摘要：隨著課堂教學(xué)從固化單一的教師傳授，向強(qiáng)調(diào)小組協(xié)作參與的教學(xué)轉(zhuǎn)變，如何面向以協(xié)作學(xué)習(xí)為基本特征的課堂實(shí)施形成性評(píng)價(jià)已成為教學(xué)評(píng)價(jià)改革亟需解決的問(wèn)題。在智能技術(shù)支持下，形式化建?？梢詫?fù)雜多變的課堂教學(xué)過(guò)程解構(gòu)，形成數(shù)理模型;智能計(jì)算可以通過(guò)算法評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，并根據(jù)教學(xué)原則生成教學(xué)輔助信息。

　　二者的結(jié)合可以促進(jìn)人類(lèi)智能與機(jī)器智能的有效融合，形成人機(jī)協(xié)同的課堂評(píng)價(jià)機(jī)制。面向課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的形式化建模與智能計(jì)算通用架構(gòu)，自下而上包含教與學(xué)行為的感知和存儲(chǔ)、教與學(xué)行為評(píng)估模型的構(gòu)建、教與學(xué)狀態(tài)的智能計(jì)算和教學(xué)輔助信息的生成四個(gè)部分。前兩部分著重對(duì)教育情境和問(wèn)題的表征，是形式化建模的關(guān)鍵步驟;后兩部分著重具體技術(shù)路線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)，是智能計(jì)算的具體過(guò)程和功能體現(xiàn)。

　　整個(gè)系統(tǒng)以教與學(xué)行為的感知和存儲(chǔ)為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建評(píng)估模型，確定模型的輸出;然后引入智能算法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，達(dá)成對(duì)教與學(xué)狀態(tài)的評(píng)估;最后根據(jù)相應(yīng)教學(xué)原則，自動(dòng)生成輔助教師進(jìn)行課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的信息。該通用架構(gòu)以及人機(jī)協(xié)同教學(xué)、評(píng)價(jià)機(jī)制的進(jìn)一步完善需要研究者攜手教師進(jìn)行“共同設(shè)計(jì)”，協(xié)同教育學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科進(jìn)行交叉研究。

　　關(guān)鍵詞：課堂教學(xué);智能教育;智能計(jì)算;形式化建模;形成性評(píng)價(jià)

　　作者：張立山

　　一、問(wèn)題的提出

　　教育評(píng)價(jià)是教育發(fā)展的指揮棒，事關(guān)教育發(fā)展的方向。2020年10月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》，提出要克服“唯分?jǐn)?shù)”等頑瘴痼疾，“改進(jìn)結(jié)果評(píng)價(jià)，強(qiáng)化過(guò)程評(píng)價(jià)”(新華網(wǎng)，2020)。課堂教學(xué)評(píng)價(jià)是教育評(píng)價(jià)體系的重要一環(huán)，實(shí)施什么樣的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)體現(xiàn)了我們提倡什么樣的課堂。目前課堂教學(xué)評(píng)價(jià)主要有總結(jié)性評(píng)價(jià)和形成性評(píng)價(jià)兩種方式?？偨Y(jié)性評(píng)價(jià)旨在判斷課程結(jié)束時(shí)學(xué)生已達(dá)到的成就，形成性評(píng)價(jià)意在對(duì)教與學(xué)的每個(gè)階段提供反饋和糾正(Bloom，1969)。后者由于注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程證據(jù)的收集與分析，可以使學(xué)生個(gè)體得到更多的關(guān)注與更精細(xì)化的幫助與支持，因而成為課堂教學(xué)評(píng)價(jià)改革的焦點(diǎn)。本文的“課堂教學(xué)評(píng)價(jià)”也主要聚焦于課堂中的形成性評(píng)價(jià)。

　　傳統(tǒng)的課堂形成性評(píng)價(jià)在實(shí)施過(guò)程中，面臨諸多困難。一方面，傳統(tǒng)的形成性評(píng)價(jià)技術(shù)和策略對(duì)教師提出了很高的要求，需要其具備證據(jù)思維，并在教學(xué)的同時(shí)觀察和記錄學(xué)生的過(guò)程表現(xiàn)(趙士果，2013)。這增加了實(shí)施形成性評(píng)價(jià)的難度。另一方面，課堂觀察記錄、活動(dòng)記錄、檔案袋等傳統(tǒng)形成性評(píng)價(jià)技術(shù)采用紙質(zhì)材料，填寫(xiě)、收發(fā)和整理等過(guò)程十分耗時(shí)，且對(duì)學(xué)習(xí)制品等評(píng)價(jià)材料的貯存也較為困難。近些年，盡管部分課堂教學(xué)系統(tǒng)或?qū)W習(xí)管理系統(tǒng)創(chuàng)造了電子形式記錄過(guò)程數(shù)據(jù)的條件(宋飛，2008)，但仍未從根本上解決形成性評(píng)價(jià)的推行難處。因?yàn)檫@些評(píng)價(jià)技術(shù)只關(guān)注了評(píng)價(jià)的收集數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，未能系統(tǒng)解決教師實(shí)施形成性評(píng)價(jià)的問(wèn)題。

　　隨著信息技術(shù)深入課堂，翻轉(zhuǎn)課堂、問(wèn)題解決學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等以學(xué)生為中心、以培養(yǎng)學(xué)生高階能力(如協(xié)作探究能力、創(chuàng)新能力等)為主要目標(biāo)的新型教學(xué)模式紛紛涌現(xiàn)。這些課堂的學(xué)習(xí)任務(wù)和活動(dòng)往往比較復(fù)雜、難度較高，所以分組協(xié)作解決問(wèn)題、共同創(chuàng)造學(xué)習(xí)制品是常見(jiàn)的方式。同時(shí)，這種復(fù)雜教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展需要教師能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。這些都對(duì)課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的智能化提出了較高要求。如何面向以協(xié)作學(xué)習(xí)為基本特征的課堂實(shí)施形成性評(píng)價(jià)已成為課堂教學(xué)評(píng)價(jià)改革迫切需要解決的問(wèn)題。

　　一些研究人員提出用形式化建模與智能計(jì)算來(lái)更系統(tǒng)地幫助和支持教師，以形成人機(jī)協(xié)同的課堂評(píng)價(jià)機(jī)制。形式化建模方法起源于軟件工程，旨在對(duì)軟件開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行梳理基礎(chǔ)上的建模表征，實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證等的標(biāo)準(zhǔn)化(王戟等， 2019)。對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行形式化建模需要依據(jù)軟硬件設(shè)備采集數(shù)據(jù)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)據(jù)集，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際課堂需求，明確模型的輸入和輸出狀態(tài)。智能計(jì)算是引入機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法對(duì)建模后的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到以數(shù)學(xué)表征的輸出狀態(tài)，并籍此分析學(xué)習(xí)者潛在學(xué)習(xí)特征和規(guī)律的過(guò)程。在課堂教學(xué)評(píng)價(jià)中，形式化建模就是對(duì)課堂教與學(xué)的行為進(jìn)行符號(hào)表征，形成數(shù)理模型;智能計(jì)算則是對(duì)所表征的教與學(xué)行為進(jìn)行分析計(jì)算，輔助教師進(jìn)行課堂教學(xué)評(píng)價(jià)。二者的聯(lián)動(dòng)既可以在課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的證據(jù)收集和解釋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，又可以在實(shí)施教學(xué)行為環(huán)節(jié)給予教師支持，因而成為了課堂教學(xué)評(píng)價(jià)改革的重要方向。

　　二、典型課堂教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)與架構(gòu)

　　在智能技術(shù)的支持下，課堂管理系統(tǒng)發(fā)展迅速。考慮到提供課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的課堂管理系統(tǒng)必須具備實(shí)時(shí)分析、評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)過(guò)程，為教師提供反饋信息等基本功能，我們通過(guò)調(diào)研總結(jié)了國(guó)內(nèi)外6種典型智能教學(xué)或管理系統(tǒng)(見(jiàn)表1)。其中，Lynnette是一個(gè)專(zhuān)門(mén)教授學(xué)生求解線(xiàn)性方程的智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)(Long et al.，2013)，Lumilo是一款能可視化呈現(xiàn)信息并進(jìn)行一定虛擬交互的智能眼鏡(Holstein et al.， 2019)，二者通過(guò)一定機(jī)制可以幫助教師實(shí)時(shí)感知學(xué)生的信息;FACT系統(tǒng)是可以支持學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)問(wèn)題協(xié)作解決，同時(shí)增強(qiáng)教師感知和控制能力的智能課堂管理系統(tǒng)(VanLehn et al.，2019);雨課堂通過(guò)采集學(xué)生課前、課中和課后學(xué)習(xí)信息，輔助教師教學(xué)(王帥國(guó)，2017);Spinoza通過(guò)分析學(xué)生編程過(guò)程中的實(shí)時(shí)代碼和操作行為，給予學(xué)生和教師指導(dǎo)與幫助(Deeb et al.，2018);SAIL Smart Space(Tissenbaum et al.，2019)和MTClassroom(Martinez-Maldonado et al.，2014)都是智慧教室，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生在觸摸式桌面學(xué)習(xí)，內(nèi)置的軟件對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并發(fā)送給教師，教師使用平板電腦的儀表盤(pán)程序?qū)崟r(shí)查看學(xué)生狀態(tài)和控制活動(dòng)流程。

　　研究對(duì)上述6種典型智能系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)、輸出狀態(tài)、支撐設(shè)備和計(jì)算路徑進(jìn)行了梳理和比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些系統(tǒng)基本都以學(xué)生的操作行為、答題記錄為輸入數(shù)據(jù)，并通過(guò)一定的計(jì)算方式，為教師提供學(xué)生在認(rèn)知、學(xué)習(xí)狀態(tài)和與他人協(xié)作方面的信息與指導(dǎo)。在計(jì)算路徑上，這些系統(tǒng)都遵循了形式化建模與智能計(jì)算的思想，且不單關(guān)注了學(xué)生在課堂上的個(gè)人學(xué)習(xí)行為和小組協(xié)作學(xué)習(xí)行為，還為個(gè)人、小組和班級(jí)三個(gè)層級(jí)活動(dòng)的轉(zhuǎn)換提供了支持。

　　在實(shí)際課堂中，學(xué)生可能在個(gè)體學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)之間相互切換，因此面向課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的智能系統(tǒng)需要同時(shí)關(guān)注這兩種學(xué)習(xí)的過(guò)程。面向一對(duì)一個(gè)性化教學(xué)的智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)通用架構(gòu)規(guī)定其通常需要實(shí)現(xiàn)四個(gè)方面的主要功能 (VanLehn，2016)，如圖1所示：第一階段，表現(xiàn)(Performance)，監(jiān)測(cè)學(xué)生的知識(shí)表現(xiàn);第二階段，反映(Mirror)，將學(xué)生的實(shí)際表現(xiàn)反饋給學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生反思;第三階段，評(píng)估(Assessment)，對(duì)學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行測(cè)評(píng);最后，干預(yù)(Intervention)，根據(jù)測(cè)評(píng)結(jié)果，給予學(xué)生教學(xué)干預(yù)。協(xié)作學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)同樣需要實(shí)現(xiàn)四個(gè)方面的功能(Soller et al.，2005)，如圖2所示：第一階段，收集和聚合學(xué)生交互數(shù)據(jù);第二階段，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)學(xué)生交互的可視化，以確定學(xué)生當(dāng)前交互狀態(tài);第三階段，計(jì)算學(xué)生實(shí)際交互與期望交互的異同;第四階段，生成教學(xué)干預(yù)，提供建議和指導(dǎo)。從形式化建模與智能計(jì)算的內(nèi)涵看，智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)和協(xié)作學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)通用架構(gòu)的前兩個(gè)階段屬于形式化建模范疇，后兩個(gè)階段屬于智能計(jì)算范疇?？梢?jiàn)，支持這兩類(lèi)學(xué)習(xí)行為的系統(tǒng)的通用架構(gòu)是互通的，我們可以這兩種通用架構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)建面向課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的智能系統(tǒng)通用架構(gòu)。

　　三、面向課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的形式化建模與智能 計(jì)算設(shè)計(jì)

　　架構(gòu)，是一類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)的底層標(biāo)準(zhǔn)，是有關(guān)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與組件的抽象描述，對(duì)具體系統(tǒng)的模塊實(shí)現(xiàn)具有指導(dǎo)意義。針對(duì)課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的復(fù)雜性，我們?cè)谡{(diào)研和分析典型系統(tǒng)基礎(chǔ)上，參考了智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)和協(xié)作學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，最終形成了面向課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的形式化建模與智能計(jì)算通用架構(gòu)，如圖3所示。該架構(gòu)自下而上包含四個(gè)部分：教與學(xué)行為的感知和存儲(chǔ)、教與學(xué)行為評(píng)估模型的構(gòu)建、教與學(xué)狀態(tài)評(píng)估的智能計(jì)算以及教學(xué)輔助信息的生成。前兩部分聚焦對(duì)教育情境和問(wèn)題的表征，是形式化建模的關(guān)鍵步驟;后兩部分側(cè)重具體技術(shù)路線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)，是智能計(jì)算的具體過(guò)程和功能體現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)以教與學(xué)行為的感知和存儲(chǔ)為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建評(píng)估模型，確定模型的輸出，即狀態(tài);然后通過(guò)引入智能算法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，達(dá)成對(duì)教與學(xué)狀態(tài)的評(píng)估;最后根據(jù)相應(yīng)教學(xué)原則，自動(dòng)生成輔助教師進(jìn)行課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的信息。

　　1.教與學(xué)行為的感知和存儲(chǔ)

　　形式化建模質(zhì)量取決于高質(zhì)量數(shù)據(jù)集的獲取，因此如何在課堂中對(duì)教師和學(xué)生的行為進(jìn)行感知并以數(shù)據(jù)集方式進(jìn)行存儲(chǔ)，是事關(guān)形式化建模效果的關(guān)鍵問(wèn)題。課堂智能設(shè)備的日漸豐富創(chuàng)造了泛在式學(xué)習(xí)分析的條件，對(duì)網(wǎng)絡(luò)和物理兩個(gè)空間的教與學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集可以更全面反映課堂實(shí)際。

　　在網(wǎng)絡(luò)空間中，課堂軟件系統(tǒng)可以對(duì)教師和學(xué)生的課堂行為(如答題、記筆記、文字輸入等)進(jìn)行捕捉，并通過(guò)一定的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲(chǔ)。目前主要的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有SCORM和xAPI兩種。SCORM(Shareable Content Object Reference Model)是數(shù)字化學(xué)習(xí)互操作性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范著在線(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)之間的通信方式(李青等，2013)。任何SCORM內(nèi)容都可以在符合SCORM標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)顯示。此標(biāo)準(zhǔn)可以記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)效果(是否通過(guò)測(cè)試)等。但是因?yàn)閷W(xué)生在學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)時(shí)間相對(duì)有限，SCORM并不能體現(xiàn)學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)的全貌。另一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)xAPI(Experience API)則有效彌補(bǔ)了SCORM的不足，它不僅可以記錄學(xué)生在學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)情況，還可以記錄學(xué)生在移動(dòng)學(xué)習(xí)、游戲化學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、混合學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)模式中的數(shù)據(jù)，使得記錄學(xué)生多種學(xué)習(xí)經(jīng)歷成為可能(李青等，2013;唐燁偉等，2015)。xAPI在語(yǔ)法上采用三元組的形式(<行為人，動(dòng)作，結(jié)果>)記錄教學(xué)活動(dòng)中每一個(gè)參與者的所有行為動(dòng)作，可以為后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析提供支持。

　　在物理空間中，可以利用眼動(dòng)追蹤、腦機(jī)接口、皮電、心電傳感器等設(shè)備伴隨式采集師生的生理和行為數(shù)據(jù)。如眼動(dòng)追蹤技術(shù)可以通過(guò)采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)，反映認(rèn)知狀態(tài)。這種技術(shù)的典型設(shè)備是眼動(dòng)儀，分為頭戴式和非頭戴式兩種。非頭戴式不與分析對(duì)象直接接觸，通過(guò)固定攝像機(jī)捕捉眼部運(yùn)動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)，所以分析對(duì)象的活動(dòng)被限制，適合在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景應(yīng)用(Lund，2016)。在課堂場(chǎng)景下，師生更適合佩戴頭戴式眼動(dòng)儀(類(lèi)似于眼鏡，如圖4)，可以實(shí)時(shí)采集眼球運(yùn)動(dòng)和瞳孔反應(yīng)等數(shù)據(jù)，后續(xù)通過(guò)智能計(jì)算可以反映師生的認(rèn)知負(fù)荷等情況(Prieto et al.，2017)。

　　腦電接口技術(shù)主要關(guān)注腦部活動(dòng)，采集神經(jīng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。與眼動(dòng)追蹤技術(shù)類(lèi)似，目前腦機(jī)接口技術(shù)呈現(xiàn)出兩種類(lèi)似發(fā)展方向：一種是依賴(lài)固定裝置的測(cè)量技術(shù)，典型代表是功能性核磁共振(Ferrari et al.，2012)。這種技術(shù)可以深層次地反映腦部活動(dòng)狀況，但缺點(diǎn)是不能在實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用。另一種是便攜式腦電設(shè)備(Ramadan et al.，2017)，可以采集腦部淺層活動(dòng)的信號(hào)，根據(jù)特定的頻率提取特定的腦電波，比如Alpha、Beta和Gamma波等。這些原始數(shù)據(jù)可以通過(guò)后續(xù)的計(jì)算分析，反映學(xué)生的注意力、情緒情感和認(rèn)知負(fù)荷等情況?？纱┐鱾鞲衅饕部梢耘宕髟谑滞筇帲Ｓ玫挠衅つw電活動(dòng)傳感器和心電傳感器，分別采集皮膚電和心電數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與學(xué)生的學(xué)習(xí)有一定相關(guān)性，可以通過(guò)分析計(jì)算相應(yīng)情緒狀態(tài)(Fortenbacher et al.，2017)。

　　這種傳感器一般類(lèi)似于手環(huán)，學(xué)生可以佩戴在手上，不影響正常課堂活動(dòng)。除可穿戴設(shè)備之外，固定設(shè)備如攝像機(jī)、壓力傳感器等也可以作為收集學(xué)生面部表情和身體姿態(tài)信息的工具，用于實(shí)時(shí)分析學(xué)生的情緒狀態(tài)(VanLehn et al.，2016)。這些設(shè)備的優(yōu)勢(shì)是可以在不干擾教師和學(xué)生的情況下進(jìn)行信息的采集。

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