跨空間人工智能課堂教學行為案例研究

摘 要 當前全國很多地區開始在中小學普及人工智能教育。為解決部分學校硬件配置不足問題，將虛擬仿真實驗室融入面對面課堂的跨空間教學，已成為人工智能課程教學常態。為探究跨空間人工智能課堂的教學行為特征，研究借鑒FIAS、iFIAS和ITIAS，同時綜合跨空間環境特征，構建跨空間人工智能課堂教學行為分析框架，并以“打卡機器人”公開課為例進行時序、結構、動態特征與交互特征分析，根據分析結果，從優化教學模式、合理化交互設計、促進高階思維發展三方面提出教學建議。

關鍵詞 中小學；跨空間；人工智能課堂；教學行為；打卡機器人；虛擬仿真實驗室

中圖分類號：G633.67 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）17-0-06

0 引言

近年來，人工智能技術逐步成為建設創新型國家的重要推動力。2017年，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，明確“在中小學階段設置人工智能相關課程”的要求，使得人工智能課程得到廣泛重視。當前，江蘇省、天津市、廣東省廣州市等在教育事業發展“十四五”規劃中明確了“普及人工智能教育”的目標和任務，建設了虛擬教學平臺。例如，廣州中小學人工智能教學平臺（https：//ai.gzjyc.org/home）面向義務教育人工智能課程，提供人工智能模型演示與搭建、圖形化編程與運行、任務布置與反饋的虛擬仿真實驗室。面對面的實體空間課堂教學與虛擬仿真平臺實踐相融合，逐步形成人工智能跨空間課堂教學的常態。

為探究中小學跨空間人工智能課堂的教學行為特征，提升教學效率，本研究借鑒FIAS（Flanders Interaction Analysis System，弗蘭德斯互動分析系統）、iFIAS（improved Flanders InteractionAnalysis System，改進型弗蘭德斯互動分析系統）和ITIAS（Information Technology-based Interac-tion Analysis System，基于信息技術的互動分析編碼系統），同時綜合跨空間環境特征，構建跨空間人工智能課堂教學行為分析框架，以八年級“打卡機器人”公開課為例展開分析，并根據分析結果提出教學建議。

1 文獻回顧與問題提出

虛實融合、線上線下融合的教與學，已成為諸多學者研究的焦點，研究也證實了其在參與度、師生互動、團隊協作等方面的有效性。有研究表明，基于虛擬環境的線上教育有利于提高課程參與度[1]；智慧教學平臺支持下的課堂教學，學生的參與度和主體地位都較高[2]；當小組協作面對面交流困難時，虛擬平臺工具的支持有利于小組任務的完成[3]；線上或虛擬教學平臺可提供豐富的課程資源，促進師生的在線交流和教學互動[4]；基于Unity3D和模塊化虛擬拼裝教學平臺，能增強課程的靈活性和拓展性，凸顯學生主體地位，有利于培養學生的溝通能力、創新能力和團隊協作能力等[5]。與此同時，實體課堂中融入虛擬平臺或資源后也出現一些新的問題。例如：實體課堂融入虛擬資源后，教學行為并未改變傳統課堂的本質[6]；學生對虛擬學習平臺有用性的感知和態度以及后續使用意愿，均受有效教與學活動的影響[7]。可見，研究者大多聚焦于虛擬平臺、資源等加入實體課堂后對學生行為的影響，較少關心教師在虛擬空間和面對面空間中的教學行為對學習行為和效果的影響。

人工智能課程普及過程中，為解決部分學校硬件配置不足問題，需在面對面教學時依托虛擬仿真實驗室展開教學。那么，虛實融合的跨空間人工智能課堂師生互動行為有何特點？教與學互動行為效率如何？是否能夠體現學生的主體地位？

本研究通過課堂觀察和視頻編碼分析，采取定性與定量相結合的方法對跨空間人工智能課堂的師生互動行為進行分析，以期強化學生的參與度和體驗感，推動人工智能課程教學目標的有效實現和學生智能素養的提升。

2 分析框架：聚焦跨空間人工智能課堂教學行為

20世紀60年代，美國教育家Flanders N A[8]基于幫助教師實現自我導向專業發展的目的，提出FIAS，借此評估課堂教學質量。2004年，顧小清等[9]提出ITIAS，充分考慮應用信息技術的課堂教學特色，完善了FIAS缺少對信息技術進行分析的問題。方海光等[10]結合ITIAS中的技術元素，對FIAS作出優化，提出iFIAS。在已有研究框架的基礎上，結合跨空間人工智能課堂特征，構建跨空間人工智能課堂互動行為分析框架（Cross-Space AI-classroom Interaction Analysis System，簡稱CSAI-IAS），如表1所示。

1）關注兩個空間的行為，把CSAI-IAS劃分為物理空間和虛擬空間兩個維度。在物理空間，借鑒FIAS編碼系統，將課堂行為分為教師行為、學生行為、沉寂或混亂三類。在虛擬空間，則參考ITIAS中的信息技術要素，綜合人工智能虛擬實驗室的功能特色，劃分界定了教師行為、學生行為、操作交互、沉寂或混亂。

2）由于跨空間人工智能課堂包括面對面交互、虛擬仿真實驗室中的師生交互、人機交互，因此，在iFIAS原有“無助于教學的混亂”類別中，將其細分為物理空間的“有益于教學的沉寂”“課堂紀律管理造成的混亂”和虛擬空間的“網絡和設備原因引起的沉寂或混亂”。

3）基于虛擬仿真實驗室的功能特點，將ITIAS“教師操縱技術”指標細分為“演示操作虛擬仿真實驗室”和“發放或點評虛擬仿真實驗室的作業”。例如，教師使用虛擬仿真實驗室介紹打卡機器人模型組裝、原理和流程等知識講授型行為編碼為L，教師發放、檢驗和分享學生作業完成情況等行為編碼為M，以便能更精準地理清該互動行為的目的，并探討對應的虛擬仿真實驗室功能效果。

4）為能更好地體現師生在虛擬空間支持下思維和技術的交互，將教師巡視課堂時指導學生完成實驗作業的行為編碼為“O：虛擬空間—操作交互”。

3 案例分析：探索跨空間的課堂教學行為特征

本研究選取廣東華僑中學八年級人工智能課程第6課“打卡機器人”公開課為分析課例。該課例是典型的跨空間課堂教學案例，師生同處于計算機網絡教室，完成面對面的課堂講授，小組協作、討論與分享等活動；同時借助廣州中小學人工智能教學平臺的虛擬仿真實驗室，完成打卡機器人的模型搭建、程序編寫和作品交流分享。學生已具備一定的人工智能通識，能熟練使用該虛擬仿真實驗室。

3.1 課例觀察時序分析

時序分析發現該課例教學過程分為六個環節，即情境導入、模型演示、原理解析、流程分析、動手實踐和拓展延伸如表2所示。與教材內容呈現順序基本一致，其中動手實踐11分鐘，其他環節2～5分鐘不等，較好地突出了“做中學”的特征。在情境導入和流程分析環節均引入生活化情境，以具身認知來促進抽象知識的習得。模型搭建、程序編寫和優化等任務在虛擬仿真實驗室完成，任務量較大，部分學生完成度不高。那么，跨空間課堂應如何更好地安排教學行為呢？這就需要進一步進行課堂結構和動態特征分析。

3.2 課堂結構和動態特征分析

課堂中各類行為的占比能較好地反映課堂結構。如表3所示以3秒為間隔編碼所得820條數據，經頻次分析發現，物理空間教師行為和學生行為占比分別為67.74%和26.21%，可見在面對面的課堂交互中仍是以教師為主導，未能突出學生主體性；但是，教師提問的言語頻次為76次，學生主動應答的頻次為79次，說明師生面對面的問答交互效率較高。虛擬空間教師行為為131次，學生行為129次，兩者接近1∶1，說明基于虛擬平臺上學習任務的師生互動良好，學生參與度高。其中，教師巡堂時指導學生完成實驗作業的行為頻次為36次，教師的主導功能體現明顯。

進一步對比物理空間和虛擬空間的師生行為比率與常模值的差距發現，兩者均呈現出學生行為比率高于常模值。尤其是虛擬空間學生行為比率占39.82%，遠高于常模值20%。綜上，在“打卡機器人”這一跨空間人工智能課例中，基本遵循學生為主體、教師為主導的教學結構，并體現出問題驅動式的引導，有利于提升學生的自主實踐效率和參與度。

然而，課堂是連貫且持續進行的，單一的行為頻次未能連續地還原課堂行為[11]，為此，本研究進一步繪制動態折線圖，更直觀地展現課堂中師生行為的動態變化，如圖1所示。

情境導入環節（約前4分鐘），師生行為主要發生在物理空間，雖然教師行為占比明顯高于學生，但卻隨著情境的導入呈下降趨勢，學生行為占比則在情境提問中逐步提高。可見，情境導入中，若融合啟發性問題，更能引導學生主動學習與思考的行為。

模型演示環節（約第4—8分鐘），師生在物理和虛擬空間均有了互動行為，但以教師虛擬空間演示為主，表現出教師行為為主的特征。

原理解析環節（約第8—13分鐘），出現教師物理空間行為的高峰，教師結合多媒體課件解析智能模型中各元件的功能和原理，一定程度上忽略了學生的主體性。

流程分析環節（約第13—17分鐘），出現師生行為分離的現象，前半程學生嘗試在虛擬實驗室通過拆解案例程序分析工作流程，呈現出學生虛擬空間行為為主；而后半程教師給出完整流程圖講解，呈現出教師物理空間行為為主。

動手實踐環節（約第17—38分鐘），師生的行為及交互主要發生在虛擬空間，學生行為占比整體上高于教師行為占比，并伴隨師生操作交互行為。可見，完成虛擬仿真實踐任務，有利于提升學生的參與度和主體地位。

拓展延伸環節（約第38—41分鐘），教師結合圖片和視頻，拓展講解人臉識別技術的其他應用場景，教師物理空間行為再次達到高峰；而學生虛實空間行為均逐步降為0，從虛擬實驗環境切換到物理空間的視聽行為，學生思維難以轉換。

3.3 跨空間的互動行為特征

有研究表明，積極強化行為可以促進師生有效交互，提升學習效率[12]。課例編碼分析顯示（表4），教師物理空間發生的積極強化（編碼E：教師表揚、鼓勵或采納學生觀點）與消極強化（編碼D、G、K分別代表教師批評或維護教師權威、學生被動應答和課堂紀律管理造成的混亂）的比例為2∶1。與此同時，課堂實錄觀察發現，教師對學生的積極強化主要表現為學生主動回答后的夸獎、學生應答遇到困難時的引導和鼓勵，以及在虛擬實驗室中教師的及時指導。由此可見，在跨空間的課堂中，物理空間的積極強化和引導有利于學生提升探究實踐效率以及構建良好課堂氛圍，從而提升教學效率。

聚焦虛擬空間的行為分析發現，虛擬空間的教學行為頻次為324次，其中教師演示操作行為83次，發放或點評學生模型搭建或編程作業行為48次，操作交互36次，在整節課中共占比39.51%，充分體現了虛擬實驗空間在人工智能面對面課堂中的補充作用。同時，課堂實錄觀察發現，各環節虛擬空間的學習與互動有效促進了學生的學習參與度。例如，在講解技術原理時，教師結合虛擬仿真實驗室進行演示，學生能直觀地觀察打卡機器人的模型構成和運行效果。動手實踐環節，教師依據學生的學習進度，通過虛擬仿真實驗室分層發放不同難度的實踐任務，及時發現學生在任務探究中的問題并予以糾正，實現更精準的指導。

4 結果討論與教學建議

4.1 結果討論

4.1.1 設計視角：未體現跨空間優勢的教學策略，會使學生主體地位受限

物理空間的師生行為頻次比為2.58∶1，虛擬空間教師行為頻次也略高于學生行為頻次（接近1∶1），學生主體地位未能完全凸顯。結合動態特征曲線可見，多個環節的教學策略均未能體現跨空間課堂的優勢。例如，模型演示雖借助虛擬實驗室進行，但學生仍是以視聽行為為主，若將其設計為“拆一拆”的探究任務，學生將虛擬模型進行拆解后，借助平臺對元件的注解完成主動學習，比被動的視聽學習更有效。再如，原理解析環節從虛擬空間切換到物理空間，采取多媒體輔助講解的策略，忽略了學生的先驗知識；若采用類比法，并通過虛擬平臺上“打卡機器人”示例運行，逆向推演各元件的功能原理，更能體現學生的深度認知加工過程。

4.1.2 交互視角：跨空間的多邊交互，有利于提升學生參與度

從動態特征曲線可見，課例體現了跨空間的多重課堂交互，包括教師與虛擬仿真實驗室、學生與虛擬仿真實驗室、師生和生生面對面以及師生在虛擬平臺的交互。比如，模型搭建演示，教師在虛擬空間進行拆解和組裝，學生可邊看邊實踐；編程實現機器人功能時，學生可在軟硬實驗室中切換，編寫程序的同時進行運行調試；教師通過虛擬平臺拋出問題或任務后，可在虛擬空間監測學生完成過程，面對面進行糾錯和指導。學生在各教學環節不再是單純的傾聽者，均有一定程度的主動性，參與度提升明顯。同時，該課例中師生交互中的積極強化是消極強化的兩倍，課堂氛圍和諧；教師設問時，學生面對封閉式問題響應積極，開放性問題沉寂時間較長，因此，在各類交互中，教師還應注意問題設計的合理性及與學生的情感交互。

4.1.3 實踐視角：虛擬空間的多元實踐，能促進探究與反思等高階學習

課堂行為分析發現，在虛擬空間學生行為頻次較高且操作交互行為遠多于課堂沉寂。學生在虛擬仿真實驗室收到教師下達的任務后，能積極展開探究，這一過程中學生操作交互行為頻次與虛擬空間總體行為頻次是成正比的。教師對學生的探究行為能進行過程監控、個性化糾錯，也能將優秀作業實時分享在教室大屏上，引導學生反思、改進和優化作品。學有余力的學生還能進行任務進階，將所設計的機器人功能升級。在這一過程中，學生既有自主實踐探究，也有建立在同伴分享基礎上的有效反思，高階思維得以鍛煉。

4.2 教學建議

4.2.1 優化教學模式，突出學習者為中心

人工智能課程有一定的工程實踐性，內容包括模型搭建、原理解析、流程梳理、程序編寫、調試運行等，在跨空間的課堂上，若不能合理安排教學流程，易因課時有限、課堂容量超負荷等原因，導致學生主體行為受限。為此，可借鑒適用于工程實踐類課程的教學模式或框架，將學習內容有機融入各教學環節。例如：廣泛應用于工程類課程的CDIO模式，在“項目構思（Conceive）→方案設計（Design）→轉換實施（Implement）→運作展示（Operate）”四個環節中融入內容，有效調動學生主動性；BOPPPS參與式教學模型，按WliQrb4ZHN5XG85jMcQ2zw==照“情境引入，激發動機（Bridge-in）→目標設定，結果導向（Objective/outcome）→課前摸底，內容聚焦（Pre-assessment）→參與式學習，強化互動（Participatory Learning）→課后測驗，檢驗結果（Post-assessment）→總結反思，鞏固效果（Summary）”的流程，有效提升學生參與度。

4.2.2 合理設計多元交互，提升學生參與度

跨空間的課堂交互相較于傳統課堂來說更為復雜，教師、學生、虛擬仿真實驗室、教室電子白板或一體機等大屏之間均存在交互（圖2）。在物理空間，師生之間以講授、問答、指導、糾錯互動為主，教師對學生進行提問與積極引導，并使用鼓勵性的言語等正強化手段，能有效提升學生主動回答和反饋的行為頻率；生生之間則以討論、分享互動為主。在虛擬空間，學生能在虛擬仿真實驗室中完成模型搭建、編程創作和運行調試等實踐任務，且教師能進行過程監督與評價。由此可見，虛擬空間中基于實踐任務的交互能有效提升學生的參與度，體現“做中學”和“學生為中心”的特征。

4.2.3 充分利用虛擬空間優勢，促進學生高階思維發展

相比于購置人工智能課程所需硬件設備，利用虛擬平臺展開跨空間的教學是規模化、低成本支撐課程開設的最佳選擇。在虛擬空間，學生收到教師下達的任務后能積極展開探究。同時，教師對學生的探究行為能進行過程監控、個性化糾錯，通過實時分享優秀作品引導學生反思，改進和優化自己的作品。學有余力的學生還能挑戰將所設計的機器人功能升級，使高階思維得到鍛煉。

5 結束語

本研究在前人研究的基礎上，結合人工智能課程特色，設計了跨空間人工智能課堂互動行為分析系統（CSAI-IAS），并選取廣州市八年級“打卡機器人”公開課為研究課例，探討分析目前人工智能課程教學過程中面臨的問題。

研究發現，物理空間與虛擬空間相融合的跨空間人工智能課能夠實現教師、學生、平臺之間的跨空間多重交互，大大提升學生參與度，虛擬空間的多元實踐能有效促進學生進行探究與反思等高階學習；但也容易因教學策略使用不合理，在課時有限、課堂容量超負荷的情形下，使得學生主體地位受限。為此，研究提出借鑒CDIO、BOPPPS等工程實踐類教學模式進行流程優化；合理設計跨空間系統中的多元交互，提升學生參與度；充分利用虛擬空間優勢，促進學生探究、批判、溝通、反思等高階思維發展。

總之，物理空間和虛擬空間相融合的跨空間人工智能課堂教學是我國人工智能教育普及的可行路徑之一，在提升學生學習效率、參與度、主動性等方面均有一定的優勢。

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*項目來源：教育部人文社會科學研究項目“專遞課堂強交互教學模式創新與實證研究”（基金編號：22YJA880048）。

作者簡介：田俊，博士，副教授，碩士生導師。