学习云平台服务课堂交互关键技术探究

摘 要：课堂交互技术是构建学习云平台服务的一项重要研究内容。提升交互体验对提高课堂中教师、学生和资源相互之间互动的效率，激发学生主动学习欲望等方面有着重要的推动作用。智能终端的普及使其成为智能课堂环境的重要组成部分，同时也为改善交互体验提供了更多的方案选择。本文探讨了学习云平台服务课堂交互的关键技术的内涵，从多模态互动的概念、课堂互动教学需求模型、课堂互动技术应用模式三方面，研究了多种交互手段的融合策略，实现了从资源平台到课堂教学新的交互模式的建构。

关键词：学习云平台；课堂交互；多模态互动

中图分类号：G42 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）11-0006-05

一、引言

“课堂互动”是教育技术研究中重要的选题之一。课堂互动研究意味着从“课堂控制论”走向“课堂互动论”，实现调动一切积极因素，改变教师一言堂的状态，打造崭新的以“自主、合作、探究”为文化特色的课堂。[1]深入了解课堂互动的影响因素，有助于教师创设平等的互动环境、提高课堂互动质量、促进学生的全面发展。[2]传统教学模式下的课堂互动以师生互动为主， 包括一连串的启动应答反馈的回合，即教师讲学生听、教师问学生答，然后教师对学生的应答进行反馈，这种交替的回合导致了互动的单一性，并且学生之间的互动也较少；活动教学模式则兼顾师生互动和生生互动， 互动方式有师生之间的对话、指导以及学生之间的讨论、探究等，这也成为了课堂互动的主流模式。[1][2]

近年来，信息技术与教育技术的深度融合大大促进了学习云平台的推广，云服务支持下的学习云空间已具备了辅助教学的成熟条件。[3-5]例如，华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心已研发并在全国各地部署了大批应用学习云服务的“未来教室”。

随着智能终端产品的进一步发展以及互联网的全面升级，课堂教学中的课堂交互环节翻开了新的篇章，同时也带来了新的挑战。首先，学生逐渐成为课堂教学中的主体，课堂交互需要尽可能照顾到每一个学生，从而增强学生的课堂参与度和主动学习兴趣，但是通用的教学模式由于交互的形态与范围等都具有一定限制而无法保证新的课堂环境下每一个学生的充分参与。其次，课堂交互的主体也由原先的师生互动、生生互动延伸为教师、学生与电子书资源三者相互间的互动。因此，有必要研究学习云平台服务环境下对传统课堂交互模式的改进以及智能终端参与下的课堂交互环节的重构，从而实现教师与学生、教师与教师、学生与学生以及和学习资源之间的智能互动，提高课堂教学的智能性，增加学习的直观性，激发学生学习兴趣，提高教师工作效率。

二、多模态互动的概念

课堂互动是课堂教学中最基本、最主要的人际互动，是课堂教学情境中， 教师和学生之间、学生和学生之间发生的具有促进性或抑制性的相互作用、相互影响， 进而达到师生心理或行为的改变。[2]其核心内容是研究从单纯知识点的目标设定走向三维目标链的设定，从单纯预设式的教学设计走向动态生成式的教学设计，从单向传输走向集w思维学习――集体思维的组织与学习集体的形成。[1]通常，能够获得良好反馈的课堂互动不会是仅由单一模式构成的。从组成上来看，基于学习云平台服务的课堂交互主要由教师、学生和资源三个方面组成，它们两两之间均存在着互动的可能性。同时，课堂互动应渗透到学生进行认知活动的主要阶段当中。因此，在进行学习云平台服务课堂交互关键技术研究时，着眼点应放在针对互动学习各阶段中，由人与资源共同构成的多模态互动的研究。

1.四段式互动学习阶段

现代教育学之父赫尔巴特曾经提出经典的四段教学法，即将教学过程分为明了（Clearness）、联想（Association）、系统（System）、方法（Method）四个阶段。这四个阶段基本涵盖了课堂教学的全过程，当互动技术融合到这个过程中时，将以意识（Awareness）、关联（Connection）、应用（Application）和总结（Harvesting）四个互动学习阶段重构互动教学模式。

在意识阶段时，学生面对“新问题”充满着未知，对他们而言，良好的第一印象显然十分重要。这一阶段并不需要大量的知识灌输，因此在接触新事物的过程中，强化初始体验，增强交互手段，能够触发学生的学习兴趣，有效促进教学活动的后续展开。借助合理的交互技术，可以使学生与资源交互的过程更加便捷，同时充分发动学生主动学习的兴趣。

在拥有了一个良好的起步之后，学生需要正式进入到关联学习的阶段。关联是认知活动中极其重要的一环，它将新生事物与我们固有印象中的事物进行类比，从中寻找共同点进而加深理解并形成新的印象。例如在数学教学中，通常将相似的题目归类为某一题型，通过对题型的训练让学生即使遇到新的题目也能够对号入座。在教学过程中，建立联系的过程不但强调师生互动，也要强调资源互动。

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。 ”当联系被确立，学生已经拥有了关于新知识的印象，但这种印象是不够深入的，所以在第三阶段，需要通过应用来加深印象，达到更深层次的认知。通过不同的交互方式、多角度的交互运用、提高学生的主动参与度进而加深对知识的系统性理解是这一阶段课堂互动的主要目的。

总结阶段是课堂教学成果的反馈环节，通过一系列认知过程后学生对知识的掌握程度需要进行一定的衡量。在这一过程中，课堂交互主要体现在随堂测试等教学活动中教师与学生、学生与学生之间的互动。学生通过及时的反馈处理前三个阶段存留的不足，进一步巩固对知识的掌握程度，同时培养思考能力。

通过将智能交互技术融入到互动学习的四个阶段当中，能够促进教师、学生、资源三者的良好互动，有效地思维并形成学习集体。此外，更加丰富的多媒体交互手段也可以增强学生主动学习的乐趣，提升教学效率。

2.智能交互技术

（1） 多媒体互动

在计算机系统中，多媒体指多种媒介组成的一种人机交互式信息交流和传播媒体。多媒体互动通过有机整合文字、图片、动画、音频等资源内容，实现了更为丰富的知识呈现方式，生动形象的展示带来多重感官体验，能够更快地让学生接触和学习新的知识。多媒体互动贯穿了课堂教学的整个过程。

（2）人技互动智能

交互技术近年来的发展有目共睹，从语音交互技术到虚拟现实技术，技术的快速发展也为课堂交互带来了新的思路。传统的互动模式下，师生互动以教师为主导、学生为参与者进行教学活动，在智能交互技术的帮助下，学生也能以互动活动的主导身份参与到课堂交互当中。

智能交互协助下的课堂互动与以往不同之处在于，学生主动参与度更高，他们对新技术提供的体验感到好奇，也能提升主动学习欲望。另一方面，借助智能交互技术也可以为教师分担教学压力，达到更好的教学效果。

（3）自然互动

尽管智能终端的加入让课堂互动变得更加丰富多彩，但是我们仍旧不能忽略传统师生之间语音等自然互动的重要性。作为课堂教学的引导者，教师在课堂交互中起到了重要的引领作用。

在多种交互模式组成的多模态互动中，自然互动依旧是课堂互动中的重要组成部分。只有在教师引领下自主构建、师生真实自然互动、以动态生成的方式推进的教学活动才是精彩的课堂。[6]

三、课堂互动教学需求模型

为了更好地重构课堂互动教学模式，我们首先需要建立课堂互动教学需求模型。任何教学活动都是服务于教学目标的，所以在建立模型时，必然要围绕教学目标进行设计。在充分考虑将多模态互动代入到课堂互动当中后，最终形成以教学目标为中心，沉浸式教学过程、互动智能教学环境以及互动学习管理三位一体式的课堂互动教学需求模型。（见图1）

1.明确课堂互动中的角色

过去，常见的课堂互动模式都以教师为绝对主导地位、学生作为从属地位的参与者进行课堂互动，这种固定的角色分配在一定程度上制约了课堂交互活动的效率。为了适应多模态互动的需求，传统课堂教师为主导、学生为参与者的角色划分需要做出转变。

在传统教学模式上，语言学家认为，教师在语言互动中大多数时间处于强势地位。[7]而在多模态互动的需求下，教师需要从主观意识上将自己在课堂互动中的角色定位由传统的绝对主导者转变为引导者和辅导者。

在多模态互动需求下，学生应当成为教学互动当中的主体，掌握互动的主动权。无论是什么形式的课堂互动，学生都需要积极主动地参与其中并充分利用互动的机会锻炼能力。

教学资源则起到辅助互动的作用，在互动活动中充当重要工具，在交互过程中与师生进行互动，提供必要的教学辅助。

2.沉浸式教学过程设计需求

沉浸式教学常见于语言学课堂，充分发挥课堂参与者的角色演绎模式，通过良好的互动体验获得有效率的教学。其在加拿大经过 40 多年的实践已经取得了非常好的教学效果，是加拿大双语教学中极具特色的教育手段。[8]从语言教学的基础上扩展开，在以教学目标为中心的课堂互动需求模型中，沉浸式教学过程需要在基于教学目标的同时，注意与互动智能教学环境及互动学习管理之间的联系。

沉浸式教学过程是基于教学目标的任务驱动产物，借有针对性的任务设计，建立沉浸式教学的角色演绎模式与方法。在任务驱动下，师生能将足够的注意力集中于关注点从而进行课堂互动活动。

另一方面，在沉浸式教学过程中以资源共享为基础，在其上突出过程管理，从而形成符合互动智能教学环境的资源形态。最终将沉浸式教学过程与互动智能教学环境及互动学习管理有机结合起来。

3.互动智能教学环境需求

教学环境的组成元素是多元化的，它直接影响课堂教学活动的质量，随着智能设备的引入，教学环境逐步向智能化发展。良好的互动智能教学环境能够提供充分的教学反馈、强有力支撑的互动工具，强化互动体验，达到更好的教学效果。

构造互动智能教学环境，需要遵循教学目标中组织出的教学序列，同时进行分析评价，与沉浸式教学过程共享资源，并向互动学习管理提供数据探测和采集机制。

4.互动学习管理需求

针对教学活动的反馈以及教学过程的控制，需要引入互动学习管理。以教学目标为出发点，互动学习管理可以建立起分级控制机制，从而形成明确的课堂互动过程。

在进行教学活动时，互动学习管理不但对沉浸式教学过程起着控制作用，同时需要从互动智能教学环境中获取教学活动产生的数据，对应分级控制机制提供逐层反馈，从总体上实现学习资源服务过程的评价及优化。

四、课堂互动技术应用模式

通过课堂互动教学需求模型的建立，我们明确了课堂交互活动的各项模块，据此可以进行课堂互动技术应用的研究。之前的讨论已经表明课堂交互在一次教学活动中的多个阶段都有着较高的需求，因此研究课堂互动技术应用模式应紧贴四段式互动学习阶段。根据每个阶段不同的特性，所利用到的互动技术的类型也需要相应调整。

在意识阶段，避免大量知识性内容的引入，采用化繁榧虻慕换ナ侄稳缬镆艚换ゼ际酰更能够吸引学生加入到交互活动中。同时，为了加强学生后续主动学习兴趣，利用增强现实技术（Augmented Reality Technique）可以更好地提升交互体验。

关联阶段强调对比，这一阶段师生互动频繁，与资源之间存在以展示为主的交互手段。借助云平台强大的资源提供能力，通过展台进行交互，将关联阶段的新旧对比精细化。

在运用阶段，学生需要对所接收的知识进行系统性、深层次的进一步学习，如白板交互等多角度交互方式更为合适。总结阶段则以师生、生生互动为基调，通过答题卡交互等手段进行辅助。

1.课堂多媒体资源交互模式

课堂多媒体资源交互技术主要用于智能课堂交互环境的搭建，主要模块包含资源调度、白板交互、实物展台、Clicker交互以及答题卡交互。

资源调度模块借助云平台强大的资源仓储能力，结合本地化教学资源形成在线、离线相辅相成的资源调用平台。丰富的资源为教学活动提供了有力的支撑，为后续的课堂互动做了充足准备。

通过实物展台进行资源材料的展示，从直观的观感来获得新旧事物的对比，从而完成关联阶段的任务。

电子白板交互模块与Clicker交互模块在运用阶段有着良好的体验，交互白板技术能即时方便灵活地引入多种类型的数字化信息资源，并可对多媒体材料进行灵活的编辑组织、展示和控制，它使数字化资源的呈示更灵活。[9]Clicker系统也称为课堂应答系统（Classroom Response System），它是一套多媒体互动教学系统，主要由一个无线主控基站、学生手持键盘和一套数据处理软件构成，学生通过对课堂问题的探讨和交流，以投票的形式回答问题，是运用阶段的重要交互手段。[10]

答题卡交互模块提供的快速高效反馈可以更好地协助教师判断学生学习状态。

图2是课堂多媒体资源交互技术示意图。针对教学目标从学习云平台服务提供的电子书资源中进行抽取，获取的教学资源用于教学环境的设置，主要包含多媒体课件及习题设置。协助教师完成教学过程设计后，采用交互组态进行数据采集，推送服务则对教学过程进行控制，通过互动答题和对照分析完成W习管理的反馈环节。

课堂多媒体资源交互技术完善了智能化教学环境所需要的各阶段重要交互服务，为智能课堂交互提供了可靠的基础条件。

2.纸书―3D电子书交互模式

不同于虚拟现实强调完全虚拟环境的沉浸体验，增强现实是把真实环境和虚拟现实的景象叠加起来，在同一个画面或空间同时存在，并强调虚拟对象与真实世界物体的交互。[11]虚拟与现实的结合对处于意识阶段的学生而言，可以很好地引起他们的兴趣，对事物的初始理解也能够更加立体。纸书―3D电子书交互就是基于增强现实技术实现的一种交互技术。

图3所示是纸书―3D电子书交互技术的示意图，学生在用户界面提供原始图片，前端将图像和交互参数传递到后台逻辑。其中图像经过图像识别流程提取图像的特征，图像特征一方面将用于与特征库中原有特征进行匹配比对，另一方面也将被运用于图像特征的模式训练当中。

通过预处理流程的图像特征数据将被用于资源服务模块的资源构建。所产生的资源包括3D模型，对应场景的纹理、形状以及运动轨迹，语音信息和相应的电子书素材。

将资源服务中构建的资源进行重组最终向用户界面展示经过增强现实处理的3D电子书。

3.自然语音交互模式

结合语音识别及语音合成技术的自然语音交互技术，其从广义上来看也属于一种增强现实技术。在计算机辅助教学初期，人机交互仍旧停留在界面点击、文字输入的时代，随着智能语音技术的发展，语音作为一种崭新的交互技术被引入到我们的生活当中。用自然语音与智能应用进行交互，将人机交互化繁为简，节约了时间，让死板的人机交互变得更加生动、更容易被师生接受。

自然语音交互由语音识别和语音合成两部分作为技术基础，辅以多层次智能检索技术，最终完成知识呈现。其中，语音识别技术将语音转换为文本，语音合成则将文本转换成语音数据。

图4是自然语音交互技术的示意图，学生在用户界面调用语音引擎进行语音输入，语音识别技术将输入的语音数据转换成文本数据传递进智能检索模块。同时对语音数据进行存储操作，并在本地知识库完成本体构建。

当文本数据进入搜索引擎模块，将首先进行网络安全过滤，从一定程度上将可能产生的不适宜信息排除，进而进行智能检索。智能检索采取优先本地检索，而后在线检索的多层次检索方法。在知识组织模块对最终获取的数据进行重组及导航，知识的呈现将以文字方式作为主要媒介，同时辅以语音合成技术让文本转换成语音呈现。

五、总结

目前，智能终端在方方面面改变着人们的生活方式，同样课堂互动方式也随之悄然变化。通过智能设备及智能交互技术搭建智能化的课堂互动内容，不仅是搭建学习云平台服务的重要环节，也符合教育信息化的背景。本文对学习云平台服务课堂交互关键技术进行了研究，讨论了互动学习的四个阶段，并针对多模态互动建立了需求分析模型，在构建智能化教学环境的同时，细化交互手段，提出了增强现实及自然语音交互方案。从长远来看，教学互动的智能化是必然趋势，技术的发展日新月异，合理地将科技成果引入到课堂教学的课堂互动环节中，可以对促进学生主动学习兴趣、加强课堂教学效率起到积极作用。

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