宋 宇

一、 引言

課堂教學(xué)是學(xué)校教育的核心環(huán)節(jié)，是人才培養(yǎng)的主陣地，課堂教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系著教育現(xiàn)代化發(fā)展和高素質(zhì)創(chuàng)新型人才隊(duì)伍的建設(shè)。中共中央、國務(wù)院出臺《關(guān)于深化教育教學(xué)改革全面提高義務(wù)教育質(zhì)量的意見》，要求強(qiáng)化課堂主陣地作用，融合運(yùn)用傳統(tǒng)與現(xiàn)代技術(shù)手段，發(fā)展互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式新型教學(xué)方式，切實(shí)提高課堂教學(xué)質(zhì)量?；?dòng)式(Interactive)、啟發(fā)式(Heuristic)、探究式(Inquiry)課堂教學(xué)，即IHI課堂教學(xué)是新型課堂教學(xué)的重要體現(xiàn)。與傳統(tǒng)講授式、灌輸式教學(xué)方式相比，新型教學(xué)方式以建構(gòu)主義為理論支撐，與新時(shí)期基礎(chǔ)教育發(fā)展方向和人才培養(yǎng)目標(biāo)具有高度適切性，在調(diào)動(dòng)學(xué)生參與積極性、增進(jìn)深度理解、促進(jìn)高階思維培養(yǎng)和提升創(chuàng)新能力方面具有極大的先進(jìn)性。[1]

與此同時(shí)，推動(dòng)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型，發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效的新型課堂教學(xué)方式也更具有挑戰(zhàn)。由于課堂互動(dòng)涉及多元主體，課堂中的知識探究與建構(gòu)過程更為復(fù)雜，思維進(jìn)階與認(rèn)知演化規(guī)律具有內(nèi)隱性，依靠傳統(tǒng)研究方法難以對課堂教學(xué)過程進(jìn)行有效分析和精準(zhǔn)評價(jià)，也難以為新型課堂教學(xué)建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，因此亟需發(fā)展新的研究方法和技術(shù)手段。人工智能技術(shù)能夠有效學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，挖掘因果鏈條、行為動(dòng)機(jī)和思維認(rèn)知等，在自然語言處理、聲音識別和圖像解析方面具有極大的優(yōu)勢，并且逐漸在教育教學(xué)的研究和應(yīng)用中釋放其技術(shù)潛能。[2]智能技術(shù)可以對教學(xué)過程進(jìn)行全方位智能感知與高度還原，有助于破解師生互動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理，對課堂教學(xué)中體現(xiàn)的高階思維、認(rèn)知能力等關(guān)鍵特征進(jìn)行智能模擬和有效提取，有助于揭示復(fù)雜的思維鏈條搭建過程、知識建構(gòu)過程和問題探究過程，也可以對新型教學(xué)模式進(jìn)行精準(zhǔn)化和科學(xué)化的數(shù)字表征，這些功能對于創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)高效的新型課堂具有極大的價(jià)值。

二、 IHI課堂教學(xué)何以是新型課堂教學(xué)的重要體現(xiàn)

(一) IHI課堂教學(xué)內(nèi)涵解讀

IHI課堂教學(xué)是由互動(dòng)式、啟發(fā)式和探究式教學(xué)組成的，理解IHI課堂教學(xué)的內(nèi)涵需要對其組成成分進(jìn)行剖析?；?dòng)式教學(xué)是教師圍繞課堂教學(xué)目標(biāo)，通過調(diào)動(dòng)教學(xué)資源和借助信息技術(shù)等手段，與學(xué)生協(xié)同交流、討論和探究的過程。[3]維果茨基(L. Vygotsky)指出，個(gè)體通過互動(dòng)交流和語言溝通試圖對客觀世界進(jìn)行研究和探索，將社會(huì)文化要素加以內(nèi)化，形成自身認(rèn)知的一部分，從而實(shí)現(xiàn)從心智間到心智內(nèi)過渡的過程。[4]在課堂中，通過教師的激發(fā)和引導(dǎo)，擁有不同觀點(diǎn)的學(xué)生在交互作用過程中可以實(shí)現(xiàn)思維的相互碰撞或者相互印證，引發(fā)自身的思考與反思，促進(jìn)知識探究和意義建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從個(gè)體表達(dá)到集體智慧再反饋回個(gè)體認(rèn)知的良性循環(huán)。啟發(fā)式教學(xué)強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過程中采用多種方式調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，促進(jìn)高階思維的培養(yǎng)。[5]啟發(fā)式教學(xué)既強(qiáng)調(diào)教師的引導(dǎo)作用，即“啟”，又要調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與積極性，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在課堂教學(xué)中的主體地位，即“發(fā)”；教師通過高質(zhì)量的提問達(dá)到啟發(fā)學(xué)生思考的效果。優(yōu)秀的問題設(shè)計(jì)可以引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)思維發(fā)展的潛能，對于分析思維、遷移運(yùn)用思維的培養(yǎng)具有重要作用。探究式教學(xué)強(qiáng)調(diào)使用適宜的教學(xué)手段來創(chuàng)設(shè)與學(xué)習(xí)對象相關(guān)的學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到發(fā)現(xiàn)問題、尋找答案的過程中，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和問題解決能力。[6]情境創(chuàng)設(shè)在問題探究過程中發(fā)揮了重要作用，通過虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的加持，教學(xué)和學(xué)習(xí)情境更加貼合生活、更具有實(shí)際意義。經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題并創(chuàng)造性地解決問題這一系列過程，學(xué)生的認(rèn)知能力和綜合素養(yǎng)將得到良好發(fā)展。課堂對話是IHI課堂教學(xué)的主要載體和表現(xiàn)形式，對話的有效性直接關(guān)系著新型課堂教學(xué)的質(zhì)量與水平。課堂教學(xué)從根本上說是一種對話實(shí)踐的過程。[7]師生對話與互動(dòng)式、啟發(fā)式和探究式三種教學(xué)的開展都具有緊密的關(guān)系，是實(shí)施課堂互動(dòng)交流的核心手段，是引導(dǎo)思考、探究問題的主要抓手，也承載著啟發(fā)思維的重要功能。

綜上，互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式教學(xué)共同建構(gòu)了新型課堂的重要內(nèi)涵維度，三者形成了一個(gè)有機(jī)的整體，通過師生有效互動(dòng)和交流，促進(jìn)學(xué)生思考并啟發(fā)思維，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)同探究、問題解決和能力提升的目的。整合三種教學(xué)方式有助于達(dá)到1+1+1>3的效果，以適應(yīng)教育教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展和新時(shí)期人才培養(yǎng)的需要。

(二) 理論適切性：IHI課堂教學(xué)以建構(gòu)主義理論為主要依據(jù)

傳統(tǒng)講授式教學(xué)以行為主義理論為依據(jù)，該理論認(rèn)為知識是由碎片化的信息拼接而成，課堂教學(xué)可以按照事先制定的步驟按部就班地將知識從教師單向灌輸給學(xué)生，其教學(xué)過程遵循行為主義的“刺激—反應(yīng)”原則，通過不斷強(qiáng)化得到預(yù)期的教學(xué)效果。與此相對比，IHI課堂教學(xué)以建構(gòu)主義理論為支撐，該理論對全球范圍內(nèi)的教育教學(xué)改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。[8]建構(gòu)主義對IHI課堂教學(xué)的支撐作用主要表現(xiàn)在以下三方面。第一，建構(gòu)主義學(xué)派認(rèn)為知識是由主體在相互交流和合作的過程中建構(gòu)生成的，教師和學(xué)生都是課堂教學(xué)的積極參與者和建構(gòu)者[9]，知識和信息在主體之間交互傳遞。教與學(xué)圍繞“錨”，即有意義的問題展開，引發(fā)學(xué)生思考，通過對話表達(dá)、生成、豐富并深化對問題的理解。這為IHI教學(xué)方式中的互動(dòng)式教學(xué)提供了依據(jù)。第二，建構(gòu)主義學(xué)派認(rèn)為學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展具有極大的可塑性，教學(xué)不應(yīng)消極地適應(yīng)學(xué)生已有的智力水平，教師可以通過搭建“腳手架”的方式為學(xué)生的學(xué)習(xí)和認(rèn)知發(fā)展提供有效支撐，積極創(chuàng)造最近發(fā)展區(qū)，拓展學(xué)生的思維潛力，促進(jìn)高階思維的培養(yǎng)。這為IHI課堂教學(xué)中的啟發(fā)式教學(xué)的實(shí)施提供了支撐。第三，建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)教學(xué)情境的重要性，學(xué)習(xí)應(yīng)以解決在現(xiàn)實(shí)生活中遇到的問題為目標(biāo)，教師應(yīng)創(chuàng)造條件支持學(xué)生自主探索。其中，隨機(jī)通達(dá)教學(xué)理念認(rèn)為不應(yīng)抽象地讓學(xué)生記住知識，而應(yīng)將知識與具體情境聯(lián)系起來，[10]這有助于深度理解，在情境中探索問題的解決方法，并能廣泛而靈活地遷移運(yùn)用，提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。這為IHI課堂教學(xué)中探究式教學(xué)的納入提供了依據(jù)。

(三) 目標(biāo)先導(dǎo)性：IHI課堂教學(xué)以思維發(fā)展和創(chuàng)新人才培養(yǎng)為主要目的

傳統(tǒng)講授式課堂教學(xué)適用于基礎(chǔ)知識和基本技能的學(xué)習(xí)，其興起很大程度上是適應(yīng)了傳統(tǒng)大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)社會(huì)人才培養(yǎng)模式的需要，但是難以與經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展形勢下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)相匹配。OECD啟動(dòng)“教育2030：未來的教育與技能”項(xiàng)目，提出了在技術(shù)變革時(shí)代對課堂教學(xué)和人才培養(yǎng)的要求，高度重視通過探究的方式建構(gòu)知識和增進(jìn)理解，創(chuàng)建以包容性、公平性、互動(dòng)性、關(guān)懷性以及智力成就為特征的課堂教學(xué)，鼓勵(lì)師生合作，重視課堂對話，提高學(xué)生的參與度，促進(jìn)深入理解、思維發(fā)展和認(rèn)知能力的提升。[11]中國在結(jié)合國情基礎(chǔ)上相繼出臺了《關(guān)于深化教育教學(xué)改革全面提高義務(wù)教育質(zhì)量的意見》等政策文件，凸顯了教育高質(zhì)量發(fā)展的需求，要求發(fā)展新型課堂教學(xué)方式，在教育教學(xué)過程中強(qiáng)化思維發(fā)展，著重提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。發(fā)展互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式教學(xué)，推動(dòng)新型課堂教學(xué)發(fā)展，與新時(shí)期基礎(chǔ)教育高質(zhì)量發(fā)展要求和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)具有極大的契合性。

創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)的新型課堂有助于實(shí)現(xiàn)學(xué)生高階思維發(fā)展和創(chuàng)新能力提升的目的。高階思維需要在課堂教學(xué)中得以訓(xùn)練和發(fā)展，是新型課堂教學(xué)的重要目標(biāo)指向。IHI課堂教學(xué)強(qiáng)調(diào)發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，學(xué)生在群體合作中協(xié)商討論、交流觀點(diǎn)、解決問題，交流溝通的過程也是思維共享的過程。新型課堂教學(xué)承擔(dān)著“知識內(nèi)化”和“思維外化”的雙重作用。對話交流過程能夠?qū)⒖陀^世界以及社會(huì)文化的影響納入主觀世界和認(rèn)知發(fā)展，語言作為人類高級認(rèn)知的符號工具，是將互動(dòng)的符號產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為心理產(chǎn)物的橋梁，是教學(xué)情境作用于學(xué)生個(gè)體心智發(fā)展的最主要媒介。與此同時(shí)，師生通過對話也能將隱性的思維過程展現(xiàn)給他人，傳遞信息、清晰思考并加深理解，在陳述、解釋、論證、分析等語言溝通中協(xié)同建構(gòu)知識，從淺層次信息的獲取轉(zhuǎn)向深層次、創(chuàng)新性的探究和解決問題。IHI課堂教學(xué)為高階思維的發(fā)展提供了場域和條件，高質(zhì)量的問題和反饋對于啟發(fā)思維具有積極作用，通過精心設(shè)計(jì)的問題鏈條搭建思維發(fā)展的鏈條，體現(xiàn)了思維由低水平向高水平進(jìn)階的過程，使得信息得到精細(xì)加工、有效轉(zhuǎn)化和創(chuàng)新應(yīng)用。高質(zhì)量的課堂互動(dòng)與探究還能夠加深學(xué)生對知識的理解，促進(jìn)個(gè)人觀點(diǎn)的開放式表達(dá)，增強(qiáng)對問題的闡釋和分析，有助于其系統(tǒng)性、綜合性地處理復(fù)雜信息以及創(chuàng)新性地提出解決方案，提升創(chuàng)新能力。因此，IHI課堂教學(xué)是新型教育教學(xué)理念的集中體現(xiàn)，對促進(jìn)課堂變革和先進(jìn)教育目標(biāo)的落實(shí)具有重要價(jià)值。

三、 人工智能如何賦能新型課堂教學(xué)發(fā)展

人工智能技術(shù)的快速發(fā)展為推動(dòng)新型課堂教學(xué)發(fā)展、提升課堂教學(xué)質(zhì)量提供了有效的工具和手段。人工智能是指用人工的方法在機(jī)器(計(jì)算機(jī))上實(shí)現(xiàn)的智能，使其擁有類似于人的獲取知識并應(yīng)用知識求解問題的能力，其中，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)因其能使機(jī)器自動(dòng)地學(xué)習(xí)并獲取知識而被譽(yù)為人工智能技術(shù)的核心。[12]隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)從簡單的行為動(dòng)作模仿以及信息的存儲和復(fù)述走向了深度學(xué)習(xí)階段。深度學(xué)習(xí)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，能夠挖掘因果鏈條、行為動(dòng)機(jī)和思維認(rèn)知等，在自然語言處理、聲音識別和圖像解析方面具有極大的優(yōu)勢，并且逐漸在課堂教學(xué)研究和應(yīng)用中釋放其技術(shù)潛能。在以往研究中已有學(xué)者致力于將智能技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)研究中。例如，顧小清等提出了基于信息技術(shù)的弗蘭德斯互動(dòng)分析體系(Information Technology-based Interaction Analysis System，簡稱ITIAS)，并以此為依據(jù)對課堂互動(dòng)行為進(jìn)行監(jiān)測。[13]劉清堂等借助人工智能技術(shù)基于S-T分析體系對課堂教學(xué)行為進(jìn)行自動(dòng)采集和智能分析。[14]王陸等采用大數(shù)據(jù)分析方法對課堂教學(xué)過程進(jìn)行循證分析，對批判性提問、創(chuàng)造性提問等多類教學(xué)行為進(jìn)行頻次統(tǒng)計(jì)，以期提高師生互動(dòng)水平。[15]

以往研究為發(fā)揮智能技術(shù)作用、推動(dòng)新型課堂教學(xué)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，但是仍存在以下瓶頸。第一，研究多關(guān)注提問、回答、抬頭、舉手等淺表形式的課堂行為和言語，由于其具有易識別和方便量化處理的優(yōu)勢，在教育信息技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是僅依靠互動(dòng)形式難以體現(xiàn)思維培養(yǎng)、認(rèn)知發(fā)展等重要的課堂教學(xué)目標(biāo)，且過于追求高頻問答次數(shù)容易陷入表面活躍而內(nèi)里空心化的課堂樣態(tài)。第二，人工智能技術(shù)與課堂教學(xué)研究還未達(dá)到深度融合狀態(tài)，智能技術(shù)在因果鏈條推斷、模式提取、規(guī)律挖掘方面的價(jià)值還未得到充分發(fā)揮。本研究認(rèn)為，提升人工智能技術(shù)的有效性、賦能新型課堂教學(xué)發(fā)展可以從以下三方面著眼。

第一，人工智能助力實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)全過程監(jiān)測。傳統(tǒng)講授式課堂教學(xué)注重對學(xué)生學(xué)業(yè)成績進(jìn)行結(jié)果監(jiān)測，在數(shù)據(jù)采集方面，多依賴于報(bào)送式數(shù)據(jù)采集方式。報(bào)送式數(shù)據(jù)采集是指由政府或?qū)I(yè)人員發(fā)起，按照一定需求和目標(biāo)編制問卷和表格，進(jìn)而組織學(xué)生、教師等相關(guān)人員填寫并報(bào)送數(shù)據(jù)的方式。與之相對比，新型課堂教學(xué)更加重視對教與學(xué)的過程進(jìn)行評價(jià)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生思維的成長性和能力的發(fā)展性，人工智能技術(shù)能夠?qū)虒W(xué)過程中所產(chǎn)生的伴生性數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位自動(dòng)采集，滿足課堂教學(xué)全過程監(jiān)測的需要。[16]依托語音識別、自然語言處理、計(jì)算機(jī)視覺等人工智能技術(shù)，智能教育環(huán)境具備智能感知和交互能力；隨著智能錄播設(shè)備、可穿戴設(shè)備、可交互白板的普及，課堂教學(xué)數(shù)據(jù)的采集實(shí)現(xiàn)了伴隨式、自動(dòng)化和多模態(tài)，教學(xué)過程中的言語和交流過程可以被清晰采集，通過面部表情識別、手勢動(dòng)作識別等技術(shù)，可以反映教師和學(xué)生的心理狀態(tài)、專注力、壓力指數(shù)等情況，對師生互動(dòng)交流過程和知識探究過程進(jìn)行詳實(shí)記錄，展現(xiàn)問題鏈條的搭建過程，進(jìn)而呈現(xiàn)其內(nèi)隱的認(rèn)知特征和思維特征。

第二，人工智能助力掌握課堂教學(xué)深層規(guī)律。傳統(tǒng)課堂教學(xué)分析多借助問卷調(diào)查、定量統(tǒng)計(jì)手段進(jìn)行靜態(tài)化的數(shù)據(jù)分析，難以對復(fù)雜多變的新型課堂教學(xué)模式進(jìn)行提煉，難以掌握課堂教學(xué)的過程性規(guī)律。人工智能技術(shù)能夠?qū)φn堂教學(xué)言語和行為進(jìn)行細(xì)粒度的特征識別，其中，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自動(dòng)標(biāo)注技術(shù)是提取課堂教學(xué)核心特征的關(guān)鍵步驟。與傳統(tǒng)人工編碼相比，機(jī)器標(biāo)注在規(guī)?；治龊蛿?shù)據(jù)處理效率上都具有較大優(yōu)勢，能夠發(fā)現(xiàn)課堂互動(dòng)過程中內(nèi)隱的知識建構(gòu)、思維發(fā)展、能力提升等反映課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵特征。人工智能技術(shù)能夠?qū)Χ鄨鼍?、多類型的新型課堂教學(xué)樣態(tài)進(jìn)行數(shù)字化表征和模式建構(gòu)，對課堂教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行完整解構(gòu)，呈現(xiàn)探究式教學(xué)中各構(gòu)成要素之間的交互作用模式，挖掘啟發(fā)式教學(xué)的思維演進(jìn)規(guī)律，對新型課堂教學(xué)中的順承關(guān)系、因果關(guān)系等關(guān)系模式進(jìn)行數(shù)字化表征，在更深層次上實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)過程可計(jì)算，有助于掌握課堂教學(xué)深層規(guī)律和提煉優(yōu)質(zhì)課堂教學(xué)模式，為推廣新型課堂教學(xué)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)建高效課堂提供了有力支撐。

第三，人工智能促進(jìn)課堂教學(xué)精準(zhǔn)評價(jià)。傳統(tǒng)講授式課堂教學(xué)往往對教授內(nèi)容、考評范圍具有嚴(yán)格規(guī)定，而新型課堂教學(xué)內(nèi)容更為豐富、教學(xué)手段和課型種類更為多樣、教學(xué)評價(jià)目標(biāo)更為多元。如何應(yīng)對多場景、多元化的課堂教學(xué)評價(jià)需求，為教育質(zhì)量監(jiān)測提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)成為亟待解決的問題。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能技術(shù)為評價(jià)課堂教學(xué)質(zhì)量提供了有效手段。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種通過模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能處理復(fù)雜任務(wù)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，由具有適應(yīng)性的簡單單元組成廣泛并行互連的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于人工智能和深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域。[17]其中，圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的應(yīng)用在提取關(guān)系、空間結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)潛在特征方面具有較大優(yōu)勢，有助于捕獲動(dòng)態(tài)圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征信息，提取新型課堂教學(xué)的模式特征信息，使得課堂教學(xué)評價(jià)模型可以動(dòng)態(tài)迭代和漸進(jìn)重構(gòu)，有助于呈現(xiàn)多種樣態(tài)的課堂教學(xué)質(zhì)量水平。因此，人工智能技術(shù)為實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)精準(zhǔn)評價(jià)提供了可能，助力教師準(zhǔn)確把握教情并作出合理決策，為教師的遴選和考評工作提供科學(xué)依據(jù)，為新時(shí)期教育質(zhì)量監(jiān)測工作提供了有效工具。

四、 人工智能賦能新型課堂教學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用

為了更好地實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，將人工智能技術(shù)融入新型課堂教學(xué)實(shí)踐中，作者團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一系列適應(yīng)新型課堂教學(xué)場域的智能分析手段與方法，以更有效地發(fā)展IHI課堂教學(xué)，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)高效的課堂。實(shí)現(xiàn)路徑包括：第一，創(chuàng)建了新型課堂教學(xué)評價(jià)指標(biāo)體系(Coding Instrument for Productive Classroom Dialogue,簡稱CI-PCD)。該指標(biāo)體系包含基礎(chǔ)知識習(xí)得、個(gè)人觀點(diǎn)表達(dá)、分析闡釋、總結(jié)歸納、遷移創(chuàng)新、回應(yīng)建構(gòu)、肯定、質(zhì)疑、指導(dǎo)九大類。前六類進(jìn)一步區(qū)分了提問和回應(yīng)兩種互動(dòng)形式，例如有關(guān)基礎(chǔ)知識的提問、有關(guān)分析闡釋類回應(yīng)等，形成了15個(gè)一級指標(biāo)。指標(biāo)體系是人工智能技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)分析的基礎(chǔ)，是將抽象的IHI課堂教學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量、可評價(jià)指標(biāo)的關(guān)鍵步驟。該指標(biāo)體系經(jīng)過多次實(shí)踐檢驗(yàn)后表明其具有較高的信度和效度。[18]第二，創(chuàng)建了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(BiLSTM)、注意力機(jī)制(Attention)相結(jié)合的混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。CNN模型能夠?qū)υ捳Z中的詞和短語等局部信息進(jìn)行提取；BiLSTM模型能夠結(jié)合上下文對句子的完整語義進(jìn)行理解；注意力機(jī)制可以識別關(guān)鍵詞以及關(guān)鍵詞對于類別識別的貢獻(xiàn)度，提高標(biāo)注的精準(zhǔn)性。[19]該模型能夠基于以上指標(biāo)體系對課堂教學(xué)音視頻轉(zhuǎn)錄文本實(shí)施自動(dòng)標(biāo)注，可以有效對細(xì)粒度的課堂教學(xué)特征進(jìn)行識別，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄與標(biāo)注的速度平均一節(jié)課(40分鐘)由傳統(tǒng)人工處理的6—7個(gè)小時(shí)縮短為15秒，極大地提高了數(shù)據(jù)處理速率，是規(guī)?；n堂教學(xué)研究的關(guān)鍵，可以對互動(dòng)式教學(xué)的特征進(jìn)行有效提取。第三，發(fā)展了一系列適應(yīng)新型課堂教學(xué)場域的數(shù)據(jù)挖掘方法。數(shù)據(jù)挖掘方法能夠基于標(biāo)注后的課堂教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行模式提煉和規(guī)律分析，揭示內(nèi)隱于表層言語和行為背后的思維進(jìn)階規(guī)律和問題探究路徑，該方法能夠?qū)l(fā)式教學(xué)和探究式教學(xué)的實(shí)施水平進(jìn)行科學(xué)呈現(xiàn)。第四，借助圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對不同等級水平的課堂教學(xué)特征進(jìn)行建模和智能評分。圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，大量研究已證明圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在知識推理、復(fù)雜關(guān)系建模等任務(wù)中的有效性[20]，有助于深度解構(gòu)新型課堂教學(xué)的模式特征，探尋課堂的“黑箱”屬性。以上方法有助于為課堂教學(xué)水平精準(zhǔn)畫像，提煉優(yōu)質(zhì)的新型課堂教學(xué)模式，推進(jìn)新型課堂建設(shè)、提升教學(xué)質(zhì)量提供有針對性的指導(dǎo)。

本研究選取200節(jié)義務(wù)教育階段課例，其中100節(jié)為課堂教學(xué)水平較低的課例，即在實(shí)施新型課堂教學(xué)過程中同時(shí)獲得較低智能評級和專家評級的課例；另外100節(jié)為課堂教學(xué)水平較高的課例，即同時(shí)獲得較高智能評級和專家評級的課例。研究首先采用CNN+BiLSTM+Attention混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于CI-PCD指標(biāo)體系對課堂教學(xué)轉(zhuǎn)錄文本進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)注，并對標(biāo)注結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，對大規(guī)模的課堂教學(xué)文本實(shí)現(xiàn)了初步快速處理。進(jìn)而采用時(shí)序過程分析將一堂課分為10個(gè)階段(一節(jié)課40分鐘，一個(gè)階段為4分鐘)，點(diǎn)的大小反映了某一階段某類課堂教學(xué)言語出現(xiàn)的頻次，可反映互動(dòng)式課堂教學(xué)的實(shí)施情況(如圖1)。分析結(jié)果顯示，低水平課堂和高水平課堂在互動(dòng)頻次上沒有顯著差別，平均為每節(jié)課120條話輪，其主要區(qū)別體現(xiàn)在互動(dòng)質(zhì)量上：低水平課堂教學(xué)更傾向于傳統(tǒng)授課模式，教師注重夯實(shí)基礎(chǔ)知識和基本技能、引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)個(gè)人觀點(diǎn)，而涉及高階思維的課堂互動(dòng)則較少出現(xiàn)，歸納總結(jié)、遷移創(chuàng)新類互動(dòng)頻率還應(yīng)加強(qiáng)。在高水平的新型課堂教學(xué)中，形成了“基礎(chǔ)知識+”的特色對話模式，注重對話的多元認(rèn)知功能的發(fā)揮，教師更能靈活發(fā)揮各類對話的功能以實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的高效復(fù)合作用，教師注重引導(dǎo)學(xué)生分析問題，高階思維類互動(dòng)占據(jù)較高比例。通過對比教學(xué)過程中點(diǎn)的序列排布可以展現(xiàn)課堂教學(xué)演進(jìn)的模式，體現(xiàn)啟發(fā)式課堂教學(xué)的實(shí)施情況，表征思維進(jìn)階過程。分析結(jié)果顯示，在高水平課堂教學(xué)中，教師在授課的前十分鐘多從基礎(chǔ)知識導(dǎo)入，這是進(jìn)行思維啟發(fā)的前提，進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際引發(fā)其探究興趣;在課堂中段教師注重引導(dǎo)學(xué)生分析問題、闡釋推理分析過程；在課堂后段教師能夠帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)歸納知識、提煉方法與規(guī)律、實(shí)現(xiàn)知識建構(gòu)與遷移。這表明在優(yōu)質(zhì)新型課堂中通過教師啟發(fā)，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)思維由低階向高階發(fā)展。

序列挖掘方法可以揭示課堂教學(xué)演進(jìn)規(guī)律，反映探究式課堂教學(xué)的實(shí)施水平。依據(jù)各互動(dòng)節(jié)點(diǎn)的出度、入度，創(chuàng)建有向連通圖，點(diǎn)表示對話類別，而邊(顯示為有向路徑)用于描述類型之間的關(guān)系，線的粗細(xì)代表該課堂教學(xué)路徑的重要程度。如圖2所示，低水平課堂與高水平課堂在問題探究方面具有明顯差距，低水平的課堂互動(dòng)鏈條較短，多呈現(xiàn)短小零散狀，探究過程呈現(xiàn)出碎片化特征。高質(zhì)量的課堂教學(xué)能夠借助有效的提問和反饋引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更為深入的問題探究，探究路徑較長且更為多元，呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的思維過程，有助于學(xué)生對問題進(jìn)行深入研究并收獲可遷移運(yùn)用的認(rèn)知規(guī)律。

圖2 課堂教學(xué)序列模式挖掘圖(左為低水平課堂，右為高水平課堂)

五、 結(jié)語

互動(dòng)式、啟發(fā)式和探究式教學(xué)是新型課堂教學(xué)方式的重要體現(xiàn)，對于推進(jìn)教育高質(zhì)量發(fā)展和培養(yǎng)新時(shí)代創(chuàng)新型人才具有重要意義。IHI課堂教學(xué)三者形成了有機(jī)的統(tǒng)一整體，以建構(gòu)主義理論為依據(jù)，以思維培養(yǎng)和創(chuàng)新能力發(fā)展為主要目標(biāo)。由于新型課堂具有復(fù)雜性，涉及多元互動(dòng)主體，對標(biāo)多重教育教學(xué)目標(biāo)且思維發(fā)展具有內(nèi)隱性特征，傳統(tǒng)研究分析手段無法滿足課堂教學(xué)發(fā)展的需要。人工智能技術(shù)為推動(dòng)新型課堂教學(xué)建設(shè)、發(fā)展高質(zhì)量的課堂教學(xué)提供了重要的工具和手段。智能技術(shù)，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，可以對課堂教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)全方位的智能感知，對于其中涉及的語言、動(dòng)作、行為、表情進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并借助多模態(tài)融合技術(shù)最大限度還原課堂場景和全貌，有助于對課堂教學(xué)中所涉及的高階思維、創(chuàng)新能力等關(guān)鍵特征進(jìn)行智能模擬和有效提取，揭示互動(dòng)行為和語言背后的深層認(rèn)知規(guī)律，挖掘復(fù)雜的知識建構(gòu)過程、思維啟發(fā)過程和問題探究過程。智能技術(shù)還能夠?qū)π滦驼n堂教學(xué)模式進(jìn)行精準(zhǔn)刻畫，有效提煉優(yōu)質(zhì)的新型教學(xué)范式，使得新型課堂教學(xué)范式從少數(shù)專家級教師試點(diǎn)走向大規(guī)模的推廣應(yīng)用，有利于擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面，這與新時(shí)代人才培養(yǎng)目標(biāo)和高質(zhì)量教育發(fā)展的要求具有緊密契合性。

為了更好地實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，本文認(rèn)為開展智能化課堂教學(xué)研究應(yīng)重點(diǎn)從以下方面進(jìn)行突破：第一，在實(shí)現(xiàn)全過程伴生性數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，發(fā)展基于音視頻轉(zhuǎn)錄文本的機(jī)器自動(dòng)標(biāo)注方法，借助混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對課堂教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)、高效、精準(zhǔn)標(biāo)注，這是實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)規(guī)?；治龅幕A(chǔ)。第二，發(fā)展適應(yīng)新型課堂場域的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，探究師生互動(dòng)言語和行為背后所體現(xiàn)的深層認(rèn)知規(guī)律和思維進(jìn)階規(guī)律，這是解構(gòu)新型課堂教學(xué)特征的關(guān)鍵。第三，借助圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)精準(zhǔn)刻畫不同水平課堂教學(xué)的特征，提煉新型課堂教學(xué)的優(yōu)質(zhì)模式，這有利于實(shí)現(xiàn)新型課堂教學(xué)的科學(xué)化、精準(zhǔn)化評價(jià)，從而更有效地推動(dòng)新型課堂教學(xué)發(fā)展。

本文通過真實(shí)課例分析證實(shí)，CNN+BiLSTM+Attention混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠自動(dòng)、快速標(biāo)注大規(guī)模的課堂教學(xué)數(shù)據(jù)，通過圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以提煉不同等級水平的課堂教學(xué)模式，借助序列模式挖掘分析發(fā)現(xiàn)高水平課堂的課例中師生互動(dòng)質(zhì)量更優(yōu)，教師的提問與反饋更具有效性，能夠體現(xiàn)思維進(jìn)階和知識探究的特征，發(fā)揮多元認(rèn)知功能，在培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納、遷移創(chuàng)新等高階思維方面更具有優(yōu)勢。未來人工智能賦能新型課堂教學(xué)發(fā)展可以從以下三方面著眼：一是發(fā)展以課堂對話分析為主、多模態(tài)數(shù)據(jù)協(xié)同的融合分析模式；二是以發(fā)展評價(jià)體系為基礎(chǔ)，研究適應(yīng)多場景課堂教學(xué)樣態(tài)的智能診斷方法，為課堂教學(xué)評價(jià)提供客觀科學(xué)的依據(jù)；三是堅(jiān)持人本人工智能理念，智能技術(shù)的選擇和運(yùn)用要更加精準(zhǔn)、科學(xué)地服務(wù)于教育教學(xué)目標(biāo)。