初中智慧课堂的构建及其有效性研究
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作者:王月 张海 王以宁 张晶
摘要：依托人工智能、物联网、大数据等新兴技术的支持，智慧课堂的概念应运而生并在教学中得以广泛实践。但目前在初中教学中，智慧课堂应用存在智慧性不足以及教学模式不清晰等问题，且现有研究对智慧课堂有效性的实证探究尚显不足。基于此，该文针对初中教学现状和教学中存在的主要问题，构建了初中智慧课堂并以地理学科为例，对其有效性进行了检验。研究采用对比实验的方法，比较了该智慧课堂和传统课堂在教学效果、学生互动行为数据、预习任务完成率和学生对课堂满意度方面的差异。数据分析结果表明：构建的智慧课堂能提高学生的学习成绩，增强学生的主动互动、提高预习任务完成率，提高学生对课堂的满意度。研究在一定程度上证明了智慧课堂的有效性，促进了人工智能等新技术与初中教学中具体学科的深度融合，并为智慧课堂构建的深入发展和提高智慧课堂环境下教学效率提供了参考和依据。
关键词：智慧课堂;有效性;初中地理;教学效果
中图分类号：G434
文献标识码：A
随着人工智能、物联网、大数据、云计算等新兴信息技术的发展，教育领域已从传统的多媒体课堂向智慧课堂转变。美国、新加坡、韩国、马来西亚等多个国家都将智慧教育的发展和智慧课堂的构建作为重要的教育发展战略。IBM公司亦启动了智慧教育计划并提出智慧教育发展的五大路径。在我国，智慧课堂的发展也进人关键时期，《教育信息化2.0》提出，要顺应智能环境下教育发展的必然选择，构建智慧学习支持环境，推进智慧课堂的技术开发与实践应用”。
在人工智能深人發展的背景下，智慧课堂的应用范式、实践效果以及智慧课堂与具体学科的深度融合将是未来教育领域值得思考和关注的问题。初中地理课程兼备理论性与实践性，并需要情景创设，对课堂的智慧性要求较高。因此，本研究针对初中教学中的现存问题，构建了智慧课堂，并以初中地理学科为例在教学中检验其实践效果。为规范初中智慧课堂的教学设计、提高课堂教学的智慧性和教学质量，促进智慧课堂的发展提供理论和实践依据。
一、智慧课堂概述
2009年，IBM公司提出了“智慧课堂”这一概念。随后，多国学者都对智慧课堂进行了广泛的研究，并对智慧课堂的定义提出了不同的观点。黄荣怀等人认为，智慧课堂能感知学习情景、识别学习者特征、提供合适的学习资源和便利工具、自动记录学习过程和评测学习成果。它能提供优质的学习内容呈现方式、丰富的学习和教学资源、强交互深体验的课堂和不同的学习情境"。近年来，随着云计算、人工智能、物联网等技术的发展，基于人工智能的智慧课堂在基础教育中得到一定实践，智慧课堂环境支持自动采集、编码和分析学习过程数据，并能实现教师对学习者的学习状态进行即时评价图，体现了课堂的智慧性。
在智慧课堂的研究与构建方面，祝智庭等人提出了智慧课堂的研究框架，其中包括三要素：智慧学习环境、智慧教学法和智慧学习者"。智慧学习环境应配置智能设备与教学工具，例如交互式电子白板、智能课桌椅、电子书包、移动学习终端设备、可穿戴设备、学习系统、在线资源、教育游戏等。智慧教学法应该整合知识内容，参考学习者的学习能力、学习兴趣，并对学习者的学习水平做出即时反馈。智慧教学法也应为学习者提供小组合作学习的方式，这样学习者能通过信息交流将知识储存在长时记忆中，以收获更高层次的学习并培养学习者的高阶思维。智慧学习者则是智慧课堂中的核心，智慧学习者与智慧课堂的每个元素都存在交互。
在现有研究中，许多学者都从不同角度构建了智慧课堂的应用模式。庞敬文等人基于微课，构建了初中数学智慧课堂，具体化了数学智慧课堂的教学流程，并进行了案例应用。唐烨伟等人将智慧课堂进行了四个层次的划分，基于此提出了智慧课堂应用的教学思路，并对比了智慧课堂与传统课堂在教学过程中的差异。孙曙晖等人构建了智慧课堂建模与挖掘分析体系框架，并分析了学生主观行为对成绩的影响。现有研究虽然从不同角度构建了智慧课堂，并对其进行了简单的案例应用，但对其教学效果的检验多停留在提高成绩方面，缺乏对学生成长性指标的关注，同时缺乏将所构建的智慧课堂与传统课堂在提高教学质量等方面的比较性研究，从而使智慧课堂的真正有效性难以被证明。
二、初中课堂教学现状及问题
义务教育课程既包含自然科学又包含社会科学，既具有学术性又具有实践性。因此，在课堂教学时，应使用丰富的课程资源、拓宽学习空间、注重多样化的学习和教学方式，并鼓励学生进行自主学习、合作交流和积极探索。但目前初中课堂教学的模式仍以集体讲演式为主，且师生对交互式一体机等智能设备的应用处于初级阶段，课堂没有达到智慧性的要求。此外，当前初中课堂教学中主要还存在以下三个问题。
（一）网络教学资源利用不足
初中教学课程中有概念性的原理知识，又有与生活实践相关的实验现象，因此要求教学资源形式多样化，才能达到预期的教学效果。目前，初中课堂教学中，主要以课件展示为主，配有图片和少量动态视频。教师在使用这些资源时，没有统一的下载平台，由教师自行准备，质量和数量得不到保障。因此，资源的使用没有系统性，也无法有针对性地阐释教学问题，使教学内容与现实脱节，抽象的概念难以理解，从而降低了课堂教学的效率。
（二）教学方式和学习方式古板，课堂互动效率低
当前初中课堂教学仍以教师讲解为主，但很多学科的教学内容需要学生主动去发现和思考问题、探究问题、动手完成实验等。因此目前的教学中多数学生没有真正参与到课堂问题的探索中，同时，学生在课堂中变成了知识的被动接受者，学生没有合作学习的空间和进行探究式学习的机会。此外，师生间的互动主要是教师提问的传统模式，而学习同伴之间的互动机会更少，这造成了只有少部分学生能参与到课堂互动，使课堂互动参与率低且互动效率低下。
（三）教师无法精准掌握不同学生的学习状态在现行的初中课堂教学中，教师依然通过自身的教学经验以及平时对学生的了解程度对学生的课堂学习状态进行分析。这种分析形式具有主观性和随机性，导致教师盲目地选择教学策略且无法准确地掌控教学进度和教学节奏，从而影响教学效果。此外，同一班级中学生的学习水平存在差异，而缺乏智慧性的教学方式无法关注到每个人的需求和状态，造成学生对知识的掌握程度参差不齐。 三、初中智慧课堂的构建
针对上述初中课堂教学中存在的问题，本研究将基于初中所使用的智慧教室环境构建智慧课堂教学模式。该智慧课堂配置有丰富的软硬件设施，硬件设施主要包括：交互式一体机、投影仪、移动学习终端、收音装置、自动记录摄像头、互动录播系统、无线投屏、基础网络设施和便捷式移动课桌椅等。软件设施主要包括：即时反馈系统、“云平台”数据储存与管理系统、智能学习行为数据收集和分析系统、材料资源库、游戏化学习系统等。该智慧教室能支持移动学习、游戏化学习、沉浸式学习等情景，智能学习行为采集和分析能为教师的精准教学提供准确数据，即时反馈系统为教师即时掌握学生学习情况提供依据，空间设计灵活能增强师生、生生间的互动，并支持小组合作学习等多种学习模式。
本文构建的智慧课堂包括课前、课中、课后三个环节，分别从教学阶段、教学设计、技术工具、学习/教学方式四方面考量，其教学模式如下页图1所示。
课前，教师和学习者均需登录智慧课堂学习系统。学生完成前测试题，系统批阅后给出成绩数据和分析结果。这部分数据便于教师了解学习者的先备知识情况，并根据学习者的知识基础，合理地选择教学策略。教师在“云课堂平台”上对学习者的学习需求等情况进行了解，并根据现实情况进行有针对性地备课，并最终确定适当的教学PPT、教学视频、练习题等教学资源。教学资源准备好后，教师根据学科特征，设计相应的教学方式，创建教学情境。
智慧课堂教学中，教师借助交互式电子白板讲解教学内容，在此过程中，将重要的内容通过移动学习终端传送给学生，学生可以根据自己的学习需求，使用移动学习终端书写功能对学习材料进行标记。此外，教师每讲解完一组相关知识点后，会向学生推送相应的测试题，学生在移动学习终端上作答，并通过即时反馈系统将答案反馈给教师，全班学生的答案统计数据将展示在大屏幕上，教师则根据测试题错误率进行即时的习题讲解。学生也可以通过移动学习终端和智能交互系统，随时向教师发出提问，教师予以即时反馈和解答。接着，教师会根据教学内容安排合作学习等多种学习方式。此外，学生的课堂作业可以通过在线互动系统，传送至教师的移动终端，教师选择性地将作品展示在屏幕上，并进行讲解。学习同伴间也可以查看任意小组的作品，同时展开生生互评。
课后，利用学习分析技术分析学习者的课堂行为、浏览记录、习题正确率等情况，会根据本堂课每个学生习题错误的情况，为其推送个性化的巩固练习题，并形成个性化学习报告，学生可以依据学习报告進行自我反思，教师可以利用学习报告为下一阶段的智慧教学设计做参考。
与传统课堂相比，本文构建的初中智慧课堂智慧的特征表现在以下三方面：
（一）以技术为支撑，提供丰富的数字资源
在技术的支持下，智慧课堂中的资源系统可以为教师提供丰富的备课资源，例如地理科目的地貌图片资源、物理科目的实验视频、语文科目的朗诵音频等。这些资源内容也会根据课标要求及时更新，这既节省了教师自行寻找和创建教学材料的时间精力，又能为学习者提供画质清晰、内容多样的学习材料。此外，为了避免智慧教学过程中资源的冗余，该智慧课堂还配置资源管理系统，系统能将资源整合，为教师备课推送相关内容，以保证后续智慧教学的质量。
（二）支持多种学习方式和教学方式的实现，创设不同的学习情境
多样的教学方式/学习方式是智慧课堂中重要的一环，与传统课堂相比，该智慧课堂支持移动学习、自主学习、合作学习、探究式学习、沉浸式学习、启发式学习等。面对不同的学习内容，采用与之相适应的学习方式。例如当讲解抽象的概念或原理性知识时，可以采用游戏化教学，运用智慧课堂中的游戏化抢答软件，构建竞争氛围的课堂，有利于激发学习者的学习兴趣，帮助学生记忆这些枯燥的知识;当讲解“气候”“关节”“生活中的杠杆”，这类与日常生活紧密相关的知识时，适合采用沉浸式的教学方式，为学习者创建情景，使其有身临其境的感觉，从而更轻松地掌握相关知识;当进行生物或物理实验时，可以采取合作学习，并进行师生、生生的互评，有利于提高教学效率。
（三）以学习者为中心，帮助学习者实现个性化学习
学习者一直被认为是智慧课堂的对象和智慧课堂构建的中心，该智慧课堂能让教师在课前掌握学习者对相关知识点的欠缺以及兴趣点，课中实时掌握学习者在课堂中的学习状态，并利用学习分析和学习者建模技术，针对学习者测评数据构建个性化“错题本”。学习者个人的学习行为、学习进度也会被系统记录，学习者可以针对课堂丢失的内容对知识进行回看和重新学习，也可以自主搜索自己感兴趣的内容，以此扩充自己的知识面，实现个性化学习。
因此，该初中智慧课堂能提供丰富的教学和学习资源;创建不同的教学情景;支持多种学习方式;并以学习者个人大数据为基础，辅助其实现个性化学习。智慧课堂也克服了传统课堂枯燥单一的学习氛围，增强了师生之间、生生之间的互动，使学生从被动的知识接受者，变成课堂的积极参与者，旨在提高学生的学习兴趣和学习效率。
四、智慧课堂有效性研究
（一）研究目的
本研究旨在测量和统计学习者通过智慧课堂和传统课堂学习后，在学习成绩、互动行为数据、预习任务完成率和对课堂满意度方面的差异。初中地理新知识讲授课堂能有效运用智慧课堂中的技术、环境、资源，且新知识讲授课堂便于测量智慧课堂与传统课堂在教学效果上的差异，因此，本研究选取初中地理人教版八年级上第二章《中国的自然环境》中的第一节“地势与地形”作为教学案例，以此对智慧课堂的有效性进行检验。
（二）研究对象
本研究选择长春市S中学初一年级A、B、C三个班的学生作为研究对象，其中A班21人，B班24人，C班27人。A班在该校的智慧教室，采用本研究设计的初中智慧课堂教学模式进行授课，B、C两个班级在传统多媒体教室采用传统的方式进行教学。同时，为排除教师个人差异对实验结果的影响，本研究选取同一名初中地理优秀教师分别对三个班级进行相同章节的授课。 （三）实验材料
1.前测试卷
为排除三个班级学生个体差异影响实验结果，在实验前，本研究对三个班级进行了统一的知识前测。前测试卷由两名中学地理卓越教师联合编制，通过预测试和删减，最终确定20道单选题，包含该节的全部知识点，每题5分，共计100分，得分越高代表先备知识水平越高。
2.后测试卷
后测试卷旨在测量学习者通过智慧課堂和传统课堂学习后的成绩差异。后测试题仍然由前述两名中学地理卓越教师编制，通过预测试和删减，最终确定40道单选题，每题2.5分，共计100分，包含本节课全部8个知识点，分别是“三级阶梯”“山脉”“盆地”“高原”“平原”“丘陵”“自然灾害”“资源开发与利用”，每个知识点5道测试题。为了保证实验的准确性和关联性，其中10道题目与前测试题相同，其他试题与课堂教学内容紧密结合且难度略高于前测试题。
3.课堂满意度调查问卷
本研究所采用的课堂满意度调查问卷参考了Slain等人在测量学习者对即时反馈模式课堂的满意度时所使用的调查问卷，并结合本研究做适当修正！4。修
正后问卷的Cronbach'sa值=0.831，说明问卷有较高的信度。问卷共包含13个题目，采取李克特五点评分法进行评价，将“非常符合”“比较符合”“一般符合”“比较不符合”“非常不符合”五个选项分别对应于5分、4分、3分、2分、1分。
（四）实验过程
1.前测
实验开始前，对A、B、C三个班的学生进行本节知识点的相关前测，并回收前测试卷，进行批改和分数统计。
2.课堂教学实践
A班按照上页图1所示的智慧课堂教学模式实施智慧教学，其课堂教学具体流程如表1所示。
B班和C班按照传统的教学模式在普通多媒体教室中进行相同内容的教学。课前，教师会发放纸质预习材料;课中主要通过投影呈现教学PPT，进行新知识的讲解，课堂互动仍采取传统“一问一答”模式;课后学生完成相同的练习题。其教学具体流程，如图2所示。
3.后测及满意度测试
教学结束后，分别对三个班级的学生进行后测和课堂满意度的测试，并回收后测试卷和课堂满意度调查问卷，以便后续进行数据分析。
4.其他数据采集
本研究还将对两种课堂中学生的互动行为数据和预习任务完成率进行比较。本研究中统计的互动行为是课堂中学生主动与教师或其他学习同伴进行互动的行为，包括主动提问、主动回答问题、主动评价其他学习同伴的观点或作品。智慧课堂中的数据可由系统直接提取，传统课堂中的学生互动行为数据由教育技术学两名学生课后对课堂视频进行编码获得，预习完成率由教师进行统计。
五、数据分析
（一）前测成绩分析
本研究对三个班级进行了统一的知识前测，三个班级的前测平均分分别是A班14.52，B班15.63，C班16.67，对三个班级的前测平均分进行显著性差异检验，其中A班与B班差异显著性系数P=0.47，A班与C班差异显著性系数P=0.77，B班与C班差异显著性系数P=0.73，均大于0.05，该结果表明，三个班级的学生先备知识水平不存在显著性差异，处于相同水平，因此排除了学生个体先备知识水平不同影响学生后测成绩的情况。
（二）后测成绩分析
本研究统计了三个班的后测成绩，A班的后测成绩平均分（69.05）明显高于B班（48.54）和C班（46.67），随后进行单因素方差分析。单因素方差分析前，对三个班级学生成绩进行了方差同质性检验，结果P=0.254》0.05，满足方差齐性要求，可以进行单因素方差分析，数据结果如表2所示，结果表明，三个班级后测平均分之间存在显著性差异F=10.831，P《0.05。多重比较结果如表3所示。A班后测成绩与B班（P《0.05）、C班（P《0.05）均存在显著性差异，B班与C班后测成绩不存在显著性差异（P=0.071>0.05）。
（三）互动行为数据分析
对智慧课堂和传统课堂中学生主动进行互动的频率进行比较，统计结果如表4所示。
从表4中数据可以看出主动提问、主动回答问题、主动评价其他学习同伴的观点和作品以及总互动频次四方面，通过智慧课堂学习的A班均比B班和C班有较大的提升，而B班和C班差异不大。
（四）预习完成率结果分析
系统统计的A班预习完成率为95.24%，教师统计的B班预习完成率为75%，C班预习完成率为74.07%。A班的预习完成率要明显高于B班和C班，而B班和C班的完成率差异不大。
（五）课堂满意度结果分析
本研究统计了三个班学生对课堂的满意度，A班满意度平均分（4.48）明显高于B班（3.38）和C班（3.42），随后进行单因素方差分析。单因素方差分析前，对三个班级学生成绩进行了方差同质性检验，结果P=0.288》0.05，满足方差齐性要求，可以进行单因素方差分析，数据结果如下页表5所示，结果表明，三个班级学生对课堂满意度存在显著性差异（F=164.352，P《0.05）。多重比较结果如下页表6所示。A班满意度与B班（P《0.05）、C班（P《0.05）均存在显著性差异，B班C班满意度不存在显著性差异（P=0.0598》0.05）。
六、结论与建议
为了解决初中课堂教学现存的问题，本研究设计构建了初中智慧课堂教学模式，并通过与传统课堂对比实验方法，验证了其有效性。研究结果表明：（1）本文构建的初中智慧课堂能提高学生的学习成绩。使用智慧教学模式的学习者后测成绩显著高于传统课堂的学习者。智慧课堂的教学模式是以学习者学习需求和先备知识为基础进行教学设计，教学内容更具有针对性，因此学习者在学习过程中更容易习得新知;智慧教学模式能够将学习模块进行分解，在完成每一个知识点的教学后即时为学习者提供相应的测试，并给予学习者充分且个性化的反馈，这使得学习者的盲点和疑惑得到及时解决;此外，智慧教学模式针对不同的教学内容采用相应的教学模式，这些教学模式多借助于技术设备，增加了人机互动，同时提高了学习者的参与度和兴趣，使学习者能更好地掌握知识，获得更好的成绩。（2）智慧课堂教学模式可以增强课堂互动。智慧课堂中的学习者无论是与教师还是与学习同伴的互动频率都显著高于传统课堂。首先与传统课堂教师讲解不同的是，智慧课堂以学习者为中心，因此在教学设计时，教师会充分考虑学习者参与课堂的机会，积极创设交互，所以智慧课堂中的交互频率更高;智慧课堂中学习者多采用线上交互进行主动提问和评价学习同伴，使学习者克服主动发言时的恐惧紧张情绪，积极参与课堂互动。（3）研究结果显示智慧课堂中学习者的课前预习完成率要明显高于传统课堂，表明智慧课堂能够促进学生积极完成课前预习。智慧课堂中学习者预习完成率较高的原因主要是在课前预习时，教师会实时在线解答学习者的部分疑问，从中了解学习者的兴趣和知识水平，学习者在预习过程中受到了关注，也会促使学习者积极完成课前预习;其次，学习者课前预习完成与否的数据将会被记录在系统当中，教师可以进行事后检查，这在一定程度上起到了对学习者的督促作用。（4）智慧课堂的构建还提高了学生对课堂的满意度。调查问卷结果显示两种课堂的学习者满意度有显著性差异。在智慧课堂中的学习者表示，智慧学习环境的教学形式更加多样，因此能促使他们积极参与课堂教学;即时反馈系统能使其问题得到即时解答，避免了由于先前学习内容不清晰而导致后续学习内容无法理解的情况;智慧课堂中也创造了丰富的机会供学习者参与讨论、人机交互。因此，本研究所构建的智慧课堂解决了课堂教学中存在的主要问题，为初中课堂教学提供了丰富的教学资源、创设了教学情景、加强了课堂师生互动、支持多种学习方式和即时评价，在一定程度上实现了个性化学习。为智慧课堂的构建和发展提供了一定的参考和依据。 基于以上结论，本研究提出以下三点建议：（1）初中课堂教学应结合具体学科特征，既要利用智慧课堂的共性特征，也要关注具体学科的个性特征，关注不同学科在教学内容、教学方式、教学评价等方面的差异，合理地选择智慧教学模型，解决具体问题;（2）智慧课堂中的教学资源丰富多样，但要避免没有针对性地技术堆砌，给学习者认知造成负担，应合理选择智慧课堂中有效的资源和技术进行教学设计，并与实际相结合，为学习者创建与生活实际紧密关联的教学情境，增强智慧教学的有效性;（3）本研究在一定程度上证明了智慧课堂在初中教学应用的有效性，但在实际中智慧教室的建设和应用并不充分，教师的信息技术应用能力也有待提高，因此应充分做好智慧教室在初中学校的普及，并做好相关的教师信息技术技能培训，为后续智慧课堂更好的应用做铺垫。
总体来说，本研究还存在一些不足，例如，数据来源较为单一，因此，在下一阶段的研究中，将增加数据的广度和深度，为初中智慧课堂的深入发展提供更有力的理论和实践依据。
参考文献：
【1】贺斌，智慧教育视域中差异化教学模式研究【D】.上海：华东师范大学，2018.
[2] ChoilJ.& Lee，Y.The Status of SMART Education in KOREA [A].TAmiel & B.Wilson.Proceedings of World Conference on EducationalMutimedia，Hypermedia and Telecommunications [C].Chesapeake，VA：AACE，2012.175-178.
【3】杨现民，刘雍潜等.我国智慧教育发展战略与路径选择【J】.现代教育技术，2014，（1）：13-20.
[4] Rudd J.，Davia C.，et al.Education for a Smarter Planet：The FutureofLearning[DB/OL].http：//www.redbooks.ibm.com/redpapers/pdfs/redp4564，2009-09-10.
【5】教技【2018】6号文件，教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知【Z】.
[6] Duk-Hoi Koo.Trends and Revitalization of Smart-Learning inElementary and Middle Schools [J].Asian Journal of InformationTechnology，2012.（5）：160-168.
[7] Pirahandeh M.，Kim D.HEnergy-aware and inelligent storage featuresfor multimedia devices in smart classroom[J].MultimediaTools & Applications，2017，76（1）：1139-1157
[8] Z.T.Zhu，M.H Yu，et al.A research framework of smart education [J].Smart leaming environments，2016，3（1），1-17.
[9] Z.T.Zhu，B.He.Smart Education：new frontier of educationalinformatization [J].E-education Research，2012，（12），1-13.
【10】庞敬文，张宇航等.基于微课的初中数学智慧课堂构建及案例研究【】.中国电化教育，2016，352（5）：70-76.
【11】唐烨伟，庞敬文等.信息技术环境下智慧课堂构建方法及案例研究【J】.中国电化教育，2014，（11）：23-29.
【12】孙曙辉，刘邦奇等.面向智慧课堂的数据挖掘与学习分析框架及应用【J】.中国电化教育，2018，373（2）：59-66.
【13】况姗芸，黄润梅等.基础教育信息化教学实践现状分析与推进建议——基于“部级优课”视频课例的调查【J】.中国电化教育，2018，380（9）：67-74.
[14] Slain.D，Abate.M，et al.An interactive response system to promoteactive learning in the doctor of pharmacy curiculum [J].AmericanJourmal of Pharmaceutical Education，2004，68（5），117.
作者简介：
王月：在读博士，研究方向为智慧教育、学习与认知（sherry6668@163.com）。
张海：教授，博士生导师，研究方向为教师TPACK、智慧教育（zhangh219@nenu.edu.cn）。
王以宁：教授，博士生导师，研究方向为远程教育、媒体与学習（wangyn814@nenu.edu.cn）。
张晶：正高级教师，研究方向为教育管理（1519514515@qq.com）。
收稿日期：2019年12月30日
责任编辑：邢西深
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