基于人工智能的智慧课堂构建与应用——以中药鉴定学课程为例

徐苏丽，章艳珍，陈建敏

（黄山职业技术学院，安徽 黄山245000）

随着计算机不断更新换代，大数据、物联网、人工智能等技术的飞速发展与广泛应用，高等教育乃至整个社会趋向智能化方向发展。信息技术对教育的革命性影响日趋显著，变革传统教学模式亟待解决。智慧课堂作为信息技术与教育深度融合的新形态，促使传统课堂变革，向智能化方向发展，实现对传统课堂模式的升级与创新，为课堂教学的变革提供了条件和思路。随着神经网络、深度学习的深入研究，智慧课堂与人工智能的结合必然是未来的发展趋势。

一、智慧课堂研究的现状

“智慧教育”源于2008年IBM公司提出的“智慧地球（ASmartPlanet）”，随着大数据、物联网、人工智能（ArtificialIntelligence,AI）等技术的发展，促使智慧教育进入大家的视野，随后出现了“智慧城市”、“智慧课堂”等。“智慧”侧重于信息化和智能化以及感知化。

智慧课堂的研究国外主要关注以下两种模式，一是基于促进学习的智慧课堂，有人提出在课堂上利用无线智能终端来提高学生的参与热情[1]。二是立足于关注学习本身的智慧课堂模式，倡导个性化和自主化结合的课堂学习模式[2]。

目前，国内学者对智慧教学进行了深入的研究和探索，但多数停留在理论研究层面，对于现实的应用转换仍存在不足。祝智庭教授从翻转课堂的分析，提出了智慧课堂的使用方法、设计思路和智慧学习空间的概念[3]。智慧课堂起步晚，发展跟不上信息化的速度，自出现到现在处于稳步发展。

二、智慧课堂的内涵与特征

“智慧课堂”，是指利用网络技术、大数据、人工智能以及相关计算机技术对课堂内外的学习、教学等所有资源进行整合和数字化[4]。

（一）智慧课堂的内涵。构建智慧课堂主要是需要将整个的教学过程，包括课内外师生互动信息整合并全面数字化，根据学生的情况有智能推送相关学习资源，全面颠覆传统课堂模式，让每个学生都能参与到课堂学习之中并且还能及时获取适合自己的学习资料和学习方法。对于上述的理解，从以下三个方面的内涵入手。

1、智慧课堂的构建依赖于人工智能分析技术。智慧课堂的核心理念是教育由数据决定并改变。大数据时代，将课堂中的信息全面数字化后成为数据，其数据分析依赖于人工智能中的神经网络、机器学习、深度学习等技术。一切以数据为准，从依赖教师的从教经验转向以人工智能对数据的分析结果，对学生的行为进行判断和制定教学决策。

2、基于深度学习的动态学习评价和智能推送。在传统课堂教学中，教师在课堂上无法顾及到每个学生，对于学生掌握的程度更是无法控制，只能笼统地按照常规进度进行授课和互动。基于人工智能的智慧课堂，将使用深度学习精准分析出每位学生的学习情况和掌握知识情况，有针对性地推送相关学习资料和视频，差异化、个性化、智慧化地推送所有资料，使得不同程度的学生都能达到预期的效果。课前发布预习资料，根据不同喜好不同程度学生推送有关的材料和视频，课中推送的测试也是按照每个学生的差异发布的，学生所有的行为、测试的结果以及反馈的内容均被纳入深度学习算法基础数据中去分析，为每一位学生实时推送合适的资料，实现了个性化的支持。

3、基于人工智能的教与学。搭建基于人工智能的智慧课堂平台，通过相关计算机技术，变革传统教师黑板板书，投影仪PPT讲解的模式。实时采集课堂学生学习和教师教学数据并即时分析，实现了教与学的全方位沟通。

（二）智慧课堂的技术特征。智慧课堂的建立与实施，离不开计算机技术。利用大数据、人工智能等技术和硬件设备来打造出一个智慧化的课堂环境，保证了师生实时动态互动交流和学生个性化学习的目的。只有计算机软硬件发展到一定程度才能利用相关设备和技术采集到整个课堂内外的所有的信息，并转化为有用的数据。

1、资源分层共享。基于深度学习的算法，建立多维度特征，对课堂有关资源自动获取并关联存储，多种媒体资源融合在一起，给学生带去丰富的学习资源库，师生所上传下载的资源又能被平台自适应存储，随后，能根据不同的学生实现资源的实时个性化分配。

2、学习情景采集。采集学生的基础数据，包括其行为特征、学习偏好、学习情况等基础数据，动态采集学生的认知、情感状态和注意力状态等状态数据。根据大量的基础数据和状态数据，分析出每个个体可能存在的问题和需求，从而能给教师提供可靠的决策依据，并能够支持学生自适应学习。

3、智能学习分析。依托深度学习、神经网络和Tensorflow等技术，利用大量的学生学习过程中的所有数据以及所有历史成功的全数据，该数据应该包括教师活动、学生活动、课堂教学情况、练习测试结果等过程数据，通过人工智能算法综合分析，辅助教师去实现教学决策。

4、动态交互和即时反馈评价。智慧课堂打破了传统课堂的限定于时间、地点的交流和反馈，能让教师实时了解学生的需求并能根据学生需求及时调整教学策略。

5、移动通信互联。基于移动通信互联技术，智慧课堂终端形式多样，师生能迅速掌握，为师生之间提供了多种实时交互，使得学生和教师之间、学生与学生之间，无论课上还是课下，能实时在线联系，实现即时通信。

三、基于人工智能的智慧课堂模式探究

（一）构建基于人工智能的智慧课堂平台。 根据国内外相关智慧课堂模式的研究及理论分析，利用先进、方便、实用的技术工具手段，本文提出构建基于人工智能的智慧课堂平台（见图1）。

图1 基于人工智能的智慧课堂平台

（二）基于人工智能的智慧课堂平台分析。该平台主要由两级两层构成，主要包括：

1、两级。一级属于人工智能综合平台及智慧学习空间；一级数据智慧课堂实施过程。人工智能综合平台提供智慧课堂信息化所有的技术，与智慧课堂全过程实时交互，智慧学习空间，构建智能的学习空间，让师生之间、生生之间交流畅通无阻，实时选择适合自己的学习资料。

2、两层次。第一层是资源服务、动态评价层：提供学习资源，智能终端的学习和管理，收集教学信息、学生状态数据，提供多元化动态评价服务，包括测试、综合评价、动态评价分析等；第二层是用户实现层：提供众多应用程序，以便教师与学生形成动态的“教”与“学”，并监测这个过程产生的所有信息存储为数据，形成全方位、全覆盖的智慧化服务。

四、智慧课堂的应用——以《中药鉴定学》课程为例

基于人工智能的智慧课堂，变革了传统课堂教学模式，具有很大的应用空间和价值。主要体现在以下三个方面。

（一）基于人工智能的大数据分析与评估，创新课题教学模式。人工智能的兴起，教学观念、教学方式方法上都发生了很大变化，课堂教学模式更是发生了翻天覆地的变化，利用人工智能对课堂教学所有数据进行分析，得出关于学生和教学过程的信息，学习资源实现了多元化、智能化、碎片化，师生之间的沟通交流不再受课堂的局限，交流得更加立体和无障碍，交流随时随地可以进行。课程结构从“先教后学”向“先学后教”和“以学定教”的模式转变。通过智慧学习空间和人工智能综合平台，可以让学生分层练习，测试和作业更加个性化，真正实现智慧教育的目的。《中药鉴定学》建立了智慧学习空间，让学生可以随时随地学习，通过深度学习算法对学生进行学习分类，分层传送学习资料。

（二）提供个性化服务，构建全过程学习评价。基于人工智能的智慧课堂，实时监测和评估教学的全过程，并实时反馈给师生。利用人工智能技术分析学生基础数据和状态数据，个性化提供测评练习，教师能快速掌握学生学习的全过程。例如，在《中药鉴定学》智慧课堂建设过程中，对学生的基础信息、前期学习情况特征（包括学习成绩、中药鉴定知识测试结果等）、学生学习情况特征（学习注意程度、学习投入时间、练习情况等）和学生反馈信息等进行分析，对每个学生动态分析，每天收集数据后分析并给出反馈，及时调整课堂教学进度和内容，体现了智慧课堂教学的目的。

（三）提升学生学习激情，有利于实现智慧课堂的常态化应用。通过构建基于人工智能的智慧课堂平台，利用深度学习进行大数据分析，实时监测整个教学过程，真正实现因材施教的目的，大大提升学生学习激情。例如，《中药鉴定学》这门课通过智慧课堂建设，利用深度学习相关算法对每个学生情况进行分析，不再是原先课堂上少部分学生互动的效果，实现了教师能关注到每个学生的学习情况，学生成就感和受关注度得到了很大提高，学生的学习激情得到了很大提高，与此同时，带来的就是学生学习的效率得到了大大提高。利用手机等客户端工具，学生和教师在课堂教学中实习了立体的沟通，课前、课中还是课后，师生之间可以随时随地进行即时的问答、交流，给智慧课堂的常态化提供了有效的保障。