智慧课堂：智能化与游戏化教学探索与实践

徐 昊，黄 岚，宋冬蕾，于 涛，肖 猛

( 1.吉林大学 公共计算机教学与研究中心，吉林 长春 130012；

2. 吉林大学 计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012；

3. 吉林大学 软件学院，吉林 长春 130012 ）

智慧课堂：智能化与游戏化教学探索与实践

徐 昊1，2，黄 岚2，宋冬蕾2，于 涛3，肖 猛3

( 1.吉林大学 公共计算机教学与研究中心，吉林 长春 130012；

2. 吉林大学 计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012；

3. 吉林大学 软件学院，吉林 长春 130012 ）

针对智能设备广泛应用且成为生活中不可或缺的辅助设备这一现象，以及学生在课堂中使用手机的情况，分析国内外新型教育模式发展现状，提出一种使用智能手机参与课堂教学的智慧学习平台；结合吉林大学的实践教学，说明智慧学习平台的必要性并介绍教学实践情况，以期提高学生的课堂参与度，增强学习热情，让学生更好地接受课堂知识。

智慧课堂；游戏化；教育；参与度；弹幕

0 引 言

当今智能设备在教育领域中的应用越来越普遍，人们也在不断地研究如何将智能设备与教育更好地结合，达到更高层次的教育模式。从2004年提出的在线课堂，到后来的“可汗学院”[1]，再到被人们广泛接受的MOOC（massive open online courses）[2]，智能设备与教育的结合愈发密切，提供给学生更多学习和获取优秀教学资源的可能。

当今网络视频中的弹幕、微信摇一摇等功能，创造了一种新型的交互方式，使人们实现实时的互动。游戏化是将游戏元素和游戏思维运用到其他的领域中，以此吸引用户[3]互动和使用，促使用户接受并且激励他们的行为。我们认为，将游戏化融入到教育可以调动学生的积极性并能使他们的学习动力更好地延续下去。

通过对智能设备辅助课堂教育情况的调研，我们发现在教学环境中加入智能设备的模式变得更加多样化，智能手机、手环、VR（virtual reality）设备等屡屡出现在课堂教育中。我们认为，在课上引入智能手机进行交互，在课后采用游戏化的思维进行课后学习进度的推进，有助于学生课堂参与度、积极性、学习热情、学习效率的提高，从而提升学习效果。

1 国内外新型教育模式发展现状

美国教育学家 B. Joyce和 M. Weil[4]最先将“模式”一词引入到教学领域，并加以系统研究。从宏观上把握教学活动整体及各要素之间内部的关系和功能，具有一定的有序性及可操作性。许多国外的高校已经在教育中应用新型的教育模式，如SPOC（small private online course）、STEM（science, technology, engineering, and mathematics）等。SPOC由加州大学伯克利分校的Fawkes Armand教授提出和使用[5]，并相继在哈佛大学、加州大学伯克利分校、麻省理工学院等高校进行实验并推广，取得了明显的成效。又例如STEM教育源于美国，是科学、技术、工程和数学4门学科的简称，其强调多学科知识的交叉融合，以此培养学生创新性思维、工程性思维以及综合学习能力等[6]。

在我国，浙江大学计算机科学与技术学院于2014年开始尝试采用SPOC的方式来辅助课程。随后天津大学、清华大学都相继在教学中尝试运用SPOC的教学方式。近期清华大学研发了“雨课堂”这一教学工具，并将其应用到教学中，期望以此形成一种新型的教育模式。学生使用“雨课堂”这一工具可以实现课前预习、课上互动、课后复习等功能。这种教育模式的主要思想是，通过在课上设置限时习题来提高学生课堂的注意力，使用弹幕、课堂签到等方式来提高课程学习的趣味性以及学生的参与度，而课前课后推送的学习资料可以让学生更加自主的学习；“雨课堂”也会为教师提供一定的反馈数据，并通过图形化方式展示，使教师对学生的学习情况有一个总体的了解[7]。

我们可以看到，世界顶尖大学不断在教学中尝试新的教育模式，更加强调学生完整、深入的学习体验，重新定义了教师的作用，并取得了显著的效果。相比之下，我国高校在教学方式转变方面起步较晚，而且对新型的教育模式有一定的排斥心理，因此许多高校在尝试教育模式改变上并未取得显著的成效。

游戏化教育其实已经不知不觉地进入到我们的生活，例如手机中的看图猜成语、看图识别知识等游戏都是运用了游戏和知识相结合。北京师范大学石中英教授认为：“从一定意义上说，教学活动中游戏状态的缺乏是造成教师厌教和学生厌学的一个主要原因。游戏的精神应该渗透到教育活动的方方面面。”[8]

游戏化的思想已经成功地运用到了课堂中。在国外，PeerWise平台就是一个非常成功利用游戏化元素辅助学习的例子[9]。PeerWise是一个在线的交流学习平台，学生可以在这个平台上提出自己的问题（通常是选择题）并设置正确答案，然后由其他学生进行回答，回答的学生将能够立刻获得答题的反馈。新颖的地方是PeerWise推出了奖赏模式，答题的数目将会折算成学生个人的得分点数，完成任务就会得到对应的特殊徽章，并且通过排行榜的方式使学生对于自己的排名有着直观的认识。这种机制会提高学生课后学习的参与度。文献[10]展示了利用游戏化教学的模式教授“if判断语句教学”，游戏化学习主题为“和计算机一起玩剪刀石头布”，帮助学生更好地掌握计算机程序设计中的主要思想，实验结果显示接受了游戏化教学的学生在本知识点的掌握程度要高于平常教学的学生。

2 课堂变得“智慧”的必要性

改变传统的教育模式，将其变得更加灵活和更具有吸引力，最终提高教学质量，是我们一直追求的目标。而探索新的教育模式并不意味着“见好即入”，不是所有看起来“高大上”的新事物都要加入到教学当中，要结合自身的实际情况，吸收国内外先进的教育理念（如STEM教育、创客教育等），再针对学生目前学习情况加以改变，使得个性化的教学不再仅是说说而已。这对未来的教学改革有着先驱探索性的意义。

通过消化吸收MOOC、翻转课堂等新型教育模式，创新高校教学、管理模式，在教学中不断发展符合自身教学特点的教育模式是很有必要的，但找到这样的教育模式并不是一件轻松事，任何教育模式都需要经历实践的考验，只有适应时代发展并充分满足人们需求才能被人们认可。在新型教育模式上的不断尝试是不可或缺的，具体可以从3个方面体现：

1）以需求为导向，实现个性化教育。

在过去的几年中，互联网技术已经广泛而深入地在各个领域普及，教育方面也不例外，针对学生的学习需求，定制个性化学习策略，进行个性化学习辅导等将是未来教学的趋势，不分情况“填鸭式”教学注定会被淘汰。通过“课上课下一体化”的学习，获取学生的课上行为数据（即需求）并进行数据分析，将学生的课上行为数据应用于课下学习，如推送与课上未理解知识点相关的习题，做到真正理解学生的学习需求，使学生有针对性地进行学习，从而形成个性化的学习路径，最终形成基于需求的个性化教育空间，实现因材施教。

2）从知识到思维。

无论是何种教育模式，其最终目的都是为学生提供学习思维而非刻板的知识。我们需要考虑通过创新教学方式，在为学生提供知识的同时传授他们学习思维，针对学生的不同性格特征进行有侧重的培养，培养学生在不同情境下的学习和解决问题的能力。通过课上课下一体化的模式，来实现提高学生的课堂参与度、学习积极性及学习效率、解决教师与学生之间交互反馈问题以及提高学生的自我认知与自我效能的目的，实现由知识到思维的转化。使学生可以了解自己的学习兴趣，形成自己的个性化学习体系。为学生营造出合作竞争、参与、反馈的学习环境，并通过由此形成的个人学习路径塑造学习思维导图，帮助学生进行高效的学习，进一步培养学生创新性思维及发现问题、解决问题的能力。

3）为学生提供多样化的学习模式。

传统的教学方式是教师讲授知识、学生学习知识，教师与学生之间缺乏有效的交流。而随着在线教育和新的课堂教学模式的发展，在未来10年左右，全球可能只会有15%左右的人还在以这种传统的方式进行学习，而其余的85%非传统意义上的学习者，他们需要的是更加优质、有针对性、个性化、灵活多样的学习体验[11]。例如目前十分热门的翻转课堂、微课程、SPOC及MOOC等都是由于此类非传统意义上的学习者数目不断增加而更加火热壮大。我们需要做的，就是以此为出发点，通过改善当前传统教学环境上的不足，为学生提供有别于过去的学习体验，并且更加具体和个性化，丰富学生的学习选择。

3 智慧课堂教学实践

为了实践智慧课堂教学是否可以为学生带来积极作用，我们在吉林大学的网页设计课程中进行了一个学期的实验。课上学生任意地发送弹幕和记录自己不懂的知识点，课下每个学生针对自己课上所学知识选择自己的学习路线。同时，我们对期末考试的方式也进行了改变，在课下的游戏化平台上，每个学生通过选择期望的期末成绩作答相应难度的试卷。例如，选择80分的试卷，学生将会得到80分难度的试题，如果想提高自己的分数，则需要通过加试题目来获得90分。我们将课上、课下和期末考试与互联网相结合，提高了学生的课堂参与积极性，让学生在学习的同时也享受游戏的乐趣。

3.1 智慧教学的具体目标

网页设计课程是一门校选课，它对全校所有专业的学生开放，希望通过一系列新型的师生互动方式，提供针对学生课上提出问题的反馈，并将课上数据结合到课下的学习中，形成连通课上课下学习的模式。该教育模式的主要目标包括以下3个方面：

1）最大化激发学生的学习热情。

该模式课上通过发送弹幕、摇一摇等交互方式，课下通过结合游戏化的闯关答题模式，提高学生的课堂参与度，调动学生的学习积极性。课上的实时反馈可以及时解决学生学习过程中遇到的问题，而不会因为某个问题影响后续的学习，并且能够为学生进行知识推荐，为拓展学习提供了指引。课下游戏化的学习利用闯关的游戏方式，使学生在自由选择感兴趣题目的同时，既解决课上未吸收的知识点，又对学生的选择和答题结果进行实时分析，为学生提供学习效果的反馈和下一步的指导，使学生更高效、更富有趣味性地学习。通过课上课下结合的模式最大化激发学生的学习热情。

2）转变教师的教学理念。

该模式通过将学生课上课下学习行为反馈给教师，使教师对学生学习动态有所了解，从而有利于充分挖掘学生的兴趣爱好及学习需求。在教学实践中根据学生学习行为反馈不断对课程进行改进，调整课程结构以适应当前阶段的学生学习情况，并由此形成一套完整的教学思维，而不再是将教学技能简单地混合使用。形成针对某门课程、某些学生的教学路径，对课程体系拥有一个整体性的把握，并根据教学实践不断调整课程内容，教学方法以及教学思维等。

3）自主学习，因材施教。

通过在教学中应用这种教育模式，我们期望教师能形成自己的教学路径，学生形成自己的学习路径。通过营造合作竞争、参与、反馈的教育环境，使师生在实时交互中及时解决学习问题，让学生能够更好地自主学习。针对学生不同的学习特点，制定相应的学习方案，使学生形成个性化的学习空间。期末考试方式的改变，更能适应不同学习程度学生的不同选择，不必再为未知的考试而担忧。

3.2 智慧教学的知识模块设置

智慧课堂的核心思想是让学生课上及时提出问题、解决问题，在课下时段对课上的疑惑知识点以游戏化的轻松形式进行解答和强化，最终解决疑惑问题并提高学生的自信和积极性。具体的知识模块设置如图1所示。

图1 智慧课堂教学模块流程

（1）弹幕提问：学生在课上如果遇到产生疑惑的地方就将问题以弹幕的形式发送到教师的屏幕上，该屏幕将会被投影至课堂前方，每个问题教师和其他学生都可以看到。

（2）弹幕反馈：当其他学生看到问题时，可以用弹幕的形式对于问题做简短的解答，学生可以通过这种方式进行讨论。

（3）记录不懂知识点：当学生对某处知识点产生疑惑并且不能在短时间内解决时，可以摇动自己的手机，此时教师正在讲解的知识点就会被记录下来，课后提示学生并在平台进行详细讲解。

（4）知识点复习：课下通过平台为学生提供本节课所有知识点的讲解和习题，着重推荐他们在课上记录的产生疑惑的知识点。

（5）知识点强化关卡：学生可以选择自己的作业，每个关卡都会带领学生进入不同的学习路线，让学生能够对本节课的知识进行巩固掌握。

（6）奖励：在不断学习、不断通过关卡的同时，根据学生的学习行为，他们将会获得相应的奖励，例如得分和徽章。学生学习的过程也是他们在“教学地图”中闯关游戏的过程。

（7）提高自信：学生通过游戏的闯关环节，解决了课上问题，同时获得荣誉徽章，提高了自信心。

4 结 语

通过调研国内外智能设备结合教学的教学模式，发现这些教学模式可以令学生的上课积极性有所提高，并且学生通过游戏化的方式学习知识的效率较高。目前，课上课下相结合的智能教学模式并不常见，利用课上收集学生的问题，课下来针对相应知识点强化训练，是一种很好的教学模式，希望未来有更多的高校可以应用在自己的课堂教学中，将课堂教育做得更好，为学生创建“智慧”的课堂。

[1] Thompson C. How Khan academy is changing the rules of education[J]. Wired Magazine, 2011(126): 1-5.

[2] Kaplan A M, Haenlein M. Higher education and the digital revolution: about MOOCs, SPOCs, social media, and the Cookie Monster[J]. Business Horizons, 2016, 59(4): 441-450.

[3] Gee J P. What video games have to teach us about learning and literacy[J]. Computers in Entertainment (CIE), 2003, 1(1): 20.

[4] Joyce B R, Weil M, Calhoun E. Models of teaching[M]. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1986.

[5] Fox A. From moocs to spocs[J]. Communications of the ACM, 2013, 56(12): 38-40.

[6] Sanders M E. Stem, stem education, stemmania[J]. Technology Teacher, 2008, 68(4): 20-26.

[7] 清华大学.混合是教学工作坊-雨课堂传授玩转课堂新妙招[EB/OL]. [2016-03-29]. http://www.edu.cn/xxh/focus/xs_hui_ yi/201603/t20160329_1381267.shtml.

[8] 石中英.教育哲学[M]. 北京: 北京师范大学出版社, 2007: 73-76.

[9] Denny P, Hamer J, Luxton-Reilly A, et al. PeerWise: Students sharing their multiple choice questions[C]//Proceedings of the fourth international workshop on computing education research. ACM, 2008: 51-58, Sydney, Australia.

[10] 南京银城小学.“游戏闯关”是寓考于乐的“素质测试”[EB/OL]. [2016-01-08]. http://comment.dbw.cn/ system/2016/01/08/057029071.shtml.

[11] 爱头版在线教育. 展望未来教育的发展趋势[EB/OL]. [2016-03-26]. http://mt.sohu.com/20150326/n410378987.shtml.

（编辑：彭远红）

1672-5913(2017)02-0010-04

G642

吉林省高等教育教学改革立项课题“面向交叉学科的大数据教育研究与实践”（吉教高字[2015]46号）；教育部大学计算机课程改革项目子课题“大数据时代以计算思维能力培养为核心的数据处理与数据分析课程建设研究”（2-8-DJG-1-1）。

徐昊，男，副教授，研究方向为计算机教育与知识管理， xuhao@jlu.edu.cn；

黄岚（通信作者），女，教授，研究方向为数据挖掘与商务智能， huanglan@jlu.edu.cn。