增强在线直播课堂互动的教学模式探索

陈 浩， 熊 伟， 杜 春， 彭 双

(国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073)

0 引言

随着信息技术在教育行业的应用普及，教学活动样式与手段正发生着深刻的变革[1][2]。移动学习的概念与模式被越来越多的人接受，以 MOOC (Massive Open Online Course) 为代表的在线教育平台如雨后春笋般迅速发展。智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动学习终端大量普及，互联网、5G通信技术等带来了更快的传输速率，使得在线直播教学受到了前所未有的广泛关注[3][4]。在线直播课堂具有如下优势[5]：

(1)打破时空界限，营造真实课堂氛围。在线直播课堂属于在线教育的一种，不仅能够突破时空限制，为学习者提供随时随地的在线学习服务，还能提供教师与学生、学生与学生之间的多向交流平台，从而营造更加真实的课堂情景。

(2)师生实时交互，教学手段更加灵活。与传统的在线MOOC课程不同，在直播教学中，教师和学生按约定的时间进入网络虚拟课堂。教师在线授课，与学生实时交互。如现实课堂中一样，在线直播课堂中的教师可根据学生基础和知识掌握情况，灵活调整教学内容，通过举例、知识回顾、分组讨论等教学环节强化学生知识体系，灵活达成教学目的。而在传统MOOC中，学生只能反复观看一成不变的预录制视频，或通过留言方式找TA (Teacher Assistant) 解惑，教学效果难以与在线直播课堂相媲美。

(3)在线直播课堂能有效破解优势教育资源不均衡的难题。邀请名师进行在线网络直播授课，能够让更多的学生直接感受到名师的风采。如腾讯教育、新东方网校、学而思网校等在线教育企业利用在线直播课程同步向位于全国的学生授课，进一步提升教学效果，降低教学成本[6]。

(4)开创了非接触式教学的新纪元。在某些特殊时期，如COVID-19疫情期间，在线直播课堂最大程度的保障了众多高校能够“停课不停学”。

但与传统真实课堂相比，在线直播课堂与学生的交互手段依然比较受限[7]。在真实课堂中，有经验的教师可以根据学生的表情判断其对正在讲授的知识点的掌握情况，即使进行解惑。但在网络直播课堂中，教师通常只能面对冰冷的电脑，难以完成上述交互过程。本研究拟探讨如何在基于移动互联网为支撑技术的直播课堂中进一步增强教学互动环节的方法，以使在线直播课堂兼具MOOC和真实课堂的双重优势，期进一步提升其教学效果。

1 在线直播课程互动教学模式要素分析

在线直播教学的三大特征分别是：虚实融合、及时互动和开放参与[5]。各要素之间相互关联，相互影响，下面将结合在线直播课程的特点分别进行分析。

1.1 教师

与传统真实课堂教学不同，在远程教育直播课堂教学中，教师可能不止一位，一个教学团队的教师们通过协作完成教学。授课前，一位主讲教师和多位辅助教师(TA)共同备课，相互沟通完成课程教学设计；授课中，主讲教师通过直播方式同时面对多名学生(多个班级)授课，辅助教师全程协助，帮助主讲教师完成课堂教学互动环节，使学生更好的完成知识的消化吸收，同时，及时获得学生的反馈信息；授课后，主讲教师和辅助教师一起为学生答疑解惑，并通布置相关任务、开放性讨论与学生进一步交流。教师们通过互动式教学环节的设计(如翻转课堂，案例驱动教学等)，致力于构建一个以学生为主体的集体教学模式，引导学生自主学习。

由此可见，教师对于教学媒介的需求是：能够清晰、无卡顿地将教师授课视频、音频传送到学生所使用的教学终端上；能够和学生实时进行语音、文字、图像等交流；能够有效判定学生的听课状态(认真、走神、疑惑、缺席等)；能够发布通知，发布课件，发布资料，发布课堂练习，发布课后作业，发布思考题等，并能够自动统计学生对于客观题的正确率。

1.2 学生

在线直播课堂中的学生是教学活动的主体。其在课前需要预习教师精心准备的背景材料，并在网络教学平台提供的留言区中参与讨论；上课中，学生需按时进入在线直播课程，参加各种教学互动环节，积极思考，并及时提出自己的疑惑(如留言区、标记教师课件等)；课后，完成教师布置的作业，参加课后讨论等。

因此，学生对于教学媒介的需求是：通过学习终端设备(电脑、智能手机、平板电脑等)能够清晰、无卡顿地接收到教师授课视频、音频，能够通过语音、文字、标注(是否理解当前知识点)等与教师及其余同学交流等；能够提交作业，下载资料等。

1.3 教学媒介

教学媒介是在线直播课堂中教师和学生的纽带与桥梁，负责双向传递信息。在线直播课堂教学依托优质网络信息资源，综合使用现代信息多媒体技术，移动信息技术、高速数据交换技术等，形成综合性的学习系统平台。

2 增强型互动教学方法设计

上一节讨论了在线直播课程互动教学模式中的各个要素以及教师、学生对于教学媒介的需求关系。本节将进一步分析互动教学的方法设计。

2.1 以教学目的为导向的多平台综合应用

当前，已经出现大量的线上MOOC平台，且很多教学平台功能强大，能够有效建立在线直播课堂中教师与学生之间的纽带[8]。但不同的教学平台其优势不同，擅长的方面有所侧重。在网络直播课程中，应当以教学目的为导向合理选择多个平台相互配合，从而获得最好的教学效果。且考虑到网络稳定性等要素，选择多个平台的好处也可使得当某平台网络传输拥堵时，可以利用别的平台完成教学。

从本校信息工程类专业在线直播课程开设的经验来看，较为合理的模式是选择“课程直播平台+在线教学互动平台+聊天群+在线课程实训平台”。

课程直播平台提供教师授课音频、视频传输功能，是在线直播课堂中的核心环节。很多课程直播平台还提供语音、弹幕、留言等双向交流功能。较为成熟的课程直播平台如：ZOOM、腾讯课堂、钉钉直播、B站(bilibili.com)等。某些直播平台并不是专门针对授课而建。如ZOOM、B站等。但其网络传输稳定，直播功能强大，能够胜任在线大规模直播授课的应用。如ZOOM是一个在线会议系统。主持人(主讲教师)在ZOOM平台上申请一个虚拟教室，其余成员(辅助教师、学生)加入该虚拟教室即可开始在线直播授课。ZOOM在线可以共享教师、学生终端设备屏幕图像，教师和学生可通过连麦实现实时双向语音交流，也支持教师学生开启学习终端摄像头，转换为视频会议。可见，在ZOOM构建的虚拟房间中，类似于一个虚拟教室，教师学生按时进入即可开始授课。很多课程直播平台还提供录屏功能，能够将直播授课过程录下。课后，可将授课视频文件发给学生，供其复习。

虽然ZOOM功能强大，却不支持课前预习资料发布、教师课件发布、课堂练习发布，并实时统计正确率、课后作业发布、课后思考题讨论等。要实现这些功能，则需要使用在线教学互动平台。典型的在线教学互动平台如：雨课堂、超星学习通等。这类平台专为智慧互动学习而打造。如雨课堂可以在课堂练习中统计学生客观题的正确率、发起投票、分组讨论，随机点名等。学生还可随时对教师课件进行标注，表达自己没听懂的知识点。主讲教师在直播授课过程中，可随时根据学生反馈情况，调整教学设计，更好地达到教学目的。

聊天群指的是可建群的实时聊天软件，比如微信、QQ等。主讲教师建立微信群或QQ群，所有辅助教师和学生加入。聊天群可作为在线教学互动平台的必要补充。教师可在聊天群中发布作业，发布思考题，并收集课堂练习中主观题的答案。学生可以在聊天群中提出自己的问题。聊天群非常适合发布课程相关的通知，并对思考题进行群聊型讨论。通常情况下，较课程直播平台和在线教学互动平台而言，聊天群运行更为稳定，实时消息延迟更小。可用聊天群确认另两个平台是否正常工作。比如由于网络原因，课程直播平台掉线，学生可在微信群中给出提示。

在线课程实训平台可以提供课程所需要的在线虚拟实验平台和实验场景。比如由国内众多高校联合推出的Educoder(酷得网)平台，能够支持学生在线完成人工智能导论编程题、C语言改错与设计、Java高级特性、人脸识别系统、Python语言的基本编码、Linux操作系统应用及实践等任务[9]。对于理工科的众多编程实践类课程而言，实训是不可或缺的部分，其重要程度不亚于理论内容讲授部分。有了Educoder等在线课程实训平台的支持，在线直播课堂的教学效果可进一步提升，其适用范围将进一步拓展。

值得注意的是，在开展线上直播教学活动时，上述教学平台并不要求全部配备，教学团队可根据课程实际情况对上述各种教学平台进行选择与取舍。

2.2 互动教学环节设计

在线直播课堂有了“课程直播平台+在线教学互动平台+聊天群+在线课程实训平台”的支持，基本上能够实现传统课堂中各种互动教学环节。这里以“ZOOM+雨课堂+微信群+Educoder”为例说明如何在线上直播教学课程中设计传统真实课堂中典型的教学互动环节。

1)课前预习资料发放

教师可通过雨课堂和微信群等发布公告，指明预习类容；或是发布自己准备的预习材料。学生预习后，有问题可在雨课堂或微信群中留言，提前和教师交流。

2)课堂上教师提问，学生答题

可直接在ZOOM中与学生连麦。请学生答题。学生可通过主动打开麦克风的方式模拟举手的过程。在雨课堂中，有随机点名的功能，可实现随机抽选一名学生完成答题。

3)课堂思考题

可在雨课堂中设置客观题。请学生在雨课堂客户端上作出选择。雨课堂将自动统计出正确率。对于主观题，可请学生将答案写在纸上，然后拍照发到微信群中。主讲教师和辅助教师可分工评阅其答案，并快速将评阅结果汇总到主讲教师手中。

4)课堂分组讨论

在雨课堂中可实现分组功能。此外，可在微信中事先建立多个子群，模拟对学生进行分组操作。同时建立一个大群，模拟包含所有同学的班级。分组的学生在自己所属组的子群中讨论教师布置的话题，在班级群中发表本组得出的结论，于是可实现学生分组讨论和结果汇总。

5)投票和辩论

投票可以在雨课堂中完成，雨课堂可实时统计投票结果并反馈给教师。如果投票结果形成正方和反方，则教师可组织正方、反方代表同学在Zoom中连麦进行辩论，也可在微信群中语音辩论。

6)发布课后习题

可在雨课堂、微信群中均可发布课后习题。学生完成作业后，可在雨课堂或微信群中提交作业答案。教学团队完成批改，并通过雨课堂或微信群进行点评。

7)发布需编程完成的课程实验

可以在微信群、雨课堂、Educoder中发布编程实验题。学生登录Educoder的预设题目中进行编程答题，形成实验报告，并在Educoder平台上或微信群中完成提交。

由此可见，有了“课程直播平台+在线教学互动平台+聊天群+在线课程实训平台”的支持，传统真实课堂中的绝大多数教学互动均可在网络直播课堂中实现。但需要注意的是，网络不稳定性导致的时延普遍存在，尤其是在边远山区的客户端，在设置互动教学环节时应着重考虑。

2.3 新兴技术助力在线直播课程

多数线上直播课程的硬件是教师的个人电脑，个人电脑显示屏尺寸有限，无法在直播的同时观看学生实时听课影像。所以，如果不使用专业在线直播教室配备的大屏幕，教师无法看到全部学生的实时图像。与传统真实课堂不同，在线直播课堂中的教师无法根据学生表情判断学生是否已经完全理解当前知识点，从而难以有的放矢地调整教学设计。况且，在线直播课堂中同时上课的学生可达成百上千人。完全凭借主讲教师肉眼观察，很难全面掌握学生状态。

在不考虑在增加额外硬件设备的前提下，可以考虑借鉴人工智能机器视觉领域最新的研究成果——面部表情自动识别方法来掌握学生听课状态。近年来，人工智能、机器学习、机器视觉等领域发展迅速，能够通过摄像头采集的人类面部表情实时判定其状态(如：认真听课、心不在焉、充满疑惑或不在摄像头前)。只需要提前提供相关标注数据给表情识别模型即可。这样就可以在主讲教师进行在线直播授课时，实时监测学生听课的状态，并给出实时统计数据。这样一来，即使主讲教师看不到学生的实时影像，也能根据面部表情识别统计数据了解学生对知识点的掌握情况，按需调整教学环节设置和教学手段运用。

如果考虑增加硬件设备，则可以引入虚拟现实VR(Virtual Reality)+ 数字孪生DT(Digital Twins)技术实现沉浸式在线直播课堂。通过在网络中构建虚拟的教室环境，利用数字孪生技术构建教师和学生在虚拟现实空间中的孪生体，并基于各种传感器(摄像头、麦克风等)实现现实中的人(教师、学生)与虚拟教室中的教师、学生数字孪生体之间的状态实时同步(教师授课、分组讨论、学生发言等)。教师和学生均佩戴额外的虚拟现实视讯设备(如眼动仪，VR眼镜等)。虚拟授课平台为教师展现学生在教室现场听课的视图，为学生同步展现教师在讲台上授课的视图。该技术着力构建出身临其境的虚拟课堂，实现沉浸式的教学授课体验，是在线直播课堂未来重要的发展方向。

3 在线直播课堂教学模式案例分析

为了响应国家关于COVID-19疫情期间停课不停学的号召，我校开设了大量的在线直播课程供学生选修。图1是当前我校信息工程类专业开设的在线直播课程示意图(部分节选)。针对不同的专业细分方向开设了大量在线直播课程。

图1 我校信息工程类专业开设在线直播课程(节选)

以“数据结构”课程为例，该课程属于我校信息工程类专业必修课程，是一门和编程结合紧密的实践类课程。教师在授课过程中，需要与学生及时交流，以确定当中的算法思想学生是否已经掌握。采用本文讨论的在线直播课程互动教学模式增强方法后，多次采用设置课堂思考题方式、课堂分组讨论方式、投票方式等开展在线交互式教学活动，及时发布编程作业，并指导学生在线完成编程实践，取得很良好效果。该课程满意度达100%，完全达到了教学目的。

4 结语

随着现代网络技术的迅速发展，在线教育受到了越来越多的关注。与传统MOOC课程不同，在线教学直播课堂支持师生实时交互，教学手段更加灵活，更接近于现实世界中的课堂。本文在分析在线直播课程互动教学模式特点和需求的基础上，提出了若干针对在线直播课堂教学模式的互动增强方法，并结合我校信息工程类专业在线直播课程开课情况进行了案例分析，已期为研究者和教学设计者提供设计参考。