“双师教学”课堂体系架构支撑技术的实践应用研究

光善慧，本科，中学高级教师，信息中心副主任。中国教育科学研究院STEM研究中心兼职研究员，安徽大学计算机科学与技术学院硕士研究生导师，国家级语言文字教研员，主持过全国教育信息技术研究课题、安徽省信息技术研究课题、教育部科技司和中央电教馆项目等。

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摘要：

以基础教育实践研究为基础，以国内“双师教学”实践的现状分析为依托，通过“双师教学”应用过程中的问题分析及平台技术分析，阐明云计算、泛在网络、音视频处理、大数据是构建“双师教学”的四种支撑技术，指出“双师教学”中教师、学生、家长及教育管理者应注意的关键问题，为当前“双师教学”的顺利开展提供有效支撑。

关键词：

“双师教学”；体系架构；关键技术；创新应用

2018年，《国务院关于推动城乡义务教育一体化发展 提高农村义务教育水平工作情况的报告》中提出：要求义务教育学校普遍开展课后服务工作，解决好社会关心的课后“三点半”问题[1]。2020年，教育部颁布《关于加强“三个课堂”应用的指导意见》，提出要实现“名校网络课堂”“专递课堂”“名师课堂”与网络学习空间应用的融合。而课后“三点半”问题与“三个课堂”应用的解决，都需要“双师教学”课堂技术的支撑。

1 “双师教学”应用的时代背景

在教育信息化高速发展的今天，我国基础教育仍面临一系列困惑和痛点：一是地区差异较大。我国是人口大国，幅员辽阔，各地经济发展有一定差异，教育和文化资源分布不均衡，优质资源大部分聚集在经济水平较高的大城市，三、四线城市资源少，农村及偏远地区资源更是匮乏。二是城乡差距明显。近年来，在我国共同富裕政策支持下，城市与农村的差距逐步缩小，但教育资源分配仍然存在不均衡的现象。三是学校差距巨大。即便同在一个城市，各校在教育投入、教育教学质量等方面也存在差异，教育教学资源分配不均。

面对这些困惑与痛点，如何打破教育资源的时空局限，开发全新的教学手段，促进教育均衡发展，让学生享受教育公平，成为全体教育工作者迫切需要解决的问题，“双师教学”课堂模式应运而生。

“双师教学”的初始模式是农村及偏远地区学校应用慕课，通过共享城市优质教学资源，弥补学校师资不足和优质教育资源匮乏等问题，提升农村及偏远地区学校教学质量，拓宽教师专业发展途径。如今，“双师教学”又呈现出新模式，在推动义务教育均衡发展，特别是农村及偏远地区教育均衡发展方面能发挥更大价值，因而受到了社会各界人士的广泛关注。

2 “双师教学”的含义及特点

2.1 “双师教学”的含义

  2013年8月，由创新人才教育研究会、中国人民大学附属中学、友成企业家扶贫基金会和国家基础教育资源共建共享联盟共同发起的“双师教学”项目正式启动，旨在依托互联网技术为贫困地区引入优质教育教学资源和师资培训体系[2]。“双师教学”也专指一种公益性的创新教学方式，旨在促进教育均衡发展[3]。“双师”指由两位教师共同开展教学活动，由城市地区一线名师远程主讲，本地教师与名师协同备课，课堂上负责组织教学和现场教学重难点答疑、课后作业批改、反馈学习情况等[4]。2014年起，随着信息技术的发展及“双师教学”课堂技术的进步，“双师教学”通过城乡网络结对方式，在教育扶贫中发挥了越来越重要的作用。2020年以来，随着线上线下混合式教学模式逐渐常态化和“双减”政策的实施，“双师教学”逐步扩展到课后“三点半”服务。

2.2 “双师教学”的特点

  (1)资源共享

  “双师教学”的主要目的是为了解决教育资源特别是优质资源不均衡的问题，实现农村及偏远山区的名师资源共享全覆盖。

  (2)线上线下

  “双师教学”课堂使用远程直播教学系统，能实现线上线下混合式教学，且内容丰富，互动性强，更容易被学生接受。

  (3)技术支撑

  互联网技术的支撑是实现远程直播互动的必然条件，所以“双师教学”课堂的流畅度与技术水平密切相关。

  (4)“双师”同课

  “双师教学”课堂是“名师+助教”模式，二者必须协同备课，才能保证课堂的教学质量，给学生提供优质教学环境，帮助学生实现知识的内化[5]。

2.3 “双师教学”遇到的问题

  在“双师教学”实践应用的过程中，问题比较大的依然是卡顿、延时、不流畅等问题，有时一节课40分钟，要花20分钟调试设备，严重影响了教学效率和应用双方的积极性。鉴于此，要借助先进的“双师教学”课堂技术，助力缓解我国基础教育地区差距、城乡差距、学校差距，最重要的还是技术改进和学校技术应用改进问题。

3 “双师教学”课堂的支撑技术

“双师教学”采用远程互动直播技术，优质流畅的直播教学设备，必须依托云计算、泛在网络、音视频编码、大数据等技术。

3.1 云计算

  可以连接不同地区的服务器群，实现海量数据处理以及各种信息服务需求，提高大规模计算能力[6]。各教室间的互联互通通过专有的视频云进行传输，不再受本地服务器性能和带宽限制，解决了异网传输限制的问题，使各教室间的互动更加便捷流畅，卡顿问题也得到解决。

3.2 泛在网络

  源自拉丁语，字面意思是广泛存在及无处不在的网络。在泛在网络环境下，无论处在何时、何地，使用何种网络，都能使适合的终端设备与各类网络相互连接，从而获得需要的个性化信息服务，实现一对多。它是物联网、互联网、通信网的融合，能有效提高“双师教学”课堂的覆盖范围和有效性[7]。

3.3 音视频编码

  指通过特定的压缩技术，将视频文件的一种格式转换成另一种格式。音视频必须采用可定制的压缩方式，以提高传输流畅度和播放率，这就需要提高软件的鲁棒性、压缩效率以及错误恢复能力，减少信道获取时间、实时时延以及随机接入时延，减少复杂程度[8]。目前视频编码标准是H.265，在有效降低带宽的情况下，转发设备在图像转发过程中延时小于20ms才可以做到唇音同步。音频与视频的传输达到200ms低延时、1080P高质量可以减少卡顿、掉线与延时。“双师教学”使用音视频编码新技术可以改善码流与编码质量，改进算法和延时复杂度之间的关系，实现最优化效果。

3.4 大数据

  生成的大量半结构化和非结构化的数据通常称为大数据。分布式架构对海量数据进行分布式挖掘是大数据的必要功能，所以需要依靠虚拟技术、分布式数据库和云存储、云计算的分布式处理[9]。大数据分析通过对教学过程中教师教学、学生的行为分析，助力教师做到精准教、学生做到精准学，从而使教与学更高效。

  具备了这几个核心技术，设备卡顿、延时、抖动等问题就基本能够解决了。

4 “双师教学”课堂的技术架构

4.1 “双师教学”课堂技术设计的原则

  目前，“双师教学”课堂设备比较多，不同类型不同架构，且品质参差不齐，设计时要注意体现以下几个原则。

  (1)经济性与实用性

  “双师教学”课堂在技术设计上应尽可能采用一对多的模式，以提高名师课堂承载力，将名师资源最大化，使学生端在保证上下行对等4兆企业级宽带的情况下，达到高清流畅的音频与视频传输效果。

  (2)先进性与实时性

  目前国内的“双师教学”课堂技术涉及多种视频编码技术，如果应用H.265，学生端环境可以采用在教室安装大屏或投影的方式，以为学生呈现最佳的视听效果，且在整个教学过程中，师生之间都可以进行实时的交流和互动。

  (3)易操作与便捷性

  “双师教学”的客户端界面应能通过软件调节各个硬件参数，使操作简便，课堂内有丰富的互动工具，例如：画笔、画图工具、聊天工具、电子白板，只要经过培训，教师学生都能随时灵活操作，最大限度还原真实上课场景。

  (4)灵活性和扩展性

  “双师教学”课堂使用的系统应支持多人音视频互动，以实时展现学生成长；支持多种终端(Windows/Mac/Android/iOS)，实现全平台同步上课，使学习方式更加灵活。教师端教室应能通过分享链接、二维码传播课程；学生端教室以及外部学生应能通过点击链接、扫码等方式，用计算机、手机进入在线课堂。

4.2 “双师教学”课堂的技术架构模型

  基于“双师教学”功能需求及其设计原则，“双师教学”课堂的总体建设思路建议采用“云+端”一体化解决方案，如图1所示。

图1 “双师教学”课堂的技术架构模型

  云服务中心：通过视频云进行集中式控制和分布式部署，拥有电信、移动、联通以及海外的链路资源，在泛在网络环境下，使“双师教学”的客户端操作更简单、便捷。

  教师端：教师端部署在教师直播间，直播间部署所有直播设备。直播间可选择安装ME90终端，以16分屏显示听课教室，实现1对多(不受限制)的模式，同时节约教学成本。

  学生端：学生端部署在普通教室，直播间所有设备均要齐全。可选择配置ME40终端，实现连接第三方教育平台、云服务平台，同时可实现实时高清互动。

5 “双师教学”的课堂应用模式

以往课堂是同时空互动，“双师教学”课堂是异时空互动，这种特殊的知识传递方式，对师生互动提出了更高的要求和不同的体验需求[10]。“双师教学”课堂的互动模式架构如图2所示。

图2 “双师教学”课堂的互动模式架构

  相较于以往课堂，“双师教学”课堂有名师资源以及各种丰富的教学资源，“双师”保驾护航，既为学生提供了优质的学习环境，又为双方教师实现专业成长奠定了良好基础。

6 “双师教学”的应用现状及关键问题

  “双师教学”课堂技术随着教育信息化的发展而不断完善，教师应用技术的水平也与时俱进，创新能力不断提升。

6.1 以慕课为载体的“双师教学”

  2013年9月，为落实国家基础教育均衡发展的目标，中国人民大学附属中学基于慕课平台，上传了初中数学课堂教学课例给全国各地的乡镇学校，开启了“双师教学”实践。但其仍然存在如下问题：一是由于网络流量不足，视频播放不流畅，卡顿、延迟等一系列问题让课堂教学开展不顺畅；二是有些学生跟不上名师课堂进度，未达到预期的教学效果。因此，“双师教学”课堂的实施流程更改为：中国人民大学附属中学的教师现场录制每天的授课内容，上传至平台；试点所在地的乡镇学校教师当晚下载查看讲课视频，裁剪掉部分难度过大的内容。一般来说，45分钟的课程会保留20～30分钟的关键内容；第二天在授课现场播放剪辑过的视频录像。当视频中的教师进行课中提问时，现场教师暂停视频，让学生回答问题。若回答正确，继续播放视频；若回答错误，现场教师会接续讲解难点[11]。

  2016年12月，友成企业家扶贫基金会与中央财经大学人力资本与劳动经济研究中心联合发布了“双师教学”项目评估报告，表1为实验班、对照班和控制班在小升初、初一年级期末、初二年级期末、中招考试和专家组调研时开展的数学测试结果。

表1 实验班、对照班和控制班各项数学测试平均分

  通过表1可以看出，实验班、对照班和控制班的小升初数学成绩大致相同，但经过 “双师教学”实践，实验班此后的各项成绩显著高于对照班，对照班则显著高于控制班，这说明“双师教学”项目的引入，显著提高了学生的数学成绩。同时，评估组也对实验班、对照班和控制班的语文、英语、学生学习兴趣等进行了调研，发现实验班在这些方面的成长数据均高于对照班和控制班。此外，参加“双师教学”项目的教师成长更快，学校教育质量也得到显著提升。这体现了教育的蝴蝶效应，即初始条件的微小变化就能带动整个系统长期、巨大的连锁反应。

6.2 大规模的城乡网络结对

  2014年，城乡学校网络结对活动启动，当时的设备为：主讲教室(在线课堂主机+音频设备+音频播放设备)和听讲教室(在线课堂主机+音频设备+视频设备)，可以实现一对多，音视频转播可以实现大屏幕上1∶1在线授课，师生互动比2013年有较大进步。但是由于在线课堂平台是通过搭建区域服务器的方式进行课堂间的互联互通，受到不同运营商间网络互通限制及区域服务自身的性能和带宽限制，上课时经常出现卡顿及延时。随着网络技术的进一步成熟，2018年，利用在线课堂主机硬盘，采用云计算解决方案，各个教室间的互联互通改为通过专有的视频云进行传输，各教室网络仅作为互联网入口，其余的交互传输均通过视频云端，有效解决了异网传输限制的问题。双向互动延时可减少到1 s以内，使各教室间的互动更加便捷流畅，卡顿问题也得到解决。

  城乡网络结对活动成效显著，以安徽省金寨县为例，“双师教学”课堂丰富的信息技术资源应用，有效解决了金寨山区学校优质教育资源不足的问题，也解决了金寨山区教学点“缺师少教”，不能开齐开足课程的教育短板，有效提高了教学质量。2020年的中高考成绩显示，金寨县高分段人数进一步增加，各校办学活力得到进一步彰显。

6.3 “双师教学”向课后“三点半”服务延伸

  2021年7月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》，课后服务逐步铺开。目前，课后“三点半”服务的实施过程中也遇到了问题：一是学校教师教学任务重，长期参与课后“三点半”服务，会对教师的日常工作造成消极影响。二是课后“三点半”服务目前大多聚焦在体育艺术类活动上，如果全校大部分学生都参与，会受到场地限制。三是学校现有课后“三点半”服务内容比较单一，缺乏开发创新服务的专业队伍和相应的师资力量。利用现有的校园信息化硬件设备，通过高品质的“双师教学”课堂互动教学系统一带多，能有效解决学校教师资源紧张和课程资源缺乏等问题。

6.4 人工智能伴随式“双师教学”时代的到来

  国务院2017年颁布了《新一代人工智能发展规划》，人工智能走进课堂，渗透到教育的方方面面，能在一定程度上提高教学质量、提升学生的学习成绩，也会带来教学评估方法的革新。在人工智能伴随式“双师教学”中，人工智能可通过搜集教学数据，对教师的教学行为和学生的学习行为进行全面分析，并自动画像，生成知识点学习发展地图；学生可借助情感机器人的语音提醒，获得陪伴式学习；同时结合知识图谱，自动汇聚领域知识库，帮助教师针对学生学习情况，生成个性化的训练试题库，实现精准教学。现在，智能手环等智能运动设备测评工具已开始进入校园，能对学生每天的健康数据进行深度采集，为学生的运动技能提供个性化的训练计划。人工智能伴随式“双师教学”模式也将使教育发展出新形态[12]。具体架构见图3。

图3 人工智能伴随式“双师教学”模型

  人工智能时代的到来，让很多教师担忧工作是否最终会被机器取代。其实，这种担心是多余的，教师应将更多的精力和时间投入人工智能无法实现的事情上，关怀学生的个性化成长，引导学生发展机器无法替代的能力，如想象力、创造性、情感态度与价值观等[13]。

6.5 教育帮扶方兴未艾 “双师”功能转型升级

  笔者在调研中也发现，参与教育扶贫性质在线课堂的学校越来越少。如安徽省肥西县，开始有33个学校参与，现在仅剩3所。金寨县原来有177个学校参与，现在只有60多所。分析其原因：一是城市化的发展使农村生源大幅减少，学校撤并减少；二是随着国家经济的发展，农村教师配备趋向合理化，教学设备的配备也不断完善；三是有些农村学校教师经过多年的“双师同课”，专业水平得到提升，已逐渐成长为教学骨干。因此，“双师教学”的功能也开始转型，向着同城名师资源共享、远程优质资源覆盖、支援课后“三点半”服务师资力量等转化。这使得“双师教学”覆盖的学校越来越多，覆盖的领域越来越广。

  总之，“互联网+双师教学”是一种不断发展的有效教育模式，能有效解决城乡教育资源不均衡、学校教师资源不足等问题，也充分发挥了城乡教师的最大教育价值，取长补短，各尽其能，协同创新教育模式，从而让教学效果实现最大化。（转自：中国教育装备）

参考文献
[1] 国务院关于推动城乡义务教育一体化发展 提高农村义务教育水平工作情况的报告[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_176/201808/t20180828_346404.html.
[2] 韦程东,闭柄华,覃海礼,等.“双师教学”模式及其引发的思考[J].广西师范学院学报(自然科学版),2016(3):110-112.
[3] 王军.构建“双师教学”模式促进教育均衡发展[J].中小学信息技术教育,2014(2):16-17.
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[9] 凝聚科研力量 推动内蒙古大数据发展[EB/OL].http://www.cssn.cn/.
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[11] 汤敏.用“双师教学”模式改造乡村教师培训[J].中国教师,2015(19):78-80.
[12] 刘德建,杜静,姜男,等.人工智能融入学校教育的发展趋势[J].开放教育研究,2018(4):33-42.
[13] 黎加厚.人工智能时代的“育人”教育[J].创新人才教育,2019(1):33-36.