谢幼如 邱艺 刘亚纯

摘要：新一代人工智能技术的纵深发展和新冠肺炎疫情引发的社会格局改变给教育领域带来了深远的影响。课堂是教育的主战场、育人的主渠道，推动人工智能赋能课堂变革，培养德智体美劳全面发展的创新人才是当前亟待解决的问题。该研究在国内外相关文献分析基础上，围绕人工智能赋能课堂变革什么、何以变革、如何变革三个问题展开探究，以期对人工智能赋能课堂变革进行系统的理论分析与实践阐述。首先，聚焦课堂在教育中的重要地位，基于赋能思维与价值引领，明确人工智能赋能课堂的理念变革、空间变革与教学变革；接着，基于赋能属性与教学理论，分析人工智能赋能课堂变革的要素，论述人工智能赋能课堂变革的原理，从而揭示人工智能赋能课堂变革的机理；最后，基于赋能层次与教学设计，提出智能可视化、动态自适应、个性定制化、虚拟双师型、人机协同化等五种人工智能赋能课堂变革的新样态以及具体实施举措。

关键词：人工智能；赋能；课堂变革；探究

中图分类号：G434 文献标识码：A

一、问题提出

人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力，正深刻改变着人们的生产和生活，推动人类社会迎来人机协同、跨界融合、共创分享的智能时代[1]面对错综复杂的全球化进程和日益精进的创新人才需求，转变原有的人才培养方式已成为世界各国亟待解决的现实问题之一。新冠疫情所带来的教学方式变革[2]让我们清楚地看到，融合了“互联网+”“智能+”技术的在线教学已经成为中国高等教育和世界高等教育的重要发展方向，我们再也不可能、也不应该退回到疫情发生之前的教与学状态[3]。这就迫切呼唤变革课堂理念、变革课堂空间、变革课堂教学，重建课堂样态。现有关于人工智能教育应用的研究普遍存在忽视课堂重要地位，对人工智能赋能的理解和认识不到位，对人工智能赋能课堂变革什么、何以变革、如何变革不明晰等问题。基于此，本研究面向智能时代人才培养需要，落实立德树人根本任务，聚焦课堂变革，深化科技赋能，明晰人工智能赋能课堂变革表征；分析人工智能赋能课堂变革的要素，论述人工智能赋能课堂变革的原理，揭示人工智能赋能课堂变革的机理；提出人工智能赋能课堂变革的新样态以及实施举措，以期对智能时代课堂变革提供理论借鉴与实践引导。

二、智能时代呼唤课堂变革

课堂是教育的主战场，是育人的主渠道，一端连接着学生，一端连接着民族的未来。透视课堂这一概念的发展历程可以发现，目前对课堂的认识主要涵盖教室、教与学活动和学习型共同体三个递进的层次[4]。无论概念如何改变，无论时代如何变迁，课堂所具备的文德教化、教书育人、培养人才的重要使命不会改变。培养什么人是教育的首要问题，课堂就是解决这一首要问题的主要场所，传承知识、潜移价值、立德树人、塑造生命是课堂的主要功能，随着社会的发展和时代的变迁，课堂的功能也在不断地调整和丰富。可以发现，课堂具有举足轻重的战略使命，同时在教育系统中具有不可替代的功能作用，变革课堂就是变革教育，变革课堂就是变革未来，只有啃下课堂教学这一“硬骨头”，才能将人才培养的最终指向落到学生身上，从而真正实现立德树人育英才。

（一）智能时代呼唤课堂理念变革

当下，世界处于百年未有之大变局。第四次工业革命方兴未艾，人工智能、大数据等加速发展和疫情冲击所带来的不确定性，对人类生产和生活方式带来深度改变，并在教育领域产生深远影响[5]。党的十九届五中全会开启了高质量发展的新征程[6]，人工智能等新兴技术所带来的深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征[7]为各行各业的变革提供了支持，科技赋能提升、创新驱动引领已成为未来社会发展的主流声音之一。现有研究认为赋能的关键在于通过激发个体内在潜能，使其具备较高的自我效能感，从而实现自我驱动和自我创新[8]，赋能思维的内核在于从满足到创造再到引领，从而实现从内至外自我驱动的系统性变革与结构性创新。课堂理念对课堂教学具有战略性、纲领性、引领性的作用，是教学活动的行动纲领与实施指南。智能时代社会对人才的需求迫切呼唤变革原有课堂理念，这亟待融合赋能思维，重新审视构成课堂的要素及其之间关系，重构原有课堂空间，重建原有课堂样态，培养适应未来社会的创新人才。

（二）智能时代呼唤课堂空间变革

课堂空间是师生交互和教学活动实施的主要场所，也是教师引导学生进行知识、情感、价值观交流的精神文化空间[9]。全方位虚实融合交互、全层次教学服务定制、全流程数据驱动评价是智能时代课堂空间的主要特征。人工智能、大数据、物聯网、区块链和边缘计算等新兴智能技术为拓展课堂空间边界、弥合课堂空间交互和具现课堂空间孪生提供技术支持。现有研究大多将网络学习空间作为联通物理课堂空间和虚拟课堂空间的桥梁，并将其作为课堂物联设备控制中心、课堂数据聚合汇集中台和课堂支持服务供给平台。如浙江大学以“三通一核”学习空间模型支持构建“网上浙大”新式办学空间[10]；杭州市长寿桥岳帅小学依托5G+AI构建个性定制的全景化智能课堂空间[11]；Mokhtar T.H.等构建出基于互联网、物联网和教育机器人等支持的智能课堂ICE概念模型[12]；Ntagianta A.等以提高学生注意力为切入点构建基于Web的智能课堂空间CognitOS[13]；Tissenbaum，M.等设计开发出支持学生小组合作探究的智能课堂空间基础结构并持续四年深入研究[14]。纵观现有研究发现，课堂空间作为教学活动主要场所的角色属性已成为广泛共识，依托智能技术变革课堂空间已成为未来教育信息化发展的重要领域之一。

（三）智能时代呼唤课堂教学变革

面向智能时代的课堂应以深度学习理论为指导，对标学生发展核心素养，融合赋能思维，以“大单元—任务群—问题链”为主线[15]，依托人工智能教学环境实现人机协同、数据驱动、动态适应、个性定制的规模化因材施教。落实立德树人根本任务，基于深度学习理论指导，对标核心素养发展提升，面向疫后时期教学需要，创新智能技术课堂应用，赋能变革课堂教学流程，全面重塑课堂教学样态是智能时代课堂变革的导向。胡国良等依托5G+AI技术提出开放大学智慧学习空间构建模型[16]；李小平等提出了依托知识图谱驱动的VR教学资源智能建构方法[17]；陈坤等依托区块链技术构建思政课翻转课堂实施路径[18]；王健等将面向学科核心素养构建的知识图谱与人工智能技术相结合开展精准教学实践[19]；武法提等基于场景化学习样态，构建出多源数据融合的共享教育数据模型[20]；孙众等在梳理人工智能助力课堂教学分析进化路径的基础上，构建了基于人工智能的课堂教学分析框架[21]；张琪等面向多模态数据支持提出学习投入度测评的研究趋向[22]；吴立宝等构建了人工智能赋能课堂教学评价改革与技术实现的框架[23]。此外，还有部分学者探索“互联网+”[24]、可视化[25]、自适应[26]、教育机器人[27]等技术和工具的开发与应用。综合现有研究发现，当前关于智能技术变革课堂的研究主要涵盖课堂环境、资源和评价等方面，且大多关注影响课堂的外部条件。打开课堂“黑箱”，重新思考智能赋能课堂变革的价值所在，从课堂内涵出发揭示智能技术赋能课堂变革的内在机理，建立智能技术赋能课堂变革的整体逻辑亟待进一步探索。

三、人工智能赋能课堂变革表征

（一）人工智能赋能课堂理念变革

人工智能赋能课堂理念变革的关键，在于融合赋能思维，重构原有课堂教学价值观，并通过行动指南和具体行动外显出来。落实立德树人根本任务，德智体美劳五育并举是人工智能赋能课堂变革的价值取向；面向疫后时期课堂教学需要，多维弥合课堂空间、支撑线上线下混合教学，深化资源精准供给、助力教育优质均衡发展，持续创新课堂教学、培养全面发展创新人才是人工智能赋能课堂变革的行动指南；以深度课堂理论为指导，对标发展学生核心素养，注重批判性思维、知识迁移能力和问题解决能力的培养，依托人工智能技术实现人机协同教学和多模态数据融合评价是人工智能赋能课堂变革的具体行动。由此可见，人工智能赋能课堂理念变革的实质，在于充分融合赋能思维，激活课堂自身的变革内驱力，重塑课堂教学各要素与关系，重新思考人工智能赋能课堂教学的原理与方法，从而培养德智体美劳全面发展、符合未来社会需求的新时代创新人才。

（二）人工智能赋能课堂空间变革

以5G网络、XR技术、知识图谱、模式识别、机器学习、自然语言处理、数字画像和数字孪生等为代表的智能技术为课堂空间从实体化向虚拟化过渡、固定化向个性化转变、零散化向集群化升维、孤岛化向数智化融合提供了主要支持。智能技术赋能课堂空间变革，即是将原有课堂空间赋予思考能力和决策能力，为人机协同的课堂教学提供弹性化、动态化和按需定制化的服务。5G网络、XR技术可赋予课堂空间高仿真、低时延的交互体验，为创设真实教学情境提供支持，同时也可实现双师联动教学，促进优质资源高质量供给；知识图谱、模式识别和机器学习技术可实现课堂教学资源的实时提炼和动态推送，为学生提供自适应学习服务，同时可以生成人工智能助手和学伴，参与教学活动，支持人机协同教学；数字画像和数字孪生技术可实现基于多模态数据融合的学生学情动态分析及实时可视化，为课堂教学效果动态画像评价提供支持。

（三）人工智能赋能课堂教学变革

人机协同是人工智能教育应用的发展趋势。已有研究表明，人工智能可以辅助和促进大规模的师生交互，同时逐步成为实现个性化教学的主要途径[28]。人机协同赋能课堂教学变革，首先应将人工智能技术的具现化产物作为课堂要素之一，并参与学生、教师和其他课堂要素的交互，同时赋能教学目标确定、教学内容选择、教学活动组织、教学评价实施，实现课堂结构化变革。

1.数据驱动赋能课堂教学目标确定

教学目标制约着教学活动的全过程，是课堂价值的重要体现。数据驱动赋能课堂教学目标确定，即对标学生发展核心素养，面向批判性思维、知识迁移能力和问题解决能力等关键指标，结合人工智能技术收集分析的数据确定教学目标，从而支持数据驱动的因材施教。

2.图谱分析赋能课堂教学内容供给

教学内容是教学活动实施中最具有实质性的东西。图谱分析赋能课堂教学内容供给，即利用知识图谱、计算机图形学、模式识别和智能代理等技术手段支持大单元内容提炼重构、分课时内容归并重组，同时实施多终端场景化智能推送，从而实现按需认知外包，支持教学活动的个性化开展。

3.画像构建赋能个性教学活动定制

教学活动是学生认知发展与个性发展的基本方式[29]，也是教师为达成教学目标所采用的教学组织、方法、手段和途径的总称。画像构建赋能个性教学活动定制，即根据学生数据画像，结合教学目标与教学内容，为其匹配自适应教学路径、个性化教学活动和智能化支持服务，从而实现数据驱动的定制化教学。

4.多模融合赋能动态精准评价实施

教学评价就是依据一定的教学目标和标准，对教学活动及其效果所进行的价值判断活动[30]。多模融合赋能动态精准评价实施，即利用多模态数据融合分析与智能可视化表征，针对学生的知识掌握情况等学习结果和关键能力、必备品格等素养水平进行动态画像评价，实现以人为本的综合认证，同时也为教学目标的动态调整与确定提供数据依据。

四、人工智能赋能课堂变革机理

（一）人工智能的赋能属性

人工智能是指由人類所制造的智能，其原型是自然智能，特别是人类智能。人工智能领域研究的任务，在于理解自然智能奥秘，创制人工智能机器，增强人类智力能力[31]。自1956年达特茅斯会议诞生人工智能这一概念，到经历跌宕起伏的两次兴盛和两次寒冬，再到云计算、大数据的快速发展和算法模型的突破性进展，当前，我们迎来了人工智能的第三次浪潮。以5G网络、大数据、AIoT和边缘计算等为基础设施与知识图谱、模式识别、机器学习和NLP等关键技术构成的智能环境，已在人机对话、图像识别、数据分析和个性推送等领域有所突破，这为人工智能在不同行业和领域凸显其赋能属性提供有力支持。回溯人工智能发展历程，聚焦人工智能本身，依托基础设施和关键技术的持续突破，我们可以看出赋予人类个体能力，增强人类个体智力，解放人类个体劳动是人工智能本质属性。当人类个体的劳动被解放出来后，人机协同创造将逐步成为未来社会发展的主题。由此可见，人工智能本体具备赋能属性，并通过理念重塑、技术革新和应用创新外化出来，人工智能的赋能属性必将对社会各行各业的发展掀起一场系统化变革。

（二）人工智能赋能课堂变革的要素

机理是指一定系统中各要素的结构、关系及相互作用的规则与原理，也有研究将其释义为有机体的构造、功能和相互关系[32]。对于课堂这一系统而言，构成课堂的要素与结构是其机理的表征之一。教学论中将课堂看作是由学生、教师、教学目标、教学内容、教学方法、教学评价和教学环境等七个要素组成的动态综合体。其中，学生是教学的主体，教师是教学的主导，二者是课堂中无法缺少的要素，是课堂使命的出发点和功能的落脚点；再者，教学目标制约教学活动的开展，并通过教学内容具体展现、教学方法落地实施和教学评价动态反馈；最后，教学环境是支撑教学活动开展的客观条件，是课堂要素间产生交互关系和形成相应结构的保障。人工智能赋能课堂变革的要素及其关系，即是以人工智能基础设施和关键技术组成的智能教学环境为依托，将人工智能技术的具现化产物作为课堂要素之一，赋能教学目标确定、教学内容供给、教学方法选用、教学活动开展和教学评价实施，实现数据驱动的因材施教、按需推送的资源供给和人机协同的教学活动，同时针对学生的知识掌握、素养水平、关键能力和必备品格等方面进行动态精准评价，促进学生批判性思维、知识迁移能力和问题解决能力的自适应提升，最终达成培养德智体美劳全面发展、适应未来社会需求的新时代创新人才这一教育目标，如图1所示。

（三）人工智能赋能课堂变革的原理

赋能环境建设、赋能教学设计、赋能教学实施是人工智能赋能课堂变革的三个层次。赋能环境建设即以知识图谱、模式识别等为代表的人工智能技术变革原有教学环境，使课堂空间呈现虚实融合、动态交互、按需分配、弹性拓展的特征，为课堂空间赋予沉浸式智能交互等能力；赋能教学设计即以多来源数据融合分析和多维度数据智能可视化变革原有教学设计，使教学设计趋向定制化目标、自适应内容、泛在化交互和画像化评价，为教学设计赋予规模化按需定制等能力；赋能教学实施即以人机协同变革原有教学活动组织，使人工智能技术的具现化产物成为教学活动主体的代理、助理、导师及伙伴，为教学实施赋予按需协同化认知融合等能力。

图2可以看出，人工智能赋能课堂变革是以智能技术赋能的教学环境为支撑，以数据驱动赋能的教学设计为抓手，以人机协同赋能的教学实施为关键，最终实现课堂改革创新，服务人才培养需要。

五、人工智能赋能课堂变革新样态

（一）人工智能赋能课堂变革的典型样态

样态是指事物或实体存在的方式、关系或性质结合的形式[33]。人工智能赋能课堂变革，最终都反映在课堂样态上。以人工智能赋能课堂变革，需要围绕赋能环境建设、赋能教学设计和赋能教学实施，构建典型课堂样态，从而落地人工智能赋能课堂变革。基于此，本研究提出智能可視化课堂、动态自适应课堂、个性定制化课堂、虚拟双师型课堂、人机协同化课堂等五种人工智能赋能课堂变革的典型样态。

1.智能可视化课堂

智能可视化课堂充分发挥VR、AR、MR、XR和数字孪生等智能技术优势，实现虚实空间弥合、无缝实时交互和全景拟真反馈，不断拓展学生具身认知，丰富学生学习体验，提高学生学习效果。这种课堂贯通数据可视化、知识可视化和思维可视化，综合计算机图形学和人工智能技术赋能教学情境创设、教学内容呈现和教学效果评价，从而支持学生深度思考和交流互动，促进学生问题解决和反思提升。

2.动态自适应课堂

动态自适应课堂以学生学习为中心，依托教育大数据、学习分析、数据挖掘和教育大脑等技术手段，根据学生的认知特点和即时需求，为学生提供完成教学目标所需的环境、资源和服务，并根据学生学情变化进行动态优化。这种课堂对学生学习过程中产生的学情数据实时采集表征，并关联学生历史学情数据建模分析，从而动态调整学习内容、学习形式、学习路径和学习支持服务，实现个性化教与学。这种课堂的核心是数据驱动的学习路径规划、学习资源推送与学习服务供给，依托技术支持实现规模个性化教学，从而促进学生全面发展。

3.个性定制化课堂

个性定制化课堂将传统大规模教学和学生个性学习需求有机结合，借助教育大数据、量化自我、学习分析等智能技术，关注学生之间的差异性和多样性，根据学生自身学习情况和学习需求构建学生模型，对标学习目标定制个人专属学习方案。这种课堂通过融合学生的自我需求和社会需求，将教师、教学环境、教学资源、教学活动和学习同伴等课堂要素有机联动形成课堂快照，依托智能平台为学生量体裁衣设计学习内容、学习活动和学习支持，从而支持处处可学、时时能学的泛在学习。

4.虚拟双师型课堂

虚拟双师型课堂利用边缘计算、机器学习、知识图谱和自然语言处理等智能技术，打通线上线下教学壁垒，实现真人教师和虚拟教师共同协作开展教学。知识图谱、NLP等人工智能技术的深化发展，使得依托教育机器人、智能导师、智慧学伴等打造真人教师主导、AI教师辅导的虚拟双师型课堂在当下成为可能。这种课堂中，真人教师和AI教师各司其职，协同组织教学活动，AI教师通过数据分析展现学生学情数据，同时部分代理教师教学功能；真人教师根据学情数据调整课堂教学活动，持续凸显教师育人功能。这种课堂不仅能为教师回归育人使命，落实立德树人根本任务提供支持，同时也能为偏远地区教育高质量发展创造条件。

5.人机协同化课堂

人机协同化课堂充分发挥人工智能对个体认知外包作用，将人工智能具现化产物看作课堂的组成部分，推进课堂教学过程中教师、学生、人工智能伙伴等角色间的深度互动和自组织交流，实现人机协同教学。在这种课堂中，学生、教师与人工智能伙伴共同成长、协同促进、智慧生成。人工智能伙伴能够引导学生深度思考、辅助教师完成重复性教学工作，使学生回归学习本质实现创造性学习，教师回归育人本质深化立德树人。这种课堂是人工智能赋能课堂变革的最高层次，也是人工智能赋能课堂变革的重要方向。

（二）人工智能赋能课堂变革的具体举措

1.彰显赋能思维促进教学理念转变

人工智能赋能课堂变革，首先要彰显赋能思维促进教学理念转变。应站在生命的高度，将学生看作独特的个体，赋予其认识自我、认识外部世界的方法和能力，激发其主观能动性，提高其自我效能感，助力其成为更好的自己，从而培养“千人千面”的高质量创新人才。这就需要以赋能思维引领教学理念转变，寓价值观塑造于课堂教学中，落实立德树人、坚持五育并举、强化课程思政，在原有自主学习、协作学习和探究学习等基础上，强调深度课堂、混合学习、人机协同、可视化等理念。与此同时，教师应具有成果导向及数据驱动意识，充分发挥自身育人价值和人工智能技术功能价值，人机协同培养德智体美劳全面发展的新时代创新人才。

2.深化人机协同促进教学设计变革

人工智能赋能课堂变革，其次应深化人机协同促进教学设计变革。这就需要在赋能思维引领下，重新思考教学目标、教学策略和教学评价的设计。教学目标的设计，应对标核心素养，注重高阶思维，落实五育并举，反映社会需要，同时结合学生个体数据画像确定不同个体的教学目标，助力实现规模化因材施教；教学策略的设计，应充分考虑教与学的现实特征及人工智能物化产物的属性，开展人机协同的自适应互动，实现数据驱动的深度学习；教学评价的设计，应从聚焦学习结果到关注学习全程，从基于学习成绩到基于学习画像，依托多维度数据开展动态智能可视化分析，实现伴随式多元化全过程评价。

3.融合智能技术促进教学活动创新

人工智能赋能课堂变革，还应融合智能技术促进教学活动创新。教师可利用“互联网+”“智能+”教学平台、基于知识图谱的资源中心及教育APP实现多元化内容呈现、动态化学情分析、情境化即时交互、个性化资源推送及系统化知识建构，开展智能可视化教学、动态自适应教学、个性定制化教学、虚拟双师教学和人机协同教学；学生可利用基于AR/VR/MR/XR等技术的交互式资源、依托模式识别的学习工具和使用自然语言处理的智能学伴，弥合学习空间、泛在互动探究和自适应提升能力，实现“千人千面”的个性化学习。

4.联动数据分析促进教学评价多元

人工智能赋能课堂变革，最后要联动数据分析促进教学评价多元。在评价理念方面，要强调以人为本、多源数据联动、动态精细画像、全景个性评价；在评价方法方面，要依托人工智能技术对课堂中有关教与学的行为数据、过程数据、情感数据等进行智能感知和动态存储，通过解构、关联和重组多源数据建立反映教与学现状的动态模型，借助教育大脑进行分布式数据处理、画像构建和动态评估，同时不断修正评价模型，最终实现伴随式多元化全过程教学评价，助力课堂教学持续改进。

六、结语

“人工智能+教育”是培养全面发展创新人才的重要共识，课堂是教育的主战场、育人的主渠道，以人工智能赋能课堂变革实现智能时代育人育才的根本任务具有重要的意义。本研究面向错综复杂的全球化进程和日益精进的创新人才需求，结合新冠疫情所带来的教学方式变革，围绕人工智能赋能课堂变革什么、何以变革、如何变革三个问题展开探究，聚焦课堂在教育中的重要地位，基于賦能思维与价值引领，明确人工智能赋能课堂的理念变革、空间变革与教学变革；基于赋能属性与教学理论，分析人工智能赋能课堂变革的要素，论述人工智能赋能课堂变革的原理，从而揭示人工智能赋能课堂变革的机理；基于赋能层次与教学设计，提出智能可视化、动态自适应、个性定制化、虚拟双师型、人机协同化等五种人工智能赋能课堂变革的新样态以及具体实施举措。

我们期望，本研究能为人工智能赋能课堂变革提供理论借鉴与实践引导，有效推动人工智能在课堂这一教育主战场发挥积极作用。

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作者简介：

谢幼如：教授，博士，博士生导师，研究方向为课程设計、教学系统设计、教育技术研究方法、网络教学资源开发与应用。

邱艺：在读博士，研究方向为智慧课堂教学设计与应用、教学设计理论与应用、人工智能教育应用。

刘亚纯：在读硕士，研究方向为智慧课堂教学设计与应用、教学设计理论与应用、人工智能教育应用。

Inquiry in Artificial Intelligence Empowering Classroom Reform

Xie Youru， Qiu Yi， Liu Yachun（School of Educational Information Technology， South China Normal University， Guangzhou 510631， Guangdong）

Abstract： The in-depth development of the new generation of artificial intelligence technology and the changes of social pattern caused by the COVID-19 pandemic have brought a profound impact on the education field. Classroom is the main battlefield of education and the main channel for educating people. Promoting AI empowering classroom reform and cultivating innovative talents with comprehensive development of morality， intelligence， physical， art and labor are issues needed to be solved urgently. Based on the analysis of relevant documents at home and abroad， this research explored three questions of what， why and how to transform AI empowering classroom with a systematic view of theoretical analysis and practical elaboration in AI empowering classroom. First， this research focused on the important position of the classroom in education in order to clarify the conceptual reform， environment reform and teaching reform of AI empowering classroom based on empowering thinking and value guidance. Then， this research analyzed the elements of AI empowering classroom reform and discussed the principles of AI empowering classroom reform based on the attributes of empowerment and teaching theory， so as to reveal the mechanism of AI empowering classroom reform. Finally， based on the empowerment levels and teaching design， this research proposed five new forms of artificial intelligence empowering classroom reform， including intelligent visualization classroom， dynamic adaptation classroom， personalized customization classroom， virtual double teacher classroom human-computer collaborative classroom， and specific implementation measures.

Keywords： Artificial Intelligence； empowering； classroom reform； inquiry

责任编辑：李雅瑄