翻转课堂技术支持体系的设计与构建

徐春霞

摘 要：近年来，翻转课堂教学模式受到教育领域的广泛关注，并取得了较为显著的成效，不仅推动了教学理念、教学模式和学习方法的变革，还促进了教育公平化。现代信息技术的运用是“翻转”得以实现的保障，但目前在翻转技术上还存在着平台建设相对滞后、视频源质量参差不齐和终端硬件设备功能繁杂等问题。云智慧教育平台解决方案根据老师的学生在教学过程中的需求，设计八大子系统，主要包括：一课一网备课系统、智能组卷系统、答题卡智能生成系统、批量智能批阅系统、教学管控平板电脑系统、智能平板授课系统、微课视频点播系统和在线练习测试系统。这一系统有效地促进了翻转课堂的实施。可以预计，人工智能浪潮的兴起将重塑翻转课堂的新形态，为翻转课堂提供新的操作平台，进一步促进教育教学的个性化、精准性、自适应性和普适性发展。

关键词：翻转课堂；信息技术；教育平台；人工智能

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）23-0058-04

Abstract： In recent years， the flipped classroom teaching model has attracted wide attention in the field of education， and has achieved remarkable results. It not only promotes the reform of teaching concepts， teaching models and learning methods， but also promotes the fairness of education. The application of modern information technology guarantees the realization of "flip". However， there are still some problems in the flip technology， such as the lag of platform construction， the uneven quality of video sources and the complicated functions of terminal hardware. According to the needs of teachers and students in the teaching process， Cloud Intelligence Education Platform Solutions design eight subsystems including the preparation lesson system with a lesson on one network， the intelligent system with generation of test papers， the intelligent generation system of question cards， the batch intelligent marking system， the tablet computer system of teaching control， the smart tablet teaching system， the VOD system of micro-class video and online exercise test system. This system has effectively promoted the implementation of flipped classroom. It can be predicted that the rise of artificial intelligence will reshape the new form of flipped classroom， provide a new operating platform for flipped classroom， and further promote the development of individualization， accuracy， adaptability and universality of education and teaching.

Keywords： Flipped classroom； information technology； education platform； artificial intelligence

一、概述

近年來，随着互联网技术的快速发展和国家对教育信息化的大力支持，信息技术与教育教学的融合日渐深入，其中以翻转课堂（Flipped Classroom 或 Inverted Classroom）的影响最为广泛。翻转课堂充分体现了互联网特有的“开放”“共享”的理念，突破了传统教育观念的束缚，推动了教学理念、教学模式和学习方法的变革，不仅提升了教育教学质量，还促进了教育的公平化。2011年加拿大《环球邮报》将翻转课堂评为影响课堂的重大技术变革。尽管如此，截至到目前学术界对翻转课堂也没有一个统一的定义，比较简单朴素的定义是：将在传统教室中发生的教学活动与教室外发生的活动进行调换。[1]目前，国内越来越多的高校和中小学校都在尝试将翻转课堂的理念应用到日常教学中。在实施过程中，多数采用让学生提前观看录制好的微视频进行自主学习，然后在课堂上老师进行辅导和解疑。这种教学模式改变了人们所诟病的课堂上老师“满堂灌”，课后学生死记硬背的传统教学模式，有效激发了学生学习的积极性和主动性，增强了师生间的交流互动，显著提升了学生的学习效果。[2]

现代信息技术的运用是课堂得以“翻转”根本保证。[3]在翻转课堂实施过程中，应用于教学和学习过程的“技术”，既包括有形的硬件和软件“物化技术”，如以多媒体计算机技术和网络通讯技术为核心的物化技术形态；也包括无形的“智能技术”，如包括学习过程设计和学习环境设计策略、学习活动、技巧和方法等。[4]但不可否认的是我国翻转课堂的发展仍处于摸索阶段，不论是实施理念还是软硬件技术以及教师的自身素质等诸多方面都还面临着不少的问题和挑战。翻转课堂教学模式的有效实施还有各方面共同努力，除了转变教育观念外，高效学习环境的搭建、学习资料的设计和开发、高度专业化的教师都是翻转课堂顺利实施的关键因素，特别是在信息技术的开发和应用方面，应该让教学变得更加高效，减轻从教者的负担，为师生提供更完善的教学体验。

二、现有翻转课堂技术支持体系存在的主要问题

目前，国内翻转课堂教学过程中所使用的技术支持体系主要包括两大类：一类是学校和专业公司合作开发的专用平台，该类平台主要应用在基础教育领域；另一类是借助一些公共平台开发出的应用系统，大部分高校和职业院校教师使用该类平台。[5]虽然支撑翻转课堂发展的技术体系取得了长足的进步，但仍然存在不少妨碍其实施的技术壁垒，主要表现在：

（一）平台建设相对滞后

目前，翻转课堂的运用还缺乏高效的运营平台，各个学校采用的运作方式差别很大。有使用普通视频文件分发的原始方式，有借助优酷等第三方公共视频平台的，也有采用中国大学慕课网等平台的，甚至有借助微信平台的。这些运作方式在一定程度上满足了学生观看微视频的需求，部分也有较完善的交流沟通机制，但这些平台并不能高效地服务于翻转课堂，比如，慕课专业网站虽然是专业性的平台，但由于其定位于面向大众的学习平台，并不适用于课程教学。另外，运用现在平台不仅原始的文件分发费事费力，而且第三方平台又往往信息繁杂，影响学生的注意力。

（二）视频源质量参差不齐

现在翻转课堂使用的微视频源多种多样，有的是授课老师自己录制的，有的是从网上下载的，也有来自其他学校老师分享的。由于大多数老师的计算机专业知识并不足以支持制作高质量的授课视频，视频质量很难得到保证，影响了翻转课堂的效果。

（三）终端硬件设备功能繁杂

在使用翻转课堂时，目前多数学校以传统的PC机为主，也有部分学校借助智能手机或平板电脑。这些设备大多功能比较完善，价格也比较昂贵，除了能运行翻转课堂所需的软件外，还支持游戏、影视等功能，自制力不强的学生容易受到干扰，影响正常的学习过程。

三、翻转课堂技术支持体系的研发与设计

为了保证翻转课堂的有序、高效的推广实施，推动教学模式的改革，需要进一步完善技术支持体系，打造更加高效便捷的软硬件平台。技术支持体系的研发应既要参考国外的运作模式，也要密切联系我国的具体国情，同时还要充分体现翻转课堂的本质要求。不仅在自主学习、练习测验、交流沟通、数据分析、用户安全等方面能够适应翻转课堂的要求，还要在微视频录制、资源分发、效果评价等方面有完善的解決方案。

基于以上认识，本文提出翻转课堂技术支持体系研发与设计的框架与思路。

（一）翻转课堂技术支持体系的总体框架

根据教师在教学过程中的需求，翻转课堂技术支持体系共包括八大子系统：一课一网备课系统、智能组卷系统、答题卡智能生成系统、批量智能批阅系统、教学管控平板电脑系统、智能平板授课系统、微课视频点播系统和在线练习测试系统。

云端采用运行Linux（CentOS）系统的集群式服务器架构，在全国主要机房部署高性能公共服务器的同时也将服务器部署到合作学校，并且各大服务器保持实时同步，协同处理。服务器保存了全部的资源、用户数据，并对庞大的数据进行处理分析。资源展示与应用方面采用最流行的B/S架构，依托HTML5技术实现了用户大量的交互应用，同时还要开发相对应的移动端APP，使得用户能随时随地请求云端资源和云端计算结果。智能阅卷部分是结合扫描仪和阅卷系统完成的，扫描仪是根据批阅需求专门定制的硬件支撑设备，主要是将答题卡扫描成可识别文件并上传到服务器，识别和处理是由云端程序完成的，完美实现一键批阅。同时定制开发一套基于Android操作系统的平板电脑系统，主要解决现有的翻转课堂硬件终端昂贵，功能杂乱容易导致学生注意力不集中等问题，并实现平台的更好整合和展示。系统融合了云计算的理念，分散于全国各地的服务器是整套系统的核心，服务器保有大量的资源和提供复杂的数据运算，通过PC端浏览器和移动端手机APP进行资源和运算结果的展示。

（二）翻转课堂技术支持体系的架构

为了给翻转课堂提供高效便捷的应用平台，云智慧教育平台的技术架构设计如下：

1. 云端建设和硬件设备。服务器的部署方式是公共服务器+合作学校内部服务器的两方面部署，公共服务器保存了所有的云端资源和用户数据，校内服务器同步保存学校需要的资源和校内师生数据。服务器运行Linux系统，提供HTTP、数据库、教育系统、数据同步、数据分析等多种服务。公司与合作厂商研发了专用扫描仪、平板电脑移动终端等硬件设备。数据展示有web网页、手机APP、定制平板等多种方式。这种设计具有以下四方面的优点：

第一，公共服务器能为全国所有用户提供服务；校内服务器将资源同步到校内局域网，部分功能由本地服务器完成，能为学校提供最优的应用体验和数据安全保护，同时减少公共服务器的压力；

第二，服务器运行的是CentOS操作系统。具有安全性高、运行稳定、执行效率高、管理维护方便等优势。

第三，与合作厂商研发的智能硬件设备完美的解决翻转课堂实施中的硬件需求，硬件专门定制，具有用户体验好、效率高、成本低等优势。

第四，基于HTTP协议的B/S软件架构具有无需安装，更新简单，只需要浏览器就能完成所有交互。手机APP能随时随地进行交互。定制平板是专为云教育系统研发的智能终端，能实现所有的交互。

2. 微课视频。微课视频是翻转课堂实施的重要部分，在当前情况下，可以聘请优秀的一线教师，按照省份、年级、学科、章节、知识点等类别，有针对性的录制全系列高质量的学习视频，形成连贯的教学体系。每节微课在5～30分钟，循序渐进地进行知识点的讲解，微课还有配套的练习题，供学生进行自我检测与提高。微课视频支持web网页、手机APP和定制平板等多种终端设备。与此相配套，同时研发一系列的微课视频录制软件和上传、审核、分发系统。以让更多的优秀教师参与到微课视频的录制和分享中，不断扩充云端微课资源。该设计具有以下两个特点：一是微课视频点播系统作为翻转课堂的重要部分，为学生主动学习提供了有效的途径。为学生自主学习，和老师授课提供了大量资源。每一节微课视频都有严格的质量把关，确保学生学习的有效性和准确性；二是多种终端设备的支持为学生学习微课视频提供了更广阔的途径，减少了硬件设备的限制，让更多的学子能有机会体验到优质的教育资源。

3. 练习与测验。翻转课堂综合解决方案中与作业和批改相关的功能是由在线练习测试系统、智能组卷系统、答题卡智能生成系统、批量智能批阅系统共同组成。设计理念是将作业与考试结合起来，实现“作业考试化、考试作业化”，让学生随时随地都能练习，并能得到完善的题目解答、统计分析。

服务器有大量的练习题目、名校名卷，并对每道题都配备了完善的文字解析，部分题目还有名师讲解的视频。在web网页、手机APP和定制平板学生可以随时选择相应的学科、知识点和题目类型进行习题练习，练习提交后能对本次做题情况进行评分，根据近期的测试数据能帮助学生找出薄弱的知识点，为学生进一步学习提高提出意见。

老师可以通过智能组卷系统挑选出合适的题目，组成课前预习测试、作业、考试等多种用途的试卷，通过网络分发给学生，或者生成可打印的文件用以打印试题，系统还能生成配套的答题卡。学生做完题目后通过云平台提交给老师，客观题能自动批改评分，主观题可批改后自动识别得分结果，也可在线进行批改。批改后的成绩能生成详细的报表，针对练习结果进行有效分析，指出班级学生的薄弱地方，为老师的下一步教学工作提供参考信息。

智能批阅系统是针对大规模纸质试卷批阅研发的软硬件结合的系统，由云端的识别系统、批阅系统、统计系统和智能扫描仪组成。试卷可以是合作出版商印刷好的发行版，也可以是通过系统在线生成的打印版，试卷支持题卡合一、题卡分离等多种样式，A4、A3、16K、32K等多种规格，每张试题和答题卡都印有二维码。填涂好的试题经过扫描仪生成可识别格式的文件上传到云服务器，在服务器端进行答题卡的识别分析和统计计算，并将详细结果通过web网页和手机APP反馈给用户。该设计的优点主要体现在三个方面：

第一，作业与批改围绕学生和老师形成了一套功能完备的软、硬件作业解决方案。学生可以随时随地通过网络进行练习测试，巩固所学的知识点和学习新的知识。老师通过云系统简化了作业的布置、分发、批改和统计的过程，在课前预习、作业练习、考试检测等方面都能有效提高师生的效率。

第二，针对纸质试卷的智能批阅系统彻底改变了传统的批阅模式，每张试卷都印有二维码，真正做到无需配置、识别率高、支持混合扫描，依托强大的云技術，批阅速度达到了两分钟批阅九个班级。批阅系统既能批阅客观题也能批阅主观题。除了支持网上生成答题卡外还可以与出版商合作预先印刷成册的学习参考书。扫描仪的作用是生成可识别数据并上传到云端服务器，对扫描仪的要求非常小，而且不需要安装各种驱动及软件，降低了成本，增加了效率，使得扫描仪对于任何学校或者个人都能承担得起。

第三，云端平台有着强大的数据存储和分析能力。老师、学生的每一次练习情况、作业情况、扫描结果都在云端保存。通过对庞大数据的分析和整合，能准确地分析出学生学习的薄弱环节、班级的整体情况、在班级和学校的排名情况等多种数据，为学生的学习和老师的教研提供更多的参考依据。

4. 交流和沟通。促进师生及时有效的沟通和交流是翻转课堂的关键。借助翻转课堂综合解决方案中的“名师答疑”系统，学生可以将自主学习和平时学业中遇到的疑惑在平台上进行提问，对于学生提出的问题老师会给予细心的解答。当然，学生提出的问题不仅仅是学习方面的，生活、心理等各个方面的疑惑都能在这个栏目中得到解答。系统优化了排序算法，确保每一个学生提出的每一个问题都能得到及时有效的解答。该项设计的特点是：一、“名师答疑”系统对于学生线上的交流和沟通具有重要作用，为许多学子解决了大量的疑惑；二、每天都有大量的问题提出并被解答，任何学生都可以查看解答的过程和结果，老师和学生都有较高的积极性。

5. 备课和授课。一课一网备课系统是为学校教师的备课和授课研发的一套整体解决方案。云端系统针对每一节课、每一个知识点都提供了大量的备课素材和精心设计的备课模板。老师通过线上完成课堂备课，并把教案实时保存在云端服务器。上课时，老师打开授课网站便能实现在线授课，并与学生进行交流互动。

该项设计的优点是：一、一课一网，在线备课，在线授课，所有数据都实时保存在云端服务器，只要接入服务器随时都能授课；二、依托强大的云端资源，能展示更多优秀的教学视频、音频、图形，系统还能与学生进行交流互动（在学生使用授课平板时能进行课上实时演练、趣味抢答等），增加教学趣味，更能吸引学生的学习兴趣。

6. 智能终端设备。当前，翻转课堂难以广泛推广的原因之一就是受设备限制。发达国家的翻转课堂多依托PC终端和一些开放智能设备，但这些设备一般都是价格昂贵并且功能繁杂，在应用上也会受到限制。价格昂贵，体积较大的PC设备在学校和个人家庭难以作为翻转课堂的终端而有效推广开来，新兴的智能手机等设备虽然携带方便但一般售价较高。并且PC、智能手机等功能繁杂，这些设备上的游戏、影视等对学生可能更有吸引力，很容易让自制力不强的中小学生受到分心。

翻转课堂综合解决方案中，我们计划打造专门的个人移动终端——教学管控平板电脑。平板电脑由专用硬件（由合作厂商提供）和定制系统（教学管控平板电脑系统）组成。系统由当前流行的开源操作系统--Android系统定制开发而来，对系统进行底层的定制和管控，去除一些不必要的与教学无关的模块（例如包安装模块，用于apk安装包的解析和安装），避免学生用设备玩游戏观看无关影视，并开发一系列配套的教育实用软件。为学生提供一个功能强大的翻转课堂专用个人学习终端。

平板电脑整合翻转课堂相关系统的各个模块，为学生学习微课视频、在线习题练习、解惑交流、上课授课、作业考试、个人学习分析等提供最有效的帮助。

该项设计具有以下特点：

第一，自主定制的系统，整合在线教育的各个方面，优秀的用户体验。软件和硬件都是专门定制，因此具有较高的系统整合度，能够获得较好的用户体现，平板电脑从系统层去除了游戏、无关影音等功能实现的可能性，有助于学生专注于学习。在移动互联网高度发展的今天，ARM架构的移动设备在价格和性能方面都有较好的表现，平板电脑在保持高质量的同时能做到较低的价格，使得绝大多数学生都能用得起。

第二，ARM架构的平板电脑功耗较低，续航时间长，体积较小，方便学生随身携带，随处学习。

第三，平板电脑的研发将使得翻转课堂个人终端得以广泛应用，为翻转课堂的实施提供了硬件保障，是广泛推行翻转课堂的重要一步。

四、翻转课堂技术支持体系的发展趋势

当前信息技术的发展进入了新的发展阶段，大数据、移动互联网、超级计算、传感网、脑科学等新理论新技术日新月异。尤其是人工智能加速发展，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征，推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。[6]人工智能浪潮的兴起也为翻转课堂提供了新的操作平台，重塑翻转课堂的新形态，进一步促进教育教学的个性化、精准性、自适应性和普适性发展，推动翻转课堂从“教学流程的颠倒”转向“技术支持的教学系统结构性变革”。[7]这种变革将至少体现在以下几个方面：一是智能化。支持翻转课堂的技术平台将越来越具有智能化，在线学习环境将与生活场景无缝融合，人机交互更加便捷智能，智慧教学将给学习者带来新的学习体验；二是个性化。基于学习者的个人信息、认知特征、学习记录、位置信息、媒体社交信息等数据库，翻转课堂可以借助人工智能程序构建学习者模型，针对学习者的个性化需求，实现个性化资源、学习路径、学习服务的人个推送；三是融合化。翻转课堂和MOOC、微课的融合化趋势将日趋明显，微课是连接MOOC和翻转课堂的桥梁，而MOOC 既可以作为翻转课堂教学的资源平台，又可以成为翻转课堂网络学习协作平台，翻转课堂又深化了微课和MOOC作为教学资源的属性，使其在教学中得到充分利用，发挥更高的价值。三者的融合也是信息化环境下教育教学创新的一种重要形式。

参考文献：

[1]张萍，DING Lin，张文硕.翻转课堂的理念、演变与有效性研究[J].教学学报，2017，02.

[2]赵兴龙.翻转课堂的先进性與局限性[J].中国教育学刊，2013，04.

[3]卜彩丽，孔素真.现状与反思：国内翻转课堂研究评述[J].中国远程教育，2016，02.

[4]刘邦奇.翻转课堂的技术特征及发展趋势[J].中国教育信息化，2015，09.

[5]杜俊俐，李晓楠.基于现有信息化资源的操作系统课程反转课堂实践[J].大学教育，2016，02.

[6]曾贞.反转教学的特征、实践及问题[J].中国电化教育，2012，07.

[7]周丽娜，李全龙，刘旭东.基于MOOC等网络开放资源的数据库系统课程混合式教学模式研究[J].计算机教育，2017，07.