王浩 惠陽 陳永琴 胡珣 曹金香
摘要:隨著物聯(lián)網(wǎng)技術和人工智能技術的迅速發(fā)展,AIoT技術逐漸成熟,并開始被教育行業(yè)廣泛應用。AIoT結合了物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的優(yōu)勢,為教育提供了許多新的可能性。但在AIoT技術與傳統(tǒng)課堂教學的融合過程中,仍然存在一些問題。為此,本文將從AIoT技術的提出和發(fā)展,以及在教育行業(yè)實踐過程中的優(yōu)劣展開討論,同時對AIoT智能課堂進行研究,以期為AIoT技術在教育行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供建議。
關鍵詞:AIoT;傳統(tǒng)課堂;應用
一、理論綜述
(一)AIoT的概念
智能物聯(lián)網(wǎng)(AloT)是近年來興起的概念,它指的是由信息傳感器、終端設備或云中心等組成的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。在技術方面,人工智能和物聯(lián)網(wǎng)相互影響,人工智能能夠對數(shù)據(jù)進行感知和識別,而物聯(lián)網(wǎng)主要為數(shù)據(jù)算法提供支持[1]。
(二)AIoT的發(fā)展歷程
AI和IoT的提出時間早于AIoT,AI最早可以追溯到1956年,而IoT則由Kevin Ashton在1999年提出。然而,AIoT這個概念首次提出是在2017年,它將人工智能和物聯(lián)網(wǎng)相結合,形成了更加智能和高效的系統(tǒng)。AIoT的提出對我國產業(yè)產生了巨大的影響,帶來了許多新的商業(yè)機會和市場潛力[2]。目前,一些探索AIoT應用的企業(yè)包括小米、阿里巴巴和華為等,它們正在積極推動和探索AIoT技術在各個領域的應用
(三)智能課堂
AIoT技術能夠構建基于智能設備的數(shù)據(jù)智能系統(tǒng),該系統(tǒng)可以靈活地收集學習者全方位的多維課堂行為數(shù)據(jù),并對課堂教學過程進行監(jiān)測和課堂教學行為模式的改善,具有重要的影響力[3]。智能課堂是指結合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術,實現(xiàn)遠程互動和情境化教學的教學模式。目前,我國智能課堂模式仍處于探索階段,已有部分高校對其進行了嘗試應用。
二、AIoT同教育行業(yè)融合發(fā)展現(xiàn)狀
(一)我國線上教育的發(fā)展現(xiàn)狀
自新課標改革以來,我國教育行業(yè)逐漸接受了線上教育模式。特別是在教育信息化提出后,線上教育成為日常教學模式的一部分。目前,我國的線上教育主要依靠網(wǎng)絡教育平臺,如中國大學MOOC、超星學習通等。在新冠疫情期間,線上教育更是發(fā)揮出了重要作用,使學生得以正常上課,維護了學校的正常教學秩序[4]。
(二)智能課堂的發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)劉邦奇等學者的觀點[5],基于教育信息化的角度,智能課堂經(jīng)歷了三個階段。
在智能課堂1.0階段,智能課堂將信息技術和智能數(shù)據(jù)分析引入教學全過程,建立信息化平臺,通過高效教學滿足學生個性化成長的需求。
在智能課堂2.0階段,智能課堂融入了“互聯(lián)網(wǎng)+”思維,結合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術,基本實現(xiàn)了教學決策、評價反饋、交流互動、資源推送等方面的長足進步。這一階段改善了課堂教學結構和專業(yè)學科的教學模式。
智能課堂進入3.0階段后,以建構主義等理論為指導,核心目標是促進學生全面發(fā)展。通過線上線下一體化教學模式和課內化一體化學習模式,輔助虛擬現(xiàn)實方式推動教學信息化的發(fā)展。
智能課堂利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術,通過硬件和軟件的融合,實現(xiàn)遠程互動、情景教學和實時直播等理想目標。智能課堂與傳統(tǒng)課堂的不同之處在于,智能課堂借助現(xiàn)代教學工具(如多媒體設備)實現(xiàn)多種教學模式,強調學生在課堂中的主導作用,而教師則主要起輔助作用,積極開發(fā)學生的學習興趣,為學生提供智能化、多維化和立體化的學習體驗。此外,智能課堂還重視教學決策和教學評價的數(shù)據(jù)化,通過智能數(shù)據(jù)分析方法,為學生、教師和家長減輕負擔。
(三)AIoT與智能課堂融合發(fā)展現(xiàn)狀
2006年,《2006—2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》[6]的頒布以“三通兩平臺”為代表,擴大了學校信息化覆蓋面積,提高了校園網(wǎng)絡寬帶質量,建設了信息化學習環(huán)境。這為AIoT與智能課堂的融合發(fā)展奠定了堅實基礎。
根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示,2019年全國財政性教育經(jīng)費投入達到4萬億元,同比增長8.1%。從2016年到2020年,我國智慧教育市場規(guī)模從4960億元增長至8256億元。而2021年全國教育經(jīng)費總投入為42557億元,比上年增長9.43%[7]。國家在教育經(jīng)費的支出和支持為教育市場注入了活力,促進了智慧教育市場的快速發(fā)展,為AIoT與教育行業(yè)的融合發(fā)展提供了強有力的支持。
2020年2月,我國教育部印發(fā)了《關于疫情防控期間以信息化支持教育教學工作的通知》[8],旨在提高我國的網(wǎng)絡技術條件,確保網(wǎng)絡平臺的運行和服務能力,更好地應用于智能課堂學習模式。這為AIoT與智能課堂的融合發(fā)展注入了重要的活力。
學者顧小清、王超[3]等認為,在課堂應用中,技術經(jīng)歷了技術平移應用、技術融合應用和技術創(chuàng)新應用等階段。目前,AIoT在課堂中的應用符合技術創(chuàng)新應用階段的特征。此外,AIoT在課堂中的典型應用場景包括協(xié)作課堂、游戲化課堂、創(chuàng)客課堂和實訓課堂等。這些場景通過IoT感應設備和智能系統(tǒng)構成AIoT支持的智能課堂模式??偠灾珹IoT與智能課堂的融合發(fā)展仍處于探索階段。
(四)S高校AIoT在教學工具中的運用現(xiàn)狀
在S高校對AIoT與智能課堂融合發(fā)展的探索中,他們使用了超星學習通、中國大學MOOC等線上教學平臺。這些平臺的用途包括創(chuàng)建班級、發(fā)布作業(yè)、參與簽到、參與討論、批閱作業(yè)、參與考試、獲取成績等。超星學習通教師的授課形式包括使用其他學校搭建的SPOC(小型私人在線課程)、教師錄播和直播教學。使用的設備包括Android手機應用、iOS手機應用和PC等。
S高校根據(jù)疫情防控形勢和自身情況進行了梯度開展線上課程。第一梯度進行公共課程的開展,第二梯度開設部分以年輕教師為主的專業(yè)課程,第三梯度全面開展一些難以線下實施的實驗實訓類課程。最終,除了實驗實訓課程外,全校的開課率達到了95%以上。
以《貴州省情》課程為例,該課程旨在幫助貴州的大學生不僅掌握專業(yè)知識,還全面了解貴州,認識貴州省情的本質特征,把握貴州經(jīng)濟社會的發(fā)展規(guī)律,激發(fā)大學生熱愛貴州、建設貴州和宣傳貴州的熱情,為貴州經(jīng)濟社會發(fā)展作出新的貢獻。貴州省教育廳從2007年開始在全省高校統(tǒng)一開設了《貴州省情》課程,并將其作為思想政治課的一部分。課程教材以貴州省情為基礎,闡述了貴州政治、自然環(huán)境、歷史、民族、人口、經(jīng)濟、教育、科技、文化等要素的源流、現(xiàn)狀及其發(fā)展方向。在疫情防控期間,該課程進行了線上授課。
在教學方法方面,他們采用了專題式教學方法,將整本教材拆分為脫貧攻堅、自然生態(tài)、發(fā)展歷史、民族文化、經(jīng)濟發(fā)展、民生事業(yè)和社會主義民主政治等不同專題,并在各專題的基礎上進行知識點的融會貫通,使學生更加具體地掌握知識點。
在線上教學互動方面,學生是課堂的主體,也是最重要的組成部分。為了提高學生參與網(wǎng)課的積極性和課堂氛圍的活躍程度,教師關注學生在評論區(qū)的留言,回答學生的問題,并在知識點講解結束后立即進行解答。
此外,他們通過課后搶答獎勵的方式,顯著提升了學生的課堂參與度和獲得感,以及對課程的認知和理解。據(jù)悉,在該教學方式下,平均每道題都有20位以上的學生進行搶答,全班1/3的學生參與其中。
從教學效果來看,課程收藏次數(shù)達到了211次,累計觀看總人次達到了3400人,學生在線討論數(shù)累計達到了19469條,課程瀏覽量共計27509次。其中,學生的在線討論次數(shù)為15717條,學生點贊次數(shù)為350611次。
三、S高校AIoT融入傳統(tǒng)課堂需突破的難題
(一)教育意識方面
教育意識觀念需要更新。從目前高校開展線上教學的統(tǒng)計情況可以看出,線上課堂輔助線下課堂已經(jīng)逐漸變成教學的常態(tài)。然而,線上教學的質量參差不齊。從教師方面看,部分教師對設備使用和系統(tǒng)操作的熟練度不高,還習慣于傳統(tǒng)的線下授課模式,對混合式課程的內涵和教學方法的掌握有所欠缺。而教學目標上,線上課程的進度受互動效果的影響,部分教師缺乏在線上教學互動的習慣。從學生方面看,多數(shù)學生對線上教學還不夠適應,在新鮮感過去后,參與線上教學的積極性逐漸減退,例如課堂互動次數(shù)減少、課堂討論頻率下降,從而影響了學習的質量。
(二)技術方面
技術支撐存在短板。首先,網(wǎng)絡通信平臺建設不足,無法滿足全校師生在同時使用網(wǎng)絡通信信號時的集中需求,導致網(wǎng)絡信號差、音頻資料卡頓等問題的出現(xiàn)。其次,線上教學平臺眾多,但質量不穩(wěn)定,例如網(wǎng)速限制、參與人數(shù)限制等問題,導致教師無法固定在一個平臺進行授課,而學生則需要下載許多不同的線上學習類應用,這降低了學生對線上授課的期望和耐心,難以滿足師生個性化教學需求。最后,線上教學實驗的技術支持也存在問題,實驗課程對實際操作和實驗安全條件等有較高的要求,但由于虛擬仿真研發(fā)和供給不足,線上教學很難滿足學生的實踐體驗需求。
(三)資源方面
優(yōu)質資源建設仍需提高。首先,高校擁有大量優(yōu)質的線下教育資源,但很難將這些資源有效地進行數(shù)字化存儲和應用,以最大程度地實現(xiàn)優(yōu)質教育資源的高效利用。其次,即使有優(yōu)質教育資源,線上教學難以確保學生能夠充分理解和消化這些資源。同時,線上學習資源的選擇不夠統(tǒng)一,缺乏個性化的難易程度設計以及適應不同設備的呈現(xiàn)形式。
(四)管理方面
管理體系需要完善。高校對部分教師的線上教學缺乏培訓和引導,如線上教學教師的考核機制和獎懲機制等。同時,高校對學生如何進行線上學習缺乏統(tǒng)一的管理模式,如學生考核體系等,難以有效維護線上課堂教學秩序。此外,線上教學形式單一,交流互動較差,缺少學習體驗等問題也需要及時解決[9]。
四、S高校AIoT融入傳統(tǒng)課堂設計與構想
(一)樹立AIoT創(chuàng)新教育意識
在當前線上教學常態(tài)化的背景下,增強教師和學生對新技術、新模式、新階段的適應能力變得尤為重要。教師需要積極探索和應用教學設備和線上教學方法,以加強對AIoT在教育領域的認知和應用。作為高校和社會進步的銜接者,教師需要更新教育理念,促進線上教學的高質量發(fā)展,從而助力實現(xiàn)“教學共生”模式的實質進步。在教學資源利用方面,教師應有意識地為學生提供差異化的個性化發(fā)展方向,實現(xiàn)有教無類、教學相長的教育目標。同時,教師還應重視培養(yǎng)學生的自主探究意識和主動創(chuàng)新意識,以推動學生的長遠發(fā)展為目標,并運用“互聯(lián)網(wǎng)+”的創(chuàng)新思維促進學生的全面成長。
(二)充分發(fā)揮AIoT技術優(yōu)勢
AI與IoT技術的融合確實帶來了更大的應用和靈活性。AIoT的優(yōu)勢之一是它能夠提供可行的選擇。物聯(lián)網(wǎng)通過提供設備信息和功能,再加上機器學習算法,能夠組織預測決策和結果,從而使物聯(lián)網(wǎng)能夠做出決策。
AIoT技術的突出優(yōu)勢在于它匯合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術,使得萬物智聯(lián)和數(shù)據(jù)化變?yōu)榭赡?。它能夠將用戶、終端設備、線上平臺和教育場景通過數(shù)據(jù)進行連接。要充分發(fā)揮AIoT的技術優(yōu)勢,核心在于構建基于AIoT的智能生態(tài)體系[10]。
(三)加大AIoT設備使用,創(chuàng)新課堂教學
AIoT技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在IoT感應設備和智能系統(tǒng)的應用上,它們共同構成了智能生態(tài)體系。
首先,IoT設備可以收集豐富的教學信息,包括學生的學習行為數(shù)據(jù)(如語言、動作、血壓等)和學習環(huán)境中的交流數(shù)據(jù)(如學習活動、討論交流等)。目前,IoT設備主要用于課堂測試和作業(yè)批改等,提供了對多維度課堂信息的收集和簡單處理的可行方案。例如,一些學校利用眼動跟蹤技術捕捉學生在課堂中的視覺行為,以獲得學生的關注點信息。同時,面部表情和游戲過程日志數(shù)據(jù)的應用可以發(fā)現(xiàn)學習者在閱讀相關書籍時的輕松情緒。IoT感應設備通常放置在教室的智能攝像頭和教學設備中,其主要特征在于將被測信息轉化為可用于智能系統(tǒng)分析處理的數(shù)據(jù)或信號。
其次,智能系統(tǒng)是具備人工智能和算法功能的計算機系統(tǒng),通過與IoT設備進行互聯(lián)互通,能夠進行篩選信息和處理數(shù)據(jù)的任務。智能系統(tǒng)和IoT設備相輔相成,共同構成智能課堂的技術支持。IoT設備負責對課堂信息數(shù)據(jù)的感應,而智能系統(tǒng)負責及時感應并分析IoT設備捕捉到的課堂數(shù)據(jù)。借助深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和極限學習機算法等數(shù)據(jù)處理方法,智能系統(tǒng)能夠識別教師的運動輪廓,包括板書書寫、行走、端坐、互動以及對電子屏幕和學生的指向等。此外,一些學者還開發(fā)了實時評估系統(tǒng),通過計算學習者的眼睛、頭部和面部情緒等數(shù)據(jù),得出學習者的參與度指數(shù)(在0%~100%的范圍內),并在參與度低于理想閾值時向教師和學生發(fā)出提醒。這種實時評估系統(tǒng)賦予了智能課堂深層次的教學意義,并滿足智能系統(tǒng)的核心任務,實現(xiàn)對課堂教學效果、效率以及教師和學生能力的提高。
(四)建立AIoT新型實踐活動平臺
感應設備在AIoT系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,包括傳感器和智能攝像頭等設備。
傳感器具備基本感知功能,可以感知環(huán)境中的光、熱、聲等因素,并將感知到的信息轉換為電信號等形式進行輸出。這些輸出可以被用于數(shù)據(jù)的傳輸、處理、存儲和控制等用途。
智能攝像頭由智能設備、AI系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設備組成。智能設備可以進行人臉識別,記錄學生違規(guī)的時間和地點;AI系統(tǒng)將學生的違規(guī)信息上傳至云端,通過云端自動辨別違規(guī)行為,匯總違規(guī)次數(shù),并發(fā)送給學生的班主任和家長;數(shù)據(jù)采集設備用于保存學生違規(guī)的音頻和視頻資料。
AIoT設備從學生進入教室開始運作,通過傳感器對光、熱、聲等判斷,并驅動智能攝像頭運行。它可以記錄學生進入教室的時間、行為和課前預習情況,并對遲到、早退等違規(guī)現(xiàn)象進行記錄,將記錄發(fā)送給學生的班主任和科任教師。
在課堂中,智能攝像頭可以記錄學生的學習行為,針對學生玩手機、走神、進行四六級等證書考試的練習等行為進行記錄,將記錄上傳至云端進行學生課堂行為分析,從而評估教師的課堂授課效果,分析整體課堂效果。
課后,結合已有的學生成績數(shù)據(jù)庫,將學生成績上傳至AIoT云端進行分析,并形成檢測報告,包括強勢學科和弱勢學科,同時提出成績提高的建議,以幫助學生更好地完成學業(yè)。此外,通過對課后作業(yè)和教師課堂效果的分析,對教師的教學進行評估,為改善課堂效果提供數(shù)據(jù)支持。
五、結束語
綜上所述,在教育行業(yè)中,AIoT的應用逐漸被高校接受,并取得一定的成效。但也要承認在教育意識、技術、資源和管理等方面仍存在不足,需要根據(jù)實際情況進行改進。因此,在我國高等教育中,AIoT的應用和發(fā)展需要糾正現(xiàn)有的不足,探索并完善AIoT支持的最佳教學策略,以提高教學實踐的質量和效果。這需要與教育教學實踐相結合,積極探索AIoT在教育場景中的優(yōu)勢和適用性,并制定相應的規(guī)范和準則,確保其在課堂教學中的有效運用。
作者單位:王浩 惠陽 陳永琴 胡珣 曹金香 貴州大學科技學院
參? 考? 文? 獻
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王浩(1999.12-),男,漢族,山西運城,本科,研究方向:英語專業(yè)。