人工智能视域下课堂教学智慧评价：基于CSMS 与学习发生知行理论的课堂转型实验研究

周文超 张 寅 彭 锋 陈翠丹 吴颖民 刘军民

教师是课堂转型的核心要素，开展课堂转型研究是一线教师激励学生主动学习、自主探究、主动发展的必由之路。在科技飞速发展的当下，人们生活日益忙碌，专家与同伴的帮助越来越稀缺，而教师研究课堂教学需要耗费大量的精力，也需要智力、专业成长上的支持，以及与其他同伴心灵思想层面的交流，但这些需求常常难以得到回应和满足。采用人工智能、大数据等技术开展的课堂教学智慧评价，可以为教师研究课堂提供良好的技术手段，帮助他们更科学地评价课堂教学效果，发现并诊断课堂教学问题。

本文选择广州中学4 位不同发展阶段教师连续3 天的11 节高中数学课堂为观察对象，从以下两个角度进行课堂转型实验研究：第一，运用基于结构多模型联合的课堂教学智慧评价系统（the classroom structurebased multimodel-supported scoring system，CSMS）[1]重点分析教师主导作用在激发学生好奇心、培养学生思维、增加师生交流互动等方面的作用及表现，了解学生主体地位的实现情况；第二，基于CSMS 提供的外显数据明确课堂教学结构优化方向，再运用学习发生知行理论[2]指导教师深化课堂教学，激发学生思维，实现师生深层互动，为实现素养本位能动学习的课堂转型提供思路与技术指导。

一、研究对象、研究工具与理论

1.研究对象

在创新和知识驱动的数字经济时代，社会面临商业、政治、科学、技术、健康和环境等众多复杂挑战[3]，要应对这些挑战，教育必须以跨学科、多维度、高阶性的综合能力培养为导向，以批判思维、交流、合作、创新思维(critical thinking，communication，collaboration，creativity，即4C 技能) 为核心[4]，这是世界各国的教育共识[5]。

由于每节课堂时间有限，本实验将教师培育学生的4C 技能作为研究重点，于2022 年4 月6 ～8 日，以广州中学4 名高中数学教师连续3天的常规课堂为例，采集了11 节课堂教学有效音频，按照“测评、研讨，再测评、再研讨，进一步测评、总结”的流程开展课堂转型实验研究。

本研究要实现两个目标：第一，帮助教师自主运用CSMS 和学习发生知行理论这两种工具，了解自身在课堂中有效实现师生深层互动以及平衡多种思维的情况，逐步推动学生合作与交流能力、批判思维与创新思维的养成。考虑到本次实验研究重点在于观察教师是否能自主运用CSMS和学习发生知行理论进行课堂转型，因此需要排除教师抵触情绪等不可控因素的影响。基于自愿原则，本研究选择的4 名教师处于职业发展的不同阶段，他们均具备积极进取的特质。第二，观察CSMS 的适用条件、展示CSMS 测评课堂教学结构的准确度、了解教师能否理解与运用学习发生知行理论、检验这些工具在推动课堂转型上的有效性等，为优化CSMS 和学习发生知行理论提供依据。

2.研究工具与理论

（1）CSMS

随着人工智能技术的进步，借由课堂教学智慧评价，教师在常态化、标准化的课堂教学测评中可以养成及时反馈能力。CSMS 是一种运用人工智能实现自动评分的大数据课堂测评工具，它从教师主导、学生主体两个角度，将课堂分为目标定位、课堂艺术、课堂调控、思维激发、评价反馈、整体发展、合作交流、学习体验和目标达成9 个评分领域，对应9 个指数，每个指数由3～6 个不等的细项指标合成，共计40 个细项指标。[1]CSMS 关注的核心是4C 技能，因此，本研究基于课堂教学结构的角度，将CSMS 中40个细项指标分为思维激发、交流互动两大类。采集的11 节课堂教学有效音频文件均上传至CSMS人工智能实现技术平台（以下简称CSMS 平台），由其自动生成相应指数值与指标值。

（2）学习发生知行理论

学习发生知行理论从中国知行哲学、知行辩证法、大脑信息自由能理论等出发，提出了推动学生学习发生的条件与路径、学习风格、有效教学方法。[2]学习发生知行理论为CSMS 在思维激发的课堂测评方面提供技术分析支撑，该理论还包含深刻指引学习发生的方法论，具备独自应用指导课堂实践的可能性。

二、研究过程

1.CSMS 助力教师自主优化课堂教学结构

（1）课堂音频数据采集与反馈

本研究中，4 名教师自行对课堂录音并上传至CSMS 平台。CSMS 平台针对每节课反馈一份课堂教学大数据分析报告，教师可以先通过9 个指数了解整堂课的实施情况，再通过每个指数对应指标的相关细项寻找进一步的优化点。

教师的课堂主导包括多种角色，如主动施教者，活动组织、指导与监控者，学生学习的帮助、促进者，良好情操培育者，等等。为此，CSMS提炼的教师主导中的课堂艺术、课堂调控、思维激发、评价反馈等指数得分既反映教师自身的专业水平，也与学生的学习表现息息相关，会直接影响学生主体中整体发展、合作交流、学习体验、目标达成这4 个指数的得分情况。可以看出，CSMS 中9 个指数相互关联，而非彼此独立。型，根据教学进度，A、B、C 这3 位教师均是新授课；第3 个字符1，2，3 分别代表第1 天、第2 天、第3 天。

（2）CSMS 的准确度与灵敏度

连续3 日的课堂观察与课后研讨实验研究显示，CSMS 较为准确地评价了教师激发学生思维以及师生互动状况，也较为灵敏地反映了教师为教学改进做出的一系列努力。

【案例1】刚刚站上讲台的新手教师（1～5年教龄）

A 是大学毕业刚入职第二年的新手教师。A教师对CSMS 的学习十分重视，积极努力地践行课堂转型。如表1，课例AX1、AX2、AX3 的合作交流指数值均在95 分以上，说明学生在这3节课上的合作交流表现良好；在目标达成指数方面，课例AX1 为68 分，课例AX2 升到86.3 分，课例AX3 继续升至91 分，CSMS 客观描绘了A教师付出努力并得到学生积极回应的真实情况。但课例AX1、AX2、AX3 的课堂艺术指数值均低于80 分，明显弱于其他教师，这为A 教师优化课堂结构指明了今后的努力方向。

表1 高中数学11 节常规课堂CSMS 指数一览

【案例2】站稳讲台的青年教师（6 ～10 年教龄）

B 是在本校工作8 年多、富有朝气活力的青年教师。表1 中，课例BX1、BX3 的课堂艺术指数值均高于90 分，说明B 教师的师生关系融洽，教学用语精炼、语速适宜，富有想象力和个人魅力，专业素养高，甚受学生喜爱。但B 教师经历了专业发展激情期后，正面临职业生涯的最初高原期，他对如何创新改进自己的教学、形成独特教学风格有一些困惑，在课堂上，他会自主进行多种教学方式的比较与研究，对学生学习的评价反馈也出现了一些犹疑，具体体现为：课例BX1、BX3 的课堂调控指数值均低于80 分、评价反馈指数均低于70 分，这两个指数表现欠佳，说明学生有效学习效率不高，导致目标达成指数表现不太理想（分别为56.2 分、66.4 分）。借由CSMS指数评价者可以客观发现教师的教学症结，有利于教师及时进行课堂教学改进。

【案例3】占领讲台的成熟教师（11～17 年教龄）

C 教师从事数学教学工作十多年，经验丰富、能力成熟，形成了幽默风趣的教学风格。但C 教师坦露自己日复一日地从事繁重、重复的课堂教学任务，容易陷入惯性与惰性。具体表现为：C教师在开始本研究第一堂课CX1 时，课堂艺术大失水准（仅69 分），评价反馈也做得差强人意（仅70 分），教师自我感觉更是不佳。经过反思，C 教师很快调整状态，课例CX2、CX3 的课堂艺术重返高水平（97 分），在课堂上用富有生活气息的问题代替例题串起教与学的活动，且充分运用平板电脑加强师生互动（由于本阶段CSMS 未将平板互动纳入自动分析，故课例CX2的评价反馈指数出现异常低值；课例CX3 中C教师将平板互动同步用语音呈现，故评价反馈指数升至95 分），师生的教与学渐入佳境，学生精神面貌焕然一新。CSMS 指数准确地反映了C教师个人努力所导致的教学变化。

【案例4】超越讲台的优秀教师（18 年以上教龄）

D 教师从事数学教学工作超过18 年，是省级理科教学名师、市级学科带头人，教学风格独特、教育思想日臻完善，也是多数教师学习和研究的对象。CSMS 测评结果显示，D 教师的课堂艺术指数一直稳居高分（97 分）。在3 天的测评实验研究中，D 教师分别设计了专题练习课、专题复习课、研究性学习课，主动探索不同课型下人工智能大数据的测评特点，对自己的课堂教学从不同角度进行机器诊断、专家诊断、自我诊断等，体现出敢于进行课堂转变的探索精神。根据D 教师的探索经验，专家一致认为，CSMS 需要针对不同课型分类做进一步研究，建立更精细的常模。

2.运用学习发生知行理论激发学生的深层思维、促进师生的深层互动

在CSMS 助力教师自主优化课堂教学结构的实践过程中，笔者发现，学习发生知行理论既可以为CSMS 激发学生思维的课堂测评提供技术支撑，也可以解决高指数课堂存在的师生交互流于表面的问题，还可以为未达到高指数的课堂从优化语言技巧的角度指导教师深化交流互动。鉴于C 教师具备良好的教学艺术和完备的学科知识体系，下文选择C 教师的课例来验证学习发生知行理论是可以推动课堂转型的。

（1）学习发生知行理论在实践应用中的简化

在课堂实验中笔者发现，许多一线教师不太理解学习发生知行理论的内涵。为了帮助一线教师运用学习发生知行理论指导课堂教学实践，本研究在不改变该理论内涵的前提下做简化处理，以提升该理论的易理解性和可应用性。

一是课堂教学效果需要重点关注“行”层面认知活动的有效发生。学习发生知行理论将教师外在可观测的语言刺激（划分为“四何”，即：若何、是何、为何、如何）分别与场景输入、概念输入、内化建构、思想练习这4 种内部认知过程对应的知行活动关联[2]，为CSMS 观测课堂思维激发特征奠定了基础。需要注意的是，教师课堂讲解的“四何”语言刺激，并不必然导致学生内部认知过程发生相应真实的知行活动，即“四何”语言刺激对于学生内部认知过程发生相应真实的知行活动不是充分条件，而是必要条件。因此，CSMS 按照学习发生知行理论分析课堂语言刺激模式，所给出的与“四何”相关的各种细项指标值，反映的是学生内部认知过程所对应的学习发生的必要条件，这也是课堂CSMS 指数高并不等于优质课的原因。

对4 种内部认知过程做进一步分析可以看出：属于“知”层面认知过程的场景输入、概念输入，不涉及降低大脑信息自由能，大脑负担相对较轻，故语言刺激容易引发相应的内部认知活动；属于“行”层面认知过程的内化建构、思想练习，涉及降低大脑信息自由能，大脑负担相对较重，故语言刺激不容易引发相应的内部认知活动，而内化建构、思想练习这两个内部认知过程是学习能否有效发生的关键。因此，建议教师在使用CSMS 课堂大数据报告时，更多关注内化建构、思想练习这两个认知活动的发生情况。

二是用“解释欲”“行动欲”形象描绘学习发生“行”层面的认知活动。根据学习发生知行理论，学习是否能够真正发生，关键在于“行”层面的内化建构、思想练习这两个内部认知活动。[2]CSMS 可以分析产生相应内部认知活动的对应语言刺激，即使不能直接分析内化建构、思想练习等内部认知活动，依然可以为教师优化课堂提供指引。但在学习发生知行理论的应用过程中，有教师提出一个重要问题：“在教学设计环节或在课堂上，如何应用学习发生知行理论识别学生是否会产生或产生了内化建构、思想练习这两种认知活动呢？”

本研究发现，把内化建构这个内部认知活动的描述简化为学生的“解释欲”、把思想练习这个内部认知活动的描述简化为学生的“实践欲”，对加快、加深学习发生知行理论的应用能够起到积极作用。如图1 所示：学习发生知行模型增加了由“四何”构成的外部语言刺激层；在内部认知活动中，学习发生知行模型仍沿用场景、概念描述“知”层面的特征，但用“解释欲”和“实践欲”形象描述“行”层面的特征。简化后的学习发生知行理论，清晰表明了外部语言刺激与内部认知活动之间的对应关系。这样，教师在教学设计或课堂执教的场景创设、概念传递等环节中，可以运用学习发生知行理论，直观觉察自身是否激发了学生的“解释欲”或“实践欲”。

图1 简化版的学习发生知行模型示意图

（2）应用学习发生知行理论的教学案例：同样素材、不同效果

CX2 课例“全概率公式”虽受到专家好评和学生欢迎，但若能运用学习发生知行理论做进一步深化，其课堂在思维激发、交流互动方面可呈现更佳的样态。如图2，CSMS 大数据指数显示，C 教师的课堂在思维激发、评价反馈、目标达成这3 个方面需要优化。造成这3 个方面表现欠佳的根源均指向教师未能真正激发学生的“解释欲”，即学生参与课堂互动的兴致未被充分调动，最终影响评价反馈和目标达成这两项指标。

图2 CX2 课例CSMS 大数据指数雷达图

①CX2 课例简析

CX2 课例的教学活动主要分为4 个阶段：一是创设疫情防控与疫苗接种场景，引导学生写出全概率公式；二是结合具体事例解释全概率公式；三是创设日常生活饮食习惯、学习成绩预测等场景，引导学生抽象出概率的数学表达并计算；四是师生对各种场景的计算方法进行总结。根据学习发生知行理论，这4 个阶段分别对应的是：从场景到具体概念、从具体概念到一般概念、用一般概念解决实际问题（实践欲）、再从具体与一般概念升至概念体系的教学过程。表2 显示的是C 教师在课堂上推动学习发生的4 种方式分布情况，其中方式③“用概念激发学生的实践欲”的占比高达50%，对应的是课堂教学的第3 个环节。课堂观察显示，学生的确在用全概率公式预测饮食选择、学业考试成绩等方面有所实践，课堂气氛活跃，但整节课学生未被有效激发出“解释欲”，教师未能有效激发学生深入思考为什么可以用全概率公式预测疫情走向、疫苗接种与病毒感染等问题。这说明C 教师在引导学生解释世界方面存在短板，可以断定该教师推动学生有效学习不足，因此该节课的目标达成指标值较低。

表2 CX2 课例中的4 种学习发生方式

②CX2 课例的优化设计

根据学习发生知行理论，研究小组利用同样的教学素材，提出一个全新的课堂教学设计。新的课堂设计的4 个阶段活动如下：一是创设飞机事故场景，用“汽车和飞机哪个更安全？”引导学生猜想，用场景激发“解释欲”，令学生产生“惊奇”；二是引导学生提出安全评价理论，得出全概率公式，从概念出发激发“解释欲”；三是创设日常生活饮食习惯、学习成绩预测等场景，引导学生思考例题的应用并计算，用概念激发“实践欲”；四是用场景和问题“面对上海疫情，我们该怎么办？开放还是封闭？”，引导学生运用公式解决问题，这是从场景激发学生的“实践欲”。优化后的课堂设计，遵循了学习发生知行理论倡导的认识螺旋式上升的规律，即按照①场景激发解释欲、②概念激发解释欲、③概念激发实践欲、④场景激发实践欲的顺序展开课堂教与学的活动。评课教师一致认同，优化后的课堂设计会取得更好的教学效果。

③优化后的CX3 课例实效

在CX2 课例优化设计的启发下，C 教师在CX3 课堂中加大了对激发学生“解释欲”的关注，学生深度参与课堂的程度得到大幅提升。CSMS大数据报告也灵敏地反映出教师C 的努力，CX3课例在思维激发、评价反馈两个指标上的分数均显著提升，如图3 所示。另外，CX3 课例的目标达成指数依然较低，这是因为C 教师在长期教学中形成了过于侧重讲述概念的习惯，未能充分满足各类学习方式学生的学习需求，这也为教师C指出了未来的优化方向。

图3 CX3 课例CSMS 大数据指数雷达图

在3 天的大数据课堂测评实验研究中，笔者根据教师反馈简化了学习发生知行理论，以便教师掌握理解和应用。教师们以简化版学习发生知行理论为指导，努力激发学生的有效内在认知活动，促进课堂从浅层向深层思维与互动转变，取得了明显效果。学习发生知行理论指导下的课堂教学实践不仅改善了学生思维激发情况，对课堂师生的互动交流也有积极促进作用，这是因为教师调动了学生的“解释欲”和“实践欲”，学生参与课堂的热情和兴趣得到了增强，最终反映为合作交流和评价反馈等指数的相应提升。

综合以上研究，笔者认为，应用学习发生知行理论有五大诀窍：一是要想方设法激发学生的“解释欲”“实践欲”，调动学生参与课堂学习的积极性；二是要努力创造“惊奇”，激发学生的学习兴趣，让学习自然发生；三是要增强场景创设、概念引入的目的性，明确指向诱导学生产生“解释欲”“实践欲”；四是须结合学科知识逻辑综合制定优化方案；五是课堂设计若要引发高水平的学习发生，必须遵循表2 中的学生发生的4 种方式组织教学活动，让学生认识符合螺旋式上升规律。

三、研究总结

1.CSMS 关注并突显学生核心素养的培养

CSMS 课堂大数据评测聚焦的是每个学生都应具备的4C 技能和学科核心素养在课堂上的培育过程，具体表现为思维激发、交流互动、兴趣培养和知识习得这4 个核心要素。[1]在课堂大数据测评实验研究中，CSMS 评测结果与4 位高中数学教师课堂在思维激发、交流互动、兴趣培养和知识习得等方面的实际情况高度吻合。CSMS从框架设计到实际应用，有助于测评学生的学科核心素养和4C 技能，这也符合发展学生核心素养的课堂教学目标。

2.CSMS 用于快速指示教学优化方向，学习发生知行理论用于深化思维与互动

实验研究表明，CSMS 课堂大数据报告可以帮助青年教师快速了解课堂教学优缺点、明晰优化方向，对青年教师洞察课堂教学规律有巨大价值；对于经验丰富教师，他们一旦确定需要达成的课堂目标，就会取得很好的教学效果，此时的CSMS 大数据报告更多地是提醒教师不忘教育初心，对待每一堂课保持新鲜度。CSMS 就像伴随教师成长的一位智能助手，助力教师自我监控、自我反思、自我改进。但将CSMS 用于课堂教学考核，则会遭到教师抵触，反而不利于教师职业的可持续性发展。CSMS 评测课堂的数据来源于课堂师生语言、课堂行为等外显数据，它可以为教师优化课堂教学结构指引方向，是一种很好的辅助工具，但是根据这些外显数据并不能直接判断学生大脑内部认知活动的情况，而学习发生知行理论则是教师将课堂推向深层思维、激发深层交流互动的合适工具，两者应该结合使用。

3.CSMS 自动生成的结果更加客观、公正，可有效降低教师自我诊断时的防御心理

本研究发现，专家和同伴评价的弊端有：易放大局部因素、易于疲劳、主观性强、评价碎片化等。借助课堂录音等来完成的、由机器自动生成的测评更加稳定、客观，可以为专家、教师的课堂质性评价提供数据支持与依据。教师使用CSMS 进行自我诊断时，伴随式的数据采集不干涉教师正常的课堂教学，能够自然真实地呈现课堂情况。人工智能的介入保证了课堂测评的完整性、标准化、快捷性、私密性，有效降低了教师对课堂测评的防御心理以及专家听评课的紧张情绪，有利于教师迅速把握课堂特征变化，这是CSMS 独特的应用价值和普及价值，也使得CSMS可以成为教师专业发展的好助手。

四、启示与建议

1.注意CSMS 的使用边界，利用低指数进行课堂优化

课堂师生语言数据是CSMS 分析最重要的数据来源，会影响学生思维激发、师生交流互动等多个环节，因此，CSMS 适用于分析语言丰富的课堂类型。在以操作类型、练习类型为主导的课堂中，因为采集不到足够的语言信息，其他视频信息涉及的课堂活动远达不到课堂分析要求的效度，所以机器分析存在局限性，CSMS 作为人工智能分析的评价系统也受此制约。

CSMS 是一个课堂教学的洞察工具，用于帮助教师有意识地发现、分析、优化教学方式方法。本实验研究表明，教师在掌握CSMS 的使用方法后，借由CSMS 课堂大数据指数可以较快提升自己的教学技能并达到较理想的状态。当CSMS 某个指数或相关的细项指标出现低分时，意味着对应的教学环节需要改进，低指数一定程度上能够灵敏地指向课堂有待改进和优化的方向。但课堂观察也发现，部分高指数课堂仍存在学生思维激发、交流互动流于表面的现象，也就是说，获得CSMS 高指数的课堂不一定就是好课堂。

2.CSMS 应逐步按课类、课型建立常模，有针对性地助力教师专业发展

本研究涉及的11 节课有4 种类型，每一种类型的课堂，有其内在不同的要求。目前CSMS尚未建立针对每种课堂类型的优秀课堂特征模型，导致不同课型之间的测评未能充分揭示课堂教学的真实情况。对课堂进行分型研究，建立每种类型课堂的常模和优秀课堂特征，可以为教师提供有针对性的课堂优化方向。

课堂教学测评的最终目标是帮助教师优化课堂教学，助力教师专业发展。CSMS 评价框架以及学习发生知行理论具有较强的专业性和理论性，因此教师并不容易掌握CSMS 分析测评指标维度的准确内涵，更不容易制定合适的优化策略。若能配合CSMS 的测评结果，提供有针对性的优秀示范课例或课例片段，可以帮助教师迅速直观地理解并应用到教学实际中。