人工智能在河南工业大学智慧教学中的应用与实践
来源：本站 作者：谢日行 张松超 河南工业大学信息化管理中心 发表于：2024.03.31 138浏览
文/谢日行 河南工业大学信息化管理中心主任
张松超 河南工业大学信息化管理中心讲师
摘 要：本文结合河南工业大学智慧教学应用与实践，从学校的AI技术在课堂教学环境中的运用、学校混合教学模式的创新、数字化生态课堂体系、AI技术赋能外语教学、“展厅式”教学模式及智慧教学评价改革等多个领域阐述了人工智能在课前、课中、课后的应用实践，以期对智慧教学的应用和研究提供借鉴和参考，促进高校教育数字化转型工作高质量实施。
关键词：AI；智慧教学；教学评价
一、工大智慧教学概况
河南工业大学以建设“智慧工大”作为信息化建设的总体目标，贯彻落实《河南省本科高等学校智慧教学三年行动计划》《河南工业大学教育数字化转型“三年行动计划”》等文件精神，不断推进现代信息技术与教育教学深度融合，为师生提供智慧化、个性化的信息化资源和服务，是“河南省智慧教学建设示范校”，2023年学校“数字化课堂生态体系建设应用”获评河南省教育数字化转型优秀案例。
学校积极拓展多种资金渠道，整体规划、分阶段实施，加强智慧教学软硬件环境建设。2014年至2018年间，学校首先建成一批高端智慧教室、虚拟录播室和自助微课室，积极开展智慧教学生态构建，以适应教学资源多样化、个性化建设需求。2018年至2020年间，学校全面开展智慧教学环境建设，建成了由40间中高端多形态智慧教室组成的智慧教学示范区。自2021年至今，学校通过“分批分类重需求、软硬结合重成效”，建设形成了以中高级智慧教室为主，基础性智慧教室为辅助的智慧教学课堂生态系统，逐步开展信息技术与教育教学的深度融合应用。
二、智慧教学环境中AI技术的应用
学校中高端智慧教室设计有研讨型、讲授型、体验型等多种环境风格，实现交互大屏、自动录播、集成管控等功能，同时大范围引进人工智能语音识别和实时翻译、微课课程资源生成等AI技术。智慧黑板、语音转写大幅提升了课堂交互的效率。
1. 发挥智慧黑板的“智慧”。智慧黑板能创造出生动逼真的教学环境，使抽象的概念具体化、清晰化，让教师能够根据课堂实际情况灵活地编辑和展示教学内容，有效提高了教学活动的适应性和互动性。智慧黑板的应用鼓励学生成为课堂的积极参与者。通过互动环节和活动，学生可以回答问题、展示作品等，并与教师及其他同学进行交流，这样的互动式学习能增强学生的参与感和主动性。同时，通过智慧黑板可快速生成板书动画资源，即直接将教师的板书过程形成动画，作为教学资源使用。
2. 引导语音转写的深度应用。语音转写技术可以将教师的讲课内容实时转换为文字，形成协同笔记，这样不仅节省了手动记录的时间，还可以让学生更专注于听课和理解教学内容。通过将课堂上的讲解实时转写成文字，学生可以在课后复习时更加方便地查找和回顾重点内容，加深记忆和理解。语音转写技术提供多语种支持，实现中英文的即时转换，可以满足不同语言背景学生的学习需求。语音转写的文字进行词频分析，可以得到教师的语速、高频词汇等，便于教师掌握教学语言和内容的组织。
3. 重视智慧课堂教学模式创新。利用AI分析智能生成课堂S-T及Rt-Ch表，对课堂行为大数据进行统计、分析评价，形成有针对性的课堂教与学全覆盖的评价和反馈体系，帮助和指导教师调整教学策略和设计，明显提升教学效果。AI分析等手段，促进信息技术与智慧教学过程深度融合，在教师教学行为、学生交互行为与过程性、终结性评价等关键问题方面进行了有益的探索。广泛应用AI技术的智慧教学示范区的示范效应明显，吸引了省内外几十所大学来校参观学习，为促进教学模式改革、提升教学效果，形成智慧教学“工大模式”奠定基础。
4. 做细学习支持服务。课堂录像资源结合AI技术形成知识库和智能问答系统，通过分析课堂视频，AI可以理解和分析课堂内容，从视频中提取知识点。生成深度问答系统和基于知识的推荐系统为学生提供个性化的学习建议和深入的问答服务，并可以帮助制定针对每个学生的个性化学习计划，从而增强学习体验。
三、以AI辅助线上线下混合教学
学校采用一平三端智慧教学平台开展线上教学，以2023年春季学期为例，新增线上课程1349门，全校累计建设课程16718门，全校运行课程10840门，其中活跃课程2031门，线上运行15266班次，上线教师1276人，教师在线教学时长达69184小时，学生学习时长4626287小时，平台访问量达3.2亿次。
1. 利用AI技术，对师生行为画像，进行个性化教学和学习的指导。在线教学平台可通过课程活跃度、课堂活动、课程资源、课程讨论、学习完成率、学生成绩等多维度数据形成课程画像；可通过教师在线教学的课堂互动、资源建设、在线时长、发布任务、学生成绩、平台活跃度等多维度数据形成教师线上教学画像；可通过学生在学习过程中的课堂活动、自主学习、到课率、学习完成率、学习成绩、平台活跃度等多维度数据形成学生在线学习行为画像。
2. 充分挖掘知识图谱的教学应用，鼓励教师在课程建设中创建知识图谱。通过可视化技术展现知识资源的相互联系，了解学生的学习进度和难点，进而进行有针对性的教学，实现对学生学习情况的精准分析，从而提供个性化的学习指导和资源推荐，引导学生开展自主导向式学习，促进学习共同体的协同知识建构。
3. 数字人技术在学校智慧教学中的应用也在逐步开展。数字人技术借助虚拟形象实现虚拟教师身份，可以突破传统线下教学的时空限制，随时随地与学生进行对话和互动，提供反馈和建议，增加学生的参与感和投入度，激发学生的好奇心和思维能力，调动学生的积极性，使慕课等网络课程资源的学习不再是“冷冰冰”的电子屏幕。目前，通过虚拟技术将教师的数字人形象全息投影到实体课程来讲解慕课课程的“VR+慕课”已经在很多学校开始实践应用。
四、形成AI生态课堂系统
在“智慧教学示范校”的建设基础上，学校通过持续优化智慧教学设备设施应用，将全校的智慧教室、传统多媒体教室的视频、音频统一接入了课堂生态体系平台，实现了涵盖大部分公共教学区的259间教室课堂视频资源录制、课堂在线巡课和在线教学督导评价功能，将全校教学数据统一在一个平台，逐步形成课堂资源利用、在线听课看课和教学督导评价一体的课堂生态体系。
1. 形成教学动态数据，深度融合课堂教学。利用在线教学平台、智慧教室资源平台等信息系统形成对线下课堂教学的在线巡课、到课统计、教学分析、管理与评价，通过教学平台将抢答、选人、问卷、投票等智慧教学工具带进线下课堂，实现课堂实时反馈，丰富线下课堂教学活动。通过智慧教室资源平台、学校数字资源平台、在线课程平台等为课堂教学提供丰富的教学资源。
2. 形成常态教学录像实录，多梯度建设网络资源。学校目前建设有5间高标准自助微课室、31间精品自动录播教室、216间普通常态化课程录制教室，对智慧教室录播设备和普通多媒体教室设备进行优化接入课堂生态体系，按照教学节点对线下常态课堂教学进行录制和分割，实现教室的常态化课程资源录制和管理，形成了从国家、省部级精品课程建设到常态化一般课堂教学资源积累的教学资源建设体系。
3. 优化教学支持服务，充分利用课堂资源。常态化课堂资源平台，完成与服务门户的对接。教师可通过服务门户随时查看自己近期的上课录像，作为课程资源使用，经过剪辑整理后可以作为教师各级各类教学研究、教学竞赛提供教学视频资源。学生可随时随地查看授课教师授权的课堂教学录像资源进行复习、预习。教学管理者可以通过推送优秀课堂教学录像的方式进行教学管理和优质课程资源共享。
五、以AI技术赋能外语教学
学校外语学院从2016年开始全面推行英语智能测试系统，利用系统内嵌AI引擎，实现了翻译和英语作文等主观题的机评，大幅提升了测评的效率，实现机考常态化。2018年开始在大学英语听力教学中全面使用基于AI技术的教学软件，学生可以自助、自主进行听力学习，教师可以及时检测学生学习进度与效果，并给予及时反馈，突破了听力教学的场地和设备制约。2019年开始在大学英语教学中全面使用口语训练系统，学生在手机上反复进行跟读或角色扮演等口语训练，系统基于AI技术适时给学生评分，实现了自主、移动、智能的英语口语训练目标。得益于AI技术的应用，学校大学英语教学全面改革，课堂教学周学时由原先的4学时减到2学时，给予学生更多自主探究的时间；课堂教学实现了翻转，给予学生更多展示自我和与老师、同学探讨的机会；评价体系从原先终结性评价为主转变为形成性评价为主，平时成绩占比达到60%。
六、探索“展厅式”教学模式
学校通过与企业的产教融合合作，探索基于展厅和AI技术结合的探究性教学模式。依托“产、学、研、转、创”五位一体的校企合作模式，共享资源、发挥特长，改革教学范式，创新人才培养模式。学校建设了289平米的人工智能综合展厅——包含数字人、智能机器人、智慧主播、智慧城市等数字应用场景，通过虚拟现实技术的应用，创建一个虚实结合的教学环境，将线上资源与线下活动整合，为学生提供了一个更加直观、互动和个性化的学习环境，提高了学生的参与度和学习动力，增强了学习体验和效果。
七、智慧教学评价改革
借助智慧教学设备设施和教学信息系统，实时采集课前、课中、课后的教学资料访问率、课堂出勤率、参与教学活动数等教学大数据并进行分析评价，充分发挥信息技术优势，补充完善传统课堂教学质量评价体系，使得过程性评价和结果性评价更精准，实现个性化、差异化反馈和教学提升。
1. 领导带队，积极探索教学督导评价机制，提升教学管理与决策能力。借助数字化生态体系，通过教学录播、无感知签到、抬头率学习情绪分析、教学互动成绩分析、下课后教学效果分析等功能，收集教学过程数据，为教学的管理提供了更加真实多维的数据支撑。日常可以向各学院教学督导开放巡课权限，教学督导可在办公室实时巡课。可对接学校教学管理平台、在线课程资源平台、大数据分析平台等收集学生签到率、抬头率、交互成绩、习题成绩、考试成绩等数据，进行大数据分析，支持对师生智能推送学业预警、多维度学情分析并生成相关报表。形成以教学大数据支撑的评价机制，提升教学管理和决策能力。
2. 项目支撑，开展智慧教学评价专项研究，构建数字化教学评价模式。充分利用大数据，改进结果评价，强化过程评价，探索增值评价，健全综合评价，提高教学评价的科学性、专业性、客观性，构建以学生综合能力发展为导向的数字化教与学评价反馈机制和持续改进机制。
3. 部门联动，加强数字化教学评价应用。教务处、教学质量保障与评价中心、学工部、信息化管理中心、各学院充分发挥数字化教学评价的引导、评定、诊断、调控与改进作用。以评促学，运用数字化精准分析进行学业预警和学业帮扶，促进学生健康成长。以评促教，运用大数据分析技术开展教师教学诊断和咨询，对教学行为和策略进行及时调整与优化。推动高校将数字化教学评价结果作为专业评价、课程评价、基层教学组织建设和教师综合评价等重要内容。
八、展望
“十三五”期间学校信息化体系基本完善，信息化应用逐渐丰富；在“十四五”期间，学校将紧紧围绕“12357新时代筑峰工程”，全面实施教育数字化转型，优化办事业务流程，提升数据治理水平，积极打造数字化特色应用场景，助力学校“双一流”创建和高质量发展。
（课题项目：本文为2023年河南省普通本科高等学校智慧教学专项重点研究项目《AI赋能智慧教学质量评价体系与动态监测研究》阶段性成果。）