基于数字化学习空间拓展智慧课堂的设计模型

陈卫东，戴超凡，谭树人

（1. 湖南交通工程学院 电气与信息工程学院，湖南 衡阳 421001；2. 国防科技大学 系统工程学院 信息系统重点实验室，湖南 长沙 410073）

1 数字化学习空间与智慧课堂

数字化学习空间，也称为数字化学习共享空间、数字化学习协同空间，是以学习者为中心的协同与交互式学习环境，促进不同教学保障机构（或部门）协调合作，支持学习者利用各种资源进行学习、研究，以提高学习能力，提升学习效益，是信息化的知识空间[1-2]。

智慧课堂，相对于传统课堂教学，更多地利用先进信息技术实现课堂教学的信息化、智能化，构建富有智慧的教学环境[3]。

数字化学习空间与智慧课堂关系密切。首先，数字化学习空间可为课堂教学提供形式多样的知识内容，丰富课堂教学的形式与手段；其次，可通过数字化学习空间拓展课堂教学，将教学过程延伸到课前课后，有效拓展和补充课堂中的学习内容；最后，将数字化学习空间融入课堂教学过程，为学习者构建情境化、智能化、互动化的课内与课外智慧学习环境，引导学生发现问题、思考问题、创造性地解决问题并最终促进学生智慧成长。

2 数字化学习空间维度、结构与功能

学术界对数字化学习空间的构成要素存在不同见解，但公认数字化学习空间包括实体空间和虚拟空间两方面[4]。实体空间整合多种实体资源配置，把图书馆、教室、实验室、网络等诸多学习和支撑场所进行最佳组合，构建个人、小组学习与研究的协作共享空间，为学习者提供一个良好的学习环境。虚拟空间依托实体空间配置的计算机、信息网络、存储等信息设备，以数字图书、音像、动画、网页以及各种相关教案、课件、展示、练习等多种形式存储与组织的数字化知识，并以学科专业、知识层次、难易程度、适用对象、知识应用等多角度、多维度，形成相互交织的知识空间，为学习者提供丰富的学习知识和内容[5-6]。

2.1 数字化学习空间的维度

数字化学习空间的维度是指其涵盖范畴的要素构成。各维度从不同侧面描述数字化学习空间的特性与功能，共同刻画其内涵与外延。数字化学习空间的维度可由6个方面的要素组成，分别是参与者、设施、资源、组织、管理和使用（如图1所示），6个维度相互作用、交叉，为参与者提供一个引人入胜、温馨而又充满活力的学习环境和服务保障体系。

（1）参与者：与数字化学习空间相关的各类主体，包括学生、教师、教辅、教管以及学校、学术机构等相关团体。

（2）设施：数字化学习空间的物理实体、场所等，如图书馆、教室、实验室、研讨厅等；计算机、网络、存储等信息化设备，提供硬件环境与条件保障。

（3）资源：集成与存储大量数字化的资源，以数据库、数字图书、音像、文档、网页、教案等多种形式存在。

（4）组织：对资源数据内容的再组织，形成相互交织关联的知识网络，成为科学、系统、完整、规范和易用的资源。组织方式多种多样，可以按照学科、专业、课程、讲授、知识点等方式组织，也可以按难易程度、适用对象、侧重方面来组织。

（5）管理：为资源的集成和组织提供手段与方法，管理资源和内容。通过检索、关联、更新、发布等方法和功能，丰富完善资源。

（6）使用：为使用主体提供学习、研讨、协作、分享和交流的一体化使用环境。

图1 数字化学习空间的维度组成

2.2 数字化学习空间的结构

数字化学习空间总体上是相互支撑的层次结构（如图2所示）。实体空间作为数字化学习空间的物质基础，提供必要的硬件条件与环境。经过多年投入和建设，目前，高校的硬件条件大都满足基本要求。

虚拟空间是核心与主体，容纳了形式、内容、组织和方式4个维度，其中，各种形式的学习资料通过信息集成将各种学习资源进行整合集成，成为可资组织的数据资源。这些海量资源本质上是高价值的教育大数据，需要将传统的信息技术与新兴的大数据、人工智能技术相结合，对资源进行再整合和再组织，形成丰富完善、关联易用的知识资源体系。资源的组织通过资源管理提供的强有力功能实现，不断积累和丰富，同时，以各种交互协作方式与手段为参与者提供诸如讨论、学习、协作、分享等多种形式的使用场景和功能，充分发挥数字化学习空间的作用。

图2 数字化学习空间的结构

2.3 数字化学习空间的功能

借助数字化学习空间，学习者不仅可以便捷地获取各种教学资源，还可在科学研究、课程教学与学习实践中得到导师、专家的帮助，参与丰富的在线教学活动。教师则可以利用数字化学习空间准备丰富的教学材料，安排教学内容，拓宽教学范围，引导学生了解和进入学科前沿，评估学生学习情况。研究者利用数字化学习空间获取研究领域各时期各方面的文献资料及最新进展，还可与领域学者进行在线互动交流和研讨。

3 智慧课堂设计

随着智慧教育、智慧学习等新理念的出现以及大数据、人工智能技术应用的深入，智慧课堂、智慧教室将是未来课堂教育的发展方向，学界也进行了广泛深入的探讨[7-10]。笔者认为，智慧课堂不仅仅是先进技术的应用和内容的讲授，还更多的是“剧本、情节”的编排、设计与组织，通过数字化学习空间或者未来的智慧学习空间提供手段、内容、组织、展现等强有力的方式，服务于课堂，拓展课堂，达到“学浸其中”。

由此可以推断，所谓智慧课堂是数字化学习空间给予了在有限空间和时间的课堂教学以设计、展示与使用的需要，并能够延伸到课外。简言之，智慧课堂是数字化学习空间所营造的“智慧教室”的使用实例。在这间“教室”中，开展教学并结合一系列教学活动，打造的就是智慧课堂。二者之间，数字化学习空间是“本源”，智慧教室与智慧课堂是“本源”的局部具体体现，是教育教学的应用形式。

智慧课堂需要充分发挥课堂教学过程各个要素（人、技术、资源、环境、方法等）的作用，开展教与学的活动。教学活动的设计紧密与数字化学习空间结合，智慧课堂设计模型如图3所示。

面向课堂教学的课前、课中和课后3个阶段，依托数字化学习空间，智慧课堂设计应包括环境、资源、活动、过程以及服务设计5个要素。

3.1 环境设计

环境设计更多的与设施和资源相关，用以构建智慧课堂的实体和信息化环境，主要包括教学场所、布局以及信息化装备。教学场所是独立或开放的空间，通过创意空间、人性化布局，根据教学需要进行组合，以利于学习活动的开展。信息化设备有效支持学习资源的获取、处理和呈现，通过信息终端，开展教学活动，通过互动交流可以大大提高学生学习的积极性和主动性。

3.2 资源设计

资源设计需要数字化学习空间的资源、组织、管理、使用等有利支持，是智慧课堂的重要组成部分，提供教学内容的编排与“情节”，覆盖课前、课中、课后全过程。资源设计覆盖范围广，包括教材、教案、课件、参考书目、案例、演示、实验、拓展读物、前沿发展等多个方面。

资源设计以课堂内容和知识为主线，利用数字化学习空间提供的各种资源，进行再组织和设计。设计结果又作为数字化学习空间的资源，不断丰富完善学习资源。①针对“知道—了解—掌握—熟练”不同程度的要求，设计深入浅出的教学内容；②组织典型生动的案例演示，提升感知度，加深认识；③将课程的发展脉络、实际应用、学科前沿等也作为资源设计的重要组成部分，开阔视野；④设计在线小练习、小作业、大作业巩固学习成果，反馈教学效果；最后，设计定性定量评价标准，为客观评价提供依据。

图3 数字化学习空间智慧课堂设计模型

资源设计是全方位与全视野的，不仅对资源的数量和质量有要求，而且对资源的组织方式和水平有更高的要求。图4所示是一般意义上的资源设计组成，将各方面资源整合形成一套完整的资源体系。将大量的资源进行浓缩、整合、优化，不仅需要长期教学实践和经验的总结，还需要数字化学习空间提供强有力的支持。

图4 智慧课堂资源设计组成

3.3 活动设计

教学活动的选择与设计是课堂教学的关键。讲授、讨论、报告、演示、实践等诸多类型的活动需要设计支撑。活动的设计需要考虑的方面和因素众多，如培养目标、学生基础、内容深浅、活动方式等，目的是有效引导学习者积极参与，找到适合自己的学习方法，收获最有效的学习成果。

抛开教学活动中的主观因素，客观上，智慧课堂活动设计也是数字化学习空间拓展支撑课堂设计的重要手段。教师课前确定课堂活动目标与方式，组织并发布活动资源，引导学生了解、学习和参与；课中利用数字化学习空间展现资源，开展互动与启发教学；课后通过群体互动学习、个人自主学习、小组合作学习巩固学习内容，反馈掌握情况，评估学习效果。

3.4 过程设计

过程设计是课堂教学过程中课程整体和细节的安排与设计，在有限的时间和空间内取得最佳效果。过程设计必须有资源和活动设计的有力支持，涉及整体内容安排、重点内容、演示与拓展内容等诸多方面。过程设计是传统课堂的延续，也是智慧课堂的重要组成，需要将大量的信息传递给学习者，不仅需要教师课前的大量准备与仔细安排，还需要教师个人的风采和魅力，既要深入浅出、内容丰富，又要生动活泼、兴趣盎然。

借助数字化学习空间，可将讲授过程各个环节的信息和资料实时推送到学习者终端，学生在听讲的同时，能够直接获得与内容相关的要点、参考、拓展等辅助信息，也可以实时参与互动与反馈，跟得上、听得懂、学得会、有兴趣。将灌输式、题海式教学，改变为启发式、探究式、扩展式教学，可以让学习者自主参与，获取和掌握知识。

3.5 服务设计

拓展智慧课堂的范围，提供个性化学习服务，包括但不限于答疑解惑、作业互动、兴趣培养。利用数字化学习空间，随时随地获取资源，遇到问题可以很快找到与问题密切相关的知识与内容，辅助学习者解决问题。通过服务设计，整合和创造一个具有丰富资源的知识空间，为师生提供一个能随时随地进行学习的环境。

4 设计示例

依托国防科大“梦课”平台，在数据结构课程教学中，我们应用了本设计模型。按照课程大纲要求，围绕每次课程的教学环节，分别从环境、资源、活动、过程以及服务5个方面，组织、梳理课程资源内容，设计教学活动。以最小生成树教学为例，5个方面的内容及相互关系如图5所示。

实际课程教学中，采取5要素设计模型进行课程教学设计，可以更加充分利用数字化学习空间，有效提升课堂教学效益。

5 结 语

数字化学习空间形成的共享协作学习环境，不仅有技术与资源的整合，还为教育教学提供新的方法与手段。智慧课堂5要素设计模型为“互联网+智慧课堂”的教学设计提供了一个可以遵循的基本方法，为构建个性化、智能化、数字化的课堂学习环境，形成有效促进智慧能力培养的智慧课堂奠定了基础，但目前各种平台（如MOOC）仅能支 持资源的“浅度”组织，即内容以文件形式存储，通过分类目录组织文件，提供操作导航，无法对文件包含的内容进行“深度”组织。“深度”组织应包括语法、语义和语用3个层次。语法层次支持按内容的字面相同或相似来组织，语义层次支持按内容含义的密切程度来组织，语用层次支持按含义能够发挥的作用和达到的目的来组织。希望未来能提供更为智能的智慧学习空间，助力智慧教育的普及与实现。

图5 智慧课堂设计示例图