一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境研究*

王伟东，金义富

(1.岭南师范学院 广东高校数字化学习工程技术开发中心 信息与教育技术中心， 广东 湛江 524048；2.岭南师范学院 教育技术研究所， 广东 湛江 524048)

一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境研究*

王伟东1，金义富2

(1.岭南师范学院 广东高校数字化学习工程技术开发中心 信息与教育技术中心， 广东 湛江 524048；2.岭南师范学院 教育技术研究所， 广东 湛江 524048)

为了实现课堂教学中及时全面的互动反馈，灵活开展各种模式的学习和评价分析管理，该文以互动反馈系统为基础，结合电子书包、一对一数字化学习、云桌面、知识库、基于大数据的学习分析、虚拟课堂等数字化学习相关技术进行改进后，构建了一种一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境。形成的知识库，可进行基于大数据的学习分析、个性化学习资源推荐、启发式联想搜索知识、主观题的自动评分等。该文提出了一种主观题交叉评分的方法，并给出了主要流程方案，实现了复杂主观题也能进行互动并可当堂反馈。

互动反馈；电子书包；一对一数字化学习；知识库；主观题评分

现在学校里的常规教学，主要采取的形式是以班为单位的课堂教学。这种由一位教师同时向多个学生进行集体授课的传统课堂，自古代一直延续传承到今天，操作简单方便，但也有不足。传统课堂中由于是一位教师同时对多位学生讲课，一般认为教师讲完了学生应该就学会了，或者有个别学生学会了，就认为全部学生都学会了，还有不会的学生课后再自行学习或问老师。接受能力弱或上课不专心走神了的学生，课后如果不花更多时间及时补救，每堂课的问题就会不断累积，这些学生自然沦成差生，日后师生都要为他们花费更多时间来弥补也难以有成效。而对接受能力强的学生，可能每堂课要在等待其他同学的过程中浪费时间，或促成他们很快上课走神。在传统课堂中，教师通过提问或抽测方式，只能了解个别学生的学习情况，课后作业则要花很多时间进行批改和统计，当堂课中未能对每个学生的学习情况及时了解和反馈。

我国教育部在《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》中强调要探索建立以学习者为中心的教学新模式[1]。很多教学一线的老师早已经注意到学生的个性差异是客观存在的，也认可学生是学习活动中主体，想方设法尽力改进教学，但在一对多的传统课堂中老师独力难支，很难及时应对每个学生的互动反馈进行因材施教。1995年Wilson等认为学生在课堂中的学习环境是以学习活动为中心的，并提出了以“学习环境”的称呼来代替传统所言的“教学环境”，以下沿用这种称呼。为了满足学生个性化学习的需求，国内外从关注改进教师的教，到注重优化学生的学，不断进行课堂教学改革，结合课堂教学各方面的情况研究实践了：探究性学习[2]、研究性学习[3]、协作学习[4]、反思性学习[5]、实践性学习[6]、自主学习[7]等学习模式，每种学习模式有对应支持的学习环境，本文结合数字化学习相关技术，研究基于互动反馈的一对一数字化智能课堂学习环境。

一、数字化学习相关技术

(一) 互动反馈系统

如下页图1所示，互动反馈系统[8](Interactive Response System, 以下简称，IRS)主要由三部分组成：学生每人一个的无线手持式表决器学生终端(常被形象地称为遥控器)、一台可连接教师机的无线收发主控器及一套互动反馈软件。该系统可在多媒体课室中使用，主控器连接讲台的教师计算机，将接收到的各学生终端的互动反馈结果显示到投影或大屏幕上。当教师需要检测学生在课堂上某小节的学习情况时，可以将预设的题目(一般是判断题或选择题)显示出来，让大家当场作答。学生作答的结果即时统计在屏幕上显示出来，可以看出哪些学生未答题或已答题、哪些学生先答或后答、哪些学生选了什么选项等。最后老师可以公布标准答案和评讲，及时纠正不正确的作答。

心理学家皮亚杰(Jean Piaget)认为，学生在学习过程中与外界进行交流互动，有利于逐步建立起自身的认知结构，可有效地提高学习效率。所以在课堂中应用IRS，教师适时地安排学生进行互动反馈，可以及时地全面了解每位学生的学习情况，而且学生在积极参与课堂上互动反馈的过程中也促进了本人知识的建构，有问题时老师还可以及时了解纠正。稍有不足是：(1)目前的产品未支持填空题、问答题、计算题等主观题的反馈；(2)未支持手机、平板电脑等作为学生终端。

图1 互动反馈系统结构

(二) 电子书包

电子书包[9](Electronic-schoolbag)主要是一台装有数字化学习资源和学习管理软件的平板电脑，通过无线网络可以接入服务器端，检索和获取授权的学习资源，上课互动、做作业、测验考试、进行学习交流等，具有比传统书包强大得多的功能。利用电子书包，在课前学生可以查看学习计划、进行预习和自主学习，在课堂中可接收老师共享的学习资料，参与课堂的互动反馈，进行探究性学习、研究性学习、分组协作学习、反思性学习、实践性学习、自主学习等，课后可以复习、做作业、考试等。在教师的组织下学生可用电子书包实现全阶段的个性化学习。稍有不足之处是：由于版权原因通常都不允许免费使用自带的智能手机、平板电脑等设备成为电子书包。

(三) 一对一数字化学习

为了解决传统课堂中一位教师同时对多位学生授课存在的不足，有人提出了一对一[10](One-to-One)数字化学习的方案，近年有不少这方面的研究和改进，如文献[11]中的作者在阿兰·凯灵顿的Padagogy轮的基础上，综合了活动理论、移动学习系统四大功能和混合学习理论，提出了一种基于平板电脑(PAD)的一对一数字化学习的教学法理论模型。一对一数字化学习的主要内容是：为课堂上的每位师生都配一台数字化设备，该设备装有各种学习资源和学习软件，接入无线网络后，学生可进行个性化学习、参与互动反馈和测评等学习活动。“一对一”的重要意义在于：在教师的组织引导下，课堂中的每位学生都有一台数字化学习设备，可分别同时应对各学生用户的个性化交互反馈，每位学生都有自己的独立学习空间，可按自己的实际进行个性化学习。课堂上教师可按教学计划要求学生们对某题进行作答，也可以安排分组研讨、收发作业、考试等教学活动。

(四) 云桌面

云计算[12]技术可以实现将软硬件资源动态地按需分配，应用该技术实现的虚拟桌面是一种虚拟机，虚拟机与我们日常办公用的实体个人计算机的功能一样，虚拟机系统的CPU、内存和硬盘存储空间等都来自服务器的硬件资源，所以性能可以达到很高，且虚拟机的批量管理更加方便，在服务器端可以快速生成或删除虚拟机，快速更换虚拟机的操作系统等。用户可以通过自已的智能手机、平板电脑、笔记本电脑、功能差的旧PC等登录虚拟机，虚拟机的应用效果和用实体计算机一样，其操作系统的桌面和实体机的没区别，故称为虚拟桌面，在教育领域又常称为云桌面[13](Cloud Desktop)。在数字化课堂环境中，学生的终端机可以是一台性能较弱的智能手机或平板电脑或很旧的PC，用了云桌面后，使用的是服务器上的硬件资源可达到很高的硬件性能，功能强大而且方便管理和维护，本地的实体机只要能联网和显示云桌面即可。

(五) 知识库和基于大数据的学习分析

大数据[14]是出现在数字化时代中的一种现象。大数据为我们分析和解决数字化环境下的学习问题提供了新思路，在数字化课堂开展期间，自动采集师生在教学活动中的表现和环境等多个维度的大量数据，及时整合筛选构建基于语义网的知识库[15]，可以进行统计分析和数据挖掘，并将结果反馈给师生，协助师生及时有效地调整教和学。基于大数据的学习分析[16]能够详细描述每个学生的学习过程、学生在各阶段的学习情况，可以有效地帮助师生改善课堂教学效果。

(六) 远程课堂与虚拟课堂

如果有学生跌伤了脚好几天都到不了课室现场参加集体的课堂学习怎么办？如果教师突然有紧急任务要出差几天如何开展课堂教学？等，这些传统课堂的疑难问题，在数字化学习环境中已经可以通过远程课堂或虚拟课堂来解决。

1. 远程异步课堂

教师可以将上课的过程录制成视频放到网上共享，学生下载课堂视频观看，再按要求做作业和测评，目前很多网上教学都采用这种方式，包括大部分的MOOCs[17](Massive Open Online Courses)。该方式主要的特点是学生不用准时到现场学习，可以按自己的实际选择适时的时间进行学习。当然老师出差时也可以在住的地方找时间录制讲课。不足之处是：在视频中不能进行师生间的实时互动交互操作，但可以通过其他交流平台进行学习交流等。

2. 远程同步课堂

用具有远程视频会议类功能的软件可以开展远程同步课堂教学，师生可进行远程同步的即时互动，有条件的甚至可以开展沉浸式逼真体验的网真课堂[18]。可以实现不到课堂现场的也能同步体验现场课堂的学习，参与课堂中的即时交流互动反馈。

3. 虚拟课堂

对于没有音视频实时录制设备的用户，可以通过设计开发游戏化的虚拟课堂[19]，让虚拟角色代替自己进去虚拟课堂场景中体验学习。像角色扮演游戏一样，通过人机交互操作，在虚拟课堂中也可以与师生进行学习的实时交互反馈。

二、一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境

(一) IRS+

岭南师范学院数字化学习工程技术开发团队，近年在研究开发抢答器的基础上，设计了具有IRS功能的多功能无线投票评分抢答反馈考勤系统[20]，以下简称为IRS+。它除了具有目前IRS的各项功能外，还支持蓝牙、Wifi等多种通信方式，学生终端可以有三种类型：外型像传统手机般的简易型终端、类似平板电脑的智能型终端，以及外加型终端允许将手机、平板等常用的智能电子设备安装软件后作终端使用。外加型终端可以是学生自己的智能手机、平板电脑(PAD)、笔记本电脑或个人电脑等，存在的问题是：进行抢答时由于不同通信协议的速度不一致可能会有时间误差，这需在以后的研究中改进，其他功能与专用终端上的一样。学生信息、互动反馈的题目等各种基础数据，可保存到本地硬盘和远程服务器端，可用本地软件界面或远程网站界面进行管理。支持各种主观题的互动，其结果和统计信息可以导出成通用的Excel或Word格式文档。

IRS+已经具备电子书包的主要功能，这时的主控器与教师机合起来称为服务端，采用智能型终端作为学生终端，在课堂上使用则成为一对一数字化学习环境，学生可以方便地使用教师在服务端共享的数字化学习资源，进行自主学习，也可以在教师的组织引导下进行分组协作学习、探究学习、参与课堂互动反馈等学习活动。配套的管理平台软件，主要功能有：基础数据管理、考勤、抢答、投票、评分、互动反馈、电子举手、淘汰赛、统计分析等。

(二) IRS++

为了增强学生终端的性能和功能，本文对IRS+再做进一步的改进，以构成一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境，为了区别之前的IRS+，将改进后的简称为IRS++。在IRS++中将服务端升级为基于云架构的云服务端，提供云桌面让学生终端使用，使得学生终端具有个人PC一样的性能和功能。在管理平台软件中加入：教务管理平台、自主学习平台、问卷调查平台和测验考试平台。其中的教务管理平台主要实现：单位部门、班级、学科、课程、学籍、教师信息、学期、教学计划、开课计划、课程表、成绩等教务方面的管理。自主学习平台是一种个人学习环境[21](Personal Learning Environment)，可进行课堂内及课外各种模式的学习活动和反思。有了强大性能及功能的学生终端和服务端后，就可以方便地对课堂开展过程中师生教学活动的各项数据进行及时全面地采集了，学习状态、学习情况的数据和学生要学习的知识内容可以存到基于语义网的知识库中，以便于进行基于大数据的学习分析，以辅助修正学生的学和教师的教。用聚类、离群、决策树等算法挖掘出总体教学问题、优差生的学习行为表现、学习能力、学习路径等，利用语义分析推理可实现个性化学习方案和学习资源推荐[22]，还能够实现启发式联想搜索知识，结合模糊识别算法甚至可以进行字符类主观题的自动评分[23]，实现填空、问答等部分基于字符的主观题的即时互动反馈。其他复杂主观题的互动，可用测验考试平台中的主观题交叉评分功能来实现当堂评分及时反馈，复杂主观题交叉评分的主要实现流程如下页图2所示。

1. 教师公布题目。将学生自动分组或手动分组。

2. 学生通过大屏幕看题或将题下载到自己的终端机上看。

3. 倒计时，学生按教师的要求做题。实验实践操作题可录制自己终端的屏幕生成视频文件上交，或截图生成图片文件上交，或交操作结果生成的文件；数学计算题等可以用画图软件演算后存成图片文件上交，或在纸上演算后用终端的摄像头拍成照片文件上交。做题过程中，服务端教师机的大屏幕上列出各学生的答题上交情况，谁什么时侯开始交，交成功了，谁还没交。至于在一个课室空间的范围内，走两步即可到现场看了是否还有必要拍照片上传，这个要求由上课的教师定。拍照虽看似麻烦但可以有完整的原始数据存档积累等好处。

图2 其他复杂主观题的交叉评分流程

4. 教师控制停止上交作答。公布题目的答案和评分标准。开启学生分组交叉评分功能。

5. 学生下载应评人的答卷，根据评分标准进行交叉评分，这个过程中学生可向教师请教答疑。服务端教师机的大屏幕上列出每个组评了多少，还有多少应评的未评，可查每个学生还有多少应评的未评，显示那些被所有应评的评完后的学生平均分，可按分数从高到低排名。每个小组都有组长，该组中同一答卷如果被两个或两个以上组员评不同分时，组长要组织讨论进行仲裁，给出仲裁分，这种情况以仲裁分为最后得分，必要时可向教师请教。

6. 教师控制停止评分。抽查一两组复核，最后对该次互动反馈作总结。所有数据记录保存到服务器，可生成学习评价，师生可以按权限查询统计分析结果。

再在课室的前后各加一个摄像机，条件允许的情况下尽量用带云台控制的摄像机，配上话筒(或拾音器)和音响设备，实时录播课堂学习过程，则可以开展远程课堂或虚拟课堂。这样就构成了一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境，其总体物理结构的示意如右图3所示。

图3 一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境总体物理结构的示意

(三) IRS++对教学的影响

智能手机、平板电脑(PAD)等智能终端设备中可以安装大量具有教学的功能软件，采用这些智能终端设备开展教学被认为是一种新的教学法，国内外有不少学者作过深入研究。由IRS++构建的一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境，功能更强大，是智能终端设备，可以使学生养成在遇到问题时立即搜索相关资源、尝试亲自动手验证实践探究，主动与别人交流分享经验的学习研究习惯。这种学习环境对学生学习的影响类似于能量场对场内粒子的作用，不断地影响促进着每个学生个体的求知欲望，推动学生间的交流互动，为学生学习提供工具和信息资源，为教师精确细致地掌控教学过程提供方便，为教学管理人员提供决策支持。

一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境所追求的目标不是全班同学达到一样的水平，而是尽可能让全班同学都学会应该学的内容，都超越达标水平，对智力正常的学生能避免未充分参与课堂交互而造成的落伍，个别学有余力的同学也可利用学习环境中的拓展学习资源向更高层次进一步提高学习水平。学习环境的功能再强，也要在教师的正确组织引导下才能发挥出好的作用。学习环境升级后，教师的教学模式也要相应地改进，在研究充分利用IRS++的工具和资源的过程中，也会不断提高教师自身的信息化应用水平。

三、结语

以互动反馈系统为基础，结合了电子书包、一对一数字化学习、云桌面、知识库、基于大数据的学习分析、远程课堂与虚拟课堂等数字化学习的相关技术，构建的一对一数字化互动反馈智能课堂学习环境，其实也是一种未来课堂[24][25](Future Classroom)学习环境，只是本文更加强调以学生的学习为中心，在数字化环境里的课堂教学活动中，实现智能化“一对一”全面及时的互动反馈课堂学习，允许远程的学生或用虚拟替身的学生参与课堂实时交互，进行因材施教，提高教学效能。

目前该智能课堂学习环境正在实验室中构建和进行小范围的测试，下一步将要对该环境的应用作实证研究，并不断优化，为相关领域的应用和研究提供参考。

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王伟东：实验师，硕士，研究方向为智能系统、知识工程、教育信息化(wwd33@qq.com)。

金义富：教授，博士，研究方向为数据库技术、知识工程、教育信息化(yfjin@tom.com)。

2015年5月16日

责任编辑：赵兴龙

Research of One-to-One Digital Learning Environment in Interactive Response Smart Classroom

Wang Weidong1, Jin Yifu2
(1.Information and Educational Technology Center, Guangdong University Engineering Development Center for E-Learning, Lingnan Normal University, Zhanjiang Guangdong 524048; 2. Institute of Educational Technology, Lingnan Normal University, Zhanjiang Guangdong 524048)

In order to realize the comprehensive and timely interactive response in classroom teaching,flexible carry out learning of various pattern, evaluation, analysis and management, with interactive response system as the foundation, combined with the e-Schoolbag, one-to-one digital learning, cloud desktop, knowledge base and virtual classroom digital learning related technical analysis, large data based learning more improved, we establish a one-to-one digital interactive response smart classroom learning environment. The formation of the knowledge base, can be used for analysis of the learning based Big Data, personalized learning resource recommendation, association search heuristic knowledge, the subjective questions’ automatic scoring. This paper putted forward a method of subjective score of the cross, and gives the main flow scheme. it is realized that the complex subjective questions can also be interactive and quickly feedback in the class.

Interactive Response; Electronic-schoolbag; One-to-One Digital Learning; Knowledge Base; Subjective Questions Scoring

G 434

A

1006—9860(2015)07—0055—05

* 本文系广东省自然科学基金项目“基于教育云的学习分析与教育大数据研究”(项目编号：S2013010016994)、岭南师范学院自然科学研究一般项目“智能化学习环境的构建及关键技术研究”(项目编号：L1304)成果。