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智慧教育體系架構與關鍵支撐技術
作者：楊現(xiàn)民余勝泉
中國電化教育 2015年05期
中圖分類號：G434 文獻標識碼：A
自從2008年IBM首次提出“智慧地球”概念，“智慧地球”戰(zhàn)略得到了世界各國的普遍認可。智慧城市作為智慧地球戰(zhàn)略的重要組成部分，已被眾多發(fā)達國家納入科技發(fā)展規(guī)劃。2012年12月我國正式啟動了國家智慧城市試點工作，國內很多大中城市規(guī)劃文件中明確提出建設智慧城市。教育對未來城市的發(fā)展起著決定性的作用。隨著交通、醫(yī)療、物流、能源等各個領域智慧化水平的不斷提升，教育領域面臨前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。不可否認，教育信息化的發(fā)展水平在我國信息化產(chǎn)業(yè)體系中目前處于落后位置，是制約國家信息化整體水平提升的“短板”。如何提升教育領域的智慧化水平，與其他領域并驅發(fā)展，是未來智慧城市發(fā)展面臨的重大現(xiàn)實問題。
目前，北京、上海、廣州、寧波等城市正在緊鑼密鼓地推進智慧教育的規(guī)劃與實施。在前期參與一些城市智慧教育發(fā)展規(guī)劃項目的過程中發(fā)現(xiàn)，研究者、企業(yè)人士、教育機構領導等對智慧教育的理解仍比較“模糊”，不清楚智慧教育系統(tǒng)究竟包括哪些要素，該如何建設。本文在調研國內外智慧教育研究現(xiàn)狀基礎上，嘗試構建了智慧教育的體系架構，并對智慧技術在教育領域的創(chuàng)新應用思路進行設計，期望能對國內智慧教育建設帶來一定啟發(fā)。
二、智慧教育研究現(xiàn)狀
信息化視角下的智慧教育研究剛剛起步，國內外已有一些研究者和實踐者開始對智慧教育進行前期探索。
(一)國內研究現(xiàn)狀
當前智慧教育在實踐層面提的比較多，國內外一些IT企業(yè)(如IBM、方正、華為等)紛紛提出了智慧教育解決方案，學術層面的研究剛剛起步。國內自2011年開始出現(xiàn)從教育信息化發(fā)展角度專門探討智慧教育的研究成果。
智慧教育內涵方面，祝智庭、尹恩德、金江軍等學者分別從不同視角出發(fā)進行了闡釋。祝智庭教授[1]構建了理解智慧教育的基本圖式，描述了智慧教育、智慧環(huán)境(智慧計算是其核心技術)和智慧教學三者之間的關聯(lián)性，認為智慧教育要以智慧學習環(huán)境為技術支撐，以智慧教學法為催化促導，以智慧學習為根本基石。尹恩德[2]認為，智慧教育是指運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算為代表的一批新興的信息技術，統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調發(fā)展教育系統(tǒng)各項信息化工作，轉變教育觀念、內容與方法，以應用為核心，強化服務職能，構建網(wǎng)絡化、數(shù)字化、個性化、智能化、國際化的現(xiàn)代教育體系。金江軍[3]認為，智慧教育是教育信息化發(fā)展的高級階段，是教育行業(yè)的智能化，與傳統(tǒng)教育信息化相比表現(xiàn)出集成化、自由化和體驗化三大特征。
智慧教育技術架構方面，也有部分學者從云計算入手研究了智慧教育云平臺的架構。葛虹[4]對區(qū)域智慧教育云構建的方法、技術與策略進行了研究，指出區(qū)域智慧教育要以實現(xiàn)教育管理信息化、學校應用信息化、社會教育信息化為功能目標，要加強教育城域網(wǎng)的建設與教育信息樞紐的構建，大力實施云戰(zhàn)略，促進教育信息資源的區(qū)域無縫共享和深入應用。張進寶等人[5]提出了智慧教育云架構，指出智慧教育云具有服務情境識別、智能信息提取、智能信息處理、智能信息檢索、智能信息推送等五個方面的關鍵技術特征。亞洲教育網(wǎng)開發(fā)了支持廣電網(wǎng)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合的智慧教育云平臺，該平臺以公共服務器集群為基礎，提供Iaas、Paas、Saas三層服務，滿足教育行業(yè)的資源開放與共享需求，同時支持手機、電腦、電視跨平臺訪問[6]。
此外，智慧教育環(huán)境的建設也是國內研究者關注的重點。不少學者分別對智慧校園[7][8]和智慧教室[9][10]的概念、特征、系統(tǒng)構建、技術方案等進行了研究。
(二)國外研究現(xiàn)狀
當前，國際上的智慧教育研究主要以韓國學者為主。韓國2011年正式頒布“智慧教育推進戰(zhàn)略”，隨后一大批研究者紛紛開始探索智慧教育。
Choi & Lee[11]介紹了韓國正在推進的智慧教育行動計劃，該計劃強調物理的智慧教育環(huán)境建設和教育內容的開發(fā)，此外還考慮到智能設備、無線網(wǎng)絡的維護以及教師信息技術應用能力的提升。Kim等人[12]認為高度發(fā)達的信息技術在教育中的應用已經(jīng)成為全球的發(fā)展趨勢，智慧學習是以泛在學習和社會化學習為基礎形成的新型學習范式。An等人[13]重點對智慧教育內容進行了研究，指出智慧教育需要為學習者提供智慧的、合適的學習環(huán)境，學習者可以按需獲取任何學習材料，這些學習材料要經(jīng)過精心組織，以方便學習者的使用。
智慧教育系統(tǒng)研發(fā)也取得了一定進展。Jo，Parker & Lim[14]研發(fā)了一種面向智慧教育的教案生成平臺，可以輔助教師快速創(chuàng)作教案。Jo，Yang & Lim[15]基于智慧教育的核心理念設計開發(fā)了一套結構化的插件式智慧教育系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智慧內容服務子系統(tǒng)和家校學習子系統(tǒng)組成。智慧內容服務子系統(tǒng)用來創(chuàng)建、管理、關聯(lián)學習內容，家校學習子系統(tǒng)用來支持協(xié)作學習和終身學習。Jeong，Kim & Yoo[16]提出一種采用云架構的智慧教育系統(tǒng)，可以遞送和分享各種增強型的教育內容，包括視頻、圖片、三維對象以及增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實場景。此外，還有部分學者對智慧教育環(huán)境下的教師能力評估工具[17]進行了研究。
此外，針對目前智慧學習者大多使用電子教科書提供的批注、書簽和筆記功能進行學習的現(xiàn)象，Kim，Sohn & Lee[18]提出了注釋內容的學習模型，以分析學習者在電子教科書中的注釋與筆記行為。并且在該模型的基礎上開發(fā)出相似的算法，能找到有類似學習風格的學生所創(chuàng)建的注釋或筆記，實現(xiàn)學習者之間交流和共享知識、想法、經(jīng)驗，在很大程度上促進了資源的進化，并形成關于某一學習主題的資源圈。這些有類似學習風格的學習者也可以創(chuàng)建網(wǎng)上社區(qū)，建立起較為穩(wěn)定的學習共同體和人際圈。Scott & Benlamri[19]等人采用語義Web技術和泛在技術開發(fā)了智慧學習空間，可以向學習者提供情境感知服務，如通過感知學習者的位置和學習活動情況，向學習者智能推送個性化的學習資源，并能高效地促進學習者之間的交流和實時共享學習資源。
總的來說，上述研究對于普及智慧教育理念、推動智慧教育云平臺建設起到了重要的“奠基”作用。然而，智慧教育是一個宏大的系統(tǒng)工程，當前研究更多地聚焦在教育云服務平臺的研發(fā)上，忽視了智慧教育體系的整體架構。智慧教育系統(tǒng)究竟包含哪些要素？其核心業(yè)務又有哪些？關鍵性的支撐技術是什么？如何創(chuàng)新應用？……這些問題已成為智慧教育戰(zhàn)略推進過程中亟待解決的關鍵問題。
三、智慧教育體系架構
智慧教育是依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、無線通信等新一代信息技術所打造的智能化教育信息生態(tài)系統(tǒng)，是數(shù)字教育的高級發(fā)展階段，旨在提升現(xiàn)有數(shù)字教育系統(tǒng)的智慧化水平，實現(xiàn)信息技術與教育主流業(yè)務的深度融合(智慧教學、智慧學習、智慧管理、智慧評價、智慧科研和智慧服務)，促進教育利益相關者(學生、教師、家長、管理者、社會公眾等)的智慧養(yǎng)成與可持續(xù)發(fā)展[20]。依據(jù)上述定義，筆者構建了智慧教育體系架構(如圖1所示)。智慧教育體系可以概括為“一個中心、兩類環(huán)境、三個內容庫、四種技術、五類用戶、六種業(yè)務”。
需要說明的是，智慧教育不是孤立的系統(tǒng)，而是智慧城市的重要組成部分。因此，智慧教育體系架構需要通過標準的接口規(guī)范與智慧城市中的其他智慧系統(tǒng)(醫(yī)療、交通、城管、物流、能源等)進行連通，共享基礎數(shù)據(jù)。智慧教育將改變教育產(chǎn)業(yè)的結構，促進傳統(tǒng)教育產(chǎn)業(yè)的升級，形成規(guī)�；闹腔劢逃a(chǎn)業(yè)，從而為智慧教育的可持續(xù)發(fā)展提供源源不斷的技術、產(chǎn)品和服務保障。智慧教育產(chǎn)業(yè)的快速、健康、有序發(fā)展離不開標準，因此智慧教育系列標準也是智慧教育體系的重要組成部分。此外，為了保障智慧教育的可持續(xù)發(fā)展，需要配套相應的建設保障機制和應用推進機制。
圖1 智慧教育體系架構
(一)一個智慧云中心
“智慧教育云中心”是帶動一個國家或地區(qū)教育信息化整體飛躍發(fā)展的關鍵，對突破教育信息化中普遍存在的“資金難籌措”“應用難推進”“共享難實施”等三大瓶頸有著至關重要的作用。因此，智慧教育發(fā)展要將智慧教育云中心的建設放在首要位置。智慧教育云中心要提供統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一身份認證、統(tǒng)一接口和統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心等基礎支持服務，有效整合現(xiàn)有的軟硬資源和信息數(shù)據(jù)，為學校提供計算、存儲、網(wǎng)絡安全等計算資源服務，實現(xiàn)通用教育業(yè)務的集中化管理和信息資源的按需分配；整合現(xiàn)有各類教育軟件系統(tǒng)，促進應用系統(tǒng)貫通與集成，形成基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的集成、智能的信息平臺，為廣大教育用戶提供“人人通”空間服務。智慧教育云中心的建設要合理定位，適度超前規(guī)劃，構建基于人、財、物、教學資源等基礎數(shù)據(jù)庫的大集中方式的應用系統(tǒng)平臺，使其成為教育數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)運算、網(wǎng)絡管理服務、應用服務的中心和樞紐，支撐全系統(tǒng)教育信息化應用工作的開展。
(二)兩類智慧環(huán)境
智慧環(huán)境是智慧教育實施的基礎和保障，需要創(chuàng)新應用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、語義網(wǎng)、移動通信等新一代信息技術，完善兩類智慧教育環(huán)境，分別是支持學校教育的智慧校園和支持終身教育的學習型智慧城區(qū)。智慧校園重點建設智慧教室、智慧備課室、智慧語音室、智慧圖書館(學校)、智慧探究實驗室等智慧型功能室；對現(xiàn)有網(wǎng)絡設備進行升級與改造，普及高速無線校園網(wǎng)；建設基于RFID技術和傳感器技術的智慧型教育裝備，使其能實現(xiàn)各類物體的互連、識別，以及智能化的數(shù)據(jù)傳遞服務。可將RFID應用于教育管理領域，如學生行蹤、門禁系統(tǒng)、圖書管理等；將傳感器應用于課程內外教學中，如實驗活動的開展、學生聽課狀況的記錄、學生健康安全的監(jiān)測等方面。學習型城區(qū)建設要以區(qū)域教育寬帶網(wǎng)為主要平臺，充分利用教育信息化的基礎設施和現(xiàn)代網(wǎng)絡遠程教育手段，重點建設除了智慧校園以外的各種智慧化學習環(huán)境，包括智慧博物館、智慧美術館、智慧圖書館、智慧公園、智慧社區(qū)、智慧教育探究基地等，支持社會大眾的終身學習。
(三)三個智慧內容庫
學習資源是實現(xiàn)教育系統(tǒng)變革的基礎，是教育智慧沉淀、分享的重要載體。需要重點建設三個沉淀智慧的內容庫，包括學習資源庫、開放課程庫和管理信息庫。
1.學習資源庫。學習資源庫是教師智慧教學和學習者智慧學習所需資源的基本來源，該庫主要由教學案例、多媒體課件、試題和試卷、電子圖書、媒體素材、資源目錄索引、教育網(wǎng)站、研究專題、認知工具、文獻資料等資源組成。學習資源庫的建設要以應用為導向，緊密圍繞新課程，統(tǒng)一整合來自多個渠道的優(yōu)質教學資源，以自建與購買相結合的模式建設新課程教育教學資源網(wǎng)站群，建立符合新的國家課程標準的教學資源體系以及相應的建設和應用模式，促進優(yōu)秀教育教學資源廣泛共享與應用。此外，還可以通過數(shù)據(jù)挖掘、語義技術和機器學習等技術將教學和學習活動中生成性信息資源進行持續(xù)采集，加工整理后入庫。
2.開放課程庫。隨著MOOCs熱潮在全球范圍內的興起和發(fā)展，開放課程資源的建設共享已成為國際教育資源發(fā)展的重要趨勢。開放課程庫的建設要堅持開放共享的理念，建立合理、可行、有效的課程資源建設與分享模式；部署開放教育應用平臺，建設一批通過網(wǎng)絡向社會大眾提供可公開訪問的，并支持超大規(guī)模學生交互式參與的在線課程；建立促進區(qū)域開放課程動態(tài)生成、有序進化的共建共享體系，吸引e-Learning服務商、出版社、培訓機構、學校等廣泛參與各類開放課程建設，并將現(xiàn)有的網(wǎng)易公開課、新浪公開課、鳳凰微課等開放課程資源通過合理途徑集成到開放課程庫中。
3.管理信息庫。管理信息庫在整個智慧資源體系中占有重要地位，管理信息的大規(guī)模、標準化采集是實現(xiàn)教育業(yè)務智慧管理的重要前提。教育管理信息數(shù)據(jù)是教育行政部門經(jīng)常需要用到的一些基礎業(yè)務管理數(shù)據(jù)，如學生、教師、教學、科研、體衛(wèi)、設備、房產(chǎn)、辦公等。應統(tǒng)一開發(fā)校務與教學管理系統(tǒng)，統(tǒng)一使用數(shù)據(jù)標準，與地區(qū)教育信息數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫無縫連接，實現(xiàn)教育基礎數(shù)據(jù)的從下到上的持續(xù)采集與動態(tài)更新。
(四)四種智慧技術
物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、泛在網(wǎng)絡是支撐智慧教育“大廈”構建的關鍵技術。物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術是智慧教育系統(tǒng)建設的“智慧支柱”，泛在網(wǎng)絡和云計算技術是智慧教育系統(tǒng)建設的“智慧底座”。
1.物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結合形成的一個巨大網(wǎng)絡，其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制[21]。物聯(lián)網(wǎng)的基礎是信息采集，目前主要采用傳感器和電子標簽等方式完成，傳感器用來感知采集點的環(huán)境參數(shù)，電子標簽用于對采集點的信息進行標識。采集后經(jīng)過無線網(wǎng)絡上傳至網(wǎng)絡信息中心存儲，并利用各種智能技術對感知數(shù)據(jù)進行分析處理以實現(xiàn)智能控制。
2.大數(shù)據(jù)。“大數(shù)據(jù)”一詞自從2011年提出以來，已成為當前最為炙手可熱的IT技術。大數(shù)據(jù)的來源廣泛，包括海量的、多樣化的交易數(shù)據(jù)、交互數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術是一系列收集、存儲、管理、處理、分析、共享和可視化技術的集合[22]。大數(shù)據(jù)并非等同于大量的數(shù)據(jù)，其具有兩個更加重要的特征：跨領域數(shù)據(jù)的交叉融合與數(shù)據(jù)的流動生長。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比具有非結構化、分布式、量大等特性。大數(shù)據(jù)的核心技術包括大規(guī)模并行處理數(shù)據(jù)庫、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫、云計算平臺、互聯(lián)網(wǎng)和可擴展的存儲系統(tǒng)。
3.云計算。云計算是繼個人計算機變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后的第三次IT浪潮，已成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。云計算中的“云”主要用來強調計算泛在性和分布性，實質上是分布式計算、并行計算和網(wǎng)格計算等技術的發(fā)展[23]。云計算熱潮的出現(xiàn)源于其能夠將分布在各地的服務器群進行網(wǎng)聯(lián)，能夠實現(xiàn)大規(guī)模計算能力、海量數(shù)據(jù)處理和信息服務的需求。
4.泛在網(wǎng)絡。泛在網(wǎng)絡是通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的高度協(xié)同和融合，將實現(xiàn)跨網(wǎng)絡、跨行業(yè)、跨應用、異構多技術的融合和協(xié)同[24]。泛在網(wǎng)絡將信息空間與物理空間實現(xiàn)無縫的對接，其服務將以無所不在、無所不包、無所不能為三個基本特征，幫助人類實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信，都能通過合適的終端設備與網(wǎng)絡進行連接，獲得前攝性、個性化的信息服務[25]。
智慧教育系統(tǒng)的建設需要綜合應用多種信息技術，除了上述四種智慧技術外，增強現(xiàn)實、定位導航等先進技術的不斷發(fā)展，也將為智慧教育系統(tǒng)的構建提供重要支撐。
(五)五類服務用戶
教育管理者、教師、學生、家長和社會公眾是智慧教育系統(tǒng)的五類核心用戶。智慧教育要為各類用戶提供最需要、最適合、最準確、最便捷的教育服務，滿足他們接受美好教育的期盼，發(fā)展數(shù)字智慧，提升生命質量。
1.為管理者提供智慧管理服務。各級教育管理者可以更加直觀地查看所轄范圍內的教育資源配置狀況；查看任意時間段各個學校的運行狀況(教學、管理、安全等)；查看所有教育設備及資產(chǎn)的運行狀況；查看各地區(qū)、學校的教育發(fā)展統(tǒng)計報表；依據(jù)全面的教育統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，更加科學地確定教育經(jīng)費投入及分配政策；科學評估教育產(chǎn)生的社會經(jīng)濟效益；全面掌握所轄范圍內教育均衡發(fā)展現(xiàn)狀；更加直觀地查看各個地區(qū)、學校的數(shù)字教學資源建設、應用與共享狀況；實時監(jiān)控所轄范圍內任何學校、任何班級的考試情況；全面掌控校園安全狀況，果斷及時處理安全事故，打造平安校園。
2.為教師提供智慧教學服務。教師可以主持、參與跨區(qū)、跨校名師公開課；將名師資源引入課堂教學；全面掌握學生的學習成績分析數(shù)據(jù)，開展針對性教學；實時了解班級學生出勤狀況；及時與家長、同事、校領導溝通交流；加入教師社群，開展網(wǎng)絡教研活動；更加高效、便捷地進行網(wǎng)絡備課；對學生的作業(yè)和試卷進行自動批改和自動分析；快速獲取、加工和集成教學資源，支持課堂教學；根據(jù)學習者特征，進行快速分組，組織課堂協(xié)作學習；靈活控制學習終端，實時向學生推送相關學習資源；登錄個人教學空間，動態(tài)獲取系統(tǒng)推送的優(yōu)質教學資源。
3.為學生提供智慧學習服務。學生可以利用博物館、圖書館等數(shù)字場館資源開展自主探究學習；免費學習國際、國內名師開放課程；參加校際同步課堂，享受優(yōu)質教學資源；及時與教師、同學溝通交流，解決學習、生活中遇到的難題；利用各種媒體終端進行隨時隨地的學習、交流和分享；登錄個人學習空間，動態(tài)獲取系統(tǒng)推送的個性化、優(yōu)質學習資源；及時獲得學習的評價反饋信息，彌補自身知識缺陷；將學習過程中的關鍵信息存入電子學檔，開展發(fā)展性評價；將課堂教學反饋信息及時傳遞給教師，便于教師調整教學；享受學習、交通、購物、醫(yī)療等一卡通服務。
4.為家長提供智慧溝通服務。家長可以及時查收學校、教師發(fā)布的教學、考試、出勤等信息；將孩子的家庭作業(yè)完成情況及時反饋給教師；及時了解孩子是否安全達到學校；學校開放日通過網(wǎng)絡實時查看教師授課情況；隨時查看孩子在學校的學習情況；及時了解孩子的學習成績及變化情況；了解各學校最新信息，包括升學率、就業(yè)率、熱門專業(yè)、優(yōu)勢學科等。
5.為公眾提供智慧資源服務。廣大市民可以免費享受各級各類教育機構開放的優(yōu)質教育資源；在線接受各種信息技術應用培訓；通過多種終端設備獲取系統(tǒng)推送的個性化學習資源；為教育發(fā)展出謀劃策，將建議通過多種渠道反饋給教育主管部門；參加各種正規(guī)教育與非正規(guī)教育，實現(xiàn)終身學習。
(六)六種智慧業(yè)務
智慧教育要推動信息技術與教育教學的深度融合，有效支撐包括智慧教學、智慧學習、智慧管理、智慧科研、智慧評價和智慧服務在內的六大主流教育業(yè)務的順利開展。
1.智慧教學
隨著科學技術的發(fā)展，教學形式也在不斷發(fā)生改變。根據(jù)各種技術工具在教學中的應用情況，可以將教學發(fā)展過程分為傳統(tǒng)教學、電化教學、數(shù)字化教學和智慧教學四個階段。智慧教學是教師在智慧教學環(huán)境下，利用各種先進信息化技術和豐富的教學資源開展的教學活動。智慧教學以提升教師教學智慧，促進教師專業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目的，可以有效改善傳統(tǒng)課堂教學存在的機械、低效、參與不足等現(xiàn)象，具有高效、開放、多元、互通、深度交互等基本特征。
教學環(huán)境的改變對教師的信息化教學能力提出了更高要求，因此需要進一步實施教師信息技術應用能力提升工程，開展全員培訓，鼓勵教師在智慧教室實施各種新型教學模式，構建智慧型課堂。課前，教師利用智能備課系統(tǒng)進行電子備課；課中，既可以使用視頻會議子系統(tǒng)開展異地同步互動教學，還可以監(jiān)控每一位學生的學習過程，了解其學習進展與困難，進行個性化指導；課后，教師通過智能作業(yè)批改系統(tǒng)，自動分析學生作業(yè)成績，通過可視化圖表方式一目了然地呈現(xiàn)學生作業(yè)結果及變化趨勢。
2.智慧學習
智慧學習是在智慧環(huán)境中開展的完全以學習者為中心的學習活動。學習者不僅能夠即時獲取自己所需的資源、信息和服務，還能夠享受到個性化定制的資源和服務，不斷發(fā)掘自己的興趣愛好，挖掘自己的潛能，使得學習過程更加輕松高效。智慧學習具有個性化、高效率、沉浸性、持續(xù)性、自然性等基本特征，能夠幫助學習者不斷認識自己、發(fā)現(xiàn)自己和提升自己，成為21世紀知識和智慧的創(chuàng)造者。
智慧學習的開展需要學生具備較強的學習力。學習力是組織和個體掌握知識、創(chuàng)造知識、傳承文化的基礎，它主要包括組織學習活動的能力、獲取知識的能力、運用知識的能力、創(chuàng)造知識的能力以及伴隨學習過程而發(fā)生的一系列智力技能[26]。智慧教育環(huán)境下要著重培養(yǎng)學生在認知、創(chuàng)造、內省和交際四大領域的學習能力。
3.智慧管理
不可否認，我國的教育管理信息化已經(jīng)走在了教學信息化的前面。然而，當前的教育管理信息化體系仍有待完善，智能化水平有待提升。頻繁的數(shù)據(jù)錄入、導出、統(tǒng)計、更新、報表制作等大多數(shù)管理工作仍需要“人工”完成。對教育數(shù)據(jù)的使用多限于簡單的統(tǒng)計分析，未對教育數(shù)據(jù)做深度挖掘。
為了提升教育管理的智慧水平，使教育管理從“人管、電控”走向智能管控[27]，需要建設統(tǒng)一的智慧管理云平臺，對外界需求進行智能處理，提供資源配置、數(shù)據(jù)集成、信息管理、運行狀態(tài)監(jiān)控、教育質量監(jiān)測等業(yè)務支持，實現(xiàn)教育的智能決策、可視化管控、安全預警和遠程督導。
4.智慧評價
傳統(tǒng)教育評價存在評價標準和內容過于片面、缺少真實性與動態(tài)性評價、對數(shù)據(jù)利用和挖掘不夠充分、難以開展持續(xù)性和終身性評價等弊端。隨著信息技術的發(fā)展和智慧教學環(huán)境的完善，學習者的學習行為和結果數(shù)據(jù)將越來越豐富。
智慧評價需要充分利用大數(shù)據(jù)、云計算等先進技術，定期、持續(xù)采集各類教育數(shù)據(jù)(學業(yè)成就、體質狀況、教學質量等)，并對數(shù)據(jù)進行深度挖掘，以得出更加科學、準確的評價結果。學生和教師的檔案袋數(shù)據(jù)需要永久存儲在云端，同時通過科學的評估模型，客觀、全面評價教師的教學績效和學生的學習績效，并提出更具針對性的發(fā)展建議。
5.智慧科研
傳統(tǒng)科研存在科研信息無法及時共享、團隊智慧性難以充分發(fā)揮、“高門檻”實驗難以開展等弊端。智慧科研以數(shù)字科研為基礎，以許多新興前沿技術(如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、視頻會議等)作為支撐和保障，注重協(xié)作性、共享性和創(chuàng)新性，強調將個人的小智慧匯聚成集體的大智慧，通過科研成果的共享，啟迪研究者的研究智慧，促進科研的創(chuàng)新發(fā)展。
智慧科研的開展需要創(chuàng)設良好的網(wǎng)上教研環(huán)境，建立基于網(wǎng)絡的教師協(xié)同教研平臺，使得基于網(wǎng)絡協(xié)作教學研究在全區(qū)范圍內得到廣泛應用開展，真正提升教學教研質量，促進教師專業(yè)發(fā)展；組建科研網(wǎng)絡共同體，匯聚每位科研人員的集體智慧，促進科研成果的快速流通和轉換、科研數(shù)據(jù)的及時分享，實現(xiàn)技術支持下的協(xié)同創(chuàng)新。
6.智慧服務
教育的本質是一種特殊的服務，信息技術的進步為教育服務的智慧化水平提升創(chuàng)造了條件。智慧服務是整個智慧教育系統(tǒng)和諧運轉的基礎，主要包含運維云服務和培訓公共服務。其中，智慧教育運維云服務提供全天候的智慧教育系統(tǒng)運維服務，保障智慧教育系統(tǒng)和諧運轉；智慧教育培訓公共服務提供惠及全民的個性化學習與培訓服務。
四、智慧技術創(chuàng)新應用
物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、泛在網(wǎng)絡是智慧教育體系構建的重要支撐技術。近年來，這些技術在政府、企業(yè)、科研機構等多方努力和推動下不斷成熟，并在經(jīng)濟、醫(yī)療、環(huán)境等領域的應用取得較大進展。智慧教育的建設與可持續(xù)發(fā)展離不開這些先進技術的創(chuàng)新應用。接下來，將對智慧技術在教育領域的創(chuàng)新應用思路進行分析。
(一)物聯(lián)網(wǎng)：提升教育環(huán)境與教學活動的感知性
物聯(lián)網(wǎng)基于傳感器和電子標簽兩大主要技術，可以在課堂教學、課外學習和教育管理三個方面給教育提供支持，優(yōu)化教育環(huán)境，豐富教學資源，改善學習方式，節(jié)省管理成本，提高管理效率[28]。智慧教室是一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術集智慧教學、人員考勤、資產(chǎn)管理、環(huán)境智慧調節(jié)、視頻監(jiān)控及遠程控制于一體的智能化教學環(huán)境，運用智慧技術，支持智慧教與學，實現(xiàn)教室的智慧管理[29]。國內一些廠商已經(jīng)紛紛推出了智慧教室解決方案，并在中小學校推廣應用。2011年，無錫成為江蘇省首個感知教育實驗示范區(qū)，累計建設28所感知教育應用實驗學校，建成中小學物聯(lián)網(wǎng)比特實驗室20個，用于普及物聯(lián)網(wǎng)傳感技術，培養(yǎng)中小學生的探究精神和創(chuàng)新能力。江南大學應用物聯(lián)網(wǎng)、通信、信息、控制、檢測等前沿技術，自主研發(fā)了“數(shù)字化能源監(jiān)管”平臺，通過“數(shù)字化”的方式，將原來能源管理過程中的“模糊”概念變成清晰數(shù)據(jù)，為管理者提供更好、更科學的決策支持，打造低碳綠色校園。
物聯(lián)網(wǎng)技術除了可以用于構建智能化教學環(huán)境、豐富實驗教學、輔助能源管理之外，還可以在以下幾個方面發(fā)揮優(yōu)勢：(1)學生體質健康監(jiān)測，通過為學生佩戴體質監(jiān)測方面的傳感器，可以動態(tài)、持續(xù)獲取學生的體溫、脈搏、心率、血壓等體征數(shù)據(jù)，構建全國性或區(qū)域性的學生體質健康數(shù)據(jù)庫；(2)學習情境數(shù)據(jù)采集，通過傳感器結合定位技術，可以實時捕獲學習者的學習地點、時間、內容、狀態(tài)、環(huán)境信息等學習情境信息，用于適應性推送學習資源、活動、工具和服務；(3)拓展課外教學活動，比如開展基于物聯(lián)網(wǎng)的“數(shù)字化微型氣象站”在科學教育中的應用實踐，將先進的測量技術、傳感技術與現(xiàn)代教學理念相結合，支持學生的正式學習、戶外學習和區(qū)域合作性學習[30]，還可以利用智慧教育探究基地，鼓勵學生親身體驗、探究各種科學現(xiàn)象，培養(yǎng)其探究精神和創(chuàng)新能力；(4)教育安全監(jiān)控與危機快速處理，基于物聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控等技術構建校園安防系統(tǒng)，實時、全面監(jiān)控校園運行情況，跟蹤每個學生的進校、離校情況，準確定位危機發(fā)生地點，快速處理校園危險事件；(5)教學設備管理，學校的教室設備、會議設備、實驗器材等分布離散、信息透明度小、管理難度大，通過給這些物理教學設備粘貼RFID標簽或傳感器，分配專人管理，可以進行統(tǒng)一管理和調度，有效檢測設備的工作狀態(tài)。
(二)大數(shù)據(jù)：提高教育管理、決策與評價的智慧性
隨著教育信息化進程的推進，學習、教學、科研、管理過程中無時無刻不在產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術將對我國的教育信息化產(chǎn)生巨大沖擊和深刻影響。當前，國際知名的大數(shù)據(jù)教育應用典型案例當屬美國普渡大學的“課程信號”項目[31]。該項目通過“課程信號”平臺全程采集、匯聚學生課程學習數(shù)據(jù)，根據(jù)成功預測算法分析學生課程學習的成功概率，然后教師進行針對性的交流反饋、推薦學習資源，最終提高了學生學習成功率和新生保有率(大一新生在結束大一課程后仍在這所大學繼續(xù)就讀的比例)。近年來，國內一些高校已經(jīng)開始應用大數(shù)據(jù)技術輔助教育教學管理。華東師范大學利用預警系統(tǒng)跟蹤學生的餐飲消費數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)低于警戒值就發(fā)出短信慰問，確定學生是否有經(jīng)濟困難需要幫助。浙江大學通過對資產(chǎn)的歸納、整理，最終形成權威、全面的資產(chǎn)數(shù)據(jù)，并基于資產(chǎn)數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)查詢和分析服務[32]。清華大學對學生成長類的數(shù)據(jù)進行分析，比如針對進校時成績很優(yōu)秀的一批學生，追蹤其在大學四年的各種數(shù)據(jù)，觀察其成長路徑，或者對畢業(yè)時表現(xiàn)很優(yōu)秀的學生進行追溯。
此外，大數(shù)據(jù)技術還可以在以下幾個方面發(fā)揮優(yōu)勢：(1)教育輿情監(jiān)測與剖析，互聯(lián)網(wǎng)的開放性為廣大師生提供了自由發(fā)表言論的空間和機會，尤其是Web2.0時代的到來，微博、微信、QQ、論壇等各種社交工具成為師生交流的重要渠道，通過大數(shù)據(jù)技術可以準確把握師生群體的言論動向，快速預測教育輿情，并進行輿情發(fā)生原因的深層剖析；(2)教育信息化與現(xiàn)代化發(fā)展水平評估，依據(jù)信息化與現(xiàn)代化發(fā)展評價指標，全面、動態(tài)、持續(xù)采集各方數(shù)據(jù)，對國家或地區(qū)的教育信息化與現(xiàn)代化發(fā)展現(xiàn)狀進行準確評估，同時自動診斷薄弱環(huán)節(jié)，全面推進教育信息化與現(xiàn)代化事業(yè)發(fā)展；(3)教育機構布局與教育經(jīng)費調整，全面采集全國或區(qū)域范圍內教育機構的分布數(shù)據(jù)、學生入學退學轉學數(shù)據(jù)、教育經(jīng)費投入數(shù)據(jù)等，依據(jù)科學的評估模型，調整下一階段的教育機構布局、教育經(jīng)費投入及分配等政策；(4)學生的發(fā)展性評價，持續(xù)跟蹤、采集學生成長過程中的各種數(shù)據(jù)，進行全面、系統(tǒng)的統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘，為學生提供更加科學、全面的發(fā)展評價報告；(5)基于大數(shù)據(jù)的科學研究，動態(tài)采集科研所需數(shù)據(jù)，對大規(guī)�？蒲行畔⑦M行分析處理，發(fā)現(xiàn)其內在關聯(lián)性，預測科研發(fā)展趨勢，提高科研效率和科研結果的可信度。
(三)云計算：拓展教育資源與教育服務的共享性
相比物聯(lián)網(wǎng)技術，云計算在教育中的應用更為普及和成熟。云計算技術在高校的發(fā)展，已經(jīng)從原來的理論步入實際應用。云計算已經(jīng)在清華大學、中科院等單位得到了初步應用，并取得了很好的應用效果。廣東省佛山市南海區(qū)教育云采用云計算技術建設了智能教育信息網(wǎng)絡服務體系[33]。華南理工大學采用Rocks、Lustre以及曙光等高性能計算管理系統(tǒng)，構建適合各種科學計算的高性能云計算平臺系統(tǒng)。許多企業(yè)也推出了教育云解決方案，如思科教育云解決方案、微軟教育云解決方案、華為eSpace教育云方案等�！叭üこ獭弊鳛椤笆濉逼陂g教育信息化重大工程，將充分應用云計算技術搭建了“教育資源公共服務平臺”和“教育管理公共服務平臺”。其中，國家教育資源公共服務平臺已于2012年12月28日正式開通上線試運行。教育部“中國學術會議在線”平臺和“基于網(wǎng)絡的雙課堂教學應用試點示范項目”兩大項目也都采用了云計算技術。
如上所述，云計算技術在智慧教育體系中的應用主要集中在教育資源(硬件、平臺、軟件、學習資源)的共享上，可以有效解決我國教育信息化推進過程中長期存在的重復投資、信息孤島等“頑疾”。此外，云計算技術還可以用于打造云學習環(huán)境，學生通過電子書包等終端隨時隨地享受云端的各種學習服務。學習者的學習過程數(shù)據(jù)也將及時存儲到云端，保證學習數(shù)據(jù)的永不丟失，為學習行為的分析提供數(shù)據(jù)支持。
(四)泛在網(wǎng)絡：增強教育網(wǎng)絡與多終端的連通性
泛在網(wǎng)絡是智慧教育系統(tǒng)全面連通、無縫訪問的基礎，用戶可以在電信網(wǎng)、移動網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)等多個網(wǎng)絡之間暢通無阻地享受高質量的網(wǎng)絡服務。泛在網(wǎng)絡技術也是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術發(fā)揮智慧作用的支撐性技術。目前泛在網(wǎng)絡已經(jīng)在許多產(chǎn)業(yè)領域應用，如政府管理、金融服務、后勤、環(huán)境保護、家庭網(wǎng)絡、醫(yī)療保健、辦公大樓的自動化和智能化服務等[34]。泛在圖書館是泛在網(wǎng)絡技術在教育領域應用的典型代表。區(qū)別于一般的數(shù)字圖書館，泛在圖書館將數(shù)字資源、先進移動技術與泛在網(wǎng)絡環(huán)境進行優(yōu)質高效整合，為用戶構建一個觸手可及的泛在網(wǎng)絡環(huán)境和易于識別、掌握、獲取知識的信息共享環(huán)境，確保用戶在尊重知識產(chǎn)權的條件下，通過各種學習終端隨意獲取所需圖書資源[35]。2012年啟動的北京數(shù)字學校工程，通過泛在網(wǎng)絡技術打通互聯(lián)網(wǎng)與有線電視網(wǎng)，市民在家中通過歌華有線高清交互電視首頁“公共教育”欄目中的“北京數(shù)字學校”，就可將“名師請到家中。智慧教育環(huán)境中，泛在網(wǎng)絡技術的有效應用將大力推進“三方連通”：學習、生活與工作的連通；學校教育、家庭教育和社會教育的連通；手機、平板、PC、學習機、電視等各種終端設備的連通。
五、總結與展望
物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和泛在網(wǎng)絡四種智慧技術的快速發(fā)展及其在教育領域的逐步滲透，正在改變教育的生態(tài)環(huán)境和運作模式。智慧教育體系可以概括為“一個中心、兩類環(huán)境、三個內容庫、四種技術、五類用戶、六種業(yè)務”。本文構建的智慧教育體系和智慧技術創(chuàng)新應用思路，能夠在一定程度上指導我國智慧教育的發(fā)展。隨著全國各地智慧教育發(fā)展規(guī)劃的制定及其推進，智慧教育研究和實踐的浪潮正在醞釀、發(fā)展。智慧教育研究還存在很多亟待解決的關鍵問題，主要包括：(1)智慧教育環(huán)境建設：如何提升當前各種教育環(huán)境(學校、社區(qū)、博物館等)的智慧性，實現(xiàn)教育環(huán)境的無縫連通；(2)智慧教育產(chǎn)業(yè)標準制定：如何制定智慧教育行業(yè)技術標準，引導我國智慧教育產(chǎn)業(yè)規(guī)范化發(fā)展；(3)智慧教育業(yè)務開展：如何基于智慧教育環(huán)境，實現(xiàn)教學、管理、評價等主流教育業(yè)務的智慧化流程改造和績效提升；(4)智慧教育資源開發(fā)：如何創(chuàng)新設計智慧資源組織形態(tài)、智慧資源管理與應用機制，實現(xiàn)各種教學資源的智能化推送、動態(tài)匯聚、有序進化與自適應呈現(xiàn)；(5)智慧型教師隊伍建設：如何創(chuàng)新教師培訓模式與內容，提升教師智慧環(huán)境下開展智慧教學的能力。
作者介紹：楊現(xiàn)民，江蘇師范大學教育研究院，江蘇省教育信息化工程技術研究中心博士，碩士生導師，研究方向為泛在學習、知識進化、智慧教育、技術增強學習，yangxianmin8888@163.com，江蘇 徐州 221116；余勝泉，北京師范大學現(xiàn)代教育技術研究所教授，博士生導師，研究方向為教育技術基本理論、計算教育應用，yusq@bnu.edu.cn，北京 100875
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