新一代信息技术在智慧课堂建设中的应用研究

邹凌君，张利峰

（金陵科技学院信息化建设与管理中心，江苏南京 211169)

我国颁布的《国家中长期教育改革与发展规划纲要(2010—2020年）》中明确提出:信息技术对教育发展有革命性影响,必须高度重视。随着《教育信息化十年发展规划(2011—2020 年）》《教育信息化2.0 行动计划》《中国教育现代化2035》[1]等一系列国家教育政策的颁布，全国各地各级各类学校相继开启了智慧教育新形态的探索与实践。特色鲜明、形式各异、功能多样的智慧课堂随之应运而生。回顾智慧课堂的发展历程，分析新一代信息技术在智慧教学、智慧管理、智慧评价、智慧环境构建等方面所起的作用、展望新一代智能技术在智慧课堂建设中的融合应用方向，为今后智慧课堂构建和创新发展提供启发与思考。

1 智慧课堂

1.1 智慧课堂概念与起源

智慧课堂目前还没有一个明确的定义，从不同视野有多种阐述。从建构主义学习理论角度可解读为：智慧课堂也称未来课堂，是在智慧教育理念引领下，借助人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术构建的教学智能化、学习自主化、资源多样化、场景泛在化的教育环境[2]。回顾智慧课堂的演变过程，国内教育信息化方面的专家普遍认可“智慧课堂”的概念来源于钱学森[3]在20世纪90年代提出的“大成智慧说”。他认为智慧教育是培养聪明才智和创新能力的方法体系。这里的“智慧”含义侧重人的聪慧和创智。从技术角度而言，智慧课堂的理念来源于2008年IBM公司首次提出的“智慧地球”战略，由此引申出了智慧城市、智慧校园及智慧课堂等理念。这里的智慧则侧重技术层面的自动化、智能化。此外，从近年的“互联网+教育”视野而言，智慧教育是互联网与教育深度融合的产物，而智慧课堂恰恰是智慧教育的主阵地和主战场，这里的智慧突出是智能信息技术与人类聪明才智的深度融合。

1.2 智慧课堂构建模型[4]

1)S.M.A.R.T模型（图1)：黄荣怀等指出智慧教室的智慧性应体现在Showing、Manageable、Accessible、Real-time Interactive、Testing 即内容呈现、环境管理、资源获取、及时互动、情境感知五个方面。

图1 智慧课堂S.M.A.R.T模型

2) iSmart 模型（图2) ：聂风华等提出智慧教室由Infrastructure、Network Sensor、Visual Management、Augmented Reality、Real-time Recording、Ubiquitous Technology 即基础设施、网络感知、可视管理、增强现实、实时记录、泛在技术六大系统组成。

图2 智慧课堂iSmart模型

智慧课堂模型的任何一个组成部分都离不开信息技术的支持，而以人工智能、大数据、物联网、云计算等新一代信息技术支撑了课堂智慧互动、智慧评价、智慧管理和智慧获取学习资源。

1.3 我国智慧课堂的发展历程

近十多年来，随着我国教育信息化进入高速发展期，以上海虹口区提出的“电子书包”为核心，以3G移动终端、教育内容、服务平台为要素的教学环境把智慧课堂带入了1.0阶段,这阶段是以传承知识为核心，培养学生记忆与接受理解能力为主。1997 年OECD（世界经合组织）开始了关于“素养”的研究，2002年美国制定了《21 世纪素养框架》，同年欧盟首次提出了“核心素养”的概念，2016 年我国教育界颁布了《中国学生发展核心素养》框架，正式要求教育教学从“知识本位”转向“素养本位”。为实现这一目标，必须改革现有课堂教学生态系统，“颠覆”已有课堂教学结构，课堂教学要从“师本位”向“生本位”转化，智慧课堂渐渐走入了以“核心素养培养”[5]为目标的2.0 阶段。如今，随着5G 移动网络及更多前沿信息技术的发展与普及应用，智慧课堂正向着个性化、泛在化、全球化的3.0[6]阶段迈进。

2 新一代信息技术对智慧课堂建设的技术支撑

国家“十二五”发展纲要提出的新一代信息技术分为六个方面，分别是下一代通信网络、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和以云计算为代表的高端软件。智慧课堂的信息技术架构如图3，主要可分为三大类型：基础支撑技术、分析计算技术和呈现技术。

图3 智慧课堂的信息技术架构图

2.1 智慧课堂建设中的基础支撑技术[7]

智慧课堂的基础支撑技术主要包含移动网络技术、物联网、大数据及区块链技术。

当今移动网络技术已经发展到了第五代。5G 技术具有高速率、低功耗、移动快、时延低、连接密度高等优势，在智慧课堂与人工智能、大数据、云计算、虚拟现实等智能技术相结合，能快速可靠地搭建移动学习、交互沟通、沉浸互动的学习环境，全面推动智慧课堂效果的提升。

物联网技术是智慧课堂建设的最基础的支撑技术之一。“物联网”的概念起源于IBM公司2008 年的“智慧地球”项目及我国2009 年提出的“感知中国”计划。基于传感技术和射频识别技术为主的物联网技术，在智慧课堂中主要应用于以下两个子系统：一是中央控制子系统，它可以本地或远程按课表自动开关、实时对教室教学设备的监控、完成信号切换、实现设备状态管理、异常报警等功能。二是感知子系统，即通过物联网感知设备，对室内环境数据信息进行采集，并汇聚到控制中心，实现对教室内电器设备开关、灯光亮度调节、温湿度等环境参数自动调整。

大数据是数量巨大、类型繁多、结构各异的数据集合体。大数据的意义不局限于数据量的庞大，更在于对这些海量并含有特定含义的数据进行专业的体系化处理，即需要技术人员通过专业化、体系化的平台对数据信息进行挖掘和处理。通常一个完整的教学大数据平台包含技术体系、数据体系、服务体系及运营体系，能实现数据加工、数据融合、数据可视化以及数据业务化功能。大数据技术在智慧课堂可应用于教、学、管理、监测、评价及服务多方面。通过对课堂教学过程性数据的记录、整合、呈现，平台能清晰展示学生的学习兴趣、能力偏好及薄弱环节；老师可以通过大数据分析了解学生的真实需求，因人而异制定个性化教学方案；家长可以方便获取孩子在校身体、心理及学习状况，及时予以关爱；教学管理部门可以更全面掌握课堂教学状态，以便提出科学精准的决策，驱动决策从粗放的经验型向精细的智能化转变。

区块链的本质是一个分布式账本[8]，因此区块链在任何领域的应用都与数据存储有关。所以区块链在教育领域的基本应用就是存储与分享教学数据。由于区块链是一个去中心化的分布式账本，它可以将包含课堂信息在内的教育信息存储在全球数亿节点构成的网络系统中，存储成本低而且无法轻易篡改，确保了学生学业成绩及学业证书的真实性。

2.2 智慧课堂建设中的分析计算技术

智慧课堂的分析计算技术主要包含云计算、人工智能、边缘计算技术。

云计算这个名词借用了量子物理中的“电子云”概念，“计算”并不是指一般的数值计算，而是指一台足够强大的计算机提供的计算服务（包括各种功能，资源，存储）。云计算突出计算的弥漫性、无所不在的分布性和社会特征性。这里的“云”是互联网络的一种隐喻说法，即互联网及其建立互联网所需要的底层基础设施的抽象体。“云计算”可以通俗地理解为网络上足够强大的计算机为你提供的需按你的使用量进行付费的各种服务。云计算在智慧课堂中的应用就是通过互联网向师生及教育管理者提供海量教育资源和各类教学应用程序，用于支撑课前准备、课堂教学、教学研究、教学评估、教学管理及自主学习等活动，旨在提升学生综合素养和学习能力的在线平台。其应用已极其广泛，这对于解决教育不公平、不平衡，特别是促进贫困边缘地区的教育发展起到了巨大的作用。

人工智能的概念最早是在1956 年的达特茅斯会议上提出的，人工智能属于计算机科学的一个分支。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的边沿交叉技术科学。人工智能学科研究范畴包括：计算机视觉、智能机器人、机器学习、自然语言理解、自动程序设计、知识表示和理解、自动推理和搜索方法、知识处理系统等方面。其中语音识别、人脸识别技术在智慧课堂中的应用较为成熟。人工智能技术可以根据学生以往的学习状态来预测学生今后的学习表现，智能推荐最适合学生的学习内容，从而有效的提升学生的学习效果；图像识别技术使得作业、试卷自动批改将会变得越来越实用、准确；人工智能技术还可以用于自动化辅导与答疑、智能测评、智能教育决策等方面。

边缘计算是一种分布式的开放式AI架构，边缘计算的主要目的是让运算尽可能接近数据源，直接在边缘计算节点进行数据处理，减轻了数据爆炸和高网络流量带来的高压力。通过启用移动计算和物联网技术，使之具有数据分散处理能力，最大程度地减少客户端与服务器之间进行远程通信的需求，从而减少延迟和带宽使用。边缘计算最常见的用例是支持物联网功能。对于日益互联的校园，通过使服务器更靠近连接的传感器和设备，可以利用大数据更快地确定下一步操作，提高数据处理效率，同时还能降低校园网带宽要求。

2.3 智慧课堂建设中的呈现技术

智慧课堂呈现技术主要包含虚拟/增强(VR/AR)现实、扩展现实(XR)、全息影像技术。

虚拟/增强现实(VR/AR)所传递的信息是一系列实时生成的拟真声像信息、触觉和运动感知（未来还要延伸到嗅觉和味觉）等。虚拟/增强现实(VR/AR)最大的特点就是“身临其境”，这正与教育理论中的“情景构建”理论不谋而合。将此技术应用于智慧课堂，学生可以身临其境，通过视觉听觉触觉感受，加强记忆、加深理解，从生活中学、从游戏中学习、从思考学习，从而极大地提高学生的学习兴趣。扩展现实(XR)则涵盖了增强现实(AR)，虚拟现实(VR) 和混合现实(MR)的技术，是所有沉浸式技术的统称，通过融合虚拟和现实世界或通过创建完全身临其境的体验来丰富课堂体验。

全息技术是利用干涉和衍射原理来记录并再现物体真实的三维图像的技术。全息影像技术一般也被称作虚拟成像技术或是全息成像。在智慧教学中典型的应用场景：线上教学时能将教师的身影投射到远程课堂中去，仿佛教师就在眼前，避免了采用视频画面听教师讲课，没有亲临现场的感受，带给学生身临其境的画面，因而使课堂教学更加生动逼真。

5G 与扩展现实、全息影像技术的融合将打造出一个完美的无缝沉浸式虚实交映的学习空间，助力智慧教育发展。

3 智能信息技术在智慧课堂建设中的应用展望

新一代智能信息技术主要有生成式人工智能、机器人、边缘智能计算、知识图谱、区块链及元宇宙技术等。通过与5G 技术的深度融合，新一代信息技术必将在智慧课堂建设中发挥引领作用。

生成式人工智能(AIGC)[9]是人工智能(AI)的一种最新应用。与以往熟知的Deep Blue、Alpha Go等只具有某一专项技能的AI不同，AIGC是一种基于大语言模型(LLM)、生成对抗网络(GAN)，采用自然语言处理(NLP)技术、深度学习(DL)、机器学习(ML)等技术对大量已有文本和数据进行学习、识别，用适当泛化能力生成包含文本、音乐、图像等多种文件内容的人工智能技术。OpenAI 的ChatGPT(Generative Pre-trained Transformer)意指“基于特征抽取转换模型的预训练语言生成聊天工具”，它是AIGC的一款杰出代表，是一种基于自然语言处理的人工智能模型，它能够理解和生成自然语言文本，它彻底改变了以往的信息获取方式。与Deep Blue、Alpha Go等应用不同，ChatGPT是一种不仅会学习，还能模仿人类分析比较、综合概括、抽象判断、逻辑推理会思考的“机器”。它可以为师生提供多种多样的教学资料，进行一对一个性化辅导；能自助批改作业及试卷，并进行分析和反馈；能指导学生写作甚至撰写论文，这些对未来课堂的创新化教学、个性化学习支持、智能化辅导无疑会起到积极的促进作用。

依托机器人技术的学伴机器人[10]因其独特的外表而具有极强的视觉吸引力。它能通过言语、面部表情、唇语、手语等面部表情和肢体语言与人交互，可以承担导师、助理、学伴等角色，甚至能代替因故不能上课的学生上课。这类机器人将在特殊教育领域发挥巨大作用。机器人主持教学是机器人在教育中应用的最高层次。不久的将来，机器人在许多方面将直接组织教学与管理，而不再是扮演辅助角色。随着人工智能、虚拟现实等技术的深度融合发展，教育机器人或将成为了人们的另类老师。

边缘智能计算[11]是边缘计算技术与数据挖掘、机器学习、数据可视化等人工智能深度融合而成。边缘智能计算避免了云计算平台资源利用率低、功耗大、数据中心处理压力大、终端设备低延时需求难以满足的不利因素，应用场景适合于学生在课堂或本地频繁请求教学资源时资料的实时分发，也适用于远程参观、演示、大型公开课等教学事务。边缘智能计算应用于智慧课堂建设能为师生提高更客观、全面的分析结果，有助于教学管理个性化的实时评价。

知识图谱能对课堂教育知识进行结构化、语义化建模，其核心作用是将课题教学资源提供的数据进行挖掘，产生相应的知识元及语义关系，因而基于知识图谱的自适应技术产品能用于学情诊断、学习反馈及改进，为因材施教提供支撑证据，为真正实现智慧课堂中的个性化学习提供底层基础设施。

区块链技术在智慧课堂的应用除了教学数据存储外，第二个应用就是数据分享。教师担任了节点的角色，可以在区块链上发布自己的相关教学课件，经过时间戳证明验证，确保数据的所有权。对学生来说，可以将自己的教育经历、工作经历、课外活动等信息资料通过区块链实现安全共享。区块链第三个应用是学分互认和学历证书认证，这有利于促进教育的国际化进程。目前，国内外大多数案例基本形成“区块”分散而未能成“上链”的格局[12]。但长远来看，区块链技术具有开放性、可追溯不可篡改性、加密安全性[13]，在智慧教育、智慧课堂的应用有着广阔的前景。

4 元宇宙技术将对智慧课堂带来的变革

2021 年是公认的“元宇宙”年。Metaverse 这个词由前缀meta（意思是“超越”)和词干verse（从universe演变而来）组成。目前，元宇宙尚未有权威、统一的定义，仍处于不断发展、演变的概念。在清华大学新媒体研究中心发布的《2020—2021年元宇宙发展研究报告》给出的定义如下：“元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态，它基于扩展显示技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术生成现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和世界编辑”[14]。虚拟现实、增强现实、区块链、云计算、人工智能、5G等新技术都是构成元宇宙框架的要素。元宇宙是虚拟世界与现实世界的融合载体，在国内外教育领域的应用已有显现。例如，2021 年，斯坦福大学开设了一门基于VR 环境上课的课程“Virtual People”，学生带上VR 头戴设备，就可以在任意地方远程上课。课堂场景囊括了虚拟博物馆、生活化的场景、地球上人烟稀少的角落（如火山口、海底暗礁）等[15]。在去年疫情期间，中国传媒大学动画与数字艺术学院在游戏《我的世界》中复刻学校场景，学生以虚拟形象在游戏里完成了线上毕业典礼，每个学生在虚拟空间里设置属于自己的虚拟角色，与师生互动交流。教育元宇宙具有社交活动的交互性、真实世界模拟的沉浸性和自由开放灵活的多元性三大特征[15]。从寓教于乐到改变传统课堂单一授课形式，元宇宙与教育的融合将在以下三个方面给课堂教学带来巨大的冲击：一是克服传统课堂的时空的局限性，教师、学生及管理者以数字身份参与课堂，在虚拟教学场所中进行互动；二是授课教师和教学管理者可以研发新型教学模式，让学生获取更丰富的学习资源，各种创意课堂能够被激发，教学效果即将获得质和量的提升；三是在多元空间与无限资源下，有效解决教学资源分配不均衡，特别是老少边远地区的资源匮乏的问题，使全体社会公民享受到均衡普惠的教育信息化发展红利，促进教育平等；四是元宇宙技术为课堂教学提供了最大空间和最好的技术基础，让学习变得更加简单、更加有趣，将加快人类进入到“生活就是学习，学习就是生活”的历史阶段。

5 结束语

伴随着人工智能、大数据、物联网、云计算、虚拟增强混合现实、机器人等智能技术不断发展，智慧课堂已从以教师为本、以传承知识为核心的1.0阶段迈入了以学生为本、以核心素养培养为目标的2.0阶段。5G移动网络、区块链及元宇宙等新智能信息技术又将智慧课堂从2.0阶段向着虚实融合生态环境、个性化差异化教学、全球教学资源共享为特征的3.0阶段推进。新一代信息技术与课堂的教、学、管理、评价、服务等全方位的深度融合，将把智慧课堂建设成为一个突破时空限制，无时不有、无处不在的虚拟网络教学空间。