信息技术带来的优质教育资源冲击和改变了传统的教育教学方式，具体体现在教学内容、教学方法和手段、教学组织形式和教学评价等教学环节中。教学价值取向逐渐由以教为本转向以学为本，学习的自主权逐渐转入学生手中。本节将分析微课、MOOCs、开源硬件和基于大数据的学习分析在教学中的应用，追踪学校信息化国际发展的前沿，探讨新型资源引领下的教学新形式。

一、微课程资源正颠倒教学基本环节

2007年，美国科罗拉多州的林地公园高中（Woodland Park High School）的化学教师乔纳森·伯尔曼（Jonathan Bergman）和亚伦·萨姆斯（Aaron Sams）最早开发微课程资源实现翻转课堂（the Flipped Classroom）。这种颠倒教学基本环节的全新课堂形态提高了学生的学习兴趣和成绩，大受学生欢迎。翻转课堂首先由教师录制教学视频，学生在家或课外观看视频讲解，然后再回到课堂中进行师生、生生间面对面的分享、交流学习成果与心得，以实现教学目标为目的的一种教学形态。翻转课堂呈现出四大变化：一是教师从课上主讲变为课下开发授课视频和课上针对性指导相结合；二是学生从课上听课转变为课下利用授课视频自主学习和课上小组讨论、答疑相结合；三是教学与学习时间分配由课上为主转变为课上课下相结合；四是知识传播方式从教师传播转变为网络传播和教师传播相结合。

2011年，可汗学院（Khan Academy）的发起人萨尔曼·可汗（Salman Khan）结合其亲身经历将“翻转课堂”在TED大会上介绍给全世界，引起轰动。[1]从那时起，“翻转课堂”在美国学校里流行起来，并逐步扩散到世界其他国家。作为“翻转课堂”的重要实践者之一，可汗学院录制和免费发布了3 500多部数学、历史、金融、物理、化学、生物、天文学等科目的视频内容，并探索了在基础教育、高等教育和家庭教育等领域中的应用。视频多从最基础的内容开始，以由易到难的进阶方式互相衔接，每段课程影片长度约十分钟。从2009年开始，可汗学院自主开发了一个功能齐全、学生可以自我学习和自我评估的互动式教学系统。该系统记录了学习者对每一个问题的完整练习记录，教学者参考该记录，可以很容易得知学习者哪些观念不懂，目前已有380个练习。Los Altos学区、富兰克林小学、Minola学区等12所学校在使用可汗学院的教学系统，引起了普遍的关注。2011年爱达荷州立法规定，通过中学毕业47学分中的2学分必须为线上学习课程，而2013年秋季可汗学院的课程在25～30所公立学校采用，涉及学生10 000多人。

（一）柯林顿戴尔高中全校实行翻转课堂模式

2010年，美国密歇根州柯林顿戴尔高中（Clintondale High School）开始尝试使用基于微课程资源的翻转课堂。[2]校长格雷格·格林（Greg Green）带领九年级任课教师录制了大量英语、数学、社会三门学科的教学视频，然后发布到Youtube网站上。学生在家观看教师录制的5～7分钟的讲解视频，并在笔记本上写下遇到的问题；在课堂上，教师会重点讲多数学生有疑惑的概念，用大部分时间来辅导学生练习，并对学生的作业给予及时反馈。学校还解决了部分学生在家上不了网的问题，课前课后分别提供校园电脑一个小时的访问，或在特殊情况下，允许他们使用智能手机观看视频。在实施翻转课堂一年后，学生的学业成绩大幅度提高，165名新生中，英语不及格的学生从50%降为19%，数学不及格的学生从44%降为13%，社会课不及格的学生从41%降为9%。在两个班历时18个月的翻转课堂试验后，2011年9月，校长格雷格·格林自信满满地在全校实现翻转模式。学期末的测试证明，这种模式使全校的不及格率降低到10%，在全州的标准化考试中，学生的成绩也明显提升。2013年，除自己录制的视频外，格雷格·格林还大胆使用可汗学院、TED等机构的视频用于教学。曾经，柯林顿戴尔高中是底特律郊区学校中声誉最差的学校之一，然而现在这里正发生着巨大变化。

（二）布里斯学校的预修微积分课堂

2008年，史黛丝·罗桑（Stacey Roshan）大学毕业后进入美国马里兰州波托马克市的布里斯中学（Bullis School）任教，所教科目为数学。[3]因为史黛丝妈妈也是一位数学教师，史黛丝一直认为可以按照妈妈的教学方式开展教学。2009年，她开始教授预修微积分课堂。这是一门难度较大的课程，这需要她45分钟火力全开才能讲授完成。虽然付出了很多，学生的成绩却并不理想，这让她非常沮丧。这年暑假，罗桑参加了名为“构建学习社区”的学术会议，在此会议上，她接触到能录制教学视频的软件—Camtasia，这让她豁然开朗，她终于明白如何解决课程教学遇到的问题了。史黛丝采用翻转课堂的教学模式，将教学视频提前录制好，让学生提前学习，并记录下遇到的问题，教师在课堂上帮助学生解答问题。教学效果令人意想不到：史黛丝提前一个月完成课程，预修考试得到满分5分的学生人数明显增加。翻转课堂不但帮助学生轻松理解往常难以掌握的微积分核心概念，并帮助她一个学期完成更多的预修考试材料。“我总是告诉学生，最好的选择是你自己解决问题，如果不能，再向你的学习伙伴请教，最后才是向老师求教。”史黛丝说，“学生利用视频学习的优点是可以随时暂停，以便做笔记和有机会思考，概念混淆时还可以回放，考试之前能够重新观看部分重难点视频进行复习。”史黛丝还谈到，翻转课堂后，她的学生学习更加独立了，也很少焦躁。

英特尔（Intel）全球教育总监Brian Gonzalez在2011年度英特尔“一对一数字化学习”年会上提出，在“翻转课堂”中，教育者赋予学生更多的自由，把知识传授的过程放在教室外，让学生选择最适合自己的方式接受新知识，知识内化的过程放在教室内，同学之间、学生和教师之间有更多的沟通和交流。[4]目前，来自美国、韩国、英国、中国等国家的许多中小学校已经将微课程资源应用到教学实践，并取得了良好的教学效果。

二、MOOCs拓展课堂教学边界

MOOCs（Massive Open Online Courses），即“大规模网络公开课”。一般认为，这一术语由布赖恩·亚历山大（Bryan Alexander）、戴夫·科米尔（Dave Cormier）提出，后用于西蒙斯和斯蒂芬·唐尼斯（Stephen Downes）于2008年合作开设的一门大型网络课程“关联主义学习理论和连接的知识”。2011年秋天，大型开放式网络课程有重大突破：超过160 000人通过赛巴斯汀·索恩新成立的知识实验室（现称“Udacity”）参与索恩和彼得·诺威格所开设的《人工智能》课程。2012年，美国高等教育界包括Stanford、Harvard、MIT等在内的名校不约而同地掀起了一股MOOCs风潮，400多万学生注册了Coursera、Udacity和edX三大课程提供商。Coursera于2013年11月底完成了6 300万美元的B轮融资，一度刷新了在线教育行业的融资纪录。2014年1月，Coursera宣布，为升级全球学员的学习体验，将推出一项全新的认证项目—专项认证（Specializations Certifications）。[5]与此前的单一认证不同的是，专项认证不再局限于某一课程，而是融合某一学科领域的多个课程形成一个微专业。值得注意的是，目前该认证项目的课程将不再免费，而是每科收费49美元，学习者完成相关课程以及毕业设计后，可以获得该学科领域的相关证书。

与以往的网络公开课不同，Coursera、Udacity、edX等提供的MOOCs，不再仅仅只是视频授课，而是包括了从选课、听课、作业、评价，再到授予课程证书的全部环节。注册ID后，每周要按时上课，并要在截止日期内完成家庭作业和考试并取得成绩；学习同一门课程的同学之间可以互相讨论、互相批改作业，学生注册、课表安排、随堂测验、期中期末考试以及结课后相应的某种证书等环节设计，让新型的公开课模式变得更像一座虚拟大学。

MOOCs作为一种新的学习和教学方法，具有上面提到的众多优势。因此，在包括美国在内的许多国家的高等教育中开始受到青睐，并大规模进行推广，至今方兴未艾。在美国之后，欧盟、亚洲等国家也纷纷开始探讨MOOCs。目前，全球有十几个国家在积极推进MOOCs，包括英国、日本、澳大利亚、巴西、中国、韩国等。一份北美教育机构的MOOCs趋势分析认为，到2016年，北美地区43%的高校将提供MOOCs课程。[6]

（一）杜克大学推动MOOCs教学

2012年7月，杜克大学宣布加入Coursera以促进教学的创新，提高杜克大学的社会声誉和社会影响。经过三个月的精心准备，第一门课程《生物电：定量方法》于2012年9月24日正式在Coursera平台上发布。[7]该课程学习时间为8周，授课教师为生物医学工程系的Roger C.Barr教授。巴尔教授在杜克大学已有20多年的本科生和研究生教学经验。课程的开发团队包括了一名主讲教师、两名助教及学校教育技术中心和数字媒体服务部门的工作人员。

课程的总体设计基本上依托了Robert Ploney和Roger Barr在斯普林格出版社出版的同名教材，课程原则上适合本科高年级或研究生低年级学生学习，但在Coursera平台上注册时没有对学习者做任何的限制。从课程前期制作和开发的时间投入来看，总共投入了620个小时，其中包括教师投入的420小时和助教、教学支持、技术支持及评估团队投入的200个小时。课程主持教师巴尔教授还花费了大量（几乎是全部工作量一半）的时间为网络学习重新设计教学流程，制作教学材料（尤其是教学视频的拍摄和制作）。

MOOCs与之前的在线课程的不同之处在于“学生的投入程度”。到目前为止，大多数在线课程很大程度上都是录制的讲课，需要用户独自学习，学生无法与同学或老师互动。而MOOCs要求学生跟着进度走，每周需完成五到七个学习模块（共耗时不超过两小时），在课程视频中，教授们讲解概念、在白板上涂涂写写，这些视频通常被切割成众多短小的片段，中间穿插习题和小测验在屏幕上出现。除了视频讲解，还有互动功能和小测验。只有通过教师制定的标准，才能获得证书。如果学习中遇到了问题，学生可以选择去讨论区借鉴别人的想法，也可以直接提问，等待同学的帮助。

截至2013年年底，本课程共有12 725名学习者注册，来自100多个国家，72%的学生具有本科及以上学历。学生每周的课程内容包括12个视频片段（总共时长为2个小时左右）、一些PDF阅读文档及2个客观题的网上测试（在第七周的时候将一个客观测试改为学生互评的写作练习，第八周有一个期末考试）。网上测试可以重复提交，但间隔必须超过2个小时。

（二）弗吉尼亚大学MOOCs课程引发关注

2012年9月，弗吉尼亚大学的David Evans教授主讲的《计算机科学导论》（CS101）在Udacity平台上线。[8]该课程视频均被划分为很小的片段，平均2分钟左右，最长的应该也不会超过5分钟。而且，现在每一段视频下面都列有一些论坛中的问题。课程设计内容为7周，共10单元，1～7为基础单元，8、9、10为进阶单元。每个单元有20～30个微视频和小习题（时长2小时以上），每个单元之后还有两个习题集（大约10个题，耗时1个小时左右），习题均在学习过程中给出，随时练习。通过一学期的学习，学生认为，“内容简单易懂，形式风趣活泼，最后做个小搜索引擎也非常让人有成就感”“不错的入门课程，难度不大，讲解很细致，还牵涉到了一点搜索引擎的基础知识。我就是从这里入门python的”“在授课之余，授课老师和助教还带领大家采访了Google的创始人和拜访了一些很牛的公司，很有意思。这门课也是我在Udacity上第一个拿到证书的课程，值得推荐。”

Udacity首创MOOCs与大学学分的挂钩。科罗拉多州立大学全球校区允许其学生在完成了Udacity提供的《计算机科学导论》课程的学习后，如果花89美元在考试中心通过了Udacity提供的考试并获得证书之后，可以转为该校的学分。

三、开源硬件夯实信息技术“做中学”教学模式

树莓派（Raspberry Pi，RPi或RasPi），又称卡片式电脑。它由英国慈善组织“Raspberry Pi基金会”开发，“Raspberry Pi基金会”项目带头人是英国剑桥大学埃本·阿普顿（Eben Epton）教授，他在看到学生学习自然科学（Computer Science）的水平一年比一年降低后，认为这一情况是因缺乏初期计算机教育所致，于是就开始研发一种完全以教育为目的的产品——树莓派。2012年3月，Eben Epton便正式发售了世界上最小的台式机——树莓派。下图6-4为树莓派的基本信息介绍。

图6-4 树莓派（Raspberry Pi）的基本介绍

树莓派带给数字化时代的变革是巨大的。MagPi杂志自2012年3月第1期至现在，每期都对Raspberry Pi进行报道。近日，MagPi杂志第21期（2014年3月）再次报道Raspberry Pi带给这个世界的革新改变。为纪念Raspberry Pi的“两周岁”生日，MagPi杂志有一个独占四页的报道，采访Raspberry Pi的研发者Eben Epton教授，他回顾过去两年Raspberry Pi的发展历程并对未来Raspberry Pi的发展进行了畅想。然而，在Raspberry Pi的早期购买者中，教育机构和孩子只占1/5，其中4/5是成年爱好者。现在有越来越多的学校开始购买它用于课堂教学，实施课堂“做中学”教学模式。

2013年12月，IBM非洲研究院推动改善非洲教育质量项目——将树莓派（Raspberry Pi）、传感器（sensor）和编程实践（使用Python和Excel）整合到现存中学地理教材中，学生在教学过程中边做边学，以此评估技术的有效性。表6-1列出了该项目实施的基本概况。

表6-1 项目实施基本概况

项目实施部署的基本设施包括气象站设立（Weather station setup）（气象站由树莓派Raspberry Pi，传感器sensor和一个Arduino板组成）、部署传感器（Deployed sensor）及数据收集（Data collection）。图6-5为基本设施部署及学生课堂互动过程。

图6-5 基本设施部署及学生课堂互动

项目研究结果发现：

1.学生们表现出浓厚的兴趣，虽然这些学生们之前没有任何的技术经验（如树莓派、传感器和编程等）。但结果表明学生们对该学习过程持高度赞赏态度，74%的学生表示“很喜欢”、26%的学生表示“喜欢”，即100%的学生都很乐意参与该学习过程。学生们表现出的热情，足以说明技术的使用充分激发了学生的学习兴趣。

2.虽然天气是地理课程的一部分，但却缺乏领域里的题材。通过该项目的开展，将具体题材整合到特定领域，一方面帮助学生通过实体了解事物，另一方面也加深学生对所学知识的理解。

3.虽然接受试验的学生熟悉理论，但他们几乎没有任何的实践技能及基本的计算机技能。课程与SCRUM方法交错相结合以此培养学生的批判性思维。

四、学习分析技术支持规模化教学形式变革

“学习分析”这一术语最早来源于商业领域，通过对商业活动进行一系列数据分析，商家可以对消费者的消费趋势和消费行为进行预测。随着互联网的发展，大数据的出现，学习分析逐渐被运用于大规模的教育教学领域探索大数据的科学分析，以改善教师的教学方法、提升学生的学习积极性及学习质量等，进而帮助学校、教师有效调整课程、教学和评价系统。学习分析在《2011年地平线报告》中被列为未来5年的主流技术，在《2012年地平线报告》和《2013年地平线报告》中均被列为未来2～3年的技术，并在实践中开始进行推广应用。

学习分析进入教育教学领域，可以对有关学生的大量数据进行分析，如学生的作业完成情况、考试结果、在线互动情况、与教师及其他学生在线讨论的情况等，从而让教师了解每个学生的学习需求及能力水平，以提供个性化的教学和学习方式。学习分析需要借助于相应的学习分析工具，如Gephi、Socrato、SNAPP（Social Networks Adapting Pedagogical Practice）等。近年来，教学领域中关于学习分析的应用，主要聚焦于一门课程或者项目学习中学生所面临的困难，针对学生活动的数据进行分析，进而调整教学和学习方法或项目设计方案等，以解决学生短期内面临的困难问题。

（一）学习分析支持下的学习监控和个性化反馈

Mathspace是一个基于云计算的数学学习平台（go.nmc.org/mathsp），由一个教育工作者、程序开发员、数学科学家组成的团队共同开发，2012年发布[9]，正在澳大利亚新南威尔士州（New South Wales）的中学课堂教学中进行应用和推广，可以满足新南威尔士州教学大纲和澳大利亚国家课程中7～10岁孩子的要求。2014年1月，培生公司（Pearson Company）订阅了Mathspace，从而补充了公司的中学数学资源内容。

Mathspace平台监控学生对数学问题的思考，并提供个性化的反馈以及为教师提供分析报告。具体步骤为：①数据采集。数学课堂教学中，教师调用存储在平台中的学习任务并发送给学生，学生在进行学习任务的过程中当遇到困难时可以求助平台上提供的“小提示”功能。平台采集学生在学习任务过程中的数据，如学生在哪一道题目使用了“小提示”功能、题目的数量、题目答案等；②数据存储。平台将采集到的有关学生的数据存储在其云端库中；③数据分析。Mathspace基于平台中的数据分析工具对采集到的数据进行分析；④数据呈现。Mathspace将数据分析的结果可视化，如题目的对错、学生求助“小提示”的数量等，并将分析的结果发送到教师的设备屏幕上；⑤应用服务。根据数据分析的结果，教师可以实时监控学生进行学习任务的情况并可以对课堂教学做出相应的调整。课程最后，平台会将所存储的数据生成个性化的分析报告，包括学生的平均成绩、课堂参与次数、参与学习任务的时间等，从而为学生的学习效果评价提供重要的参考依据。

图6-6 教师发送给学生的学习任务

图6-7 教师提供的学生报告分析

（二）学习分析软件支持下的实时评价和学生分组

Learning Catalytics（LC）是由两位哈佛教授和一位博士后在2011年开发的一种基于云技术的学习分析评估系统，2013年4月被培生公司（Pearson Company）收购，现正逐步推广至美国教师的课堂教学之中，如Ohio State大学、Cornell大学、Oceanside高中、 Stanford Online高中等学校已经开始推广使用[10]。

LC支持教师对学生学习结果的监控以提供实时反馈及支持对学生的自动分组。具体步骤为：①数据采集。课堂教学中，教师向学生发送学习任务，学生在LC平台上通过文字、数字、代数、图形等各种方式回答教师的问题，LC采集学生进行学习任务的相关数据；②数据存储。LC将采集到的有关学生的数据存储在其云端库中；③数据分析。LC基于系统中的数据分析工具对采集和存储的数据进行分析；④数据呈现。LC将数据分析的结果可视化，如学生题目的对错、对问题的理解等，并将分析的结果实时呈现到教师的设备屏幕上；⑤应用服务。教师根据数据分析的结果及时调整其教学方法，针对学生共有的问题进行深度讲解及帮助个别有需要的学生。同时，LC根据分析的结果可以将学生进行分组，把不同答案的学生分到一个小组，并将学生分组的对象发送到学生的设备屏幕上。课堂最后，LC能够根据整堂课所采集并存储的学生数据进行分析，生成学习报告曲线呈现给教师，教师通过查看学生的学习曲线以了解每个学生的学习情况，进而可以给予学生进一步的反馈，在提高课堂教学和学习效率的同时，LC也为教师对学生的实时评价提供了一条重要的途径。

图6-8 学生在使用Learning Catalytics

图6-9 教师对学生的学习情况进行实时评价

[1] Salman Khan. Let's use video to reinvent education[EB/OL].http：//www.ted.com/talks/salman_khan_let_s_use_video_to_reinvent_education，2014-03-04

[2] TechSmith.Flipped Classrooms Get Results at Clintondale High School[EB/OL].http：//www.techsmith.com/customer-stories-clintondale.html，2014-03-04

[3] Greg Toppo.‘Flipped’classrooms take advantage of technology[EB/OL].http：//usatoday30.usatoday.com/news/education/story/2011-10-06/flipped-classrooms-virtual-teaching/50681482/1，2014-03-04

[4] 邹景平.教育趋势——翻转课堂是教学模式的创新[EB/OL].http：//www.ceolearning.org.tw/writings/paper.php？id=29038，2014-03-04

[5] Coursera专项课程[EB/OL].https：//www.coursera.org/specializations，2014-03-04

[6] ValaAfshar.Adoption of Massive Open Online Courses[Worldwide Survey][EB/OL]. http：//www.huffingtonpost.com/vala-afshar/infographic-adoption-of-m_b_3303789.html，2014-03-04

[7] Coursera.生物电流：定量方法[EB/OL].https：//www.coursera.org/course/bioelectricity，2014-03-04

[8] Udacity.Intro to computer science[EB/OL]. https：//www.udacity.com/course/cs101，2014-03-04

[9] Mathspace.Mathspace Announces Distribution Agreement With Pearson[DB/OL]. https：//mathspace.co/blog/press-release/，2014-03-06

[10] Learning catalytics. Instructor Stories[DB/OL]. https：//learningcatalytics.com/pages/stories，2014-03-06