未來課堂暢想

李恩艷 閆晨紅

【摘 要】隨著技術(shù)的發(fā)展，未來的課堂將會(huì)被賦予智能性、創(chuàng)新性、融合性、開放型、價(jià)值性的特征，成為智能技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的產(chǎn)物。本文以“跨國(guó)橋梁”課程為例，從課題、教學(xué)目標(biāo)、重難點(diǎn)、教學(xué)環(huán)節(jié)等對(duì)課程進(jìn)行初步的教學(xué)設(shè)計(jì)探索，以期為完善未來課堂發(fā)展的理論體系和未來課堂實(shí)踐提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】未來課堂;STEAM教育;人工智能;跨國(guó)橋梁

【中圖分類號(hào)】G633.9? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? 【文章編號(hào)】1671-8437（2021）16-0254-03

國(guó)務(wù)院2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)，要利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系。那么，在這樣的政策號(hào)召下，未來課堂將會(huì)是什么樣的呢？未來的教學(xué)場(chǎng)景將會(huì)是什么樣的呢？未來教育培養(yǎng)出來的人才將具有什么樣的素養(yǎng)呢？毋庸置疑，未來的課堂和教學(xué)場(chǎng)景一定具備智能化、個(gè)性化、高效化的特點(diǎn)，未來教育培養(yǎng)出來的人才也會(huì)具備科學(xué)素養(yǎng)、人文底蘊(yùn)和探索學(xué)習(xí)、創(chuàng)意革新、溝通合作、思考與解決問題的能力以及積極向上的人格和價(jià)值觀。

1? ?未來課堂的人工智能技術(shù)與STEAM教育

未來課堂一定是建立在人工智能的技術(shù)基礎(chǔ)上，未來課堂將由教師和人工智能共同為學(xué)生提供權(quán)威的學(xué)習(xí)支撐、精準(zhǔn)的內(nèi)容推薦、科學(xué)的活動(dòng)管理，實(shí)現(xiàn)多元的教育服務(wù)供給。

1.1? 未來課堂的人工智能技術(shù)

1.1.1? 智能教學(xué)環(huán)境

在未來課堂中，人工智能將具備應(yīng)用于教育領(lǐng)域的技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)成本，每個(gè)學(xué)生都有一個(gè)平板或者智能設(shè)備，能連上高速網(wǎng)絡(luò)，并可與教師實(shí)時(shí)共享信息和互動(dòng)。智能教室能夠通過人臉識(shí)別、攝像頭捕捉等技術(shù)，自動(dòng)感知學(xué)習(xí)者的信息特征和學(xué)習(xí)需求，并對(duì)學(xué)習(xí)者的動(dòng)作等進(jìn)行分析和跟蹤[1]。

1.1.2? 智能教師助理

具有協(xié)助教師進(jìn)行智能備課、生成教學(xué)設(shè)計(jì)、智能輔導(dǎo)、個(gè)性化作業(yè)布置、個(gè)性化評(píng)價(jià)報(bào)告生成服務(wù)、精準(zhǔn)校驗(yàn)報(bào)告生成服務(wù)、自動(dòng)生成學(xué)期和年度總結(jié)等功能。

1.1.3? 智能教學(xué)過程支持

可進(jìn)行智能診斷與推薦，構(gòu)建學(xué)習(xí)平臺(tái)的知識(shí)圖譜、學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的檢測(cè)與預(yù)警、VR和AR虛擬操作與仿真，同時(shí)有類似智能數(shù)學(xué)建模、智能語音繪圖以及腦科學(xué)在智能領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.1.4? 智能教育評(píng)價(jià)

診斷性評(píng)價(jià)：包含虛擬立體游戲化測(cè)評(píng)、認(rèn)知診斷和學(xué)習(xí)者能力建模等。

過程性評(píng)價(jià)：“魔鏡系統(tǒng)”會(huì)實(shí)時(shí)識(shí)別學(xué)習(xí)者的表情、狀態(tài)、回答問題的次數(shù)、答案關(guān)鍵詞的契合度等。智能手表可監(jiān)測(cè)課堂行為，再給出具體的、個(gè)性化的評(píng)價(jià)。

總結(jié)性評(píng)價(jià)：課堂的音頻和視頻均會(huì)被記錄下來，借助圖像處理和語音識(shí)別技術(shù)，分析課堂互動(dòng)情況。抽取音、視頻中的知識(shí)點(diǎn)形成知識(shí)圖譜，便于后續(xù)分析。

1.2? STEAM教育

STEAM教育作為全球性教育戰(zhàn)略，于20世紀(jì)90年代產(chǎn)生于美國(guó)，是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡(jiǎn)稱，其關(guān)鍵特征如下：①以學(xué)生為中心、多元主體參與的教育理念。②跨學(xué)科整合的學(xué)習(xí)內(nèi)容。③基于項(xiàng)目/問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)形式。④依托工具和學(xué)習(xí)資源。⑤創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)[2]。

基于STEAM教育的特點(diǎn)，將人工智能技術(shù)嵌入STEAM課程中，以實(shí)現(xiàn)智能性、創(chuàng)新性、融合性、開放型、價(jià)值性的未來課堂。

2? ?教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1? 教學(xué)目標(biāo)

2.1.1? 知識(shí)與技能目標(biāo)

通過預(yù)習(xí)和討論，了解設(shè)計(jì)橋梁時(shí)需要考慮的各學(xué)科知識(shí)點(diǎn)并能進(jìn)行歸納分類，提高小組協(xié)作和交流溝通能力。

2.1.2? 過程與方法目標(biāo)

能夠使用智能系統(tǒng)進(jìn)行橋梁的設(shè)計(jì)展示。

2.1.3? 情感態(tài)度價(jià)值觀目標(biāo)

形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S，提高探究和創(chuàng)新能力。

2.2? 教學(xué)重點(diǎn)

結(jié)合各學(xué)科因素及智能手段設(shè)計(jì)并展示跨國(guó)橋梁。

2.3? 教學(xué)難點(diǎn)

智能環(huán)境下跨國(guó)橋梁設(shè)計(jì)方案的確定及智能模擬。

2.4? 教學(xué)環(huán)節(jié)

教學(xué)對(duì)象為高二學(xué)生，學(xué)生課前已查閱了一些港珠澳大橋的建設(shè)背景、建設(shè)要求、面對(duì)的困難、設(shè)計(jì)的要求、建成的效果和影響等內(nèi)容。

2.4.1? 情境導(dǎo)入

為學(xué)生播放港珠澳大橋的相關(guān)視頻，以震撼的場(chǎng)面激發(fā)學(xué)生的憧憬，引發(fā)學(xué)生的想象。同時(shí)智能助教會(huì)根據(jù)先前導(dǎo)入的學(xué)生知識(shí)背景和性格等因素將學(xué)生分為4個(gè)小組，每個(gè)小組9人，便于后面的討論和合作。

2.4.2? 新知探討

師：港珠澳大橋是全球規(guī)模最大的跨海大橋之一，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家不同地區(qū)之間的聯(lián)通。那么，全球化背景下人類是否有必要設(shè)計(jì)并建設(shè)跨國(guó)大橋？除了飛機(jī)、鐵路，是否可以設(shè)計(jì)跨海公路？如果可以，以哪兩個(gè)國(guó)家的哪兩個(gè)城市為案例呢？需要考慮哪些因素呢？如何實(shí)

現(xiàn)呢？

生：各種回答，并開始思考……

（此時(shí)，學(xué)生桌上的電腦已根據(jù)課堂的語音自動(dòng)進(jìn)行了關(guān)鍵詞識(shí)別，并為學(xué)生出示世界地圖。學(xué)生也可實(shí)時(shí)查閱各種資料，只需發(fā)送語音命令即可。此過程中，每個(gè)學(xué)生的智能系統(tǒng)會(huì)根據(jù)他們的要求實(shí)時(shí)顯示所挑選的兩地的直線距離、海洋名稱、海洋深度、水域環(huán)境等

情況。）

最終，大多數(shù)學(xué)生確定了以我國(guó)的山東省威海市到韓國(guó)首爾為例，來設(shè)計(jì)這段跨國(guó)大橋。

師：確定了橋的兩端，接下來要考慮什么呢？

生：首先是橋的設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求。

學(xué)生借鑒港珠澳大橋，歸納了橋的設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求，包括造型優(yōu)美、經(jīng)濟(jì)效率好、水陸空立體交通線互不干擾、環(huán)保、行車安全、抗擊和抗腐蝕性強(qiáng)……

師：設(shè)計(jì)這樣的大橋，要考慮哪些因素呢？

教師可給予學(xué)生一定時(shí)間進(jìn)行小組討論，每個(gè)人的智能顯示器上都會(huì)顯示時(shí)間并提示。（智能助教會(huì)在教室里巡視，為學(xué)生答疑解惑。且智能學(xué)習(xí)助手會(huì)根據(jù)學(xué)生討論的語音進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，提取關(guān)鍵詞并轉(zhuǎn)錄為

文字。）

生：需要考慮的因素，有……

2.4.3? 總結(jié)歸納

師：每個(gè)組可否將需要考慮的因素進(jìn)行分類，以便從各個(gè)角度更有邏輯地去思考和設(shè)計(jì)呢？

生：開始進(jìn)行思考和歸類。（各小組依次展示、補(bǔ)充。這個(gè)過程可借助智能系統(tǒng)，在教室正中央的大屏幕實(shí)時(shí)展示學(xué)生的討論結(jié)果。）

科學(xué)S（理化生）：橋梁抗震性、橋體和路面抗腐蝕性（石墨烯）、綠植。

技術(shù)T（信息技術(shù)、通用技術(shù)）：通信（基站）、通行（左、右）、載荷、去冰凍。

工程E：繪圖、隧道、橋墩、橋塔、車道、限速、服務(wù)區(qū)（人工島）、供電（充電樁）、監(jiān)控、照明、消防、排水。

藝術(shù)A（語言、音樂、美術(shù)）：橋景、島景、語言的融合。

數(shù)學(xué)M：數(shù)據(jù)處理、建模。

政治P：跨國(guó)洽談、項(xiàng)目融資、監(jiān)管、旅檢。

經(jīng)濟(jì)E：成本、效益、旅游收入、電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）。

文化C：文化交流、歷史淵源。

生態(tài)E：動(dòng)物保護(hù)、生態(tài)、噪音。

師：同學(xué)們思考得非常全面，你們身上有著未來科學(xué)家、工程師、藝術(shù)家的潛力和影子，為你們點(diǎn)贊！接下來大家愿意進(jìn)行角色扮演，團(tuán)結(jié)協(xié)作來完成跨國(guó)大橋的設(shè)計(jì)嗎？

生：非常愿意！

2.4.4? 仿真模擬

師：請(qǐng)各組同學(xué)進(jìn)行角色分工，假設(shè)我們的項(xiàng)目是由一群科學(xué)家、技術(shù)專家、工程師、藝術(shù)家、數(shù)學(xué)家、外交家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、文化研究者、生態(tài)學(xué)家在一起共同設(shè)計(jì)的。（給出一定時(shí)間）

（各組學(xué)生自由分工，開始進(jìn)入各自應(yīng)負(fù)責(zé)的工作，集中討論后，大橋的設(shè)計(jì)逐漸成型。）

師：跨國(guó)大橋涉及兩個(gè)國(guó)家，再請(qǐng)4個(gè)小組兩兩結(jié)對(duì)，各自代表不同國(guó)家，洽談你們的合作業(yè)務(wù)吧！

（洽談工作和合作設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，智能系統(tǒng)會(huì)及時(shí)根據(jù)洽談內(nèi)容反饋各種設(shè)計(jì)的可行性。）

一段時(shí)間后……

師：想看一看我們?cè)O(shè)計(jì)的跨國(guó)大橋是什么樣的嗎？請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案將各種數(shù)據(jù)（兩地的距離、不同國(guó)家的利益契合、需要的材料、風(fēng)景設(shè)計(jì)、文化融合、生態(tài)保護(hù)等）傳入仿真系統(tǒng)，由系統(tǒng)來畫圖。

學(xué)生將數(shù)據(jù)傳入仿真系統(tǒng)。

師：同學(xué)們想看看你們?cè)O(shè)計(jì)的橋長(zhǎng)什么樣子嗎？請(qǐng)同學(xué)們戴上自己的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，讓我們穿越時(shí)間和空間，去看看你們?cè)O(shè)計(jì)的跨國(guó)橋梁吧！

學(xué)生戴上虛擬設(shè)備，非常期待。

師：同學(xué)們想不想再真實(shí)一點(diǎn)，想象你是一位想要通過這座大橋的司機(jī)或乘客、一位人工島的工作人員、一位橋上的交警……身臨其境地體驗(yàn)他們的工作和情緒呢？

（學(xué)生戴上虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的設(shè)備后，可身臨其境地進(jìn)行體驗(yàn)和操作。這個(gè)過程中，如果一些因素沒有考慮到或者操作有誤的話系統(tǒng)會(huì)發(fā)出提示或報(bào)警，協(xié)助學(xué)生改進(jìn)。）

2.4.5? 作業(yè)布置

師：接下來請(qǐng)同學(xué)們?cè)谡n后將本節(jié)課的內(nèi)容總結(jié)成小組的研究報(bào)告，下周二前導(dǎo)入智能測(cè)評(píng)系統(tǒng)并根據(jù)反饋改進(jìn)。

（智能測(cè)評(píng)強(qiáng)調(diào)通過一種自動(dòng)化的方式來評(píng)價(jià)學(xué)生的發(fā)展。整個(gè)過程由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別、信息處理、分析判斷、做出評(píng)價(jià)并提供建議，較少或者不需要人的參與[3]。）

學(xué)生經(jīng)過查閱資料、視頻沖擊、動(dòng)腦思考、歸納分類、角色扮演、討論交流、仿真模擬、生成研究報(bào)告等環(huán)節(jié)，借助智能教學(xué)支持手段，已對(duì)跨國(guó)橋梁的設(shè)計(jì)和建設(shè)產(chǎn)生一定的了解，并體會(huì)了不同角色在這一項(xiàng)目中的作用，明白了團(tuán)結(jié)協(xié)作的重要性，提升了團(tuán)隊(duì)合作力和愛國(guó)精神，研究報(bào)告的生成環(huán)節(jié)又將學(xué)生的探究能力進(jìn)行了總結(jié)和升華。

3? ?課后反思

（1）有了人工智能的協(xié)助，數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識(shí)還用學(xué)嗎？還用做題嗎？

（2）這樣的教學(xué)模式、教學(xué)效果如何擬合于當(dāng)前的中學(xué)教學(xué)評(píng)價(jià)模式？

雖然當(dāng)下智能化手段和技術(shù)還未完全滲透至教育教學(xué)領(lǐng)域，但當(dāng)技術(shù)的成本足以支撐其在教育教學(xué)中的普及時(shí)，智能化支撐的未來課堂將成為可能，它將是以項(xiàng)目為依托，融合了STEAM教育理念下的多學(xué)科因素，融合了師、生、機(jī)器等多角色的互動(dòng)型、生成型、創(chuàng)新型課堂。未來課堂不僅是傳統(tǒng)教與學(xué)系統(tǒng)的延續(xù)與擴(kuò)展，還應(yīng)該強(qiáng)調(diào)在技術(shù)的深度介入下，通過學(xué)習(xí)環(huán)境促進(jìn)人與人之間的知識(shí)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)活動(dòng)與學(xué)習(xí)環(huán)境的統(tǒng)一[4]。未來課堂，拭目以待。

【參考文獻(xiàn)】

[1]余勝權(quán).人工智能+教育藍(lán)皮書[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2020.

[2]葛巖，楊雪，王藝潼，孫艷.基于STEAM的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020（9）.

[3]彭美霞.人工智能視域下未來課堂教學(xué)設(shè)計(jì)特性淺析[J].延邊教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2020（5）.

[4]劉智明，武法提，殷寶媛.信息生態(tài)觀視域下的未來課堂——概念內(nèi)涵及教學(xué)體系構(gòu)建[J].電化教育研究，2018（5）.

【作者簡(jiǎn)介】

李恩艷（1988～），女，漢族，陜西西安人，在讀碩士研究生。研究方向：教師教育的理論和實(shí)踐。

閆晨紅（1997～），女，漢族，陜西西安人，碩士。研究方向：量子密碼學(xué)。