能化輔導無疑會起到積極的促進作用。

依托機器人技術的學伴機器人[10]因其獨特的外表而具有極強的視覺吸引力。它能通過言語、面部表情、唇語、手語等面部表情和肢體語言與人交互，可以承擔導師、助理、學伴等角色，甚至能代替因故不能上課的學生上課。這類機器人將在特殊教育領域發揮巨大作用。機器人主持教學是機器人在教育中應用的最高層次。不久的將來，機器人在許多方面將直接組織教學與管理，而不再是扮演輔助角色。隨著人工智能、虛擬現實等技術的深度融合發展，教育機器人或將成為了人們的另類老師。

邊緣智能計算[11]是邊緣計算技術與數據挖掘、機器學習、數據可視化等人工智能深度融合而成。邊緣智能計算避免了云計算平臺資源利用率低、功耗大、數據中心處理壓力大、終端設備低延時需求難以滿足的不利因素，應用場景適合于學生在課堂或本地頻繁請求教學資源時資料的實時分發，也適用于遠程參觀、演示、大型公開課等教學事務。邊緣智能計算應用于智慧課堂建設能為師生提高更客觀、全面的分析結果，有助于教學管理個性化的實時評價。

知識圖譜能對課堂教育知識進行結構化、語義化建模，其核心作用是將課題教學資源提供的數據進行挖掘，產生相應的知識元及語義關系，因而基于知識圖譜的自適應技術產品能用于學情診斷、學習反饋及改進，為因材施教提供支撐證據，為真正實現智慧課堂中的個性化學習提供底層基礎設施。

區塊鏈技術在智慧課堂的應用除了教學數據存儲外，第二個應用就是數據分享。教師擔任了節點的角色，可以在區塊鏈上發布自己的相關教學課件，經過時間戳證明驗證，確保數據的所有權。對學生來說，可以將自己的教育經歷、工作經歷、課外活動等信息資料通過區塊鏈實現安全共享。區塊鏈第三個應用是學分互認和學歷證書認證，這有利于促進教育的國際化進程。目前，國內外大多數案例基本形成“區塊”分散而未能成“上鏈”的格局[12]。但長遠來看，區塊鏈技術具有開放性、可追溯不可篡改性、加密安全性[13]，在智慧教育、智慧課堂的應用有著廣闊的前景。

4 元宇宙技術將對智慧課堂帶來的變革

2021 年是公認的“元宇宙”年。Metaverse 這個詞由前綴meta（意思是“超越”)和詞干verse（從universe演變而來）組成。目前，元宇宙尚未有權威、統一的定義，仍處于不斷發展、演變的概念。在清華大學新媒體研究中心發布的《2020—2021年元宇宙發展研究報告》給出的定義如下：“元宇宙是整合多種新技術而產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，它基于擴展顯示技術提供沉浸式體驗，基于數字孿生技術生成現實世界的鏡像，基于區塊鏈技術搭建經濟體系，將虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并且允許每個用戶進行內容生產和世界編輯”[14]。虛擬現實、增強現實、區塊鏈、云計算、人工智能、5G等新技術都是構成元宇宙框架的要素。元宇宙是虛擬世界與現實世界的融合載體，在國內外教育領域的應用已有顯現。例如，2021 年，斯坦福大學開設了一門基于VR 環境上課的課程“Virtual People”，學生帶上VR 頭戴設備，就可以在任意地方遠程上課。課堂場景囊括了虛擬博物館、生活化的場景、地球上人煙稀少的角落（如火山口、海底暗礁）等[15]。在去年疫情期間，中國傳媒大學動畫與數字藝術學院在游戲《我的世界》中復刻學校場景，學生以虛擬形象在游戲里完成了線上畢業典禮，每個學生在虛擬空間里設置屬于自己的虛擬角色，與師生互動交流。教育元宇宙具有社交活動的交互性、真實世界模擬的沉浸性和自由開放靈活的多元性三大特征[15]。從寓教于樂到改變傳統課堂單一授課形式，元宇宙與教育的融合將在以下三個方面給課堂教學帶來巨大的沖擊：一是克服傳統課堂的時空的局限性，教師、學生及管理者以數字身份參與課堂，在虛擬教學場所中進行互動；二是授課教師和教學管理者可以研發新型教學模式，讓學生獲取更豐富的學習資源，各種創意課堂能夠被激發，教學效果即將獲得質和量的提升；三是在多元空間與無限資源下，有效解決教學資源分配不均衡，特別是老少邊遠地區的資源匱乏的問題，使全體社會公民享受到均衡普惠的教育信息化發展紅利，促進教育平等；四是元宇宙技術為課堂教學提供了最大空間和最好的技術基礎，讓學習變得更加簡單、更加有趣，將加快人類進入到“生活就是學習，學習就是生活”的歷史階段。

5 結束語

伴隨著人工智能、大數據、物聯網、云計算、虛擬增強混合現實、機器人等智能技術不斷發展，智慧課堂已從以教師為本、以傳承知識為核心的1.0階段邁入了以學生為本、以核心素養培養為目標的2.0階段。5G移動網絡、區塊鏈及元宇宙等新智能信息技術又將智慧課堂從2.0階段向著虛實融合生態環境、個性化差異化教學、全球教學資源共享為特征的3.0階段推進。新一代信息技術與課堂的教、學、管理、評價、服務等全方位的深度融合，將把智慧課堂建設成為一個突破時空限制，無時不有、無處不在的虛擬網絡教學空間。