* 本文系认知智能国家重点实验室2020年度智能教育开放课题重点课题“智能技术支持下的因材施教与教育治理”(课题编号：iED2020-Z003)阶段性研究成果。
刘邦奇.智慧课堂生态发展：理念、体系构成及实践范式——基于技术赋能的智慧课堂理论与实践十年探索[J].中国电化教育,2022,(10):72-78.
随着人工智能、虚拟现实、5G等新兴技术不断成熟，智慧课堂从技术与教学的“整合”向“深度融合”转变，实现课堂教学生态重构[1]。教育部2022年工作要点明确提出，“探索大中小学智慧课堂建设，改进课堂教学模式”，标志着智慧课堂走向常态化应用。新时代智慧课堂被赋予了更多的教育使命和更高的价值期望[2]。然而，尽管智慧课堂发展迅速、应用广泛，但对智慧课堂的内涵与架构还缺乏共识和统一标准。因此，把智慧课堂作为一个生态系统，用生态学的思维重新审视技术赋能智慧课堂的内涵及发展特点，分析智慧课堂教学生态体系的构成要素及其运行机制，有利于深化智慧课堂研究与实践，推进技术支持的课堂教学创新发展。智慧课堂生态发展有其历史必然性。智慧课堂实质上是素质教育与信息化发展相结合，聚焦于技术赋能课堂变革的产物。为适应素质教育智慧培养的诉求，依据现代教育技术理论，设计、开发和利用智能信息技术，助力课堂教学变革，形成了智慧课堂新生态。何克抗称之为智慧学习环境下的课堂教学结构变革[3]。智慧课堂受到教育信息化理论研究、一线应用和产业界的普遍关注，如祝智庭、黄荣怀、钟绍春、杨现民等众多学者进行了深入研究，笔者团队进行了十多年的持续研究[4]。对智慧课堂发展阶段有多种划分方法，如参照联合国教科文组织对教育信息化发展阶段的划分将智慧课堂发展划分为起步、融合与创新三个阶段[5]；基于技术在课堂中的应用划分为技术平移应用、技术融合应用、技术创新应用阶段[6]；借鉴技术与教学整合的SAMR模型划分为提升、过渡、变革三个层级[7]。本文在以上研究的基础上，结合对技术赋能的智慧课堂理论与实践十年探索，将智慧课堂的发展过程划分为起步探索、快速形成和生态重塑三个阶段。最早提出智慧课堂是本世纪初随着我国素质教育的推进，课堂教学从注重知识传授转向智慧学习，重视学生的智慧培养和发展，2004年有学者首次提出“智慧的课堂”概念[8]。同时，由于计算机网络、物联网以及IBM“智慧地球”战略的提出及其在教育领域应用，引发了“智慧教育”“智慧课堂”等概念出现，通过创建具有一定智慧的学习时空环境，旨在促进学习者的智慧全面、协调和可持续发展[9]。尤其我国实施教育信息化十年发展规划之后，各类学校大力开展信息化教学改革，基于计算机网络、多媒体、视听技术等构建多屏显示、声像同步、动静结合的教室环境，并与“校校通”“班班通”对接，逐步由多媒体课堂向网络化、数字化课堂转变,2010年出现了基于电子书包的智慧课堂[10]。该阶段的特点是：以注重学生的智慧培养为宗旨；采用技术平移的方式进行技术研发；理论研究上注重智慧课堂场所建设与应用研究，提出了智慧教室“SMART”模型[11]，基于智能空间技术的智能教室[12]；实践应用上采取辅助性支撑应用模式，技术作为教学辅助工具替代某些要素作用，实现功能扩增、课堂教学改进等，但教学结构没有变化。2014年开始智慧课堂得到快速发展与应用。2014年4月教育部提出研究制订学生发展核心素养体系和学业质量标准，指引着新一轮深化课程改革的方向。为此，迫切需要新的教学手段和模式，课堂教学向信息化、智能化方向发展。同时我国出台了有关云计算、大数据、移动互联网等信息化产业政策，教育信息化迎来了新的发展契机，基于新一代信息技术开发网络学习空间、大规模在线开放课程(MOOC)、数字化实验室、数字化学科教室等教学设施，开发智能教学系统、智能管理系统等业务系统，智慧课堂进入快速形成期。其特点是：产品研发加速，以教学系统为主导的智慧课堂快速发展[13]；理论研究加速，越来越多区域和学校加大探索力度，对智慧课堂的概念、模式、学科应用等进行深入研究，提出了智慧课堂1.0定义[14]；教学改革实践加速，呈现为适应性整合应用模式，技术用于对教学环境和系统进行改造，信息技术与课程整合进入常态化应用，实现对信息化教学的重新设计，教学方式有所突破，教学结构有局部变化。2018年以后智慧课堂发展走向深度融合和生态重塑。随着人工智能、虚拟现实、5G等新兴技术不断成熟，教育信息化从1.0走向2.0成为一种全球性趋势，推动人工智能与教育、教学和学习系统性融合。我国实施教育信息化2.0行动计划，基于数据挖掘、学习分析、深度学习等研发智能导学系统、智慧学伴、教学机器人、AI学习机等智慧学习工具，构建“云、台、端”一体化、智能化新型教学环境。2018年在教育部政策文件中首次明确提出“打造智慧课堂”[15]。这一阶段特点是：在技术研发上，依据信息化教学规律对智慧课堂平台、资源和工具进行深度开发与应用，利用新技术激发教学要素创新[16]；在理论研究上，对教育模式、教学方式、教学工具、教学内容、学习环境等全面创新[17]，形成智慧课堂理论化、系列化成果，提出新一代智慧课堂概念与架构[18]；在实践应用中，呈现系统性融合应用模式，技术融入课堂全场景、全时空、全过程，支持创造全新任务和全新流程，促进教学系统重构，重塑课堂生态[19]。长期以来对智慧课堂的研究总体上归结为教育学与技术学两种不同的学科视角，当今时代基于生态学的思维将两种视角融合起来，形成了“教育学视角—技术学视角—生态学视角”的研究视角进阶模式，有助于重新审视智慧课堂的发展理念，厘清技术赋能的智慧课堂发展特点和规律。从教育学的视角看，尽管当今的智慧课堂与技术紧密相融，但理论上讲技术并非智慧课堂产生的必要条件。智慧课堂的本质特征体现在对课堂育人的追求上：一是以育人为宗旨。“以教学活动育人”是课堂教学的基本取向。课堂是学校培养人才、进行教学育人的主阵地，无论是什么时代、什么类型的课堂，无论是否使用技术、或者使用什么样的技术，课堂都以育人为根本任务。二是培养人的智慧。智慧课堂以追求学生的智慧发展为指向[20]。课堂不应是一个简单进行知识传授的场所，而应该成为学生生命智慧成长的殿堂[21]。最新发布的义务教育课程标准(2022版)以核心素养为导向，课程改革由学科立场向教育立场转型，由注重学科内容教学转向人的核心素养发展。核心素养发展是智慧培养的重要条件，通过课程改革实现核心素养落地，引导和激发人的智慧生成。三是实现转识为智。学生核心素养不是凭空形成的，只有通过对课程知识的学习才能形成。同样课堂中学生智慧也不是凭空产生的, 需要基于知识的学习、内化和意义的建构，实现将知识转化为智慧。知识学习不仅仅是识记、理解知识，而是更加关注对知识信息的加工、针对实际问题的知识应用与智慧生成，实现“转识为智”。从技术学的视角看，虽然理论上讲技术不是智慧课堂发展的必要条件，但是实践中当今智慧课堂无不使用智能技术的。通过技术赋能创新教学工具和手段，构建智能化学习环境，实现课堂智能高效，成为新时代智慧课堂的特色。技术赋能的智慧课堂类型多样，如基于电子书包、基于物联网技术、基于智能教室、基于“云、网、端”架构、基于大数据、基于教学行为分析、基于学科应用等多种样态。近年来随着技术在教学中的应用不断普及，技术与教学融合不断深化，对智慧课堂的研究更加关注使用技术后对教学产生的应用成效。实质上，用技术赋能智慧课堂的目的就是要解决长期以来课堂教学低质低效的问题，打造智能高效的新型课堂，实现课堂教学的结构合理、生态优化，有利于教学智慧生成。在智慧课堂1.0到3.0的发展演变中，技术、产品与应用模式等都有变化，但始终未变的是对“智能高效”的追求[22]。在这个意义上，技术赋能智慧课堂的核心价值就是实现智能高效，体现在教学全过程各个环节和场景中。以上两种视角对智慧课堂的理解既有区别、又相互联系和统一。从教育学视角理解智慧课堂，可归结为“以教学目的为导向”，即智慧课堂以培养和发展人的智慧为宗旨。从技术学视角理解智慧课堂，可归结为“以教学手段为导向”，即智慧课堂以使用智能技术工具进行高效教学、促进教学智慧生成为宗旨。对智慧课堂的完整理解应包括“教学目的”与“教学手段”两个方面，实现目的与手段的内在统一。因此，基于教育学与技术学两种视角的有机结合来理解智慧课堂将成为必然。当今时代，技术与教育正逐渐形成全领域、全要素、全链条、全业务的系统性深度融合的新格局，以共同构建未来教育生态[23]。基于生态学的思维可以实现两种视角的融合，构建技术赋能课堂教学的新生态[24]。综上，以生态学视角来研究，通过技术与教学的系统性深度融合，构筑“转识为智+智能高效”的课堂生态，有助于教学智慧生成，促进学生智慧发展。智慧课堂经过十多年的发展，从技术辅助、适应性整合走向系统性融合，实现了课堂教学生态的重构。基于生态学的立场和方法，对技术赋能的课堂教学变革进行深入剖析，以探讨智慧课堂生态发展的内涵、特征和动力机制。智慧课堂教学生态体系是对课堂的教育生态学研究和信息生态学研究相结合的产物。从教育生态学视角看，课堂教学生态系统就是描述在教学环境中教师群体和学生群体围绕着教学内容开展教学活动的生态集合体[25]。从信息生态学视角看，信息生态系统是由信息人、信息资源和信息环境三大要素之间相互影响、相互作用而构成的有机整体[26]。因此，智慧课堂教学生态实际上是信息生态与课堂教学生态交融的新的生态体系。围绕信息技术赋能课堂教学，有学者将课堂生态定义为学生、教师、技术、环境等有机联系形成的课堂生态结构，具有整体性、协变性和共生性三大生态特征[27]。有学者认为在课堂生态系统中，教与学活动是课堂关系存在的主要载体，能量的流动与转换也主要集中在师生共同开展的教与学活动过程中[28]。本研究认为，智慧课堂教学生态体系是由师生、教学活动、技术、环境等各要素以及相互关系所构成的一个有机整体，并在有序运行状态下保持动态平衡。其主要特征是：一是人本化，人是教学生态系统的主体，育人是教学生态发展的根本宗旨；二是多元化，教学生态系统在要素、功能、评价等方面呈现多元和复杂的特征；三是协同化，学生与教师、人与机器、活动与信息、系统与环境等多要素相互协同、共生发展；四是动态化，教学生态系统是一个开放、动态运行，并在有序状态下趋向平衡、实现可持续发展的生态体系。智慧课堂生态发展是生态学立场下智慧课堂教学理念与价值追求落地的必然要求，也是技术赋能课堂、与教学深度融合的客观结果。信息技术融入教学系统中，促进教学生态系统各要素及其关系的演化，从而形成了全新的信息化教学生态系统[29]。智慧课堂教学生态发展的动力机制包括以下方面：一是智慧发展引导力——以智慧生成为旨归。促进“智慧生成”是智慧课堂的核心追求，技术赋能智慧生成是智慧课堂落地的实践路径。当技术与教学有机结合、融为一体的时候，智慧课堂才能真正得以落地，实现智慧生成目标。在新一轮以核心素养为统领的教学改革中，技术融合进入新的发展层次，从显性的技术支撑到隐性的技术赋能，智慧课堂的智慧生成被重新界定，以技术赋能的智慧生成实现育人为本的智慧发展。二是数据智能驱动力——以数据智能为主导。智慧课堂的发展离不开数据智能的贯通支持。智慧课堂教学中产生了海量教学数据，基于学生生理、心理、认知行为数据和教、学、考、评、管等活动状态数据记录，利用人工智能、教育数据挖掘分析技术对这些数据进行深度挖掘和处理，产生有价值的决策信息，进而通过有意义的知识建构、形成数据智能[30]。数据智能有助于形成技术支持下的课堂新生态，更好地优化教与学的全过程[31]。三是智能技术支撑力——以智能技术为支撑。智慧课堂“借助信息技术力量下的智慧学习时空环境，旨在促进学习者的智慧全面、协调和可持续发展”[32]。人工智能作为引领未来社会发展的战略性技术，将使课堂朝着智能化方向发展[33]。因此，将智能信息技术广泛应用于教育教学过程中，有利于构建智能化学习环境，融入教育教学的各个环节，形成智能高效的教与学方式，实现课堂教学生态重构。智慧课堂是一个多主体、多要素、多维度的动态开放的生态系统，其要素之间相互联系复杂，决定了智慧课堂教学生态体系是一个较为复杂的层级结构。智慧课堂生态体系是由主体(学生、教师、管理者、家长)、系统(提供教学、学习、课外活动、管理服务，资源、数据、评价服务)、环境(物理环境和“云、台、端”架构)和活动(教学活动、学习活动)等共同构成的相互联系的有机整体，强调在智能教学环境的支撑下，基于教学服务系统开展教与学活动，实现技术赋能的智慧生成，促进学生智慧发展。人类主体是生态体系的核心要素。即便在信息生态体系中其核心也并非技术，而是技术所服务的人——主体。智慧课堂本质上是指师生基于智能教学环境开展的智慧教学活动，如果仅仅是利用智能技术建立先进的教室，没有人类主体的活动参与，显然是不能称之为“智慧课堂”，因而科学地讲，应使用“智能教室”而非“智慧教室”。在智慧课堂生态体系构建中，涉及的关键教学主体指教师和学生，但随着课堂教学向课外延伸、向校外拓展，智慧课堂生态中的主体也可以包括管理者和家长。从智慧课堂的发展来看，早期主要是利用技术辅助教师的教或“整合”提升课堂教学效率，这样的课堂仍然是“以教师为中心”，教学结构没有变化。在生态学立场下，技术与教学系统性融合形成新的课堂生态，教学结构发生了变化，才能实现“以学生为中心”、促进学生的智慧发展。活动是生态系统中要素间关系存在的载体，在教学实践过程中，各个生态要素往往通过教与学活动串联在一起，教与学活动发挥着自然生态系统中食物链的连接作用。有学者认为，教学生态系统的运行是以教学目标为指导，以教学内容为依据，教师群体和学生群体共同开展教学活动，因而“教学活动”是教学生态系统的核心载体[34]。在智慧课堂生态系统中，师生关系、生生关系以及学生素养的提升、智慧的培养和发展等最终需要通过教与学活动来建立和落地，技术赋能智慧课堂智能生成也需要在智能教学环境下开展相应的教学活动来实现。智能技术支持的教与学活动既包括教学活动、学习活动等核心活动，也包括教学管理活动、教研活动、课外活动等辅助性活动，在教学实践中实现了由线下课堂教学拓展到线下教学与线上学习相结合，由课内教学拓展到课内教学与课外学习相结合，由实景教学拓展到实景教学与虚拟学习相结合，形成了智慧课堂教学生态运行的典型范式。服务系统是智慧课堂生态体系的业务支撑平台，是承载生物与环境之间相互关系的中介物，为智慧课堂教与学活动的开展提供便利的教学工具、资源、数据和评价等教学支撑服务，是智慧课堂生态有序运行的重要技术支撑。其中教学工具提供备课服务(包括学情分析、资源加工、教学预设、协同备课)，授课服务(包括情境创设、讲授支持、教学互动、精准讲评)，学习服务(包括学习规划、在线学习、学习互动、学习支持)，作业服务(包括作业布置、作业提交、作业批改、作业反馈)等；资源服务提供电子课本、教学资源、校本资源库、个人资源库等；数据服务提供数据统计、学习分析、教学分析、决策分析等；评价管理服务提供教学评价、课堂监控、质量管理、班级管理等。如科大讯飞等智能教育企业开发的系列化智慧教学产品，为教师精准教学、学生个性学习和管理者精细化管理等提供了全面系统、智能高效的服务支撑，体现了技术赋能的智慧课堂生态发展特征。基础环境是智慧课堂教学生态体系的基础设施，是承载各类教学服务系统、开展智慧教学活动的空间环境保障。从技术赋能的智慧课堂教学活动实施场景来看，无外乎现场和远程两种类型环境保障。远程环境保障主要利用互联网和云计算技术，其核心是基于“云”进行资源部署与管理，提供虚拟空间环境支撑。现场环境保障又分为固定设施和移动设备两种类型，固定设施通常指教学场所内的环境设施，如智能教室、教学一体机、投影仪等，提供物理空间和信息处理与输出服务；移动设备通常指教师和学生所使用的移动终端、可穿戴设备，能够突破时空局限，为师生提供前所未有的新型时空环境和手段，实现便捷和泛在的教与学应用。在智慧课堂发展的不同阶段，其基础环境架构也在不断发展变化。2014年之前大多采取“云+端”架构，“云”由教育信息化企业统一建设和部署，“端”由学校用户按需采购使用，如“电子书包”“教学机”“教室一体机”等移动或固定终端；2014年后提出了“云、网、端”的架构，如“网”是部署在教室的“微云服务器”，通过构建教室无线局域网和提供本地化计算服务，增强了“云”“端”连通和服务师生的能力；2018年以来利用AI技术将“微云服务器”升级为“教室智能平台”，形成了“云、台、端”最新技术架构，近几年随着AR、VR、5G等新技术的加持，“台”的功能升级为“教室大脑”，提升了课堂智慧生成的环境支撑能力[35]。技术与课堂教学深度融合，促进了教学生态系统的演化，从而实现课堂教学生态的优化重构。在智慧课堂教学实践中，基于“云”“台”“端”支撑环境，通过线上与线下、虚拟与现实的实践可以创造更多的可能性[36]。笔者带领团队策划并持续十年在安徽省蚌埠市开展了智慧课堂教学实验研究，构建形成了跨时空、全过程、多样态的智慧课堂教学生态运行“一体化”实践范式。该范式以建构主义、联通主义学习理论为指导，利用智能技术构建“云—台—端”的技术架构和智能高效的课堂，支持线上线下一体化、课内课外一体化、实景虚拟一体化的全场景教学应用，形成智慧课堂教学生态体系，创新学科教学模式，实现个性化学习和因材施教，促进学习者转识为智、智慧发展[37]。具体范式如图1所示。基于生态学立场，在“互联网+”“智能+”的时代背景下，智慧课堂的教与学方式离不开线上线下“跨时空”有机结合，应根据学习任务的需要进行统筹规划，充分发挥线上线下的各自优势，进行合理的教学设计和实施。线下教学具有规范有序、现场感强、情感交流丰富、实时互动、学习约束力强、效果有保障等特点，是现代学校教学不可替代的主要教学方式。线上学习具有自主开放、学习资源丰富、获取便捷、可随时随地实施、远程交互、全过程记录、实现个性化学习等优势，在近两年得到了大规模应用印证。线上线下两种时空的教学方式各有优势，不能相互取代，在实践中应有所区分、优势互补。例如，在任务分工上，线下教学主要承担需要现场交流、深入讨论、实时互动、情感交流的学习任务，线上学习主要承担需要自主学习、资源搜索、远程交互、数据记录的学习任务，两种方式有机结合形成“跨时空”一体化的智慧教学模式，智慧课堂基于“云、台、端”的生态体系架构为此提供了可靠的技术支撑。智慧课堂是一个动态、开放的教学生态系统。智慧课堂教学不仅局限于课内的四五十分钟时间，而是涵盖教学与学习的全领域、全过程，涉及校内校外和课前、课中、课后教育的各个环节和场景。通过系统化设计，统筹安排技术支持的各环节教学任务和活动，如基于智慧课堂“三段十步”教学法[38]，分阶段组织实施，形成智慧课堂“全过程”教学育人的整体合力。在课前环节，基于智慧课堂信息化平台实现学生预习、课前作业、讨论交流，教师布置预习学案、推送预习资源、进行课前学情分析和教学预设，做到先学后教、以学定教；在课中环节，主要是创设适切的教学情境、引发学生思考，开展精准化教学、多样化互动，进行合作探究、协作交流，培养学生创新思维和能力，增强意义建构，实现精准施教、智慧生成；在课后环节，针对学生认知掌握情况，布置分层次、针对性的作业，开展个性化辅导和智能答疑，进行巩固拓展，促进学生进一步的转识为智、智慧发展。随着人工智能、虚拟现实、5G、数字孪生等新兴技术的组合创新，智慧课堂生态发展迎来新的机遇。虚拟现实(VR)并非新近发展的技术，钱学森院士早在1990年就将其译为“灵境”技术并在此基础上提出“大成智慧学”[39]，不少研究者将“大成智慧学”作为智慧教育提出的历史渊源之一，因此智慧课堂实际上具有VR技术的“基因”，实景教学与虚拟学习有机结合是智慧课堂发展的必然选择。在智慧课堂教学中，利用VR的交互性、体验性强的优势，为学习者提供高度仿真真实环境的感受和体验。将VR以及AR/MR与AI相互渗透融合，可以实现虚拟课堂、虚拟实验室等场所中的智能化交互，实现以学生为中心的沉浸式、情景化、个性化学习[40]。数字孪生与全息技术、虚拟现实、增强现实、大数据、人工智能等技术的融合，可弥补在听觉、触觉与真实再现等方面的不足[41]，将助力打造全新的课堂教学生态，探索虚实融合的“多样态”智慧课堂教与学模式，有效促进教学智慧生成和学生智慧发展。经过十多年的探索，智慧课堂发展进入了常态应用与生态重构阶段。本文总结梳理了技术赋能的智慧课堂提出及生态发展特征，基于生态学视角重新诠释了智慧课堂的理念与价值追求，论述了智慧课堂教学生态体系的内涵、体系构成及应用范式，为智慧课堂的深化发展和应用提供了参考框架。随着新兴技术发展不断成熟，信息化教学改革不断深入，智慧课堂生态发展将面临新的挑战与机遇。比如随着机器智能和人机融合的发展，“教学主体”要素的构成与价值将发生变化；区块链、5G、元宇宙等新技术应用使得教学环境、服务系统面临升级，引发教与学活动任务和组织方式发生变革，真正实现课堂生态重构；等等。为此，研究者和实践者要顺应潮流、及时应对，充分利用新技术、把握新需求、结合新场景，深入研究和创新，实现智慧课堂生态发展的新突破。[1] 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