未来课堂畅想

李恩艳 闫晨红

【摘 要】随着技术的发展，未来的课堂将会被赋予智能性、创新性、融合性、开放型、价值性的特征，成为智能技术与教育教学深度融合的产物。本文以“跨国桥梁”课程为例，从课题、教学目标、重难点、教学环节等对课程进行初步的教学设计探索，以期为完善未来课堂发展的理论体系和未来课堂实践提供借鉴。

【关键词】未来课堂;STEAM教育;人工智能;跨国桥梁

【中图分类号】G633.9  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2021）16-0254-03

国务院2017年印发的《新一代人工智能发展规划》强调，要利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。那么，在这样的政策号召下，未来课堂将会是什么样的呢？未来的教学場景将会是什么样的呢？未来教育培养出来的人才将具有什么样的素养呢？毋庸置疑，未来的课堂和教学场景一定具备智能化、个性化、高效化的特点，未来教育培养出来的人才也会具备科学素养、人文底蕴和探索学习、创意革新、沟通合作、思考与解决问题的能力以及积极向上的人格和价值观。

1   未来课堂的人工智能技术与STEAM教育

未来课堂一定是建立在人工智能的技术基础上，未来课堂将由教师和人工智能共同为学生提供权威的学习支撑、精准的内容推荐、科学的活动管理，实现多元的教育服务供给。

1.1  未来课堂的人工智能技术

1.1.1  智能教学环境

在未来课堂中，人工智能将具备应用于教育领域的技术条件和经济成本，每个学生都有一个平板或者智能设备，能连上高速网络，并可与教师实时共享信息和互动。智能教室能够通过人脸识别、摄像头捕捉等技术，自动感知学习者的信息特征和学习需求，并对学习者的动作等进行分析和跟踪[1]。

1.1.2  智能教师助理

具有协助教师进行智能备课、生成教学设计、智能辅导、个性化作业布置、个性化评价报告生成服务、精准校验报告生成服务、自动生成学期和年度总结等功能。

1.1.3  智能教学过程支持

可进行智能诊断与推荐，构建学习平台的知识图谱、学习负担的检测与预警、VR和AR虚拟操作与仿真，同时有类似智能数学建模、智能语音绘图以及脑科学在智能领域的应用。

1.1.4  智能教育评价

诊断性评价：包含虚拟立体游戏化测评、认知诊断和学习者能力建模等。

过程性评价：“魔镜系统”会实时识别学习者的表情、状态、回答问题的次数、答案关键词的契合度等。智能手表可监测课堂行为，再给出具体的、个性化的评价。

总结性评价：课堂的音频和视频均会被记录下来，借助图像处理和语音识别技术，分析课堂互动情况。抽取音、视频中的知识点形成知识图谱，便于后续分析。

1.2  STEAM教育

STEAM教育作为全球性教育战略，于20世纪90年代产生于美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）的简称，其关键特征如下：①以学生为中心、多元主体参与的教育理念。②跨学科整合的学习内容。③基于项目/问题的学习活动形式。④依托工具和学习资源。⑤创新意识培养的学习目标[2]。

基于STEAM教育的特点，将人工智能技术嵌入STEAM课程中，以实现智能性、创新性、融合性、开放型、价值性的未来课堂。

2   教学设计

2.1  教学目标

2.1.1  知识与技能目标

通过预习和讨论，了解设计桥梁时需要考虑的各学科知识点并能进行归纳分类，提高小组协作和交流沟通能力。

2.1.2  过程与方法目标

能够使用智能系统进行桥梁的设计展示。

2.1.3  情感态度价值观目标

形成严谨的思维，提高探究和创新能力。

2.2  教学重点

结合各学科因素及智能手段设计并展示跨国桥梁。

2.3  教学难点

智能环境下跨国桥梁设计方案的确定及智能模拟。

2.4  教学环节

教学对象为高二学生，学生课前已查阅了一些港珠澳大桥的建设背景、建设要求、面对的困难、设计的要求、建成的效果和影响等内容。

2.4.1  情境导入

为学生播放港珠澳大桥的相关视频，以震撼的场面激发学生的憧憬，引发学生的想象。同时智能助教会根据先前导入的学生知识背景和性格等因素将学生分为4个小组，每个小组9人，便于后面的讨论和合作。

2.4.2  新知探讨

师：港珠澳大桥是全球规模最大的跨海大桥之一，它实现了一个国家不同地区之间的联通。那么，全球化背景下人类是否有必要设计并建设跨国大桥？除了飞机、铁路，是否可以设计跨海公路？如果可以，以哪两个国家的哪两个城市为案例呢？需要考虑哪些因素呢？如何实

现呢？

生：各种回答，并开始思考……

（此时，学生桌上的电脑已根据课堂的语音自动进行了关键词识别，并为学生出示世界地图。学生也可实时查阅各种资料，只需发送语音命令即可。此过程中，每个学生的智能系统会根据他们的要求实时显示所挑选的两地的直线距离、海洋名称、海洋深度、水域环境等

情况。）

最终，大多数学生确定了以我国的山东省威海市到韩国首尔为例，来设计这段跨国大桥。

师：确定了桥的两端，接下来要考虑什么呢？

生：首先是桥的设计和运行要求。

学生借鉴港珠澳大桥，归纳了桥的设计和运行要求，包括造型优美、经济效率好、水陆空立体交通线互不干扰、环保、行车安全、抗击和抗腐蚀性强……

师：设计这样的大桥，要考虑哪些因素呢？

教师可给予学生一定时间进行小组讨论，每个人的智能显示器上都会显示时间并提示。（智能助教会在教室里巡视，为学生答疑解惑。且智能学习助手会根据学生讨论的语音进行实时记录，提取关键词并转录为

文字。）

生：需要考虑的因素，有……

2.4.3  总结归纳

师：每个组可否将需要考虑的因素进行分类，以便从各个角度更有逻辑地去思考和设计呢？

生：開始进行思考和归类。（各小组依次展示、补充。这个过程可借助智能系统，在教室正中央的大屏幕实时展示学生的讨论结果。）

科学S（理化生）：桥梁抗震性、桥体和路面抗腐蚀性（石墨烯）、绿植。

技术T（信息技术、通用技术）：通信（基站）、通行（左、右）、载荷、去冰冻。

工程E：绘图、隧道、桥墩、桥塔、车道、限速、服务区（人工岛）、供电（充电桩）、监控、照明、消防、排水。

艺术A（语言、音乐、美术）：桥景、岛景、语言的融合。

数学M：数据处理、建模。

政治P：跨国洽谈、项目融资、监管、旅检。

经济E：成本、效益、旅游收入、电子不停车收费系统（ETC）。

文化C：文化交流、历史渊源。

生态E：动物保护、生态、噪音。

师：同学们思考得非常全面，你们身上有着未来科学家、工程师、艺术家的潜力和影子，为你们点赞！接下来大家愿意进行角色扮演，团结协作来完成跨国大桥的设计吗？

生：非常愿意！

2.4.4  仿真模拟

师：请各组同学进行角色分工，假设我们的项目是由一群科学家、技术专家、工程师、艺术家、数学家、外交家、经济学家、文化研究者、生态学家在一起共同设计的。（给出一定时间）

（各组学生自由分工，开始进入各自应负责的工作，集中讨论后，大桥的设计逐渐成型。）

师：跨国大桥涉及两个国家，再请4个小组两两结对，各自代表不同国家，洽谈你们的合作业务吧！

（洽谈工作和合作设计同时进行，智能系统会及时根据洽谈内容反馈各种设计的可行性。）

一段时间后……

师：想看一看我们设计的跨国大桥是什么样的吗？请同学们根据自己设计的方案将各种数据（两地的距离、不同国家的利益契合、需要的材料、风景设计、文化融合、生态保护等）传入仿真系统，由系统来画图。

学生将数据传入仿真系统。

师：同学们想看看你们设计的桥长什么样子吗？请同学们戴上自己的虚拟现实设备，让我们穿越时间和空间，去看看你们设计的跨国桥梁吧！

学生戴上虚拟设备，非常期待。

师：同学们想不想再真实一点，想象你是一位想要通过这座大桥的司机或乘客、一位人工岛的工作人员、一位桥上的交警……身临其境地体验他们的工作和情绪呢？

（学生戴上虚拟现实和增强现实的设备后，可身临其境地进行体验和操作。这个过程中，如果一些因素没有考虑到或者操作有误的话系统会发出提示或报警，协助学生改进。）

2.4.5  作业布置

师：接下来请同学们在课后将本节课的内容总结成小组的研究报告，下周二前导入智能测评系统并根据反馈改进。

（智能测评强调通过一种自动化的方式来评价学生的发展。整个过程由系统自动进行检测识别、信息处理、分析判断、做出评价并提供建议，较少或者不需要人的参与[3]。）

学生经过查阅资料、视频冲击、动脑思考、归纳分类、角色扮演、讨论交流、仿真模拟、生成研究报告等环节，借助智能教学支持手段，已对跨国桥梁的设计和建设产生一定的了解，并体会了不同角色在这一项目中的作用，明白了团结协作的重要性，提升了团队合作力和爱国精神，研究报告的生成环节又将学生的探究能力进行了总结和升华。

3   课后反思

（1）有了人工智能的协助，数学、物理等基础知识还用学吗？还用做题吗？

（2）这样的教学模式、教学效果如何拟合于当前的中学教学评价模式？

虽然当下智能化手段和技术还未完全渗透至教育教学领域，但当技术的成本足以支撑其在教育教学中的普及时，智能化支撑的未来课堂将成为可能，它将是以项目为依托，融合了STEAM教育理念下的多学科因素，融合了师、生、机器等多角色的互动型、生成型、创新型课堂。未来课堂不仅是传统教与学系统的延续与扩展，还应该强调在技术的深度介入下，通过学习环境促进人与人之间的知识流动，从而实现教学活动与学习环境的统一[4]。未来课堂，拭目以待。

【参考文献】

[1]余胜权.人工智能+教育蓝皮书[M].北京：北京师范大学出版社，2020.

[2]葛岩，杨雪，王艺潼，孙艳.基于STEAM的虚拟现实实验室建设实践[J].实验室研究与探索，2020（9）.

[3]彭美霞.人工智能视域下未来课堂教学设计特性浅析[J].延边教育学院学报，2020（5）.

[4]刘智明，武法提，殷宝媛.信息生态观视域下的未来课堂——概念内涵及教学体系构建[J].电化教育研究，2018（5）.

【作者简介】

李恩艳（1988～），女，汉族，陕西西安人，在读硕士研究生。研究方向：教师教育的理论和实践。

闫晨红（1997～），女，汉族，陕西西安人，硕士。研究方向：量子密码学。